MQTT กับ OPC UA ในระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม: การเปรียบเทียบกลยุทธ์การสื่อสารสำหรับ OEM

โรงงานอุตสาหกรรมสมัยใหม่สร้างข้อมูลการดำเนินงานปริมาณมาก ซึ่งรวมถึงสถานะเครื่องจักร ปริมาณการผลิต ผลการตรวจสอบคุณภาพ และตัวชี้วัดประสิทธิภาพของอุปกรณ์ ข้อมูลเหล่านี้ต้องถูกส่งผ่านอย่างน่าเชื่อถือจากอุปกรณ์ภาคสนามไปยังระบบควบคุมและแพลตฟอร์มระดับสูง เพื่อใช้ในการตรวจสอบ การวิเคราะห์ และการเพิ่มประสิทธิภาพการทำงาน

ในโครงการระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม การเลือกโปรโตคอลการสื่อสารไม่ได้ขึ้นอยู่กับปัจจัยทางเทคนิคเพียงอย่างเดียว แต่ยังขึ้นอยู่กับสถาปัตยกรรมระบบ มาตรฐานของลูกค้า และข้อกำหนดด้านการผสานรวมด้วย จากมุมมองด้านวิศวกรรมของ OEM นั้น MQTT และ OPC UA เป็นตัวแทนของแนวทางที่แตกต่างกันสองรูปแบบในการแลกเปลี่ยนข้อมูลอุตสาหกรรม โดยแต่ละรูปแบบมีบทบาทเฉพาะในโรงงานดิจิทัลสมัยใหม่

รูปที่ 1 การเปรียบเทียบโมเดลการสื่อสารของ MQTT และ OPC UA

ข้อกำหนดด้านการสื่อสารข้อมูลอุตสาหกรรม

ในระบบอัตโนมัติแบบดั้งเดิม PLC และแพลตฟอร์มควบคุมทำหน้าที่เป็นแหล่งกำเนิดข้อมูลหลัก ระบบต่าง ๆ เช่น A-B ControlLogix และ GE Fanuc RX3i PACSystems ทำการรวบรวมข้อมูลภาคสนามผ่านโมดูล I/O และตัวควบคุมลอจิกกระบวนการอย่างต่อเนื่อง

เมื่อโรงงานก้าวสู่การเปลี่ยนผ่านสู่ระบบดิจิทัล ข้อมูลเหล่านี้จำเป็นต้องถูกกระจายออกไปนอกระบบควบคุมภายในพื้นที่ ปัจจุบันข้อมูลดังกล่าวรองรับแพลตฟอร์ม MES การวิเคราะห์บนคลาวด์ ระบบบำรุงรักษาเชิงพยากรณ์ และแดชบอร์ดระดับองค์กร

การเปลี่ยนแปลงนี้ทำให้โปรโตคอลการสื่อสารกลายเป็นหนึ่งในการตัดสินใจด้านการออกแบบที่สำคัญของสถาปัตยกรรมระบบอัตโนมัติ

โมเดลการสื่อสารของ MQTT ในระบบ IoT อุตสาหกรรม

MQTT เป็นโปรโตคอลการรับส่งข้อความน้ำหนักเบาที่ออกแบบมาเพื่อการส่งข้อมูลอย่างมีประสิทธิภาพบนเครือข่ายที่มีข้อจำกัดหรือไม่เสถียร โดยใช้สถาปัตยกรรมแบบเผยแพร่/สมัครรับข้อมูล ซึ่งอุปกรณ์จะส่งข้อมูลไปยังโบรกเกอร์ส่วนกลางแทนการสื่อสารกันโดยตรง

อุปกรณ์แต่ละเครื่องจะเผยแพร่ข้อมูลไปยังหัวข้อที่กำหนด ระบบใดก็ตามที่สมัครรับข้อมูลจากหัวข้อนั้นจะได้รับการอัปเดตแบบเรียลไทม์หรือใกล้เคียงเรียลไทม์ โครงสร้างนี้ช่วยลดการพึ่งพากันระหว่างอุปกรณ์และทำให้การผสานรวมกับคลาวด์ง่ายขึ้น

MQTT ถูกใช้อย่างแพร่หลายในแอปพลิเคชัน IoT อุตสาหกรรม โดยเฉพาะเมื่อมีการส่งข้อมูลไปยังแพลตฟอร์มคลาวด์หรือเกตเวย์เอดจ์ แทนที่จะส่งโดยตรงไปยังระบบควบคุม

OPC UA ในระบบควบคุมอุตสาหกรรม

OPC UA เป็นเฟรมเวิร์กการสื่อสารอุตสาหกรรมแบบมีโครงสร้าง ซึ่งออกแบบมาเพื่อการแลกเปลี่ยนข้อมูลระหว่างระบบอัตโนมัติอย่างปลอดภัยและเป็นมาตรฐาน แตกต่างจาก MQTT ตรงที่ OPC UA ให้การเข้าถึงตัวแปรของ PLC โดยตรง ทำให้สามารถโต้ตอบกับข้อมูลระดับเครื่องจักรได้แบบเรียลไทม์

ตัวควบคุมสมัยใหม่จำนวนมากรองรับ OPC UA มาโดยกำเนิด รวมถึงแพลตฟอร์มที่ผสานรวมกับระบบต่าง ๆ เช่น Honeywell Experion PKS C300 และ ระบบควบคุมแบบกระจาย Emerson DeltaV

OPC UA รองรับทั้งโมเดลไคลเอนต์/เซิร์ฟเวอร์และโมเดลเผยแพร่/สมัครรับข้อมูล นอกจากนี้ยังมีระบบรักษาความปลอดภัยในตัว การสร้างแบบจำลองข้อมูล และพื้นที่ที่อยู่แบบมีโครงสร้าง จึงเหมาะสำหรับสภาพแวดล้อมอุตสาหกรรมที่ซับซ้อน

รูปที่ 2 การสื่อสารอุตสาหกรรมในสภาพแวดล้อมเครือข่ายระยะไกลหรือไม่เสถียร

ข้อดีสำคัญของ MQTT ในการใช้งานอุตสาหกรรม

MQTT ทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพเมื่อส่งชุดข้อมูลขนาดเล็ก เช่น ค่าการอ่านจากเซนเซอร์ การอัปเดตสถานะ และการแจ้งเตือนเหตุการณ์ โดยต้องการการกำหนดค่าเพียงเล็กน้อย และทำงานได้ดีในระบบแบบกระจายที่การเชื่อมต่ออาจขาดช่วง

อย่างไรก็ตาม MQTT มักไม่ได้ถูกฝังไว้โดยตรงในแพลตฟอร์ม PLC การผสานรวมในอุตสาหกรรมจึงมักต้องใช้เกตเวย์หรือมิดเดิลแวร์เพื่อเชื่อมระบบ OT เข้ากับแพลตฟอร์ม IT/คลาวด์

ในสถาปัตยกรรมที่ขับเคลื่อนด้วยคลาวด์ MQTT มักถูกใช้สำหรับส่งข้อมูลไปยังแพลตฟอร์มต่าง ๆ เช่น AWS IoT และบริการวิเคราะห์ข้อมูลอุตสาหกรรม

ข้อดีสำคัญของ OPC UA ในระบบอัตโนมัติ

OPC UA เหมาะสมกว่าสำหรับแอปพลิเคชันที่ต้องการมองเห็นกระบวนการแบบเรียลไทม์และการผสานรวมกับระบบควบคุมโดยตรง โดยช่วยให้เข้าถึงข้อมูลเครื่องจักรแบบสดที่มีโครงสร้าง ซึ่งรวมถึงตัวแปร สัญญาณเตือน และข้อมูลการวินิจฉัย

ในระบบอัตโนมัติประสิทธิภาพสูง OPC UA ช่วยลดความซับซ้อนในการผสานรวม ด้วยการขจัดความจำเป็นในการเขียนตรรกะการสื่อสารแบบกำหนดเองระหว่าง PLC และระบบกำกับดูแล

OPC UA ถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในสภาพแวดล้อมการควบคุมสมัยใหม่ ซึ่งความสอดคล้องของข้อมูลและความปลอดภัยเป็นข้อกำหนดสำคัญด้านการออกแบบ

รูปที่ 3 ระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรมที่ใช้สถาปัตยกรรมการสื่อสารแบบมีโครงสร้าง

ข้อควรพิจารณาด้านสถาปัตยกรรมระบบ

ในโครงการวิศวกรรมจริง MQTT และ OPC UA ไม่ได้เป็นตัวเลือกที่ต้องเลือกอย่างใดอย่างหนึ่ง ระบบอุตสาหกรรมจำนวนมากใช้สถาปัตยกรรมแบบผสม โดยให้ OPC UA จัดการข้อมูลการควบคุมแบบเรียลไทม์ ขณะที่ MQTT จัดการการกระจายข้อมูลในระดับคลาวด์

ตัวอย่างเช่น แพลตฟอร์มควบคุมอย่าง A-B Flex I/O หรือ Schneider Modicon Quantum อาจใช้ OPC UA ภายในระบบ ขณะที่ MQTT ถูกใช้สำหรับระบบวิเคราะห์ข้อมูลภายนอก

สถาปัตยกรรมแบบแบ่งชั้นนี้ช่วยเพิ่มความสามารถในการขยายระบบ พร้อมกับรักษาความน่าเชื่อถือของระบบในระดับการควบคุม

กลยุทธ์การเลือกใช้งานด้านวิศวกรรม

เมื่อเลือกใช้ MQTT หรือ OPC UA วิศวกรต้องประเมินความหน่วงของระบบ ปริมาณข้อมูล และขอบเขตการผสานรวม OPC UA เหมาะสำหรับสภาพแวดล้อมการควบคุมที่ต้องการการทำงานแบบกำหนดแน่นอน ขณะที่ MQTT เหมาะสมกว่าสำหรับการสื่อสารกับคลาวด์และการรวบรวมข้อมูลขนาดใหญ่

ในโครงการระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรมจำนวนมาก มีการใช้งานทั้งสองโปรโตคอลร่วมกัน เพื่อสร้างสมดุลระหว่างข้อกำหนดด้านการควบคุมแบบเรียลไทม์กับความต้องการเชื่อมต่อคลาวด์

กลยุทธ์การเลือกใช้งานด้านวิศวกรรม

เมื่อเลือกใช้ MQTT หรือ OPC UA วิศวกรต้องประเมินความหน่วงของระบบ ปริมาณข้อมูล และขอบเขตการผสานรวม OPC UA เหมาะสำหรับสภาพแวดล้อมการควบคุมที่ต้องการการทำงานแบบกำหนดแน่นอน ขณะที่ MQTT เหมาะสมกว่าสำหรับการสื่อสารกับคลาวด์และการรวบรวมข้อมูลขนาดใหญ่

ในโครงการระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรมจำนวนมาก มีการใช้งานทั้งสองโปรโตคอลร่วมกัน เพื่อสร้างสมดุลระหว่างข้อกำหนดด้านการควบคุมแบบเรียลไทม์กับความต้องการเชื่อมต่อคลาวด์

เกี่ยวกับผู้เขียน

Michael Chen เป็นวิศวกรระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรมที่มีประสบการณ์มากกว่า 15 ปีในด้าน PLC, DCS และระบบการสื่อสารอุตสาหกรรม เขามุ่งเน้นการผสานรวมระบบควบคุม สถาปัตยกรรมเครือข่ายอุตสาหกรรม และการเปลี่ยนผ่านสู่ระบบดิจิทัลในโครงการการผลิตระดับโลก