Im Industrial IoT hat sich das Konzept des Unified Namespace (UNS) als strategischer Schritt für effizientes Datenmanagement etabliert. Eine erfolgreiche Implementierung erfordert ein durchdachtes Architektur-Design. Die Komponenten einer Unified Namespace (UNS) Architektur müssen dabei spezifische Anforderungen in der Fertigungsumgebung erfüllen. Dazu zählen Skalierbarkeit, Edge-Fähigkeit, Redundanz sowie Sicherheit und Überwachbarkeit. Im Folgenden werden die entscheidenden funktionalen Komponenten einer Industrial UNS-Architektur inkl. typischer Anforderungen im Industrie 4.0 Kontext vorgestellt.
1. Komponente: Konnektivität – das Gateway zur Integration von OT und IT
Der Konnektivitäts-Layer ist eine zentrale Komponente einer Unified Namespace (UNS) Architektur. Er fungiert als universeller Übersetzer (Gateway) zwischen Maschinen, Sensoren, Steuerungen, IT-Systemen und dem Message Broker. Denn: In Fertigungsumgebungen existiert eine Vielzahl an Systemen, welche MQTT nicht nativ unterstützen. Diese Systeme nutzen verschiedenste Kommunikationsprotokolle – von OPC UA bis hin zu proprietären SPS-Protokollen wie Siemens S7 oder Modbus. Das Gateway sorgt dafür, dass diese heterogenen Systeme zuverlässig und konsistent in den Industrial UNS integriert werden können. Auf diese Weise lässt sich die gesamte Automatisierungspyramide – von OT bis IT – nahtlos in die UNS-Struktur überführen.
Anforderungen im Fertigungsumfeld
In der Praxis muss dieser Layer eine Vielzahl industrieller Anforderungen erfüllen:
- Breite Protokollunterstützung: Die Komponente sollte eine Vielzahl von OT- und IT-Konnektoren unterstützen – von SPS-Protokollen bis zu modernen REST-Schnittstellen.
- SDK für Erweiterbarkeit: Die Verfügbarkeit eines SDKs für eigene Erweiterungen reduziert die Abhängigkeit von der Produktroadmap des Herstellers.
- Polling und Event-basierte Mechanismen: Je nach Quellsystem ist entweder regelmäßiges Polling oder eventgetriggerte Übertragung erforderlich. Das Gateway sollte beide Kommunikationsmuster beherrschen, um eine breite Integrationsbasis zu schaffen.
- Closed-Loop: In manchen Szenarien ist eine direkte Kommunikation zwischen Maschinen erforderlich, etwa zur Synchronisation oder Reaktion auf Ereignisse. Moderne Gateways bieten dafür die Möglichkeit, Daten lokal weiterzuleiten.
Checkliste Konnektivitäts-Layer
| # | Anforderung | Beschreibung |
|---|---|---|
| 1 | Breite Protokollunterstützung | Unterstützung für OT/IT-Protokolle wie OPC UA, Modbus, Siemens S7, REST, SQL. |
| 2 | SDK für Erweiterbarkeit | Eigenständige Entwicklung von Konnektoren möglich – reduziert Vendor-Lock-in. |
| 3 | Edge-Fähigkeit | Betrieb auf IPCs oder ARM-Boards mit begrenzten Ressourcen. |
| 4 | Skalierbarkeit & Performance | Verarbeitung von Tausenden Datenpunkten pro Sekunde bei minimaler Latenz. |
| 5 | Realtime- & Batch-Verarbeitung | Kombination von Eventbasierter-Verarbeitung (OT) und Batch-Prozessen (IT). |
| 6 | Polling & Event-getriebene Abfragen | Unterstützung für beide Kommunikationsmuster je nach Quellsystem. |
| 7 | Data Buffering & Offline-Fähigkeit | Lokales Zwischenspeichern bei Netzwerkausfall mit nachträglicher Weiterleitung nach FIFO. |
| 8 | Redundanz & Failover | Nahtloser Wechsel auf Sekundär-Systeme bei Ausfall – verhindert Produktionsstopp. |
| 9 | Konfigurationsmanagement | Zentrale Verwaltung von Einstellungen (z. B. Polling-Intervalle) über UI oder API. |
| 10 | Closed Loop | Lokale Weiterleitung oder Verarbeitung zwischen Maschinen, ohne zentralen Broker. |
2. Komponente: Harmonisierung – der wahre Held eines skalierbaren UNS
Der Harmonization Layer bildet das strukturelle Rückgrat einer skalierbaren Unified Namespace (UNS) Architektur. In der industriellen OT-Landschaft liefern Maschinen, Steuerungen und Sensoren Daten in proprietären Formaten mit herstellerspezifischen Bezeichnern, Strukturen und Einheiten. Ohne eine zentrale Harmonisierung dieser heterogenen Rohdaten entsteht kein konsistenter Namespace – stattdessen wären erneut individuelle Punkt-zu-Punkt-Integrationen zwischen OT- und IT-Systemen erforderlich.
Der Harmonization Layer löst dieses Problem, indem er einen einheitlichen semantischen Raum schafft. Er übersetzt alle eingehenden Datenströme in standardisierte Informationsmodelle mit klar definierten Strukturen, Typen und Namenskonventionen. Dabei werden beispielsweise unterschiedliche Bezeichner wie Temp_01, TemperatureValue oder Register-Adressen (R102) auf eine gemeinsame, semantisch eindeutige Darstellung wie Temperature mit zugehöriger Einheit °C gemappt. Das Ergebnis ist eine konsistente Datenbasis für alle nachgelagerten Systeme im UNS – unabhängig von der ursprünglichen Quelle oder deren Hersteller.
Anforderungen an den Harmonisierungslayer
Folgende Anforderungen sollten eingesetzte Technologien zur Datenharmonisierung erfüllen:
- Datenstandardisierung & Semantik: Der Harmonization Layer übersetzt heterogene Datenformate und Bezeichner in standardisierte Informationsmodelle. Dabei kommen häufig domänenspezifische Ontologien wie OPC UA Companion Specifications oder ISA-95-basierte Topic-Strukturen zum Einsatz. So erhalten Daten eine eindeutige Semantik und sind für alle Systeme im UNS konsistent interpretierbar.
- Data Buffering & Offline-Fähigkeit: Besonders in Edge-Szenarien ist eine Pufferung der Daten essenziell. Fällt die Verbindung zum zentralen UNS temporär aus, müssen die Daten lokal zwischengespeichert und später verlustfrei und nach FIFO weitergeleitet werden.
- Lokale Datenanreicherung (Pre-Processing): Anreicherung von OT/IT Daten (z.B. Kontextualisierung von Prozessdaten mit Produktdaten), Umrechnung von Einheiten, Mapping auf Topic-Strukturen, filtern und aggregieren Daten vor Ort, Rohdaten mit Qualitätsinformationen angereichert und in ein einheitliches Format gebracht werden
- Templatierbarkeit
3. Komponente: Message Broker
Im Bereich der industriellen Kommunikation bilden MQTT- und Kafka-Broker das Herzstück einer UNS-Architektur. Die Message Broker ermöglichen die bidirektionale OT/IT-Kommunikation in „Echtzeit“. Die leichtgewichtige Natur von MQTT eignet sich für die Anbindung von IoT-Geräten wie Maschinen, während Kafka ein zuverlässiges Rückgrat für Ereignisverarbeitung und Streaming-Analysen bildet.
4. Komponente: Microservices zur Skalierung im dynamischen Umfeld
Microservices bilden den skalierbaren Verarbeitungs-Layer innerhalb der UNS-Architektur. Sie kapseln funktionale Logik in klar abgegrenzte, modulare Services – etwa zur OEE-Berechnung oder zur Datenanreicherung. Dabei lässt sich jeder Service unabhängig deployen, aktualisieren und skalieren. Hierdurch lassen sich neue Anforderungen flexibel und ohne Eingriff in andere Systembestandteile umsetzen. Änderungen an einzelnen Funktionen erfordern keine Modifikationen der Gesamtarchitektur. Zudem fördert der Microservice-Ansatz abteilungsübergreifende Entwicklung: Teams können parallel an unterschiedlichen Services arbeiten. Produktionsteams können Services für Condition Monitoring entwickeln, während Qualitätsteams an Auswertungen und Analysen arbeiten. Beide Teams kommunizieren dabei entkoppelt über den gemeinsamen Namespace.
Fazit
Jede Komponente der UNS-Architektur spielt eine wichtige Rolle bei der Implementierung einer skalierbaren Industrial Unified Namespace (UNS) Architektur. Dabei stellt der Connectivity Layer die nahtlose Integration Ihrer OT und IT Systeme sicher. Der Harmonization Layer sorgt für die Standardisierung, der Message Broker ermöglicht die Echtzeitkommunikation und die Microservices sorgen für Skalierbarkeit trotz dynamischer Use-Cases. Das Grundverständnis über die Bedeutung dieser kritischen Komponenten sind Basis für eine robuste und nachhaltige Implementierung einer Industrial Unified Namespace (UNS) Architektur.
