IoT-protokollan integrointi OPC UA:han kaukolämpöjärjestelmän tiedonkeruussa
Santahuhta, Aleksi (2020)
2020
Automaatiotekniikan DI-ohjelma - Degree Programme in Automation Engineering
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2020-01-02
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-201912066654
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-201912066654
Tiivistelmä
Automaatiojärjestelmien tiedonsiirron tarve lisääntyy jatkuvasti. Automaatiojärjestelmät laajenevat tai niistä kerätään enemmän tietoa. Tavoitteena voi olla esimerkiksi prosessin tilannekuvan parantaminen tai prosessin optimointi. Edellä mainitut toimenpiteet lisäävät automaation tiedonsiirtoverkossa siirrettävää tietomäärää.
Automaation tiedonsiirtoverkkojen kapasiteetti ja laitteiden resurssit ovat kuitenkin rajallisia. Resurssit ovat rajallisia edullisissa tai iäkkäissä laitteissa. Tiedonsiirtoverkkojen kapasiteetti voi olla rajallinen erityisesti hajaantuneen automaation järjestelmissä, joissa laitteet ovat fyysisesti erillään ja kaukana toisistaan. Rajallisissa tiedonsiirtoverkoissa ja laitteissa protokollien on käytettävä kapasiteetti tehokkaasti. Lisäksi protokollien on oltava tietoturvallisia ja luotettavia.
Tämän työn tarkoituksena oli tutkia IoT-protokollia ja valita sopivin kaukolämpöjärjestelmän tiedonkeruuseen. Järjestelmässä käytetään palvelimien ja asiakasohjelmien väliseen tiedonsiirtoon OPC UA:ta, mutta etäasemien ja tiedonkeruujärjestelmän väliseen tiedonsiirtoon käytetään valittavaa protokollaa. Valinta tehtiin tiedonkeruujärjestelmän tiedonsiirrolle asetettujen vaatimusten perusteella. Ne pohjautuivat automaatiojärjestelmän tiedonsiirrolle asetettuihin vaatimuksiin sekä IIoT-järjestelmille asetettuihin vaatimuksiin. Vertailu suoritettiin kirjallisuustutkimuksena ja vertailussa hyödynnettiin aikaisempaa tutkimusmateriaalia sekä protokollien määrittelyjä. Tutkittavia IoT-protokollia olivat AMQP, CoAP, HTTP ja MQTT. MQTT-protokolla tuli valituksi vertailun tuloksena.
Protokollasta selvitettiin ohjelman suoritusnopeus ja muistin käyttö edullisessa ohjelmoitavassa logiikassa. Lisäksi selvitettiin protokollan sanomakoko ja kommunikoinnin käsittelynopeus. Työssä toteutettiin valitun protokollan ja OPC UA:n integraation prototyyppi sekä asiakasohjelma edulliseen ohjelmoitavaan logiikkaan. Toteutetulla järjestelmällä suoritettiin työn mittaukset. Kommunikoinnin käsittelynopeuden ja sanomakoon mittaustuloksia vertailtiin tuloksiin, jotka saatiin testissä, jossa käytettiin Siemensin ohjelmoitavissa logiikoissa käytettävää natiivia S7-kommunikointiprotokollaa.
Tutkimuksen tulosten perusteella voidaan arvioida MQTT-protokollan käytettävyyttä ja suorituskykyä edullisissa ohjelmoitavissa logiikoissa. Lisäksi työssä esitetään suosituksia integraation arkkitehtuurille sekä sanoman muodostamiseksi tiedonsiirrossa etäasemien ja tiedonkeruujärjestelmän välillä. The need for data transfer is increasing constantly in industrial control systems. Industrial control systems grow or the amount of gathered data increases. The goal might be to get better image of the process or optimization of the process. Mentioned actions increase the data transferred in industrial control networks.
However, the capacity of industrial control networks and resources of devices are limited. The resources are limited in legacy or inexpensive devices. The capacity of industrial control system network might be limited especially in distributed control systems where devices are physically separate and far from each other. Protocols must use capacity efficiently in limited industrial control systems network. In addition, the protocols must be secure and reliable.
The purpose of this thesis is to study IoT-protocols and choose the most suitable protocol in the district heating data collection system. The system uses OPC UA in communication between servers and clients, but use chosen protocol in communication between data collection and substations. Choosing was based on requirements given to the communication of the data collection system. Requirements were defined based on common requirements for industrial control network and requirements defined for IIoT-systems. The comparison was done as a literature research based on previous researches and the specifications of the protocols. The studied IoT-protocols were AMQP, CoAP, HTTP and MQTT. The MQTT protocol was chosen as a result of the comparison.
A program cycle time and memory usage were studied in an inexpensive programmable logic controller when using the chosen protocol. Also, the message size and the communication handling speed of the protocol were studied. A prototype integration of OPC UA with the chosen protocol and a client program for a programmable logic controller were done. The measurements were done with the implementation. The communication handling speed were compared with results from measurements where a native Siemens S7-communication protocol were used.
The results of the study can be used to evaluate the usability and the performance of MQTT-protocol in inexpensive programmable logic controllers. In addition, the thesis makes recommendations for the architecture of the integration and for the mapping of the message in the communication between the data collection system and substations.
Automaation tiedonsiirtoverkkojen kapasiteetti ja laitteiden resurssit ovat kuitenkin rajallisia. Resurssit ovat rajallisia edullisissa tai iäkkäissä laitteissa. Tiedonsiirtoverkkojen kapasiteetti voi olla rajallinen erityisesti hajaantuneen automaation järjestelmissä, joissa laitteet ovat fyysisesti erillään ja kaukana toisistaan. Rajallisissa tiedonsiirtoverkoissa ja laitteissa protokollien on käytettävä kapasiteetti tehokkaasti. Lisäksi protokollien on oltava tietoturvallisia ja luotettavia.
Tämän työn tarkoituksena oli tutkia IoT-protokollia ja valita sopivin kaukolämpöjärjestelmän tiedonkeruuseen. Järjestelmässä käytetään palvelimien ja asiakasohjelmien väliseen tiedonsiirtoon OPC UA:ta, mutta etäasemien ja tiedonkeruujärjestelmän väliseen tiedonsiirtoon käytetään valittavaa protokollaa. Valinta tehtiin tiedonkeruujärjestelmän tiedonsiirrolle asetettujen vaatimusten perusteella. Ne pohjautuivat automaatiojärjestelmän tiedonsiirrolle asetettuihin vaatimuksiin sekä IIoT-järjestelmille asetettuihin vaatimuksiin. Vertailu suoritettiin kirjallisuustutkimuksena ja vertailussa hyödynnettiin aikaisempaa tutkimusmateriaalia sekä protokollien määrittelyjä. Tutkittavia IoT-protokollia olivat AMQP, CoAP, HTTP ja MQTT. MQTT-protokolla tuli valituksi vertailun tuloksena.
Protokollasta selvitettiin ohjelman suoritusnopeus ja muistin käyttö edullisessa ohjelmoitavassa logiikassa. Lisäksi selvitettiin protokollan sanomakoko ja kommunikoinnin käsittelynopeus. Työssä toteutettiin valitun protokollan ja OPC UA:n integraation prototyyppi sekä asiakasohjelma edulliseen ohjelmoitavaan logiikkaan. Toteutetulla järjestelmällä suoritettiin työn mittaukset. Kommunikoinnin käsittelynopeuden ja sanomakoon mittaustuloksia vertailtiin tuloksiin, jotka saatiin testissä, jossa käytettiin Siemensin ohjelmoitavissa logiikoissa käytettävää natiivia S7-kommunikointiprotokollaa.
Tutkimuksen tulosten perusteella voidaan arvioida MQTT-protokollan käytettävyyttä ja suorituskykyä edullisissa ohjelmoitavissa logiikoissa. Lisäksi työssä esitetään suosituksia integraation arkkitehtuurille sekä sanoman muodostamiseksi tiedonsiirrossa etäasemien ja tiedonkeruujärjestelmän välillä.
However, the capacity of industrial control networks and resources of devices are limited. The resources are limited in legacy or inexpensive devices. The capacity of industrial control system network might be limited especially in distributed control systems where devices are physically separate and far from each other. Protocols must use capacity efficiently in limited industrial control systems network. In addition, the protocols must be secure and reliable.
The purpose of this thesis is to study IoT-protocols and choose the most suitable protocol in the district heating data collection system. The system uses OPC UA in communication between servers and clients, but use chosen protocol in communication between data collection and substations. Choosing was based on requirements given to the communication of the data collection system. Requirements were defined based on common requirements for industrial control network and requirements defined for IIoT-systems. The comparison was done as a literature research based on previous researches and the specifications of the protocols. The studied IoT-protocols were AMQP, CoAP, HTTP and MQTT. The MQTT protocol was chosen as a result of the comparison.
A program cycle time and memory usage were studied in an inexpensive programmable logic controller when using the chosen protocol. Also, the message size and the communication handling speed of the protocol were studied. A prototype integration of OPC UA with the chosen protocol and a client program for a programmable logic controller were done. The measurements were done with the implementation. The communication handling speed were compared with results from measurements where a native Siemens S7-communication protocol were used.
The results of the study can be used to evaluate the usability and the performance of MQTT-protocol in inexpensive programmable logic controllers. In addition, the thesis makes recommendations for the architecture of the integration and for the mapping of the message in the communication between the data collection system and substations.