Históricamente, en la industria, la información relacionada con el estado de funcionamiento de los distintos subsistemas que conforman las líneas de producción ha estado muy compartimentada. Es decir, ha sido necesario disponer de software específico para los productos de cada fabricante, o incluso de cada familia de productos de cada fabricante para tener acceso a toda la información de funcionamiento y diagnóstico que un determinado componente de la línea de fabricación pudiera ofrecer. A menudo también ha sido necesario disponer de medios de conexión específicos y de alcance local (un técnico con un portátil conectado al equipo de interés con cable de diseño propietario del fabricante del equipo) para poder acceder a esa información. ¡Y solamente durante el tiempo en el que se dedicara ese técnico, con el equipo necesario para realizar la conexión, a esa tarea!
Entonces el protocolo de comunicación MQTT toma relevancia en la medida en la que la industria descubre y quiere aprovechar las ventajas de tratar toda la información que genera la línea de producción en conjunto y de forma continua. Estas ventajas son, entre otras, el descubrimiento de opciones de optimización del proceso, estrategias avanzadas de mantenimiento y el descubrimiento de interacciones entre subsistemas (que pueden no ser directas, previstas y programadas, sino indirectas y esporádicas, debidas a que esos subsistemas independientes funcionan sobre la misma red).
El protocolo de comunicación MQTT es un estándar abierto de OASIS y, por lo tanto, uno de los objetivos en base a los que se gestiona es que se pueda implementar en los productos de cualquier entidad interesada, en el caso que nos ocupa, los fabricantes de los componentes que conforman las líneas de producción.
Dado que el protocolo MQTT funciona sobre protocolos de red que permitan establecer comunicación industrial de forma ordenada, bidireccional y sin pérdida información (¡TCP/IP!), no es necesario recurrir a tipos de red distintos de las que ya se están usando, o los que probablemente se tiene previsto implementar, en las líneas de producción.
MQTT está diseñado para cubrir los casos de uso del IoT (Internet de las Cosas) y su aplicación tiene beneficios en la Industria4.0:
- El tamaño del código del cliente MQTT es pequeño y requiere poca capacidad de procesamiento para su ejecución
Del mismo modo que no es viable incorporar mucha memoria y gran capacidad de cálculo en un sensor de temperatura instalado en medio de una autopista para que este pueda transmitir información a un centro de control(caso de uso IoT), no es necesaria más memoria o capacidad de procesamiento quela disponible actualmente en el módulo de comunicaciones de un componente de la línea de producción para comunicar por TCP/IP, Profinet, Ethernet/IP, etc... que para hacerlo por MQTT, o no debe muy costoso en memoria y capacidad de procesamiento proveer la capacidad de comunicar por MQTT a componentes de la línea de producción que aún no tienen esta capacidad (casos de uso industrial).
- MQTT Bróker
Un cliente MQTT publica información en el Bróker MQTT y otro cliente MQTT (suscriptor) recibe la información que le reenvía el Bróker. Los sensores, señalizaciones o actuadores repartidos por todo el recorrido de una autopista envían y reciben información del Bróker MQTT bajo determinadas restricciones. La necesidad de ahorro de energía (si funcionan con baterías), un ancho de banda reducido y determinadas condiciones meteorológicos pueden dificultar la comunicación de los clientes MQTT que publican información, de modo que no es práctico esperar que un cliente MQTT publicador y un cliente MQTT suscriptor coincidan en línea para poder transmitir la información. Por esta razón el Bróker recoge la información de los clientes publicadores cuando es posible y la pone a disposición de los clientes suscriptores de forma continua y sostenida en el tiempo (caso de uso IoT). En los clientes publicadores de la red de una línea de producción no debería haber interrupciones de comunicación, pero el hecho de que el cliente publicador que está en la línea solamente se comunique con el Bróker permite controlar muy bien qué se comunica y cuando se comunica, evitando que el volumen y la frecuencia de envío de información de monitorización y diagnóstico pueda interferir con las comunicaciones necesarias para el funcionamiento de la línea de producción. Una vez que la información se encuentra en el Bróker MQTT, independientemente de si hay que reenviarla a un cliente o a centenares, el Bróker puede reenviarla a los suscriptores a través de una red distinta de la red de producción.
- Optimizaciones en uso de ancho de banda del protocolo MQTT
Los paquetes de comunicación MQTT, como los de otros protocolos de comunicación industrial, contienen los datos que se quieren transmitir y las cabeceras. A su vez las cabeceras contienen información sobre el origen y destino del paquete, bits de seguridad y demás. Las cabeceras de MQTT están diseñadas para ser especialmente pequeñas, de modo que el ancho de banda necesario para transmitirlas sea muy reducido en proporción al ancho de banda utilizado para transmitir los datos que sean objeto de la comunicación.
Como ya hemos tenido en cuenta en el punto anterior, es necesario usar solamente el ancho de banda imprescindible de la red de la línea de producción para transmitir información monitorización y/o diagnóstico. Las optimizaciones en uso de ancho de banda del protocolo MQTT reducen la probabilidad de tener que aumentar la capacidad de la red para poder transmitirla información de monitorización y diagnóstico de todos o gran parte de los componentes de la línea además del tráfico propio de las actuaciones de producción.
En esta entrada del blog hemos enumerado ventajas de conseguir un acceso unificado y sostenido en el tiempo de la información proporcionada por los componentes de la línea de producción. También hemos comentado algunas de las razones que facilitan a los fabricantes de equipos la implementación de la capacidad de comunicación mediante el protocolo MQTT en sus componentes (y por las que podemos esperar encontrar componentes con capacidad para comunicar mediante este protocolo). Y finalmente hemos visto varias características de MQTT que facilitan su incorporación a las redes de comunicación de las líneas de producción.
En futuras entradas trataremos otras características de MQTT que entran en el campo de la ciberseguridad aplicada a la comunicación industrial y la posibilidad de incorporar la nube en la estructura de comunicación de MQTT.
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