دور بروتوكول MQTT في تطوير الإنترنت الصناعي للأشياء

غالبًا ما نستضيف الأحداث التي ندعو إليها خبراء الأتمتة الصناعية. في عام 2016 ، جاء إلينا Arlen Nipper ، وهو أحد مبدعي بروتوكول MQTT. نريد مشاركة تقريره في الترجمة الروسية.


اليوم سأتحدث عن الإنترنت الصناعي للأشياء (IIoT) وبروتوكول تبادل البيانات MQTT . في عام 1978 ، درست الهندسة الكهربائية في جامعة أوكلاهوما. تساءلت: لماذا أفعل هذا ، إنه ممل وليس مثيرًا. ثم أتيحت لي الفرصة لأكون متدربًا في Amoco Pipeline. قامت الشركة بتثبيت نظام إدارة البيانات والتحكم الآلي - SCADA (التحكم الإشرافي والحصول على البيانات). تضمنت أجهزة تحكم منطقية قابلة للبرمجة (PLC) تقوم بنقل البيانات إلى الكمبيوتر المركزي PDP-11 عبر خطوط الهاتف متعددة القنوات عبر أجهزة مودم Bell 202. وفي عام 2016 نستخدم أنظمة SCADA نفسها التي استخدمناها قبل أكثر من 35 عامًا.

ونفس أنظمة SCADA ، وأنظمة أتمتة الإنتاج ، وأنظمة التحكم وإدارة الإنتاج أصبحت عنصرًا في البنية التحتية لـ IIoT.

ما هي البنية التحتية لمعهد التقنيات المتكاملة؟ يميل المستخدمون إلى كسب المزيد من الفرص من خلال إنفاق موارد أقل. لا يمكن تحقيق ذلك دون الحصول على بيانات إنتاج ذات مستوى أدنى واستخدامها.

أولاً ، تم إدخال تقنيات المعلومات في كل مكان. ثم ظهرت "السحب" وتمكن الجميع من الوصول إلى الإنترنت. الآن يبقى فقط لاستخدام "السحابة" لأنظمة SCADA.

لذلك ، بدأنا بإعادة كتابة بروتوكولات المصدر المغلق القديمة. هكذا ظهر في السوق Modbus ، Allen-Bradley ، DNP 3.0. ثم تم تحرير أنشطة شركات الاتصالات ، بما في ذلك AT&T. قبل ذلك ، عملت أنظمة التحكم في عملية الإنتاج وأنظمة SCADA وما إلى ذلك في ظروف ممتازة: تلقت AT&T دعمًا كبيرًا وكانت على استعداد لسحب خطوط الهاتف الخاصة بها أينما أردنا. بعد تحرير القيود ، ارتفعت الأسعار وانهارت الجودة.

بدأنا في استخدام أنظمة VSAT ، لكنها عملت ببطء ، مع تأخير كبير في الإشارة ، وكان الاستقصاء المستمر للأجهزة مكلفًا للغاية.

نتيجة لمشروع مشترك بين Phillips 66 و IBM ، والذي شاركت فيه منذ 19 عامًا ، ظهر بروتوكول الشبكة MQTT (نقل القياس عن بُعد MQ) ، والذي تم استخدامه لمدة 20 عامًا تقريبًا. في عام 1999 ، لم يكن لدينا أي فكرة عن إنترنت الأشياء أو "السحابة" ، ولكننا ببساطة بحثنا عن طرق لحل المشكلة. لكننا تمكنا من إنشاء بروتوكول لأنظمة مراقبة خط الأنابيب الحرجة في الوقت الحقيقي. يعتبر بروتوكول MQTT اليوم أحد أكثر بروتوكولات التطبيق استخدامًا.

في الواقع ، تم تصور إنترنت الأشياء على أنها إنترنت عادي للأشخاص ، وتوحد المستخدمين من خلال متصفحات الويب ، HTTP ، وما إلى ذلك ، ولكن كان من المفترض أن تجمع بين "الأشياء". ثم أنشأنا إنترنت الأشياء الصناعي لأنظمة التحكم في الإنتاج ، والتي لا علاقة لها بالقدرة على ضبط درجة حرارة الترموستات من خلال الهاتف.

لجعل الإنترنت الصناعي يعمل ، تحتاج إلى:

1. "إلغاء ربط" الأجهزة من التطبيقات والتواصل مع البنية التحتية.

لنفترض أنني قمت بتثبيت كمبيوتر Advantech UNO ممتاز ، طورت تطبيقًا ممتازًا له ، قمت بتوصيل الكمبيوتر من خلال بروتوكول. هذا يعني أنني قمت بربط قدرات الكمبيوتر بقدرات التطبيق بشكل صارم.

وحتى إذا وجدت حلاً لمشكلة ، فقد لا يعمل ذلك غدًا. على سبيل المثال ، للاستفادة من كمية أكبر بكثير من البيانات ، يجب علي تغيير الرمز.

هذا هو السبب في ضرورة إرفاق الأجهزة ليس بالتطبيق ، ولكن بالبنية التحتية ، ثم تضمين التطبيقات فيه. في هذه الحالة ، لن نكون مقيدين بقدرات التطبيقات.

2. إنشاء حل أفضل على مستوى تكنولوجيا التشغيل (OT) من الموجودة.

لقد قمت بتطوير هذه التكنولوجيا لمدة تسعة عشر عامًا في IBM ، لكن جميع محاولات التنفيذ باءت بالفشل لأننا حاولنا دفع تقنية IIoT من تكنولوجيا المعلومات إلى الإنتاج.

لكن حل IIoT يجب أن يوفر بيانات من "الأشياء" والتحسين على المستوى التشغيلي ، بغض النظر عما إذا كان IIoT يتم إنشاؤه لمصنع أو شركة أدوية أو نظام إمدادات المياه والصرف الصحي أو شركات النفط والغاز. والآن أحاول إنشاء حل OT فعال في B & B ، لأنه لا يمكن إنشاء إنترنت الأشياء إلا من الأسفل إلى الأعلى.

وفقًا لدراسة أجريت عام 2016 ، يعد MQTT البروتوكول الأكثر استخدامًا على إنترنت الأشياء (HTTP يحتل المرتبة الأولى ، ولكنه لا يوفر تحكمًا في الوقت الفعلي ، ولا نأخذه في الاعتبار).

هناك العديد من الخوادم في السوق التي تدعم بروتوكول MQTT.

^{خوادم MQTT}

في الوقت نفسه ، فإن عدد تقنيات MQTT للعملاء محدودة.

^{عملاء MQTT}

ولكن في حلول IIoT ، تحتاج إلى تطبيق التقنيات المعروفة لطلاب أمس في تخصصات الهندسة وتكنولوجيا المعلومات. لذا ، فإن الخريجين في تخصصات الكمبيوتر ، على سبيل المثال ، 2016 ، على الأرجح يستخدمون Raspberry Pi أحادي اللوحة الذي يدعم بروتوكول MQTT لتشغيل وإطفاء الضوء في الغرفة. ومع ذلك ، قد لا يعرفون ما هي بروتوكولات OPC UA أو Modbus أو Allen-Bradley أو DMP 3.0. إن انفتاح مثل هذه التقنيات وإمكانية الوصول إليها سيؤدي إلى ظهور عدد كبير من حلول SRP.

لا توجد تعليمات دقيقة لاستخدام MQTT في أنظمة مراقبة الإنتاج الحرجة في الوقت الحقيقي. لكننا طورنا مواصفات Sparkplug MQTT ، التي تحدد بعض القواعد الأساسية لإنشاء أنظمة التحكم في الإنتاج في الوقت الفعلي باستخدام بروتوكول MQTT:

• مساحة اسم موضوع MQTT ،
• تعريف الحمولة النافعة MQTT ،
• إدارة الدولة MQTT ،
• التوفر العالي / التكرار / النطاق.

هذه هي مواصفات مفتوحة المصدر متاحة للجمهور . بالإضافة إلى ذلك ، قمنا بتطوير تطبيق مرجعي لبرنامج MQTT Client لتدفق الرسائل في C و Java و JavaScript و Python و Node Read. لذلك ، يستخدم شركاؤنا في النظام البيئي Advantech مواصفات واحدة.

لذا ، يجب علينا "فك ارتباط" الأجهزة من التطبيقات وتقديم حل OT أكثر تقدمًا.

نسعى جاهدين لضمان تفاعل منتجات Advantech مع الأشياء في إنترنت الأشياء:

• أجهزة استشعار مستوى السائل في الخزانات ،
• محللات الغاز الكروماتوجرافي
• وحدات حماية ومراقبة التآكل
• أجهزة استشعار معدل التدفق ،
• أجهزة استشعار سرعة المحرك الهيدروليكي ، إلخ.

إن وسيلة هذا التفاعل هي بروتوكول توصيل البيانات التي تجمعها كل هذه "الأشياء" ، والتي تحتاج إلى البنية التحتية وقنوات التفاعل بين مكوناتها.

تتضمن البنية التحتية MQTT الخاصة بنا الأجهزة التي تتبع الأحداث المادية وتنشر البيانات حول هذه الأحداث على وسطاء الرسائل الآمنة. يتيح لك خط منتجات Advantech ليس فقط إنشاء إنترنت الأشياء ، ولكن أيضًا استخدام أجهزة توجيه SmartFlex و eWorks ، التي تنشر البيانات وتوفر واجهة لرصدها.

بعد أن قمنا "بربط" الأجهزة من التطبيقات ، يمكنك تضمين الأجهزة ووحدات الوصول إلى الإنترنت في البنية التحتية وتوقيعها على البيانات المنشورة في الوقت الفعلي عبر بروتوكول MQTT. في هذه المرحلة ، من الضروري أن تثبت للمستخدم أو مدير الإنتاج أو مدير SCADA أن حل OT الخاص بنا أفضل وأسرع وأكثر أمانًا وأسهل للتوسع من أنظمة SCADA التقليدية.

في السابق ، لم يكن من الممكن الاشتراك في العديد من أنظمة SCADA في نفس الموضوع. ولكن إذا لم تكن الأنظمة مرتبطة بالتطبيق ، فلن نضطر حتى إلى تحديد نظام SCADA الذي يجب أن يتلقى المعلومات في المرحلة الأولى أو الثانية - يمكن لجميع الأنظمة والبرامج والأجهزة الوصول إلى نفس بيانات الإنتاج في الوقت الفعلي.

وفي هذه المرحلة ، يمكنك اختيار حلول أخرى مثيرة للاهتمام وتضمينها في البنية التحتية ، على سبيل المثال ، تطبيقات إدارة الأصول ، وتحسين التصميم والعمل الفني ، إلخ.

^{Advantech فريد الطاقة / بيئة حلول الطوبولوجيا}
يسمح تدفق البيانات الانسيابي بالبدء في إنشاء إنترنت الأشياء الصناعي التي نعرفها بالفعل ، بما في ذلك البيانات الضخمة والحوسبة السحابية وما إلى ذلك. يمكنك استخدام Microsoft Azure أو IBM Bluemix أو AWS IoT ، بالإضافة إلى أدوات Hadoop و Big Data المعروفة و Storm and Spark وأدوات التصور والتحليل المتنوعة. ولكن من المستحيل أن تكون في هذا المستوى إذا كانت الأجهزة متصلة بالتطبيقات ولم يتم بناؤها في البنية التحتية اللازمة.