Standardizovaná komunikace IoT zjednodušuje implementaci konceptu Průmysl 4.0

Vzhledem k tomu, že se informační a automatizační technologie stále více sbližují, mnohem častěji se v projektech průmyslového řízení používají komunikační služby založené na cloudu. V důsledku toho se stále více dostává do popředí i řídicí technologie založená na PC. Za tímto účelem podporuje automatizační software TwinCAT společnosti Beckhoff příslušné komunikační standardy, jako jsou OPC UA, MQTT a AMQP, což zjednodušuje implementaci výrobních koncepcí založených na cloudu.

Standardizovaná komunikace IoT zjednodušuje implementaci konceptu Průmysl 4.0


V současné době lze pro automatizaci připravovat průkopnická řešení, která rozšiřují rozsah konvenčních řídicích systémů, a to prostřednictvím implementace velkých dat, vytěžování dat a monitorování stavu a výkonu. Strategie Průmysl 4.0 a Internet věcí (IoT) však kladou nové výzvy na komunikaci mezi zařízeními a službami. Pokud jde o klasickou komunikační pyramidu, jedná se o rozsáhlou výměnu dat mezi senzory a vrstvami vyšší úrovně. A navíc hraje i nadále ve všech moderních výrobních závodech důležitou roli horizontální komunikace mezi zařízeními. 

Řízení založené na PC integruje cloudové služby a message brokera

 Řízení založené na PC poskytuje klíčové technologie pro pokročilé komunikační scénáře a stalo se nedílnou součástí mnoha současných automatizačních projektů. Cloud stále více přebírá úlohu nástroje umožňujícího tyto IoT projekty. Po celém světě dodávají poskytovatelé cloudových služeb zákazníkům své infrastruktury a služby abstrahovaným způsobem, čímž minimalizují složitost konfigurace systému. 

Takové cloudové služby mohou, kromě složitých algoritmů pro strojové učení, které jsou hostovány a prováděny na infrastruktuře poskytovatele cloudu, poskytovat i základní funkce pro ukládání, jako jsou databáze SQL nebo noSQL, Při komunikaci se službami ve veřejném cloudu se k příjmu dat často používá message broker. Z pohledu transportního protokolu představuje message broker bezpečný a standardizovaný koncový bod pro distribuci zpráv do cloudu a slouží jako prostředek k přístupu a použití jiných služeb cloudu (obrázek 1). Mezi oblíbené příklady takových zprostředkovatelských služeb ve veřejných cloudech patří Microsoft Azure™ IoT Hub, Amazon Web Services IoT, IBM Watson IoT a Google IoT. 

Komunikační protokol IoT: MQTT

 Základním transportním protokolem je společný jmenovatel pro všechny tyto platformy. Protokol pro přenos dat byl vytvořen poměrně brzy ve formě protokolu MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) a přijali jej všechny hlavní veřejné cloudové systémy. Jednoduchost a nízká režie činí tento protokol atraktivním i pro aplikace, kde si malé vestavěné systémy musí vyměňovat data přes nestabilní komunikační linky - buď s cloudem anebo vzájemně mezi sebou. 

Na rozdíl od konvenčních aplikací typu klient-server, které jsou v oblasti automatizace známé již řadu let, je protokol MQTT založen na principu Publisher-subscriber. V důsledku toho je integrace ve stávajících IT infrastrukturách zjednodušena, a to díky datovým spojům, které jsou pouze odchozí. Kromě toho lze pro zabezpečení přenosového kanálu a implementaci mechanismů ověřování zařízení použít i zavedené bezpečnostní mechanismy, jako je například TLS. 

Přesto, i když byl přenosový kanál přes MQTT standardizován, neposkytuje MQTT žádné informace o obsahu zprávy. Důvodem je skutečnost, že obsah zprávy je podle specifikace deklarován jako „čistě binární“, takže způsob serializace a de-serializace obsahu zpráv se u různých aplikací i dodavatelů liší. V cloudových systémech je již po řadu let běžnou praxí obvyklé používání JavaScript Object Notation (JSON) pro kódování obsahu zpráv, avšak obsahy zpráv JSON mohou být také pro jednotlivé aplikace specifické a liší se od výrobce k výrobci, a dokonce i od jednoho poskytovatele cloudu ke druhému. 

Z pohledu aplikace to vede k extrémně obtížnému následnému zpracování dat. Naštěstí se organizace OPC Foundation zabývala ve svém komunikačním protokolu Unified Architecture (UA) právě výhodami komunikace založené na cloudových technologiích na základě principů Publisher-subscriber. Odpovídající pracovní skupina v rámci OPC Foundation rozšiřuje specifikaci OPC UA založenou na základě mechanismu Publisher-subscriber. Protokol MQTT byl vybrán jako transportní protokol, jelikož přenosový kanál v OPC UA je vyměnitelný a ve výsledku je možné se vyhnout potřebě vytvořit transportní kanál pro mechanismy Publisher-subscriber. Tímto způsobem lze dosáhnout vysoké úrovně kompatibility s existujícími systémy, což je dále podporováno rostoucí popularitou MQTT v rámci cloudových systémů. 

Bezproblémová integrace standardních IoT protokolů do TwinCATu

S novými produkty a koncepcemi IoT poskytuje vývojový a řídící software TwinCAT 3 ideální technologickou základnu pro koncepce Industrie 4.0 a komunikaci IoT. Navíc nové I/O komponenty od společnosti Beckhoff, jako je například IoT Bus Coupler EK9160, umožňují bezproblémovou a snadno konfigurovatelnou integraci do veřejných a soukromých cloudových aplikací.

 

Pro tyto účely je automatizační software TwinCAT obohacen o doplňkové produkty TwinCAT OPC UA a TwinCAT IoT, a to tak, že zahrnuje pro cloud standardizované a bezpečné komunikační cesty (nejen). Platforma poskytuje jak funkce protokolu MQTT publisher-subscriber a OPC UA, jako je například klasická komunikace klient/server, historický přístup, alarmy a podmínky, tak i různé mechanismy pro komunikaci a přístup k obsahu řídicí logiky. Komunikaci lze tímto způsobem zajistit pomocí populárních cloudových systémů, jako jsou Microsoft Azure™, Amazon Web Services, IBM Watson, Google IoT, stejně jako prostřednictvím privátních cloudových scénářů v rámci příslušné firemní nebo strojní sítě. Tímto způsobem lze připojit systémy společnosti Beckhoff do cloudu pomocí OPC UA a prostřednictvím systémů třetích stran. Díky nepřetržité spolupráci společnosti Beckhoff s příslušnými pracovními skupinami organizace OPC Foundation byly první prototypy OPC UA publisher-subscriber úspěšně implementovány ještě před dokončením rozšíření specifikací.

 

Úvodní foto: Beckhoff










Komentáře