Die Rolle des MQTT-Protokolls bei der Entwicklung des industriellen Internet der Dinge

Wir veranstalten häufig Veranstaltungen, zu denen wir Experten für industrielle Automatisierung einladen. 2016 kam Arlen Nipper, einer der Schöpfer des MQTT-Protokolls, zu uns. Wir möchten seinen Bericht in russischer Übersetzung teilen.


Heute werde ich über das industrielle Internet der Dinge (IIoT) und das MQTT- Datenaustauschprotokoll sprechen . 1978 studierte ich Elektrotechnik an der University of Oklahoma. Ich fragte mich: Warum mache ich das? Es ist langweilig und nicht aufregend. Dann hatte ich die Möglichkeit, Praktikant bei Amoco Pipeline zu werden. Das Unternehmen hat ein automatisiertes Datenmanagement- und -kontrollsystem installiert - SCADA (Supervisory Control & Data Acquisition). Dazu gehörten SPS (speicherprogrammierbare Steuerungen), die Daten über Mehrkanal-Telefonleitungen über Bell 202-Modems an den PDP-11-Zentralcomputer übertragen. 2016 verwenden wir dieselben SCADA-Systeme wie vor über 35 Jahren.

Dieselben SCADA-Systeme, Produktionsautomatisierungssysteme, Produktionssteuerungs- und Managementsysteme werden zu einem Element der IIoT-Infrastruktur.

Wofür ist die IIoT-Infrastruktur? Benutzer erhalten tendenziell mehr Möglichkeiten, indem sie weniger Ressourcen ausgeben. Dies kann nicht erreicht werden, ohne Produktionsdaten auf niedrigerer Ebene zu erhalten und zu verwenden.

Erstens wurden überall Informationstechnologien eingeführt. Dann tauchten „Wolken“ auf und jeder bekam Zugang zum Internet. Jetzt muss nur noch die "Cloud" für SCADA-Systeme verwendet werden.

Aus diesem Grund haben wir begonnen, alte Closed-Source-Protokolle neu zu schreiben. So erschien auf dem Markt Modbus, Allen-Bradley, DNP 3.0. Und dann gab es eine Deregulierung der Aktivitäten von Telekommunikationsunternehmen, einschließlich AT & T. Zuvor arbeiteten Produktionsprozesskontrollsysteme, SCADA-Systeme usw. unter hervorragenden Bedingungen: AT & T erhielt große Subventionen und war bereit, seine Telefonleitungen zu ziehen, wo immer wir wollten. Nach der Deregulierung stiegen die Preise und die Qualität brach zusammen.

Wir haben angefangen, VSAT-Systeme zu verwenden, aber sie arbeiteten langsam mit einer großen Signalverzögerung, und das ständige Abrufen von Geräten war sehr teuer.

Als Ergebnis eines gemeinsamen Projekts von Phillips 66 und IBM, an dem ich vor 19 Jahren teilgenommen habe, erschien das Netzwerkprotokoll MQTT (MQ Telemetry Transport), das seit fast 20 Jahren verwendet wird. 1999 hatten wir keine Ahnung vom Internet der Dinge oder der "Cloud", sondern suchten einfach nach Wegen, um das Problem zu lösen. Es ist uns jedoch gelungen, ein Protokoll für kritische Echtzeit-Pipeline-Überwachungssysteme zu erstellen. Heute ist das MQTT-Protokoll eines der am häufigsten verwendeten Anwendungsprotokolle.

Eigentlich war das Internet der Dinge als normales Internet der Menschen konzipiert, das Benutzer über Webbrowser, HTTP usw. zusammenbrachte, aber „Dinge“ kombinieren sollte. Dann haben wir das industrielle Internet der Dinge für Produktionssteuerungssysteme geschaffen, das nichts mit der Möglichkeit zu tun hat, die Temperatur des Thermostats über das Telefon einzustellen.

Damit das industrielle Internet der Dinge funktioniert, müssen Sie:

1. Geräte von Anwendungen trennen und eine Verbindung zur Infrastruktur herstellen.

Angenommen, ich habe einen schönen Advantech UNO-Computer installiert und eine hervorragende Anwendung dafür entwickelt, mit der ich den Computer über ein Protokoll verbunden habe. Dies bedeutet, dass ich die Funktionen des Computers fest mit den Funktionen der Anwendung verknüpft habe.

Und selbst wenn ich eine Lösung für ein Problem finde, funktioniert es morgen möglicherweise nicht mehr. Um beispielsweise eine viel größere Datenmenge nutzen zu können, muss ich den Code ändern.

Aus diesem Grund müssen Geräte nicht an die Anwendung, sondern an die Infrastruktur angeschlossen und anschließend in diese eingebettet werden. In diesem Fall sind wir nicht durch die Funktionen der Anwendungen eingeschränkt.

2. Erstellen Sie eine bessere Lösung auf der Ebene der Betriebstechnologie (OT) als die vorhandene.

Ich habe diese Technologie seit neunzehn Jahren bei IBM entwickelt, aber alle Implementierungsversuche waren erfolglos, da wir versucht haben, die IIoT-Technologie von der IT in die Produktion zu bringen.

Die IIoT-Lösung muss jedoch Daten aus „Dingen“ und Optimierungen auf betrieblicher Ebene bereitstellen, unabhängig davon, ob das Unternehmen IIoT erstellt - eine Anlage, ein Pharmaunternehmen, ein Wasserversorgungs- und Abwassersystem oder Öl- und Gasunternehmen. Und jetzt versuche ich, eine effektive OT-Lösung in B & B zu schaffen, weil das Internet der Dinge nur von unten nach oben erstellt werden kann.

Laut einer Studie aus dem Jahr 2016 ist MQTT das am häufigsten verwendete Protokoll im Internet der Dinge (HTTP steht an erster Stelle, bietet jedoch keine Echtzeitsteuerung und wird nicht berücksichtigt).

Es gibt viele Server auf dem Markt, die das MQTT-Protokoll unterstützen.

^MQTT-Server

Gleichzeitig ist die Anzahl der Client-MQTT-Technologien begrenzt.

^MQTT-Clients

In IIoT-Lösungen müssen Sie jedoch Technologien anwenden, die den Studenten der Ingenieur- und IT-Fachrichtungen von gestern bekannt sind. So verwenden Absolventen von Computer-Majors, beispielsweise 2016, höchstwahrscheinlich einen Single-Board-Raspberry Pi, der das MQTT-Protokoll unterstützt, um das Licht im Raum ein- und auszuschalten. Möglicherweise wissen sie jedoch nicht, was OPC UA-, Modbus-, Allen-Bradley- oder DMP 3.0-Protokolle sind. Die Offenheit und Zugänglichkeit solcher Technologien wird zur Entstehung einer großen Anzahl von SRP-Lösungen führen.

Genaue Anweisungen zur Verwendung von MQTT in kritischen Echtzeit-Produktionssteuerungssystemen existieren nicht. Wir haben jedoch die Sparkplug MQTT-Spezifikation entwickelt, die einige Grundregeln für die Erstellung von Echtzeit-Produktionssteuerungssystemen unter Verwendung des MQTT-Protokolls definiert:

• MQTT Topic Namespace,
• MQTT Payload Definition,
• MQTT State Management,
• Hochverfügbarkeit / Redundanz / Skalierung.

Dies ist eine Open-Source-Spezifikation, die öffentlich verfügbar ist . Darüber hinaus haben wir eine Referenzimplementierung des MQTT-Clients für den Nachrichtenfluss in C, Java, JavaScript, Python und Node Read entwickelt. Daher verwenden unsere Partner im Advantech-Ökosystem eine einzige Spezifikation.

Wir müssen also Geräte von Anwendungen „lösen“ und eine fortschrittlichere OT-Lösung anbieten.

Wir bemühen uns sicherzustellen, dass Advantech-Produkte mit den Dingen im IoT interagieren:

• Flüssigkeitsstandsensoren in Tanks,
• chromatographische Gasanalysatoren
• Korrosionsschutz- und Überwachungseinheiten
• Durchflusssensoren,
• Drehzahlsensoren des Hydraulikmotors usw.

Das Mittel einer solchen Interaktion ist das Protokoll für die Bereitstellung von Daten, die von all diesen „Dingen“ gesammelt werden und die Infrastruktur und die Interaktionskanäle zwischen ihren Komponenten benötigen.

Unsere MQTT-Infrastruktur umfasst Geräte, die physische Ereignisse verfolgen und Daten über solche Ereignisse auf sicheren Nachrichtenbrokern veröffentlichen. Mit der Advantech-Produktlinie können Sie nicht nur das Internet der Dinge erstellen, sondern auch SmartFlex- und eWorks-Router verwenden, die Daten veröffentlichen und eine Schnittstelle für deren Überwachung bereitstellen.

Nachdem wir Geräte von Anwendungen „gelöst“ haben, können Sie Geräte und Internetzugangsmodule in die Infrastruktur einbetten und sie in Daten signieren, die in Echtzeit über das MQTT-Protokoll veröffentlicht wurden. In dieser Phase muss dem Benutzer, Produktionsleiter oder SCADA-Manager gezeigt werden, dass unsere OT-Lösung besser, schneller, sicherer und einfacher zu skalieren ist als herkömmliche SCADA-Systeme.

Bisher konnten mehrere SCADA-Systeme nicht dasselbe Thema abonnieren. Wenn die Systeme jedoch nicht an die Anwendung gebunden sind, müssen wir nicht einmal festlegen, welches SCADA-System in der ersten oder zweiten Stufe Informationen erhalten soll. Alle Systeme, Programme und Geräte können in Echtzeit auf dieselben Produktionsdaten zugreifen.

In dieser Phase können Sie andere interessante Lösungen auswählen und in die Infrastruktur einbetten, z. B. Asset Management-Anwendungen, Optimierung von Design und technischer Arbeit usw.

^{Advantech Unique Energy / Environment Solution Topology Mit einem}
optimierten Datenfluss können Sie mit der Erstellung des industriellen Internet der Dinge beginnen Wir sind bereits mit Big Data, Cloud Computing usw. vertraut. Sie können Microsoft Azure, IBM Bluemix oder AWS IoT sowie die bekannten Tools Hadoop und Big Data, Storm und Spark sowie verschiedene Visualisierungs- und Analysetools verwenden. Es ist jedoch unmöglich, auf dieser Ebene zu sein, wenn die Geräte mit Anwendungen verbunden und nicht in die erforderliche Infrastruktur integriert sind.