MQTT-Infrastruktur mit Sparkplug B im IIoT-Umfeld
Ein herkömmliches Scada-System im OPC-UA-Architekturbild interagiert immer direkt mit dem MQTT-Broker als spezifischem MQTT-Client. Der Broker ist dabei die zentrale Komponente. Er wird in einem Cluster, ausfallsicher und hochskalierbar betrieben und verfügt über Metrik-, Monitoring- und Alerting-Schnittstellen, damit alle beteiligten Systemkomponenten optimal überwacht werden können. In einer Sparkplug-Architektur hingegen verbinden sich Geräte, EoN-Knoten (End of Network) und der Scada/IIoT-Host mit einem zentralen MQTT-Broker und veröffentlichen und abonnieren Daten. Der Scada/IIoT-Host ist explizit nicht dafür verantwortlich, Verbindungen zu den Geräten direkt herzustellen oder aufrechtzuerhalten, sondern die EoN-Knoten verbinden Nicht-Sparkplug-/MQTT-fähige Geräte und Sensoren mit der Infrastruktur. Ein EoN-Knoten ist dabei für die Verwaltung seines eigenen Status sowie des Status der Geräte verantwortlich – und für den Empfang und das Senden von Daten der Geräte an die Sparkplug-Infrastruktur. Inzwischen bieten viele Hersteller native MQTT-Funktionen für ihre Geräte und Sensoren an. Ist das Gerät bereits mit Sparkplug ausgestattet, kann es direkt an der Infrastruktur teilnehmen. In diesem Fall identifiziert es sich als EoN-Knoten für die Sparkplug-Infrastruktur. Alle MQTT-Clients, insbesondere der Scada-Host und die IT-Applications, abonnieren bzw. setzen sich auf die Themenbereiche, von denen Informationen empfangen werden sollen. Dank der fest definierten Topic-Struktur und der Datenobjekte, weiß jeder MQTT-Client, wo und in welcher Form Informationen abgerufen werden können. Die MQTT-Clients sind zustandsbehaftet, so dass zu keiner Zeit ein Informationsverlust entsteht. Die jeweiligen Nachrichtentypen sind für bestimmte Informationen spezifiziert.
Fazit
Die Konzepte der MQTT-Spezifikation sind hervorragend geeignet für den Einsatz in der zunehmend digitalisierten Produktion. Ein wesentlicher Vorteil ist die Entkopplung der Daten durch den Einsatz einer zentralen Messaging-Komponente. MQTT ermöglicht sowohl die einfache Implementierung verschiedener Sicherheitsmechanismen sowie die Zustandsverwaltung der Clients und ist aufgrund seiner Eigenschaften wie Leichtgewichtigkeit und Geschwindigkeit ideal für den Echtzeitbetrieb von IIoT Infrastrukturen geeignet. Die Sparkplug-B-Spezifikation baut genau darauf auf: Sie gibt MQTT ein Framework, das in Anlehnung an die Anforderungen an IIoT-Systeme entwickelt wurde. Funktionalitäten wie Report by Exception, der Pub/Sub-Mechanismus, Session- und Statusmanagement sowie ein komprimierter Payload sorgen dabei für eine extreme Einsparung in puncto Netzwerkressourcen. Für den Einsatz von MQTT in Produktionsumgebungen gilt es, eine entsprechende Ontologie zu definieren, damit alle beteiligten Geräte und Anwendungen die Begriffe und die zwischen ihnen bestehenden Beziehungen im Themenraum kennen, verstehen und anwenden können. Das sorgt dafür, dass die gesendeten Informationen für die Komponenten der IT-Strukturen ohne weitere Metainformationen interpretierbar sind. Dieser Ansatz ermöglicht es Herstellern, Geräte schon mit dieser Spezifikation auszuliefern. Und nicht zuletzt ist es einfacher, Geräte in eine Architektur mit einer Nachrichten-orientierten Middleware – wie dem MQTT Broker – zu integrieren, als in eine Client-Server-Struktur.
