W przemyśle od zawsze istniała potrzeba łączenia rozproszonych po całym obiekcie urządzeń, w ten sposób na potrzeby rynku rozpowszechniły się protokoły takie jak: Modbus RTU/TCP, Profibus, Profinet, CANopen, ETHERCAT.
Na przestrzeni ostatnich lat coraz częściej sięgamy po rozwiązania cyfrowe, którymi zdalnie możemy zbierać informacje z urządzeń. Przemysłowy Internet Rzeczy wywiera coraz to większą presję na producentów urządzeń dedykowanych do komunikacji pomiędzy maszynami przemysłowymi proponując alternatywy dla znanych dotychczas protokołów.
W naszej ocenie warto zwrócić uwagę na protokoły MQTT i OPC UA, które zaspokajają potrzeby rynku oraz Klientów w ramach komunikacji z aplikacjami Przemysłowego Internetu Rzeczy.
Protokół MQTT (z ang. Message Queue Telemetry Transport), który został zapoczątkowany już w 1999 roku, przez Andye’go Stanforda-Clarka z firmy IBM oraz Arlena Nippera z firmy Eurotech. Dzięki cyfryzacji przemysłu protokół w ostatnim czasie notuje wzrost popularności, tym samym staje się alternatywą dla starszych protokołów.
Protokół MQTT jest lekkim protokołem transmisji danych (obsługa protokołu nie wymaga dużych zasobów sprzętowych), opartym o wzorzec publikacja/subskrypcja, pracującym na szczycie warstwy TCP/IP (w najwyższej warstwie, z najwyższym priorytetem).
Właściwość ta predysponuje MQTT do pracy w aplikacjach IoT, wymagających maksymalnej prędkości 1Gb przy jednoczesnej energooszczędności.
Centralnym elementem komunikacji jest Broker MQTT (pełni rolę serwera), który odpowiada za wysyłanie wszystkich wiadomości między nadawcami (Publisherami), a oczekującymi odbiorcami (Subskrybentami). Każdy klient, który, chce wysłać wiadomość przez serwer w nomenklaturze protokołu MQTT to Publisher (wydawca/nadawca). Broker filtruje przychodzące wiadomości i przesyła do klientów zainteresowanych odbiorem wiadomości. Klienci, którzy rejestrują się do brokera i są zainteresowani konkretnymi rodzajami wiadomości, są znani jako Subscriber (subskrybenci/odbiorcy). W związku z tym, zarówno wydawcy, jak i subskrybenci nawiązują połączenie z brokerem.
Serwer MQTT jest odpowiedzialny na uwierzytelnianie oraz autoryzację klientów MQTT. Po pomyślnej autoryzacji i uwierzytelnieniu, klienci będą mogli zostać wydawcami jak i odbiorcami.
Jak widzimy na poniższym diagramie, Publisher komunikuje się jedynie z Brokerem i sam nic nie wie o potencjalnych odbiorcach wysyłanych wiadomości (Tematów).
Do sterownika X podłączony jest miernik energii, którego zadaniem jest pomiar prądu na silniku od transportera, co wykorzystywane jest do oceny prawidłowej pracy całej linii technologicznej. Informacja o prądzie pobieranym przez silnik musi być przekazana do oddalonego sterownika Y. Dodatkowo pomiar energii monitorowany jest w systemie SCADA. Dane z pomiaru udostępnia sterownik X pełniąc funkcję wydawcy (Publisher), sterownik Y oraz system monitoringu SCADA są z kolej odbiorcami tej wiadomości, co oznacza, że są subskrybentami.
Serwer (Broker) pełni centralną funkcję w MQTT i to właśnie przez niego przechodzą wszystkie dane od wydawców (Publisherów) do odbiorców (Subskrybentów). Dane są zapisywane w serwerze pod postacią tzw. tematów. Chcąc odczytać opublikowane dane musimy zasubskrybować odpowiedni temat.
Nie tylko protokół MQTT jest nowym sposobem komunikacji pomiędzy maszynami, alternatywą jest stosowanie protokołu OPC UA (OPC Unified Architecture).
OPC UA bazuje na powszechnie stosowanych protokołach jak TCP/IP, HTTP czy SOAP dzięki czemu wywoływanie wymaganych usług możliwe jest z poziomu dowolnego systemu operacyjnego czy języka programowania, a dane przesyłane są za pośrednictwem różnych formatów np. XML.
Szyfrowanie i uwierzytelnianie z poziomu akwizycji danych i wykorzystaniu klucza publicznego zapewnia wysoki poziom cyberbezpieczeństwa.
W stosunku do omawianego powyżej protokołu MQTT w OPC UA nie występuje centralny broker (serwer) a komunikacja odbywa się bezpośrednio pomiędzy urządzeniami, w strukturze przypominającej kratownicę, choć jednocześnie komunikacja ta obejmuje nie tyle szeroką wymianę sieciową, co przekazywanie konkretnych zmiennych.
Zunifikowany standard OPC UA pozwala na wymianę informacji między dowolnymi poziomami zarządzania fabryką, a nie – jak to było do tej pory – w większości dostępnych na rynku rozwiązaniach, pomiędzy sąsiadującymi ze sobą warstwami.
Dotychczas dane ze sterownika PLC były gromadzone w systemie SCADA, aby z niego być dalej udostępnione w systemie MES, skąd mogły trafić do ERP.
Standard OPC UA umożliwia zaciągnięcie danych bezpośrednio ze sterownika PLC i przekazanie ich bezpośrednio do systemu MES czy ERP, w celu obliczenia wydajności pracy (np. OEE Overall Equipment Efficience).
Teoretycznie możliwe jest także zwrotnie wprowadzanie zmian sterowania maszyną produkcyjną poprzez OPC UA, gdyż wartość zmiennych sterownika PLC może być modyfikowana zdalnie z poziomu dowolnej aplikacji wspierającej przeglądarkę HTML5. Teoretycznie istnieje więc możliwość zmiany parametrów sterownika PLC wprost z aplikacji MES, czy nawet ERP, co wcześniej technicznie nie było możliwe (wykorzystywano w tym celu warstwę SCADA).
W praktyce połączenie urządzeń z protokołem OPC UA przypomina pętle sieci Ethernet, w której urządzenia komunikują się ze sobą. Urządzenia programowane są w jednym, zintegrowanym środowisku Codesys, które pozwala na przygotowanie aplikacji sterującej i wizualizacji w oparciu o jedną bazę zmiennych, którą następnie możemy udostępnić dla innych urządzeń przez OPC UA.
Zestawiając różnice pomiędzy protokołami MQTT i OPC UA oraz popularnym protokołem Modbus TCP wykorzystywanym dziś w urządzeniach I/O automatyki przemysłowej podkreślić należy wyższe bezpieczeństwo szyfrowania i uwierzytelniania.
| OPC UA | MQTT | Modbus TCP | |
| Szyfrowanie | SSL/TLS | SSL/TLS | Brak |
| Uwierzytelnianie | ID konta/hasło; Anonimowy; Certyfikat wiarygodności. |
ID konta/hasło; Anonimowy. |
Brak |
| IP | Statyczne IP | Statyczne/dynamiczne IP | Statyczne IP |
| Transmisja danych | Aktywne Wysyłanie danych do Klienta (asynchronicznie - wystarczy spełnić warunek, odnotować zmianę, aby urządzenie ją zakomunikowało poprzez protokół) |
Aktywne Wysyłanie danych do Brokera, który wysyła dane do odpowiedniegi Klienta (asynchronicznie - wystarczy spełnić warunek, odnotować zmianę, aby urządzenie ją zakomunikowało poprzez protokół) |
Pasywne (Slave czeka na inicjalizację Mastera, aby wysłać odpowiedź na zapytanie). |
Firma ICP DAS wprowadziła do swojej oferty rodzinę urządzeń serii U-7500 zapewniające obsługę protokołów MQTT i jednocześnie OPC UA.
To szczególnie warte odnotowania, ponieważ w urządzeniach serii U-7500 protokoły MQTT i OPC UA mogą być stosowane równocześnie.
Inżynier automatyk może sam zdecydować jakie zmienne obsługiwane fizycznie przez to samo urządzenie ICP DAS U-7500 mają być przedmiotem wymiany danych w protokole MQTT a jakie w OPC UA.
W skład rodziny U-7500 ICP DAS wchodzą aktualnie cztery urządzenia:
ICP DAS U-7555M to moduł wejściowo/wyjściowy, który zapewnia 8 cyfrowych kanałów wejściowych i 8 cyfrowych kanałów wyjściowych. Jest on wyposażony w dwa porty Ethernet co umożliwia podłączenie go szeregowo z innymi U-7555M, takie połączenie tworzy łańcuch, gdzie przerwanie nawet jednego ogniwa nie zaburzy pracy całego zestawu. Ponadto jeden z portów Ethernetowych U-7555M posiada PoE zgodne z standardem IEEE 802.3af. Taka funkcja zapewnia większą elastyczność i wydajność, upraszczając projektowanie systemu, oszczędzając miejsce i redukując okablowanie i gniazda zasilania.
Urządzenia firmy ICP DAS zapewniają interfejs sieciowy za pomocą którego można konfigurować, kontrolować i monitorować pracę modułów. Komunikacje pomiędzy urządzeniami zalewania protokołów OPC UA Server i MQTT Client, które mogą być stosowane jednocześnie.
W celu zabezpieczania urządzenia możliwe jest ustawienie zapory sieciowej, tym samym umożliwiając określonemu adresowi IP uzyskanie pozwolenia na połączenie się z modułem. U-7555M posiada również dziennik zdarzeń który zapisuje wszystkie wartości wchodzące jak i wychodzące z urządzenia co pozwala śledzić pracę urządzenia.
U-7555M pobiera 3,7 W i może być zasilane prądem wejściowym w zakresie od 12 do 48 VDC. Posiada on wymiary 97 x 120 x 42 mm oraz może pracować w szerokim zakresie temperatur od -25°C do 75°C.
ICP DAS U-7560M posiada takie same rozwiązania technologiczne jak wyżej wymieniony U-7555M a tym co go wyróżnia od poprzednika jest ilość kanałów.
U-7560M posiada 6 cyfrowych kanałów wejściowych oraz 6 kanałów cyfrowo przekaźnikowych, które wytrzymują 5A i 250VDC. Ich wytrzymałość mechaniczna pozwala na wykonanie 20 milionów operacji.
U-7560M pobiera 3,8 W i może być zasilane prądem wejściowym w zakresie od 12 do 48 VDC. Posiada on wymiary 97 x 120 x 42 mm oraz może pracować w szerokim zakresie temperatur od -25°C do 75°C.
ICP DAS U-7504M wyposażony jest w 4 cyfrowe kanały wejściowe, 4 kanały wejściowe analogowe oraz 4 kanały wyjściowe analogowe. Ponadto posiada on identyczne rozwiązania technologiczne jak model U-7555M czy U-7560M.
U-7504M pobiera 5,1 W i może być zasilane prądem wejściowym w zakresie od 12 do 48 VDC. Posiada on wymiary 97 x 120 x 42 mm oraz może pracować w szerokim zakresie temperatur od -25°C do 75°C.
ICP DAS U-7526M wyposażony jest w 2 cyfrowe kanały wejściowe, 2 cyfrowe kanały wyjściowe, 6 analogowych kanałów wejściowych oraz 2 analogowe kanały wyjściowe. Reszta parametrów jest identyczna jak w przypadku pozostałych modeli z serii U-7500.
U-7526M pobiera 4,4 W i może być zasilane prądem wejściowym w zakresie od 12 do 48 VDC. Posiada on wymiary 97 x 120 x 42 mm oraz może pracować w szerokim zakresie temperatur od -25°C do 75°C.
Porównanie tabelaryczne urządzeń z rodziny U-7500:
| U-7555M | U-7560M | U-7504M | U-7526M | |
| Kanał cyfrowy we/wy | 16 | 6 | 4 | 4 |
| Kanał analogowy we/wy | brak | brak | 8 | 8 |
| Kanał cyfrowo-przekaźnikowy we/wy | brak | 6 | brak | brak |
| PoE | tak | tak | tak | tak |
| Pobór mocy | 3,7 W | 3,8 W | 5,1 W | 4,4 W |
Przedstawicieli firm zainteresowanych informacją cenową i techniczną urządzeń ICP DAS serii U-7500, prosimy o kontakt pod adresem e-mail: iit[at]jm.pl
Jeżeli nie mają Państwo jeszcze założonego konta na Portalu zakupowym B2B, to serdecznie zachęcamy do jego założenia.
Rejestracja możliwa pod linkiem>>
Oprócz promocji, użytkownicy Portalu zakupowego B2B dodatkowo będą w pierwszej kolejności informowani o wspólnych akcjach promocyjnych i marketingowych. Portal B2B umożliwia również:
