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Hochschule Kempten

Erste Erfahrungen mit OPC UA PubSub

04. Februar 2021, 08:39 Uhr   |  Meinrad Happacher

Erste Erfahrungen mit OPC UA PubSub
© Hochschule Kempten

Codesys bietet zur Umsetzung von PubSub schon eine objektorientiert aufgebaute IEC-Bibliothek an. Die Hochschule Kempten hat jetzt einen Industrie-4.0-Demonstrator mit dem Kommunikationssystem ausgestattet. Ein erster Erfahrungsbericht.

Der Demonstrator der Hochschule Kempten hat schon ein Vorleben: Er diente als vielfach verwendetes Messe-Exponat und wurde der Hochschule Kempten in einem nicht betriebsfähigen Zustand zur Verfügung gestellt. Ursprünglich diente er innerhalb eines Forschungsprojektes dazu, die Vernetzung von dezentralen Steuerungsarchitekturen zu veranschaulichen. 

Im Rahmen einer Abschlussarbeit erfolgte die Wiederinbetriebnahme der Anlage. Genutzt wurde hierzu eine neue Steuerungsarchitektur mit drei dezentralen Kleinsteuerungen auf Raspberry-Pi-Basis und einer übergeordneten Soft-SPS (Industrie-PC) zur Anlagensteuerung inklusive Visualisierung. Die Kommunikation zwischen den Steuerungen erfolgte in einem ersten Schritt über TCP/IP. In einem nächsten Schritt erfolgte jetzt die Implementierung OPC UA PubSub.

Wozu PubSub?

In vernetzten Anlagen mit einer verteilten Steuerungsarchitektur, deren Kommunikation nicht komplett echtzeitfähig sein muss, besteht immer die Anforderung, Daten zwischen den Teilnehmern einfach und effizient austauschen zu können. Bisher gängige Übertragungsverfahren wie beispielsweise TCP/IP erfordern es, alle Teilnehmer im Netzwerk, die miteinander kommunizieren sollen, einzeln in einem selbstdefinierten (proprietären) Übertragungsprotokoll zu vernetzen und zu implementieren. An diesem Punkt setzt OPC UA PubSub an: In einem standardisierten Protokoll, das in Sender (Publisher) und Empfänger (Subscriber) untergliedert ist, können die Daten plattform-übergreifend übertragen werden, ohne Details der Kommunikation zu kennen oder selbst umzusetzen.

Das Grundprinzip  der Datenübertragung mit OPC UA
© Hochschule Kempten

Das Grundprinzip der Datenübertragung mit OPC UA

Der grundsätzliche Aufbau von PubSub ähnelt dem des bekannten Internetprotokolls MQTT: Ein Publisher bietet unter einem bestimmten Thema (Topic) Daten an, für die generell nicht relevant ist, ob sie tatsächlich genutzt oder empfangen werden. Hat eine Steuerung Interesse an dem Topic eines Publishers, kann sie sich als ein Subscriber – von beliebig vielen möglichen Subscribern – das entsprechende Thema abonnieren. Als Folge werden alle Daten, die im Netzwerk unter dem ‚Abonnement‘ gesendet werden, automatisch empfangen und können genutzt werden.

Für die unteren Netzwerk-Schichten (OSI-Modell) der Übertragung mit PubSub wird das User Data Protokoll (UDP) genutzt. Das heißt, der Datentransport findet verbindungslos und damit zum Beispiel ohne Rückmeldungen des Empfängers  statt. Das führt dazu, dass PubSub seine Übertragungen schneller als bestätigte, verbundene Protokolle – als etwa TCP-IP – übermitteln kann. Gleichzeitig sind keine Empfangsbestätigungen vorgesehen, sodass ein Sender sich über den Empfang seiner Nachrichten nicht im Klaren sein kann. Natürlich wäre es bei Bedarf denkbar, ein Bestätigungssystem auch über PubSub umzusetzen. 
Zur besseren Absicherung des Datentransports verwendet die Umsetzung von PubSub in Codesys zusätzliche Sicherheitsfunktionen des Message Mapping Protokolls (UADP, beispielsweise Verschlüsselung oder die Signierung von Daten).

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1. Erste Erfahrungen mit OPC UA PubSub
2. Wie ist PubSub in Codesys anzuwenden?
3. Die PubSub-Umsetzung

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