يتضمن التقارب بين تكنولوجيا المعلومات (IT) والتكنولوجيا التشغيلية (OT) دمج شبكات المؤسسات المنفصلة تقليديًا وأنظمة الحوسبة مع أنظمة وأجهزة التحكم الصناعية لإنشاء نظام بيئي موحد ومترابط.
يعتمد اختيار أفضل بروتوكول لتقارب تكنولوجيا المعلومات والتكنولوجيا التشغيلية على عوامل مختلفة، بما في ذلك الصناعة المحددة والبنية التحتية الحالية والاعتبارات الأمنية ومتطلبات قابلية التوسع.
OPC UA و MQTT هي البروتوكولات المستخدمة بشكل شائع في هذا السيناريو. ومع استمرار تطور هاتين التقنيتين، ظهر بروتوكول جديد، وهو مزيج قوي من الاثنين معًا، مما يوفر فوائد أكثر أهمية لهذه الصناعة.
يطلق عليه OPC UA عبر MQTT. في هذه المقالة، سوف نتعمق في OPC UA عبر MQTT ونستكشف إمكاناتها لتمكين التقارب بين تكنولوجيا المعلومات والتكنولوجيا التشغيلية.
ما هو OPC UA؟
يعد OPC UA بروتوكولًا شائعًا لسد الفجوة بين بيئات تكنولوجيا المعلومات والتكنولوجيا التشغيلية. فهو يوفر اتصالاً آمنًا وموثوقًا مع نماذج البيانات الموحدة، مما يجعله مناسبًا لتبادل البيانات في الوقت الفعلي ومشاركة المعلومات المعقدة. يوفر OPC UA ميزات أمان مدمجة ويدعم العديد من المنصات والأجهزة.
MQTT هو بروتوكول مراسلة خفيف الوزن للنشر والاشتراك لنقل البيانات بكفاءة في البيئات المحدودة الموارد. إنها مناسبة تمامًا لسيناريوهات تكامل IoT وOT حيث تكون اعتبارات النطاق الترددي والطاقة ضرورية. نموذج الاشتراك والنشر الخاص بـ MQTT يتيح توزيع البيانات بكفاءة لمشتركين متعددين.
OPC UA عبر MQTT هو بروتوكول يجمع بين MQTT وOPC UA للاستفادة من مزايا كلا البروتوكولين. يتمتع OPC UA وMQTT بفوائدهما لاستخدامهما في سيناريو تقارب تكنولوجيا المعلومات والتكنولوجيا التشغيلية.
يتم استخدام MQTT كوسيلة نقل لنقل سياق البيانات الغنية لـ OPC UA. يفيدك هذا النهج من نموذج مراسلة النشر والاشتراك خفيف الوزن الخاص بـ MQTT ونمذجة البيانات الموحدة لـ OPC UA وميزات الأمان والإمكانيات الأوسع لتبادل المعلومات المعقدة.
الاستفادة من نمط MQTT Pub-Sub
بنية تحتية مرنة وقابلة للتطوير لتكنولوجيا المعلومات والتكنولوجيا التشغيلية
MQTT (نقل القياس عن بعد لخدمة وضع الرسائل في قائمة انتظار) هو في المقام الأول بروتوكول يعتمد على الرسائل. وهو يتبع نمط المراسلة الفرعية، حيث يرسل الناشرون رسائل إلى وسيط رسائل مركزي، ويتلقى المشتركون تلك الرسائل من الوسيط.
يعمل وسيط MQTT كوسيط بين الناشرين والمشتركين. يتلقى الرسائل التي ينشرها الناشرون ويعيد توجيهها إلى المشتركين الذين أبدوا اهتمامًا بتلقي رسائل حول مواضيع محددة.
تعد أنظمة المراسلة Pub-Sub بطبيعتها أكثر قابلية للتطوير من أنظمة خادم العميل. في نموذج خادم العميل، يجب على كل عميل إنشاء اتصال مع الخادم والحفاظ عليه، مما قد يؤدي إلى اختناقات في الأداء مع زيادة عدد العملاء.
في نموذج النشر الفرعي، يرسل الناشر رسائل إلى وسيط مركزي، ويوزع الرسائل على المشتركين المهتمين. تتوسع هذه البنية بشكل أكثر فعالية مع تزايد عدد الناشرين والمشتركين.
استخدام عرض النطاق الترددي للشبكة
في أنظمة خادم العميل، يقوم كل طلب عميل بإنشاء حركة مرور على الشبكة والخادم عن طريق الاستقصاء. ونتيجة لذلك، فإنه ينشئ كمية كبيرة غير ضرورية من حركة مرور الشبكة دون تحديثات في القيم المستهدفة.
في pub-sub، يتلقى المشتركون التحديثات فقط عند توفر بيانات جديدة، مما يقلل من حمل الشبكة غير الضروري. وهذا أمر مهم في تطبيقات مثل إنترنت الأشياء، حيث يجب تسليم بيانات المستشعر أو تحديثات الحالة على الفور.
هندسة يحركها الحدث
يتوافق Pub-Sub بشكل جيد مع البنى التي تعتمد على الأحداث، حيث تتفاعل المكونات مع الأحداث أو التغييرات في البيانات. يعد هذا مفيدًا بشكل خاص عندما يجب تشغيل الإجراءات بناءً على ظروف أو أحداث محددة.
ويستفيد هذا من الفصل بين المرسل (الناشر) والمتلقي (المشترك). لا يحتاج الناشرون إلى معرفة من هم المشتركون لديهم، ولا يحتاج المشتركون إلى معرفة من هم الناشرين.
يتيح هذا الفصل المرونة في تنفيذ المكونات دون التأثير على بعضها البعض، مما يؤدي إلى استخدام الموارد والاستجابة بشكل أكثر كفاءة.
لذلك، لا يحتاج الناشرون والمشتركون إلى أن يكونوا على دراية بوجود بعضهم البعض أو بتفاصيل التنفيذ المحددة، مما يسهل استبدال المكونات الفردية أو ترقيتها دون تعطيل النظام بأكمله.
سياق البيانات الغنية مدعوم من OPC UA
وبصرف النظر عن مزايا آلية MQTT Pub-Sub، فإن OPC UA يعطي مستوى آخر من الأهمية لضمان الاتصال السلس بين الأجهزة والتطبيقات المتنوعة. تركز OPC UA على قابلية التشغيل البيني والتوحيد القياسي عبر الأنظمة والموردين والصناعات المختلفة.
فهو يتفوق في التعامل مع هياكل البيانات المعقدة، ونماذج البيانات الهرمية، والبيانات التعريفية، وميزات الأمان القوية، مما يلائم التطبيق مع علاقات البيانات المعقدة. وهذا يجعل البروتوكول مناسبًا تمامًا للبيئات الصناعية القاسية، بغض النظر عن التقنيات الأساسية أو البائعين في المجالات الصناعية المختلفة.
يُستخدم OPC UA على نطاق واسع في صناعات مثل التصنيع وأتمتة العمليات والطاقة والسيارات والمزيد. ويتم اعتمادها عبر قطاعات متنوعة تعتمد على اتصالات قوية وموحدة في عملياتها.
تعتبر بعض سيناريوهات التطبيق، مثل محطات توليد الطاقة والمعالجة الكيميائية والفضاء، بالغة الأهمية، حيث تكون الموثوقية والسلامة أمرًا بالغ الأهمية.
النموذج التشغيلي
يعرض الرسم التخطيطي المقدم الخطوات الداخلية داخل الناشر لإنشاء الرسائل وإرسالها، بالإضافة إلى المعلمات الضرورية لهذه العملية.
كما يوضح أيضًا العملية التي تتم داخل المشترك لتلقي الرسائل وفك تشفيرها وفهمها، إلى جانب نموذج المعلمة الضروري لتحقيق هذه الإجراءات.
معالجة الناشر
الخطوة 1: جمع البيانات
في المرحلة الأولية، يتم جمع البيانات (DataSet) للتحضير للنشر. تتضمن هذه العملية تكوين المجموعة باستخدام بنية تسمى PublishedDataSet.
ضمن PublishedDataSet، يتم تحديد التفاصيل الأساسية حول البيانات، والمعروفة باسم DataSetMetaData. نتيجة عملية جمع البيانات هذه هي إنشاء قيم للحقول الفردية داخل DataSet.
الخطوة 2: إنشاء DataSetWriter وDataSetMessage
وبالتالي، يتم استخدام مكون يعرف باسم DataSetWriter لإنشاء ما يسمى DataSetMessage. يمكن تجميع DataSetMessages المتعددة التي تم إنشاؤها بواسطة DataSetWriters المختلفة داخل WriterGroup في NetworkMessage موحد.
الخطوة 3: إنشاء رسالة الشبكة
يتبع ذلك إنشاء NetworkMessage، باستخدام المعلومات التي تم الحصول عليها في الخطوة السابقة بالإضافة إلى PublisherId المحدد في PubSubConnection. يتوافق هيكل NetworkMessage هذا مع بروتوكول الاتصال المحدد المستخدم.
الخطوة 4: تسليم رسائل الشبكة
تتضمن الخطوة الأخيرة إرسال NetworkMessage كاملة التكوين إلى البرنامج الوسيط المخصص للرسائل. يتم تحقيق ذلك من خلال الاستفادة من العنوان المحدد مسبقًا لهذا الغرض.
معالجة المشتركين
الخطوة 1: بدء الاتصال والاشتراك
يختار المشترك البرنامج الوسيط الموجه نحو الرسائل المناسب وينشئ اتصالاً عبر العنوان المقدم، باستخدام البث المتعدد لـ OPC UA UDP أو الاتصال بوسيط لـ MQTT.
يبدأ المشترك بالاستماع للرسائل الواردة. يتم تكوين عوامل التصفية مثل PublisherId أو DataSetWriterId أو DataSetClassId لحجب الرسائل التي لا تطابق المعايير المحددة.
الخطوة 2: معالجة رسائل الشبكة الواردة
عند وصول رسالة NetworkMessage، فإنها تخضع لفك التشفير وفك التشفير باستخدام معلمات الأمان التي يستخدمها الناشر.
الخطوة 3: فك التشفير والتعامل مع التطبيق المحدد
يتم توجيه DataSetMessages ذات الصلة إلى DataSetReaders المطابق. يتم فك تشفير محتوى DataSetMessages باستخدام DataSetMetaData، الذي يحتوي على بناء جملة حقل شامل ومعلومات الإصدار والخصائص المناسبة. يمكن أن تتضمن المعالجة الخاصة بالتطبيق تعيين القيم المستلمة إلى العقد داخل مساحة عنوان OPC UA الخاصة بالمشترك.
الخطوة 4: تكوين وإدارة SignedDataSet
يقوم المشترك بتكوين مجموعة البيانات المشتركة لإرسال البيانات.
يوجد خياران متميزان:
- يقوم تكوين TargetVariables بإرسال حقول DataSetMessage إلى المتغيرات الموجودة مسبقًا داخل مساحة عنوان OPC UA الخاصة بالمشترك.
- يتم استخدام تكوين SubmitDataSetMirror عندما يجب تحويل حقول DataSet المستلمة إلى متغيرات داخل مساحة عنوان OPC UA الخاصة بالمشترك. إذا لم تكن هذه المتغيرات موجودة، فسيتم إنشاؤها كجزء من تكوين المشترك.
يتم عادةً تسهيل عملية الإعداد والتخصيص لكل من الناشرين والمشتركين من خلال أدوات التكوين المخصصة. يمكن أن تتم عملية التكوين هذه من خلال طريقتين أساسيتين:
- استخدم أداة تكوين OPC UA PubSub العامة التي تلتزم بنموذج معلومات تكوين PubSub. ملاحظة: للتوافق مع نموذج معلومات تكوين PubSub، يتعين على كل من الناشرين والمشتركين العمل كخوادم OPC UA بأنفسهم.
- استخدم أدوات التكوين الخاصة بالبائع والتي تلبي الخصائص المحددة للتطبيق.
يشمل إجراء التكوين ترتيب مجموعات البيانات وتحديد كيفية الحصول على البيانات من أجل النشر النهائي. يمكن إنجاز هذا التكوين باستخدام نموذج تكوين PubSub، الذي يحدد إطارًا موحدًا، أو يمكن تخصيصه باستخدام أدوات التكوين المصممة من قبل البائعين الفرديين لتناسب عروضهم المحددة.
بينما يمكن تكوين تطبيق OPC UA مسبقًا للعمل كناشر، غالبًا ما تكون هناك حاجة إلى تكوين إضافي لتحديد المحتوى الذي سيتم تضمينه في الرسائل والتكرار الذي يتم به إرسال هذه الرسائل.
يتيح ذلك التصميم الدقيق لمحتوى الرسالة وفترات الإرسال وفقًا لاحتياجات التطبيق، مما يضمن الاتصال الفعال بين الناشرين والمشتركين في شبكة OPC UA.
بروتوكول مثبت لتكنولوجيا المعلومات وتنظيم التكنولوجيا التشغيلية
يعد OPC UA عبر MQTT بروتوكولًا مثبتًا وقد اكتسب اعتمادًا واعترافًا واسع النطاق في مختلف الصناعات. يتم استخدامه في أنظمة التحكم الإشرافي والحصول على البيانات (SCADA)، وأنظمة تنفيذ التصنيع (MES)، وحلول إنترنت الأشياء الصناعية، والمزيد.
يقدم العديد من موردي الأتمتة الصناعية مثل Siemens وBeckhoff وKUKA دعم OPC UA عبر MQTT في منتجاتهم، بدءًا من PLCs وأجهزة الاستشعار إلى منصات البرامج. ويدل هذا الدعم الواسع على نضج البروتوكول.
تمتد ملاءمة OPC UA عبر MQTT لعمليات نشر إنترنت الأشياء إلى التطبيقات المستندة إلى السحابة. يقدم العديد من موفري الخدمات السحابية، مثل AWS وAzure وGCP، دعمًا للبروتوكول، مما يسمح بالتكامل السلس لبيانات إنترنت الأشياء في الخدمات السحابية للتخزين والتحليل والتصور.
ومن خلال تشغيل OPC UA عبر MQTT، يمكن توسيع قدرات OPC UA من الأجهزة السحابية إلى الأجهزة الطرفية وتمكين التكامل السلس في الأنظمة البيئية لإنترنت الأشياء الصناعية.
الأمن والمصادقة
يوفر OPC UA عبر MQTT آليات أمنية شاملة، بما في ذلك المصادقة والترخيص والتشفير وسلامة البيانات. فهو يعالج التحديات الأمنية الكامنة في البيئات الصناعية، مما يساعد على حماية البيانات الحساسة ومنع الوصول غير المصرح به.
أفضل ما في العالمين
تجمع OPC UA عبر MQTT بين أفضل ما في العالمين من خلال الجمع بين نقاط قوة بروتوكولات OPC UA وMQTT. يوفر هذا التكامل اتصالات فعالة ونمذجة بيانات موحدة وقابلية التشغيل البيني، مما يجعله خيارًا جذابًا للتطبيقات الصناعية وتطبيقات إنترنت الأشياء.
من خلال الاستفادة من طبيعة MQTT خفيفة الوزن وبنية النشر والاشتراك مع الاحتفاظ بتمثيل البيانات القوي والخدمات الموحدة لـ OPC UA، توفر OPC UA عبر MQTT حلاً متفائلًا ومتعدد الاستخدامات لاحتياجات الاتصالات الحديثة.
- محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
- أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
- أفلاطون كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
- أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
- المصدر https://www.iotforall.com/opc-ua-over-mqtt-the-future-of-it-and-ot-convergence
