Протокол MQTT для промышленного Интернета вещей: как шлюзы подключают ПЛК и устройства к облачным платформам

В данной статье рассматриваются принципы работы протокола MQTT и протокола MQTT для промышленного Интернета вещей (IIoT), а также объясняется, как шлюзы MQTT подключают устройства ПЛК к облачным платформам.  

1. Что такое протокол MQTT?

MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) — это облегченный протокол обмена сообщениями по схеме «публикация-подписка», разработанный специально для Связь в рамках Интернета вещей (IoT).

В традиционной модели взаимодействия «устройство-сервер» каждое устройство поддерживает собственное соединение. Однако это создает проблему: по мере увеличения количества устройств соответственно растёт потребление ресурсов сервера.

MQTT заменяет традиционную модель на архитектуру «публикация-подписка». В архитектуре связи MQTT промышленные устройства выступают в качестве источников данных и публикуют данные в Брокер MQTT через издателей MQTT. Затем брокер пересылает сообщения на облачные платформы, в системы SCADA или другие прикладные системы в соответствии с отношениями подписки. Более подробную информацию о том, как брокер MQTT обеспечивает распределение сообщений, управление клиентами и безопасность, см. в соответствующих ресурсах.

Устройства больше не взаимодействуют напрямую с серверами; вместо этого они публикуют сообщения в брокере. Брокер перенаправляет эти сообщения в любую систему, которая подписалась на них.

Данная модель обеспечивает независимость отправителей и получателей данных друг от друга. Устройствам достаточно лишь публиковать данные, а облачные платформы или системы SCADA могут подписываться на эти данные и использовать их без необходимости установления прямого соединения.

Основные особенности протокола MQTT:

• Минимальный размер заголовка: всего 2 байта, подходит для каналов связи с низкой пропускной способностью и сотовых сетей

• Настраиваемое качество обслуживания (QoS 0/1/2): от режима «отправил и забыл» до гарантированной однократной доставки

• Низкие накладные расходы: устройства могут эффективно передавать данные даже в сетях с ограниченными ресурсами

Для получения более подробной информации о таких функциях, как сохранение сообщений и управление сессиями, ознакомьтесь с нашим базовым руководством по Протокол MQTT для промышленного Интернета вещей.

2. Значение протокола MQTT для промышленного Интернета вещей

В отличие от потребительского Интернета вещей (IoT), промышленные системы предъявляют более строгие требования к связи. Промышленные системы зачастую объединяют тысячи полевых устройств, поэтому им необходимо обеспечить надежность и безопасность при одновременном сохранении совместимости устройств. Протокол MQTT хорошо отвечает этим требованиям благодаря ряду конструктивных особенностей.

Простая коммуникация

Промышленные объекты часто подключаются через сотовые сети, особенно в удаленных местах, таких как ветряные электростанции или водоочистные сооружения. Благодаря небольшому размеру пакетов протокол MQTT подходит для сотовых сетей с ограниченной пропускной способностью. По сравнению с традиционной связью на основе HTTP он позволяет значительно сократить потребление пропускной способности — особенно в ситуациях, когда требуется частое обновление телеметрических данных.

Модель «публикация-подписка»

В традиционной модели «запрос-ответ» клиенты должны активно запрашивать данные, а сервер возвращает ответ. Между устройствами и серверами устанавливаются прямые связи. По мере роста числа устройств большое количество соединений и запросов приводит к увеличению нагрузки на сервер.

MQTT использует модель «публикация-подписка». Устройства выступают в роли издателей данных, отправляя данные брокеру MQTT; облачные платформы или системы SCADA получают данные, подписываясь на соответствующие темы. Издателям и подписчикам не требуется устанавливать прямое соединение друг с другом, что повышает масштабируемость и гибкость системы.

Настраиваемые уровни надежности передачи сообщений для промышленных сценариев

В различных областях промышленного применения предъявляются разные требования к надежности данных. Протокол MQTT предоставляет три уровня качества обслуживания (QoS) — 0, 1 и 2, — что позволяет инженерам выбирать подходящий способ передачи данных с учетом требований к работе в режиме реального времени, состояния сети и важности данных.

Удобная интеграция с облачными сервисами

Крупнейшие публичные облачные платформы и большинство частных облачных сред поддерживают обмен данными по протоколу MQTT. Промышленные шлюзы или устройства, поддерживающие MQTT, могут подключаться к облачным платформам через стандартные интерфейсы, что сокращает объем работ по разработке механизмов преобразования протоколов на стороне облачной платформы.

Производительность протокола MQTT в различных сетевых условиях и при разной нагрузке со стороны приложений еще раз подтверждает его преимущества в сфере промышленного Интернета вещей; подробнее см. Понимание протокола MQTT.

3. Архитектура MQTT в промышленном Интернете вещей: подключение полевых устройств к облачным платформам

В промышленных условиях уже на протяжении многих лет используется большое количество ПЛК, датчиков и измерительных приборов. Для сбора данных и управления обычно применяются полевые протоколы, такие как Modbus и BACnet, а не встроенная поддержка MQTT.

Типичная промышленная архитектура MQTT выглядит следующим образом:

В данной архитектуре полевые протоколы, такие как Modbus и BACnet, по-прежнему обеспечивают сбор данных и управление на стороне устройств, тогда как протокол MQTT используется для передачи обработанных данных на облачные платформы и в приложения верхних уровней. Промышленный шлюз, расположенный между ними, отвечает за подключение полевых устройств, преобразование протоколов и преобразование полевых данных в Сообщения MQTT.

Промышленный шлюз в основном обеспечивает обмен данными в двух направлениях:

• Связь в южном направлении: подключается к полевым устройствам с помощью таких протоколов, как Modbus RTU/TCP, BACnet, IEC 60870-5-104 и т. д.

• Сообщение о движении в северном направлении: преобразует собранные данные в сообщения MQTT и отправляет их на облачные платформы, в системы SCADA или другие прикладные системы.

Такая архитектура позволяет подключать традиционные промышленные системы к современным платформам Интернета вещей (IoT) без изменения существующих программ ПЛК и без замены полевых устройств.

4. Сценарии применения Протокол MQTT для промышленного Интернета вещей

Давайте рассмотрим сценарии где фактически внедряются промышленные архитектуры Интернета вещей на базе MQTT.

«Умные» заводы

Мониторинг ПЛК. На производственных линиях завода устанавливаются промышленные шлюзы, которые собирают данные о состоянии устройств, показателях производственного цикла и кодах неисправностей с ПЛК, датчиков и исполнительных механизмов, а затем преобразуют эти данные в сообщения MQTT, которые публикуются в центральном брокере. Системы MES и облачные панели мониторинга OEE получают данные в режиме реального времени путем подписки на темы, что позволяет осуществлять мониторинг производства и анализ эффективности.

Мониторинг энергопотребления

Счетчики электроэнергии подключаются к промышленным шлюзам по протоколам Modbus RTU или DL/T645. Шлюзы собирают данные о потреблении энергии в режиме реального времени и преобразуют их в сообщения MQTT, которые отправляются на брокер. Платформа управления энергопотреблением подписывается на эти данные для мониторинга потребления электроэнергии, анализа нагрузки и управления пиковым спросом в нескольких зданиях или на нескольких объектах.

Водоочистка и коммунальные услуги

В распределенных системах водоснабжения насосные станции и удаленные точки мониторинга зачастую располагаются в отдалённых районах. Промышленные шлюзы собирают данные о расходе, давлении и качестве воды через интерфейсы Modbus и датчики, а затем передают их по протоколу MQTT через сотовые сети на платформу мониторинга.

Дистанционный мониторинг оборудования

Производители оригинального оборудования (OEM) используют протокол MQTT для мониторинга оборудования, уже установленного на объектах заказчиков — компрессоров, генераторов, систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха и т. д. Они передают эксплуатационные данные на облачную платформу производителя для проведения профилактического технического обслуживания и удаленной диагностики.

5. Сравнение протоколов MQTT и HTTP в сфере промышленного Интернета вещей

MQTT против HTTP: MQTT и HTTP занимают принципиально разные позиции в сфере связи для Интернета вещей (IoT):

Для сценариев промышленной телеметрии с большим количеством устройств и частым обменном данными обычно более подходит протокол MQTT. Протокол HTTP более подходит для интеграции с REST API и сценариев пакетной загрузки данных.

6. Как выбрать шлюз MQTT

Выбор подходящего шлюза MQTT сводится к пяти факторам, которые следует учитывать.

Поддержка протоколов

Во-первых, необходимо уточнить, какие протоколы связи используют полевые устройства, например Modbus RTU, Modbus TCP, BACnet, IEC 60870-5-104, DNP3, DL/T645 или OPC UA. При выборе шлюза MQTT убедитесь, что он поддерживает протоколы, требуемые полевыми устройствами; в противном случае может потребоваться дополнительное оборудование для преобразования протоколов, что увеличит сложность системы и затраты на техническое обслуживание.

Возможность подключения

На промышленных объектах условия работы сетей, как правило, варьируются, поэтому шлюз должен поддерживать несколько способов подключения в зависимости от условий эксплуатации, таких как Ethernet, Wi-Fi и сотовые сети 4G/LTE. В отдаленных районах или в случаях, когда требуется высокая непрерывность связи, наличие двух SIM-карт и функции переключения на резервную сеть могут повысить надежность системы.

Возможности периферийных вычислений

Еще одним важным фактором при выборе MQTT-шлюза является поддержка локальной обработки данных. Шлюзы с возможностями пограничных вычислений могут фильтровать, агрегировать и обрабатывать данные локально перед отправкой, передавая в облако только ценные данные. С помощью Node-RED или сред разработки на базе Python пользователи могут создавать настраиваемые потоки обработки данных в соответствии с потребностями приложений, что обеспечивает локальное управление и развертывание приложений на периферии.

Функции безопасности

В условиях промышленного внедрения безопасность данных является обязательным условием. При выборе шлюза MQTT следует уделить особое внимание шифрованию трафика MQTT с помощью протокола TLS, аутентификации клиентов (по имени пользователя и паролю или на основе сертификатов) и обеспечению безопасного доступа к сети.

Надежность промышленного уровня

Промышленные условия эксплуатации сопряжены с вибрацией, экстремальными температурами, электромагнитными помехами и колебаниями напряжения. Проверьте:

• Диапазон рабочих температур (для промышленного исполнения обычно от -40 °C до +70 °C)

• Защита от электромагнитных помех и оптическая изоляция для последовательных портов

• Крепление на DIN-рейку, подходящее для распределительных шкафов

• Широкий диапазон входного напряжения (обычно 9–36 В постоянного тока)

Такие устройства, как EM300 Аналогичные продукты промышленного класса разработаны с учетом этих требований и сочетают в себе поддержку нескольких протоколов с надежным аппаратным обеспечением, пригодным для внедрения на производственных объектах.

Заключение

MQTT решает проблему эффективной передачи промышленных данных, однако настоящим вызовом в сфере промышленного Интернета вещей (IoT) является подключение существующих ПЛК, измерительных приборов и оборудования управления к современным облачным платформам. Промышленные шлюзы MQTT устраняют этот разрыв, преобразуя данные из протоколов Modbus, BACnet, IEC 60870-5-104 и других полевых протоколов в сообщения MQTT, что позволяет традиционному промышленному оборудованию взаимодействовать с облачными платформами, системами SCADA и приложениями Интернета вещей.

Ценность протокола MQTT для промышленного Интернета вещей заключается не в замене существующего оборудования, а в создании надёжного канала передачи данных между полевыми устройствами и современными приложениями. Благодаря сочетанию протоколов MQTT и промышленных шлюзов компании могут получить доступ к данным из существующих ПЛК, датчиков и измерительных приборов, что позволяет осуществлять удалённый мониторинг, анализ данных и оптимизировать производственные процессы.