发布/订阅对工业网络意味着什么

随着业界对数据需求旺盛的工业4.0应用(如预测性维护或支持高配置产品生产的柔性制造)议论纷纷，所有的目光都集中在人工智能、机器人和联网设备等先进技术上。

然而，智能自动化的下一个时代的较为出色的不足之一，但关键的方面是恢复工业网络架构，远离专有的协议和锁定信息孤岛，以支持开放标准，互操作性和实时数据交换。在该班次的核心是发布和订阅模型，通常被称为PUB / sub，这是通过少数新出现的标准快速获得牵引力，最显着的，消息排队遥测运输（MQTT）和OPC统一架构（OPCUA）具有Pub / sub和时间敏感的网络（TSN）扩展以适应时间关键或确定性应用。

传统的工业网络架构是围绕主/从或客户/服务器的概念构建的。在这些情况下，可编程逻辑控制器(plc)或主机工作站与传感器和阀门等现场仪器进行一对一或一对多的通信，以收集特定应用程序所需的信息或执行特定的控制算法。主PLC，或指定的客户端，发送一个直接的信息请求，如温度读数或周期时间，和适当指定的从设备或服务器相应的响应在商定的时间间隔。

虽然这种紧密耦合的通信模式在数据共享需求有限的情况下可以工作，但当一大批分布式传感器、设备、和工业设备实时共享数据，以支持下一代工业物联网(IIoT)和智能自动化应用。“如果你的目标是让一堆分布式设备相互通信，那么如果每台设备都必须了解彼此想要通信的设备和应用程序，这将是一个指数级的问题，”技术营销总监Josh Eastburn解释道光电子的22．“它们可能使用不同的协议或端口进行通信，这使网络基础设施变得复杂。”

进入发布/订阅模型，它将所有设备以及应用程序与端点设备解耦。在发布/订阅体系结构中，中央代理接收和分发所有数据。客户机订阅它们需要的数据，消息代理自动将适当的数据路由到所有请求订阅者，从而消除了为消息更新而不断轮询设备的负担。此外，在发布/订阅模型中，数据仅在发生变化时才进行通信——静态数据不会重复发送。这种方法显著减少了网络流量，并且具有无限的可伸缩性。网络架构也简化了，因为不再需要一个设备与数十个设备或应用程序通信来执行特定的功能，通信是通过一个服务器建立的，该服务器将信息转发给任何需要它的设备或应用程序。Pub/sub还缓解了长期存在的障碍，即必须设计定制代码和复杂的映射，才能在专有设备和不同的网络协议上共享数据。

“在控制系统环境中，有很多情况下，你希望在一段时间内得到相同的数据，而发布/订阅的想法是，你知道你希望以更快的速度交换哪些数据，”Richard Carpenter解释道艾默生自动化解决方案．“此外，随着人们建立更复杂的模型，需要更接近实时数据的东西，传统的客户/服务器模型无法有效地获得他们需要的数据量。”

B&R工业自动化看到了发布/订阅模型开始发挥作用，以适应灵活的工业4.0制造场景，其中机器变得更加模块化，流程不断变化，来自不同供应商的不同机器需要以更统一的方式通信。贝加莱展示了一个假想的跟踪技术和运输系统的例子，用于生产单批大小的客户订单的冰沙，作为酒吧/sub模式可以发挥作用的例子。贝加莱官员表示，这种应用程序非常适合使用pub/sub的聚合网络，以提供确定性的机器控制，并用于从云端发送食谱和生产数据的双向通信。

贝加莱工业物联网网络解决方案产品经理Stefan Bina说:“这些应用需要现场层面的分散智能，而不是每个设备都与每个设备对话的网络。”他指出，传统模型会增加太多的网络流量，并增加设备本身的处理负载。“这就是你需要的通信协议，在平衡网络负载和将消息分发到其他节点方面相当有效。”

Hilscher netX芯片支持所有流行的工业通信协议，包括pub/sub，这为实时自动化应用程序带来了好处，包括更快的响应时间、减少延迟和增加灵活性。
图片由希尔西克提供

MQTT, OPC UA扩展占据中心地位
发布/订阅模型以几种不同的方式在工业自动化场景中获得了接受。一个突出的表现是开放源码MQTT消息传递中间件规范在工业自动化平台和硬件中的日益流行。MQTT在企业信息技术(IT)网络场景中很流行，它起源于工业部门，由一对IBM.为了解决部署在大型远程石油管道上的监测控制和数据采集(SCADA)系统与卫星连接相关的兼容性和可靠性问题，工程师们进行了一系列的研究。根据Eclipse基金会2019年物联网开发者调查，MQTT正迅速成为物联网应用的事实上的标准。

在过去几年里，MQTT获得了大量自动化供应商的支持，从施耐德电气(Schneider Electric)等硬件公司到Moxa等数据收集专家，因为它在工业物联网应用方面的优势。具体来说，专家指出MQTT有效负载的多样性，它指的是消息中可以共享的内容类型，它还能够通过使用出生和死亡证明来标记网络上的新客户端连接，以及在连接丢失时保持状态感知——这些都是启用工业控制应用程序的关键。MQTT在工业物联网时代的另一个大优点是它的低网络带宽需求，因为它只在指定设备的数据发生变化时发布它们。

最近，随着Eclipse Foundation Sparkplug工作组的宣布，MQTT的故事得到了进一步发展，该工作组的目标是定义一个开放的、可互操作的标准，以便合理地访问工业数据，就像HTML对web数据的作用一样。

“MQTT的势头是由组织想要在今天在现场搁置的更多信息的事实驱动，”创建MQTT的工程师之一，现在是总统兼首席技术官的工程师之一，“Arlen Nipper说Cirrus链接解决方案，哪些与其他IIOT相关软件中的MQTT服务器。“人们互联网基于两种技术 - HTTP作为一种方式将消息和HTML发送为代表该数据的方式。我们必须创建一个有助于云连接的OT（运营技术）基础设施，这对人们使用的开放性和简便。“尼波特说，MQTT正好涌现为IIT的运输机制，而Sparkplug定位以代表数据。

归纳自动化该公司在MQTT上押下重注，其Ignition物联网解决方案整合了合作伙伴Cirrus Link的MQTT Injector模块。得益于发布/订阅模型，Ignition Edge产品允许解耦，更接近plc获取数据，并将其路由到中央数据库。它的SCADA系统也可以利用这些数据，而不需要作为中间层，也不需要定制编码。在最近的演示中，该公司使用pub/sub连接了1600个设备，并在几分钟内发现了18万个标签。他解释说:“大多数拥有SCADA系统的公司都会引入数据，这会产生大量需要维护的定制代码”，并使系统变得脆弱。“SCADA并非设计为中间件，而是设计为SCADA系统。”

除了MQTT，感应自动化也支持OPC UA，作为服务器和客户端，并密切关注OPC UA的发布/订阅扩展。Cox认为，pub/sub是未来的发展方向，但他也承认，仍有大量的传统设备和旧设备需要一座通往传统网络方式的桥梁。“你必须能够平衡新旧关系，”他说。

贝加莱的概念灵活运输系统展示了一个使用pub/sub的聚合网络如何提供确定性的机器控制，并将配方和生产数据从云端传输到云端。图片由贝加莱自动化提供

在许多自动化供应商中，都支持发布/订阅标准——在向云通信数据时支持MQTT，在PLC和自动化PC级别支持OPC UA和发布/订阅和TSN扩展。赫尔胥表示，它致力于支持在其netX芯片中获得吸引力的任何通信机制，并已经演示了通过TSN和MQTT支持OPC UA发布/订阅，这是其路线图的一部分。Beckhoff“TwinCAT 3软件将任何PC转换为实时控制器，现在支持MQTT，并将支持OPC UA PUB /子扩展。为了其部分，B＆R去年秋天推出了一家X20 PLC，总线控制器，工业PC，以及用于融合的实时网络的通信交换机，用于在TSN协议上使用OPC UA来支持智能状态监控和预测维护应用。该公司还计划支持OPC UA PUB / Sub标准，用于通过MQTT发送数据。

“MQTT是云连接的完美机制，但用户不想要的是，将OPC UA信息重新汇总到MQTT模型中，然后丢失在OPC UA World中如此奇妙地描述的所有上下文信息，”B＆R的Bina说。“我们正在研究将OPC UA数据传输为MQTT的有效载荷并使用我们产品中的模型。”

Opto 22还认为这些标准在很大程度上是pub/sub的补充，而pub/sub在资源受限设备中扮演着重要角色，OPC UA在移动大量信息的设备中扮演着重要角色。该公司的groov EPIC (Edge Programmable Industrial Controller，边缘可编程工业控制器)支持MQTT，因此设备可以安全地将有用的数据发布到任何可访问的MQTT服务器，用于预测性维护、性能日志记录和计费应用程序。最近，Opto 22发布了groov里约热内卢，这是一个用于工业物联网和自动化应用的智能、分布式I/O系列，可以将传统的有线交换机和传感器连接到以太网网络、软件应用程序和云平台，无需通信硬件，如plc、可编程自动化控制器(PACs)，或电脑。grov里约热内卢支持使用MQTT Sparkplug发布数据。

虽然大多数自动化球员认为pub / sub工业网络和通信的未来,大部分工业承认动作慢,有很多障碍,从赏金的棕色地带环境成本高昂放弃通常的电阻改变和文化障碍。鉴于规范(特别是OPC UA pub/sub)相对较新，人们需要时间来适应该技术，并将经过验证的产品发布到市场。

还有一个因素是人才——虽然工业环境可以接触到精通传统运营技术和专有系统的专家，但在工厂里，了解主流IT网络技术和系统的人却很少。

归纳自动化公司的考克斯说:“(推广/订阅)面临的政治和经济挑战比其他任何事情都要多。”“企业需要把这视为一个机会，如果不这样做，它们就会被甩在后面。”