Efektywna komunikacja od urządzeń brzegowych aż do chmury
Zdalne systemy sterowania od lat rozwijają się w różnych gałęziach przemysłu. Idea Internetu Rzeczy pokazuje, iż kierunek rozwoju sieci przemysłowych to łączenie ich przez sieć globalną, w celu stałej kontroli i zbierania danych pomiarowych. Obecnie dostępne są innowacyjne narzędzia i infrastruktura, które razem tworzą synergiczne połączenie, łatwiejsze do wdrożenia niż kiedykolwiek wcześniej.
Systemy rozproszone są szeroko stosowane w wielu branżach, najczęściej w postaci sterowników PLC, różnych kart pomiarowych, modułów I/O, sterowników RTU, a także komputerów wbudowanych. Jeżeli chodzi o komunikację węzłów, to obecnie w Europie w większości przypadków można spotkać się z protokołami przemysłowymi opartymi na technologii Ethernet (np. Profinet, Modbus TCP, EtherNet/IP). Sieci przemysłowe stosowane wiele lat temu były zamkniętymi wyspami, często bez dostępu do sieci korporacyjnej. Z czasem to się zmieniło i dzisiaj nawet pojedyncze maszyny w obiekcie są dostępne w ramach struktury przedsiębiorstwa. Rośnie jednak popularność rozwiązań chmurowych, które umożliwiają łączenie urządzeń w jedną sieć globalną. Sieć globalna znacznie wspomaga rozwój takich systemów, ponieważ umożliwia łączenie obiektów rozmieszczonych nawet na różnych kontynentach. Pozostaje pytanie, jakie dane chcemy gromadzić?
Pociągi wyposażone są w szereg podsystemów zapewniających pasażerom komfortową podróż. Mowa tutaj przede wszystkim o systemach HVAC (ogrzewanie, wentylacja, klimatyzacja), systemach sterowania oświetleniem i sterowania drzwiami, a także czujnikach przeciwpożarowych. Ciągłej diagnostyki wymaga również infrastruktura przytorowa. Zbierane są informacje o stanie szafek teletechnicznych, temperaturze, wilgotności i wiele innych. Urządzenia pracujące na zewnątrz narażone są na niekorzystne warunki środowiskowe, zwłaszcza wahania temperatury. W takich zastosowaniach idealnie sprawdzą się urządzenia Moxa, które mogą pracować w szerokim zakresie temperaturowym (od –40 °C do +75 °C).
Najczęściej dane z czujników gromadzone są lokalnie, co uniemożliwia monitorowanie i prewencyjne diagnozowanie całej infrastruktury. Jak zatem przesłać dane do chmury, gdzie mogą być analizowane? Jakie narzędzia i urządzenia można wykorzystać? Firma MOXA oferuje szereg rozwiązań kontrolno-pomiarowych, które umożliwiają przesyłanie danych i sygnałów bezpośrednio do chmury. Na szczególną uwagę zasługują trzy serie urządzeń polowych Moxa, które można wykorzystywać do zbierania sygnałów: serwer portów szeregowych NPort IAW5000A-I/O, konwerter protokołów MGate 5105-MB-EIP oraz seria modułowych wejść/wyjść ioThinx 4500. Dane można wysłać do chmury, wykorzystując protokół MQTT (Message Queue Telemetry Transport). Do urządzeń dodane są narzędzia programistyczne SDK, które ułatwiają przesyłanie danych do chmury Azure lub Alibaba.
Fot. 2. Kompaktowy komputer Moxa UC-2100 może pełnić rolę brokera MQTT
Zdalny dostęp do danych z wykorzystaniem MQTT
MQTT jest lekkim protokołem transmisji danych. Ze względu na łatwość użycia oraz małe zapotrzebowanie w zakresie zasobów sprzętowych i sieciowych stał się kluczowym protokołem stosowanym w Internecie Rzeczy. MQTT bazuje na wzorcu publish-subscribe. W takiej architekturze wiadomości wysyłane przez nadawców (publisher) trafiają do serwera pośredniczącego (broker), a nie bezpośrednio do odbiorców (subscriber). Wiadomość publikowana jest na tzw. temat (topic). Klienci, którzy subskrybują dany temat (topic) otrzymują opublikowane na nim wiadomości. Dane publikowane przy użyciu protokołu MQTT są danymi tekstowymi. Oznacza to, że można łatwo przekształcić strukturę danych do formatu JSON (lub innego dowolnego formatu tekstowego, np. XML), a następnie je opublikować.
Klienci nie komunikują się ze sobą bezpośrednio, a w oparciu o element pośredniczący, którym jest broker. Broker pełni rolę serwera, z którym łączą się odbiorcy, aby za jego pośrednictwem publikować informacje. Jego zadaniem jest odbieranie wiadomości od klientów publikujących i rozsyłanie jej do odpowiednich klientów subskrybujących. Taki model pozwala na udostępnianie danych innym odbiorcom, bez znajomości ich adresu IP. Dzięki temu możliwa jest wymiana danych między wieloma klientami w tym samym czasie. Taki serwer można zaimplementować samodzielnie. Jednak warto skorzystać z gotowych i sprawdzonych rozwiązań, np. broker Mosquitto, VerneMQ, Broker MQTT można z powodzeniem zainstalować nawet na kompaktowych komputerach Moxa z systemem Linux – UC-2100.
Fot. 3. Idea działania MQTT opiera się na zasadzie publish-subscribe
MGate 5105 – bramka przemysłowa Modbus
Konwerter protokołów Moxa MGate 5105-MB-EIP może odczytywać dane z urządzeń wyposażonych w protokół Modbus RTU, Modbus TCP, EtherNet/IP,
ale możliwe jest też przesyłanie danych z chmury do MGate, tak aby wysłał on zapytania typu „write”, czyli kontrolujące. Ta funkcjonalność pozwala niewielkim kosztem i nakładem sił zbudować system monitorowania danych z urządzeń, takich jak liczniki energii, liczniki mediów, czujniki ciśnienia, dataloggery itp., i eksportować dane do chmury w celu archiwizacji, dalszej analizy czy wizualizacji. Ponieważ MGate 5105-MB-EIP umożliwia komunikację dwustronną, opcja wysyłania komend z chmury do urządzeń końcowych daje duże możliwości reagowania np. na określone trendy monitorowanych wartości, a także pozwala na zdalną kontrolę urządzeń, za pośrednictwem Internetu i protokołu MQTT.
Fot. 4. MGate 5105-MB-EIP – schemat komunikacji z chmurą
ioThinx 4533 – modułowy kontroler wejść/wyjść
Pod nazwą ioThinx 4500 kryją się dwa urządzenia. Jednym z nich jest modułowy kontroler wejść/wyjść – ioThinx 4533-LX. Umożliwia podłączenie do 64 oddzielnych modułów kontrolno-pomiarowych. Do dyspozycji sa różne warianty wejść/wyjść cyfrowych oraz analogowych, przekaźników, potencjometrów, termometrów rezystancyjnych. Portfolio modułów jest bardzo szerokie, więc bez problemu można znaleźć odpowiedni moduł dla danej aplikacji. Dodatkowo wbudowany port szeregowy – jeden port RS-232/422 lub dwa porty RS-485 (dwuprzewodowe) – pozwala na podłączenie urządzeń starszego typu.
Architektura systemu ioThinx 4533-LX oparta jest na Linuxie, a dodatkowo możliwe jest swobodne programowanie w C/C++ oraz Python. Do urządzeń dostarczone są narzędzia programistyczne SDK, które ułatwiają przesłanie danych do chmury Azure, AWS lub Alibaba.
Drugim urządzeniem jest zaawansowany moduł wejść/wyjść ioThinx 4510. Sygnały zbierane przez to urządzenie można przesłać bezpośrednio do chmury dzięki wbudowanemu klientowi MQTT. Dodatkowo ioThinx 4510 wspiera inne protokoły, takie jak Modbus TCP/IP, RESTful API, SNMPv3, HTTPS. Wszyscy wiemy, jak ważne jest bezpieczeństwo danych. Dlatego seria ioThinx 4500 wspiera protokół TLS v1.2 do szyfrowania transmisji danych z wykorzystaniem MQTT.
Fot. 5. ioThinx 4533-LX to modułowy kontroler wejść/wyjść umożliwiający swobodne programowanie w C/C++/Python
Możliwości wykorzystania danych
Moduły kontrolno-pomiarowe oraz bramy przemysłowe we współpracy z usługami chmurowymi tworzą bardzo ciekawą synergiczną mieszankę, która pozwala na tworzenie nowoczesnych systemów w myśl idei Przemysłu 4.0 i Przemysłowego Internetu Rzeczy. Urządzenia Moxa umożliwiają wysyłanie danych z sieci przemysłowych do dostawców chmurowych, a tam dalszą ich obróbkę, przetwarzanie, wizualizowanie, wysyłanie powiadomień e-mail/SMS, uczenie maszynowe, predictive maintenance, przechowywanie, wizualizowanie, upublicznianie i wiele więcej.
Zapraszamy do kontaktu pod adresem e-mail moxa@elmark.com.pl, a także na stronę naszego bloga technicznego, gdzie można znaleźć szczegółowe informacje o sposobach konfiguracji wspomnianych urządzeń i technologii – www.moxa.elmark.com.pl.
ELMARK AUTOMATYKA Sp. z o.o.
ul. Niemcewicza 76, 05-075 Warszawa-Wesoła
tel. 22 773 79 37, 22 778 99 25
fax 22 773 79 36
e-mail: elmark@elmark.com.pl
moxa@elmark.com.pl
www.elmark.com.pl
www.moxa.elmark.com.pl
source: Automatyka 9/2019
Keywords
automatyka, chmura, Elmark Automatyka, komunikacja, zdalny system sterowania