O papel do protocolo MQTT no desenvolvimento da Internet industrial das coisas

Muitas vezes, organizamos eventos para os quais convidamos especialistas em automação industrial. Em 2016, Arlen Nipper, um dos criadores do protocolo MQTT, veio até nós. Queremos compartilhar seu relatório na tradução para o russo.


Hoje vou falar sobre a Internet das Coisas Industrial (IIoT) e o protocolo de troca de dados MQTT . Em 1978, estudei engenharia elétrica na Universidade de Oklahoma. Eu me perguntava: por que estou fazendo isso, é chato e não emocionante. Então tive a oportunidade de ser estagiário na Amoco Pipeline. A empresa instalou um sistema automatizado de gerenciamento e controle de dados - SCADA (Supervisory Control & Data Acquisition). Ele incluía CLPs (controladores lógicos programáveis) que transmitiam dados para o computador central do PDP-11 por meio de linhas telefônicas multicanais por modems Bell 202. E em 2016 usamos os mesmos sistemas SCADA de 35 anos atrás.

E os mesmos sistemas SCADA, sistemas de automação de produção, sistemas de controle e gerenciamento de produção se tornam um elemento da infraestrutura da IIoT.

Para que serve a infraestrutura IIoT? Os usuários tendem a obter mais oportunidades gastando menos recursos. Isso não pode ser alcançado sem a obtenção e o uso de dados de produção de nível inferior.

Primeiro, as tecnologias da informação foram introduzidas em todos os lugares. Então "nuvens" apareceram e todos tiveram acesso à Internet. Agora resta apenas usar a "nuvem" para sistemas SCADA.

Portanto, começamos a reescrever antigos protocolos de código fechado. Então, no mercado apareceu Modbus, Allen-Bradley, DNP 3.0. E depois houve uma desregulamentação das atividades das empresas de telecomunicações, incluindo a AT&T. Antes disso, os sistemas de controle de processos de produção, sistemas SCADA etc. trabalhavam em excelentes condições: a AT&T recebeu grandes subsídios e estava pronta para puxar suas linhas telefônicas para onde quiséssemos. Após a desregulamentação, os preços dispararam e a qualidade caiu.

Começamos a usar sistemas VSAT, mas eles funcionavam lentamente, com um grande atraso de sinal, e a pesquisa constante de dispositivos era muito cara.

Como resultado de um projeto conjunto entre Phillips 66 e IBM, do qual participei há 19 anos, apareceu o protocolo de rede MQTT (transporte de telemetria MQ), usado por quase 20 anos. Em 1999, não tínhamos idéia da Internet das coisas ou da "nuvem", mas simplesmente procurávamos maneiras de resolver o problema. Mas conseguimos criar um protocolo para sistemas críticos de monitoramento de pipeline em tempo real. Hoje, o protocolo MQTT é um dos protocolos de aplicativos mais usados.

Na verdade, a Internet das coisas foi concebida como uma Internet normal das pessoas, unindo usuários através de navegadores da Web, HTTP, etc., mas que deveria combinar “coisas”. Em seguida, criamos a Internet industrial das coisas para sistemas de controle de produção, que nada tem a ver com a capacidade de ajustar a temperatura do termostato pelo telefone.

Para que a Internet industrial das coisas funcione, é necessário:

1. "Desvincular" dispositivos dos aplicativos e conectar-se à infraestrutura.

Suponha que eu instalei um belo computador Advantech UNO, desenvolvi um excelente aplicativo para ele, ao qual conectei o computador através de um protocolo. Isso significa que vinculei rigidamente os recursos do computador aos recursos do aplicativo.

E mesmo que eu encontre uma solução para um problema, amanhã pode não funcionar. Por exemplo, para tirar proveito de uma quantidade muito maior de dados, tenho que alterar o código.

É por isso que os dispositivos precisam ser conectados não ao aplicativo, mas à infraestrutura e, em seguida, incorporar aplicativos a ele. Nesse caso, não seremos limitados pelos recursos dos aplicativos.

2. Crie uma solução melhor no nível de tecnologia operacional (OT) que a existente.

Desenvolvo essa tecnologia há dezenove anos na IBM, mas todas as tentativas de implementação foram malsucedidas porque tentamos levar a tecnologia IIoT da TI para a produção.

Mas a solução IIoT deve fornecer dados de “coisas” e otimizar no nível operacional, independentemente de a IIoT estar sendo criada para uma planta, uma empresa farmacêutica, um sistema de abastecimento de água e saneamento ou empresas de petróleo e gás. E agora estou tentando criar uma solução eficaz de OT em B & B, porque a Internet das coisas só pode ser criada de baixo para cima.

De acordo com um estudo de 2016, o MQTT é o protocolo mais usado na Internet (o HTTP ocupa o primeiro lugar, mas não fornece controle em tempo real, e não o levamos em consideração).

Existem muitos servidores no mercado que suportam o protocolo MQTT.

^{Servidores MQTT}

Ao mesmo tempo, o número de tecnologias MQTT clientes é limitado.

^{Clientes MQTT}

Mas nas soluções IIoT, você precisa aplicar tecnologias conhecidas pelos estudantes de engenharia e especialidades de TI de ontem. Portanto, os graduados em especialidades de computador, por exemplo, 2016, provavelmente usam um Raspberry Pi de placa única que suporta o protocolo MQTT para ligar e desligar a luz na sala. No entanto, eles podem não saber o que são os protocolos OPC UA, Modbus, Allen-Bradley ou DMP 3.0. A abertura e acessibilidade de tais tecnologias levará ao surgimento de um grande número de soluções SRP.

Instruções precisas para o uso do MQTT em sistemas críticos de controle de produção em tempo real não existem. Mas desenvolvemos a especificação Sparkplug MQTT, que define algumas regras básicas para a criação de sistemas de controle de produção em tempo real usando o protocolo MQTT:

• Namespace de tópico do MQTT,
• Definição de carga útil do MQTT,
• Gerenciamento de Estado do MQTT,
• Alta disponibilidade / redundância / escala.

Esta é uma especificação de código aberto disponível publicamente . Além disso, desenvolvemos uma implementação de referência do MQTT Client para fluxo de mensagens em C, Java, JavaScript, Python e Node Read. Portanto, nossos parceiros no ecossistema Advantech usam uma única especificação.

Portanto, devemos "desatar" os dispositivos dos aplicativos e oferecer uma solução OT mais avançada.

Nós nos esforçamos para garantir que os produtos Advantech interajam com as coisas da IoT:

• sensores de nível de líquido em tanques,
• analisadores de gases cromatográficos
• unidades de proteção e monitoramento contra corrosão
• sensores de vazão,
• Sensores de velocidade do motor hidráulico, etc.

O meio dessa interação é o protocolo para a entrega de dados coletados por todas essas “coisas”, que precisam da infraestrutura e dos canais de interação entre seus componentes.

Nossa infraestrutura MQTT inclui dispositivos que rastreiam eventos físicos e publicam dados sobre esses eventos em intermediários de mensagens seguros. A linha de produtos Advantech permite não apenas criar a Internet das coisas, mas também usar roteadores SmartFlex e eWorks, que publicam dados e fornecem uma interface para monitorá-los.

Depois de "desamarrar" os dispositivos dos aplicativos, é possível incorporar dispositivos e módulos de acesso à Internet à infraestrutura e assiná-los nos dados publicados em tempo real por meio do protocolo MQTT. Nesse estágio, é necessário demonstrar ao usuário, gerente de produção ou gerente SCADA que nossa solução OT é melhor, mais rápida, mais segura e mais fácil de dimensionar do que os sistemas SCADA convencionais.

Anteriormente, vários sistemas SCADA não podiam ser inscritos no mesmo tópico. Mas se os sistemas não estiverem vinculados ao aplicativo, nem precisamos determinar qual sistema SCADA deve receber informações no primeiro ou no segundo estágio - todos os sistemas, programas e dispositivos podem ter acesso aos mesmos dados de produção em tempo real.

E, nesse estágio, você pode escolher outras soluções interessantes e incorporá-las à infraestrutura, por exemplo, aplicativos de gerenciamento de ativos, otimização de projetos e trabalhos técnicos, etc.

^{Topologia Exclusiva da Solução de Energia / Ambiente da Advantech Um}
fluxo de dados otimizado permite que você comece a criar a Internet Industrial das Coisas com os quais já estamos familiarizados, incluindo big data, computação em nuvem etc. Você pode usar o Microsoft Azure, IBM Bluemix ou AWS IoT, bem como o conhecido Hadoop e Big Data, Storm e Spark e várias ferramentas de visualização e análise. Mas é impossível estar nesse nível se os dispositivos estiverem conectados aos aplicativos e não estiverem embutidos na infraestrutura necessária.