MQTT vs OPC UA: Maschinendaten in IT-Systeme bringen

Die meisten Automatisierungsprojekte müssen früher oder später Maschinendaten an Systeme außerhalb des Steuerungsnetzes liefern: an einen SCADA-Server, ein MES, eine Datenbank oder eine Cloud-Plattform. Für diese Aufgabe haben sich zwei Protokolle durchgesetzt. Dieser Artikel vergleicht MQTT und OPC UA aus praktischer Sicht: wie sie kommunizieren, wie Daten beschrieben und abgesichert werden und welche Systeme sie typischerweise empfangen. Zum Schluss folgt eine Übersicht über Geräte von ICP DAS, die eines oder beide Protokolle unterstützen.

Zwei unterschiedliche Kommunikationsmodelle

MQTT ist ein Publish/Subscribe-Protokoll. Geräte verbinden sich als Clients mit einem zentralen Broker und veröffentlichen Nachrichten unter Topics wie site1/line2/press4/temperature. Anwendungen, die ein Topic abonnieren, erhalten dessen Nachrichten. Publisher und Subscriber müssen nichts voneinander wissen. Die Standardports sind 1883 für reines TCP und 8883 für MQTT über TLS.

OPC UA wird überwiegend als Client/Server-Modell eingesetzt. Auf dem Gerät oder Gateway läuft ein OPC UA Server; ein Client, etwa ein SCADA-System, verbindet sich damit, durchsucht den Adressraum, liest und schreibt Werte und abonniert Änderungen. Der Standardport ist 4840. Die Spezifikation definiert zwar auch einen Publish/Subscribe-Modus, die meisten installierten Server und Clients arbeiten jedoch mit Client/Server.

Das ist für die Netzwerkplanung wichtig. Bei MQTT baut das Feldgerät die Verbindung auf, was sich für Standorte hinter NAT oder einer Firewall eignet, die nur ausgehenden Verkehr zulässt. Bei OPC UA Client/Server muss der Client den Server erreichen können, deshalb befinden sich beide meist im selben Netz oder sind über ein VPN verbunden.

Informationsmodell oder Nutzdaten

MQTT transportiert Bytes. Das Protokoll legt nicht fest, was eine Nachricht enthält; Topic-Struktur, Payload-Format (häufig JSON), Einheiten und Zeitstempel müssen daher zwischen Sender und Empfänger vereinbart werden. Konventionen wie Sparkplug B ergänzen eine definierte Payload, allerdings nur, wenn beide Seiten sie unterstützen.

OPC UA bringt ein Informationsmodell mit. Jeder Wert ist ein Knoten mit Datentyp, Zeitstempel, Statuscode und optionalen Attributen wie physikalischer Einheit und Beschreibung. Ein Client kann den Server durchsuchen und feststellen, welche Daten verfügbar sind, ohne separate Registerliste.

In der Praxis ist MQTT schnell eingerichtet und flexibel, die Dokumentation von Topics und Payloads liegt aber bei Ihnen. OPC UA erfordert auf beiden Seiten mehr Konfiguration, dafür beschreiben sich die Daten selbst.

Sicherheit

MQTT setzt für die Verschlüsselung auf TLS, für die Authentifizierung auf Benutzername und Passwort oder Client-Zertifikate und auf Zugriffsregeln im Broker, die festlegen, wer welche Topics veröffentlichen oder abonnieren darf. Bei OPC UA ist die Sicherheit in das Protokoll integriert: Anwendungszertifikate, die Sicherheitsmodi None, Sign und SignAndEncrypt sowie Benutzerauthentifizierung. In beiden Fällen wirkt der Schutz nur, wenn er auch konfiguriert ist. Ein Broker auf Port 1883 ohne Authentifizierung oder ein OPC UA Endpunkt mit Sicherheitsmodus None steht jedem offen, der ihn erreichen kann.

MQTT und OPC UA im Überblick

Die Wahl für Ihr Projekt

• Wählen Sie MQTT, wenn viele verteilte Geräte Daten an ein zentrales oder Cloud-System senden, wenn Standorte über 4G oder das Internet angebunden sind oder wenn die IT bereits einen Broker betreibt.
• Wählen Sie OPC UA, wenn ein SCADA, MES oder Historian im Anlagennetz strukturierte Daten über seinen OPC UA Client lesen soll.
• Setzen Sie beide ein, wenn dieselben Daten in der Produktion und in der IT benötigt werden. Ein Kommunikationsserver kann OPC UA für das SCADA bereitstellen und dieselben Werte an einen Broker veröffentlichen.

Prüfen Sie vor der Auswahl der Feldhardware, was das empfangende System unterstützt. In der Regel bestimmt der Empfänger das Protokoll.

Geräte von ICP DAS mit MQTT und OPC UA

Beide Protokolle in einem Gerät

Die Kommunikationsserver der UA-Serie (UA-2241M, UA-2841M, UA-5231M und UA-7231M) lesen Daten über Modbus TCP, Modbus RTU/ASCII, MQTT und EtherNet/IP und stellen sie gleichzeitig über einen OPC UA Server, MQTT und SNMP bereit. Sie enthalten einen MQTT-Broker, schreiben Daten in Datenbanken wie MS SQL, MySQL und MariaDB mit Offline-Datenwiederherstellung und unterstützen HTTPS, einen OpenVPN-Client und IP-Whitelists.

OPC UA I/O-Module von ICP DAS wie das U-7526M (AI, AO, DI und DO) und das U-7544M (8 DI und 8 DO) kombinieren integrierte I/O mit einem OPC UA Server und Client, einem MQTT-Client und einer RESTful API, die gleichzeitig laufen können. Sie verfügen über einen Ethernet-Switch mit zwei Ports, lassen sich über PoE versorgen und unterstützen IF-THEN-ELSE-Regeln.

MQTT auf Geräteebene

• WISE Edge-Controller wie WISE-5231M und WISE-2841M: MQTT-Client mit Publish, Subscribe und SSL sowie Modbus TCP/RTU und SNMP.
• WISE-75xxM I/O-Module wie WISE-7526M: MQTT-Client (ohne SSL) und Modbus TCP.
• ET-2200 Ethernet-I/O wie ET-2217: veröffentlicht den I/O-Status, abonniert Topics und verbindet sich automatisch neu.
• Cybersecurity-I/O ETS-7200 wie ETS-7255: MQTT mit optionalem TLS, Modbus TCP/TLS und HTTPS.
• Module der Serie MQ-7200M wie MQ-7244M: MQTT 3.1 und Modbus TCP.
• CL-200 Datenlogger wie CL-202-E für CO2, Temperatur und Luftfeuchte: Modbus TCP und MQTT über Ethernet.

Auf der Empfängerseite ist der BRK-2841M ein dedizierter MQTT-Broker für MQTT 3.1, 3.1.1 und 5.0 mit QoS, Retained Messages, Last Will, Authentifizierung, Verschlüsselung und Bridging. Er schreibt in Datenbanken wie MySQL und puffert Daten bei Ausfällen auf microSD.

OPC UA in Steuerungen

Win-GRAF PACs wie XP-9188-IoT und RPAC-2658M führen Programme nach IEC 61131-3 aus und enthalten einen OPC UA Server, sodass Steuerung und Datenzugriff in einem Gerät erfolgen.

Beschreiben Sie uns Ihre Datenquellen und das empfangende System – unser technischer Vertrieb schlägt Ihnen eine passende Kombination vor.