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IoT deformiert die bekannte Automatisierungspyramide

01 Die IoT-Box mit ihren wesentlichen Komponenten verdeutlicht das Zusammenwachsen von Automatisierungs- und Informationstechnik

01 Die IoT-Box mit ihren wesentlichen Komponenten verdeutlicht das Zusammenwachsen von Automatisierungs- und Informationstechnik

02 Aufbau, Funktionalitäten und Kommunikationsmöglichkeiten der IoT-Box

02 Aufbau, Funktionalitäten und Kommunikationsmöglichkeiten der IoT-Box

03 IoT-Geräte von links nach rechts: Sensor für Temperatur/Luftfeuchte, Ultraschallabstandssensor, optische und akustische Anzeige (Empfänger des Abstandssensors) sowie batteriebetriebener dreh- und schwenkbarer Ventilator

03 IoT-Geräte von links nach rechts: Sensor für Temperatur/Luftfeuchte, Ultraschallabstandssensor, optische und akustische Anzeige (Empfänger des Abstandssensors) sowie batteriebetriebener dreh- und schwenkbarer Ventilator

04 Die Temperaturanzeige über das Dashboard von Node-RED (node-red-dashboard Version 2.62) (oben) und der zugehörige Flow mit den entsprechenden Nodes für die OPC-UA-Kommunikation sowie die Anzeige der Daten im Dashboard (unten)

04 Die Temperaturanzeige über das Dashboard von Node-RED (node-red-dashboard Version 2.62) (oben) und der zugehörige Flow mit den entsprechenden Nodes für die OPC-UA-Kommunikation sowie die Anzeige der Daten im Dashboard (unten)

Nach dem Abschlussbericht des Arbeitskreises Industrie 4.0 aus dem Jahr 2013 ist ein Ziel von Industrie 4.0 die vollständig vernetzte Fabrik. Demnach werden zu produzierende Objekte intelligent, d. h. „smart“ sein, und den Maschinen sagen, wie sie entsprechend bearbeitet werden müssen. Damit eine Produktion individueller, flexibler und schneller abläuft, müssen die Maschinen automatisiert, sicher und in Echtzeit anpassungsfähig sein. Allerdings lassen sich diese interpretierten Forderungen nicht mit der bekannten Automatisierungspyramide und den darin enthaltenen Hierarchieebenen realisieren. Wie Automatisierungs- und Informationstechnik zusammenwachsen können, zeigt die IoT-Box mit ihren industriellen und kommerziellen Produkten.
Industrie 4.0 sorgt dafür, dass die beiden Technologiebereiche Automatisierungs- sowie Informationstechnik zusammenwachsen. Um die Schnittmenge beider Technologien zu vermitteln, möglichst viele der betreffenden Themengebiete (Sensor-, Antriebs-, Elektro-, Steuerungs- und Regelungstechnik) abzudecken und dabei transportabel sowie flexibel zu bleiben, wurde die IoT-Box (Bild 1) entwickelt. Dabei wurde neben dem Einsatz von Industriekomponenten auch der Begriff „Internet der Dinge und Dienst“ wörtlich genommen, indem praktisch jedes elektrische „Ding“ internettauglich gemacht wurde.
Das Herzstück der IoT-Box ist der Raspberry Pi 3. Der Einplatinencomputer übernimmt die meisten funktionellen Aufgaben. Das hierbei verwendete Betriebssystem ist Raspbian Stretch, also die auf Debian 9 angepasste Raspberry-Pi-Distribution. Der Raspberry Pi wurde so konfiguriert und erweitert, dass insgesamt drei Netzwerke zur Verfügung stehen. Der Ethernetanschluss wird für das SPS-Netzwerk verwendet (LAN) und die integrierte WLAN-Funktionalität dient als Access Point für das lokale Sensornetzwerk. Über einen USB-WLAN-Dongle kann eine Verbindung zu einem Hotspot hergestellt werden (Bild 2).
Steuerungen über das Internet ansprechbar
Eine Bridge sorgt dafür, dass die LAN-Teilnehmer (Steuerungen) auch über das Internet erreichbar sind, sofern dies gewünscht ist. Außerdem laufen auf dem Raspberry Pi folgende Softwarepakete bzw. Runtimes:

  • Codesys als Soft-SPS mit Modbus TCP/IP (Master) und integrierter Webvisualisierung,
  • Mosquitto als MQTT-Broker,
  • Node-RED als universelles Gateway und OPC-UA-Client sowie weiteren Funktionalitäten,
  • Apache 2 als Webserver und
  • „MySQL“ als Datenbanksystem.

Die Soft-SPS kann als lokale Funktionalität angesehen werden und die verbleibenden Programmpakete sind auch als Serverdienste interpretierbar. Auch wenn diese im vorliegenden Fall auf dem Raspberry Pi installiert sind, lassen sie sich ebenfalls in einer Cloud verwenden. Die speicherprogrammierbaren Steuerungen sind als MQTT-Clients programmierbar, indem auf vorhandene Bibliotheken des jeweiligen Herstellers zurückgegriffen wird. Bild 3 zeigt eine kleine Auswahl von kleineren Applikationen bzw. lauffähigen MQTT-Clients.
Netzwerke und Kommunikation
Wie in Bild 2 zu erkennen ist, besitzt der Aufbau drei Netzwerke. Das erste WLAN dient zur Kommunikation zwischen dem Raspberry Pi, den MQTT-Clients sowie verschiedenen Anzeigegeräten, PC oder Smartphones und stellt somit das Sensornetzwerk dar. Dabei fungiert der Raspberry Pi als DHCP-Server und vergibt den einzelnen Clients eine IP-Adresse. Wenn für das erste WLAN der integrierte WLAN-Chip des Raspberry Pi verwendet wird, muss das zweite WLAN über einen USB-WLAN-Dongle aufgebaut werden. Dieses dient zur Anbindung an ein anderes Netzwerk, welches zum Beispiel auch eine Internetverbindung haben kann (Verbindung zu einem Hot-Spot). Die Ethernet-Schnittstelle des Raspberry Pi wird als Kommunikationsschnittstelle zu den speicherprogrammierbaren Steuerungen (und zugehörigem Entwicklungsrechner) verwendet. Die Kommunikation zwischen dem Raspberry Pi, den Steuerungen bzw. Koppler erfolgt über OPC UA, MQTT und/oder Modbus TCP. Speziell der verbreitete und vor allem herstellerübergreifende Industrieeinsatz von Modbus sprach für die Verwendung dieser Kommunikation in der IoT-Box.
OPC UA ist ebenfalls ein herstellerunabhängiges Kommunikationsprotokoll für Automatisierungsapplikationen in der Industrie und basiert, wie Modbus TCP, auf einer Client-Server-Architektur [1]. OPC ist bereits mehrere Jahrzehnte im industriellen Umfeld zu finden, jedoch ermöglicht erst die Weiterentwicklung (UA) eine durchgängige, plattformunabhängige Kommunikation von der Sensor-Aktor-Ebene bis zum MES-System oder einer Cloud (vertikale Integration). Aktuell stellt die Client/Server-Architektur den Flaschenhals für eine deterministische und harte Echtzeitkommunikation dar, da das Request-Response-Konzept an die (zeitlichen) Grenzen stößt. Aus diesem Grund wird auch an einer Erweiterung (OPC UA TSN) gearbeitet, die wiederum das Publish/Subscribe-Konzept beinhaltet.
MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) ist ein sehr schlankes Nachrichten-Protokoll, das nach dem Publish/Subscribe-Konzept arbeitet. Dabei kommuniziert der Sender (Publisher) einer Nachricht nicht direkt mit den Empfängern (Subscribern), sondern sendet seine Nachrichten an einen sogenannten Broker, der wiederum als Nachrichtenvermittler interpretiert werden kann. Die Empfänger melden sich beim Broker an und teilen diesem mit, welche Nachrichten an sie weitergeleitet werden sollen. Das bedeutet, dass sich ein Client nur einmal beim Broker anmeldet und somit nicht ständig nachfragen muss, ob neue Nachrichten vorliegen. Er bekommt diese automatisch zugesendet, sobald welche beim Broker eingegangen
sind. Das Konzept ist also ereignisorientiert. Viele Cloudanbieter unterstützen das MQTT-Protokoll bzw. bieten einen entsprechenden Broker an, was das Versenden zum Beispiel von Sensordaten oder den Daten einer SPS in die Cloud vereinfacht.
Sonderaufgaben der Raspberry Pi
In der IoT-Box spielt der Raspberry Pi eine besondere Rolle, da er neben der Kommunikation weitere Programme enthält und somit weitere Funktionalitäten übernehmen kann. So dient zum Beispiel das Programm Node-RED als einfache und universelle Entwicklungsumgebung für Aufgabenbereiche aus der Informationstechnologie. Über das grafische Verbinden von Nodes entstehen Flows, mit zum Teil beeindruckenden Funktionalitäten (Bild 4). So lassen sich zum Beispiel Mails oder Twitter-Nachrichten versenden oder Sensorwerte, die von einer Steuerung über OPC UA kommen, grafisch in einer Webvisualisierung darstellen und zeitgleich in einer Datenbank (die auch auf dem Raspberry Pi installiert ist) ablegen.
Damit die Daten nicht gleich in eine externe Cloud gesendet werden müssen, besitzt der Raspberry Pi auch einen „lokalen“ Apache-2-Webserver sowie eine „MySQL“-Datendank, die über die Webanwendung „phpMyAdmin“ verwaltet werden kann. Mit diesen Programmpaketen lassen sich eigene Webapplikationen erstellen.
Zusammenfassung und Ausblick
Die Automatisierungstechnik unterliegt einem ständigen Wandel. In der Vergangenheit verbesserten sich die Steuerungen jährlich dadurch, dass noch kürzere Zykluszeiten mit noch weniger Jitter erreicht werden konnten (Echtzeit und Determinismus), was zum Beispiel der Präzision einer schnellen Produktionsmaschine entgegenkommt. Im Zeitalter von Industrie 4.0 wird daran gearbeitet, dass die Automatisierungs- und Informationstechnik zusammenwachsen und dadurch eine vollständige vertikale Automatisierungs-Integration ermöglicht wird. Dafür bietet OPC UA eine gute Basis und die nahe Zukunft wird zeigen, wie die aktuellen Entwicklungen bezüglich OPC UA TSN angenommen werden und sich im sogenannten Greenfield etablieren bzw. im Brownfield integrieren lassen.
Wenn bei einer OPC-UA-Kommunikation die Datenmenge relativ hoch ist und der Client sich die aktuellen Werte kontinuierlich erfragen muss, so liefert das schlanke MQTT-Protokoll durch das Publish/Subscribe-Konzept eine effiziente Kommunikationsmöglichkeit zwischen performanten Steuerungen und weniger performanten Mikrocontrollern. MQTT bietet momentan eine gute Möglichkeit Sensor- oder Steuerungsdaten in eine Cloud zu versenden. Die IoT-Box zeigt mit industriellen und kommerziellen Produkten Möglichkeiten auf, wie die Automatisierungs- und Informationstechnik zusammenwachsen können, indem die verschiedenen Teilbereiche in gemeinsamen Applikationsbeispielen zusammen funktionieren. Der verwendete Raspberry Pi beherrscht hierbei die notwendigen Netzwerkfunktionalitäten. Die darauf installierten Programmpakete (MQTT-Broker, Node-RED, Codesys, Apache 2, „MySQL“, „phpMyAdmin“) bieten eine ideale Grundlage für das skalierbare und interdisziplinäre Lehren und Lernen. Der Einsatz von unterschiedlichen Steuerungen bzw. Kopplern zeigt außerdem, wie die verschiedenen Hersteller mit den gleichen Konfigurationsaufgaben umgehen. Eine konsequente Weiterentwicklung kann nun auf verschiedene Arten erfolgen. Zum einen können bzw. müssen die aktuellen OPC-UA-TSN-Entwicklungen beobachtet und entsprechend umgesetzt werden, zum anderen kann auch das Cloud-Computing betrachtet werden, sodass die Daten nicht nur in der Cloud liegen oder von Alexa vorgelesen werden.
Dieser Artikel ist eine gekürzte Version des Beitrags S4-1b „Das Internet der Dinge und industrielle Bussysteme im Hörsaal“ aus dem Tagungsband zur 15. Fachkonferenz AALE 2018 in Köln [2]. (no)

Literatur
[1] Plenk, V.: Protokolle: OPC UA. In: Angewandte Netzwerktechnik kompakt. IT kompakt. 2017, Springer Vieweg, Wiesbaden
[2] Smajic, H. (Hrsg.): Tagungsband AALE 2018: Das Forum für Fachleute der Automatisierungstechnik aus Hochschulen und Wirtschaft. VDE VERLAG Berlin, ISBN 978-3-8007-4522-7

Der Sensor als MQTT-Client

Der Begriffstitel IoT (Internet of Things) „fordert“, dass alle (elektronischen) Dinge über das Internet miteinander kommunizieren sollen. Traditionell werden in der Automatisierungstechnik Sensordaten von der Eingangskarte einer Steuerung eingelesen, in der Steuerung verarbeitet und ggf. an weitere Steuerungen oder an ein Leitsystem gesendet. In der Informationstechnik werden auch Nachrichten verschickt, zum Beispiel über Twitter. Bei Twitter wird das schlanke und effiziente MQTT-Protokoll verwendet. Somit liegt es auf der Hand, dass zukünftig nicht mehr die Steuerungen, sondern bereits das Sensorsystem Nachrichten versenden wird. Das Publish/Subscribe-Konzept von MQTT benötigt keine performante CPU und durch das zentrale „Verwaltungssystem“ der Nachrichten, dem sogenannten Broker, ist eine flexible Skalierbarkeit garantiert. Dabei wäre das Sensorsystem dann der Publisher und Steuerungen, IT-Systeme oder aber auch eine Cloud die Subscriber.

OPC UA TSN als möglicher Standard für zukünftiges IIoT

OPC Unified Architecture (OPC UA) ist eine konsequente Weiterentwicklung von OPC (classic) und ermöglicht durch die Eliminierung von COM/DOM eine plattformunabhängige Kommunikation zwischen unterschiedlichen Steuerungen und verschiedenen Geräten aus der Informationstechnologie (IT) . Aktuelle Entwicklungen lassen vermuten, dass in naher Zukunft sogar die Aktor-Ebene (bei der harte Echtzeit und Determinismus notwendig sind) erreicht werden wird. Spätestens dann wird die vollständige vertikale Integration bei der Automatisierungspyramide erreicht sein. Auf der anderen Seite wird auch an der Verbindung zur Cloud über OPC UA TSN (Time Sensitive Networking) gearbeitet [1].

Literatur
[1] Jamal, R.; Heinze, R.: Virtuelle Instrumente in der Praxis 2017. Begleitband zum 22. VIP-Kongress. ISBN 978-3-8007-4441-1

Prof. Dr.-Ing. Thomas Pospiech, Professor für Automatisierungs- und Regelungstechnik an der Fakultät für Technische Prozesse der Hochschule Heilbronn. thomas.pospiech@hs-heilbronn.de

Prof. Dr.-Ing. Thomas Pospiech, Professor für Automatisierungs- und Regelungstechnik an der Fakultät für Technische Prozesse der Hochschule Heilbronn. thomas.pospiech@hs-heilbronn.de

Prof. Dr.-Ing. Tobias Loose, Hochschule Heilbronn. tobias.loose@hs-heilbronn.de

Prof. Dr.-Ing. Tobias Loose, Hochschule Heilbronn. tobias.loose@hs-heilbronn.de