OPC UA y MQTT, fieles compañeros de la transformación digital de la industria

La tecnología necesaria para comunicar dispositivos evoluciona al igual que aparecen nuevos dispositivos que habilitan el desarrollo de la llamada revolución IIoT. El número de alternativas de comunicación crece adaptando la oferta al tipo de aplicación a resolver. Desde los ya conocidos estándares de facto OPC UA y MQTT, hasta otras posibles alternativas más económicas o eficientes. Repasamos en el siguiente artículo el estado actual de desarrollo de todas estas opciones de comunicación inalámbrica.

PREGUNTAS

1. ¿Cómo están evolucionando OPC UA y MQTT para cubrir nuevas necesidades en escenarios IIoT?

2. ¿Cómo pueden utilizarse estos protocolos sobre redes de radiotelefonía móvil como 5G u otras similares?

3. ¿Existen otras alternativas a OPC UA y MQTT para IIoT?

4. ¿Cuáles son, de forma resumida, las ventajas e inconvenientes de estas alternativas?

1. Ambos protocolos siguen implementándose cada día más en escenarios IIoT, pero dependiendo de las características finales de la aplicación, tiene más sentido el uso de uno de ellos u otro. Por ejemplo, si la mayoría de los datos recogidos en la capa de campo van a transportarse a otras capas dentro del entorno de operación, predomina mayormente el protocolo OPC UA por su nivel de cifrado para la seguridad y porque permite una gran compatibilidad entre diferentes marcas con sistemas de visualización o SCADA.
 

En este aspecto, OPC UA se erige como el protocolo ideal para parchear y actualizar configuraciones de equipos en OT conforme a los últimos estándares de ciberseguridad. Una buena muestra es nuestro servicio en Phoenix Contact DaPM Device and Update Management, que es un software de descarga gratuita de gestión de equipos para actualizar firmware, software y certificados para equipos con un servidor OPC UA GDS integrado. 
 

MQTT es un protocolo más ligero y es mayormente utilizado como método ideal de envío de datos de la mayoría de gateways y pasarelas a las principales plataformas cloud del mercado como AWS, Microsoft Azure, Google Cloud, Proficloud, etc.
 

En todos los controladores de la serie PLCnext de Phoenix Contact es posible utilizar indistintamente ambos protocolos de forma flexible en función del deseo o uso requerido por el cliente, garantizando siempre la posibilidad de que con solo un mismo equipo se pueda servir como elemento ciberseguro de control, pero también como elemento ciberseguro EDGE que pueda interconectar con garantías OT e IT manejando cuando se requiere más el uso de la ligereza de MQTT o de la interoperabilidad y ciberseguridad de OPC UA.

2. Las redes 5G ofrecen alta velocidad y baja latencia, lo que permite la transmisión de datos en tiempo real. Por ejemplo, OPC UA puede aprovechar estas características para enviar y recibir datos de manera eficiente, mejorando la toma de decisiones y la automatización de procesos. Esto es algo que ya hacemos con algunas empresas que tienen instaladas redes privadas 5G con nuestros routers industriales e introducen incluso comunicaciones de bus de campo como PROFINET. Desde el punto de vista de la seguridad, OPC UA incorpora medidas de seguridad avanzadas y las redes 5G también tienen este cifrado. Esto garantiza que los datos transmitidos sean seguros y estén protegidos contra accesos no autorizados.
 

Como MQTT es un protocolo ligero y ha sido diseñado para funcionar en dispositivos con recursos limitados y en redes con ancho de banda reducido, se puede usar sobradamente con redes 5G mejorando muchísimo más aún la eficiencia de MQTT, permitiendo una mayor cantidad de dispositivos conectados y una mejor gestión de los datos. Por ejemplo, si existe una gran cantidad de nodos dispersos y transportamos datos a través de una infraestructura pública de radiotelefonía, el gran vencedor en este caso sería MQTT frente a OPC UA. Esto se empieza a implantar para aplicaciones de control de iluminación como hacemos en proyectos de Smart Cities, pero también con recopilación de datos de gran cantidad de nodos en aplicaciones de muchos consumidores eléctricos o estaciones remotas de bombeo de agua.

Se puede concluir que las redes 5G van bien para ambos protocolos pero que es importante considerar el número de nodos a comunicar entre sí, el volumen de datos y muy importante, si vamos a disponer del uso de nuestra infraestructura privada o usaríamos la infraestructura pública que tiene un ancho de banda variable y unos costes aplicados por el uso de datos.
 

3. Realmente, OPC UA y MQTT son los más usados hoy por hoy con diferencia, pero existen varios protocolos como AMQP, Lorawan, etc que también se usan en varios tipos de aplicaciones. Dependiendo de las características de cada uno puede tener más o menos sentido su uso en aplicaciones de diferentes sectores o ámbitos como Smart Cities o Smart Farming. 
 

Lo que tenemos claro desde Phoenix Contact, como fabricante de equipos de comunicación como pasarelas y PLC, es que tenemos que ofrecer a nuestros clientes equipos que puedan adaptarse de forma flexible a cada caso y que, el que hoy es el protocolo más usado mañana puede estar desfasado para otra aplicación, por eso tanto nuestros gateways como la tecnología PLCnext ofrecen la apertura suficiente para garantizar una adaptabilidad ilimitada desde el punto de vista de conexión entre OT e IT y ofrecemos la posibilidad de trabajar tanto con MQTT, OPC UA, como con otros protocolos ya mencionados o futuros.
 

4. En el caso de LoRaWAN disponemos de una conectividad muy buena de largo alcance, hasta 20km con un muy bajo consumo. Hablamos de equipos e infraestructura específica, aunque normalmente de coste bajo, sin embargo su tasa de datos de 50kbps y el límite de tamaño de los paquetes, en algunos casos, restringen su uso a cargas útiles pequeñas. Otro aspecto que para algunos casos es inconveniente es que su latencia es variable y esto lo hace inadecuado para aplicaciones donde necesitemos tiempo real. Además, requiere complementarse con protocolos de capa superior como es MQTT, pero su sinergia es ya a día de hoy bastante buena. Es principalmente usado como protocolo IIoT en agricultura inteligente y monitorización de infraestructuras remotas de alumbrado o de aguas.
 

Con respecto a AMQP (Advanced Message Queueing Protocol), es un protocolo robusto con algunas funcionalidades bastante avanzadas que ofrecen una solución más completa en enrutamiento dinámico, colas de mensajes y transacciones. Se diseñó principalmente para el ámbito bancario porque asegura la transferencia de datos con confirmaciones de recepción y mecanismos de persistencia. El principal inconveniente que le vemos los fabricantes es que implica un consumo superior de los recursos del HW (PLC o PC) y muchas veces esto lo hace menos adecuado para algunos dispositivos IIoT de baja potencia.

1. Ambos están evolucionando para satisfacer las crecientes demandas de la Industria 4.0 y el IIoT, de varias maneras:

• Interoperabilidad: reduciendo la complejidad de la integración y mejorando la eficiencia en la transmisión de datos.
• Estandarización de Modelos de Datos: ayuda a estandarizar los modelos de datos de diversas fuentes, permitiendo un análisis exhaustivo y la incorporación de telemetría en los procesos comerciales.
• Seguridad: a medida que la industria se vuelve más conectada, la seguridad de la información y sus fuentes se vuelve vital. OPC UA y MQTT proporcionan mecanismos para gestionar permisos, certificados, autenticar usuarios y cifrar datos. 
• Compatibilidad con la nube: la integración con soluciones en la nube permite conectar, gestionar y optimizar las diferentes soluciones de manera más eficiente.
• Simplicidad y escalabilidad: MQTT es un protocolo ligero y eficiente, ideal para dispositivos con limitaciones de recursos o ancho de banda. Su simplicidad y capacidad para operar en redes de baja potencia lo hacen muy adecuado para entornos IoT.

Ambos protocolos están desempeñando un papel crucial en la transformación digital de la industria, permitiendo una mayor eficiencia, seguridad y flexibilidad en los entornos de IioT.

2. Ambos protocolos pueden aprovechar las capacidades de las redes 5G, ofreciendo soluciones más robustas, seguras y eficientes para la automatización industrial y el IioT. Las redes 5G ofrecen una latencia extremadamente baja y una alta fiabilidad, lo cual es crucial para aplicaciones industriales que requieren respuestas en tiempo real. Además, el 5G permite la comunicación inalámbrica de alta velocidad, lo que es ideal para aplicaciones móviles como robots colaborativos y vehículos autónomos en entornos industriales.

3. Existen alternativas como HTTP/HTTPS, AMQP, CoAP o DDS; cada uno de estos protocolos tiene sus propias fortalezas y es adecuado para diferentes tipos de aplicaciones y entornos. La elección del protocolo adecuado dependerá de los requisitos específicos de tu aplicación, como la latencia, la fiabilidad, la seguridad y la eficiencia. Bien es cierto que OPC UA y MQTT son ahora mismo los más utilizados con diferencia.

4. HTTP/HTTPS

Ventajas: 

• Integración: muy utilizado y compatible con una gran variedad de dispositivos y plataformas.
• Seguridad: HTTPS proporciona cifrado y autenticación, garantizando la seguridad de los datos.
• Simplicidad: fácil de implementar y utilizar, especialmente para desarrolladores web.

Inconvenientes:

• Consumo de recursos: puede ser pesado en términos de consumo de ancho de banda y energía.
• Latencia: no es ideal para aplicaciones en tiempo real debido a su mayor latencia.

AMQP (Advanced Message Queuing Protocol)

Ventajas:

• Fiabilidad: ofrece características avanzadas de mensajería, como transacciones y enrutamiento flexible.
• Seguridad: proporciona mecanismos robustos de seguridad y autenticación.

Inconvenientes:

• Complejidad: más complejo de implementar y gestionar en comparación con otros protocolos.
• Consumo de recursos: puede ser más pesado en términos de uso de recursos.

CoAP (Constrained Application Protocol)

Ventajas:

• Ligereza: diseñado para dispositivos con recursos limitados, minimizando el consumo de energía y ancho de banda.
• Modelo RESTful: utiliza un modelo similar a HTTP, facilitando la integración con servicios web.

Inconvenientes:

• Fiabilidad: utiliza UDP, lo que puede resultar en una menor fiabilidad en comparación con TCP.
• Seguridad: aunque puede utilizar DTLS, la implementación de seguridad puede ser más compleja.

DDS (Data Distribution Service)

Ventajas:

• Descentralización: no requiere un intermediario centralizado, permitiendo la comunicación directa entre nodos.
• Tiempo Real: ideal para aplicaciones que requieren comunicación en tiempo real y alta disponibilidad.

Inconvenientes:

• Complejidad: puede ser complejo de implementar y gestionar.
• Consumo de recursos: puede ser más pesado en términos de uso de recursos en comparación con otros protocolos.

1. OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture) y MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) han evolucionado para satisfacer las crecientes demandas del sector industrial, proporcionando soluciones más eficientes, escalables y seguras.
 

• OPC UA ha incorporado avances significativos, como el modelo Publisher/Subscriber (Pub/Sub), que permite una comunicación más flexible y eficiente, especialmente en aplicaciones que requieren interacción en tiempo real entre dispositivos distribuidos. Además, ha mejorado sus capacidades de seguridad e interoperabilidad, convirtiéndose en un protocolo ideal para entornos industriales. La solución OPC UA Pub/Sub de Beckhoff puede utilizar MQTT o UDP como canal de transmisión, según los requisitos de la aplicación:

◦ MQTT es ideal cuando se necesita comunicar dispositivos con un bróker aguas arriba, que actúa como intermediario entre los participantes.

◦ UDP es más adecuado para la comunicación horizontal directa dentro de la planta.
 

• MQTT, por su parte, ha evolucionado con la versión 5.0, que introduce mejoras como códigos de razón, suscripciones compartidas y alias de temas, optimizando la gestión de errores y la escalabilidad de la comunicación. Dado su sencillez y bajo peso de datos, es especialmente útil en aplicaciones que requieren transmisión eficiente de información en redes móviles o en la nube.

Ambos protocolos ofrecen soluciones flexibles para la integración de sensores, dispositivos de automatización y sistemas de control en entornos industriales, facilitando la conectividad en tiempo real entre máquinas y sistemas.
 

2. • MQTT es altamente compatible con redes móviles, incluidas 5G, debido a su bajo consumo de ancho de banda y eficiencia en la transmisión de datos. Esto lo hace ideal para dispositivos IoT con recursos limitados que operan en condiciones de red variables. La baja latencia de 5G permite que MQTT sea una opción óptima para aplicaciones de automatización industrial y fábricas inteligentes. Además, su arquitectura Publisher/Subscriber, a través de un bróker central, facilita la conectividad aguas arriba mediante gateways.

• OPC UA, con su modelo Pub/Sub, también puede aprovechar 5G para garantizar una comunicación segura y de baja latencia entre dispositivos industriales y plataformas en la nube. La velocidad y cobertura de 5G favorecen la integración de sistemas a gran escala, habilitando aplicaciones de automatización remota.
 

Para conectar un IPC Beckhoff a una red 5G, basta con utilizar un módem compatible, lo que permite el acceso a redes de alta velocidad y facilita aplicaciones que demandan gran capacidad de transmisión de datos, como la supervisión remota de máquinas, automatización avanzada y análisis de datos en tiempo real.

3. Sí, además de OPC UA y MQTT, existen otras alternativas como AMQP, API REST y CoAP, que pueden ser útiles en determinados escenarios industriales:

• AMQP (Advanced Message Queuing Protocol): se destaca por su fiabilidad, seguridad y alta disponibilidad. Es ampliamente utilizado en servicios en la nube, aplicaciones empresariales y sistemas que requieren comunicación asíncrona con altos niveles de seguridad.
• API REST (Representational State Transfer): utilizado en aplicaciones web y móviles por su simplicidad y escalabilidad. Es ideal para conectar dispositivos IoT con plataformas basadas en la web y en la nube. Mediante RESTful APIs, los dispositivos IoT pueden enviar solicitudes HTTP a servicios web, facilitando la interoperabilidad e integración con sistemas de gestión y supervisión.
• CoAP (Constrained Application Protocol): diseñado específicamente para dispositivos IoT con recursos limitados. Es similar a HTTP, pero más ligero y eficiente, funcionando sobre UDP en lugar de TCP. Se usa en aplicaciones donde se requiere baja latencia y bajo consumo de energía, como sensores industriales y dispositivos en redes de baja potencia.
   

Beckhoff también ofrece compatibilidad con AMQP en algunos de sus productos y soporte para API REST, proporcionando opciones versátiles de conectividad para entornos industriales que requieren alta fiabilidad o integración con la nube.
 

4. 

1. OPC UA y MQTT adoptan enfoques diferentes para la comunicación industrial, pero ambos han evolucionado para satisfacer las crecientes demandas de IIoT, particularmente en seguridad, modelado de datos y escalabilidad.
 

La seguridad es un área clave de mejora para ambos protocolos. OPC UA incluye autenticación, cifrado y controles de acceso de usuario integrados, lo que garantiza un intercambio seguro de datos entre clientes y servidores. MQTT, aunque originalmente se diseñó como un protocolo de transporte liviano, ahora se basa en el cifrado TLS y la autenticación basada en certificados para proteger las comunicaciones. Cuando se utiliza con Sparkplug, MQTT también admite la gestión del estado del dispositivo, lo que mejora la confiabilidad y la seguridad en los sistemas IIoT distribuidos. 

El modelado de datos es otra área de evolución. OPC UA siempre ha proporcionado un modelo de datos estructurado que define relaciones y jerarquías dentro de los sistemas industriales. MQTT, que originalmente carecía de un modelo de datos nativo, ha abordado esto con MQTT Sparkplug, estandarizando las estructuras de carga útil para mejorar la interoperabilidad. Aunque sus enfoques difieren, ambos protocolos ahora garantizan que los datos de IIoT estén contextualizados y sean significativos, en lugar de ser solo valores brutos. Estos protocolos no compiten directamente, sino que se complementan entre sí. OPC UA destaca en la comunicación industrial estructurada en las instalaciones, mientras que MQTT es ideal para la distribución de datos liviana y basada en eventos en redes, incluidos los entornos móviles y de nube.

2. Tanto OPC UA como MQTT funcionan sobre TCP/IP, lo que significa que pueden funcionar en cualquier red que admita protocolos de Internet estándar, incluyendo 5G. Esta es una gran ventaja porque permite que los sistemas OT aprovechen la infraestructura de IT existente en lugar de depender de redes industriales especializadas o propietarias.

MQTT es especialmente adecuado para redes móviles debido a su diseño liviano y al manejo eficiente de la conectividad intermitente. Minimiza el uso del ancho de banda al transmitir datos sólo cuando es necesario y garantiza que los mensajes se entreguen incluso si la conexión es inestable. 
 

OPC UA, a pesar de consumir más ancho de banda, se beneficia de la confiabilidad y la velocidad de 5G o inclusivo satélite. Cuando se utiliza en entornos EDGE (computación de borde industrial), OPC UA puede transmitir de forma segura datos estructurados a través de redes móviles, integrándose con plataformas de análisis basadas en la nube y sistemas de monitorización remota. A medida que las redes 5G privadas y hasta satélite se vuelven más comunes en entornos industriales, OPC UA se puede implementar junto con MQTT para crear arquitecturas IIoT escalables, seguras y eficientes.
 

Con la llegada de la empresa de Elon Musk, Starlink, ya es posible la conectividad satélite por menos de 40€ por mes, con una anchura de banda muy aceptable para MQTT en instalaciones remotas y más importante, obligando a los operadores tradicionales de satélite replantearse radicalmente su oferta en España.

3. Existen otros métodos de comunicación, pero cada uno tiene sus limitaciones. Las API REST, ampliamente utilizadas en IT, ofrecen una forma sencilla de intercambiar datos a través de HTTP(S). Sin embargo, REST también sigue un modelo de cliente/servidor, lo que significa que los dispositivos deben solicitar datos de forma activa en lugar de recibir actualizaciones en tiempo real. Esto hace que REST sea menos eficiente para las aplicaciones IIoT que requieren una comunicación basada en eventos.
 

4. Las API REST son ampliamente conocidas y fáciles de integrar con los sistemas de IT, pero carecen de la eficiencia en los escenarios de IIoT, porque requieren que los dispositivos realicen solicitudes repetidas de datos en lugar de recibir actualizaciones a medida que se producen los cambios. Esto puede generar un tráfico de red excesivo y una mayor latencia. Además, las API REST exponen puntos finales que pueden convertirse en riesgos de seguridad si no se protegen adecuadamente con autenticación y cifrado.

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Este artículo aparece publicado en el nº 562 de Automática e Instrumentación págs 80 a 86.