AEI 518 - MQTT, el nuevo modelo de comunicación para la industria 4.0

Resumen de la ponencia desarrollada por George Mitchell, director general de Optomation Systems, promovida por la International Society of Automation (ISA) en las localidades de Madrid, Valladolid, Cartagena y Algeciras en diciembre del 2019.

La tecnología MQTT se define a sí misma como un modelo de comunicaciones basadas en publicación/suscripción, extremadamente simple y liviana. Fue desarrollado para IBM en el año 1999 por el Dr. Andy Standford-Clark y Arien Nipper. MQTT es acrónimo de MQ Telemetry Transport donde MQ es el nombre de una serie de productos de la anteriormente mencionada, IBM.

Los principios iniciales de este modelo de comunicación pretendían minimizar el ancho de banda de red y los recursos de potencia y procesamiento digital necesarios en el dispositivo, al mismo tiempo que debían garantizar la confianza en la entrega de la información. Estos principios hacen que este protocolo sea ideal para el mundo de los dispositivos interconectados "máquina a máquina" (M2M), el denominado "Internet de las cosas" (IoT) y también para todas aquellas aplicaciones móviles donde el ancho de banda y el máximo aprovechamiento de energía en la batería son extremadamente importantes.

El número de aplicaciones y compañías que utilizan MQTT para el intercambio de información entre dispositivos es enorme. Facebook Messenger Chat con 1300 millones de usuarios; Whatsapp Group Chat con 1.600M; Google Maps, para la actualización del estado de tráfico; Amazon, con más de 300M usuarios registrados para sus transacciones de comercio online; o Fortnite, con 125M jugadores activos, son claros ejemplos de ello.

MQTT es también el protocolo principal del denominado IoT con 30 billones (americanos) de “cosas conectadas” y la comunicación elegida por todas las plataformas “Cloud”. Su introducción definitiva en la industria es ya una realidad palpable, compitiendo frente a frente con tecnologías como OPC UA en las comunicaciones de entorno IIOT (Industrial Internet of Things).

MQTT se diferencia claramente de otros protocolos industriales clásicos. Frente al modelo ya síncrono de solicitud/respuesta basada en arquitectura cliente/servidor de los protocolos industriales más clásicos, MQTT propone un modelo de publicación/suscripción con arquitectura soportada sobre un Bróker. Así, el número de conexiones necesarias se reduce considerablemente porque las comunicaciones uno a uno, ya no son necesarias. De esta manera, cada dispositivo de la red comunica únicamente con el Bróker que a su vez publica la información recibida a los dispositivos suscritos a la misma, en tiempo real.

El Bróker puede ser un ordenador con un software dedicado. De hecho, existen en el mercado multitud de opciones como por ejemplo Mosquito, HiveMQ, VerneMQ, Ignition MQTT Distributor o Chariot MQTT Server. Lógicamente los brókeres de mayor precio ofrecen más prestaciones, capacidades, soporte y garantías.

Además de la opción de incluir el Bróker en la propia infraestructura informática del cliente, los usuarios pueden contratar servicios Bróker para MQTT, como SaaS (Software As A Service) en todas las plataformas cloud habituales y facturar sus servicios en función del número de nodos conectados, el ancho de banda ocupado o el total de datos intercambiados. CloudMQTT, IBM Watson IoT Platform, Microsoft Azure IoT o AWS IoT Core, por ejemplo, son algunas de las más representativas.

Hay una clara tendencia del mercado orientada hacía el uso de este tipo de tecnologías MQTT y buena prueba de ello es que la inmensa mayoría de empresas y principales fabricantes de PLCs en la industria ya están ofreciendo MQTT como una funcionalidad adicional de software que se está instaurado como estándar en sus procesadores de gama alta más recientes. Esta nueva tendencia, no obstante, puede suponer un problema para aquellos usuarios que se han visto perjudicados por el uso de protocolos de comunicaciones e interfaces hardware propietarias por parte de estos fabricantes que están viendo en esta tendencia de mercado, una nueva “oportunidad” para “controlar el juego”, implementando MQTT en sus productos, pero añadiendo un protocolo propietario por encima de MQTT.

De esta forma, y aunque todos los clientes MQTT estén utilizando el mismo Bróker, un dispositivo o software de una firma concreta solo va a entender los mensajes publicados por otros clientes de ese mismo fabricante, complicando y hasta excluyendo la integración y comunicación con equipos de otras marcas. Esto únicamente se descubre una vez comprada e instalada la solución completa propuesta por ese único fabricante. ¿Otro caso de déjà vu para nuestra industria?

Con el propósito de garantizar la interoperabilidad entre diferentes fabricantes, surge Sparkplug, diseñado y promocionado por la Fundación Eclipse, un comité independiente compuesto por más de 275 fabricantes de hardware y software, organismos y usuarios finales, con el fin de definir y promocionar soluciones basadas en código abierto para la interconectividad, escalabilidad y neutralidad en infraestructuras IT.

Su subdivisión (https://iot.eclipse.orgs) supervisa y gestiona el estándar MQTT/Sparkplug para el sector IIoT y las necesidades particulares de SCADA's, HMI's, PLCs, sistemas de control e instrumentación.

El tiempo dirá si el orgullo de los líderes de instrumentación y control les permite aceptar y adoptar MQTT/Sparkplug por el bien común, pero lo que está claro es que estamos encarando el “end game” de los protocolos propietarios industriales frente a las ventajas, avances e innovación ofrecidos por las tecnologías estándares de Internet.

En lo que a la seguridad se refiere, la comunicación MQTT entre clientes y Bróker puede ser cifrada o no cifrada. Si la comunicación se cifra, la seguridad que se alcanza es similar a la necesaria en procesos de transacción bancaria, militar o para el comercio electrónico. MQTT utiliza además sólo conexiones salientes en los diferentes dispositivos que forman la red. Lo que dificulta o bloquea totalmente la posibilidad de ataques no deseados desde exterior.

Los escenarios ideales de aplicación para comunicación MQTT en la industria, suelen ser instalaciones repartidas geográficamente, plantas de producción de tamaño mediano o grandes, edificios de producción inteligentes y para simplificar la comunicación entre máquinas.

En resumen, las características básicas y relevantes de MQTT son:
• Es un modelo basado en publicación/suscripción (no escaneo).
• Permite la transferencia de datos entre sistemas no necesariamente similares.
• Representa la evolución desde sistemas propietarios embebidos hacia sistemas abiertos para aplicaciones IoT.
• Optimiza el tráfico para demandas masivas de datos.
• Desacopla dispositivos hardware y aplicaciones software.
• El proceso de comunicación es saliente (seguridad).
• Reduce la dependencia de la infraestructura informática (IT)

Uno de los líderes reconocidos en la promoción de MQTT en el mercado de la automatización industrial es el fabricante estadounidense, OPTO22, que incorporó la tecnología MQTT en su gama de productos en 2017.

Su último controlador, groov EPIC, es el primer PAC/PLC en el mundo que incorpora un cliente MQTT / Sparkplug-B nativo (última versión de la especificación Sparkplug). Esto redefine completamente el control distribuido y el proceso de fabricación, las comunicaciones P2P y SCADA, la conectividad de bases de datos comerciales, la integración con la red informática e incluso las plataformas en la nube. La seguridad de todas las comunicaciones MQTT está garantizada mediante el uso de sesiones seguras, protocolos y certificados SSL / TLS y un firewall interno, además del aislamiento completo entre la red de control y la red IT.

El equipo, que puede funcionar como una pasarela IIoT en instalaciones existentes, incluye un servidor OPC UA para comunicación con las principales marcas de PLCs y dispositivos de terceros y varias herramientas para el pretratamiento de datos EDGE, como Node-RED de IBM, con nodos garantizados por Opto22. Además, su HMI embebida, groov VIEW, basado en HTML5, permite una visualización remota de sus datos sobre conexiones https.

Añadiendo un bastidor y módulos de entradas/salidas, el equipo se convierte en un potente autómata de gama media/alta, permitiendo una programación por lenguajes de programación industriales como IEC 61131-3 CODESYS o PAC Control, y también lenguajes informáticos como Python, Javascript y C++.

En ambos casos, cualquier cambio o actualización de los datos se transmitirá a los Bróker MQTT locales, remotos o basados en la nube para su uso posterior por cualquier otro cliente MQTT suscrito a los datos que son publicados. Todo esto se gestiona con el sistema operativo groov EPIC, independientemente del software de aplicación. Ofreciendo de esta manera, en un único dispositivo, una solución tan fácil, intuitiva y abierta como nunca antes se había visto.

Tal y como declaró un director de IT de uno de los principales clientes de OPTO22: "Llevábamos más de 10 años esperando un producto así”. Su única pregunta fue: “¿Por qué la industria de control de procesos y automatización ha necesitado todo este tiempo para entender estos requisitos?