Internet Industriel des Objets IIOT : La transformation numérique industrielle simplifiée avec MQTT

Résumé
                        
                            
                                Par Arlen Nipper
Cet article examinera les problèmes liés aux protocoles de fabrication propriétaires et expliquera comment le standard ouvert MQTT peut activer la transformation numérique.
                            
                        

                        
                            
                             La transformation numérique industrielle simplifiée avec MQTT
                        
                    L'Internet des objets industriel (IIoT) a connu une croissance régulière ces dernières années, IDC prévoyant que les dépenses mondiales en IoT dépasseront les 1000 milliards de dollars en 2022, menées par la fabrication discrète et la fabrication par processus. Les scientifiques des données sont désormais chargés de se connecter à l'usine pour utiliser l'analyse du Big Data, l'apprentissage automatique et l'intelligence artificielle, et ces nouvelles exigences entraînent un besoin de changement.

La transformation numérique entraînera une augmentation des performances, une efficacité accrue et une maintenance et des temps d'arrêt réduits. Les avantages entraînent en fin de compte une augmentation des revenus, des parts de marché et des bénéfices. Afin de réaliser ces avantages, les entreprises doivent combler le fossé OT / IT et alimenter la machine en données de manière sécurisée, facilement consommable et rentable.

L'industrie adopte MQ Telemetry Transport, ou MQTT, pour implémenter une architecture standard ouverte pour la transformation numérique. MQTT facilite l'accès aux données et fonctionne avec les meilleures applications ML et AI de sa catégorie, permettant aux entreprises d'extraire de la valeur des données de processus auparavant indisponibles pour atteindre leurs objectifs commerciaux. Cet article examinera les problèmes liés aux protocoles de fabrication propriétaires et expliquera comment le standard ouvert MQTT peut activer la transformation numérique.
La transformation numérique commence là où les données sont produites

Les données peuvent être produites en usine ou en bordure d'une solution SCADA. L'automatisation industrielle et la technologie de télémétrie sont restées pratiquement inchangées depuis 40 ans, principalement à l'aide de protocoles d'interrogation / réponse propriétaires provenant des API et des capteurs. Les données brutes sont envoyées avec des mappages de registres cryptiques à un hôte MES ou SCADA / DCS. Les données sont généralement configurées manuellement pour entrer des éléments contextuels dans chaque balise, ce qui est extrêmement inefficace.

Les protocoles de sondage / réponse obligent l'hôte à demander à plusieurs reprises les mêmes informations, même si la plupart du temps elles n'ont pas changé de manière significative ou même pas du tout. C'est ce que nous appelons «dispositif étroitement couplé», ce qui signifie que les producteurs de données sont liés à une application propriétaire, telle que l'hôte SCADA / DCS (figure 1). En conséquence, la réponse globale du système est lente et les opérations ne peuvent pas récupérer d'autres données sur le terrain en raison des limitations de la bande passante, ce qui rend la véritable transformation numérique presque impossible.

Figure 1: Les protocoles de sondage / réponse ont une utilisation limitée pour la transformation numérique, avec un producteur de données et un consommateur de données

Il existe des centaines de ces protocoles industriels complexes chez différents fabricants de matériel, chacun avec son langage ésotérique qui crée des barrières à l'information. Tous les autres consommateurs de données au sein de l'entreprise sont limités par les opérations qui leur donneront et doivent utiliser des API complexes pour extraire les données, transformant le système SCADA en un mauvais service de middleware de messagerie. Compléter cet échange de données est souvent appelé combler le fossé OT / IT, mais les fabricants industriels traditionnels ne le font pas très bien.

Figure 2: les systèmes SCADA traditionnels isolent les données OT et ne peuvent pas gérer plusieurs consommateurs de données

Un système traditionnel est illustré à la figure 2, où SCADA possède le chemin de données créé pour les opérations, ou données OT. Maintenant, les nouveaux consommateurs demandent également des données OT et d'autres données. Une nouvelle application ou un nouveau code personnalisé est écrit pour extraire ces données de SCADA. L'hôte SCADA interroge maintenant les données dont il n'a pas besoin pour les opérations OT. Cela continue à mesure que de nouveaux consommateurs de données sont ajoutés, créant une entreprise fragile d'applications coûteuses à gérer et qui arrive à un point où elle ne répond pas aux besoins de l'organisation et est trop complexe à changer. Aucune innovation ne se produit et l'organisation est coincée de passer à une nouvelle technologie sans coûts énormes et interruption des opérations.
MQTT permet à plusieurs producteurs et consommateurs de données

Pour que la transformation numérique réussisse, les données doivent être découplées et dotées d'une architecture de solution à l'échelle de l'entreprise. Les données doivent pouvoir circuler vers les applications d'entreprise dans une approche un-à-plusieurs.

J'ai co-inventé MQ Telemetry Transport (MQTT) en 1999 avec le Dr Andy Stanford-Clark d'IBM comme standard ouvert pour la gestion d'un pipeline. Le projet était pour Phillips 66, et ils voulaient utiliser les communications VSAT plus efficacement pour leur système SCADA critique en temps réel. Plusieurs consommateurs de données souhaitaient avoir accès aux informations en temps réel (figure 3).

Figure 3: MQTT a été inventé pour servir plusieurs consommateurs de données et plusieurs producteurs de données

MQTT est un protocole de messagerie de publication / abonnement, extrêmement simple et léger. Il est conçu pour les appareils contraints et les réseaux à faible bande passante, à latence élevée ou peu fiables. MQTT minimise la bande passante du réseau et les besoins en ressources de l'appareil tout en essayant d'assurer la fiabilité et un certain degré d'assurance de livraison. MQTT est entièrement basé sur TCP / IP, nous utilisons donc ces normes pour une sécurité optimale.

MQTT résout les problèmes créés par les protocoles d'interrogation / réponse avec la méthode de publication / abonnement. Au lieu que l'hôte demande les mêmes points de données à maintes reprises, MQTT ne signale les données que si elles changent – signalez par exception. Le remplacement d'un réseau d'interrogation / réponse par un réseau basé sur MQTT réduit considérablement l'utilisation du réseau, économisant de 80 à 95% de la bande passante. Cela signifie que les modifications peuvent être envoyées plus rapidement et la disponibilité des données est globalement augmentée.

MQTT permet également de multiples consommateurs de données (figure 4). Vous pouvez publier les données d'un actif de fabrication et plusieurs applications peuvent les consommer en même temps. MQTT permet une seule source de vérité pour les données et que les données sont standard et open source, donc tout le monde peut l'utiliser.

Figure 4: L'architecture de base MQTT permet un nombre illimité de clients sur un protocole de publication / abonnement. Le passage à un modèle de publication / abonnement avec MQTT permet cette transition d'une approche un à un à une à plusieurs, encourageant les innovations tout en faisant il est facile d'adopter de nouvelles technologies. Les producteurs de données publient les données au format Sparkplug B sur un serveur MQTT. Le serveur MQTT permet à ceux qui ont un accès sécurisé de s'abonner aux données. L'application OT souscrira aux données au lieu de les interroger dans une connexion bidirectionnelle qui est également utilisée pour le contrôle. Si un nouveau point de consigne doit être envoyé, l'application OT publiera un message de commande pour écrire la valeur sur un API ou un appareil.

La technologie MQTT est utilisée depuis plus de 20 ans pour les applications industrielles critiques dans les entreprises Fortune 100. Aujourd'hui, avec l'émergence de l'IIOT, MQTT est le protocole de messagerie le plus utilisé car il permet aux entreprises d'accéder à davantage de données de leurs usines et de leurs processus, et de les partager dans toute l'entreprise.
MQTT donne accès aux données de l'équipement hérité

La fabrication industrielle est en grande partie un environnement de friches industrielles pour les équipements et les systèmes. Les actifs de fabrication sont chers et peuvent durer plus de 20 ou 30 ans, il n’est donc pas très logique de remplacer les anciens systèmes s’ils fonctionnent toujours. Cependant, les données OT sont propriétaires et cryptiques par nature et n'ont généralement pas de contexte concernant la dénomination, les unités d'ingénierie ou la mise à l'échelle. Pour qu'une véritable transformation numérique se produise dans l'entreprise, les données de friche industrielle doivent être normalisées et transformées en données consommables par les TI.

L'IIoT optimisé par MQTT fournit une solution rentable pour accéder aux données sur les appareils contaminés. MQTT peut transporter les données d'un capteur, vers un périphérique (tel qu'un API), vers une passerelle Edge, puis vers le système SCADA / MES en usine.

Les solutions IIoT sont souvent étroites, avec une efficacité limitée pour une utilisation dans l'ensemble de l'entreprise. L'objectif est d'adopter des solutions utilisant une approche commune et standard ouverte. Nous avons récemment créé une spécification dans le projet Eclipse Tahu appelée Sparkplug qui définit comment utiliser MQTT dans un environnement critique en temps réel. Sparkplug définit un espace de noms de rubrique MQTT standard, une charge utile et une gestion d'état de session pour les applications industrielles tout en répondant aux exigences des implémentations SCADA en temps réel. Sparkplug est un standard ouvert sans licence d'utilisation et constitue un excellent point de départ pour l'utilisation de MQTT. La spécification Sparkplug B fournit les données de contexte nécessaires pour définir une valeur de balise à utiliser avec OT, fournissant également des données à l'informatique, ce qui la rend 100% auto-détectable et facile à consommer.

La transformation numérique consiste à utiliser une technologie numérique nouvelle, rapide et changeant fréquemment pour résoudre les problèmes. Dans le monde industriel, une stratégie complète de transformation numérique doit permettre de mieux comprendre l'ensemble des chaînes de valeur de l'entreprise grâce à la normalisation des données et à une intégration facile avec divers consommateurs de données, allant des services cloud aux applications AI et ML. Trop souvent, les projets ayant échoué sont basés sur des solutions propriétaires spécifiques à un processus. Le résultat propriétaire n'est pas évolutif et ne répond pas aux attentes de retour sur investissement.

L'utilisation de MQTT avec la représentation de données Sparkplug au standard ouvert fournit aux organisations les outils nécessaires pour créer une solution rentable de transformation numérique dans leur entreprise. Avec un risque et un coût minimes, MQTT permet aux données OT d'être consommées avec des configurations simples sur des outils logiciels éprouvés qui comblent en toute sécurité l'écart OT / IT et fournissent des informations contextuelles pour que les scientifiques des données utilisent Big Data Analytics, ML et AI pour obtenir un aperçu et augmenter la productivité et le profit.

A propos de l'auteur
                            
                            Arlen Nipper apporte plus de 42 années d'expérience dans l'industrie SCADA à Cirrus Link en tant que président et directeur technique.
                        

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