Kommunikationsstandards in IoT und IIoT

Zur nahtlosen Kommunikation von Applikationen, Geräten und Maschinen untereinander und mit IT-Systemen in Unternehmen, ist eine einheitliche Verständigungsgrundlage erforderlich – ein Aspekt sind Kommunikationsstandards. Die beiden wichtigsten in diesem Zusammenhang sind OPC UA und MQTT. Wie funktionieren diese IoT-Standards und wie werden sie eingesetzt? Dieser Teil unserer IIoT- und Industrie 4.0-Serie bietet einen Überblick über diese beiden gängigsten Standards für den Informationsaustausch.

Was ist IIoT und Industrie 4.0? – Möchten Sie sich zunächst über die Basics informieren? Dann lesen Sie unsere Einführung zum Themenblock rund um das (industrielle) Internet der Dinge. Beispiele aus der Praxis, die veranschaulichen, wie Produktions- und Geschäftsabläufe durch IIoT und Industrie 4.0 optimiert werden können, haben wir in einem weiteren Beitrag für Sie zusammengestellt und außerdem berichten wir über die Herausforderungen, vor denen Unternehmen stehen, die IIoT und Industrie 4.0 umsetzen möchten. Dieser Text nimmt zwei der wichtigsten Kommunikationsstandards für (I)IoT ins Blickfeld.

Standards für die sichere Kommunikation im IoT und IIoT (Industrie 4.0)

Im (industriellen) Internet der Dinge werden physische Systeme wie industrielle Anlagen, Maschinen, Sensoren, mobile Endgeräte und Applikationen mit der virtuellen Welt vernetzt.

• Die Digitalisierung der Produktion ermöglicht die Nutzung der durch die Maschinen generierten Daten entlang der kompletten Wertschöpfungskette.
• In Smart Homes messen Sensoren Zustandsinformationen, wie beispielsweise Raumtemperatur, Helligkeit oder Luftfeuchtigkeit, und senden diese Informationen an mobile Endgeräte, von wo aus wiederum Steuerungsbefehle zurückgeschickt werden können.
• Auf dem Weg zum autonomen Fahren interagieren Connected Cars miteinander, mit Backend-Infrastrukturen oder über die Cloud.

Die Voraussetzung, dass alle in diesen beispielhaft genannten digitalen Ökosystemen vernetzten Komponenten miteinander kommunizieren können, ist eine semantische Beschreibung von Maschinen, Sensoren, Geräten und Produktionsanlagen. Bestandssysteme stellen in diesem Zusammenhang eine besondere Herausforderung dar. Sie sind meist sehr heterogen, oft ganz individuell für einen bestimmten Einsatz konzipiert, wofür nicht selten Komponenten von mehreren verschiedenen Herstellern verwendet wurden. Hierfür müssen Kommunikationsprotokolle definiert und verwendet werden, die branchenneutral und hardwareunabhängig arbeiten. Nur so kann eine Verständigung zwischen Hardware, Software und Maschinen vom Shop Floor bis zum Top Floor (ERP-Software), vom Microchip bis zum Smartphone, gewährleistet werden. Dies macht eine einheitliche „Sprache“ erforderlich, die als Übersetzer zwischen all diesen Systemen fungiert – die sogenannten Standards.

MQTT und OPC UA – Standards für ganz unterschiedliche Einsätze

Als die sich am erfolgreichsten verbreiteten Standards für Kommunikation im IoT/IIoT haben sich MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) und OPC UA (Unified Architecture) entwickelt.

MQTT – die effiziente M2M-Kommunikation im (I)IoT

MQTT ist eine ereignisgesteuerte Publish/Subscribe-Architektur. Die Verbindung zwischen den Geräten erfolgt nicht direkt (Ende-zu-Ende), sondern über einen zentralen Server (Broker), zu welchem sich Sender und Empfänger von Daten jeweils verbinden. Da der Broker den Zustand aller angebundenen Geräte permanent vorhält, eignet sich dieses sehr leichtgewichtige und einfach zu implementierende Protokoll besonders für die Verbindung über große Distanzen und unzuverlässige Netzwerke.  1999 ursprünglich für die Satellitenkommunikation entwickelt, ist MQTT heute beispielsweise sehr gut für den Einsatz mit Mikroprozessoren für die Übermittlung von Temperaturdaten in Smart Home-Systemen oder für das Senden und Empfangen von Nachrichten von Messaging-Diensten geeignet. Dabei enthält jede der vom Client versendeten Nachrichten die gesamten Nutzdaten sowie ein sogenanntes „Topic“. Diese sind von der Syntax her wie eine Ordnerstruktur aufgebaut (Bsp: EG/Wintergarten/Luftfeuchtigkeitssensor/Luftfeuchtigkeit) und können eben je nach „Topic“ vom Client beim Broker abonniert werden. Der Nutzer wird beim Eintreffen neuer Nachrichten zu diesem Topic entsprechend vom Broker informiert. Dabei können verschiedene Quality-of-Service-Level definiert werden.

MQTT Quality-of-Service-Level (QoS):

Die QoS stellen sicher, dass seine gesendete Nachricht den Empfänger erreicht. Hierfür wurden drei unterschiedliche QoS definiert, mit denen eine Nachricht gesendet werden kann:

• At most once (0): eine Nachricht wird maximal einmal geliefert, egal ob der Empfänger den Erhalt bestätigt, oder nicht.
• At least once (1): eine Nachricht wird mindestens einmal geliefert. Wird keine Empfangsbestätigung gesendet, muss der Sender die Nachricht erneut schicken.
• Exactly one (2): eine Nachricht wird exakt einmal geliefert. Damit dies garantiert werden kann, verwendet MQTT eine zweistufige Empfangsbestätigung.

Weitere Features, die die Art und Weise definieren, wie Nachrichten zu einem bestimmten Topic durch den Client beim Broker hinterlegt und durch den Subscriber von dort abgerufen werden können, sind sogenannte Retained Messages, Last Will and Testament oder Persistent Sessions.

Als sehr einfach zu benutzendes und ressourcenschonendes Protokoll hat sich MQTT als Standardprotokoll insbesondere für die IoT-Kommunikation entwickelt und ist Basis vieler IoT-Applikationen, etwa für das Condition Monitoring.

OPC UA – für den sicheren plattformunabhängigen Datenaustausch

Das Acronym OPC UA steht für Open Platform Communications United Architecture. Dieser Standard ermöglicht die standardisierte und sichere industrielle Kommunikation von Maschine-zu-Maschine oder PC-zu-Maschine und weiterer Systeme. Das oberste Ziel von OPC UA ist Plattformunabhängigkeit und Interoperabilität, eine Kernanforderung der Industrie 4.0.

OPC UA ist dabei als Framework zu sehen, welches eigene Informationsmodelle in den sogenannten Companion Specifications veröffentlicht. Von Fachgremien erarbeitet, werden diese für branchenspezifische Anwendungen und Objekte für gleichartige Maschinen und Systeme standardisiert.

Durch die Bereitstellung einfacher Schnittstellen und der Beschreibung der Semantik innerhalb der Nachrichten wird die Interoperabilität gewährleistet, denn das einheitliche Format, die definierte Struktur und das gemeinsame Vokabular ermöglichen es den Anwendungen im OPC UA-Umfeld, die Nachrichten zu verstehen. Die Daten werden über einen OPC Server im Netzwerk bereitgestellt. Dieser ist mit dem OPC Client verbunden, von dem die Daten ausgelesen werden.

Damit OPC UA als Standard für IIoT-Anwendungen für die Kommunikation im Kontext von Industrie 4.0 eingesetzt werden kann, ist ein auf dem Internet Protokoll (IP) basierendes Netzwerk erforderlich. Dies setzt voraus, dass der Zugriff auf Daten und Dienste der Maschinen allen Aspekten der IT-Sicherheit entspricht. OPC UA verfügt über bereits im Standard verankerte Sicherheitsmerkmale und IT-Mechanismen zur Authentifizierung, Signierung und Verschlüsselung. Er ist daher nicht nur für die Anbindung von Maschinendatenströmen innerhalb geschlossener Netzwerke geeignet, sondern von einzelnen Maschinen oder etwa aus der Produktion bis hin zu neuen digitalen Services über IoT-Plattformen.

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