MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) wurde 1999 von Andy Stanford-Clark (IBM) und Arlen Nipper für die Fernüberwachung von Ölpipelines entwickelt – ein Anwendungsfall, der extremste Bandbreiteneffizienz bei unsicheren Verbindungen erforderte. Diese Herkunft erklärt, warum MQTT im IIoT dominiert: Es ist um ein Vielfaches ressourceneffizienter als OPC UA Client/Server und HTTP/REST.
Das Publish/Subscribe-Prinzip und Topic-Hierarchien
Im Gegensatz zu Client/Server-Protokollen kommunizieren bei MQTT Sender (Publisher) und Empfänger (Subscriber) nie direkt. Alle Nachrichten fließen über einen zentralen Broker. Publisher adressieren Nachrichten über hierarchische Topics, Subscriber abonnieren Topics mit Wildcard-Unterstützung:
Beispiel-Topic-Hierarchie für eine CNC-Fräse: werk/halle-a/maschine-007/spindel/drehzahl
Ein Subscriber mit dem Muster werk/halle-a/+/spindel/# empfängt automatisch alle Spindeldaten aller Maschinen in Halle A – ohne dass Publisher oder Subscriber voneinander wissen. Diese lose Kopplung ist der Schlüssel zur Skalierbarkeit.
QoS-Level: Garantierte Zustellung im Netzwerk
| QoS-Level | Semantik | Einsatz im Maschinenbau |
|---|---|---|
| QoS 0 | At most once – Fire and forget | Hochfrequente Sensordaten (Drehzahl, Temperatur), Verlust einzelner Werte tolerierbar |
| QoS 1 | At least once – Bestätigte Zustellung | Alarmmeldungen, OEE-Statusänderungen – kein Verlust erlaubt |
| QoS 2 | Exactly once – Genau einmal | Produktionszähler, Materialbewegungen – doppelte Zählung ist gefährlich |
Der Unified Namespace (UNS): MQTT als Rückgrat
Das Konzept des Unified Namespace (UNS), geprägt von Walker Reynolds, nutzt einen zentralen MQTT-Broker als einheitlichen Datenspeicher für alle Maschinendaten im Unternehmen. Alle Systeme – MES, SCADA, Cloud-Applikationen, KI-Modelle – sind Publisher oder Subscriber desselben Brokers. Der UNS ersetzt bilaterale Point-to-Point-Integrationen durch eine einzige, gut strukturierte Topic-Hierarchie.
Praxisbewährt hat sich die Kombination OPC UA (für die Maschinenanbindung mit Semantik) + MQTT (als Transport-Layer für den UNS): Das Edge Gateway exponiert OPC-UA-Server nach unten zur Maschine und publiziert normierte Datenpunkte als MQTT-Nachrichten nach oben in den Broker.
MQTT-Broker-Auswahl
Eclipse Mosquitto ist der Open-Source-Standard für Entwicklungszwecke und kleine Deployments (bis ~10.000 Clients). HiveMQ ist die führende Enterprise-Lösung für hochverfügbare, geclusterte Deployments mit offiziell geprüfter OT-Unterstützung und MQTT-Sparkplug-B-Kompabilität. EMQX bietet eine leistungsstarke Open-Source-Alternative mit sehr hohem Durchsatz. Alle drei unterstützen MQTT 3.1.1 und MQTT 5.0.
MQTT Sparkplug B: semantische Ergänzung
MQTT an sich ist semantisch leer – Topics und Payloads sind frei definierbar. MQTT Sparkplug B (Eclipse Foundation Specification) schreibt Topic-Namensräume und Payload-Kodierung (Protocol Buffers) für IIoT-Anwendungen vor und ergänzt MQTT um Geburtszertifikate (Birth Certificates) für automatische Geräteerkennung und definierte State-Machines für Gerätezustände. Sparkplug B ergänzt MQTT um ähnliche Semantik wie OPC UA – für ressourcenbeschränkte Geräte, die kein vollständiges OPC-UA-SDK laufen können.