Technologien und Cloudlösungen für die SPS im IoT

Technologien für die Integration der SPS in das IoT

OPC UA

OPC UA ist ein im industriellen Bereich verbreiteter Standard für den Datenaustausch. Er ist nach der SOA (Service Oriented Architecture) konstruiert und besteht aus mehreren Schichten, was auf der Abbildung zu sehen ist.

OPC-UA Architektur

Das Informationsmodell aus Ordnern, Items und Properties kann neben den Nutzdaten auch Metainformationen beinhalten. Außerdem ist es möglich Methoden zu definieren und aufzurufen. Auch Events werden unterstützt. Die Daten werden bei OPC UA per Server, welcher auf der SPS läuft zur Verfügung gestellt. Zusätzlich zum Client-Server Modell schließt die OPC UA Spezifikation auch ein Publish-Subscribe Modell mit ein.
Der OPC UA Standard kann nicht direkt mit dem im folgenden Abschnitt beschriebenen MQTT-Protokoll verglichen werden, er ist eine Abstraktionsschicht höher und viel umfangreicher.

Eine Beschreibung von OPC UA, sowie eine Übersicht von im IoT verwendeten Transportprotokollen ist hier auf der Novatec Webseite nachzulesen.

MQTT

MQTT ist ein in der IoT verbreitetes Protokoll, das nach dem Publish-Subscribe-Modell funktioniert. Dabei sendet (publish) die SPS oder ein Sensor einen Wert, wenn sich dieser ändert, an einen Broker, welcher meist in der Cloud läuft. Das Datenmodell ist eine Baumstruktur, die Äste werden dabei als Topics bezeichnet.  An dem Broker kann sich ein beliebiges MQTT-fähiges Gerät auf das entsprechende Topic subscriben. Damit wird ihm vom Broker immer der aktuelle Wert weitergeleitet.

MQTT läuft über das TCP/IP Protokoll, somit kann als Verschlüsslung TLS eingesetzt werden. Um verschiedene Topics vor unbefugtem Zugriff zu schützen kann eine Authentifikation der Subscriber beim Broker konfiguriert werden.

Icons: ©Fontawesome

Die Daten der SPS als Publisher können mithilfe von MQTT direkt von verschiedensten Subscribern weiterverarbeitet werden. Das könnte eine Datenbank sein, die Daten für Predictive-Maintenance loggt oder eine beliebige Webapp.

Cloudlösungen für die SPS

Codesys IIoT Libaries

Die 3S-Smart Software Solutions GmbH führt unter dem Namen CODESYS Runtime-Enviroments für verschiedene Maschinensteuerungen und PC Betriebssysteme, um diese als SPS zu betreiben. Außerdem gibt es eine CODESYS IDE, um diese Geräte dann zu programmieren. Viele Herstellerspezifischen IDEs (z.B. WAGO e!Cockpit ) basieren auf der von CODESYS, bzw. erweitern diese um verschiedene Funktionen.

Bei „CODESYS IIoT Libaries SL“ handelt es sich um ein Softwarepaket, welches Bibliotheken für die Verwendung einer SPS in einer IoT Umgebung bereitstellt. Unter anderem wird ein „AWS IoT Core Client“ zur Anbindung an eine Cloudlösung von Amazon, und ein „Azure IoT Hub Client“ zur Anbindung an einen Cloud-Dienst von Microsoft bereitgestellt. Zusätzlich sind offenere Schnittstellen enthalten, wie ein Web-Client für http und https -Requests und ein MQTT-Client. Damit bietet die Bibliothek alle Werkzeuge die nötig sind, um eine eigene Cloudanbindung zu realisieren.

CODESYS Automation Server

CODESYS Automation Server ist eine Cloud Plattform, welche die Programmierung mehrerer SPS und das ausrollen von Updates über die Cloud ermöglicht. Integriert ist eine Subversion Lösung zur Codeverwaltung und die Möglichkeit, den Code mittels Digital Twin zu testen. Zudem wirbt CODESYS mit einem Ticketsystem für Inbetriebnahme und Wartung. Über den CODESYS Edge Gateway wird dabei die Verbindung von den Steuerungen zur Cloud aufgebaut. Dabei wird diese mittels TLS verschlüsselt.

SIEMENS MindSphere

SIEMENS MindSphere ist ein umfangreiches PaaS (Platform as a Service) -Produkt, welches seit August 2017 auf dem Markt ist. Dabei handelt es sich um eine Open Cloud Plattform, ein Marktplatz für Drittanbieter Apps im Kontext des IoT. Zudem werden verschiedene Software- und Hardwareprodukte von SIEMENS angeboten, welche zum Sammeln der, an einer Maschine anfallenden Daten, und zum Senden dieser, dienen. Die Plattform bietet eine Vielzahl an Schnittstellen, zu welchen auch OPC UA zählt. Die gesammelten Daten können mit MindSphere analysiert und aggregiert werden. Durch die zur verfügen stehenden APIs ist es auch für Drittanbieter möglich Applikationen anzubinden, beispielsweise Digital-Twins oder Dashboards.

Weitere Beispiele

Mit den vorgestellten Lösungen ist das Repertoire noch lange nicht erschöpft. Die meisten großen Hersteller von Maschinensteuerungen bieten Cloudprodukte an. Beispielsweise gibt es die Wago Cloud  welche mit einer einfachen Cloudanbindung der Steuerungen wirbt oder von Beckhoff einen IoT-Koppler als Edge-Device.

Eine Einführung was eine SPS ist, und wie diese sich von PCs unterscheidet ist hier und hier nachzulesen. Weiterführende Informationen zum Thema IoT, Use Cases, und welche Möglichkeiten sich durch die Integration verschiedener IoT-Technologien eröffnen, können auf der Novatec Website gefunden werden.