Maschinenanbindung mittels MQTT

In der heutigen Zeit wird in vielen Bereichen produzierender Unternehmen von Industrie 4.0 gesprochen. Der Begriff beschreibt die Vernetzung aller Objekte (beispielsweise Produktionsmaschinen) untereinander und zum Menschen (Reschke 2016). So müssen beispielsweise die Daten von Produktionsmaschinen an ein Manufacturing Execution System (MES) übertragen werden, sodass die Produktion überwacht, geplant und gesteuert werden kann. Um diese Aufgabe, die Vernetzung voranzutreiben, bewältigen zu können, sind Strukturen notwendig, die leicht und flächendeckend einsetzbar sind.

Grundlagen des MQTT-Protokolls

Eine dieser Möglichkeiten, Maschinenanbindung in einem Unternehmen umzusetzen, stellt das MQTT-Protokoll dar. MQTT steht für Message Queuing Telemetry Transport und ist ein Netzwerkprotokoll, welches Datenübertragung ermöglicht. Dabei ist das Protokoll, wie in Abbildung 1 dargestellt, in einer sogenannten Publish/Subscribe-Architektur aufgebaut.

Abbildung 1: Publish/Subscribe-Architektur von MQTT. (Eigene Darstellung in Anlehnung an MQTT: Der Standard für IoT-Messaging (2020))

Das Grundprinzip der Publish/Subscribe-Architektur ist es, dass ein MQTT-Broker mit verschiedenen MQTT-Clients kommuniziert, die in Publisher und Subscriber unterteilt werden. Während ein Publisher eine Nachricht mit einem beliebigen Inhalt an zu einem definierten Topic an den MQTT-Broker sendet, kann ein Subscriber die aktuellste Nachricht zu einem bestimmten Topic beim Broker abfragen. Die Publisher und die Subscriber sind dabei entkoppelt, da nur der Broker die Subscriber kennt. Diese Subscriber können sich außerdem in ihrer Art unterscheiden. So können beispielsweise mobile Endgeräte oder Websites Daten bei einem Broker erhalten. (Wendzel 2021)

Im Beispiel aus Abbildung 1 wird der Publisher durch einen Sensor repräsentiert, der den Wert „12345“ unter dem Topic „Sensorwert XY“ an den Broker sendet. Die Subscriber sind im Beispiel auf der einen Seite ein mobiles Endgerät und auf der anderen Seite eine Website, die jeweils den aktuellen Wert auf Anfrage vom Broker erhalten, der unter dem Topic „Sensorwert XY“ hinterlegt ist.

Eine weitere Möglichkeit, die das MQTT-Protokoll bietet, ist das Versehen von Nachrichten mit einem bestimmten Quality of Service Level (QoS). Hierbei kann zwischen drei Leveln unterschieden werden. Bei Level 0  handelt es sich um das sogenannte Fire & Forget-Prinzip, d.h. eine Nachricht wird nach dem Absenden vergessen und hat somit keine Zustellgarantie. Anders ist dies, wenn eine Nachricht mit den QoS Leveln 1 oder 2 versehen ist, da der Sender eine Empfangsbestätigung erwartet und somit die Zustellung gewährleistet werden kann. Der Unterschied zwischen diesen beiden Leveln liegt lediglich darin, dass bei einem QoS Level 1 Duplikate einer Nachricht vorkommen können, während bei QoS Level 2 garantiert ist, dass eine Nachricht nur exakt einmal beim Empfänger ankommt. Zu Berücksichtigen ist allerdings, dass bei höheren QoS-Leveln die Übertragungsgeschwindigkeit der Nachrichten sinkt, da mehrere Datenpakete zur Überwachung des Datenflusses ausgetauscht werden müssen. Dies kann vor allem bei der Übertragung von Live-Daten problematisch sein. (Maritsch et al. 2015)

Für eine Anbindung von Maschinen über MQTT ist darüber hinaus wichtig, den Ausfall von angebundenen Geräten detektieren zu können. Hierfür ist es möglich, dass Clients ihren Nachrichten einen sogenannten „Last Will“ (deutsch: Letzter Wille) beifügen, der vom Broker angezeigt wird, wenn die Verbindung zum Client nicht ordnungsgemäß getrennt wird. Ein Ausfall eines Clients im System ist somit in Echtzeit zu überwachen. (Maritsch et al. 2015)

Praxisbeispiele für Maschinenanbindung an ein MES mit MQTT

Aufgrund der vielfältigen Einsatzmöglichkeiten und der schnellen Umsetzbarkeit, wird MQTT vermehrt zur Maschinenanbindung an Produktionsmanagementsysteme verwendet. Beispiele für Unternehmen, die das MQTT-Protokoll für diese Anwendung nutzen, sind die Cybus GmbH aus Hamburg oder die ATR Software GmbH aus Ulm.

Die Cybus GmbH bietet mit Ihrem Produkt „Cybus Connectware“ an, verschiedene Daten aus verschiedenen Übertragungsprotokollen zu verarbeiten und an verschiedene Endgeräte weiterzugeben. Dabei gewährleistet das System die Trennung sensibler, produktionsrelevanter Netzwerke von anderen internen und externen IT-Umgebungen. Aus diesem Grund werden die Daten, die über das MQTT-Protokoll bereitgestellt werden sollen, über eine verschlüsselte API empfangen und nur an vom Nutzer freigegebene Netzwerke und Geräte bereitgestellt. So können beispielsweise Daten an ein MES übergeben werden. Neben dem MQTT-Protokoll, welches Vorteile durch die starke Standardisierung hat, bietet die „Cybus Connectware“ auch verschiedene andere Schnittstellen an, um möglichst viele Maschinensteuerungen zu unterstützen. Ziel des Unternehmens ist es, eine vollständige Konnektivität in einem Industrieunternehmen zu ermöglichen. (Cybus Connectware 2021)

Im Gegensatz zur Cybus GmbH setzt die ATR Software GmbH verstärkt auf OPC-UA als Übertragunsprotokoll um Maschinen in Industrieunternehmen an bestehende Software anzubinden und Daten zu übertragen. OPC-UA bietet den Vorteil, dass große Datenmengen in einem hierarchischen Objektmodell übertragen werden können. Trotzdem bietet das Unternehmen auch die Maschinenanbindung mittels MQTT an, da das Protokoll vor allem durch seine leichte Verständlichkeit überzeugen kann. Auch hier spielt die starke Standardisierung eine Rolle. Die ATR Software GmbH wirbt ebenfalls damit, eine vollständige Vernetzung in Unternehmen und somit auch Industrie 4.0 zu ermöglichen. (Mit vernetzten Technologien zur Industrie 4.0 2021)

Fazit

Auch, wenn es nur mithilfe verschiedener Technologien im Verbund möglich ist, die vollständige Vernetzung von Industrieunternehmen voranzutreiben und somit auch flächendeckend Standards beim Thema Industrie 4.0 zu schaffen, kann das MQTT-Protokoll ein Schlüssel auf dem Weg sein, Maschinen an bestehende Software anzubinden. Vorteilhaft sind hierbei vor allem die leichte Verständlichkeit und die geringen Hürden zur Anwendung, da bereits einige Lösungen am Markt verfügbar sind. Somit ist es beispielsweise möglich, Daten von Maschinensteuerungen mittels MQTT an ein MES zu übermitteln und ein ganzheitliches Produktionsmanagement zu gewährleisten. Die Vorteile die sich daraus ergeben bieten Chancen für Industrieunternehmen in einer Welt der wachsenden Digitalisierung am Markt bestehen zu können.

Quellen

Cybus Connectware (2021). Online verfügbar unter: https://www.cybus.io/, zuletzt geprüft am 18.11.2021

Maritsch, Martin; Kittl, Christian; Ebner, Thomas (2015): Sichere Vernetzung von Geräten in Smart Factories mit MQTT. In: Mensch und Computer 2015, S. 217-224.

Mit vernetzten Technologien zur Industrie 4.0 (2021). Online verfügbar unter: https://www.atr-software.de/leistungen/opcua/, zuletzt geprüft am 18.11.2021

MQTT: Der Standard für IoT-Messaging (2020). Online verfügbar unter https://mqtt.org/, zuletzt geprüft am 14.11.2021

OPC-UA/MQTT (2021). Online verfügbar unter: https://www.atr-software.de/leistungen/opcua/, zuletzt geprüft am 18.11.2021

Reschke, Stefan (2016): Industrie 4.0 (Fraunhofer). Online verfügbar unter https://publica.fraunhofer.de/eprints/urn_nbn_de_0011-n-4319838.pdf, zuletzt geprüft am 14.11.2021.

Wendzel, Steffen (2021): IT-Sicherheit für TCP/IP- und IoT-Netzwerke. Online verfügbar unter https://link.springer.com/content/pdf/10.1007%2F978-3-658-33423-9.pdf, zuletzt geprüft am 14.11.2021