Aktuální vydání

celé číslo

11

2018

SPS IPC Drives 2018

Elektrické, hydraulické a pneumatické pohony

celé číslo

TwinCAT podporuje protokoly pro výměnu dat v IoT

Jak se informační systémy a automatizační technika stále více sbližují, mnohem častěji se v projektech průmyslového řízení používají komunikační služby založené na cloudu. V důsledku toho se dostávají do popředí i řídicí systémy založené na PC. Proto podporuje automatizační software TwinCAT od společnosti Beckhoff příslušné komunikační standardy, jako jsou OPC UA, MQTT a AMQP, což zjednodušuje implementaci výrobních koncepcí založených na cloudu. 

V současné době lze v automatizaci hledat nová řešení, která zvětšují rozsah funkcí konvenčních řídicích systémů, a to prostřednictvím implementace zpracování velkých dat, vytěžování dat a monitorování stavu a výkonu. Strategie průmyslu 4.0 a internetu věcí (IoT) však klade na komunikaci mezi zařízeními a službami nové požadavky. Co se týče klasické architektury tvaru pyramidy, jde o rozsáhlou výměnu dat mezi snímači a vrstvami vyšší úrovně. A navíc hraje i nadále ve všech moderních výrobních závodech důležitou roli horizontální komunikace mezi zařízeními. 

Řídicí systémy založené na PC integrují cloudové služby a aplikaci message broker

Řízení založené na PC umožňuje realizovat pokročilé komunikačních scénáře a stalo se nedílnou součástí mnoha současných automatizačních projektů. K realizaci projektů IoT je využívána komunikace s cloudem. Poskytovatelé cloudových platforem po celém světě dodávají zákazníkům svou infrastrukturu a služby abstrahovaným způsobem, čímž minimalizují složitost konfigurace systému.

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

Komunikační protokol pro IoT: MQTT

Společným jmenovatelem všech cloudových platforem je základní transportní protokol. Poměrně brzy se pro tyto účely začal používat protokol MQTT (Message Queuing Telemetry Transport), který v současné době používají všechny hlavní veřejné cloudové systémy. Protokol byl navržen tak, aby byl jednoduchý a měl malou režii. Vyniká tam, kde si malé vestavěné systémy musí vyměňovat data přes nestabilní komunikační linky – vzájemně mezi sebou nebo s cloudem.

Na rozdíl od aplikací typu client–server, které jsou v automatizaci známé již mnoho let, je protokol MQTT založen na principu publisher–subscriber. To zjednodušuje integraci tohoto protokolu, protože data proudí pouze jedním směrem, od publisheru k subscriberu. Pro zabezpečení přenosového kanálu a implementaci mechanismů ověřování zařízení je možné použít zavedené bezpečnostní mechanismy, jako je např. TLS (Transport Layer Security).

Přestože byl protokol MQTT standardizován, neposkytuje žádné informace o obsahu zprávy. Důvodem je skutečnost, že obsah zprávy je podle specifikace deklarován jako „čistě binární“ a způsob serializace a deserializace obsahu zpráv se u různých aplikací i dodavatelů liší. V cloudových systémech je již po mnoho let běžnou praxí pro kódování obsahu zpráv používat datový formát JavaScript Object Notation (JSON), 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 mimořádně obtížnému následnému zpracování dat. Organizace OPC Foundation se však ve svém komunikačním protokolu OPC Unified Architecture (UA) zabývala výhodami komunikace založené na cloudu na základě principů publisher–subscriber a příslušná pracovní skupina v rámci OPC Foundation rozšířila specifikaci OPC UA, původně využívající jen mechanismus client–server, tak, že jako transportní protokol používá MQTT, jelikož přenosový kanál v OPC UA je zaměnitelný 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 cloudových systémech. 

Bezproblémová integrace standardních protokolů IoT do prostředí TwinCAT

Vývojový a řídicí software TwinCAT 3 poskytuje ideální základnu pro koncepce průmyslu 4.0 a komunikaci v IoT. Navíc nové I/O komponenty od společnosti Beckhoff, jako je např. IoT Bus Coupler EK9160, umožňují bezproblémovou a snadno konfigurovatelnou integraci do veřejných a soukromých cloudových platforem.

Pro tyto účely je automatizační software TwinCAT obohacen o doplňkové aplikace TwinCAT OPC UA a TwinCAT IoT (obr. 2), a to tak, že zahrnuje pro cloud standardizované a zabezpečené komunikační cesty (a nejen ty). K dispozici jsou jak protokoly MQTT s mechanismem komunikace publisher–subscriber, tak i OPC UA s mechanismem client–server, který je výhodnější pro přístup k historickým datům, alarmům a událostem. K dispozici jsou dále různé mechanismy pro zabezpečení komunikace a pro přístup k obsahu řídicí logiky. Tím lze zajistit komunikaci s populárními veřejnými cloudovými systémy, jako jsou Microsoft Azure, Amazon Web Services, IBM Watson nebo Google IoT, stejně jako s privátními cloudy v příslušné síti – ať jde o síť celé firmy, nebo jen jednoho stroje.

Tímto způsobem lze připojit systémy společnosti Beckhoff do cloudu pomocí protokolu 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.

(BECKHOFF Česká republika s. r. o.)

Obr. 1. Aplikace message broker jako spojová služba a „komunikační brána“ k jednotlivým cloudovým platformám

Obr. 2. S aplikacemi TwinCAT IoT a TwinCAT OPC UA podporuje Beckhoff realizaci standardní komunikace až do cloudu