MQTT vs. OPC UA: Vergleich von Kommunikationsprotokollen für die industrielle Automatisierung aus OEM-Perspektive

MQTT vs. OPC UA in der industriellen Automatisierung: Vergleich der Kommunikationsstrategien für OEMs

Moderne Industrieanlagen erzeugen große Mengen an Betriebsdaten, darunter Maschinenstatus, Produktionsdurchsatz, Ergebnisse von Qualitätsprüfungen und Kennzahlen zur Anlageneffizienz. Diese Daten müssen zuverlässig von Feldgeräten an Steuerungssysteme und übergeordnete Plattformen zur Überwachung, Analyse und Leistungsoptimierung übertragen werden.

Bei Projekten der industriellen Automatisierung ist die Auswahl des Kommunikationsprotokolls nicht rein technischer Natur. Sie hängt häufig von der Systemarchitektur, den Kundenstandards und den Integrationsanforderungen ab. Aus Sicht der OEM-Entwicklung stellen MQTT und OPC UA zwei unterschiedliche Ansätze für den industriellen Datenaustausch dar, die jeweils bestimmte Aufgaben in modernen digitalen Fabriken erfüllen.

Abbildung 1. Vergleich der Kommunikationsmodelle von MQTT und OPC UA.

Anforderungen an die industrielle Datenkommunikation

In herkömmlichen Automatisierungssystemen fungieren SPSen und Steuerungsplattformen als primäre Datenquelle. Systeme wie A-B ControlLogix und GE Fanuc RX3i PACSystems erfassen kontinuierlich Felddaten über E/A-Module und verarbeiten diese in Steuerungslogik.

Da sich Fabriken zunehmend der digitalen Transformation zuwenden, müssen diese Daten über die lokalen Steuerungssysteme hinaus verteilt werden. Sie unterstützen nun MES-Plattformen, Cloud-Analysen, Systeme für die vorausschauende Wartung und Unternehmens-Dashboards.

Dadurch ist die Wahl der Kommunikationsprotokolle zu einer zentralen Designentscheidung in der Automatisierungsarchitektur geworden.

Das MQTT-Kommunikationsmodell im Industrial IoT

MQTT ist ein leichtgewichtiges Nachrichtenprotokoll, das für die effiziente Datenübertragung in begrenzten oder instabilen Netzwerken entwickelt wurde. Es basiert auf einer Publish-/Subscribe-Architektur, bei der Geräte Daten an einen zentralen Broker senden, anstatt direkt miteinander zu kommunizieren.

Jedes Gerät veröffentlicht Daten zu einem festgelegten Topic. Jedes System, das dieses Topic abonniert hat, erhält Aktualisierungen in Echtzeit oder nahezu in Echtzeit. Diese Struktur reduziert die Kopplung zwischen Geräten und vereinfacht die Cloud-Integration.

MQTT wird häufig in Industrial-IoT-Anwendungen eingesetzt, insbesondere wenn Daten an Cloud-Plattformen oder Edge-Gateways statt direkt an Steuerungssysteme übertragen werden.

OPC UA in industriellen Steuerungssystemen

OPC UA ist ein strukturiertes industrielles Kommunikationsframework für den sicheren und standardisierten Datenaustausch zwischen Automatisierungssystemen. Anders als MQTT ermöglicht OPC UA den direkten Zugriff auf SPS-Variablen und damit die Echtzeitinteraktion mit Daten auf Maschinenebene.

Viele moderne Steuerungen unterstützen OPC UA nativ, darunter Plattformen, die in Systeme wie Honeywell Experion PKS C300 und verteilte Leitsysteme von Emerson DeltaV integriert sind.

OPC UA unterstützt sowohl Client-/Server- als auch Publish-/Subscribe-Modelle. Außerdem umfasst es integrierte Sicherheitsfunktionen, Datenmodellierung und strukturierte Adressräume, wodurch es sich für komplexe industrielle Umgebungen eignet.

Abbildung 2. Industrielle Kommunikation in entfernten oder instabilen Netzwerkumgebungen.

Wichtige Vorteile von MQTT in industriellen Anwendungen

MQTT arbeitet besonders effizient bei der Übertragung kleiner Datensätze wie Sensormesswerten, Statusaktualisierungen und Ereignisbenachrichtigungen. Es erfordert nur eine minimale Konfiguration und eignet sich gut für verteilte Systeme mit zeitweise unterbrochener Konnektivität.

MQTT ist jedoch üblicherweise nicht direkt in SPS-Plattformen integriert. Für die industrielle Integration sind häufig Gateways oder Middleware erforderlich, um OT-Systeme mit IT- und Cloud-Plattformen zu verbinden.

In cloudbasierten Architekturen wird MQTT häufig zur Datenübertragung an Plattformen wie AWS IoT und industrielle Analysedienste eingesetzt.

Wichtige Vorteile von OPC UA in Automatisierungssystemen

OPC UA eignet sich besser für Anwendungen, die eine Echtzeittransparenz von Prozessen und eine direkte Integration in die Steuerung erfordern. Es ermöglicht den strukturierten Zugriff auf aktuelle Maschinendaten, einschließlich Variablen, Alarmen und Diagnoseinformationen.

In leistungsfähigen Automatisierungssystemen reduziert OPC UA die Integrationskomplexität, da keine individuelle Kommunikationslogik zwischen SPSen und übergeordneten Systemen erforderlich ist.

Es wird in modernen Steuerungsumgebungen häufig eingesetzt, in denen Datenkonsistenz und Sicherheit zentrale Designanforderungen sind.

Abbildung 3. Industrielles Automatisierungssystem mit strukturierter Kommunikationsarchitektur.

Überlegungen zur Systemarchitektur

In praktischen Engineering-Projekten schließen sich MQTT und OPC UA nicht gegenseitig aus. Viele industrielle Systeme verwenden eine hybride Architektur, in der OPC UA die Echtzeit-Steuerungsdaten verwaltet, während MQTT die Datenverteilung auf Cloud-Ebene übernimmt.

Beispielsweise können Steuerungsplattformen wie A-B Flex I/O oder Schneider Modicon Quantum intern OPC UA verwenden, während MQTT für externe Analysesysteme eingesetzt wird.

Diese mehrschichtige Architektur verbessert die Skalierbarkeit und gewährleistet gleichzeitig die Zuverlässigkeit des Systems auf Steuerungsebene.

Strategie zur Auswahl aus Engineering-Sicht

Bei der Auswahl zwischen MQTT und OPC UA müssen Ingenieure Systemlatenz, Datenvolumen und Integrationsumfang bewerten. OPC UA wird für deterministische Steuerungsumgebungen bevorzugt, während MQTT besser für die Cloud-Kommunikation und die großflächige Datenaggregation geeignet ist.

In vielen Projekten der industriellen Automatisierung werden beide Protokolle gemeinsam eingesetzt, um die Anforderungen der Echtzeitsteuerung mit dem Bedarf an Cloud-Konnektivität in Einklang zu bringen.

Strategie zur Auswahl aus Engineering-Sicht

Bei der Auswahl zwischen MQTT und OPC UA müssen Ingenieure Systemlatenz, Datenvolumen und Integrationsumfang bewerten. OPC UA wird für deterministische Steuerungsumgebungen bevorzugt, während MQTT besser für die Cloud-Kommunikation und die großflächige Datenaggregation geeignet ist.

In vielen Projekten der industriellen Automatisierung werden beide Protokolle gemeinsam eingesetzt, um die Anforderungen der Echtzeitsteuerung mit dem Bedarf an Cloud-Konnektivität in Einklang zu bringen.

Über den Autor

Michael Chen ist ein Ingenieur für industrielle Automatisierung mit mehr als 15 Jahren Erfahrung in SPS-, DCS- und industriellen Kommunikationssystemen. Sein Schwerpunkt liegt auf der Integration von Steuerungssystemen, der Architektur industrieller Netzwerke und der digitalen Transformation in globalen Fertigungsprojekten.