Warum OPC UA und nicht einfach nur MQTT für IIoT und Industrie 4.0 Lösungen?

"Letzlich sind Implementierungen mit MQTT anfangs deutlich günstiger und teils schneller erledigt." So oder ähnlich wird gerne argumentiert. Doch ist es dann nicht doch am Ende teurer, wenn jede Anpassung wieder einen Mehraufwand bedeutet und alle Beteiligten erneut ins Meeting zur Abstimmung der Datenmodell und Schnittstellen gerufen werden müssen? Beleuchten wir diesen Punkt einmal aus unserer persönlichen Perspektive im direkten Vergleich zwischen MQTT und OPC UA und was beide gemeinsam für ein gutes Team für eine Schrittweise Transformation bilden können.

 

OPC UA macht IIoT besser

Wie es Isao Hirooka in der aktuellen Ausgabe der InTech 2022-02 (ISA) beschreibt, ermöglicht OPC UA eine Reihe von fertigen Schnittstellen zwischen Industriepartnern. Die durch OPC UA spezifizierten Informationsmodelle bilden den Mehrwert für diese Schnittstellen. Jeder Teilnehmer im Netzwerk kann sich informieren und wenn sich alle an die geltenden Spezifikationen halten, dann können die Programm, Geräte und Entwickler ohne ein weiteres Dokument zu wechseln schon eine Menge erreichen und umsetzen.

 

Der "Digitaler Zwilling" gehört zum IIoT

Inbetriebnahmen werden digital möglich und der erste Test der Anlage zwischen SPS und PC braucht noch maximal einige kleine Anpassungen für die mechanischen Lücken der neuen Prozess-Steuerung, welche nicht physikalisch in der zuvor genutzten Simulation umsetzbar waren. "Digitaler Zwilling" als neuer Teil im IIoT ermöglicht den gesamten Lebenszyklus von der Idee bis zur Inbetriebnahme und wieder zurück zur Entwicklung mit den Lücken der echten Welt im "Gepäck", um diese für immer zu schließen. Daraus entsteht eine sehr stabile Integration, sodass unsere Kunden auch ohne eine SPS oder ein Stück Blech schonn mal testen können, wie die Anlage laufen würde.

 

Das Informationsmodell

Ja, dieses Wort klingt für viele sehr abstrakt und nicht jeder findet dazu eine genaue Vorstellung, bevor man es nicht einmal selbst gesehen und am Beispiel erklärt bekommt. Sie können sich das Informationsmodell sehr genau mit Ihrem Datei-Explorer bzw. Dateimanager im Betriebssystem erklären. Es gibt Gruppierungen von Daten - die Ordner - in den Ordnern liegen weitere Ordner oder Dateien oder gepackte Daten als ZIP-Datei usw. und am besten haben alle Einträge in der Dateistruktur einen sprechenden Namen, damit wir auch nach länger Zeit wieder wissen, was genau wir hier abgelegt haben.

Dateien haben verschiedene Typen -EXE, JPG, ZIP, ISO - jeder Typ für sich, hat eine bestimmte Art, wie man diese Daten zu nutzen hat und wie das Lesen als auch Schreibvörgänge zu handhaben sind. Genau das was Ihr Dateisystem anbietet, bietet auch ein Informationsmodell in OPC UA an, inklusive einer fertigen Schnittstelle, um diese Daten aus dem Informationsmodell via Web-Technologien transportieren und ausgetauschen zu können.

Ob Video-Streams oder Bilder, Firmware oder Updates, ob Temperatur oder historischer Mittelwert pro Tag für einen Monat - OPC UA bietet eine Menge Datenstrukturen und Datentypen, die Sie bzw. der Integrator Ihrer Wahl "out of the box" nutzen können.

MQTT-Sparkplug geht nicht ganz so weit wie OPC UA, dennoch ist Sparkplug eine sehr wichtige Erweiterung, die Sie für Ihre MQTT-Lösungen fordern sollten. Auch hier wird wie bei OPC UA eine erkundbare Datenstruktur als Hierarchie angelegt, welche aus unserer Sicht sehr sinvoll und wichtig für KI-Anwendungen und Cloud-Dienste ist. Konfigurieren statt programmieren ist dabei das Motto und das spart eine Menge Zeit und Kosten auf lange Sicht.

 

IIoT und Spezifikationen

Die Spezifikationen von OPC UA und MQTT-Sparkplug sind sicherlich "Fluch und Segen zugleich", aber wir sind uns sehr sicher, dass jeder vom jeweiligen Fach am Ende feststellen wird, dass auch seine Daten, unter Nutzung der Spezifikationen seines Fachgebietes, gut oder sogar besser zu organisieren sind. Schließlich haben ein paar schlaue Leute vom Fach es bereits für richtig und wichtig befunden. Das ist - aus eigener Erfahrung - eine Menge Zeit von Fachleuten, die man im Grunde "geschenkt" bekommt. Sollte doch die Lücke für Ihren Anwendungsfall zu groß sein, dann kann sich jeder mit einbringen und die Spezifikationen sinnvoll mit den jeweiligen Arbeitsgruppen erweitern.

 

MQTT macht alles einfacher

Gut, klingt alles schon ganz nett. Doch warum nicht einfach MQTT und Datenstrukturen in JSON. Zuerst sei kurz erwähnt, dass sich MQTT und OPC UA jeweils gut ergänzen und nicht gegenseitig ausschließen. Zusammen bilden sie für uns persönlich ein "Dream-Team". Denn auch wenn wir bevorzugt OPC UA einsetzen, sind wir immer auch mit MQTT-Brokern in Verbindung. Denn OPC UA ist nicht nur ein Protokoll wie es MQTT ist. OPC UA ist eine Web-Technologie, welche Protokolle wie HTTP und MQTT anbindet. Sollte morgen das neue QIC oder TSN für die Industrie wichtig werden, dann bin ich mir sehr sicher, dass Sie diese Anbindung mit OPC UA bekommen werden und im besten Fall wieder "out of the box" einfach mit der nächsten Version und ein wenig Konfigurationsaufwand.

 

Nachteil für IIoT

Den größte Nachteil sehen wir für Sie, wenn Sie nur rein MQTT einsetzen wollen und es dann später komplexer wird oder die Ansprüche steigen. Es wird dann viel diskutiert und ausprobiert, was in den Arbeitgruppen schon längst erledigt ist und Sie tragen die Kosten dafür das sich Techniker und Programmierer über die näcshte "gute" Lösung nochmal den Kopf zerbrechen. Zeitlich kann Sie das stark zurückwerfen und Ihre Wettbewerbsfähigkeit mindern. Das kann dann auch gerne mal jedes Jahr mit jeder Anpassung der Fall sein und schon wird es teuer und vielleicht sogar teurer als wenn Sie auf OPC UA und MQTT gemeinsam gesetzt hätten.

 

IIoT braucht LTS

Besonders in der Industrie sollten Sie auf Sparkplug für MQTT bestehen. Die OPC UA Modell-Spezifikationen können auch im JSON-Format via MQTT von der ersten Umsetzung an genutzt werden. Dazu braucht es nicht zwingend OPC UA. Das erleichtert die spätere schrittweise Einbindung bzw. Anbindung von OPC UA und MQTT Lösungen. Zusätzlich können Sie die Spezifikationen nutzen, um später kompatibel zu neuen Lösungen zu sein, denn für OPC UA wird immer ein Blick auf den "Long-Term-Support" (LTS) gelegt. Sie wollen Ihre Lösungen schließlich etwas länger nutzen können und die Industrie braucht LTS Lösungen für den Return-of-Invest (RoI)

 

MQTT-Sparkplug und OPC UA nutzen

Aus unserer persönlichen Erfahrung mit OPC UA und MQTT - je besser beides im Blick der Integration ist, desto mehr Kosten sparen Sie. Die anfängliche Ersparnis bei MQTT und JSON Integrationen kann Sie recht schnell zur kompletten Neuentwicklung treiben oder ständige Integrationsarbeiten und Support notwendig machen, was am Ende eine Menge Kosten verursachen kann. Es gibt in der Industrie bestimmte Anforderungen an Laufzeitsicherheit, Software und Hardware. Denn ein Stillstand kostet oft mehr als eine gute Integration mit passender Fehlertoleranzbehandlung.

 

Kosten und Lizenzen

Wir können unseren Kunden OPC UA Lösungen anbieten und bauen, ohne das sie Mitglied der OPC Foundation werden müssen oder jährliche Beiträge fällig werden. Mit uns gehen Sie den Weg etwas leichter, denn wir haben ein gutes Jahrzehnt Erfahrungen mit der Programmierung für die Industrie unter der Nutzung von OPC, OPC UA und MQTT.

 

Releases, Updates und Container

Wir setzen bei der Softwareentwicklung auf C# .NET 6.x oder 3.1 Core dotnet. Sie erhalten bei uns plattformunabhängige Software und wenn möglich direkt im Container. Weiter haben Sie die Wahl, denn wir bieten auch NodeJS und Rust zur Programmierung Ihrer Lösungen an, wenn Sie das wünschen sind wir in diesem Punkt sehr flexibel.

Container sparen Installationsaufwand und machen es möglich das Risiko bei Inbetriebnahmen und Anpassungen zu mindern. Sollte der neue Teil der Anlage noch mechanische Fehler aufweisen, dann schalten wir einfach den Container der letzen laufenden Version wieder ein und weiter geht es. Ist der Stand verbessert, dann kann der neueste Container wieder aktiviert werden und sie können einen neuen mechanischen Versuch starten.

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