Le rôle du protocole MQTT dans le développement de l'Internet industriel des objets

Nous organisons souvent des événements auxquels nous invitons des experts en automatisation industrielle. En 2016, Arlen Nipper, qui est l'un des créateurs du protocole MQTT, est venu vers nous. Nous voulons partager son rapport en traduction russe.


Aujourd'hui, je vais parler de l'Internet industriel des objets (IIoT) et du protocole d'échange de données MQTT . En 1978, j'ai étudié le génie électrique à l'Université d'Oklahoma. Je me suis demandé: pourquoi je fais ça, c'est ennuyeux et pas excitant. J'ai ensuite eu l'opportunité d'être stagiaire chez Amoco Pipeline. L'entreprise a installé un système automatisé de gestion et de contrôle des données - SCADA (Supervision Control & Data Acquisition). Il comprenait des PLC (contrôleurs logiques programmables) qui transmettaient des données à l'ordinateur central PDP-11 via des lignes téléphoniques multicanaux via des modems Bell 202. Et en 2016, nous utilisons les mêmes systèmes SCADA que nous l'avons fait il y a plus de 35 ans.

Et les mêmes systèmes SCADA, systèmes d'automatisation de la production, systèmes de contrôle et de gestion de la production deviennent un élément de l'infrastructure IIoT.

À quoi sert l'infrastructure IIoT? Les utilisateurs ont tendance à gagner plus d'opportunités en dépensant moins de ressources. Cela ne peut être réalisé sans obtenir et utiliser des données de production de niveau inférieur.

Premièrement, les technologies de l'information ont été introduites partout. Des «nuages» sont alors apparus et tout le monde a eu accès à Internet. Maintenant, il ne reste plus qu'à utiliser le "cloud" pour les systèmes SCADA.

Par conséquent, nous avons commencé à réécrire les anciens protocoles de source fermée. Ainsi, sur le marché est apparu Modbus, Allen-Bradley, DNP 3.0. Et puis il y a eu une déréglementation des activités des sociétés de télécommunications, y compris AT&T. Avant cela, les systèmes de contrôle des processus de production, les systèmes SCADA, etc. fonctionnaient dans d'excellentes conditions: AT&T a reçu d'importantes subventions et était prêt à tirer ses lignes téléphoniques où nous le voulions. Après la déréglementation, les prix ont grimpé en flèche et la qualité s'est effondrée.

Nous avons commencé à utiliser des systèmes VSAT, mais ils fonctionnaient lentement, avec un retard de signal important, et l'interrogation constante des appareils était très coûteuse.

À la suite d'un projet commun entre Phillips 66 et IBM, auquel j'ai participé il y a 19 ans, est apparu le protocole réseau MQTT (MQ telemetry transport), utilisé depuis près de 20 ans. En 1999, nous n'avions aucune idée de l'Internet des objets ou du «cloud», mais nous avons simplement cherché des moyens de résoudre le problème. Mais nous avons réussi à créer un protocole pour les systèmes critiques de surveillance des pipelines en temps réel. Aujourd'hui, le protocole MQTT est l'un des protocoles d'application les plus utilisés.

En fait, l'Internet des objets a été conçu comme un Internet normal de personnes, unissant les utilisateurs via des navigateurs Web, HTTP, etc., mais qui était censé combiner des «choses». Ensuite, nous avons créé l'Internet industriel des objets pour les systèmes de contrôle de la production, ce qui n'a rien à voir avec la possibilité d'ajuster la température du thermostat via le téléphone.

Pour que l'Internet industriel des objets fonctionne, vous devez:

1. «Dissocier» les appareils des applications et vous connecter à l'infrastructure.

Supposons que j'aie installé un bel ordinateur Advantech UNO, développé une excellente application pour cela, à laquelle j'ai connecté l'ordinateur via un protocole. Cela signifie que j'ai lié de manière rigide les capacités de l'ordinateur avec les capacités de l'application.

Et même si je trouve une solution à un problème, demain cela ne fonctionnera peut-être pas. Par exemple, pour profiter d'une quantité de données beaucoup plus importante, je dois changer le code.

C'est pourquoi les appareils doivent être connectés non pas à l'application, mais à l'infrastructure, puis y intégrer des applications. Dans ce cas, nous ne serons pas limités par les capacités des applications.

2. Créez une meilleure solution au niveau de la technologie d'exploitation (OT) que celle existante.

Je développe cette technologie depuis dix-neuf ans chez IBM, mais toutes les tentatives d'implémentation ont échoué car nous avons essayé de faire passer la technologie IIoT de l'informatique à la production.

Mais la solution IIoT doit fournir des données sur les «choses» et l'optimisation au niveau opérationnel, que l'entreprise crée IIoT - une usine, une entreprise pharmaceutique, un système d'approvisionnement en eau et d'assainissement ou des sociétés pétrolières et gazières. Et maintenant, j'essaie de créer une solution OT efficace dans B & B, car l'Internet des objets ne peut être créé que de bas en haut.

Selon une étude de 2016, MQTT est le protocole le plus utilisé sur Internet des objets (HTTP prend la première place, mais ne fournit pas de contrôle en temps réel, et nous ne le prenons pas en compte).

Il existe de nombreux serveurs sur le marché qui prennent en charge le protocole MQTT.

^{Serveurs MQTT}

Dans le même temps, le nombre de technologies clientes MQTT est limité.

^{Clients MQTT}

Mais dans les solutions IIoT, vous devez appliquer des technologies connues des étudiants d'hier en ingénierie et en informatique. Ainsi, les diplômés en informatique, par exemple en 2016, utilisent très probablement un Raspberry Pi à carte unique qui prend en charge le protocole MQTT pour allumer et éteindre la lumière dans la pièce. Cependant, ils peuvent ne pas savoir quels sont les protocoles OPC UA, Modbus, Allen-Bradley ou DMP 3.0. L'ouverture et l'accessibilité de ces technologies conduiront à l'émergence d'un grand nombre de solutions SRP.

Il n'existe pas d'instructions précises sur l'utilisation de MQTT dans les systèmes critiques de contrôle de la production en temps réel. Mais nous avons développé la spécification Sparkplug MQTT, qui définit certaines règles de base pour créer des systèmes de contrôle de production en temps réel en utilisant le protocole MQTT:

• Espace de noms de rubrique MQTT,
• Définition de la charge utile MQTT,
• MQTT State Management,
• Haute disponibilité / redondance / évolutivité.

Il s'agit d'une spécification open source accessible au public . De plus, nous avons développé une implémentation de référence de MQTT Client pour le flux de messages en C, Java, JavaScript, Python et Node Read. Par conséquent, nos partenaires de l'écosystème Advantech utilisent une seule spécification.

Nous devons donc «dissocier» les appareils des applications et proposer une solution OT plus avancée.

Nous nous efforçons de faire en sorte que les produits Advantech interagissent avec les éléments de l'IoT:

• capteurs de niveau de liquide dans les réservoirs,
• analyseurs de gaz chromatographiques
• unités de protection et de surveillance de la corrosion
• capteurs de débit,
• Capteurs de vitesse de moteur hydraulique, etc.

Le moyen d'une telle interaction est le protocole de livraison des données collectées par toutes ces «choses», qui a besoin de l'infrastructure et des canaux d'interaction entre ses composants.

Notre infrastructure MQTT comprend des appareils qui suivent les événements physiques et publient des données sur ces événements sur des courtiers de messages sécurisés. La gamme de produits Advantech vous permet non seulement de créer l'Internet des objets, mais également d'utiliser les routeurs SmartFlex et eWorks, qui publient des données et fournissent une interface pour les surveiller.

Après avoir «délié» les appareils des applications, vous pouvez intégrer des appareils et des modules d'accès Internet dans l'infrastructure et les signer sur des données publiées en temps réel via le protocole MQTT. À ce stade, il est nécessaire de démontrer à l'utilisateur, au directeur de production ou au responsable SCADA que notre solution OT est meilleure, plus rapide, plus sûre et plus facile à faire évoluer que les systèmes SCADA conventionnels.

Auparavant, plusieurs systèmes SCADA ne pouvaient pas être abonnés au même sujet. Mais si les systèmes ne sont pas liés à l'application, nous n'avons même pas besoin de déterminer quel système SCADA doit recevoir des informations au cours de la première ou de la deuxième étape - tous les systèmes, programmes et appareils peuvent avoir accès aux mêmes données de production en temps réel.

Et à ce stade, vous pouvez choisir d' autres solutions intéressantes et les intégrer dans l'infrastructure, par exemple, des applications de gestion d'actifs, l' optimisation de la conception et le travail technique, etc.

^{Advantech Énergie / Environnement unique Topologie de la solution Un}
flux de données simplifié vous permet de commencer à créer l'Internet industriel des choses avec lesquels nous sommes déjà familiers, notamment le big data, le cloud computing, etc. Vous pouvez utiliser Microsoft Azure, IBM Bluemix ou AWS IoT, ainsi que les fameux Hadoop et Big Data, Storm et Spark et divers outils de visualisation et d'analyse. Mais il est impossible d'être à ce niveau si les appareils sont connectés à des applications et ne sont pas intégrés à l'infrastructure nécessaire.