Protocolos IIoT: OPC UA y MQTT

La necesidad de digitalización conecta dispositivos del mundo industrial, sensores, variadores, PLCs, con las últimas tecnologías de la información con el objetivo de recolectar grandes cantidades de datos de la planta industrial, entender las correlaciones para poder resolver problemas y optimizar la producción y los procesos de manera continua. Esta conexión de datos entre todos estos dispositivos es lo que se denomina “Internet de las Cosas Industrial” (IIoT).

En la actualidad, en la industria, muchas empresas tienen como objetivo maximizar el rendimiento de su fabricación, lograr una personalización de los productos a la vez que una gestión sostenible de la producción y asegurar la calidad de sus procesos.

Todo ello conlleva incorporar tecnologías modernas en sus sistemas, tecnologías IT.

Esto provoca una convergencia entre los sistemas OT, tecnologías de la operación, es decir, los sistemas de fabricación y automatización, con los sistemas IT, tecnologías de la información, procesamiento de datos, aplicaciones, servidores, inteligencia artificial, Internet de las cosas, etc. Estas tecnologías permiten al mundo de la información digital optimizar el mundo operacional. 

Existen dos retos iniciales a la hora de implementar estas tecnologías. El primero es la transparencia total de la producción a la hora de tomar decisiones en entornos muy heterogéneos, con equipos de diferente antigüedad o de diferentes fabricantes. El segundo es la conectividad, se necesita estabilidad y fiabilidad en la transferencia de los datos. 

A la hora de implementar acciones y tecnologías que permitan realizar una conectividad entre sistemas y con ello alcanzar una transparencia de información, es indispensable que el diseño de la solución y de los protocolos utilizados sean lo más estándar posible, que favorezcan su implementación escalable y que reduzcan las tareas de mantenimiento y actualización. Todo ello teniendo en cuenta la ciberseguridad a la hora de diseñar la solución.

¿Qué estándares y protocolos se pueden utilizar para dar solución a estos requerimientos?

OPC UA parte como el estándar de comunicación en la industria 4.0 y MQTT como protocolo ampliamente adoptado como patrón de las comunicaciones IoT.
 

OPC UA: Una interfaz abierta desde el nivel de control hasta Edge y la nube

OPC UA es un estándar de comunicación abierto y neutral en cuanto a la plataforma, es decir, los datos se pueden transmitir sin problemas entre componentes individuales en cualquier momento, independientemente del fabricante.

Gracias a sus capacidades semánticas, OPC UA también puede utilizarse como modelo de información único. Facilita la escalabilidad y flexibilidad en la transmisión de la información. También permite el uso de especificaciones de compañía para estandarizar la interfaz de datos desde el nivel de control pasando por tecnologías como Edge Computing, SCADA, sistemas ERP y hasta la nube.

Puede integrarse en redes Industrial Ethernet existentes y ejecutarse a través de una infraestructura PROFINET sin sacrificar el rendimiento. Además, contiene mecanismos de seguridad para garantizar una conexión segura (encriptación, autenticación y firma).

Se pueden utilizar diferentes mecanismos de conexión:

OPC UA cliente/servidor.

Se trata de una comunicación ampliamente usada en el sector de automatización. Es un mecanismo de comunicación “uno a uno”. Cada cliente OPC UA obtiene datos del servidor OPC UA. El cliente hace una petición al servidor del cual recibe una respuesta. Se trata de una comunicación segura y confiable con un intercambio de datos encriptado y en una comunicación TCP/IP.

OPC UA publicación/subscripción.

Se trata de un modelo de comunicación de “uno-a-muchos” o de “muchos-a-uno”. Un publicador de datos los facilita al resto de subscriptores de la red. Este mecanismo transmite los datos vía UDP o directamente en capa 2. Junto a la tecnología TSN habilita la comunicación en tiempo real en el nivel de control y cumple los requerimientos de aplicaciones donde el tiempo de respuesta es crítico. 

OPC UA sobre TSN

TSN son las siglas en inglés de Time-Sensitive Networking. Este modo de comunicación optimiza los mecanismos de calidad del servicio (QoS), permite escalar el ancho de banda, latencias de transmisión muy bajas y tiene capacidad de tiempo real. Es más utilizado para la comunicación máquina a máquina o desde la máquina al nivel de operador.

Se espera que en el futuro se utilice también OPC UA en el ámbito del mantenimiento predictivo. Después de todo, los datos se pueden evaluar de forma más eficaz cuando se combinan con la IA. De este modo se pueden detectar a tiempo posibles fuentes de error y así evitar tiempos de inactividad.

OPC UA también se puede utilizar como concepto de alarma. Todos los mensajes relevantes se pueden ver directamente gracias a los mensajes de error estandarizados. 

El Global Discovery Server también debería garantizar una mayor disponibilidad. Este componente garantiza transferencias de datos verticales seguras y la capacidad de gestionar certificados dinámicamente durante el funcionamiento de la máquina. 

Podemos encontrar implementado OPC UA en productos para una comunicación horizontal, máquina a máquina, como para una comunicación vertical, es decir, como un protocolo para IIoT.

Se incluye OPC UA como un estándar en muchos controladores o en software de ingeniería, por ejemplo, TIA Portal a partir de la versión V17 y en los controladores S7-1500 a partir de firmware 2.9 tiene incluido OPC UA con la opción de GDS para poder actualizar los certificados de manera regular e incluso durante la operación del controlador.

Por otro lado, en ecosistemas de Edge Computing es crucial contar con capas de integración de datos y para ello, OPC UA cobra una gran relevancia. Podemos encontrarlo dentro del ecosistema de Industrial Edge como el software Industrial Information Hub (IIH) como un punto central y de distribución de los datos. 

Uno de los elementos de IIH es IIH Semantics que utiliza la capacidad semántica de OPC UA para crear un modelo de datos de la planta y mapear IT y OT. Funciona tanto como cliente y servidor OPC UA, lo que hace que el acceso a los datos en el modelo de información sea flexible.

MQTT: el patrón de las comunicaciones IoT llevado ahora al entorno industrial

MQTT (MQ Telemetry Transport) es un protocolo de mensajería cliente-servidor. Es liviano (requiere un mínimo de clientes y recursos) y se puede usar para publicar y suscribir datos entre dispositivos a la nube o de máquina a máquina. Además, es el protocolo más utilizado en Internet de las cosas (IoT). MQTT sigue el estándar OASIS para el manejo de mensajes. El aspecto importante de MQTT es que es extremadamente fácil de implementar. Asimismo, este protocolo es más confiable en comparación con otros como HTTP. Utiliza un modelo asíncrono de publicación y suscripción. 

Arquitectura Publicación/Subscripción

El protocolo MQTT actúa como una alternativa al modelo cliente-servidor. El modelo cliente- servidor mantendrá comunicaciones directas entre el cliente y el servidor. Sin embargo, MQTT proporciona el modelo de comunicación de publicación y suscripción, donde los clientes utilizan intermediarios de mensajes conocidos como broker. Los brokers de mensajes son servidores que envían y reciben mensajes de los clientes a los clientes de destino requeridos. Los mensajes están organizados por temas o topics. Cuando un cliente envía un mensaje al broker dentro de un topic determinado, este distribuye el mensaje a los clientes de destino que alguna vez se han suscrito al mismo topic.

Varios clientes pueden recibir mensajes del broker si se han suscrito al topic correspondiente. Si hay suscriptores para un mensaje, el broker retiene esos mensajes, junto con su calidad de servicio (QoS). Los clientes que se suscriben al mensaje retenido reciben el mensaje retenido inmediatamente. MQTT utiliza el protocolo TCP/IP para la transmisión de datos. La comunicación MQTT es bidireccional.

MQTT realiza una conexión entre el Cliente y el broker con certificación y protocolos de seguridad.

Dentro de los controladores SIMATIC S7-1200/1500 se implementa la librería LMQTT_Client para integrar la función cliente MQTT y transmitir mensajes al broker.

OPC UA en Rosendahl Nextrom

Rosendahl Nextrom es un fabricante austriaco que ha utilizado OPC UA para asegurar la comunicación continua y segura entre sus máquinas. 

Este fabricante se enfrenta regularmente al desafío de tener que integrar sus productos en los sistemas existentes de los clientes. Esto significa crear interfaces, garantizar la comunicación máquina a máquina (M2M) y la orquestación del sistema general, así como establecer procesos de generación y evaluación de datos. Todo esto tiene que lograrse fácilmente y sin errores.

Para ser capaces de abordar estos retos e incluso ofrecer a sus clientes un mejor servicio, se fijaron los siguientes objetivos:

• Simplificar la conexión de máquinas a diferentes sistemas del cliente, independientemente del fabricante.
• Acortar los tiempos de puesta en marcha.
• Proporcionar datos para análisis y optimización de procesos en Industrial Edge y sistemas en la nube.
• Soporte a los clientes independientemente del estado de sus máquinas.

Encontraron la solución con OPC UA. Después de todo, el estándar de comunicación abierta cumple con los requisitos que la empresa necesitaba para alcanzar sus objetivos.

OPC UA les permite integrar fácil y rápidamente sus máquinas en la interfaz de datos del cliente final y vincularlas a los sistemas de gestión. También se pueden conectar máquinas individuales a un sistema de producción complejo con control de máquina. Esto da como resultado tiempos de puesta en marcha un 30 % más cortos y una aceptación más rápida.

“La estandarización de las interfaces de comunicación para nuestros clientes reduce nuestro tiempo de ingeniería hasta en un 20 % durante la puesta en servicio”, asegura el jefe de Puesta en Marcha y Programación de Rosendahl Nextrom, Benedikt Wagner.

Actualmente utilizan OPC UA en el campo de la producción de cables, específicamente para comunicación M2M. Para ello, las máquinas individuales están conectadas a un sistema de producción integral. Las interfaces se establecen automáticamente a través de TIA Openness. Por lo tanto, sólo se necesitan unos pocos clics para configurar la interfaz con el controlador de la máquina.

OPC UA también permite generar el doble de datos que antes, lo que facilita análisis más profundos. Lo especial es que se transmite información en lugar de datos. Esto evita que puedan ocurrir errores, por ejemplo, durante las conversiones.
 

Mariola Belda Marin

Product Manager de Industrial Edge en Siemens

----

Este artículo aparece publicado en el nº 555 de Automática e Instrumentación págs. 52 a 55.