Integration von Allen Bradley und MQTT (Schritt-für-Schritt Guide)

In der modernen Fabrik spielt die Kombination aus Allen Bradley Steuerungen und MQTT eine immer entscheidendere Rolle bei der nahtlosen Vernetzung von OT und IT Systemen. Allen Bradley Steuerungen von Rockwell Automation sind für ihre Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit in der Automatisierung bekannt und weltweit insbesondere in der diskreten Fertigung sowie in der Prozessindustrie verbreitet. MQTT hingegen bietet die event-basierte und skalierbare Schnittstelle zwischen OT und IT. Aufgrund der Beliebtheit der Rockwell-Steuerungen und der zunehmenden Verbreitung von MQTT wächst die Notwendigkeit einer nahtlosen Integration beider Technologien. Zudem wird die Integration im Kontext der Industrial Unified Namespace Architektur immer bedeutender. Der folgende Schritt-für-Schritt Guide führt durch den Prozess, wie die Integration von Allen Bradley und MQTT gelingt.

Optionen für die Integration von Allen Bradley und MQTT

Die Anbindung einer Allen Bradley Steuerung an einen MQTT-Broker kann auf mehrere Wegen erfolgen: über ein Gateway, auf Basis einer direkten Kommunikation mittels einer MQTT Add-On Instruction (AOI) im Controller oder über einen OPC UA Server. Die Auswahl der geeigneten Schnittstelle hängt dabei von den spezifischen Use-Case Anforderungen und der vorhandenen Infrastruktur ab. Detaillierte Informationen zu den Vor- und Nachteilen der Schnittstellen finden Sie hier.

1. Option: Integration via Gateway

Eine der häufigsten Methoden für die Integration von Allen Bradley und MQTT ist die Verwendung eines Gateways (Software- oder Hardware-Gateway). Dabei agiert das Gateway als Brücke zwischen der Steuerung und dem MQTT-Broker. Das Gateway kommuniziert über das native EtherNet/IP-Protokoll mit der Allen Bradley Steuerung, liest die relevanten Controller-Tags aus, transformiert die Daten in MQTT-Nachrichten und veröffentlicht diese im MQTT-Broker. Diese Methode ist insbesondere für Brownfield-Anlagen geeignet, bei denen ältere Steuerungen (z.B. MicroLogix, PLC-5) weder OPC UA noch eine native MQTT-Bibliothek unterstützen.

2. Option: Integration mittels MQTT Add-On Instruction (AOI)

Eine weitere Methode zur Integration von Allen Bradley Steuerungen in MQTT-Netzwerke ist die Verwendung einer MQTT Add-On Instruction (AOI). Diese in Studio 5000 Logix Designer implementierte Funktionseinheit ermöglicht eine direkte TCP/IP-basierte Kommunikation zwischen der Steuerung und dem MQTT-Broker, ohne dass ein zusätzliches Gateway erforderlich ist. Die Steuerung verwendet dabei die AOI, um Daten direkt als MQTT-Nachrichten zu formatieren und zu senden. Diese Option setzt ausreichende CPU-Ressourcen sowie SPS-Programmiererkapazitäten voraus und ist daher im Brownfield oft nur bedingt geeignet.

3. Option: Integration mittels OPC UA Server

Sofern die Allen Bradley Steuerung eine OPC UA Server Schnittstelle unterstützt – was bei neueren ControlLogix- und CompactLogix-Systemen der Fall ist –, kann die Integration von Allen Bradley und MQTT auf Basis dieser Schnittstelle erfolgen. Dabei wird die Anbindung von OPC UA und MQTT in der Praxis auf zwei Arten realisiert: über ein Gateway oder auf Basis einer direkten Kommunikation mittels OPC UA over MQTT. Detaillierte Informationen sowie eine Schritt-für-Schritt Anleitung finden Sie hier.

Schritt-für-Schritt Anleitung zur Integration von Allen Bradley und MQTT via Gateway

Folgende Schritte müssen durchlaufen werden, um die Anbindung der Steuerung an den MQTT-Broker mittels eines Gateways zu realisieren.

Schritt 1: Überprüfung der Voraussetzungen

Überprüfen Sie die vorhandene Infrastruktur und konfigurieren Sie die notwendigen Zugriffsrechte auf die Systeme, um eine zuverlässige Integration von Allen Bradley und MQTT zu gewährleisten.

• Gateway auswählen: Stellen Sie sicher, dass Ihr Gateway das EtherNet/IP-Protokoll (CIP) sowie MQTT nativ unterstützt. Überprüfen Sie die Kompatibilität mit weiteren relevanten Systemen (z.B. weiteren Steuerungen, ERP) Ihrer OT/IT-Landschaft. Stellen Sie sicher, dass das Gateway die erforderlichen Sicherheitsfeatures bietet. Je nach Anwendungsfall sollte das Gateway zusätzliche Anforderungen erfüllen (z.B. Redundanz, Skalierbarkeit).
• Infrastruktur prüfen: Überprüfen Sie, ob Steuerung und MQTT-Broker voll funktionsfähig sind, und richten Sie eine Testumgebung ein. So können Sie die Integration und spätere Anpassungen in einer kontrollierten Umgebung testen, bevor Sie Änderungen in der Produktionsumgebung vornehmen.
• Netzwerk konfigurieren: Nehmen Sie die erforderlichen Anpassungen in Ihrer Netzwerktopologie vor. Dies beinhaltet die Konfiguration von Ports und Firewalls, um die Kommunikation zu ermöglichen und gleichzeitig unbefugten Zugriff zu verhindern. EtherNet/IP nutzt standardmäßig Port 44818 (TCP) und Port 2222 (UDP).
• Zugriff und Berechtigungen: Stellen Sie sicher, dass Sie Zugriff auf die Steuerung, den MQTT-Broker sowie das Gateway haben. Dies umfasst auch die erforderlichen Benutzerrechte, um Konfigurationen vornehmen zu können. Installieren Sie bei Bedarf die entsprechende Konfigurationssoftware (Studio 5000 Logix Designer bzw. RSLogix 5000).

Schritt 2: Identifikation der relevanten Controller-Tags

Überprüfen Sie Ihre Allen Bradley Steuerung, um sicherzustellen, dass die relevanten Datenpunkte (Controller-Tags) zuverlässig zur Verfügung stehen. Allen Bradley Steuerungen arbeiten tag-basiert: Jeder Datenpunkt ist über einen eindeutigen symbolischen Namen (Tag) adressierbar, nicht über absolute Adressen wie bei vielen anderen SPS-Systemen.

• Controller-Tags identifizieren: Bestimmen Sie, welche Tags (z.B. Sensordaten, Statusinformationen, Sollwerte) für Ihren Use-Case relevant sind. Tags können auf Controller-Ebene (Controller Tags) oder Programm-Ebene (Program Tags) liegen. Für die Gateway-Integration sind in der Regel Controller Tags bevorzugt, da diese global zugänglich sind.
• Datentypen und Attribute prüfen: Überprüfen Sie, ob den Tags die richtigen Datentypen (z.B. REAL, DINT, BOOL, UDT) zugewiesen sind und ob sie korrekt in der Steuerung konfiguriert sind. Stellen Sie sicher, dass externe Lesezugriffe durch das Gateway zugelassen sind.

Schritt 3: Definition des MQTT Namespace

In Allen Bradley Steuerungen wird der Adressraum tag-basiert auf der Steuerungsebene definiert. Im Gegensatz dazu entsteht der MQTT Namespace in Kollaboration zwischen Publisher und Subscriber. Dabei ist die Einhaltung einer standardisierten Struktur entscheidend für eine effektive Kommunikation und Datenorganisation in MQTT. Dieser Schritt beinhaltet:

Standardisierung der MQTT Topic Hierarchie: Topics sind UTF-8-Strings, die den Pfad definieren, unter dem Nachrichten veröffentlicht werden. Publisher senden Daten an ein Topic, Subscriber empfangen Nachrichten durch das Abonnieren entsprechender Topics. Definieren Sie unternehmensweite Namenskonventionen für Topics, die eine konsistente und skalierbare Struktur sicherstellen.

Standardisierung des MQTT Nachrichteninhalts (Payload): Ein einheitlicher Payload ist Grundvoraussetzung für Interoperabilität – vor allem in Umgebungen mit gemischtem Maschinenpark aus verschiedenen Herstellern. Definieren Sie ein verbindliches Datenmodell mit folgenden Bestandteilen:

• Konsistente Payload-Struktur mit Metadaten (z.B. Anlagenbezeichnung, Maschinentyp) und deren Abbildung in der MQTT-Topic-Hierarchie
• Festgelegtes Serialisierungsformat wie JSON oder Protobuf, um eine einheitliche Weiterverarbeitung zu gewährleisten
• Klar definierte Datentypen und Benennungsregeln für alle Tags, um Missinterpretationen in nachgelagerten Systemen zu vermeiden

Schritt 4: Mapping von Controller-Tags und MQTT Namespace

In diesem Schritt etablieren Sie eine Verbindung zwischen dem Gateway, der Allen Bradley Steuerung und dem MQTT-Broker. Das Gateway fungiert als Brücke zwischen den beiden Protokollen und übersetzt die Controller-Tags in standardisierte MQTT-Nachrichten.

• Verbindungstest: Testen Sie zunächst die Erreichbarkeit aller Komponenten: Allen Bradley Steuerung, Gateway und MQTT-Broker müssen miteinander kommunizieren können. Vergewissern Sie sich, dass Authentifizierung (z.B. Benutzername/Passwort) und Transportverschlüsselung (TLS) korrekt konfiguriert sind.
• Mapping des MQTT Payloads: Ordnen Sie die Werte der Controller-Tags dem in Schritt 3 festgelegten Datenmodell zu. Ergänzen Sie statische Felder wie Maschinentyp oder Standort-ID direkt im Gateway, sofern diese nicht aus der Steuerung ausgelesen werden können.
• Mapping der MQTT Topics: Definieren Sie, unter welchem Topic-Pfad jeder Controller-Tag veröffentlicht wird. Einfache Anwendungsfälle erlauben eine direkte 1:1-Abbildung vom Tag-Namen auf das Topic; komplexere Szenarien können eine mehrstufige Transformationslogik erfordern.
• Transformationslogik implementieren: Konfigurieren Sie im Gateway alle notwendigen Datenumwandlungen: Skalierung von Rohwerten (z.B. Temperaturmesswerte), Typkonvertierungen (z.B. DINT zu Integer) sowie ggf. die Aggregation mehrerer Tags in einem einzelnen Payload.

Schritt 5: Integration von Allen Bradley und MQTT in der Testumgebung

• Nachrichtenübermittlung definieren: Legen Sie das Auslösekriterium für MQTT-Publishes fest: Eine wertbasierte Übertragung (Report by Exception) ist gegenüber einem festen Abfragezyklus in der Regel vorzuziehen, da sie Netzwerklast reduziert und Echtzeitreagibilität verbessert. Konfigurieren Sie außerdem QoS-Level und Retain-Flag entsprechend den Anforderungen Ihrer Subscriber.
• Datenintegrität prüfen: Validieren Sie den vollständigen Datenpfad in der Testumgebung: Lesen die Tags korrekte Werte? Werden die Payloads vollständig und im richtigen Format an den MQTT-Broker übermittelt? Funktionieren Authentifizierung und Verschlüsselung durchgehend?

Schritt 6: Inbetriebnahme und Monitoring

• Inbetriebnahme: Überführen Sie die Integration nach bestandenem Test schrittweise in die Produktionsumgebung. Planen Sie ein Rollout-Fenster außerhalb der Hauptbetriebszeiten, um Produktionsunterbrechungen zu minimieren.
• Monitoring einrichten: Etablieren Sie ein kontinuierliches Monitoring für Gateway-Verbindungen, MQTT-Broker-Status und Nachrichtendurchsatz. Konfigurieren Sie Schwellenwerte und Alarmierungen, die bei Verbindungsabbrüchen oder Datenanomalien automatisch benachrichtigen.
• Logging und Diagnose: Aktivieren Sie detailliertes Logging auf Gateway- und Broker-Ebene. Strukturierte Logs erleichtern die Fehlersuche erheblich und sind Grundlage für eine kontinuierliche Optimierung der Integration.

Schritt-für-Schritt Anleitung zur Integration mittels MQTT Add-On Instruction (AOI)

Da sich die grundlegenden Schritte decken, werden die spezifischen Schritte für die Allen Bradley zu MQTT Integration mittels einer MQTT Add-On Instruction im Folgenden vereinfacht dargestellt. Hinweis: Aufgrund der Komplexität der Implementierung sowie der meist begrenzten Verfügbarkeit von SPS-Programmierern ist diese Integrationsmethode im Brownfield oft nur bedingt geeignet.

1. Voraussetzungen prüfen: Für die Implementierung einer MQTT AOI auf der Steuerung sind folgende Voraussetzungen erforderlich.
   • Verfügbarkeit von SPS-Programmierern: Für die Implementierung und Konfiguration der AOI auf der Steuerung sind entsprechende Programmierressourcen in Studio 5000 Logix Designer notwendig.
   • Hardware und Firmware Kompatibilität: Prüfen Sie, ob die Steuerung (z.B. ControlLogix L8x, CompactLogix 5380) ausreichend CPU-Ressourcen und Speicher für die AOI bereitstellt. Für eine gesicherte Kommunikation via TLS ist eine aktuelle Firmware-Version erforderlich.
   • Programmierumgebung: Die Verwendung von Studio 5000 Logix Designer (Version 30 oder höher empfohlen) ist erforderlich.
   • Netzwerkschnittstelle: Die Steuerung muss über eine Ethernet-Schnittstelle verfügen, die direkte TCP/IP-Verbindungen zum MQTT-Broker ermöglicht.
2. Studio 5000 Projekt erstellen: Erstellen oder öffnen Sie das bestehende Projekt in Studio 5000 Logix Designer für Ihre ControlLogix- oder CompactLogix-CPU. Konfigurieren Sie die IP-Adresse der Controller-Ethernet-Schnittstelle, damit sie im gleichen Subnetz wie der MQTT-Broker liegt.
3. MQTT AOI hinzufügen: Importieren Sie die MQTT Add-On Instruction in Ihr Projekt. Öffnen Sie den Add-On Instructions-Bereich in Studio 5000 und fügen Sie die AOI dem Projekt hinzu.
4. Controller Tags erstellen: Erstellen Sie die erforderlichen Controller Tags für die TCP/MQTT-Verbindungsparameter (Broker-Adresse, Port, Client-ID, Topic) sowie für die zu sendenden und empfangenden Nachrichten.
5. AOI in Hauptprogramm integrieren: Fügen Sie die MQTT AOI in Ihr Hauptprogramm (z.B. MainRoutine) ein und verknüpfen Sie die benötigten Controller Tags mit den AOI-Parametern.
6. MQTT konfigurieren: Wenn eine gesicherte Verbindung (TLS) benötigt wird, importieren Sie das Zertifikat des MQTT-Brokers. Konfigurieren Sie die AOI-Parameter entsprechend, um das Zertifikat zu verwenden.
7. Integration testen: Stellen Sie alle notwendigen Verbindungsparameter in den Controller Tags ein, laden Sie das Programm auf die CPU und starten Sie die Verbindung zum MQTT-Broker.

Fazit

Die erfolgreiche Integration von Allen Bradley und MQTT schafft die Grundlage für eine durchgängig vernetzte Produktion – von der Steuerungsebene bis in die IT-Systeme. Die Wahl der passenden Integrationsmethode hängt dabei stark von der vorhandenen Infrastruktur und den verfügbaren Ressourcen ab. In Brownfield-Umgebungen mit bestehenden ControlLogix- oder CompactLogix-Installationen ist das Gateway die praktikabelste Lösung, da es keine Eingriffe in die SPS-Programmierung erfordert. Entscheidend für den langfristigen Erfolg ist ein konsequent einheitliches Mapping der Controller-Tags auf den MQTT Namespace – werksübergreifend und über Steuerungsgenerationen hinweg. Nur so lässt sich die Integration von Allen Bradley und MQTT nachhaltig skalieren und in eine unternehmensweite Unified Namespace Architektur überführen.