MQTT กับ OPC UA: การเปรียบเทียบโปรโตคอลการสื่อสารในระบบอัตโนมัติอุตสาหกรรมจากมุมมองของผู้ผลิตอุปกรณ์ดั้งเดิม (OEM)

MQTT กับ OPC UA ในระบบอัตโนมัติอุตสาหกรรม: การเปรียบเทียบกลยุทธ์การสื่อสารของ OEM

โรงงานอุตสาหกรรมสมัยใหม่สร้างข้อมูลการดำเนินงานจำนวนมาก เช่น สถานะเครื่องจักร ปริมาณการผลิต ผลการตรวจสอบคุณภาพ และตัวชี้วัดประสิทธิภาพอุปกรณ์ ข้อมูลเหล่านี้ต้องถูกส่งอย่างน่าเชื่อถือจากอุปกรณ์ภาคสนามไปยังระบบควบคุมและแพลตฟอร์มระดับสูงเพื่อการตรวจสอบ การวิเคราะห์ และการเพิ่มประสิทธิภาพการทำงาน

ในโครงการระบบอัตโนมัติอุตสาหกรรม การเลือกโปรโตคอลการสื่อสารไม่ได้ขึ้นอยู่กับเทคนิคเพียงอย่างเดียว แต่ยังขึ้นอยู่กับสถาปัตยกรรมระบบ มาตรฐานของลูกค้า และข้อกำหนดการบูรณาการ จากมุมมองวิศวกรรม OEM MQTT และ OPC UA แสดงถึงแนวทางที่แตกต่างกันสองแบบในการแลกเปลี่ยนข้อมูลอุตสาหกรรม โดยแต่ละแบบมีบทบาทเฉพาะในโรงงานดิจิทัลสมัยใหม่

รูปที่ 1 การเปรียบเทียบระหว่างโมเดลการสื่อสาร MQTT และ OPC UA

ข้อกำหนดการสื่อสารข้อมูลอุตสาหกรรม

ในระบบอัตโนมัติแบบดั้งเดิม PLC และแพลตฟอร์มควบคุมทำหน้าที่เป็นแหล่งข้อมูลหลัก ระบบเช่น A-B ControlLogix และ GE Fanuc RX3i PACSystems จะเก็บข้อมูลภาคสนามอย่างต่อเนื่องผ่านโมดูล I/O และตัวควบคุมตรรกะโปรแกรมได้

เมื่อโรงงานก้าวสู่การเปลี่ยนแปลงสู่ดิจิทัล ข้อมูลนี้ต้องถูกแจกจ่ายไปยังระบบที่มากกว่าระบบควบคุมในพื้นที่ เช่น แพลตฟอร์ม MES การวิเคราะห์บนคลาวด์ ระบบบำรุงรักษาเชิงคาดการณ์ และแดชบอร์ดองค์กร

การเปลี่ยนแปลงนี้ทำให้โปรโตคอลการสื่อสารกลายเป็นการตัดสินใจหลักในการออกแบบสถาปัตยกรรมระบบอัตโนมัติ

โมเดลการสื่อสาร MQTT ใน Industrial IoT

MQTT เป็นโปรโตคอลส่งข้อความน้ำหนักเบาที่ออกแบบมาเพื่อการส่งข้อมูลอย่างมีประสิทธิภาพในเครือข่ายที่มีข้อจำกัดหรือไม่เสถียร โดยใช้สถาปัตยกรรมแบบเผยแพร่/สมัครรับข้อมูล ซึ่งอุปกรณ์จะส่งข้อมูลไปยังโบรกเกอร์กลางแทนการสื่อสารโดยตรง

แต่ละอุปกรณ์จะเผยแพร่ข้อมูลไปยังหัวข้อที่กำหนด ระบบใดที่สมัครรับข้อมูลหัวข้อนั้นจะได้รับการอัปเดตแบบเรียลไทม์หรือใกล้เคียงเรียลไทม์ โครงสร้างนี้ช่วยลดการเชื่อมโยงระหว่างอุปกรณ์และทำให้การบูรณาการกับคลาวด์ง่ายขึ้น

MQTT ถูกใช้อย่างแพร่หลายในแอปพลิเคชัน Industrial IoT โดยเฉพาะเมื่อข้อมูลถูกส่งไปยังแพลตฟอร์มคลาวด์หรือเกตเวย์ขอบเครือข่ายแทนที่จะส่งตรงไปยังระบบควบคุม

OPC UA ในระบบควบคุมอุตสาหกรรม

OPC UA เป็นกรอบการสื่อสารอุตสาหกรรมที่มีโครงสร้าง ออกแบบมาเพื่อการแลกเปลี่ยนข้อมูลที่ปลอดภัยและเป็นมาตรฐานระหว่างระบบอัตโนมัติ แตกต่างจาก MQTT, OPC UA ให้การเข้าถึงตัวแปร PLC โดยตรง ทำให้สามารถโต้ตอบกับข้อมูลระดับเครื่องจักรแบบเรียลไทม์ได้

ตัวควบคุมสมัยใหม่หลายรุ่นรองรับ OPC UA โดยตรง รวมถึงแพลตฟอร์มที่บูรณาการกับระบบเช่น Honeywell Experion PKS C300 และ Emerson DeltaV distributed control systems

OPC UA รองรับทั้งโมเดลไคลเอนต์/เซิร์ฟเวอร์และเผยแพร่/สมัครรับข้อมูล นอกจากนี้ยังมีระบบรักษาความปลอดภัยในตัว การสร้างแบบจำลองข้อมูล และพื้นที่ที่อยู่แบบมีโครงสร้าง ทำให้เหมาะสมกับสภาพแวดล้อมอุตสาหกรรมที่ซับซ้อน

รูปที่ 2 การสื่อสารอุตสาหกรรมในสภาพแวดล้อมเครือข่ายระยะไกลหรือไม่เสถียร

ข้อได้เปรียบหลักของ MQTT ในแอปพลิเคชันอุตสาหกรรม

MQTT ทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพเมื่อส่งชุดข้อมูลน้ำหนักเบา เช่น ค่าการอ่านเซ็นเซอร์ การอัปเดตสถานะ และการแจ้งเตือนเหตุการณ์ ต้องการการตั้งค่าขั้นต่ำและทำงานได้ดีในระบบกระจายที่การเชื่อมต่อไม่ต่อเนื่อง

อย่างไรก็ตาม MQTT ไม่ได้ฝังโดยตรงในแพลตฟอร์ม PLC โดยทั่วไปการบูรณาการในอุตสาหกรรมต้องใช้เกตเวย์หรือมิดเดิลแวร์เพื่อเชื่อมต่อระบบ OT กับแพลตฟอร์ม IT/คลาวด์

ในสถาปัตยกรรมที่ขับเคลื่อนด้วยคลาวด์ MQTT มักถูกใช้สำหรับการส่งข้อมูลไปยังแพลตฟอร์มเช่น AWS IoT และบริการวิเคราะห์อุตสาหกรรม

ข้อได้เปรียบหลักของ OPC UA ในระบบอัตโนมัติ

OPC UA เหมาะสมกับแอปพลิเคชันที่ต้องการการมองเห็นกระบวนการแบบเรียลไทม์และการบูรณาการควบคุมโดยตรง ช่วยให้เข้าถึงข้อมูลเครื่องจักรสดได้อย่างมีโครงสร้าง รวมถึงตัวแปร สัญญาณเตือน และข้อมูลวินิจฉัย

ในระบบอัตโนมัติที่มีประสิทธิภาพสูง OPC UA ช่วยลดความซับซ้อนในการบูรณาการโดยไม่ต้องใช้ตรรกะการสื่อสารที่กำหนดเองระหว่าง PLC กับระบบควบคุม

OPC UA ถูกใช้อย่างแพร่หลายในสภาพแวดล้อมการควบคุมสมัยใหม่ที่ความสม่ำเสมอของข้อมูลและความปลอดภัยเป็นข้อกำหนดสำคัญในการออกแบบ

รูปที่ 3 ระบบอัตโนมัติอุตสาหกรรมที่ใช้สถาปัตยกรรมการสื่อสารแบบมีโครงสร้าง

ข้อควรพิจารณาด้านสถาปัตยกรรมระบบ

ในโครงการวิศวกรรมจริง MQTT และ OPC UA ไม่ได้เป็นทางเลือกที่ขัดแย้งกัน ระบบอุตสาหกรรมหลายระบบใช้สถาปัตยกรรมแบบผสมผสาน โดย OPC UA จัดการข้อมูลควบคุมแบบเรียลไทม์ ขณะที่ MQTT ดูแลการแจกจ่ายข้อมูลระดับคลาวด์

ตัวอย่างเช่น แพลตฟอร์มควบคุมเช่น A-B Flex I/O หรือ Schneider Modicon Quantum อาจใช้ OPC UA ภายใน ขณะที่ MQTT ถูกใช้สำหรับระบบวิเคราะห์ภายนอก

สถาปัตยกรรมแบบชั้นนี้ช่วยเพิ่มความสามารถในการขยายตัวในขณะที่ยังคงความน่าเชื่อถือของระบบในระดับการควบคุม

กลยุทธ์การเลือกใช้วิศวกรรม

เมื่อเลือกใช้ระหว่าง MQTT และ OPC UA วิศวกรต้องประเมินความหน่วงของระบบ ปริมาณข้อมูล และขอบเขตการบูรณาการ OPC UA เหมาะกับสภาพแวดล้อมการควบคุมที่ต้องการความแน่นอน ขณะที่ MQTT เหมาะกับการสื่อสารกับคลาวด์และการรวบรวมข้อมูลขนาดใหญ่

ในหลายโครงการระบบอัตโนมัติอุตสาหกรรม ทั้งสองโปรโตคอลมักถูกใช้งานร่วมกันเพื่อสร้างสมดุลระหว่างความต้องการควบคุมแบบเรียลไทม์กับความต้องการเชื่อมต่อคลาวด์

เกี่ยวกับผู้เขียน

ไมเคิล เฉิน เป็นวิศวกรระบบอัตโนมัติอุตสาหกรรมที่มีประสบการณ์มากกว่า 15 ปีในด้าน PLC, DCS และระบบสื่อสารอุตสาหกรรม โดยเน้นการบูรณาการระบบควบคุม สถาปัตยกรรมเครือข่ายอุตสาหกรรม และการเปลี่ยนแปลงสู่ดิจิทัลในโครงการการผลิตระดับโลก