Bibliographic Metadata

Title
Verteilte Kommunikationssysteme für Industrieautomation und Internet of Things: Survey und Case-Study
Additional Titles
Distributed Communication Systems for Industrial Automation and Internet of Things: Survey and Case-Study
AuthorIbrahim, Mohamed
Thesis advisorGöschka, Karl Michael
Published2018
Date of SubmissionJune 2018
LanguageGerman
Document typeBachelor Thesis
Keywords (DE)Automatisierung \\ / Cyber-Physical Systems\\ / Messaging Middleware / MQTT \\ / Industrial Cloud (Mindsphere) \\ / Industrielle Kommunikationsprotokolle \\ / Feldbussysteme\\ / (Industrial) Internet of Things\\ / Industrie 4.0 \\ / Modbus-TCP\\
Keywords (EN)Automation\\ / Cyber-Physical Systems\\ / Messaging Middleware / MQTT \\ / Industrial Cloud (Mindsphere) \\ / Industral Communication Protocols \\ / Feldbussysteme\\ / (Industrial) Internet of Things\\ / Industrie 4.0 \\ / Modbus-TCP\\
Restriction-Information
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Classification
Abstract (German)

Im Zuge der Automatisierung und Digitalisierung entstanden in der Industrie neue

Möglichkeiten. Die computergestützte Arbeit griff in allen Zyklen der Fertigung

ein, vom Design bis zur Wartung, und erhöhte daher die Effizienz in der

Produktion enorm. Die erste programmierbare Steuerung ermöglichte es, technische

Prozesse softwaregestützt zu automatisieren. Nach diesem Erfolg entwickelte sich

die Informationstechnik in der Industrie rasant weiter, es entstanden Systeme,

um Fertigungsprozesse und Anlagen zu bewachen, zu regeln und zu vernetzen.

Industrie 4.0 verstärkte den Einsatz von Softwarelösungen, die diesen Systemen

die erforderte Flexibilität liefern. Durch die starke Vernetzung und den großen Datenfluss spielt die

Konnektivität zwischen den Knoten im verteilten System eine große Rolle.

Industrielle sowie IoT-Kommunikationsprotokolle und Bussysteme müssen in der

Lage sein, schnell, sicher und möglichst leichtgewichtig Daten an lokale Kontrollserver

oder Cloud-basierte Systeme zu übertragen.

Im Rahmen der Abschlussarbeit wurde für die Siemens Industrie-Cloud

'Mindsphere' ein IoT-Gateway entwickelt, um Sensordaten aus industriellen

Anlagen auszulesen, zu verarbeiten und anschließend in die Cloud für Wartungs-

und Überwachungszwecke zu übertragen.

Ziel dabei ist es, die Konnektivität der Mindsphere zu erweitern, da diese nur die

Protokolle 'Open Platform Communications Unified Architecture' (OPC UA) und S7

unterstützt. Das Gateway implementiert die Protokolle Message Queue Telemetry

Transport (MQTT) und Modbus-TCP, wobei das zweite Protokoll im Rahmen des

ersten Teils der Abschlussarbeit implementiert und diskutiert wurde. Die

Implementierung des IoT-Gateways zeigte die Effizienz von IP-basierten

Protokollen im Kontext der Industrie. Effizient konstruierte Softwarearchitektur macht es möglich, einen 'Datensammler' zu betreiben, der

nebenläufig im verteilten System basierend auf verschiedene Programmiertechnologien und -paradigmen von mehreren Datenquellen über

verschiedene Protokolle Daten abzugreifen und zyklisch in die

Cloud zu übertragen. Die implementierten Protokolle basieren auf völlig

verschiedene Kommunikationsarchitekturen, daher mussten Schnittstellen definiert

und implementiert werden, die Homogenität in solch heterogenen Systemen schaffen

können. MQTT zeigte sich als effizientes und flexibles Protokoll für

Telemetriedaten, Modbus-TCP eignet sich perfekt für das Feld und die industrielle Umgebung. Die Arbeit widmet

sich anfangs den Prinzipien der Datenkommunikation und der Automatisierung der

Industrie, danach wird gezielt auf die Implementierung des Gateways eingegangen.

Abstract (English)

New possibilities arise due to automation and digitization. Computer-aided

work took effect in all cycles of production, from design to maintenance

enormously increasing the efficiency of production processes. The first programmable

controller made it possible to programmatically automate technical processes.

Following this success, the rapid growth of industrial communication technology continues. Systems were

developed to monitor, control and network production processes and plants.

Due to strong networking and large data flow, connectivity between nodes

in distributed systems is getting more and more important. Industrial and IoT communication

protocols must be capable to communicate data to local control servers or cloud-based

systems in an efficient, fast, secure and lightweight way.

In the context of the final thesis, an Embedded IoT gateway for sensor data has been

developed to extend the connectivity of the Siemens Industry Cloud, ’Mindsphere’,

since by default it only supports the Protocols ’Open Platform Communications Unified

Architecture’ (OPC UA) and S7 to communicate with assets. The gateway implements the

Message Queue Telemetry Transport (MQTT) and Modbus TCP. The latter has

been discussed and implemented in the first part of the final thesis. The

Implementation of the IoT Gateway demonstrated the efficiency of IP-based Protocols in the context of industry. Efficiently designed software architecture makes it possible to operate only one 'data collector' which operates

concurrently in the distributed system based on different programming technologies and paradigms. The system is able to retrieve data from multiple data sources via

various protocols and cyclically transferring them

to the cloud. The implemented protocols are based on completely

different communication architectures, therefore interfaces had to be defined

and implemented that can create homogeneity in such heterogeneous systems. MQTT proved to be an efficient and flexible protocol for

Telemetry data, Modbus-TCP is perfectly suited for the field and industrial environment. After presenting

the principles of data communication and industrial automation the paper

elaborates the implementation of the gateway.