MQTT vs OPC UA: przesyłanie danych maszyn do systemów IT

Większość projektów automatyki prędzej czy później wymaga przekazania danych z maszyn poza sieć sterowania: do serwera SCADA, systemu MES, bazy danych lub platformy chmurowej. Do tego zadania dominują dwa protokoły. Ten artykuł porównuje MQTT i OPC UA w praktycznym ujęciu: jak każdy z nich komunikuje się, jak opisywane i zabezpieczane są dane oraz jakie systemy zazwyczaj je odbierają. Na końcu znajduje się przegląd urządzeń ICP DAS obsługujących jeden lub oba protokoły.

Dwa różne modele komunikacji

MQTT to protokół publish/subscribe. Urządzenia łączą się jako klienci z centralnym brokerem i publikują wiadomości w tematach, takich jak site1/line2/press4/temperature. Aplikacje subskrybujące dany temat otrzymują jego wiadomości. Wydawcy i subskrybenci nie muszą znać się nawzajem. Domyślne porty to 1883 dla zwykłego TCP oraz 8883 dla MQTT przez TLS.

OPC UA wykorzystywane jest przede wszystkim w modelu klient/serwer. Urządzenie lub bramka uruchamia serwer OPC UA, a klient, na przykład system SCADA, łączy się z nim, przegląda przestrzeń adresową, odczytuje i zapisuje wartości oraz subskrybuje zmiany. Domyślny port to 4840. Specyfikacja definiuje też tryb publish/subscribe, ale większość zainstalowanych serwerów i klientów pracuje w modelu klient/serwer.

Ma to znaczenie dla projektu sieci. W przypadku MQTT to urządzenie terenowe nawiązuje połączenie, co odpowiada lokalizacjom za NAT lub zaporą, która przepuszcza tylko ruch wychodzący. W modelu klient/serwer OPC UA klient musi mieć dostęp do serwera, dlatego oba elementy zwykle znajdują się w tej samej sieci albo są połączone przez VPN.

Model informacji a ładunek wiadomości

MQTT przesyła bajty. Protokół nie określa, co zawiera wiadomość, więc strukturę tematów, format ładunku (często JSON), jednostki i znaczniki czasu trzeba uzgodnić między nadawcą a odbiorcą. Konwencje takie jak Sparkplug B dodają zdefiniowany ładunek, ale tylko wtedy, gdy obie strony je obsługują.

OPC UA zawiera model informacji. Każda wartość jest węzłem z typem danych, znacznikiem czasu, kodem statusu i opcjonalnymi atrybutami, takimi jak jednostka inżynierska czy opis. Klient może przeglądać serwer, aby sprawdzić, co jest dostępne, bez osobnej listy rejestrów.

W praktyce MQTT jest szybki w konfiguracji i elastyczny, ale dokumentowanie tematów i ładunków spoczywa na tobie. OPC UA wymaga bardziej rozbudowanej konfiguracji po obu stronach, za to dane same opisują siebie.

Bezpieczeństwo

MQTT opiera szyfrowanie na TLS, uwierzytelnianie na nazwie użytkownika i haśle lub certyfikatach klienta, a kontrolę dostępu na regułach brokera, które określają, kto może publikować lub subskrybować poszczególne tematy. OPC UA ma zabezpieczenia wbudowane w protokół: certyfikaty aplikacji, tryby bezpieczeństwa None, Sign i SignAndEncrypt oraz uwierzytelnianie użytkownika. W obu przypadkach ochrona działa tylko wtedy, gdy zostanie skonfigurowana. Broker na porcie 1883 bez uwierzytelniania albo punkt końcowy OPC UA z trybem bezpieczeństwa None jest otwarty dla każdego, kto ma do niego dostęp.

MQTT vs OPC UA w skrócie

Wybór dla twojego projektu

• Wybierz MQTT, gdy wiele rozproszonych urządzeń wysyła dane do centralnego lub chmurowego systemu, gdy lokalizacje łączą się przez 4G lub Internet albo gdy dział IT już utrzymuje broker.
• Wybierz OPC UA, gdy SCADA, MES lub historyk w sieci zakładowej ma odczytywać uporządkowane dane za pomocą swojego klienta OPC UA.
• Użyj obu, gdy te same dane są potrzebne na hali produkcyjnej i w IT. Serwer komunikacyjny może udostępniać OPC UA dla SCADA i jednocześnie publikować te same wartości do brokera.

Przed wyborem sprzętu terenowego sprawdź, co obsługuje system odbiorczy. To zwykle on determinuje protokół.

Urządzenia ICP DAS z MQTT i OPC UA

Oba protokoły w jednym urządzeniu

Serwery komunikacyjne serii UA (UA-2241M, UA-2841M, UA-5231M i UA-7231M) odczytują dane przez Modbus TCP, Modbus RTU/ASCII, MQTT i EtherNet/IP, a jednocześnie udostępniają je przez serwer OPC UA, MQTT i SNMP. Zawierają broker MQTT, zapisują dane do baz takich jak MS SQL, MySQL i MariaDB z odzyskiwaniem danych po awarii, a także obsługują HTTPS, klienta OpenVPN i listy dozwolonych adresów IP.

Moduły I/O ICP DAS z OPC UA, takie jak U-7526M (AI, AO, DI i DO) oraz U-7544M (8 DI i 8 DO), łączą wbudowane wejścia i wyjścia z serwerem i klientem OPC UA, klientem MQTT oraz interfejsem RESTful API, które mogą działać równocześnie. Mają dwuportowy przełącznik Ethernet, mogą być zasilane przez PoE i obsługują reguły IF-THEN-ELSE.

MQTT na poziomie urządzeń

• Sterowniki brzegowe WISE, takie jak WISE-5231M i WISE-2841M: klient MQTT z publikowaniem, subskrypcją i SSL, a także Modbus TCP/RTU i SNMP.
• Moduły I/O WISE-75xxM, takie jak WISE-7526M: klient MQTT (bez SSL) i Modbus TCP.
• Moduły Ethernet I/O ET-2200, takie jak ET-2217: publikują stan wejść i wyjść, subskrybują tematy i automatycznie wznawiają połączenie.
• Moduły I/O z cyberbezpieczeństwem ETS-7200, takie jak ETS-7255: MQTT z opcjonalnym TLS, Modbus TCP/TLS i HTTPS.
• Moduły MQ-7200M, takie jak MQ-7244M: MQTT 3.1 i Modbus TCP.
• Rejestratory danych CL-200, takie jak CL-202-E do pomiaru CO2, temperatury i wilgotności: Modbus TCP i MQTT przez Ethernet.

Po stronie odbiorczej BRK-2841M to dedykowany broker MQTT obsługujący MQTT 3.1, 3.1.1 i 5.0 z QoS, wiadomościami retained, last will, uwierzytelnianiem, szyfrowaniem i mostkowaniem. Zapisuje dane do baz takich jak MySQL i buforuje je na microSD podczas przerw w łączności.

OPC UA w sterownikach

PAC z Win-GRAF, takie jak XP-9188-IoT i RPAC-2658M, uruchamiają programy zgodne z IEC 61131-3 i zawierają serwer OPC UA, dzięki czemu sterowanie i dostęp do danych są obsługiwane w jednym urządzeniu.

Prześlij nam opis swoich źródeł danych i systemu odbiorczego, a nasz dział sprzedaży technicznej zaproponuje odpowiednie rozwiązanie.