El protocolo MQTT, clave en la Industria 4.0 para la comunicación M2M

MQTT es un protocolo de mensajería idóneo para la Industria 4.0: permite aprovechar las virtudes del Big Data y del IIoT. Más eficiente, ligero y de fácil configuración.

HP lanza los nuevos modelos DesignJet T850/950 Un protocolo de comunicación que se adapta como anillo al dedo a las necesidades de la Industria 4.0 y la IIoT. Ligero, fiable, seguro y sencillo de configurar, facilita la monitorización de datos en tiempo real. Eso es el protocolo MQTT. En el siguiente artículo explicamos qué es y cómo aplicarlo en planta. También mostramos un caso real que ejemplifica sus virtudes y beneficios.

Una de las ventajas competitivas de dar el paso hacia la Industria 4.0 radica en la capacidad de analizar una enorme cantidad de datos y en la toma de decisiones basadas en los mismos. Pero la multitud de dispositivos interconectados y la profusión de datos que genera la sensórica puede llegar a colapsar los sistemas más avanzados… y las mentes más despiertas.

¿Qué es el protocolo de comunicación MQTT?

Comencemos por el principio: Un protocolo de comunicación consiste en una serie de normas que definimos para que dos o más dispositivos puedan comunicarse y entenderse.

Existen diversos protocolos de comunicación Machine to Machine (M2M). Hoy nos centraremos en el protocolo MQTT, siglas de MQ Telemetry Transport o Message Queing Telemetry Transport.

Tiene diversas claves, por el momento pondremos en relieve dos:

1.- En lugar de reportar datos de forma masiva, comunica sobre la base ‘Report by exception’. Es decir, sólo comunica un dato de un dispositivo cuando es diferente del que le precede. Este hecho evita la repetición innecesaria, de modo que minimiza la transmisión de información y libera ancho de banda en relación a otros protocolos.

2.- El protocolo funciona como un servicio de mensajería basado en el patrón publicador-suscriptor (conocido como pub-sub). Es decir, un dispositivo publica (emite un mensaje) y solo lo reciben aquellos que están suscritos al tema (o topic) de ese mensaje. Entre publicador y suscriptor está el agente de comunicación o bróker, que se encarga de distribuir cada mensaje a los suscriptores asignados.

Esta es la clave para configurar de forma sencilla la emisión y recepción de millones de datos de forma estructurada: Sólo recibirás los datos referentes a los topics a los que estés suscrito; y sólo los recibirás cuando sean relevantes (o como mínimo, diferentes del anterior).

La comunicación además será segura. Porque tanto el publicador como el suscriptor están certificados con nombres únicos. Y nadie fuera del sistema podrá recibir los datos.

Si ya te estás preguntando cuáles son las ventajas del MQTT y cómo se configura este protocolo puedes utilizar el enlace anterior y te guiamos directamente.

Pero si antes prefieres conocer el origen del protocolo MQTT, basta con que sigas leyendo y haciendo scroll.

A finales del siglo XX los ingenieros de la industria del petróleo precisaban de un protocolo de comunicación que les permitiera comunicar una gran cantidad de datos consumiendo pocos recursos energéticos e informáticos y que además ocupara un ancho de banda mínimo.

Y en 1999, profesionales vinculados a IBM inventaron el Message Queing Telemetry Transport. Recibió este nombre porque en principio sólo se podía utilizar con los IBM MQ Series. Aunque hoy ya es un estándar de comunicación universal.

Cuatro datos históricos relacionados con MQTT

• 1999. El doctor Andy Stanford-Clark y Arlen Nipper construyen el protocolo MQTT
• 2010. IBM vio el potencial de este protocolo y lo desarrolló. En 2010 lanzó la versión 3.1 como un protocolo gratuito y abierto, de uso universal
• 2013. La Organización para el Avance de Estándares de Información Estructurada (OASIS) se encarga de la evaluación y mantenimiento de este protocolo
• 2014. Oasis oficializa su uso como estándar de comunicación
• 2019. Oasis lanza la versión 5.0, que hoy en día es la más extendida.

Eficiencia energética

Hemos incidido sobre todo en que se trata de un protocolo de comunicación que consume muy pocos recursos y ocupa poco ancho de banda. La carga de los mensajes entre dispositivos acostumbra a ser de datos procedentes de sensores: temperatura, caudal, presión y un sinfín de datos de este tipo. Se trata de datos de solo unos pocos bytes. Aunque el protocolo MQTT soporta transmisión de datos de hasta 256Mb.

Gracias a la característica ‘Report by exception’ sólo comunica un dato del dispositivo si es diferente al que le precede. De este modo, consume menos batería de los dispositivos. También disminuye la carga de los servidores (que trabajan menos), mantiene la base de datos a un tamaño mucho menor (no almacena datos irrelevantes) y por lo tanto ocupa también menos espacio en la nube. Como consecuencia, un ahorro energético considerable.

Principalmente por este motivo el servicio de mensajería de Facebook e Instagram funciona sobre MQTT.

Seguridad y robustez

También hemos explicado que se trata de un estándar de comunicación basado en el patrón pub/sub. Es decir, un emisor (publicador o publisher en inglés) emite los datos a diversos receptores que están suscritos a una serie de temas (topics). El encargado de distribuir la comunicación es el agente MQTT (broker MQTT en inglés).

En referencia a la fuga de datos fuera del sistema, la seguridad es perimetral, dado que tanto publicador como suscriptor están ‘certificados’ por el sistema. Y el broker únicamente recibe mensajes de publicadores ‘certificados’ y los emite a suscriptores también ‘certificados’.

En cuanto a garantizar la recepción de datos (la robustez del sistema), el protocolo establece diversos niveles de calidad del servicio (Quality of Service, o QoS):

• QoS 0 unacknowledged (at most one): El mensaje se envía una única vez. En caso de fallo puede que alguno no se entregue.
• QoS 1 acknowledged (at least one): El mensaje se envía hasta que se garantiza la entrega. En caso de fallo de conectividad, el suscriptor puede recibir algún mensaje duplicado.
• QoS 2 assured (exactly one). Se garantiza que cada mensaje se entrega al suscriptor, y únicamente una vez.

Dependiendo de la criticidad de los datos y la fiabilidad requerida, será más recomendable un nivel u otro. Eso sí, debemos tener en cuenta que un nivel de QoS superior requiere un mayor intercambio de mensajes con el cliente y provoca una carga mayor del sistema.

Monitorización en tiempo real

La integración del protocolo MQTT supone un paso definitivo para la monitorización en tiempo real en la Industria 4.0.

Como veremos en un reciente ejemplo de aplicación, al reducir el flujo de datos eliminando comunicaciones irrelevantes, se optimiza la transmisión hasta el punto que posibilita la gestión de datos de una enorme cantidad de dispositivos sin sobrecargar los sistemas ni las infraestructuras informáticas.

A la vez que reduce el personal necesario para el tratamiento de los datos.

Configurabilidad

Los dispositivos interconectados en la Industria 4.0 es enorme, e incluso extrayendo los datos irrelevantes, es difícil manejar estos datos. De entrada, ¿qué datos interesan a quién?

El patrón pub/sub basado en topics facilita su correcta distribución.

Ejemplo de configuración de topics en MQTT

Veámoslo con un ejemplo: una línea de producción cuenta con 3 PLC. Y cada PLC cuenta con sensores de presión y de caudal, que influyen en la calidad del producto fabricado. Y sensores de temperatura, porque hemos detectado que cuando la máquina sobrepasa cierta temperatura, el riesgo de incidencia es mayor.

En este ejemplo los topics o temas podrían ser:

• Línea
• PLC1
• PLC2
• PLC3
• Presión
• Caudal
• Temperatura.

Y sería posible diferenciar entre los diferentes sensores de presión, caudal y temperatura si los hubiera, claro. Pero no lo vamos a hacer más complicado, mejor vamos con los ejemplos:

- Los operarios del PLC3 podrían estar suscritos a Línea/PLC3/Presión y Línea/PLC3/Caudal.

- El encargado de mantenimiento de la línea podría estar suscrito a:

• Línea/PLC1/Temperatura
• Línea/PLC2/Temperatura
• Línea/PLC3/Temperatura.

- Y el jefe de producción de esa línea estaría suscrito a Línea/X/X/

Configurar estos permisos, concederlos, ampliarlos o restringirlos es una tarea que se realiza en unos pocos clics con las soluciones informáticas de PTC Thingworx y Kepware, ambas distribuidas por Aritex.

Pues a nivel de infraestructuras, poca cosa… Se trata de un estándar de comunicación universal y por tanto es de uso libre.

Básicamente necesitarás convertir tus PLC’s en publicadores. Y un software adecuado para gestionar y configurar las comunicaciones. Aritex facilita soluciones integrales de comunicación MQTT adaptables a cada necesidad mediante la plataforma IIoT Thingworx y mediante Kepware.

Como explicamos en el artículo ‘Rompiendo los silos de información entre OT e IT’, Kepware es un software de la empresa PTC que recoge datos de todas las fuentes OT (Operation Tech: sensórica, actuadores, controladores, PLC, Scada…) y los traduce al estándar OPC UA, haciendo posible así la integración del protocolo MQTT.

Thingworx por su parte es la plataforma de IIoT de PTC que conecta todo el software de gestión industrial y empresarial (desde el MES al ERP) y proporciona información precisa a cada miembro del equipo. Es el middleware que lo conecta todo.

Funciona sobre protocolos de comunicación MQTT (y sobre muchos otros) y facilita la configuración de las comunicaciones. Integra la conexión con un broker MQTT, permite establecer los temas (o topics), determinar publicadores y suscriptores, establecer los niveles de seguridad (QoS) y conceder o retirar permisos. Además, analiza los datos recibidos y emite alertas fácilmente configurables.

Combinados, Kepware y Thingworx es todo el software que se necesita para convertir una industria 3.0 en una fábrica inteligente… y también para configurar protocolos de comunicación MQTT.

Aritex utiliza ambos productos en sus soluciones de transformación digital.

Los datos generados por los sistemas de visualización y alarmas de las plantas petrolíferas de una empresa de USA habían alcanzado un volumen inabarcable. Hasta el punto de bloquear de forma frecuente sus sistemas informáticos.

En su evolución hacia la Industria 4.0 habían decidido recabar datos y más datos, pero no calibraron bien cómo tratarlos y almacenarlos. De modo que tuvieron que tomar una decisión drástica: empaquetarlos y servirlos cada 15 minutos.

Esto socavó uno de los fundamentos de la Industria 4.0: la inmediatez en la respuesta que facilita la monitorización en tiempo real.

Y provocó que el tiempo de reacción ante cualquier fallo se dilatara: Adiós, Eficiencia.

La empresa escogió las soluciones de conectividad industrial Kepware de PTC para desbloquear la situación y aprovechar las virtudes del Big data.

Una de las características de Kepware es que permite extraer datos de sistemas existentes, uniformizarlos y migrarlos entre plataformas en tiempo real. De esta forma se establece la interconectividad entre dispositivos y aplicaciones industriales a través de una única fuente, facilitando lo que se conoce como ‘comunicaciones abiertas’.

Y, además, integra soluciones basadas en el protocolo MQTT.

De este modo, mediante Kepware, la empresa comenzó a aprovechar el método de publicación y suscripción de MQTT para transmitir datos en tiempo real, en lugar de solicitar e introducir datos constantemente en el sistema a través de modelos por lotes.

Su histórico de datos, que previamente habían sido preparados y cargados en el almacén de datos, junto con nuevos flujos de datos de producción en tiempo real, pasaron a estar disponibles para su análisis. De forma inmediata. En un único sitio. Recabados y ordenados automáticamente. Centralizados y no dispersos. Para consultarlos de forma fácil y rápida. Hola de nuevo, eficiencia.

El primer paso para aprovechar las posibilidades del IIoT pasa por el protocolo de comunicación MQTT. H5 Aritex Code, proveedor de soluciones informáticas para la Industria 4.0.