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Die Digitalisierung und das Industrial Internet of Things (IIoT) revolutionieren Produktionsumgebungen weltweit, wobei Kommunikationsprotokolle dabei eine zentrale Rolle spielen. Sie ermöglichen eine effiziente, sichere und zuverlässige Datenübertragung zwischen Maschinen, Systemen und Plattformen. In den nächsten Beiträgen stelle ich die wichtigsten Protokolle, ihre Ursprünge, Besonderheiten und Einsatzgebiete vor.
MQTT – schlank, flexibel und effizient
MQTT (Message Queue Telemetry Protocol) ist ein offenes Netzwerkprotokoll, das speziell für die Kommunikation in Netzwerken mit geringer Bandbreite entwickelt wurde. Dank seiner schlanken Architektur funktioniert es hervorragend auf ressourcenarmen Geräten wie Mikrocontrollern oder Mini-Computern (z. B. Raspberry Pi). Es ermöglicht eine kostengünstige und flexible Kommunikation, bei der nahezu alle Arten von Daten – von Texten über Bilder bis hin zu Videos – übertragen werden können.
MQTT basiert auf einer einfachen Struktur aus einem Server (Broker), mehreren Clients und einem Netzwerk. Der Broker empfängt Nachrichten von den Clients und leitet sie an interessierte Clients weiter. Ein großer Vorteil ist, dass nur Änderungen an den Broker gesendet werden, wenn es auch tatsächlich eine Änderung gab. Das macht MQTT im Vergleich zu Lösungen wie OPC UA, die regelmäßige Abfragen benötigen, deutlich effizienter.
MQTT ermöglicht eine schnelle und ressourcenschonende Kommunikation zwischen Internetfähigen Geräte wie Maschinen und Sensoren. Beispiele für den Einsatz:
- ‚Condition Monitoring‘: Kontinuierliche Überwachung von Maschinenzuständen in Echtzeit bei dem die Sensordaten (z.B. Temperatur, Energieverbrauch, Druck, Vibrationen) an ein zentrales System (häufig Cloud) übertragen werden.
- ‚Predictive Maintenance‘: Erfassung und Analyse von Maschinendaten zur Vorhersage von Wartungsbedarfen (Leistungsdaten wie Spindelumdrehung, Vorschub, Werkzeugnutzung etc.)
OPC UA – der Industriestandard für sichere und interoperable Kommunikation
OPC (Open Platform Communications) hat seinen Ursprung in den 1980er Jahren, als es von Microsoft für die industrielle Automatisierung entwickelt wurde und unter dem Akronym OLE lief. Auf dieser Basis entstand später OPC UA (Unified Architecture), ein offener Standard, der speziell für den sicheren und plattformübergreifenden Datenaustausch in der Industrieautomation konzipiert ist. OPC UA definiert den Datentransport, die benötigten Schnittstellen, den semantischen Aufbau der Daten und die Sicherheitsmechanismen, die eine zuverlässige Kommunikation zwischen Hardware und Software ermöglichen.
Im Gegensatz zu unidirektionalen Protokollen wie MTConnect unterstützt OPC UA eine bidirektionale Kommunikation, wodurch Daten nicht nur empfangen, sondern auch aktiv an Geräte zurückgesendet werden können. Das macht OPC UA besonders flexibel für komplexe Anwendungen in der Industrie.
Die Initiative wird von der OPC Foundation geleitet, der namhafte Unternehmen wie Beckhoff, Microsoft, Rockwell Automation und Siemens angehören. Ziel von OPC UA ist es, ein universeller und plattformunabhängiger Industriestandard für die Kommunikation zu werden. Die große Bandbreite an Mitgliedern führt jedoch zu einer Vielzahl von Produktabhängigkeiten darunter OEM-Hardware, Sensoren und Software.
Obwohl OPC UA auf einem gemeinsamen Standard basiert, unterstützen viele Maschinen nur bestimmte Spezifikationen. Um Maschinen unterschiedlicher Hersteller auf eine gemeinsamen Kommunikationsrahmen zu bringen sind daher kostspielige Anpassungen notwendig. Die Architektur von OPC UA ähnelt der von MQTT. Server und mehrere Clients, allerdings ist die Implementierung von OPC UA deutlich komplexer und wartungsintensiver.
Durch die Kosten und den Einfluss von OEMs (Original Equipment Manufacturers) ist OPC UA unter Digitalisierungsexperten auch umstritten. Kritiker bemängeln, dass OPC UA weniger ein freies IIoT-Protokoll ist, das die Digitalisierung demokratisiert, sondern eher ein herstellergetriebener Standard, der zusätzliche Einnahmequellen für OEMs sichert.
Trotz dieser Herausforderungen bleibt OPC UA ein zentraler Baustein für Interoperabilität und Sicherheit in der Industrie 4.0, insbesondere in Umgebungen mit hohen Anforderungen an Zuverlässigkeit und Datenintegrität.
UMATI – der Standard für nahtlose Vernetzung im Maschinenbau
UMATI (Universal Machine Technology Interface) ist eine Initiative, die auf OPC UA basiert und speziell auf die Anforderungen der Maschinenbauindustrie zugeschnitten ist. Sie bietet standardisierte Schnittstellen, die einen einfachen und reibungslosen Datenaustausch zwischen Maschinen, Produktionsanlagen und IT-Systemen ermöglichen.
Das Hauptziel von UMATI ist die Entwicklung von Plug-and-Play Lösungen für den Maschinenbau. Durch diese standardisierten Schnittstellen wird die Integration neuer Maschinen und Systeme deutlich beschleunigt, und der Datenaustausch wird vereinfacht. UMATI verfolgt dabei einen branchenübergreifenden Ansatz, um eine einheitliche und spezifische Datendefinition für den Maschinenbau zu etablieren.
Mit UMATI sollen Maschinen- und Anlagenhersteller optimal auf die Anforderungen der Industrie 4.0 vorbereitet werden, indem sie ihre Produkte einfach, flexibel und interoperabel in digitale Ökosysteme integrieren können.
Im zweiten Teil der Beitragsreihe schauen wir uns noch die Protokolle MTConnect und DNP3 an.