Moderne industrielle Automatisierungssysteme arbeiten mit vernetzten Echtzeitdaten. Diese verbundenen Systeme des Industrial Internet of Things (IIoT-Systeme) sind auf Interoperabilität angewiesen, damit Geräte und unabhängige Software-Applikationen unterschiedlicher Anbieter nahtlos zusammenarbeiten können. Darüber hinaus erfordern sie Leistungsfähigkeit und Flexibilität, um anspruchsvolle Einsatzumgebungen und Anwendungsfälle bewältigen zu können. 

Zur Erfüllung dieser Anforderungen benötigt die Industrie ein klares und auf erprobten Standards basierendes Konzept. Durch das Kombinieren der jeweils besten Eigenschaften der Standards OPC UA, DDS und TSN lassen sich Fabrikhallen mit Führungsetagen, Sensoren mit der Cloud und Echtzeitgeräte mit Fertigungszellen verbinden – alles auf der Grundlage standardisierter, interoperabler und sicherer Technologien. Aber wie können diese zusammenarbeiten?

Vorherrschende Technik: OPC UA

In der industriellen Automation stellt OPC UA die vorherrschende Technik zum Übertragen von Daten und Informationen aus Feldgeräten in die Cloud dar. Bei OPC UA geht es im Wesentlichen um die Schaffung eines verteilten Objektmodells, mit dessen Hilfe Endanwender Geräte in funktionierende Automatisierungssysteme integrieren können. Zusammen mit den zugehörigen Spezifikationen bietet der Standard eine Umgebung, in der sich Geräte verstehen und vernetzen lassen. Außerdem ist mit dem OPC UA ‚Information Model‘ (IM) eine Selbstprüfung und Steuerung des gesamten Systems möglich. 

Mit dem leistungsfähigen Client-Server-Modell von OPC UA können Applikationen – in der Regel Clients – mit einem komplexen System (implementiert als Reihe von Servern) interagieren. Im IIoT jedoch eignet sich das Client-Server-Modell nicht besonders gut für die Informationsflüsse, die für die Echtzeit-Steuerung und die Peer-to-Peer-Kommunikation erforderlich sind. Derzeit nutzen diese Echtzeit-Informationsflüsse verschiedene Feldbus-Protokolle, die jedoch nicht zusammenarbeiten. 

Im Jahr 2018 wurde Teil 14 der OPC-UA-Spezifikation herausgegeben, der die Implementierung der neuen Publish-Subscribe-Erweiterungen enthält. Diese dienen zur Anbindung an Systeme per AMQP, MQTT, Ethernet und UDP, wobei die Kombination mit dem neuen Ethernet-Standard TSN möglich ist. Das Ergebnis ist eine Technik, die in ihren Eigenschaften Ähnlichkeit mit traditionellen Feldbussen hat. 

Data Distribution Service (DDS)

Der von der Object Management Group (OMG) entwickelte DDS-Standard für ein Konnektivitäts-Framework findet in zahlreichen Branchen Verwendung. Grundsätzlich schafft DDS einen Integrationsrahmen für Software-Applikationen und kommt in Anwendungsfällen zum Einsatz, die intelligente Software mit schnellen Sensoren und Aktoren kombinieren. In diesen Systemen dient der Standard als Steuerungsbus ebenso wie als Konnektivitäts-Framework zwischen Edge und Cloud. 

DDS stellt einen skalierbaren Publish-Subscribe-Datenbus zur Verfügung, der einen geschützten globalen Datenraum mit einem einheitlichen Datenmodell für sämtliche Geräte und Applikationen bereitstellt. Der Datenbus und das einheitliche Datenmodell entkoppeln die Applikationen voneinander, denn diese interagieren weniger miteinander als vielmehr mit dem Datenbus. Sie veröffentlichen oder abonnieren Topics und lesen oder schreiben Datenobjekt-Instanzen. Für die Security wird auf der Daten-Ebene gesorgt. Applikationen benötigen eine Erlaubnis, um sich der Domain anzuschließen, und sind auf fein abgestufte Berechtigungen angewiesen, um Zugriff auf ein Topic oder ein Datenobjekt zu bekommen.

Zudem unterstützt der Standard serviceorientierte, RPC-basierte Architekturen und stellt die Hilfsmittel bereit, die zum Definieren, Entdecken und Aufrufen von Remote Services erforderlich sind. 

So eignet sich DDS ideal für die Peer-to-Peer-Kommunikation und Echtzeit-Informationsflüsse. Im Unterschied zu anderen Publish-Subscribe-Techniken wie etwa MQTT oder AMQP erfolgt die Implementierung hier ohne Broker oder Server. Eine umfangreiche QoS-Kontrolle (Quality of Service) ermöglicht es, jeden Informationsfluss auf die jeweiligen Anforderungen abzustimmen. Die Funktionalität und die Security-Eigenschaften von DDS sind außerdem transportunabhängig, sodass die Implementierung über WANs, multicastfähige LANs und TSN-Netzwerke erfolgen kann. Um den geforderten Echtzeit-Determinismus zu bieten, muss die Transportschicht ihren Teil beisteuern, weshalb die Verwendung von DDS mit TSN Sinn macht, sobald es um kritische Echtzeitschleifen geht. 

Die Anforderungen von IIoT-Systemen

Komplexe Systeme brauchen sowohl OPC UA als auch DDS, um die Komponenten und den Ablauf von Geräten, echtzeitkritischen Schleifen, Subsystemen mit vorwiegend statischen Komponenten ebenso wie die Interaktionen zu managen, die eher ad-hoc und dynamisch ablaufen. Dazu zählen zum Beispiel die statischen Komponenten in einem Roboter während des Deployments. Sind die Roboter jedoch mobil, ändern sich die Interaktionen zwischen den einzelnen Robotern und den Robotergruppen sowie externen Agenten gegebenenfalls dynamisch. 

In solch einem Fall würde man nor­malerweise einen der besagten Standards ergänzen, um die Lücken zu füllen. Diese Vorgehensweise stößt jedoch an Grenzen. Das derzeitige Konzept, OPC UA mit Publish-Subscribe-Ergänzungen zu versehen, um die objektorientierte Client/Server-Struktur von OPC UA durch nach­gerüstete Publish-Subscribe-Konzepte aufzuwerten, kann weder die erforderliche Performance noch die nötige Ska­lierbarkeit bieten. Ebenso kann das Er­weitern des ‚entkoppelten‘ datenzentrierten Modells des DDS-Datenbusses mit den Pub/Sub-Topics und Services für ein enger gekoppeltes objektorientiertes Konzept nicht die reichhaltige Ausstattung an Features erzielen, die OPC UA derzeit bietet. 

OPC UA und DDS in einer Architektur

Die besten Eigenschaften von OPC UA und DDS lassen sich in einer neuen integrierten Architektur kombinieren. Tatsächlich koexistieren und interoperieren OPC UA und DDS bereits. Die OMG-OPC-UA/DDS-Gateway-Spezifikation legt eine Zuordnung der Informationsmodelle vor, mit deren Hilfe reine OPC-UA-Anwendungen in der Lage sind, Informationen mit reinen DDS-Applikationen auszutauschen. Damit lässt sich jetzt diese Gateway-Spezifikation durch ein umfassenderes Integrationskonzept ergänzen. 

OPC UA bietet Interoperabilität auf Geräte-Ebene, ein gut ausgearbeitetes Informationsmodell (IM) sowie ein umfangreiches Ökosystem in der industriellen Automatisierung und benötigt eine bewährte, hochgradig leistungsfähige Publish-Subscribe-Technik. DDS verfügt über weitreichende Datenmodellierungs-Fähigkeiten sowie über mehrere Kommunikationsmuster, Device-to-Device-Steuerung, transparente Skalierbarkeit und Unabhängigkeit vom Physical Layer und ist in vielen IIoT-Branchen weit verbreitet.