Internet Industriel des Objets IIOT : Ce que Pub / Sub signifie pour les réseaux industriels

Avec le brouhaha de l'industrie sur les applications de l'industrie 4.0 gourmandes en données comme la maintenance prédictive ou la fabrication flexible pour soutenir la production de biens hautement configurés, tous les regards sont tournés vers les technologies avancées telles que l'intelligence artificielle, la robotique et les appareils connectés. , mais les aspects essentiels pour permettre la prochaine ère de l'automatisation intelligente sont une réinvention des architectures de réseaux industriels, loin des protocoles propriétaires et des silos d'informations verrouillés pour prendre en charge les normes ouvertes, l'interopérabilité et l'échange de données en temps réel. Au cœur de ce changement se trouve le modèle de publication et d'abonnement, communément appelé pub / sub, qui gagne rapidement du terrain via une poignée de normes émergentes, en particulier le Message Queuing Telemetry Transport (MQTT) et l'OPC Unified Architecture (OPC) UA) avec des extensions pub / sub et de mise en réseau sensible au temps (TSN) pour prendre en charge les applications temporelles ou déterministes.Les architectures de réseaux industriels traditionnels sont construites autour d'un concept maître / esclave ou client / serveur. Dans ces scénarios, les contrôleurs logiques programmables (API) ou les postes de travail hôtes pratiquent des communications un à un ou un à plusieurs avec des instruments de terrain, tels que des capteurs et des vannes, pour collecter les informations dont ils ont besoin pour une application particulière ou exécuter un contrôle spécifique. algorithme. Un automate maître, ou un client spécifié, envoie une demande directe d'informations, comme des relevés de température ou des temps de cycle, et les dispositifs ou serveurs esclaves désignés de manière appropriée répondent en conséquence à des intervalles convenus. Bien que ce paradigme de communication étroitement couplé fonctionne lorsque les données sont limitées partageant les exigences, il devient un désastre de débit de réseau et de formatage de données lorsqu'une armée de capteurs distribués, d'appareils et d'équipements industriels est enrôlée pour partager des données en temps réel afin de prendre en charge la nouvelle génération d'Internet des objets industriels (IIoT) et les applications d'automatisation intelligente. «Si votre objectif est d'avoir un tas d'appareils distribués qui se parlent tous, cela devient un problème exponentiel si chaque appareil doit être conscient de chaque autre appareil et de l'application à laquelle il veut parler», explique Josh Eastburn, directeur de marketing technique pour Opto 22. «Ils peuvent communiquer sur différents protocoles ou ports, et cela complique l'infrastructure réseau.» Entrez le modèle pub / sub, qui dissocie tous les appareils les uns des autres ainsi que les applications des terminaux. Dans une architecture pub / sub, un courtier central reçoit et distribue toutes les données. Les clients s'abonnent aux données dont ils ont besoin et le courtier de messages achemine automatiquement les données appropriées vers tous les abonnés demandeurs, ce qui élimine la charge d'interroger constamment les appareils pour les mises à jour des messages. De plus, dans le modèle pub / sub, les données ne sont communiquées que lorsqu'elles changent – les données statiques ne sont pas envoyées de manière répétée. Cette approche réduit considérablement le trafic réseau et est infiniment plus évolutive. L'architecture réseau est également rationalisée car, au lieu qu'un seul appareil ait besoin de communiquer avec des dizaines d'appareils ou d'applications pour exécuter une fonction particulière, la communication est établie via un serveur unique qui relaie les informations vers tout appareil ou application qui le souhaite. Pub / sub atténue également l'obstacle de longue date d'avoir à concevoir du code personnalisé et un mappage complexe pour partager des données entre des périphériques propriétaires et sur différents protocoles de réseau. «Il existe de nombreux scénarios dans un environnement de système de contrôle où vous souhaitez les mêmes données au fil du temps , et l'idée pub / sub est que vous savez quelles données vous souhaitez échanger plus rapidement », explique Richard Carpenter, directeur général de la gestion des produits chez Emerson Automation Solutions. «De plus, comme les gens mettent en place des modèles plus sophistiqués et ont besoin de quelque chose de plus proche des données en temps réel, le modèle client / serveur traditionnel n'est pas assez efficace pour obtenir les volumes de données dont ils ont besoin.» B&R Industrial Automation voit le modèle pub / sub entrant en jeu pour s'adapter aux scénarios de fabrication flexibles de l'industrie 4.0 dans lesquels les machines deviennent plus modulaires, les processus changent à la volée et les machines disparates de différents fournisseurs doivent communiquer de manière plus uniforme. B&R présente un exemple hypothétique de technologie de voie et d'un système de transport utilisé pour produire des smoothies sur commande du client, dans une taille de lot unique, comme exemple de l'endroit où le modèle pub / sub peut briller. Une telle application est parfaitement adaptée à un réseau convergent utilisant pub / sub pour fournir un contrôle déterministe de la machine et pour la communication bidirectionnelle des recettes à partir du cloud et des données de production envoyées au cloud, disent les responsables de B&R. «Ces applications nécessitent une intelligence décentralisée sur un au niveau du terrain, pas un réseau où chaque appareil parle à chaque appareil », explique Stefan Bina, chef de produit, solutions réseau IoT industrielles pour B&R, qui note que les modèles traditionnels favorisent trop de trafic réseau et amplifient la charge de traitement sur les appareils eux-mêmes. «C'est là que vous avez besoin de protocoles de communication qui sont assez efficaces pour équilibrer les charges du réseau et distribuer des messages à leurs homologues.» Les puces Hilscher netX prennent en charge tous les protocoles de communication industriels populaires, y compris pub / sub, ce qui présente des avantages pour les applications d'automatisation en temps réel, notamment temps de réponse plus rapide, latence réduite et flexibilité accrue.
Image gracieuseté de Hilscher
Les extensions MQTT et OPC UA occupent une place centrale
Le modèle pub / sub est de plus en plus accepté dans les scénarios d'automatisation industrielle de deux manières différentes. Une manifestation importante est la popularité croissante de la spécification du middleware de messagerie MQTT open source dans les plates-formes et le matériel d'automatisation industrielle. Populaire dans les scénarios de réseau de technologie de l'information d'entreprise (IT), MQTT a des racines dans le secteur industriel où il a été développé par une paire d'ingénieurs IBM pour résoudre les problèmes de compatibilité et de fiabilité associés aux connexions par satellite aux systèmes de contrôle de supervision et d'acquisition de données (SCADA) déployés sur grands oléoducs à distance. Selon le sondage IoT 2019 de The Eclipse Foundation sur les développeurs, MQTT émerge rapidement comme la norme de facto pour les applications Internet des objets.Au cours des deux dernières années, MQTT a remporté un soutien important des fournisseurs d'automatisation, des sociétés de matériel informatique comme Schneider Electric aux spécialistes de la collecte de données. comme Moxa en raison de ses atouts pour les applications IIoT. Plus précisément, les experts citent la diversité de la charge utile de MQTT, qui se réfère au type de contenu qui peut être partagé dans un message, ainsi qu'à sa capacité à maintenir une connaissance de l'état via son utilisation des certificats de naissance et de décès pour marquer de nouvelles connexions client sur le réseau ainsi que lorsque la connectivité est perdue, autant d'éléments essentiels à l'activation des applications de contrôle industriel. Un autre avantage majeur de MQTT pour l'ère IIoT est ses faibles besoins en bande passante réseau, car il ne publie des données que sur des appareils spécifiés lorsqu'ils changent. pour définir une norme ouverte et interopérable pour rationaliser l'accès aux données industrielles, tout comme HTML l'a fait pour les données Web. "La dynamique du MQTT est motivée par le fait que les organisations souhaitent que davantage d'informations restent bloquées sur le terrain aujourd'hui", explique Arlen Nipper. , l'un des ingénieurs qui a créé MQTT et est maintenant président et directeur technique de Cirrus Link Solutions, qui commercialise les serveurs MQTT parmi d'autres logiciels liés à l'IIoT. «L'Internet des personnes a explosé sur la base de deux technologies: HTTP pour envoyer des messages et HTML pour représenter ces données. Nous devons créer une infrastructure OT (technologie des opérations) propice à la connectivité cloud qui soit ouverte et facile à utiliser. " Nipper affirme que MQTT émerge rapidement en tant que mécanisme de transport pour l'IIoT tandis que Sparkplug est positionné comme un moyen de représenter les données.Inductive Automation fait un gros pari sur MQTT avec ses solutions Ignition IoT, qui incorporent les modules d'injection MQTT du partenaire Cirrus Link. Grâce au modèle pub / sub, les produits Ignition Edge permettent de découpler, de saisir les données plus près des automates et de les acheminer vers une base de données centrale. Ses systèmes SCADA peuvent également exploiter ces données sans avoir à servir de couche intermédiaire et sans nécessiter de codage personnalisé. Dans une démo récente, la société a utilisé pub / sub pour se connecter à 1 600 appareils tout en découvrant 180 000 tags en quelques minutes, selon Travis Cox, co-directeur de l'ingénierie des ventes chez Inductive Automation. «La plupart des entreprises qui ont un système SCADA apportent des données, ce qui crée beaucoup de code personnalisé qui doit être maintenu» et rend le système fragile, explique-t-il. "SCADA n'est pas conçu pour être un middleware, il est conçu pour être un système SCADA." Avec MQTT, Inductive Automation prend également en charge OPC UA, à la fois en tant que serveur et client, et surveille de près l'extension pub / sub d'OPC UA. Cox croit que le pub / sub est la voie de l'avenir, mais concède qu'il existe de nombreux appareils hérités et des installations de friches industrielles qui nécessiteront un pont vers une approche de mise en réseau traditionnelle. "Vous devez être en mesure d'équilibrer l'ancien et le nouveau", dit-il. Le système de transport flexible conceptuel de B&R montre comment un réseau convergé utilisant pub / sub fournit un contrôle déterministe de la machine et communique des recettes du cloud et des données de production au cloud. Image courtoisie de B&R Automation
Chez de nombreux fournisseurs d'automatisation, les normes pub / sub sont prises en charge – pour MQTT lors de la communication de données vers le cloud et pour OPC UA et les extensions pub / sub et TSN au niveau de l'automate et du PC d'automatisation. Hilscher dit qu'il est déterminé à prendre en charge tous les mécanismes de communication qui gagnent en traction dans ses puces netX et a démontré son soutien à OPC UA pub / sub sur TSN et MQTT dans le cadre de sa feuille de route. Le logiciel TwinCat3 de Beckhoff, qui transforme n'importe quel PC en contrôleur en temps réel, prend désormais en charge MQTT et prendra également en charge l'extension OPC UA pub / sub. De son côté, B&R a présenté l'automne dernier une famille d'automates X20, de contrôleurs de bus, de PC industriels et d'un commutateur de communication pour les réseaux convergés en temps réel qui utilisent le protocole OPC UA sur TSN pour prendre en charge les applications intelligentes de surveillance des conditions et de maintenance prédictive. La société prévoit également de prendre en charge la norme OPC UA pub / sub pour l'envoi de données via MQTT. "MQTT est un mécanisme parfait pour la connectivité au cloud, mais ce que les utilisateurs ne veulent pas, c'est remodeler les informations OPC UA dans un modèle MQTT, puis perdre toutes les informations contextuelles qui sont si merveilleusement décrites dans un monde OPC UA", explique Bina de B&R. «Nous examinons le modèle qui transporte les données OPC UA en tant que charge utile sur MQTT et les utilisons dans nos produits.» Opto 22 considère également que les normes sont largement complémentaires avec pub / sub jouant un rôle pour les appareils à ressources limitées et OPC UA pour les appareils déplaçant de plus grandes quantités d'informations. Le groov EPIC (Edge Programmable Industrial Controller) de la société prend en charge MQTT afin que l'appareil puisse publier en toute sécurité des données utiles pour la maintenance prédictive, la journalisation des performances et les applications de facturation sur n'importe quel serveur MQTT accessible. Plus récemment, Opto 22 a annoncé la sortie de groov RIO, une famille d'E / S distribuées intelligentes pour IIoT et des applications d'automatisation qui peuvent connecter des commutateurs et capteurs filaires traditionnels à des réseaux Ethernet, des applications logicielles et des plates-formes cloud sans matériel de communication comme les API, contrôleurs d'automatisation programmables (PAC) ou PC. Le groov RIO prend en charge la publication de données avec MQTT Sparkplug.Bien que la plupart des acteurs de l'automatisation voient le pub / sub comme l'avenir des réseaux industriels et des communications, la plupart reconnaissent que l'industrie évolue lentement et qu'il y a beaucoup d'obstacles, d'une multitude d'environnements de friches industrielles qui seraient coût prohibitif à éliminer à la résistance habituelle au changement et aux barrières culturelles. Étant donné que les spécifications (en particulier OPC UA pub / sub) sont relativement nouvelles, il faut du temps pour que les gens se familiarisent avec la technologie et que les produits éprouvés soient mis sur le marché. Il y a aussi le facteur talent – tandis que les environnements industriels ont accès à des experts versé dans les technologies opérationnelles traditionnelles et les systèmes propriétaires, il y a moins de personnes dans les usines qui connaissent les technologies et les systèmes de réseautage informatique courants. «Il y a plus de défis politiques et économiques [to pub/sub adoption] qu'autre chose », explique Cox d'Inductive Automation. "Les entreprises doivent voir cela comme une opportunité et si elles ne le font pas, elles vont se laisser distancer."

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