Uso de una puerta de enlace IIoT de código abierto para acelerar la integración de dispositivos Modbus

Las aplicaciones industriales de Internet de las cosas (IIoT) normalmente requieren una puerta de enlace de borde para integrar periféricos Modbus y otros dispositivos, pero implementar una puerta de enlace puede resultar costoso y llevar mucho tiempo. Un marco de computación de borde de código abierto puede simplificar significativamente la implementación.

La Internet industrial de las cosas (IIoT) se refiere a dispositivos, sensores y actuadores interconectados en red junto con la infraestructura y las aplicaciones industriales, incluida la fabricación, el transporte, la energía, el comercio minorista, la atención médica y la gestión de la cadena de suministro. Esta conectividad permite la recopilación, el intercambio y el análisis de datos, lo que potencialmente facilita mejoras en la productividad y la eficiencia, así como otros beneficios económicos. La informática de borde surgió en respuesta al auge de las aplicaciones industriales de IoT. En la informática de borde, los datos son procesados ​​por el propio dispositivo o por una computadora o servidor local, en lugar de ser transmitidos a un centro de datos.

En los casos de uso industrial, donde varios sensores deben interconectarse con puertas de enlace de borde, los arquitectos y desarrolladores de soluciones deben decidir sobre el diseño de software y el desarrollo de puertas de enlace de borde; cómo procesar datos de varios sensores; y cómo realizar análisis de datos durante la fase de diseño y desarrollo. En tales situaciones, si no hay un marco de código abierto, el desarrollo de nuevo software y la corrección de errores pueden consumir mucho esfuerzo y costo. Estos problemas se pueden mitigar mediante el uso de marcos informáticos de borde de código abierto para desarrollar software de puerta de enlace de borde durante la fase de desarrollo. EdgeX Foundry es un marco informático de borde de código abierto que se puede utilizar en el desarrollo de software de una puerta de enlace de borde, lo que reduce la latencia y el costo. Modbus es un protocolo abierto que se utiliza ampliamente en sistemas industriales y con la aparición de los requisitos de computación de borde, la capacidad de interconectar periféricos Modbus a un sistema de computación de borde es importante.

Esta serie de dos partes describe el diseño de puerta de enlace de borde basado en EdgeX Foundry y el desarrollo de aplicaciones para funcionalidades de computación de borde. Este primer artículo describe sensores industriales con casos de uso y proporciona una descripción general de los requisitos de una puerta de enlace de borde junto con una discusión sobre cómo EdgeX aborda los requisitos de puerta de enlace de borde.

Descripción general de los sensores industriales

En la automatización industrial, los sensores y actuadores juegan un papel crucial en cualquier producto intelectual. Sensor nos permite detectar, analizar y procesar una variedad de transformaciones. Los actuadores reciben señales de sensores y realizan acciones basadas en una entrada.

Algunos de los sensores utilizados en las industrias son sensores de temperatura y humedad, sensores de presión, sensores de proximidad, sensores de gas y químicos, entre otros. Algunos de los casos de uso de estos sensores incluyen los siguientes:

• La temperatura juega un papel clave en la definición de la integridad de las muestras biológicas. Si las muestras no se mantienen bajo un estricto control de temperatura, se volverán inútiles y afectarán las conclusiones experimentales o, peor aún, la salud del paciente. El administrador del sistema de TI del hospital puede instalar sensores de temperatura para monitorear la temperatura en laboratorios y clínicas durante todo el día.
• Algunos productos son sensibles a la humedad y la temperatura. El almacenamiento de estos productos en un almacén normal puede provocar su corrosión y, por lo tanto, es necesario almacenarlos en un entorno de clima controlado. El gerente del almacén puede colocar sensores para monitorear el entorno del almacén constantemente.
• Los sensores de presión se utilizan para detectar los cambios de presión en gases y líquidos. Los sensores de presión de agua pueden colocarse en la parte superior de un tubo de extremo abierto sumergido dentro del contenedor y usarse para medir el nivel de agua en un tanque, o la tasa de cambio en el nivel del agua todo el tiempo.

En entornos industriales en tiempo real, las comunicaciones de dispositivo a dispositivo, las comunicaciones unidireccionales o bidireccionales entre dispositivos se producen de forma sistemática. Dependiendo del fabricante del equipo, se utiliza un protocolo patentado o de código abierto. Muchos fabricantes adaptan los protocolos abiertos para adaptarse y poder integrar fácilmente su producto en el mercado. Uno de los protocolos de comunicación de automatización más común que conecta dispositivos electrónicos industriales y SCADA (control de supervisión y adquisición de datos) es Modbus.

La ventaja del protocolo Modbus es que admite varios fabricantes, proveedores de software, organizaciones de servicios y cuenta con grupos comunitarios activos para brindar soporte. Existen varias versiones del protocolo Modbus para el puerto serie y Ethernet y las más comunes son Modbus RTU, Modbus ASCII, Modbus TCP y Modbus Plus. Se comunica a través de varios tipos de medios físicos, como RS-232, RS-485, RS-422 en serie y a través de Ethernet, y puede admitir redes peer-to-peer y multipunto. Con Modbus TCP / IP sobre Ethernet, Modbus y otros tipos de protocolos mixtos pueden coexistir a través de la misma interfaz física al mismo tiempo. Estas características motivan a las industrias y los usuarios a optar por los sensores compatibles con el protocolo Modbus.

Descripción general de Edge Gateway

Conectividad de dispositivos

Un requisito clave de una puerta de enlace de borde es permitir la conectividad con los sensores y actuadores. Hay muchos protocolos de la industria que facilitan diferentes métodos de comunicación de dispositivos. Una solución de borde debe admitir los protocolos industriales más comunes, como ZigBee, Bluetooth LE, BACnet, Modbus y Siemens S7.

Motor de reglas y análisis de datos

Los datos se pueden calcular localmente con la capacidad de la puerta de enlace para ejecutar aplicaciones localmente. Los servicios de inteligencia artificial pueden procesar localmente datos provenientes de dispositivos posteriores, reaccionar a la información localmente y enviar un subconjunto de datos a la nube. La creación de reglas también es importante.

Almacenamiento de datos

Además del procesamiento local, una puerta de enlace debe tener la capacidad de almacenar datos localmente. Esto es clave para permitir que una puerta de enlace se ejecute de forma autónoma. La combinación de computación local y almacenamiento local debería permitir que la puerta de enlace funcione también en modo fuera de línea.

Interoperabilidad

Los dispositivos conectados y las aplicaciones que se ejecutan en una puerta de enlace de borde deben proporcionar interoperabilidad entre otros productos o sistemas.

Seguridad

Es posible que los datos deban intercambiarse entre diferentes módulos en una puerta de enlace de borde; dichos módulos y dispositivos deben autenticar sus conexiones entre sí y, por lo tanto, la seguridad debe integrarse en la solución de borde. Una solución perimetral debe permitir el control de acceso basado en permisos, la comunicación cifrada segura, la gestión de certificados y la integración en las soluciones de seguridad existentes.

Administración de dispositivos

Las puertas de enlace Edge requieren una forma de administrar y acceder de forma remota a cada puerta de enlace individual. Las funciones de administración remota deben permitir a los operadores iniciar, detener, configurar y actualizar de forma remota una puerta de enlace y los dispositivos conectados a ella.

Conectividad en la nube

La conectividad entre la puerta de enlace perimetral y el sistema en la nube es esencial. Puede ayudar a registrar datos precisos para un análisis profundo y transferir los datos recopilados a otras aplicaciones bajo demanda.

Portabilidad

El software para una solución de borde debe ser portátil a diferentes sistemas operativos y plataformas de hardware. Ayudará a los usuarios a evitar verse atrapados en la solución de hardware y software de un proveedor específico.

Fundición EdgeX

¿Por qué código abierto en lugar de desarrollo?

Desarrollar un nuevo marco de software consumirá mucho tiempo, esfuerzos y costos. Requiere la mayor parte del tiempo para todas y cada una de las etapas, como el diseño, el desarrollo y las pruebas. EdgeX Foundry es un marco de computación de borde de código abierto que ya proporciona todos los microservicios necesarios para la capacidad de servicio de una puerta de enlace de borde. Este marco ejecuta microservicios débilmente acoplados y no es necesario ejecutar todos los servicios juntos, por lo que solo se deben ejecutar los servicios dependientes. Se pueden utilizar otros servicios según sea necesario. Debido a estos beneficios, se prefiere un marco de computación de borde de código abierto como base de software de la puerta de enlace de borde.

El proyecto EdgeX Foundry se ha lanzado bajo la Fundación Linux. Es una plataforma abierta e interoperable para el perímetro de IoT. El marco está estructurado en diferentes capas, cada una compuesta por múltiples microservicios. La arquitectura modular permite a los usuarios escalar, actualizar y distribuir fácilmente la lógica en diferentes sistemas, mejorando la capacidad de mantenimiento.

EdgeX es compatible con los sistemas Windows, macOS y Linux. Esta arquitectura de plataforma está diseñada de manera que cualquier técnico pueda aprenderla en poco tiempo, implementarla y contribuir por su cuenta.

EdgeX acelera el tiempo de comercialización de soluciones de borde completas y / o ofertas de SW / HW de borde al proporcionar servicios de referencia reemplazables para la ingestión de datos del dispositivo, la normalización, la inteligencia de borde (AI / ML) y el soporte compartido para nuevos servicios de datos de IoT y aplicaciones avanzadas de computación de borde. .

EdgeX ya se ha implementado en productos como EdgeXpert, EdgeXRT, HP Engage Edge, EdgeBox y puertas de enlace Dell. El uso de EdgeX Framework en estos muchos productos genera aún más confianza para su uso en otras puertas de enlace de borde.

¿Cómo aborda EdgeX los requisitos de la puerta de enlace perimetral?

EdgeX Foundry es una plataforma de software de código abierto y neutral que sirve como middleware de borde entre las "cosas" de activación y detección física y un sistema de tecnología de la información (TI).

Figura 1. EdgeX Foundry (Fuente:www.edgexfoundry.org)

Almacenamiento de datos:Redis DB

EdgeX proporciona Redis de código abierto como base de datos de forma predeterminada. Redis proporciona una gama diferente de opciones de persistencia, como RDB, AOF. Es una estructura de datos en memoria que se utiliza para almacenar y reenviar. Esto ayuda en los casos en que los dispositivos periféricos cambian entre los modos conectado y desconectado.

Análisis de datos:motor de reglas de Kuiper

EdgeX proporciona EMQ X Kuiper, un paquete de software de código abierto liviano para análisis de borde de IoT y procesamiento de transmisión. Kuiper puede ejecutarse en varios dispositivos de borde con recursos limitados. Las reglas de Kuiper se basan en Source, SQL y Sink.

• Fuente:la fuente de datos de la transmisión de datos, como los datos del corredor de MQTT.
• SQL:SQL es donde se especifica la lógica empresarial del procesamiento de datos en streaming. Kuiper proporciona declaraciones similares a SQL que permiten al usuario extraer, filtrar y transformar datos.
• Sink:Sink se utiliza para enviar el resultado del análisis a un objetivo específico, como un corredor de MQTT, o una dirección HTTP REST.

Se requieren los siguientes cuatro pasos para usar Kuiper:

1. Cree una transmisión en la que se deba especificar la fuente de datos.
2. Escriba una regla o SQL para el análisis de datos
3. Especifique un destino de sumidero para guardar el resultado del análisis.
4. Implementar y ejecutar la regla

Conectividad de dispositivos:servicios de dispositivos

EdgeX proporciona cuatro capas de microservicios débilmente acopladas. Entre ellos, la capa de servicios del dispositivo interactúa con los servicios del dispositivo. Los servicios de dispositivos de EdgeX traducen la información procedente de los dispositivos a través de cientos de protocolos y miles de formatos y los incorporan a EdgeX.

Los servicios de dispositivos son los conectores de borde que interactúan con los dispositivos, como electrodomésticos inteligentes, sensores, actuadores y cualquier máquina en las industrias. Además de obtener datos de sensores y dispositivos de activación, los servicios de dispositivos también:

1. Obtenga actualizaciones de estado de dispositivos / sensores
2. Transforme los datos antes de enviar los datos del sensor a EdgeX
3. Cambiar la configuración
4. Descubrir dispositivos

Los servicios de dispositivos pueden dar servicio a uno o varios dispositivos a la vez. El dispositivo podría ser una puerta de enlace Edge / IoT (y todos los dispositivos de esa puerta de enlace), un administrador de dispositivos, un concentrador de sensores, un servicio web disponible a través de HTTP o un sensor de software que actúa como un dispositivo o una colección de dispositivos para EdgeX. Fundición.

Interoperabilidad:MQTT Broker y API REST

EdgeX admite un protocolo de mensajería MQTT ligero. Permite al usuario publicar o suscribirse al transporte de mensajería que es ideal para conectar dispositivos remotos con una huella de código pequeña y un ancho de banda de red mínimo.

EdgeX admite el servicio de dispositivo de descanso, que proporciona una manera fácil para que las aplicaciones de terceros envíen datos a EdgeX a través del protocolo REST.

Seguridad:almacén de seguridad y puerta de enlace de API

EdgeX proporciona dos componentes de seguridad clave. El primero es una tienda de seguridad, que se utiliza para proporcionar un lugar seguro para guardar los secretos de EdgeX, como la contraseña, la certificación y la clave de acceso. El segundo es una puerta de enlace API, que se utiliza como proxy inverso para restringir el acceso a los recursos REST de EdgeX y realizar trabajos relacionados con el control de acceso.

Administración de dispositivos:API de administración de dispositivos

EdgeX ofrece una opción para examinar la salud periódicamente. Las API de administración de dispositivos que se utilizan para obtener metadatos sobre cualquier dispositivo.

Conectividad en la nube

EdgeX brinda soporte para conectarse a plataformas en la nube como AWS, Microsoft Azure e IBM Watson Cloud.

La conectividad en la nube en EdgeX se ofrece de dos formas:

1. Servicios de aplicación:estos servicios deben compilarse para implementarse y enviar datos a servicios en la nube como AWS y Microsoft Azure. Recibe datos directamente del bus de mensajes a través del cual edgex-core-data publica eventos de datos.
2. Servicio de aplicación configurable:proporciona una forma rápida de utilizar la configuración en lugar de compilar servicios para utilizar funciones integradas del SDK.

El segundo artículo ofrecerá un caso de estudio de la interfaz de un sensor industrial con EdgeX para lograr funcionalidades de computación en el borde.