Utilisation d'une passerelle IIoT open source pour accélérer l'intégration des appareils Modbus

Les applications de l'Internet des objets industriel (IIoT) nécessitent généralement une passerelle de périphérie pour intégrer des périphériques Modbus et d'autres appareils, mais la mise en œuvre d'une passerelle peut être coûteuse et longue. Une infrastructure informatique de pointe open source peut simplifier considérablement le déploiement.

L'Internet des objets industriel (IIoT) fait référence aux dispositifs, capteurs et actionneurs interconnectés mis en réseau avec des infrastructures et des applications industrielles, notamment la fabrication, le transport, l'énergie, la vente au détail, la santé et la gestion de la chaîne d'approvisionnement. Cette connectivité permet la collecte, l'échange et l'analyse de données, facilitant potentiellement l'amélioration de la productivité et de l'efficacité ainsi que d'autres avantages économiques. L'Edge computing a émergé en réponse à l'essor des applications IoT industrielles. Dans l'informatique de pointe, les données sont traitées par l'appareil lui-même ou par un ordinateur ou un serveur local, plutôt que d'être transmises à un centre de données.

Dans les cas d'utilisation industrielle, où un certain nombre de capteurs doivent être interfacés avec des passerelles de périphérie, les architectes de solutions et les développeurs doivent décider de la conception logicielle et du développement des passerelles de périphérie ; comment traiter les données de divers capteurs ; et comment effectuer des analyses de données pendant la phase de conception et de développement. Dans de telles situations, s'il n'y a pas de framework open source, le développement de nouveaux logiciels et les corrections de bogues peuvent nécessiter beaucoup d'efforts et de coûts. Ces problèmes peuvent être atténués en utilisant des infrastructures informatiques de pointe open source pour développer un logiciel de passerelle de pointe pendant la phase de développement. EdgeX Foundry est une infrastructure informatique de périphérie open source qui peut être utilisée dans le développement logiciel d'une passerelle de périphérie, réduisant ainsi la latence et les coûts. Modbus est un protocole ouvert largement utilisé dans les systèmes industriels et avec l'émergence des exigences informatiques de pointe, la capacité d'interfacer des périphériques Modbus à un système informatique de pointe est importante.

Cette série en deux parties décrit la conception de passerelles EdgeX Foundry et le développement d'applications pour les fonctionnalités d'informatique de périphérie. Ce premier article décrit les capteurs industriels avec des cas d'utilisation et fournit un aperçu des exigences d'une passerelle Edge ainsi qu'une discussion sur la façon dont EdgeX répond aux exigences de la passerelle Edge.

Présentation des capteurs industriels

Dans l'automatisation industrielle, les capteurs et les actionneurs jouent un rôle crucial dans tout produit intellectuel. Sensor nous permet de détecter, d'analyser et de traiter une variété de transformations. Les actionneurs reçoivent des signaux de capteurs et effectuent des actions en fonction d'une entrée.

Certains des capteurs utilisés dans les industries sont les capteurs de température et d'humidité, les capteurs de pression, les capteurs de proximité, les capteurs de gaz et de produits chimiques, etc. Voici certains des cas d'utilisation de ces capteurs :

• La température joue un rôle clé dans la définition de l'intégrité des échantillons biologiques. Si les échantillons ne sont pas maintenus sous un contrôle strict de la température, ils deviendront inutiles et affecteront les conclusions expérimentales ou pire encore, la santé du patient. L'administrateur du système informatique de l'hôpital peut installer des capteurs de température pour surveiller la température dans les laboratoires et les cliniques 24 heures sur 24.
• Certains produits sont sensibles à l'humidité et à la température. Le stockage de ces produits dans un entrepôt normal peut entraîner leur corrosion et doit donc être stocké dans un environnement à température contrôlée. Le responsable de l'entrepôt peut placer des capteurs pour surveiller en permanence l'environnement de l'entrepôt.
• Les capteurs de pression sont utilisés pour détecter les changements de pression dans les gaz et les liquides. Les capteurs de pression d'eau peuvent être installés au sommet d'un tube à extrémité ouverte immergé dans le conteneur et utilisés pour mesurer le niveau d'eau dans un réservoir, ou le taux de changement du niveau d'eau à tout moment.

Dans les environnements industriels en temps réel, les communications d'appareil à appareil, une communication unidirectionnelle ou bidirectionnelle entre les appareils se produisent systématiquement. Selon le fabricant de l'équipement, un protocole propriétaire ou open source est utilisé. De nombreux fabricants adaptent les protocoles ouverts pour s'adapter afin d'intégrer facilement leur produit sur le marché. L'un des protocoles de communication d'automatisation les plus courants reliant les appareils électroniques industriels et SCADA (contrôle de supervision et acquisition de données) est Modbus.

L'avantage du protocole Modbus est qu'il prend en charge plusieurs fabricants, fournisseurs de logiciels, organisations de service et qu'il dispose de groupes communautaires actifs pour l'assistance. Plusieurs versions du protocole Modbus existent pour le port série et Ethernet et les plus courantes sont Modbus RTU, Modbus ASCII, Modbus TCP et Modbus Plus. Il communique sur plusieurs types de supports physiques tels que série RS-232, RS-485, RS-422 et sur Ethernet et peut prendre en charge les réseaux peer-to-peer et multi-drop. Avec Modbus TCP/IP sur Ethernet, Modbus et d'autres types de protocoles mixtes peuvent coexister via la même interface physique en même temps. Ces caractéristiques motivent les industries et les utilisateurs à opter pour les capteurs compatibles avec le protocole Modbus.

Présentation de la passerelle Edge

Connectivité de l'appareil

Une exigence clé d'une passerelle Edge est de permettre la connectivité avec les capteurs et les actionneurs. Il existe de nombreux protocoles industriels qui facilitent différentes méthodes de communication entre les appareils. Une solution de périphérie doit prendre en charge les protocoles industriels les plus courants tels que ZigBee, Bluetooth LE, BACnet, Modbus et Siemens S7.

Analyse des données et moteur de règles

Les données peuvent être calculées localement avec la capacité de la passerelle à exécuter des applications localement. Les services d'intelligence artificielle peuvent traiter localement les données provenant d'appareils en aval, réagir localement aux informations et envoyer un sous-ensemble de données vers le cloud. La création de règles est également importante.

Stockage de données

En plus du traitement local, une passerelle doit avoir la capacité de stocker des données localement. Ceci est essentiel pour permettre à une passerelle de fonctionner de manière autonome. La combinaison du calcul local et du stockage local devrait permettre à la passerelle de fonctionner également en mode hors ligne.

Interopérabilité

Les appareils connectés et les applications s'exécutant sur une passerelle Edge doivent assurer l'interopérabilité avec d'autres produits ou systèmes.

Sécurité

Les données peuvent devoir être échangées entre différents modules dans une passerelle Edge, ces modules et périphériques doivent authentifier leurs connexions les uns avec les autres et, par conséquent, la sécurité doit être intégrée dans la solution Edge. Une solution de périphérie doit permettre un contrôle d'accès basé sur les autorisations, une communication cryptée sécurisée, une gestion des certificats et une intégration dans les solutions de sécurité existantes.

Gestion des appareils

Les passerelles Edge nécessitent un moyen de gérer et d'accéder à distance à chaque passerelle individuelle. Les fonctionnalités de gestion à distance doivent permettre aux opérateurs de démarrer, d'arrêter, de configurer et de mettre à jour à distance une passerelle et les appareils qui y sont connectés.

Connectivité Cloud

La connectivité entre la passerelle Edge et le système cloud est essentielle. Cela peut aider à enregistrer des données précises pour une analyse approfondie et à transférer les données collectées vers d'autres applications à la demande.

Portabilité

Le logiciel d'une solution de périphérie doit être portable sur différents systèmes d'exploitation et plates-formes matérielles. Cela aidera les utilisateurs à éviter d'être enfermés dans la solution matérielle et logicielle d'un fournisseur spécifique.

EdgeX Foundry

Pourquoi open source plutôt que développement ?

Le développement d'un nouveau cadre logiciel demandera beaucoup de temps, d'efforts et de coûts. Cela nécessite le plus de temps pour chaque étape telle que la conception, le développement et les tests. EdgeX Foundry est une infrastructure informatique de périphérie open source qui fournit déjà tous les microservices requis pour la facilité de maintenance d'une passerelle de périphérie. Ce framework exécute des microservices faiblement couplés, et il n'est pas nécessaire d'exécuter tous les services ensemble, donc seuls les services dépendants doivent être exécutés. D'autres services peuvent être utilisés selon les besoins. En raison de ces avantages, un framework Edge Computing open source est préféré comme base logicielle de la passerelle Edge.

Le projet EdgeX Foundry a été lancé sous la Linux Foundation. Il s'agit d'une plate-forme ouverte et interopérable pour la périphérie de l'IoT. Le framework est structuré en différentes couches, chacune composée de plusieurs microservices. L'architecture modulaire permet aux utilisateurs de mettre à l'échelle, de mettre à jour et de distribuer facilement la logique dans différents systèmes, améliorant ainsi la maintenabilité.

EdgeX est compatible avec les systèmes Windows, macOS et Linux. Cette architecture de plate-forme est conçue de manière à ce que tout technicien puisse l'apprendre en peu de temps, la mettre en œuvre et y contribuer par lui-même.

EdgeX accélère la mise sur le marché des solutions de périphérie complètes et/ou des offres SW/HW de périphérie en fournissant des services de référence remplaçables pour l'ingestion de données d'appareil, la normalisation, l'intelligence de périphérie (AI/ML) et la prise en charge du partage des nouveaux services de données IoT et des applications informatiques de pointe avancées .

EdgeX a déjà été implémenté dans des produits tels que EdgeXpert, EdgeXRT, HP Engage Edge, EdgeBox et les passerelles Dell. L'utilisation du framework EdgeX dans ces nombreux produits renforce la confiance pour une utilisation dans d'autres passerelles Edge.

Comment EdgeX répond aux exigences de la passerelle Edge ?

EdgeX Foundry est une plate-forme logicielle open source, indépendante des fournisseurs, qui sert d'intergiciel de périphérie entre la détection physique et l'actionnement des « choses » et un système de technologie de l'information (IT).

Figure 1. Fonderie EdgeX (Source :www.edgexfoundry.org)

Stockage de données – Redis DB

EdgeX fournit Redis open source comme base de données par défaut. Redis fournit une gamme différente d'options de persistance telles que RDB, AOF. Il s'agit d'une structure de données en mémoire utilisée pour stocker et transmettre. Cela aide dans les cas où les appareils périphériques basculent entre les modes connecté et déconnecté.

Analyse des données - Moteur de règles Kuiper

EdgeX fournit EMQ X Kuiper, un progiciel open source léger pour l'analyse de périphérie IoT et le traitement de flux. Kuiper peut s'exécuter sur divers périphériques de périphérie à ressources limitées. Les règles Kuiper sont basées sur Source, SQL et Sink.

• Source :source de données des données de streaming, telles que les données du courtier MQTT.
• SQL :SQL est l'endroit où vous spécifiez la logique métier du traitement des données en continu. Kuiper fournit des instructions de type SQL permettant à l'utilisateur d'extraire, de filtrer et de transformer des données.
• Récepteur :le récepteur est utilisé pour envoyer le résultat de l'analyse à une cible spécifiée telle que le courtier MQTT ou une adresse HTTP REST.

Les quatre étapes suivantes sont requises pour utiliser Kuiper :

1. Créer un flux où la source de données doit être spécifiée
2. Écrire un SQL/règle pour l'analyse des données
3. Spécifier une cible de récepteur pour enregistrer le résultat de l'analyse
4. Déployer et exécuter la règle

Connectivité des appareils - Services des appareils

EdgeX fournit quatre couches de microservices faiblement couplées. Parmi eux, la couche des services de périphérique interagit avec les services de périphérique. Les services d'appareils EdgeX traduisent les informations provenant des appareils via des centaines de protocoles et des milliers de formats et les transfèrent dans EdgeX.

Les services d'appareils sont les connecteurs de périphérie interagissant avec les appareils tels que les appareils ménagers intelligents, les capteurs, les actionneurs et toutes les machines des industries. En plus d'obtenir les données des capteurs et d'actionner les appareils, les services de l'appareil :

1. Obtenir des mises à jour d'état des appareils/capteurs
2. Transformer les données avant d'envoyer les données du capteur à EdgeX
3. Modifier la configuration
4. Découvrir les appareils

Les services d'appareils peuvent desservir un ou plusieurs appareils à la fois. L'appareil peut être une passerelle Edge/IoT (et tous les appareils de cette passerelle), un gestionnaire d'appareils, un concentrateur de capteurs, un service Web disponible sur HTTP ou un capteur logiciel qui agit comme un appareil, ou une collection d'appareils, pour EdgeX Fonderie.

Interopérabilité – Broker MQTT et API REST

EdgeX prend en charge un protocole de messagerie MQTT léger. Il permet à l'utilisateur de publier ou de s'abonner au transport de messagerie qui est idéal pour connecter des appareils distants avec une faible empreinte de code et une bande passante réseau minimale.

EdgeX prend en charge le service de périphérique de repos qui fournit un moyen simple pour les applications tierces de pousser des données dans EdgeX via le protocole REST.

Sécurité - Security Store et API Gateway

EdgeX fournit deux composants de sécurité clés. Le premier est un magasin de sécurité, qui est utilisé pour fournir un endroit sûr pour conserver les secrets EdgeX tels que le mot de passe, la certification et la clé d'accès. La seconde est une passerelle API, qui est utilisée comme proxy inverse pour restreindre l'accès aux ressources REST EdgeX et effectuer des travaux liés au contrôle d'accès.

Gestion des appareils – API de gestion des appareils

EdgeX fournit une option pour examiner la santé périodiquement. Les API de gestion des appareils utilisées pour obtenir des métadonnées sur n'importe quel appareil.

Connectivité Cloud

EdgeX prend en charge la connexion aux plateformes cloud telles que AWS, Microsoft Azure et IBM Watson cloud.

La connectivité cloud dans EdgeX est offerte de deux manières :

1. Services d'application :ces services doivent être compilés pour être déployés afin d'envoyer des données vers des services cloud tels qu'AWS et Microsoft Azure. Il reçoit les données directement du bus de messages via lequel edgex-core-data publie les événements de données.
2. Application Service Configurable :il fournit un moyen rapide d'utiliser la configuration plutôt que de compiler des services pour utiliser les fonctions intégrées du SDK.

Le deuxième article proposera une étude de cas sur l'interfaçage d'un capteur industriel avec EdgeX pour obtenir des fonctionnalités de edge computing.