Промышленный интернет вещей (IIoT — Industrial Internet of Things) — это система устройств, соединенных в единую компьютерную сеть и общающихся друг с другом для выполнения каких‑либо задач.
Основной концепцией IIoT является использование стандартов и протоколов передачи данных между различными компонентами системы. Это облегчает интеграцию различных аппаратных и программных компонентов системы.
Для передачи данных в системах IIoT в реальном времени можно использовать TSN или DDS стандарты передачи данных. Для передачи данных, не требующих реального времени — рекомендуется использовать OPС Unified Architecture или MQTT стандарты.
При разработке современных складов конвейерного типа мало используется концепция IIoT, обычно используется концепция АСУ ТП (рисунок 1). Но в концепции АСУ ТП сложно производить модернизацию компонентов и интеграцию с современными облачными платформами.
Технологический процесс
Автоматизированные склады конвейерного типа принимают груз с конвейерных лент, распределяя их на подъёмники, которые уже перемещают груз в определённые ячейки. Извлечение груза происходит в обратном порядке, но с использованием буферных ячеек и специального подъёмника, который производит своевременное возвращение груза на конвейер. Пример реализации представлен на рисунке 2.
Зачастую с расширением производства, мест на складе начинает не хватать и необходимо увеличить их количество. Для удобного и быстрого процесса увеличения количества ячеек склада в этой статье предложена архитектура склада в соответствие с концепцией IIoT. Эта архитектура позволяет реализовать распределённую систему из нескольких складов, которые могут общаться друг с другом.
Проектирование аппаратной архитектуры системы автоматизированного склада конвейерного типа
В соответствии с концепцией IIRA система IIoT обычно состоит из 3-х уровней: Enterprise layer, Platform layer и Edge layer. На Edge layer находятся все датчики, исполнительные устройства и устройства, которые управляют производством. На Platform layer находятся системы сохранения данных и системы мониторинга. На Enterprise layer находится облако и удалённые пользователи системы.
В приведённой системе масштабирование обеспечивается дублированием Platform layer и Edge layer, связывая несколько складов с одним Enterprise layer. Схема представлена на рисунке 3.
Данная схема объединения позволяет реализовать взаимодействие одного Enterprise layer со всеми складами, и складов друг с другом.
Рассмотрим приведённую на рисунке 4 архитектуру более подробно. В приведённой системе на Edge уровне находятся сканеры QR-кода (3) с MQTT-шлюзом (2), датчики расстояния, исполнительные устройства, IIoT контроллер (1) и IIoT Gateways (4).
Так как датчики и исполнительные устройства, разработанные для IIoT, широко не распространены на рынке, в системе используются датчики, работающие по шине RS-485, под управлением контроллера (1). Все датчики и исполнительные устройства подключены к шине, что позволяет контроллеру управлять ими.
QR-сканер (3), который считывает код с грузов, подсоединён к MQTT-шлюзу (4) для управления по протоколу MQTT.
Все MQTT устройства (шлюзы, контроллеры) подключаются к IIoT Gateway (4), который осуществляет передачу данных на более высокий уровень, создаёт резервную копию базы данных и отправляет контроллеру (1) команды по перевозке груза в определённую ячейку.
На уровне платформы (Platform) находятся: сервер с базой данных (7), система локального мониторинга (8) и устройства (IIoT Gateway (5) и промышленный роутер (8)), связывающие систему и отправляющие данные на следующий уровень.
На третьем уровне системы – Enterprise уровне – находятся облако и система удалённого мониторинга (9), связанные по сети Интернет
Проектирование программной архитектуры системы автоматизированного склада конвейерного типа
В концепции IIRA IIoT все основные алгоритмы управляющие производством находятся на Edge layer, а выше находятся алгоритмы визуализации данных, системы баз данных, алгоритмы анализа данных и командные устройства для наладки производства.
Разберём программную архитектуру системы более подробно. Датчики расстояния и исполнительные устройства, соединённые по шине RS-485, общаются по протоколу Modbus RTU. Для опроса датчиков был выбран Modbus RTU, так как этот протокол обеспечивает скорость передачи данных 19.2 Кбит/такт, что достаточно для беспрерывной работы системы. Все исполнительные устройства и датчики являются Modbus Slaves, подчиняясь к одному Modbus Master, контроллеру (1).
Контроллер (1) исполняет функции MQTT/Modbus RTU тоннеля, преобразовывая пришедшие данные от датчиков из Modbus RTU в MQTT и наоборот преобразовывает MQTT команды в Modbus RTU. Также контроллер управляет исполнительными устройствами на базе полученных данных с датчиков расстояния и принятых им команд от IIoT Gateway (4), обрабатывает ошибки и отправляет преобразованные в MQTT данные дальше на IIoT Gateway (4).
QR-сканер (3) передаёт QR-код по протоколу PROFINET на MQTT-шлюз (2), который преобразовывает PROFINET в MQTT. Аналогично контроллеру (1) шлюз (2) отправляет данные дальше на IIoT Gateway (4).
IIoT Gateway (4) объединяет всю информацию со всех датчиков и устройств для отправки на уровень платформы (Platform layer). В нём реализована логика управления устройствами в зависимости от отсканированного кода QR-сканером (3), и реализовано резервное архивирование в базу данных.
В рамках IIoT Gateway (5), расположенного на уровне платформы (Platform layer), в нём расположен MQTT брокер, Gateway (5) преобразовывает полученный данные в SQL протокол и передаёт на сервер (7), на котором развёрнута основная база данных производства. После этого Gateway (5) передаёт полученные им MQTT данные на роутер (8), а роутер передаёт их на следующий уровень в облако.
Для безопасного подключения к сети Интернет и предотвращения атак на edge layer и Platform layer на роутере находится Firewall.
На уровне платформы (Platform layer) находится система локального мониторинга (6), которая берёт данные с сервера с базой данных (7) и отображает их оператору с помощью SCADA системы. Все обмены данными между системой локального мониторинга (6) и сервером с базой данных (7) проходят через IIoT Gateway (5) выступающий в роли коммутатора.
На Enterprise уровне расположено облако, которое реализовано с помощью инструментов Yandex Cloud. Внутри облака расположена база данных для дополнительного резервирования, модуль аналитики статистических данных производства и модуль визуализации.
Модуль визуализации выступает в роли Web-сервера связанным с клиентами, которые являются системой удалённого мониторинга (9) в приведённой архитектуре. В нём происходит визуализация информации о производстве. Клиенты подключаются к Web-серверу по протоколу HTTPS .
Выводы
В результате работы построена архитектура автоматизированного склада конвейерного типа, позволяющая работать на сетях, не поддерживающих реальное время, и позволяющая реализовать удобную интеграцию с любыми облачными платформами.
Особенностью данной системы является использование MQTT-протокола на всех уровнях архитектуры, что позволяет связываться с каждым датчиком отдельно на любом уровне системы. Даная архитектура реализует удобное масштабирование системы и модернизацию оборудование.