AMQP – Advanced Message Queuing Protocol
Client-Server-Architektur
Cloud
Controller-2-Controller-Kommunikation
Daten Frame
DDS – Data Distribution Service
Deterministische Kommunikation
Digitalisierung
Endgerät/Device
Ethernet Protokoll
FPE – Frame Pre-Emption
HTTP – Hypertext Transfer Protocol
I4.0 – Industrie 4.0
Interoperabilität
IoT – Internet of Things (auch IIoT)
ISO/OSI-Modell – Open Systems Interconnection
IT – Information Technology
Jitter
JSON-File – JavaScript Object Notation
Latenz
MQTT – Message Queue Telemetry Transport
MTP – Module Type Package
NOA – Namur Open Architecture
OPC Foundation
OPC UA – Open Platform Communications Unified Architecture
OT – Operational Technology
Pub-Sub – Publish-Subscribe
PubSub TSN-Konfigurations-Broker
Standard Ethernet
TAS – Time Aware Shaper
TCP/IP – Transmission Control Protocol/Internet Protocol
TSN – Time-Sensitive Networking
AMQP – Advanced Message Queuing Protocol
AMQP ist als offener Standard ein binäres Netzwerkprotokoll für die Datenkommunikation in der Middleware- und Anwendungsebene dar. Unabhängig von der Programmierumgebung ist AMQP ein Protokoll zur Kommunikation zwischen Clients und Servern bzw. sogenannten Message-Brokern.
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Client-Server-Architektur
Das Client-Server-Konzept beruht auf der Verteilung von Aufgaben in einem Netzwerk. Der Server ist ein Programm, das einen Service anbietet. Der Client kann diesen Dienst nutzen. Der Dienst bestimmt, welche Daten zwischen beiden ausgetauscht werden. Der Server ist in Bereitschaft, um jederzeit auf die Kontaktaufnahme eines Clients zu reagieren. Während der Client aktiv einen Dienst anfordert, wartet der Server passiv auf Anfragen. Clients und Server können als Programme auf verschiedenen Rechnern oder auf demselben Rechner ablaufen.
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Cloud
Das Cloud Computing umfasst die Bereitstellung von IT-Hardware-Infrastruktur sowie Software-Services über das Internet. Erforderlich dafür sind sowohl Hard- als auch Softwareschnittstellen zur Cloud.
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Controller-2-Controller-Kommunikation
Beschreibt die Kommunikation zwischen mehreren Controllern oder Steuerungen in einer industriellen Umgebung. Sie dient zur Kommunikation zweiter Steuerungen beispielsweise über spezielle industrielle Ethernet-Protokolle oder Profile. Mit TSN wird diese Kommunikation deterministisch.
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Daten Frame
Ein Ethernet-Datenframe ist maximal 1518 Byte groß, 18 Byte sind für den Header erforderlich. Damit stehen 1500 Byte für Daten zur Verfügung, von denen wiederum 46 Byte für Kollisionserkennung erforderlich sind. Bei IEEE 802.1Q-Tags ist der Header um 4 Byte erweitert. Da ein IP-Paket 64 kB groß ist, werden größere IPv4-Pakete vor der Übertragung zur Schicht 2 des OSI-Modells zerlegt. Damit ist sichergestellt, dass die Fragmente jeweils in ein Datenframe passen.
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DDS – Data Distribution Service
DDS stellt als Standard eine Middleware zur Datenkommunikation in dynamischen verteilten Systemen dar. Sie beruht auf dem Publisher-Subscriber-Prinzip, das eine deterministische Datenkommunikation unterstützt. DDS wird besonders in den USA als Alternative zu OPC UA favorisiert.
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Deterministische Kommunikation
Für eine deterministische Kommunikation ist es unerlässlich, dass die gesendeten Daten in einer genau definierten Zeit den Empfänger erreichen. Da Netzwerke meist aus einer Vielzahl von Netzwerkkomponenten bestehen, setzt Determinusmus bestimmte Verfahren voraus, damit definierte Übertragungszeiten eingehalten werden können.
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Digitalisierung
Digitalisierung ist die Darstellung der analogen Welt in digitalen Formaten. Die Daten lassen sich informationstechnisch verarbeiten und gezielt auswerten. Digitalisierung ist die Basis der Digitalen Revolution in der Industrie, in der Wirtschaft sowie im Privatleben.
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Endgerät/Device
Bisher handelt es sich bei Endgeräten meist um Telekommunikationsteilnehmer oder Datenendgeräte im Netzwerk. Zukünftig fallen unter den Begriff auch alle mobilen Geräte, die auf irgendeine Wese mit dem Internet kommunizieren. Das können Mobiltelefone sein, aber auch Sensoren in weit verzweigten chemischen Anlagen oder autonome Fahrzeuge.
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Ethernet Protokoll
TCP (Transmission Control Protokol)/IP, UDP (User Datagram Protocol), SCTP, HTTP (Hypertext Transfer Protocol), FTP (File Transfer Protocol), SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) etc. Die Protokolle sind den verschiedenen Schichten des ISO/OSI-Modells zugeordnet.
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Bild: industrieblick/stock.adobe.com
FPE – Frame Pre-Emption
Mittels Frame Pre-Emption wird die Übertragung zeitunkritischer Datenpakete unterbrochen, wenn ein höher priorisiertes Datenpaket übertragen werden muss. Die Übertragung der unkritischen Daten wird danach fortgesetzt.
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HTTP – Hypertext Transfer Protocol
HTTP dient als Protokoll zur Datenübertragung über ein Netzwerk. Haupteinsatzgebiet ist die Übertragung von Daten aus dem Internet für den Aufbau von Webseiten, kann aber jederzeit auch als allgemeines Dateiübertragungsprotokoll genutzt werden. HTTP ist vom World Wide Web Consortium (W3C) standardisiert und aktuell als HTML5 verfügbar. HTTPs als weiterer Standard erlaubt die sichere Verschlüsselung übertragener Inhalte.
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I4.0 – Industrie 4.0
Industrie 4.0 beschreibt die umfassende Digitalisierung der industriellen Produktion. Sie soll mit moderner Informations- und Kommunikationstechnik verzahnt werden, IT und OT wachsen somit zusammen. Ziel ist eine selbstorganisierte Produktion, in der Menschen, Maschinen und Produkte miteinander kommunizieren und kooperieren. Dabei soll die gesamte Wertschöpfungskette optimiert werden, von der Entwicklung, Fertigung, Nutzung und Wartung bis zum Recycling.
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Interoperabilität
Interoperabilität bzw. Kompatibilität ist die Eigenschaft verschiedener Systeme, Daten auszutauschen und zusammenzuarbeiten. Die Interoperabilität basiert in der Regel auf definierten Schnittstellen und gemeinsamen Standards.
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IoT – Internet of Things (auch IIoT)
Das IoT ist ein Sammelbegriff für Technologien einer globalen Infrastruktur, die physische und virtuelle Dinge miteinander vernetzt und sie durch Informations- und Kommunikationstechniken kooperieren lässt. Das IoT ermöglicht die Kommunikation von Menschen mit beliebigen vernetzten elektronischen Systemen sowie die Kommunikation zwischen Systemen. Gelegentlich wird zwischen Industrial Internet of Things (IIoT) und Commercial Internet of Things (CIoT) unterschieden – abhängig davon, ob es sich um industrielle Anwendungen handelt oder um allgemeine, die auch das Privatleben einschließen.
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ISO/OSI-Modell – Open Systems Interconnection
Das OSI-Modell (Open Systems Interconnection) ist ein Referenzmodell für Netzwerkarchitektur und -protokolle. 1984 wurde es von der International Organization for Standardization (ISO) als Standard veröffentlicht. Zweck des OSI-Modells ist, Kommunikation über unterschiedliche technische Systeme hinweg darzustellen und zu ermöglichen. Das Modell definiert sieben Layer. Den Layern zugeordnete Netzwerkprotokolle ermöglichen die Kommunikation der Schichten untereinander.
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IT – Information Technology
Die IT umfasst das gesamte Spektrum an Technologien zur Datenverarbeitung, wie Software, Hardware, Kommunikationstechnologien und damit verbundene Services.
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Jitter
Bei der Übertragung von Datenpaketen über das Internet können Verzögerungen auftreten. Die Zeitverzögerungen werden allgemein als Jitter bezeichnet.
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JSON-File – JavaScript Object Notation
JSON ist ein kompaktes Datenformat auf Textbasis zur Kommunikation zwischen einzelnen Anwendungen. JSON-Dokumente werden als JavaScript-Code interpretiert und ausgeführt. Da JSON unabhängig von der Programmiersprache ist, dienen sogenannte Parser für die Übersetzung in die eigentlichen Sprachen.
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Latenz
Latenz beschreibt die Verzögerungszeit bzw. die Laufzeit eines Signals in einem technischen System.
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MQTT – Message Queue Telemetry Transport
MQTT ist ein offenes Protokoll für die Datenkommunikation in der Industrie 4.0. Ende der 90er Jahre von IBM mit Partnern entwickelt ist es seit 2016 offizieller ISO/IEC20922-Standard. MQTT basiert auf einer Art Client-Server-Struktur. Die Server oder Broker enthalten alle Informationen über den Zustand der angebundenen Clients. Informationen aus einem Prozess können von einer oder mehreren Instanzen an einen Broker gesendet werden. Dieser sendet sie dann weiter an die einzelnen Empfänger.
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MTP – Module Type Package
MTP ist eine Automatisierungsschnittstelle für die Prozesstechnik, mit der sich modular aufgebaute Anlagen herstellerübergreifend sehr einfach zusammen- und umstellen lassen – im Sinne „Plug & Produce“. Sie ermöglicht eine schnelle und einfache Konfiguration sowie Implementation der entsprechenden Module. Die Standardisierung wird unter Leitung von Profibus & Profinet International (PI) zusammen mit Namur und ZVEI vorangetrieben. Die Standardisierung wird in der IEC 63280 beschrieben.
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Bild: Ridvan/stock.adobe.com
NOA – Namur Open Architecture
Mit NOA sollen Produktionsdaten im Sinne der Industrie 4.0 einfach und sicher für die Anlagen- und Geräteüberwachung genutzt werden können. Die Namur will dazu Daten auf einem zweiten Kanal rückwirkungsfrei übertragen, ohne dass die Vorteile traditioneller Automatisierungsstrukturen beeinflusst werden. NOA soll zudem mit Advanced Physical Layer (APL) und MTP kompatibel sein. Namur und ZVEI haben zur Entwicklung ein Gemeinschaftsprojekt initiiert, als Host fungiert Profibus & Profinet International (PI).
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OPC Foundation
Die OPC Foundation ist ein Industriekonsortium, das sich die Entwicklung von Industriestandarts zum Ziel gesetzt hat. Gemeinsam mit anderen Organisationen soll eine offene Kommunikation zwischen den Hard- und Softwarelösungen verschiedener Hersteller entstehen. Die OPC Foundation ist Eigentümerin des OPC-Standards, der die Kommunikation in industriellen Prozessen zwischen Sensoren, Aktoren, Steuerungen oder eingebetteten Komponenten definiert. Die OPC Foundation wurde 1994 gegründet.
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OPC UA – Open Platform Communications Unified Architecture
OPC UA ist eine herstellerunabhängige, standardisierte Plattform bzw. ein industrielles M2M-Kommunikationsprotokoll. OPC UA bietet die Möglichkeit, Maschinendaten, Messwerte, Parameter nicht nur zu transportieren, sondern auch maschinenlesbar, semantisch zu beschreiben. Die OPC-UA-Architektur ist ursprünglich eine serviceorientierte Client-Server-Architektur (SOA). Seit einiger Zeit ist auch eine Publish-Subscribe-Erweiterung verfügbar. Vor der Umbenennung zu ‚Open Platform Communications‘ stand OPC für ‚OLE (Object linking and embedding) for Process Control‘.
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OT – Operational Technology
Im Gegensatz zur IT steuert die Operational Technology die Produktion. OT steuert Ventile, Pumpen und CNC-Maschinen. Dabei bildet sowohl Hard- als auch Software die OT, die durch eine direkte Steuerung von Prozessen und Events die Produktionsabläufe beeinflusst.
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Pub-Sub – Publish-Subscribe
Publish/Subscribe beschreibt den Mechanismus, um in einem Netzwerk Daten zu versenden. Möglich sind mehrere Publisher und mehrere Subskribenten, wobei eine Anwendung sowohl Publisher als auch Subskribent sein kann. Publisher stellen die Informationen unter einem Topic bereit, ohne genaue Kenntnisse der Anwendung. Die Subskribenten erstellen wiederum Subskriptionen mit einem definierten Topic. Die Subskription bestimmt mittels dieser Topics, welche Veröffentlichungen an den Subskribenten weitergeleitet werden. Ein Subskribent kann mehrere Subskriptionen vornehmen und Informationen von verschiedenen Publishern erhalten. Möglich sind Einer-an-Viele (One-to-Many), Viele-an-Einen (Many-to-One) und Viele-an-Viele (Many-to-Many).
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PubSub TSN-Konfigurations-Broker
Um den OPC-UA-PubSub-Datenaustausch und die deterministische TSN-Kommunikation zu verbinden, braucht es einen Mechanismus, der TSN-Schedules den bereitgestellten OPC-UA-Daten zuordnet. Diese Aufgabe wird vom PubSub-TSN-Konfigurations-Broker ausgeführt.
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Standard Ethernet
Ethernet spezifiziert Software sowie Protokolle und Hardware wie Kabel, Switche sowie Netzwerkkarten für kabelgebundene Datennetze. Es ermöglicht den Datenaustausch in Form von Frames zwischen den Netzwerkteilnehmern. Zurzeit sind Übertragungsraten bis 400 Gigabit/s spezifiziert. Im OSI-Modell ist mit Ethernet sowohl die physische Schicht (Layer 1) als auch die Data-Link-Schicht (Layer 2) festgelegt. Ethernet entspricht weitgehend der IEEE-Norm 802.3. Ethernet ist die Basis für verschiedene Netzwerkprotokolle wie TCP/IP.
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TAS – Time Aware Shaper
Das Grundprinzip von TSN basiert auf dem TAS-Verfahren, dem Time Aware Shaper. Switche, die die TAS-Funktion unterstützen, teilen Datenverkehr nach Prioritäten, die entsprechend eines globalen Zeitplans abgearbeitet werden. Die so entstehenden Warteschlangen werden von sogenannten Transmission Gates gesteuert. Öffnet ein Gate, sind die anderen geschlossen.
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TCP/IP – Transmission Control Protocol/Internet Protocol
TCP/IP umfasst eine ganze Familie von Netzwerkprotokollen, auch als Internetprotokollfamilie bezeichnet. Die Identifikation der Netzwerkteilnehmer und Rechner erfolgt mittels IP-Adressen. Jedes Gerät mit IP-Adrsse im Netzwerk ist ein Host. Die Protokollfamilie wird durch das User Datagram Protocol (UDP) als weiteres Transportprotokoll ergänzt. Weitere Protokolle sind DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol), ARP (Address Resolution Protocol) etc.
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TSN – Time-Sensitive Networking
TSN bezeichnet eine Reihe von Standards, an denen die Time-Sensitive Networking Task Group (IEEE 802.1) arbeitet. Die verschiedenen Teilstandards und damit die Schlüsselkomponenten der TSN Technologie lassen sich in drei grundlegende Kategorien einteilen. Jeder Teilstandard kann einzeln genutzt werden, aber nur im Gesamtverbund und unter Ausnutzung aller Mechanismen erreicht ein TSN-Netzwerk die höchstmögliche Leistungsfähigkeit. Diese drei Kategorien sind: Zeitsynchronisation: Alle teilnehmenden Geräte benötigen ein gemeinsames Verständnis der Zeit. Scheduling und Traffic Shaping: Alle teilnehmenden Geräte arbeiten bei der Bearbeitung und Weiterleitung von Netzwerkpaketen nach den gleichen Regeln. Auswahl der Kommunikationspfade, Reservierungen und Fehlertoleranz: Alle teilnehmenden Geräte arbeiten bei der Auswahl und Reservierung von Bandbreite und Kommunikationspfaden nach den gleichen Regeln.
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