Comparison of communication protocols in the alarm management for remote systems

Abstract

Hälytykset ovat tärkeä osa jokaista automaatiojärjestelmää. Industry 4.0:n myötä näiden järjestelmien etävalvonta yleistyy ja siten myös hälytysten tärkeys korostuu, sillä perille pääsemättömällä hälytyksellä saattaa olla vakavia seuraamuksia. Oikean viestintäprotokollan valitseminen hälytysten ja telemetrian välittämistä varten on siis tärkeää, jotta voidaan varmistaa luotettava yhteys etävalvontatyökaluihin, tämä korostuu erityisesti kohteissa, joissa on heikko tai epäluotettava internetyhteys. Tämän opinnäytetyön tarkoituksena on määrittää, mikä seuraavista, yleisessä käytössä olevista protokollista, MQTT, HTTP ja SMS, on sopivin tähän tarkoitukseen. Työn ensimmäisessä osassa keskitytään ensin esittelemään hälytykset osana SCADA-järjestelmää ja sen jälkeen esittelemään valitut protokollat ja niiden ominaisuudet. Esittelyn jälkeen suoritetaan vertailu protokollien välillä, ja sopivinta niistä käytetään soveltuvuusselvityksessä. Työn toisena osana on soveltuvuusselvityksenä toimiva käytännön toteutus, jossa toteutetaan järjestelmä, jonka avulla pystytään välittämään viestit testijärjestelmästä haluttuun päätepisteeseen. Viestienvälitysjärjestelmään sisältyy testijärjestelmä, joka vastaa viestien lähettämisestä, väliohjelmisto, joka välittää viestit määrättyyn päätepisteeseen hyödyntämällä Webhook-metodia, ja Raspberry Pi:lle asennettu välityspalvelin, joka kerää viestit testijärjestelmästä ja välittää ne väliohjelmistolle. Lisäksi välityspalvelimen ja sen asiakkaiden välinen yhteys turvataan hyödyntämällä TLS-salausta. Vertailun tulokset osoittavat, että valituista protokollista MQTT on tilanteeseen kaikista sopivin, koska monet sen ominaisuuksista ovat erikoistuneet viestin onnistuneen lähetyksen varmistamiseen. MQTT tosin lisää järjestelmään monimutkaisuutta, koska se vaatii erillisen välityspalvelimen.

Alarms are an essential part of every automation system, and with Industry 4.0, remote supervision of these systems is becoming more common and the importance of alarms will increase, as a missed alarm can have serious consequences. So selecting a correct communication protocol for transmitting alarms and telemetry to ensure reliable connection to remote monitoring tools is essential, especially in locations with weak or unreliable internet connections. The purpose of this thesis is to determine which of the following commonly used protocols, MQTT, HTTP, and SMS, is the most suitable for this purpose. The first part of the thesis will focus on first introducing alarms as part of a SCADA system and then introducing the selected protocols and their features. After the introduction, a comparison between the protocols is made and the most suitable one is used in the proof-of-concept practical implementation. The second part of the thesis is a practical implementation of the suitability test, where a system is implemented that is capable of forwarding messages from the test system to the desired endpoint. The messaging system includes a test system responsible for sending messages, middleware that forwards messages to a specified endpoint using the Webhook-method, and a proxy server installed on a Raspberry Pi that collects messages from the test system and forwards them to the middleware. In addition, the connection between the broker and its clients is secured using TLS encryption. The results of the comparison show that out of the selected protocols, MQTT is the most suitable, with several of its features focusing on ensuring that the message is received. However, MQTT does add additional complexity to the system due to requiring a broker.