Роль протокола MQTT в развитии промышленного интернета вещей

    У нас часто проходят мероприятия, на которые мы приглашаем экспертов промышленной автоматизации. В 2016 году к нам приезжал Арлен Ниппер, который является одним создателей протокола MQTT. Хотим поделиться его докладом в русском переводе.


    Сегодня я расскажу о Промышленном Интернете вещей (IIoT) и протоколе обмена данными MQTT. В 1978 году я учился на инженера-электрика в университете штата Оклахома. Я задавался вопросом: зачем я этим занимаюсь, это скучно и неувлекательно. Тогда у меня появилась возможность быть практикантом в компании Amoco Pipeline. В компании была установлена система автоматизированного управления и контроля данных — SCADA (Supervisory Control & Data Acquisition). Она включала ПЛК (программируемые логические контроллеры), которые передавали данные на центральный компьютер PDP-11 по многоканальным телефонным линиям через модемы Bell 202. И в 2016 г. мы используем такие же системы SCADA, что и более 35 лет назад.

    И такие же системы SCADA, системы автоматизации производства, системы контроля и управления производством становятся элементом IIoT-инфраструктуры.

    Для чего нужна IIoT-инфраструктура? Пользователи стремятся получать все больше возможностей, тратя меньше ресурсов. Этого невозможно добиться без получения и использования производственных данных нижнего уровня.

    Сначала везде внедрялись информационные технологии. Потом появилось «облака» и у всех появился доступ к Интернету. Теперь осталось только использовать «облако» для систем SCADA.

    Поэтому мы занялись переписыванием старых протоколов с закрытым исходным кодом. Так на рынке появились Modbus, Allen-Bradley, DNP 3.0. А потом случилось дерегулирование деятельности телекоммуникационных компаний, в том числе AT&T. До этого системы управления производственными процессами, системы SCADA и т. д. работали на отличных условиях: AT&T получала большие субсидии и была готова тянуть свои телефонные линии куда бы мы ни пожелали. После дерегулирования цены взлетели, а качество рухнуло.

    Мы стали использовать системы VSAT, но они работали медленно, с большой задержкой сигнала, а постоянный опрос устройств обходился очень дорого.

    В результате совместного проекта Phillips 66 и IBM, в котором я принял участие 19 лет назад, появился сетевой протокол MQTT (MQ telemetry transport), который используется уже почти 20 лет. В далеком 1999 г. мы понятия не имели об Интернете вещей или «облаке», а просто искали пути решения проблемы. Но нам удалось создать протокол для критически важных систем контроля состояния трубопроводов в режиме реального времени. Сегодня протокол MQTT — один из самых используемых прикладных протоколов.

    Собственно Интернет вещей задумывался как обычный Интернет людей, объединяющий пользователей через веб-браузеры, HTTP и т. д., но который должен был объединять «вещи». Потом мы создали Промышленный Интернет вещей для систем управления производством, не имеющий ничего общего с возможностью корректировать температуру термостата через телефон.

    Чтобы заставить Промышленный Интернет вещей работать, необходимо:

    1. «Отвязать» устройства от приложений и связать с инфраструктурой.

    Допустим, я установил прекрасный компьютер Advantech UNO, разработал для него отличное приложение, к которому привязал компьютер через протокол. Это означает, что я жестко увязал возможности компьютера с возможностями приложения.

    И даже если я нашел для какой-либо проблемы решение, завтра оно может не сработать. Например, чтобы воспользоваться намного большим объемом данных, мне придется менять код.

    Именно поэтому устройства нужно привязывать не к приложению, а к инфраструктуре, а затем встраивать в нее приложения. В таком случае нас не будут ограничивать возможности приложений.

    2. Создать более совершенное решение на уровне операционных технологий (ОТ), чем существующее.

    Девятнадцать лет в IBM я разрабатывал эту технологию, но все попытки внедрения были неудачными, потому что мы пытались спускать IIoT-технологию от ИТ до производства.

    Но IIoT-решение должно обеспечивать получение данных от «вещей» и оптимизацию на операционном уровне вне зависимости от того, для какого предприятия создается IIoT, — завода, фармацевтической компании, системы водоснабжения и водоотведения или нефтегазовых компаний. И сейчас в B & B я пытаюсь создать эффективное ОТ-решение, потому что Интернет вещей можно создать только снизу вверх.

    Согласно исследованию 2016 года, MQTT — самый используемый протокол в Интернете вещей (HTTP занимает первое место, но не обеспечивает контроль в режиме реального времени, и мы его не учитываем).

    На рынке предлагается множество серверов, поддерживающих протокол MQTT.

    MQTT Servers

    При этом количество клиентских MQTT-технологий ограничено.

    MQTT Clients

    Но в IIoT-решениях нужно применять технологии, известные вчерашним студентам инженерных и ИТ-специальностей. Так, выпускники по компьютерным специальностям, например, 2016 года, скорее всего, пользуются одноплатным Raspberry Pi, поддерживающим протокол MQTT, чтобы включать и выключать свет в комнате. При этом они могут не знать, что такое OPC UA, протоколы Modbus, Allen-Bradley или DMP 3.0. Открытость и доступность таких технологий приведет к появлению большого количества SRP-решений.

    Точной инструкции по применению MQTT в критически важных системах управления производством в режиме реального времени не существует. Но мы разработали спецификацию Sparkplug MQTT, определяющую некоторые базовые правила для создания систем управления производством в режиме реального времени с использованием протокола MQTT:

    • MQTT Topic Namespace,
    • MQTT Payload Definition,
    • MQTT State Management,
    • High Availability / Redundancy / Scale.

    Это спецификация с открытым кодом, размещенная в открытом доступе. Кроме того, мы разработали эталонную реализацию MQTT Client для потока сообщений на языке C, Java, JavaScript, Python и Node Read. Поэтому наши партнеры в экосистеме Advantech пользуются единой спецификацией.

    Итак, мы должны «отвязать» устройства от приложений и предложить более совершенное ОТ-решение.

    Мы стремимся обеспечить взаимодействие продуктов Advantech с «вещами» в IoT:

    • датчиками уровня жидкости в резервуарах,
    • хроматографическими газоанализаторами,
    • блоками коррозионной защиты и мониторинга
    • датчиками скорости потока,
    • датчиками оборотов гидромотора и т. д.

    Средство такого взаимодействия — протокол доставки данных, собранных всеми этими «вещами», которому нужна инфраструктура и каналы взаимодействия между ее составляющими.

    Наша MQTT-инфраструктура включает устройства, отслеживающие физические события и публикующие данные о таких событиях на защищенных брокерах сообщений. Линейка продуктов Advantech позволяет не только создавать Интернет вещей, но и использовать маршрутизаторы SmartFlex и eWorks, которые публикуют данные и предоставляют интерфейс для их мониторинга.

    После того, как мы «отвязали» устройства от приложений, можно встроить в инфраструктуру устройства и модули доступа в Интернет и подписать их на данные, публикуемые в режиме реального времени через протокол MQTT. На этом этапе необходимо продемонстрировать пользователю, руководителю производства или менеджеру SCADA, что наше ОТ-решение лучше, быстрее, безопаснее и легче масштабируется, чем обычные системы SCADA.

    Раньше несколько систем SCADA нельзя было подписать на один и тот же топик. Но если системы не привязаны к приложению, нам даже не придется определять, какая система SCADA должна получать информацию в первую или вторую очередь — все системы, программы и устройства могут иметь доступ к одним и тем же производственным данным в режиме реального времени.

    И на этом этапе можно выбирать другие интересные решения и встраивать их в инфраструктуру, например, приложения для управления активами, оптимизации проектно-технических работ и т. д.

    Advantech Unique Energy/Environment Solution Topology
    Налаженный поток данных позволяет приступить к созданию собственно Промышленного Интернета вещей, с которым мы уже знакомы, включая большие данные, облачные вычисления и т. д. Можно использовать Microsoft Azure, IBM Bluemix или AWS IoT, а также всем известные Hadoop и Big Data, Storm и Spark и различные инструменты визуализации и аналитики. Но оказаться на этом уровне невозможно, если устройства связаны с приложениями и не встроены в необходимую инфраструктуру.
    Advantech IIoT
    Наша миссия — создание умной планеты.

    Похожие публикации

    Комментарии 3

      0
      Но мы разработали спецификацию Sparkplug MQTT, определяющую некоторые базовые правила для создания систем управления производством в режиме реального времени с использованием протокола MQTT

      Интересно, что кто-то пытается упорядочить хаотичное применение MQTT, которое мы имеем сейчас. MQTT просто слишком неформален и поэтому пользователь, связывающий железяки по MQTT, должен самостоятельно настраивать топики, payload и прочее, а из коробки оно никогда не работает. Нужно бы хотя бы немного стандартизации.
      0

      DMP 3.0 это DNP3?

      Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

      Самое читаемое