WO2021093928A1 - Method and apparatus for discovering subscribers using the opc ua pubsub protocol - Google Patents

Method and apparatus for discovering subscribers using the opc ua pubsub protocol Download PDF

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WO2021093928A1
WO2021093928A1 PCT/EP2019/080842 EP2019080842W WO2021093928A1 WO 2021093928 A1 WO2021093928 A1 WO 2021093928A1 EP 2019080842 W EP2019080842 W EP 2019080842W WO 2021093928 A1 WO2021093928 A1 WO 2021093928A1
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WO
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fere1
fere2
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opc
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PCT/EP2019/080842
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German (de)
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Stephan Höme
Sven Kerschbaum
Frank Volkmann
Alexander Ziegler
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Siemens Aktiengesellschaft
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Publication date
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    • H04L67/50—Network services
    • H04L67/51—Discovery or management thereof, e.g. service location protocol [SLP] or web services

Definitions

  • the publish-subscribe PubSub mechanism is a communication pattern in which so-called "publishers", ie senders of messages who do not send the messages sent to directly addressed recipients, but rather the published (sent) messages are simply divided into classes without knowledge of them for which recipients the message is intended or whether there is even a recipient at any given time.
  • recipients express interest in certain information by subscribing to messages / classes without knowing whether there is a sender (“publisher”) and who the sender is.
  • the publish-subscribe mechanism uses message queues for communication, for example, and is typically part of a larger message-oriented middleware system.
  • OPC UA PubSub supports two approaches: brokerless (e.g. using broadcast, multicast and unicast) and broker-based (e.g. MQTT and AMQP). With the broker-based approach, AMQPs are used in message queues.
  • the advantage is greater adaptability to the amount of data to be transmitted and is also suitable for dynamically changing network topologies.
  • the recipients When using the publish-subscribe mechanism, the recipients, subscribers, typically only receive a subset of the messages actually sent (actually "published”).
  • the process of selecting messages for actual reception and further evaluation is also called filtering, " filtering ". There is the possibility ability to filter by topics or content.
  • the messages sent are sent to these topics or named logical channels that can be subscribed to.
  • a subscriber receives all messages that are published on the topic or topics to which he has previously subscribed.
  • the publisher is usually responsible for defining the topics that can be subscribed in advance.
  • Hybrid systems are also known which combine the two methods with one another.
  • the publish-subscribe mechanism is now gaining particular attention in industrial automation systems for monitoring, controlling and regulating technical processes, especially in the field of manufacturing, process and building automation.
  • the operation of control devices, sensors, machines and industrial systems is made possible, which should be as independent as possible and independent of human intervention.
  • methods for the reliable provision of functions distributed over an automation system for the provision of monitoring, control and regulation functions are becoming increasingly important.
  • a particular problem in industrial automation systems regularly results from message traffic with many, but relatively short messages, between sensors, actuators and the control of the system.
  • OPC UA OPC Unified Architecture
  • OPC UA defines an M2M communication protocol in accordance with the IEC 62541 standard and makes it possible, for example, to semantically describe machine parameters, control variables or measured values so that such machine data can be evaluated automatically.
  • OPC UA includes an object-oriented namespace concept including metadata for object description.
  • the OPC UA server provides an instance and type system within which clients can navigate and call up information.
  • OPC UA defines several so-called discovery mechanisms for announcing compatible automation devices and their functions and properties.
  • the OPC Unified Architecture is defined around the (OPC UA) PubSub communication model.
  • Publishers and subscribers can currently be found using OPC UA client / server mechanisms. This assumes that the publisher and subscriber are known.
  • the configuration of a participant can be read out using an OPC UA client method call - provided the participant to be read has an OPC UA server.
  • the communication model according to the standardization of PubSub for the field level (Field Level Communication, FLC) and shown as an example in Figure 1 provides a logical connection in that one publisher PI, P2 and one subscriber S1, S2 per field device service / application FERE1 , FERE2 (what is the dashed box, is that the device and FER endpoint then the application?) Are provided, which communicate in opposite directions 12, 13 in order to achieve the required bidirectional communication by a subscriber S1 ,
  • FIG. 1 shows a system which represents the above-described solution according to the prior art. This requires finding his communication partner FERE1, FERE2. This is currently solved with OPC UA client / server means via a higher-level configuration tool CM, ie such a relationship cannot be established ad hoc (without a higher-level configuration tool).
  • the configuration tool has further information (FER DD, deployment descriptors).
  • Corresponding configurations configl, config2 are stored in the network elements.
  • FER designates (for Field Level Communication, FLC) a logical communication relationship between two devices; this is bi-directional. It is comparable to a Profinet application relation AR: In order for the Profinet controller to be able to read data from the Profinet device, it must set up an AR with the device. An AR, in turn, can contain several communication relations (e.g. for cyclic data, for alarms, ...)
  • a connection manager, CM is a device or is implemented on a device, for example on an automation controller PLC (Programmable Logic Controller). If he wants to set up an FER, he sets up two PubSub channels for this purpose, one in each direction.
  • PLC Programmable Logic Controller
  • the Field Level Communication FLC described above only represents a specific exemplary embodiment of the fundamental problem addressed. It is also not possible to find the subscriber in other scenarios that use a PubSub mechanism.
  • PTCC PubSub TSN Centralized Configuration
  • PTCC is a request / response protocol between see the endpoints PTCC client and the central PTCC server CUC, centralized user configuration, with stream objects and a state machine in the PTCC client and in the PTCC server.
  • GDS Global Discovery Server
  • the present invention is based on the object of specifying a method for data transmission within an industrial automation system using the OPC UA standard, which makes it possible to find suitable subscribers, and to create a suitable device for carrying out the method.
  • the method for data transmission within an industrial automation system in which at least a first Device published control, measurement and / or status data, wherein at least one second device can receive this control, measurement and / or status data, and the information is transmitted between the first and second device using a PubSub mechanism, according to which the first Ge ⁇ advises as a publisher is acting and the second device as a subscriber, wherein the first device a probing message to a Grup ⁇ pe of second devices over a multicast address published ⁇ light (21), wherein the probing message ID Case ⁇ onsmerkmal for identifying a suitable second includes device-tes, and the probing message upon receiving by a second device which corresponds to the identification feature, sending triggers a response message to the first device, and the first device after receiving the response message ⁇ a configuration file transfers.
  • the publisher is a unique identifier for a publisher within a message-oriented middleware. It can be included in sent NetworkMessage for Identification or filtering.
  • the value of the Publisherld is typically shared between PubSubConnections but the assignment of the Publisherld is vendor specific.
  • the Publisherld parameter is only relevant for the Publisher functionality inside a PubSubConnection.
  • the filier setting on the subscriber side is contained in the DataSetReader
  • Valid DataTypes are Ulnteger and Stnng is a possible means of identification. Other or further features can also be used for identification. Conceivable is z. B. finding all temperature sensors with a "probe message” probe message that filters with a device class feature "TempSensor”.
  • FIG. 1 shows a sequence according to the prior art
  • FIG. 2 shows the first part of the data exchange required according to the invention
  • Figure 3 the second part of the data exchange analog.
  • FIGS. 2 and 3 illustrate the description of an exemplary sequence of the method according to the invention:
  • connection management is not necessarily part of the application.
  • the application CM sends a probe message / probe into the network in a first step, FIG. 2, step 21.
  • the probe message / probe is sent to a previously known multicast group.
  • the initiating application CM can now select the desired communication partner FERE2 and configure it config2 (includes the publisher / subscriber configuration , e.g. Publisherld, Publisher Interval, PublishedDataSets and - DataSetItems.
  • the configuration could (for example, implemented as a bin file in accordance with Part 14, A1) be transferred to the latter, 23 z. B. using OPC UA client / server communication. The communication partner is then set up accordingly.
  • the described method is not limited to finding and then configuring the communication partner, but can also be used to find, read and check the configuration during operation later on.
  • the solution according to the invention enables the PubSub discovery mechanism to be expanded to include subscribers. So far, only publishers could be found by their subscribers using PubSub Discovery. Conversely, publishers can now also determine their subscribers independently.
  • a higher-level configuration tool is no longer required to find it.
  • the mechanism according to the invention can also be used to implement life monitoring and to read out the configuration and thus for checking.
  • the mechanism according to the invention is purely application-based and can be used on any network in which PubSub can be used.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Computing Systems (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
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Abstract

The solution according to the invention allows the PubSub Discovery mechanism to be extended to subscribers. Up until now, it was possible only for publishers to be found by their subscribers by means of PubSub Discovery. Now, the reverse is also possible for publishers to independently determine their subscribers. This no longer requires a higher-level configuration tool for discovery. Additionally, the mechanism according to the invention can likewise be used for implementing life monitoring and also for reading out the configuration and hence for checking.

Description

Beschreibung description
Verfahren und Vorrichtung zum Auffinden von Subscribern unter Verwendung des Protokolls OPC UA PubSub Method and device for finding subscribers using the OPC UA PubSub protocol
Der Publish-Subscribe PubSub Mechanismus ist ein Kommunikati- onsmuster, bei dem sogenannte „Publisher", also Sender von Nachrichten, die gesendeten Nachrichten nicht an direkt adressierte Empfänger schicken, sondern die veröffentlichten (versendeten) Nachrichten lediglich in Klassen eingeteilt werden, ohne Wissen darüber, für welche Empfänger die Nach- richt gedacht ist oder ob es zu einem Zeitpunkt überhaupt ei- nen Empfänger gibt. The publish-subscribe PubSub mechanism is a communication pattern in which so-called "publishers", ie senders of messages who do not send the messages sent to directly addressed recipients, but rather the published (sent) messages are simply divided into classes without knowledge of them for which recipients the message is intended or whether there is even a recipient at any given time.
Analog dazu bekunden Empfänger („Subscriber") Interesse an bestimmten Informationen, indem sie Nachrichten / Klassen abonnieren (subscriben), ohne Kenntnis darüber, ob es einen Versender („Publisher") gibt und wer der Absender ist. Similarly, recipients (“subscribers”) express interest in certain information by subscribing to messages / classes without knowing whether there is a sender (“publisher”) and who the sender is.
Der Publish-Subscribe Mechanismus verwendet für die Kommuni- kation beispielsweise Message Queues, also Warteschlangen, und ist typischerweise ein Teil eines größeren nachrichten- orientierten Middleware-Systems. OPC UA PubSub unterstützt zwei Ansätze: brokerless (z. B. mittels Broadcast, Multicast und Unicast) und brokerbased (z. B. MQTT und AMQP). Beim bro- kerbasierten Ansatz AMQP werden in Message Queues verwendet. The publish-subscribe mechanism uses message queues for communication, for example, and is typically part of a larger message-oriented middleware system. OPC UA PubSub supports two approaches: brokerless (e.g. using broadcast, multicast and unicast) and broker-based (e.g. MQTT and AMQP). With the broker-based approach, AMQPs are used in message queues.
Der Vorteil ist eine größere Anpassungsfähigkeit an die zu übertragenden Datenmengen und ist auch geeignet für sich dy- namisch ändernden Netztopologien. The advantage is greater adaptability to the amount of data to be transmitted and is also suitable for dynamically changing network topologies.
Bei Verwendung des Publish-Subscribe Mechanismus erhalten die Empfänger, Subscriber, typischerweise nur eine Untermenge der tatsächlich versendeten (eigentlich „veröffentlichten") Nach- richten. Der Vorgang der Selektion von Nachrichten für den tatsächlichen Empfang und eine weitere Auswertung wird auch als Filterung, „filtering" bezeichnet. Dabei gibt es die Mög- lichkeit, nach Themen (Topics) oder nach Inhalten (Content) zu filtern. When using the publish-subscribe mechanism, the recipients, subscribers, typically only receive a subset of the messages actually sent (actually "published"). The process of selecting messages for actual reception and further evaluation is also called filtering, " filtering ". There is the possibility ability to filter by topics or content.
Bei der Filterung nach Topics werden die versendeten Nach- richten zu diesen Topics oder benannten logischen Kanälen versendet, die abonnierbar sind. Ein Subscriber erhält in diesem Fall alle Nachrichten, die zu dem Topic oder den To- pics veröffentlicht werden, die er zuvor abonniert hat. Üblicherweise ist der Publisher dafür zuständig, die abon- nierbaren Topics vorher zu definieren. When filtering by topics, the messages sent are sent to these topics or named logical channels that can be subscribed to. In this case, a subscriber receives all messages that are published on the topic or topics to which he has previously subscribed. The publisher is usually responsible for defining the topics that can be subscribed in advance.
Die Definition der Topics - im Sinne von Anlegen - ist aller- dings nicht zwingend erforderlich. Bei MQTT kann der Publis- her prinzipiell Nachrichten unter beliebigen Topics absetzen. The definition of the topics - in the sense of creating - is, however, not absolutely necessary. With MQTT, the publisher can in principle post messages under any topic.
In einem Content/Inhalts-basierten System werden nur diejeni- gen Nachrichten nur an einen Subscriber geliefert, bei denen bestimmte Attribute oder der Inhalt (Content) dem entspricht was der Subscriber vorher definiert hat. Der Subscriber ist in diesem Fall verantwortlich für die Klassifizierung der Nachrichten. In a content / content-based system, only those messages are only delivered to a subscriber in which certain attributes or the content corresponds to what the subscriber has previously defined. In this case, the subscriber is responsible for classifying the messages.
Es sind auch hybride Systeme bekannt, die beide Verfahren miteinander kombinieren. Hybrid systems are also known which combine the two methods with one another.
Da die Publisher nicht direkt mit den Subscribern verbunden sind und das Versenden von Nachrichten themenbasiert erfolgt, ist es weder für Publisher noch für Subscriber erforderlich, die Netztopologie zu kennen. Im Gegensatz zu einer Client- Server-Kommunikation agieren alle Netzteilnehmer unabhängig voneinander. Since the publishers are not directly connected to the subscribers and messages are sent based on topics, neither publishers nor subscribers need to know the network topology. In contrast to client-server communication, all network participants act independently of one another.
Besondere Aufmerksamkeit erlangt der Publish-Subscribe Mecha- nismus inzwischen bei Industriellen Automatisierungssystemen zur Überwachung, Steuerung und Regelung von technischen Pro- zessen, insbesondere im Bereich Fertigungs-, Prozess- und Ge- bäudeautomatisierung. Es wird ein Betrieb von Steuerungsein- richtungen, Sensoren, Maschinen und industriellen Anlagen er- möglicht, der möglichst selbständig und unabhängig von menschlichen Eingriffen erfolgen soll. Aufgrund einer ständig steigenden Bedeutung von Informationstechnik für Automatisie- rungssysteme, die zahlreiche vernetzte Steuerungs- bzw. Rech- nereinheiten umfassen, gewinnen Verfahren zur zuverlässigen Bereitstellung von über ein Automatisierungssystem verteilten Funktionen für eine Bereitstellung von Überwachungs-, Steue- rungs- und Regelungsfunktionen verstärkt an Bedeutung. Eine besondere Problematik resultiert in industriellen Automati- sierungssystemen regelmäßig aus einem Meldungsverkehr mit vielen, aber relativ kurzen Nachrichten, zwischen Sensoren, Aktoren und Steuerung der Anlage. The publish-subscribe mechanism is now gaining particular attention in industrial automation systems for monitoring, controlling and regulating technical processes, especially in the field of manufacturing, process and building automation. The operation of control devices, sensors, machines and industrial systems is made possible, which should be as independent as possible and independent of human intervention. Because of a constantly Increasing importance of information technology for automation systems that comprise numerous networked control or computer units, methods for the reliable provision of functions distributed over an automation system for the provision of monitoring, control and regulation functions are becoming increasingly important. A particular problem in industrial automation systems regularly results from message traffic with many, but relatively short messages, between sensors, actuators and the control of the system.
In den vergangenen Jahren kam die Anwendung von OPC UA (OPC Unified Architecture) für eine Kommunikation bis hinunter zu den Feldgeräten in die Diskussion. In recent years, the use of OPC UA (OPC Unified Architecture) for communication down to the field devices has been discussed.
Zur Bündelung aller weltweiten Aktivitäten mit den erweiter- ten Anforderungen lud deshalb die OPC Foundation im November 2018 zur Gründung der Initiative ,FieldLevelCommunication' (FLC) ein. Ziel ist es, eine offene einheitliche, sichere und standardbasierte Kommunikationslösung für das Industrial In- ternet of Things - IIoT- zwischen Sensoren, Aktoren, Control- lern und einer Cloud anzustreben, welche alle Anforderungen der industriellen Automatisierung erfüllt. Explizit sind da- mit auch eine deterministische Kommunikation und Maßnahmen zur Betriebssicherheit (funktionales Safety) als optionale Eigenschaft adressiert. In order to bundle all global activities with the expanded requirements, the OPC Foundation therefore invited in November 2018 to found the 'FieldLevelCommunication' (FLC) initiative. The aim is to strive for an open, uniform, secure and standards-based communication solution for the Industrial Internet of Things - IIoT - between sensors, actuators, controllers and a cloud that meets all the requirements of industrial automation. This also explicitly addresses deterministic communication and measures for operational safety (functional safety) as optional properties.
OPC UA definiert entsprechend dem Standard IEC 62541 ein M2M- Kommunikationsprotokoll und ermöglicht es beispielsweise, Ma- schinenparameter, Regelungsgrößen oder Messwerte semantisch zu beschreiben, so dass derartige Maschinendaten automati- siert ausgewertet werden können. Insbesondere umfasst OPC UA ein objekt-orientiertes Namensraum-Konzept einschließlich Me- tadaten zur Objektbeschreibung. Durch den OPC UA Server wird ein Instanz- und Typsystem bereitgestellt, innerhalb dessen Clients navigieren und Informationen abrufen können. Darüber hinaus definiert OPC UA mehrere sogenannte Discovery- Mechanismen zur Bekanntmachung von kompatiblen Automatisie- rungsgeräten und deren Funktionen bzw. Eigenschaften. In der OPC UA Specification Part 14, (PubSub) wird die OPC Unified Architektur um das (OPC UA) PubSub Kommunikationsmo- dell definiert. OPC UA defines an M2M communication protocol in accordance with the IEC 62541 standard and makes it possible, for example, to semantically describe machine parameters, control variables or measured values so that such machine data can be evaluated automatically. In particular, OPC UA includes an object-oriented namespace concept including metadata for object description. The OPC UA server provides an instance and type system within which clients can navigate and call up information. In addition, OPC UA defines several so-called discovery mechanisms for announcing compatible automation devices and their functions and properties. In the OPC UA Specification Part 14, (PubSub), the OPC Unified Architecture is defined around the (OPC UA) PubSub communication model.
Unterstützt wird derzeit das Auffinden von Publishern sowie das Auslesen derer Konfiguration (Metadaten) gemäß PubSub- Standard, siehe PublisherlnformationRequest OPC UA Spec Part 14 PubSub Kapitel 7.2.2.4. Finding publishers and reading out their configuration (metadata) in accordance with the PubSub standard is currently supported, see Publisher InformationRequest OPC UA Spec Part 14 PubSub Chapter 7.2.2.4.
In der Anmeldung werden die semantischen Objektbeschreibungen PublisherlnformationRequest UADP Discovery „Probe Network Message" und In the registration, the semantic object descriptions Publisher Information Request UADP Discovery "Probe Network Message" and
PublisherlnformationResponse UADP Discovery "Announcement Network Message" genannt. Publisher Information Response UADP Discovery called "Announcement Network Message".
Publisher und Subscriber können derzeit mit OPC UA Cli- ent/Server-Mechanismen aufgefunden werden. Dies setzt voraus, dass Publisher und Subscriber bekannt sind. Mittels eines OPC UA Client Methodenaufrufs kann man die Konfiguration eines Teilnehmers auslesen - vorausgesetzt der auszulesende Teil- nehmer besitzt einen OPC UA Server. Publishers and subscribers can currently be found using OPC UA client / server mechanisms. This assumes that the publisher and subscriber are known. The configuration of a participant can be read out using an OPC UA client method call - provided the participant to be read has an OPC UA server.
Bei PubSub ist es, wie bereits geschildert, nicht erforder- lich, dass der Publisher seine Subscriber kennt, und folglich auch deren Konfiguration. As already described, with PubSub it is not necessary for the publisher to know his subscribers, and consequently also their configuration.
Das Auffinden von Subscribern im Netz mit PubSub-Mitteln ist daher derzeit nicht möglich. Das Kommunikationsmodell gemäß der Standardisierung von PubSub für die Feldebene (Fieldlevel Communication, FLC) und in Figur 1 beispielhaft dargestellt, sieht eine logische Verbindung dadurch vor, dass jeweils ein Publisher PI, P2 und ein Subscriber Sl, S2 pro Feldgerät- dienst / Applikation FERE1, FERE2 (was ist der gestrichelte Kasten, ist das das Gerät und FER Endpoint dann die Applika- tion?) vorgesehen sind, die in jeweils entgegengesetzte Rich- tungen 12, 13 kommunizieren, um die benötigte bidirektionale Kommunikation zu erreichen indem jeweils ein Subscriber Sl,It is therefore currently not possible to find subscribers in the network with PubSub resources. The communication model according to the standardization of PubSub for the field level (Field Level Communication, FLC) and shown as an example in Figure 1 provides a logical connection in that one publisher PI, P2 and one subscriber S1, S2 per field device service / application FERE1 , FERE2 (what is the dashed box, is that the device and FER endpoint then the application?) Are provided, which communicate in opposite directions 12, 13 in order to achieve the required bidirectional communication by a subscriber S1 ,
S2 mit einem Publisher PI, P2 verbunden sind. In der Figur 1 ist ein System dargestellt, welches die oben beschriebene Lö- sung gemäß dem Stand der Technik darstellt. Dies erfordert das Auffinden seines Kommunikationspartners FERE1, FERE2. Derzeit ist das mit OPC UA Client/Server-Mitteln über ein übergeordnetes Konfigurationstool CM gelöst, d. h. eine sol- che Beziehung kann nicht ad hoc (ohne übergeordnetes Konfigu- rationstool) aufgebaut werden. Das Konfigurationstool verfügt dabei über weitergehende Informationen (FER DD, Deployment Descriptoren). Entsprechende Konfigurationen configl, config2 sind in den Netzelementen hinterlegt. S2 are connected to a publisher PI, P2. FIG. 1 shows a system which represents the above-described solution according to the prior art. This requires finding his communication partner FERE1, FERE2. This is currently solved with OPC UA client / server means via a higher-level configuration tool CM, ie such a relationship cannot be established ad hoc (without a higher-level configuration tool). The configuration tool has further information (FER DD, deployment descriptors). Corresponding configurations configl, config2 are stored in the network elements.
Im Folgenden werden folgende Begriffe verwendet: The following terms are used in the following:
Die Functional Entity Relationship, FER bezeichnet (bei Field Level Communication, FLC) eine logische Kommunikationsbezie- hung zwischen zwei Geräten, diese ist bidirektional ausge- prägt. Es ist vergleichbar mit einer Profinet Application Re- lation AR: Damit der Profinet Controller vom Profinet Device Daten lesen kann, ist es erforderlich, dass dieser eine AR mit dem Device aufbaut. Eine AR wiederum kann mehrere Commu- nication Relations enthalten (z. B. für zyklische Daten, für Alarme, ...) The Functional Entity Relationship, FER designates (for Field Level Communication, FLC) a logical communication relationship between two devices; this is bi-directional. It is comparable to a Profinet application relation AR: In order for the Profinet controller to be able to read data from the Profinet device, it must set up an AR with the device. An AR, in turn, can contain several communication relations (e.g. for cyclic data, for alarms, ...)
Ein Connection Manager, CM ist ein Gerät oder auf einem Gerät implementiert, beispielsweise auf einer Automatisierungs- Steuerung PLC (Programmable Logic Controller). Wenn dieser eine FER ins Leben rufen möchte baut er zu diesem Zweck zwei PubSub Kanäle auf, jeweils einen in jede Richtung. A connection manager, CM is a device or is implemented on a device, for example on an automation controller PLC (Programmable Logic Controller). If he wants to set up an FER, he sets up two PubSub channels for this purpose, one in each direction.
Die oben beschriebene Field Level Communication FLC stellt dabei nur ein konkretes Ausführungsbeispiel des adressierten prinzipiellen Problems dar. Auch bei anderen Szenarien, die einen PubSub Mechanismus verwenden, ist das Auffinden der Subscriber nicht möglich. The Field Level Communication FLC described above only represents a specific exemplary embodiment of the fundamental problem addressed. It is also not possible to find the subscriber in other scenarios that use a PubSub mechanism.
Bekannt ist in der OPC UA Working Group bereits die sogenann- te PubSub TSN Centralized Configuration (PTCC). Sie be- schreibt einen Discovery-Mechanismus von TSN-Teilnehmern in zentralen Time Sensitive Networking (TSN)-Netzen. The so-called PubSub TSN Centralized Configuration (PTCC) is already known in the OPC UA Working Group. It describes a discovery mechanism for TSN subscribers in central Time Sensitive Networking (TSN) networks.
Die PTCC Spezifikation ist Teil der OPC UA TSN Working Group Spezifikation. PTCC ist ein Request/Response Protokoll zwi- sehen den Endpunkten PTCC Client und dem zentralen PTCC Ser- ver CUC, Centralized User Configuration, mit Stream Objekten und einer State Machine im PTCC Client und im PTCC Server. The PTCC specification is part of the OPC UA TSN Working Group specification. PTCC is a request / response protocol between see the endpoints PTCC client and the central PTCC server CUC, centralized user configuration, with stream objects and a state machine in the PTCC client and in the PTCC server.
In der Veröffentlichung „Hybrid OPC UA and DDS: Combining Ar- chitectural Styles for the Industrial Internet", Julius Pfrommer et al, 2016 IEEE World Conference on Factory Commu- nication Systems (WFCS), 3. 2016-05-03, XP 10.1109/WFCS.2016 .7496515 ist eine Kombination von Ser- ver/Client Technik mit dem Pub/Sub Mechanismus bekannt. Emp- fänger müssen eine Gruppe abonnieren, Sender können an diese Gruppe Nachrichten versenden, ohne selbst Mitglied der Gruppe zu werden. DDS bietet eine Multicast Adresse für Discovery an, d. h. jeder Teilnehmer kann mitteilen, über welche Adres- sen und Ports er Daten empfangen kann. In the publication "Hybrid OPC UA and DDS: Combining Architectural Styles for the Industrial Internet", Julius Pfrommer et al, 2016 IEEE World Conference on Factory Communication Systems (WFCS), 3. 2016-05-03, XP 10.1109 /WFCS.2016 .7496515 a combination of server / client technology with the pub / sub mechanism is known. Recipients must subscribe to a group, senders can send messages to this group without becoming a member of the group. DDS offers a multicast address for discovery, ie each participant can indicate the addresses and ports via which they can receive data.
Weiterhin bekannt ist der Global Discovery Server, GDS, der durch OPC UA spezifiziert ist und aktuell zwei Aufgaben ab- deckt: Also known is the Global Discovery Server, GDS, which is specified by OPC UA and currently covers two tasks:
- Finden von OPC UA Applikationen anhand von Eigenschaften- Finding OPC UA applications based on properties
- die notwendige Kommunikation zwischen GDS und UA Applikati- onen für das (zentrale) Verwalten von Zertifikaten für Security. - the necessary communication between GDS and UA applications for the (central) administration of certificates for security.
Diese Lösung ist jedoch teuer, durch weitere Komponenten im Netz, die entsprechen verwaltet werden müssen. However, this solution is expensive due to additional components in the network that have to be managed accordingly.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Datenübermittlung innerhalb eines industriellen Automatisierungssystems unter Verwendung des OPC UA Standards anzugeben, das es ermöglicht, passende Subscriber zu finden, sowie eine geeignete Vorrichtung zur Durchführung des Verfah- rens zu schaffen. The present invention is based on the object of specifying a method for data transmission within an industrial automation system using the OPC UA standard, which makes it possible to find suitable subscribers, and to create a suitable device for carrying out the method.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen. This object is achieved according to the invention by a method having the features mentioned in claim 1.
Das Verfahren zur Datenübermittlung innerhalb eines industri- ellen Automatisierungssystems, bei dem zumindest ein erstes Gerät Steuerungs-, Mess- und/oder Statusdaten veröffentlicht, wobei zumindest ein zweites Gerät diese Steuerungs-, Mess- und/oder Statusdaten empfangen kann, und die Informationen zwischen dem ersten und zweiten Gerät unter Verwendung eines PubSub Mechanismus übertragen werden, gemäß dem das erste Ge¬ rät als Publisher agiert und das zweite Gerät als Subscriber, wobei das erste Gerät eine Sondierungsnachricht an eine Grup¬ pe von zweiten Geräten über eine Multicastadresse veröffent¬ licht (21), wobei dies Sondierungsnachricht ein Identifikati¬ onsmerkmal zur Identifizierung eines geeigneten zweiten Gerä- tes beinhaltet, und die Sondierungsnachricht beim Empfangen durch ein zweites Gerät, welches dem Identifikationsmerkmal entspricht, das Versenden einer Antwortnachricht an das erste Gerät auslöst, und das erste Gerät nach Empfang der Antwort¬ nachricht eine Konfigurationsdatei überträgt. The method for data transmission within an industrial automation system in which at least a first Device published control, measurement and / or status data, wherein at least one second device can receive this control, measurement and / or status data, and the information is transmitted between the first and second device using a PubSub mechanism, according to which the first Ge ¬ advises as a publisher is acting and the second device as a subscriber, wherein the first device a probing message to a Grup ¬ pe of second devices over a multicast address published ¬ light (21), wherein the probing message ID Case ¬ onsmerkmal for identifying a suitable second includes device-tes, and the probing message upon receiving by a second device which corresponds to the identification feature, sending triggers a response message to the first device, and the first device after receiving the response message ¬ a configuration file transfers.
Die Aufgabe wird weiterhin durch eine Vorrichtung mit den in Anspruch 8 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiter- bildungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben The object is also achieved by a device with the features specified in claim 8. Advantageous developments of the present invention are specified in the dependent claims
Um Teilnehmer auffinden zu können muss zunächst das verwende- te Identifikationsmerkmal für den gesuchten Teilnehmer be¬ kannt sein (Taufe - d. h. das Merkmal kann extra für den Vor¬ gang eingeführt werden). To find participants must first the verwende- te identification feature for the subscriber searched ¬ be denied his (baptism - that is, the feature can be introduced specifically for the gang ago ¬).
Das in OPC UA bereits definierte Datum „PublisherID", Defini- tion siehe Part 14, 6.2.6.1 der OPC UA Spezifikation: The "PublisherID" date already defined in OPC UA, definition see Part 14, 6.2.6.1 of the OPC UA specification:
6.2.6.1 Publisherld 6.2.6.1 Publisherld
The Publisherld is a unique identifier for a Publisher within a Message Oriented Middleware . It can be included in sent NetworkMessage for Identification or filtering. The value of fhe Publisherld is typically shared between PubSubConnections but the assignment of the Publisherld is vendor specific. The publisher is a unique identifier for a publisher within a message-oriented middleware. It can be included in sent NetworkMessage for Identification or filtering. The value of the Publisherld is typically shared between PubSubConnections but the assignment of the Publisherld is vendor specific.
The Publisherld parameter is only relevant for the Publisher functionality inside a PubSubConnection . The filier setting on the Subscriber side is contained in the DataSetReaderThe Publisherld parameter is only relevant for the Publisher functionality inside a PubSubConnection. The filier setting on the subscriber side is contained in the DataSetReader
Parameters. Parameters.
Valid DataTypes are Ulnteger and Stnng ist eine mögliche Identifikationsmöglichkeit. Es können auch andere oder weitere Merkmale zur Identifikation verwendet werden. Vorstellbar ist z. B. das Auffinden aller Temperatur- sensoren mit einer „Sondierungsnachricht" Probe Message, die mit einem Geräteklassen-Merkmal, „TempSensor' filtert. Valid DataTypes are Ulnteger and Stnng is a possible means of identification. Other or further features can also be used for identification. Conceivable is z. B. finding all temperature sensors with a "probe message" probe message that filters with a device class feature "TempSensor".
Der Vorteil des beschriebenen Vorgehens: Es wird kein überge- ordnetes Konfigurationstool benötigt. Dies ist insbesondere relevant, wenn das Einrichten während eines laufenden Betrie- bes einer Anlage geschieht. The advantage of the procedure described: No higher-level configuration tool is required. This is particularly relevant if the set-up takes place while a system is in operation.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend durch die Figuren näher erläutert. Es zeigt The present invention is explained in more detail below by means of the figures. It shows
Figur 1 einen Ablauf gemäß dem Stand der Technik, Figure 1 shows a sequence according to the prior art,
Figur 2 den ersten Teil des erfindungsgemäß notwendigen Da- tenaustauschs, und FIG. 2 shows the first part of the data exchange required according to the invention, and FIG
Figur 3 den zweiten Teil des Datenaustausch analog. Figure 3 the second part of the data exchange analog.
Die Erläuterung zu dem in Figur 1 dargestellten Stand der Technik findet sich bereits weiter oben in der Beschreibungs- einleitung. The explanation of the prior art shown in FIG. 1 can already be found above in the introduction to the description.
Die Figuren 2 und 3 illustrieren die Beschreibung eines bei- spielhaften Ablaufs des erfindungsgemäßen Verfahrens: Figures 2 and 3 illustrate the description of an exemplary sequence of the method according to the invention:
Es sind wieder jeweils ein Publisher PI, P2 und ein Subscri- ber Sl, S2 pro Feldgerät FERE1, FERE2, Gerät vs. Applikation) vorgesehen, die in jeweils entgegengesetzte Richtungen 12, 13 kommunizieren, um die benötigte bidirektionale Kommunikation zu erreichen indem jeweils ein Subscriber Sl, S2 mit einem Publisher PI, P2 verbunden sind. There are again a publisher PI, P2 and a subscriber S1, S2 per field device FERE1, FERE2, device vs. application) provided, which communicate in opposite directions 12, 13 to achieve the required bidirectional communication by each Subscriber Sl, S2 are connected to a publisher PI, P2.
Gegeben sind zwei Applikationen FERE1, FERE2, die über Netz- werk miteinander kommunizieren. There are two applications FERE1, FERE2 that communicate with each other via a network.
Eine der beiden Applikationen übernimmt die Konfiguration (das Connection Management) seines Kommunikationspartners. Anzumerken ist, dass das Connection Management nicht notwen- digerweise Teil der Applikation ist. One of the two applications takes over the configuration (connection management) of its communication partner. It should be noted that the connection management is not necessarily part of the application.
Hierzu sendet die Applikation CM in einem ersten Schritt eine Sondierungsnachricht / Probe ins Netzwerk, Figur 2, Schritt 21. Die Sondierungsnachricht / Probe wird dabei an eine zuvor bekannte Multicast-Gruppe gesendet. For this purpose, the application CM sends a probe message / probe into the network in a first step, FIG. 2, step 21. The probe message / probe is sent to a previously known multicast group.
Daraufhin antworten diejenigen Applikation(en) FERE2, die ein passendes Identifikationsmerkmal besitzen, mit einer entspre- chenden „Announce Nachricht" 22. In den Figuren ist der Über- sichtlichkeit halber und beispielhaft nur eine Applikation gezeichnet, dies ist jedoch nicht einschränkend zu verstehen. Those application (s) FERE2 that have a suitable identification feature respond to this with a corresponding “announce message” 22. For the sake of clarity and by way of example, only one application is shown in the figures, but this is not to be understood as restrictive.
Basierend auf den empfangenen „Announce Nachricht(en) " 22 der antwortenden Applikation(en) FERE2 kann nun, in einem dritten Schritt, die initiierende Applikation CM den gewünschten Kom- munikationspartner FERE2 auswählen und dessen Konfiguration config2 (beinhaltet die Publisher/Subscriber-Konfiguration, z.B. Publisherld, Publisher Interval, PublishedDataSets and - DataSetItems. Based on the received "announce message (s)" 22 of the responding application (s) FERE2, in a third step, the initiating application CM can now select the desired communication partner FERE2 and configure it config2 (includes the publisher / subscriber configuration , e.g. Publisherld, Publisher Interval, PublishedDataSets and - DataSetItems.
Die Konfiguration könnte (beispielsweise als bin-Datei gemäß Part 14, Al realisiert) an den diesen übertragen werden, 23 z. B. mittels OPC UA Client/Server Kommunikation. Der Kommu- nikationspartner ist daraufhin entsprechend eingerichtet. The configuration could (for example, implemented as a bin file in accordance with Part 14, A1) be transferred to the latter, 23 z. B. using OPC UA client / server communication. The communication partner is then set up accordingly.
Das beschriebene Verfahren beschränkt sich dabei nicht nur auf das Auffinden und anschließende Konfigurieren des Kommu- nikationspartners, sondern kann im Weiteren auch zum Auffin- den, Lesen und Überprüfen der Konfiguration im späteren lau- fenden Betrieb verwendet werden. The described method is not limited to finding and then configuring the communication partner, but can also be used to find, read and check the configuration during operation later on.
Nach dem Auffinden der Kommunikation ist es oftmals erforder- lich im operativen Betrieb das Vorhandensein des Kommunikati- onspartners zu überwachen, siehe auch Figur 3. Dies kann auf zwei Arten erfolgen: durch zyklische Übermittlung des An- nounce ohne vorherige Sondierungsnachricht, oder durch Über- mittlung des Announce auf eine empfangene weitere Sondie- rungsnachricht (Probe). Der Vorteil im Vergleich zum be- schriebenen Stand der Technik besteht darin, dass dieser Me- chanismus nun auch zur Überwachung von Subscribern verwendet werden kann. After the communication has been found, it is often necessary to monitor the presence of the communication partner in operational operation, see also Figure 3. This can be done in two ways: by cyclical transmission of the announcement without a prior exploratory message, or by transmission averaging of the announcement for a received further exploratory message (sample). The advantage compared to the described prior art is that this mechanism can now also be used to monitor subscribers.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird die Erweiterung des PubSub-Discovery-Mechanismus auf Subscriber ermöglicht. Bis- lang konnten lediglich Publisher mittels PubSub-Discovery von ihren Subscribern gefunden werden. Nun können auch umgekehrt Publisher ihre Subscriber selbständig ermitteln. The solution according to the invention enables the PubSub discovery mechanism to be expanded to include subscribers. So far, only publishers could be found by their subscribers using PubSub Discovery. Conversely, publishers can now also determine their subscribers independently.
Dafür wird kein übergeordnetes Konfigurationstool zum Auffin- den mehr benötigt. A higher-level configuration tool is no longer required to find it.
Weiterhin kann der erfindungsgemäße Mechanismus ebenfalls zur Umsetzung einer Lebensüberwachung verwendet werden sowie zum Auslesen der Konfiguration und somit zur Überprüfung verwen- det werden. Furthermore, the mechanism according to the invention can also be used to implement life monitoring and to read out the configuration and thus for checking.
In Abgrenzung zu TSN PTCC ist der erfindungsgemäße Mechanis- mus rein Applikationsbasiert und auf beliebige Netze, in de- nen PubSub zum Einsatz kommen kann, verwendbar. In contrast to TSN PTCC, the mechanism according to the invention is purely application-based and can be used on any network in which PubSub can be used.

Claims

Patentansprüche Claims
1. Verfahren zur Datenübermittlung innerhalb eines industri- ellen Automatisierungssystems, bei dem 1. Method for data transmission within an industrial automation system in which
- zumindest ein erstes Gerät (FERE1, FERE2) Steuerungs-,- at least one first device (FERE1, FERE2) control,
Mess- und/oder Statusdaten veröffentlicht, wobei Measurement and / or status data published, whereby
- zumindest ein zweites Gerät (FERE2, FERE1) diese Steue- rungs-, Mess- und/oder Statusdaten empfangen kann, und - At least one second device (FERE2, FERE1) can receive this control, measurement and / or status data, and
- die Informationen zwischen dem ersten und zweiten Gerät un- ter Verwendung eines PubSub Mechanismus übertragen werden, gemäß dem das erste Gerät (FERE1, FERE2) als Publisher (PI, P2) agiert und das zweite Gerät (FERE1, FERE2) als Subscriber (Sl, S2), dadurch gekennzeichnet, dass - The information is transmitted between the first and second device using a PubSub mechanism, according to which the first device (FERE1, FERE2) acts as a publisher (PI, P2) and the second device (FERE1, FERE2) as a subscriber (Sl , S2), characterized in that
- das erste Gerät (FERE1, FERE2) eine Sondierungsnachricht an eine Gruppe von zweiten Geräten über eine Multicastadresse veröffentlicht (21), wobei dies Sondierungsnachricht ein Identifikationsmerkmal zur Identifizierung eines geeigneten zweiten Gerätes beinhaltet, - The first device (FERE1, FERE2) publishes (21) a probe message to a group of second devices via a multicast address, this probe message containing an identification feature for identifying a suitable second device,
- die Sondierungsnachricht beim Empfangen durch ein zweites Gerät, welches dem Identifikationsmerkmal entspricht, das Versenden einer Antwortnachricht (22) an das erste Gerät (FERE1, FERE2) auslöst, und - the probe message when received by a second device, which corresponds to the identification feature, triggers the sending of a response message (22) to the first device (FERE1, FERE2), and
- das erste Gerät nach Empfang der Antwortnachricht eine Kon- figurationsdatei (configl, config2) überträgt. - the first device transmits a configuration file (configl, config2) after receiving the response message.
2. Verfahren gemäß Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das in der Sondierungsnachricht verwendete Identifikations- merkmal der OPC-UA PublisherID entspricht. 2. The method according to claim 1, characterized in that the identification feature used in the probe message corresponds to the OPC UA PublisherID.
3. Verfahren gemäß Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das in der Sondierungsnachricht verwendete Identifikations- merkmal der OPC-UA Geräteklasse entspricht. 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the identification feature used in the probe message corresponds to the OPC UA device class.
4. Verfahren gemäß einem der vorherigen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine stetige Überwachung des Kommunikationspartners (FERE1, FERE3) geschieht, indem die Antwortnachricht (24) zyklisch wiederholt wird. 4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that constant monitoring of the communication partner (FERE1, FERE3) takes place in that the response message (24) is repeated cyclically.
5. Verfahren gemäß einem der vorherigen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine stetige Überwachung des Kommunikationspartners (FERE1, FERE2) geschieht, indem eine weitere Antwortnachricht (22) durch Versenden einer erneuten Sondierungsnachricht getrig- gert wird. 5. The method according to one of the preceding claims, characterized in that the communication partner (FERE1, FERE2) is continuously monitored by triggering a further response message (22) by sending a new probe message.
6. Verfahren gemäß einem der vorherigen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antwortnachricht die in dem Gerät enthaltene aktuelle Konfigurationsdatei enthält. 6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the response message contains the current configuration file contained in the device.
7. Verfahren gemäß einem der vorherigen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine bidirektionale Verbindung entsteht zwischen dem ersten und dem zweiten Gerät (FERE1, FERE2), indem jedes Gerät als Publisher (PI, P2) und als Subscriber (Sl, S2) agiert. 7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a bidirectional connection is created between the first and the second device (FERE1, FERE2) in that each device acts as a publisher (PI, P2) and as a subscriber (S1, S2).
8. Vorrichtung (FERE1) zur Durchführung eines der Verfahren gemäß den Merkmalen eines der Patentansprüche 1 bis 7, zur Veröffentlichung von Steuerungs-, Mess- und/oder Status- daten unter Verwendung eines PubSub Mechanismus, gemäß dem die Vorrichtung (FERE1, FERE2) als Publisher (PI, P2) agiert und an zumindest ein weiteres Gerät (FERE1, FERE2) als Sub- scriber (Sl, S2), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ausgebildet und geeignet ist, eine Sondie- rungsnachricht an eine Gruppe von zweiten Geräten über eine Multicastadresse zu veröffentlichen (21), wobei dies Sondie- rungsnachricht ein Identifikationsmerkmal zur Identifizierung eines geeigneten zweiten Gerätes beinhaltet, und - die Vorrichtung ausgebildet und geeignet ist, eine Antwort- nachricht (22) zu empfangen, welche durch die verwendete Son- dierungsnachricht durch Empfangen von einem zweiten Gerät, welches dem Identifikationsmerkmal entspricht, getriggert wurde zum Versenden einer Antwortnachricht (22) an das erste Gerät (FERE1, FERE2), und 8. Device (FERE1) for performing one of the methods according to the features of one of claims 1 to 7, for publishing control, measurement and / or status data using a PubSub mechanism, according to which the device (FERE1, FERE2) acts as publisher (PI, P2) and to at least one further device (FERE1, FERE2) as subscriber (S1, S2), characterized in that the device is designed and suitable for sending a probe message to a group of second devices to publish (21) via a multicast address, this probing message containing an identification feature for identifying a suitable second device, and - The device is designed and suitable to receive a reply message (22) which was triggered by the probe message used by receiving it from a second device, which corresponds to the identification feature, for sending a reply message (22) to the first device (FERE1, FERE2), and
- die Vorrichtung ausgebildet und geeignet ist, nach Empfang der Antwortnachricht eine Konfigurationsdatei (configl, con- fig2) an das zweite Gerät zu übertragen. the device is designed and suitable for transmitting a configuration file (configl, config2) to the second device after receiving the response message.
9. Vorrichtung gemäß Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das in der Sondierungsnachricht verwendete Identifikations- merkmal der OPC-UA PublisherID entspricht. 9. Device according to claim 8, characterized in that the identification feature used in the probe message corresponds to the OPC UA PublisherID.
10. Vorrichtung gemäß Patentanspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das in der Sondierungsnachricht verwendete Identifikations- merkmal der OPC-UA Geräteklasse entspricht. 10. Device according to claim 8 or 9, characterized in that the identification feature used in the probe message corresponds to the OPC UA device class.
11. Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Patentansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine stetige Überwachung des Kommunikationspartners (FERE1, FERE3) geschieht, indem die Antwortnachricht (24) zyklisch wiederholt wird. 11. Device according to one of the preceding claims 8 to 10, characterized in that constant monitoring of the communication partner (FERE1, FERE3) takes place in that the response message (24) is repeated cyclically.
12. Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Patentansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine stetige Überwachung des Kommunikationspartners (FERE1, FERE2) geschieht, indem eine weitere Antwortnachricht (22) durch Versenden einer erneuten Sondierungsnachricht getrig- gert wird. 12. Device according to one of the preceding claims 8 to 11, characterized in that the communication partner (FERE1, FERE2) is continuously monitored by triggering a further response message (22) by sending a new probe message.
13. Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Patentansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Antwortnachricht die in dem Gerät enthaltene aktuelle Konfigurationsdatei enthält. 13. Device according to one of the preceding claims 8 to 12, characterized in that the response message contains the current configuration file contained in the device.
14. Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Patentansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine bidirektionale Verbindung entsteht zwischen dem ersten und dem zweiten Gerät (FERE1, FERE2), indem jedes Gerät als Publisher (PI, P2) und als Subscriber (Sl, S2) agiert. 14. Device according to one of the preceding claims 8 to 13, characterized in that a bidirectional connection is created between the first and the second device (FERE1, FERE2) by each device as a publisher (PI, P2) and as a subscriber (Sl, S2 ) acts.
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