Le aziende industriali cercano sempre di migliorare la propria competitività in termini di produttività, redditività, flessibilità, qualità e agilità. La maggior parte di loro utilizzerà le tecnologie dell’Industria 4.0 per risolvere questo problema.

Investendo di più nella trasformazione digitale della fabbrica, vogliono raggiungere un elevato livello di automazione, migliori registrazioni di qualità del prodotto, aumento della produzione e sviluppo sostenibile per le organizzazioni.

Ma prima di procedere ulteriormente con la definizione del budget, dovrebbero fare un passo indietro e valutare se l'infrastruttura IT e OT della loro fabbrica può supportare un gran numero di nuovi sistemi e apparecchiature aggiuntivi. Questa è una considerazione importante che la maggior parte delle aziende ignora.

Al centro dell’Industria 4.0 c’è l’Industrial Internet of Things (IIoT), che consente alle fabbriche di connettere le proprie macchine, sensori, robot e altri dispositivi a Internet e tra loro.

Una delle sfide principali nell’implementazione dell’IIoT è scegliere il giusto standard di comunicazione in grado di soddisfare le esigenze dell’Industria 4.0. MQTT Sparkplug è un protocollo di comunicazione progettato specificamente per IIoT. Ci immergeremo in MQTT Sparkplug e vedremo cosa apporta all'Industria 4.0.

Cos'è la candela MQTT?

MQTT Sparkplug è un protocollo di messaggistica basato su MQTT, un protocollo di messaggistica ampiamente utilizzato per l'IoT. Dispone già di tutti i vantaggi del protocollo MQTT.

MQTT Sparkplug è progettato specificamente per IIoT e include funzionalità aggiuntive che lo rendono adatto ad applicazioni industriali. È un protocollo open source ampiamente adottato nel settore.

MQTT Sparkplug segue un Modello pubblicazione-sottoscrizione MQTT, il che significa che dispositivi e host possono lavorare in modo indipendente e comunicare dati in tempo reale per rispondere rapidamente ai cambiamenti nel processo di produzione. Definisce inoltre un messaggio standardizzato in formato binario, che fornisce un modo coerente ed efficiente di trasmettere dati tra sistemi e dispositivi host.

Evoluzione della candela MQTT

Il protocollo Sparkplug è stato inizialmente rilasciato come versione 1.0 da Cirrus Link Solutions nel maggio 2016. Ha subito aggiornamenti successivi, tra cui la versione 2.1 a dicembre 2016, che ha introdotto "Payload B", e la versione 2.2 a ottobre 2019, quando Cirrus Link ha rinominato il protocollo per la Fondazione Eclipse e ha aggiunto il simbolo del marchio.

Questi sviluppi indicano il continuo perfezionamento e crescita del protocollo Sparkplug nel settore dell’automazione industriale e dell’IIoT.

Nell’ultimo anno, il gruppo di lavoro Sparkplug ha annunciato un nuovo protocollo standard, v3.0, che apporta significativi progressi e formalizzazione al protocollo per l’Industria 4.0.

Vantaggi generali della candela MQTT per l'Industria 4.0

MQTT Sparkplug apporta numerosi vantaggi ai sistemi IIoT nell’Industria 4.0:

• Scalabilità: Consente alle fabbriche di aggiungere nuovi dispositivi e sensori secondo necessità senza influire sulle prestazioni del sistema.
• Sicurezza: Fornisce un modo sicuro per trasmettere dati tra dispositivi utilizzando MQTTTLS crittografia e autenticazione.
• Standardizzazione: Garantisce coerenza e interoperabilità tra dispositivi e sistemi host di diversi produttori.
• Efficienza della rete: Le dimensioni ridotte del pacchetto e l'efficiente formato dei messaggi binari contribuiscono a ridurre l'utilizzo della larghezza di banda del sistema.

Fornisce inoltre standard di connettività per l'integrazione di vari cloud, sistemi e dispositivi.

• Integrazione con piattaforme cloud: MQTT Sparkplug consente alle fabbriche di archiviare e analizzare i dati nel cloud e abilita funzionalità di analisi avanzata e apprendimento automatico.
• Integrazione con i sistemi legacy: Con MQTT Sparkplug, i sistemi legacy possono essere facilmente integrati tramite Edge Node, consentendo alle fabbriche di sfruttare l'infrastruttura esistente.

Convergenza IT e OT

La maggior parte delle aziende utilizza ancora le tecnologie dell’Industria 3.0 per la produzione. Nella maggior parte dei sistemi dell’Industria 3.0, i sistemi IT e OT sono stati separati e distinti, con sistemi IT focalizzati sull’elaborazione e gestione dei dati e sistemi OT focalizzati sul controllo di processi fisici e macchinari.

Nello schema della piramide dell'automazione mostrato, ERP e MES appartengono ai sistemi IT, mentre SCADA, PLC, SENSORS, ecc., sono sistemi OT.

Come richiesto dall’Industria 4.0, tecnologie più avanzate come il cloud computing, i big data e i robot verrebbero aggiunte all’infrastruttura di produzione.

Quanti più sistemi e dispositivi verranno aggiunti, tanto maggiore sarà la complessità dell'infrastruttura di automazione. In definitiva, ci sono molti canali di comunicazione aggrovigliati o non organizzati tra dispositivi o sistemi.

Anche se tutti i sistemi utilizzano protocolli singoli come OPC-UA per comunicare tra loro, la complessa rete di connessione client-server e il meccanismo di routing creano ancora sfide per la fabbrica in termini di interoperabilità e scambio di dati.

Per affrontare queste sfide, le iniziative di Sparkplug si concentrano sullo sviluppo di canali e protocolli di comunicazione standardizzati che possono essere utilizzati su diversi dispositivi e sistemi. Lo sviluppo di modelli di dati standardizzati o ontologie che consentono l'interoperabilità tra diversi dispositivi o sottosistemi.

Introducendo insieme un broker Sparkplug e un gateway di operazioni di dati come hub dati centrale per l'infrastruttura IT e OT, tutti i sistemi e i dispositivi host sono ugualmente connessi a questo hub dati del centro per lo scambio di dati.

I sistemi host Sparkplug come ERP e MES e le piattaforme cloud possono consumare direttamente il messaggio di dati da PLC, dispositivi, macchine e robot, realizzando la convergenza IT e OT.

Spazio dei nomi unificato: funzionalità di Sparkplug per semplificare la gestione dell'IIoT

Una delle caratteristiche principali di Sparkplug è l'uso di a spazio dei nomi unificato. Uno spazio dei nomi è un sistema di denominazione utilizzato per identificare e organizzare gli oggetti in un sistema.

Nel contesto dell'Industria 4.0, in genere sono presenti più dispositivi, sensori e sistemi che devono comunicare tra loro. Ogni dispositivo o sistema può avere il proprio sistema di denominazione o identificatore univoco, rendendone difficile l'integrazione e la gestione coerente.

Lo spazio dei nomi unificato consente un approccio di gestione centralizzato. Con uno spazio dei nomi unificato, gli amministratori possono monitorare e gestire facilmente tutti i dispositivi e i sistemi nella rete da un'unica posizione.

Ciò può essere particolarmente utile in ambienti industriali su larga scala in cui potrebbero esserci centinaia o migliaia di dispositivi e sistemi da gestire.

Inoltre, uno spazio dei nomi unificato facilita anche l'automazione delle attività di controllo e monitoraggio del sistema. Fornendo un modo standardizzato per identificare e interagire con dispositivi e sistemi, Sparkplug può essere utilizzato per automatizzare attività quali la configurazione del dispositivo, gli aggiornamenti software e la diagnostica del sistema. Ciò può contribuire a ridurre il carico di lavoro degli amministratori e a migliorare l’efficienza complessiva delle operazioni industriali.

Uno spazio dei nomi unificato fornisce inoltre un modo standardizzato per organizzare e strutturare i dati, consentendo una rappresentazione dei dati contestualizzata e normalizzata. Con uno spazio dei nomi unificato, qualsiasi sistema IT può consumare dati da qualsiasi sistema OT e viceversa, senza richiedere una mappatura o traduzione estesa dei dati.

Le applicazioni consumer come AI/ML, Historian e SCADA possono trarre vantaggio da questi dati di struttura dati standardizzati, migliorando l'elaborazione dei dati in termini di velocità e integrità dei dati.

L'uso di uno spazio dei nomi unificato in Sparkplug semplifica il processo di gestione e monitoraggio dei sistemi industriali negli ambienti Industria 4.0.

Abilitando la gestione centralizzata, facilitando l'automazione e migliorando le capacità di risoluzione dei problemi, uno spazio dei nomi unificato aiuta a migliorare l'efficienza e l'efficacia complessive delle operazioni industriali.

Costruire una soluzione Sparkplug MQTT

Per implementare una soluzione MQTT Sparkplug, abbiamo bisogno di due componenti: un server MQTT e un nodo edge.

Un server MQTT viene utilizzato come broker centrale per gestire la comunicazione tra dispositivi e applicazioni in un ambiente IIoT. Il server MQTT è responsabile della ricezione dei messaggi dai dispositivi, dell'inoltro agli abbonati appropriati e della memorizzazione dei messaggi per un successivo recupero, se necessario.

Un nodo edge è un dispositivo o gateway che funge da intermediario tra i dispositivi e il broker MQTT. Può gestire l'elaborazione e l'aggregazione locale dei dati, nonché il buffering e l'inoltro dei dati al broker MQTT. I nodi edge vengono generalmente utilizzati negli ambienti IIoT in cui numerosi dispositivi generano grandi quantità di dati e in cui la larghezza di banda della rete è limitata.

Nel contesto di MQTT Sparkplug, i nodi edge sono responsabili dell'implementazione della specifica Sparkplug, che include la gestione della registrazione dei dispositivi, la codifica e decodifica dei dati utilizzando il formato del payload Sparkplug e l'organizzazione dei dati utilizzando il formato dello spazio dei nomi dell'argomento Sparkplug.

Il nodo periferico comunica con il server MQTT utilizzando il protocollo MQTT e può anche eseguire software aggiuntivo per eseguire analisi o elaborazioni locali sui dati.

Utilizzando uno spazio dei nomi unificato, dispositivi e sistemi possono facilmente rilevarsi e comunicare tra loro, indipendentemente dai loro sistemi di denominazione. Ciò rende molto più semplice l’integrazione e la gestione di sistemi complessi negli ambienti Industria 4.0 e aiuta a garantire che i dati siano condivisi in modo accurato e coerente attraverso la rete.

Candela MQTT rispetto a OPC UA

MQTT Sparkplug e OPC UA sono entrambi protocolli di comunicazione importanti nel campo dell'IoT industriale.

MQTT Sparkplug si basa sul protocollo MQTT, che è un protocollo di messaggistica di pubblicazione/sottoscrizione leggero. Al contrario, OPC UA è un protocollo più completo e complesso che comprende sia aspetti di comunicazione che di modellazione delle informazioni.

Il design scalabile ed efficiente di Sparkplug lo rende adatto a dispositivi e reti con risorse limitate e larghezza di banda limitata. OPC UA richiede più risorse e viene spesso utilizzato in sistemi in cui sono richieste una maggiore velocità di trasmissione dei dati o interazioni complesse.

Un confronto più completo tra questi due protocolli può essere trovato in Un confronto tra i protocolli IIoT: MQTT Sparkplug vs. OPC-UA

Vantaggi per l’IIoT

In conclusione, MQTT Sparkplug è un protocollo potente ed efficiente che apporta numerosi vantaggi al mondo dell’IIoT. La sua efficiente trasmissione dei dati e i meccanismi integrati per il rilevamento dei dispositivi e la modellazione dei dati lo rendono la scelta ideale per la connessione e la gestione di reti industriali su larga scala.

Sfruttando MQTT Sparkplug, le aziende possono sbloccare informazioni dettagliate sui dati in tempo reale, migliorare l'efficienza operativa e promuovere l'innovazione nei loro processi industriali.

Mentre l’IIoT continua a crescere ed evolversi, MQTT Sparkplug svolgerà senza dubbio un ruolo cruciale nel plasmare il futuro della connettività industriale, consentendo sistemi industriali più intelligenti, più connessi e più efficienti.

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• Fonte: https://www.iotforall.com/mqtt-sparkplug-bridging-it-and-ot-in-industry-4-0