IoT-Gateway-Protokolle verstehen: Von Modbus und OPC UA bis MQTT

In der Hitze einer modernen Fabrik oder eines intelligenten Gebäudes besteht die grundlegendste Aufgabe eines Gateways darin, als mehrsprachiger Übersetzer zu fungieren. Auf der einen Seite muss es die rohen, herkömmlichen „Kommunikationsdaten“ aus der Fabrikhalle verarbeiten – indem es Sensoren über Modbus RTU abfragt oder sich über Modbus TCP mit Hochgeschwindigkeitssteuerungen synchronisiert. Auf der anderen Seite muss es diese Daten für die Cloud mithilfe des MQTT-Protokolls, dem globalen Standard für schlanke, zuverlässige IT-Kommunikation, aufbereiten.

Dieser Leitfaden bietet einen klaren Überblick über die wichtigsten Protokolle, denen Sie im Bereich Edge-Computing im IoT begegnen werden. Wir erklären grundlegende OT-Standards wie Modbus und OPC UA und zeigen auf, warum OPC UA für die Sicherheit moderner Industrieanlagen unverzichtbar ist.

Wir werden uns auch mit dem MQTT-Protokoll befassen, dem De-facto-Standard für moderne Cloud-Kommunikation. Am Ende werden Sie verstehen, warum EG5120, ein wirklich leistungsstarkes Edge-Computing-Gateway , nicht nur eine Brücke ist, sondern ein intelligenter Motor, der die Nutzlast übersetzt und dafür sorgt, dass Ihre IT- und OT-Systeme endlich dieselbe Sprache sprechen.

Sind Sie bereit, die richtige „Sprache“ für Ihr Netzwerk zu finden? Dann legen wir los!

Einführung von IoT-Gateway-Protokollen: Überbrückung der Lücke zwischen Fabrik und Cloud

Sie verfügen über eine Fabrikhalle voller hochwertiger Maschinen und eine leistungsstarke Cloud-Plattform, die bereit ist, die Daten zu analysieren. Es gibt nur ein Problem: Sie sprechen nicht dieselbe Sprache. Dies ist ein häufiges Hindernis im industriellen IoT. Sie haben vielleicht einen Ingenieur mit einer SPS, die wichtige Daten ausgibt, aber keine einfache Möglichkeit, diese Informationen in ein AWS- oder Azure-Dashboard zu übertragen.

Diese „Sprachbarriere“ besteht aufgrund einer grundlegenden Spaltung der Netzwerkprotokolle. Ihre Operational-Technology-Geräte (OT) – wie SPSen und Sensoren – kommunizieren über robuste Internetprotokolle, die auf lokale Zuverlässigkeit ausgelegt sind, wie Modbus oder OPC UA. Ihre Informationstechnologie-Systeme (IT) und Cloud-Plattformen hingegen basieren auf MQTT, einem leichtgewichtigen Standard, der für globale Skalierbarkeit entwickelt wurde.

Um diese Lücke zu schließen, muss Ihr Gateway ein Meister der „Mehrsprachigkeit“ sein. Das Verständnis der gängigsten IoT-Gateway-Protokolle ist der erste Schritt bei der Auswahl eines Geräts, das zwischen diesen beiden Welten übersetzen kann. Durch die Wahl des richtigen Frameworks können Sie isolierte Maschinendaten in einen einheitlichen, cloudfähigen Datenstrom umwandeln.

OT-Protokolle: Die Sprache der Maschine

Für jeden Industriestandort basiert die „Grundlage“ der Kommunikation auf Netzwerkprotokollen, die für die rauen Bedingungen in der Fabrik entwickelt wurden. Diese OT-Standards verarbeiten den Rohdatenfluss zwischen Sensoren, SPS und Steuerungen. Im Gegensatz zu Standard-Internetprotokollen legen sie mehr Wert auf deterministische Zuverlässigkeit als auf reine Geschwindigkeit. Um eine erfolgreiche Brücke zur Cloud zu schlagen, muss ein leistungsstarkes industrielles Gateway diese IoT-Gateway-Protokolle fließend beherrschen.

Was ist Modbus: Das universelle Arbeitstier

Um die Grundlagen industrieller Netzwerke zu verstehen, müssen wir mit den Grundlagen beginnen: Was ist Modbus?

Das 1979 entwickelte Modbus-Protokoll ist nach wie vor der unangefochtene König in der Fertigung, da es offen, einfach und äußerst zuverlässig ist. Es ist der universelle Handshake, der es einer Vielzahl von Geräten – von High-End-SPSen bis hin zu kompakten Sensoren wie dem Robustel S6000U – ermöglicht, Daten ohne Kompatibilitätsprobleme auszutauschen.

Bei der Bereitstellung einer Edge-Lösung gibt es im Wesentlichen zwei Varianten:

• Modbus RTU: Dies ist die serielle Version des Protokolls. Es läuft in der Regel über RS-485- oder RS-232-Verkabelung und verwendet ein kompaktes Binärformat. Es eignet sich perfekt für lokale, verkettete Gerätenetzwerke, bei denen Kosten und Einfachheit im Vordergrund stehen.
• Modbus TCP: Hier werden dieselben Kernbefehle in ein TCP/IP-Paket gekapselt. Dadurch können die Daten über moderne Ethernet-Netzwerke übertragen werden, was die Integration in die bestehende IT-Infrastruktur vereinfacht.

Warum ist das Modbus-Protokoll so wichtig? Für die meisten Projekte ist die Unterstützung von Modbus unverzichtbar. Der eigentliche Aha-Moment für viele Ingenieure ist die Erkenntnis, wie leistungsfähig ein Gateway ist, das als Brücke zwischen Modbus RTU und Modbus TCP fungiert.

Stellen Sie sich ein Szenario vor, in dem Sie einen zehn Jahre alten seriellen Leistungsmesser an einem abgelegenen Standort haben. Mit einem intelligenten Gateway können Sie diese älteren seriellen Daten in ein Ethernet-kompatibles Format „übersetzen“. So können Ihre modernen Hochgeschwindigkeits-Überwachungssysteme nahtlos mit älteren Geräten kommunizieren, wodurch die Lebensdauer Ihrer Hardware verlängert und gleichzeitig in das digitale Zeitalter überführt wird.

OPC UA: Der sichere Standard mit hohem IQ für Industrie 4.0

Wenn Modbus der universelle Handschlag der Maschinenwelt ist, dann ist OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture) der hochentwickelte, mehrsprachige Diplomat. Während ältere Netzwerkprotokolle nur zum Übertragen von Rohdaten entwickelt wurden, wurde OPC UA dafür konzipiert, Bedeutung zu übertragen.

Was ist OPC UA?

In der Welt der Internetprotokolle senden die meisten Systeme lediglich einen Wert (z. B. „25,5“). Ohne Kontext weiß man nicht, ob es sich dabei um eine Temperatur, einen Druck oder einen Fehlercode handelt. OPC UA ändert dies durch die Verwendung eines „reichhaltigen Datenmodells”. Es gruppiert Daten in Objekte, sodass Ihre IoT-Gateway-Protokolle nicht nur eine Zahl sehen, sondern eine „Pumpe” mit „Status”, „Hersteller” und „Installationsdatum”, die alle zusammengebündelt sind.

Warum ist das wichtig?

Da Cyber-Bedrohungen immer näher an die Fertigung heranrücken, reicht eine nachträglich hinzugefügte Sicherheit nicht mehr aus. Im Gegensatz zu Modbus, dem es oft an inhärentem Schutz mangelt, ist Sicherheit bei OPC UA fest in der DNA verankert.

• Integrierte Verteidigung: Es verwendet branchenübliche Verschlüsselung und digitale Zertifikate, um sicherzustellen, dass nur autorisierte Geräte mit Ihren Maschinen „kommunizieren“ können.
• Plattformunabhängigkeit: Es ist plattformunabhängig. Unabhängig davon, ob Ihr Gateway unter Linux, Windows oder einem eingebetteten RTOS läuft, funktioniert OPC UA nahtlos auf allen Plattformen.
• Firewall-freundlich: Es vereinfacht die IT/OT-Integration durch die Verwendung eines einzigen, sicheren Ports, wodurch es für IT-Teams viel einfacher ist, es zu genehmigen als ältere Netzwerkprotokolle.

Bei der Bewertung eines industriellen IoT-Edge-Gateways ist die Unterstützung von OPC UA nicht mehr nur ein „Nice-to-have“. Wenn Ihr Projekt komplexe Maschinen umfasst oder eine hohe Datenintegrität erfordert, ist OPC UA die Brücke, die sicherstellt, dass Ihre Daten mit ihrem Kontext – und ihrer Sicherheit – vollständig intakt in der Cloud ankommen.

IT-Protokolle: Die Sprache der Cloud

Sobald Ihr Gateway Rohdaten aus der Fertigung gesammelt hat, muss es diese Informationen für die Übertragung über das Internet aufbereiten. Dazu sind Netzwerkprotokolle erforderlich, die auf Geschwindigkeit, geringe Bandbreite und unzuverlässige Verbindungen ausgelegt sind. Während OT-Protokolle sich auf die Maschine konzentrieren, richten IT-Protokolle den Fokus auf die Welt außerhalb des lokalen Netzwerks.

MQTT: Der moderne Standard für das Internet der Dinge

Wenn Sie heute ein industrielles Projekt umsetzen, ist das MQTT-Protokoll (Message Queuing Telemetry Transport) mit ziemlicher Sicherheit Ihre erste Wahl. Es hat sich zum globalen Standard für Edge-Computing im IoT entwickelt, da es das größte Problem der Fernüberwachung löst: begrenzte oder teure Bandbreite. 

Was ist MQTT und wie funktioniert es?

Dieses System trennt den Datenproduzenten vom Verbraucher. Das bedeutet, dass Ihr Cloud-Dashboard die IP-Adresse Ihres Gateways nicht kennen muss und Ihr Gateway nicht „wach“ bleiben muss, um auf eine Anfrage zu warten. Dadurch entsteht eine hochgradig skalierbare Umgebung, in der das Hinzufügen neuer Geräte zum Kinderspiel wird.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Protokollen, die eine ständige direkte Verbindung erfordern, verwendet MQTT ein „Publish-Subscribe“-Modell. Ihre Gateways „veröffentlichen“ Daten an einen zentralen Broker, und Ihre Cloud-Apps „abonnieren“ die Themen, die sie benötigen.

Warum ist das für Ihr Gateway wichtig?

In der Welt der Internetprotokolle ist Effizienz das A und O. MQTT ist unglaublich leichtgewichtig und damit der perfekte Partner für Gateways, die in Mobilfunknetzen betrieben werden, wo jedes Kilobyte Daten zählt.
Da es sich um den „Northbound“-Standard handelt, wird er von fast allen großen Cloud-Anbietern –darunter AWS IoT Core und Azure IoT Hub– nativ unterstützt. Bei der Auswahl eines industriellen IoT-Edge-Gateways ist die Sicherstellung einer robusten MQTT-Unterstützung der wichtigste Schritt, um Ihre IT-Architektur zukunftssicher zu machen.

Die Rolle des Gateways: Protokollkonvertierung und Datenverarbeitung

Wie bewältigt ein Gerät wie das Robustel EG5120 das Chaos unterschiedlicher IoT-Gateway-Protokolle? Es leitet Daten nicht einfach weiter, sondern fungiert als intelligenter Vermittler. Durch seine Position zwischen Ihren Maschinen und Ihrem Netzwerk erfüllt es zwei wichtige Funktionen, die für den Erfolg einer IIoT-Implementierung entscheidend sind.

Sehen Sie sich das Video an: Entdecken Sie die Leistungsfähigkeit des Edge Computing Gateways EG5120.

1. Nahtlose Protokollkonvertierung

Die erste Aufgabe besteht darin, als „universeller Übersetzer“ zu fungieren. Mit Hilfe robuster Software – oft ergänzt durch Middleware wie Robustel Edge2Cloud Pro– führt das Gateway eine Modbus-Abfrage oder einen OPC UA-Datenabruf von Ihren Feldgeräten durch.

Anschließend entfernt es die komplexe industrielle Formatierung und konvertiert die Daten in ein standardisiertes, webfreundliches Format wie JSON. Schließlich veröffentlicht es diese bereinigten Daten über das MQTT-Protokoll auf Ihrer Cloud-Plattform. Diese Konvertierung stellt sicher, dass Ihr AWS- oder Azure-Dashboard organisierte Informationen erhält und nicht einen rohen, unlesbaren Datenstrom.

2. Edge-Computing in der Praxis

Ein leistungsstarkes industrielles IoT-Edge-Gateway kann mehr als nur übersetzen: Es „denkt“ an der Quelle. Hier zeigen sich die wahren Vorteile des Edge-Computing. Anstatt jeden einzelnen Datenpunkt an die Cloud zu senden – was Bandbreite verschwendet und die Speicherkosten erhöht –, verarbeitet das Gateway die Daten lokal.

Stellen Sie sich einen über Modbus RTU angeschlossenen Temperatursensor vor, bei dem ein auf dem EG5120 ausgeführter Node-RED-Flow den Celsius-Wert liest, ihn lokal in Fahrenheit umrechnet und mit einem bestimmten Schwellenwert vergleicht. Anstatt Ihr Netzwerk mit ständigen Aktualisierungen zu überfluten, ist das System auf Effizienz ausgelegt.

Das Ergebnis? Das Gateway veröffentlicht nur dann eine MQTT-Nachricht, wenn sich die Temperatur erheblich ändert oder einen kritischen Alarmzustand erreicht – eine Strategie der „Berichterstattung bei Ausnahmen“, die enorme Datenmengen spart und Ihre Cloud-Verarbeitungskosten drastisch senkt.

Fazit: Die Vorteile von Edge Computing durch Protokollbeherrschung erschließen

Das Verständnis von IoT-Gateway-Protokollen ist mehr als nur eine technische Anforderung – es ist die Grundlage für eine erfolgreiche industrielle IoT-Strategie. Wie wir gesehen haben, handelt es sich hierbei um zwei völlig unterschiedliche Sprachen. Auf der einen Seite stehen die robusten, bewährten Netzwerkprotokolle der OT-Welt, wie Modbus und OPC UA. Auf der anderen Seite stehen die modernen, skalierbaren Internetprotokolle der IT-Welt, insbesondere das MQTT-Protokoll.

Ein echtes industrielles IoT-Edge-Gateway wie das Robustel EG5120 muss als Hauptübersetzer zwischen diesen beiden Bereichen fungieren. Es reicht nicht aus, nur Daten zu übertragen. Das Gateway muss die Vorteile des Edge-Computing in Bezug auf lokale Verarbeitung, Sicherheit und Protokollkonvertierung bieten, um sicherzustellen, dass Ihr System effizient und sicher bleibt.

Durch die Wahl einer Plattform mit umfassender Protokollunterstützung und der Intelligenz, Daten an der Quelle zu verarbeiten, können Sie die Lücke zwischen Ihren Maschinen und der Cloud schließen. Das Ergebnis ist ein nahtloser, zukunftssicherer Datenfluss, der rohe Maschinenkommunikation in verwertbare Business Intelligence verwandelt.

Erleben Sie Protokollbeherrschung – Entdecken Sie das Robustel EG5120 Edge Gateway.

Häufig gestellte Fragen

Frage 1: Was ist der Unterschied zwischen Modbus RTU und Modbus TCP?

A1: Modbus RTU ist ein serielles Kommunikationsprotokoll, das über Schnittstellen wie RS485 läuft. Modbus TCP verwendet dieselbe Modbus-Befehlsstruktur und verpackt sie in ein TCP/IP-Paket, damit sie über Standard-Ethernet-Netzwerke verwendet werden kann. Ein gutes Gateway kann oft eine Brücke zwischen den beiden schlagen.

Frage 2: Muss ich MQTT verwenden, um Daten an die Cloud zu senden?

A2: Sie können zwar auch Protokolle wie HTTPS verwenden, aber MQTT ist das vorherrschende und für die meisten IoT-Anwendungen dringend empfohlene Protokoll. Sein leichtgewichtiges Publish-Subscribe-Modell ist für die Kommunikation zwischen Geräten und der Cloud weitaus effizienter und skalierbarer als herkömmliche Request-Response-Protokolle.

Frage 3: Kann ein IoT-Gateway mehrere Protokolle gleichzeitig unterstützen?

A3: Ja. Ein leistungsstarkes industrielles IoT-Edge-Gateway wie das EG5120 kann gleichzeitig Daten von einem Modbus-RTU-Gerät an seinem seriellen Port und einem OPC-UA-Server an seinem Ethernet-Port abfragen und dann alle diese Daten über MQTT über seine Mobilfunkverbindung in die Cloud übertragen. Diese Multiprotokollfähigkeit ist einer seiner wichtigsten Vorteile.

Über den Autor

Robert Liao | Technischer Support-Ingenieur

Robert Liao ist IoT-Technischer Support-Ingenieur bei Robustel und auf industrielle Netzwerke und Edge-Konnektivität spezialisiert. Als zertifizierter Netzwerkingenieur konzentriert sich Robert auf die Bereitstellung und Fehlerbehebung von groß angelegten IIoT-Infrastrukturen. Seine Arbeit konzentriert sich auf die Entwicklung zuverlässiger, skalierbarer Systemleistungen für komplexe industrielle Anwendungen, die die Lücke zwischen Feldhardware und cloudseitigem Datenmanagement schließen.