Apa Itu MQTT, dan Bagaimana Perusahaan Otomasi Industri Dapat Menggunakannya?
Jika Anda terlibat sama sekali dengan Internet of Things industri (IIoT), Anda pasti akan melihat akronim baru digunakan di semua tempat:MQTT. Sementara MQTT cukup baru untuk otomatisasi, sudah ada selama lebih dari 20 tahun. Ini awalnya dikembangkan sebagai protokol untuk mendapatkan data dari ladang minyak terpencil, tetapi sampai saat ini, tidak pernah mendapatkan banyak adopsi di luar aplikasi niche ini. Sekarang muncul sebagai salah satu protokol utama untuk proyek transformasi digital untuk manufaktur.
Apa itu MQTT?
MQTT adalah singkatan dari Message Queuing Telemetry Transport. Ini adalah protokol transport pesan yang diterbitkan/berlangganan server klien, yang dianggap sebagai protokol pesan ringan untuk mengirim paket informasi kecil dalam aplikasi bandwidth terbatas. Pada intinya, ini dianggap sebagai standar OASIS di jantung untuk konektivitas IoT.
Riwayat
Pada akhir 1990-an, ada kebutuhan akan protokol komunikasi ringan yang dapat mengirimkan data dari lokasi minyak jarak jauh dengan kecepatan koneksi yang sangat rendah, mungkin serendah 300 baud. Strateginya adalah memanfaatkan kemampuan yang sudah ditawarkan di lapisan transport, yang menggunakan protokol TCP. Protokol aplikasi yang diusulkan akan menghapus semua redundansi yang ditambahkan ke muatan transmisi. Itu juga harus stateful, dan hanya melaporkan dengan pengecualian. Dengan mempertimbangkan kendala ini, Phillips 66 bekerja dengan Arlen Nipper dari Cirrus Link Solutions dan Andy Stanford-Clark dari IBM untuk mengembangkan apa yang sekarang dikenal sebagai protokol MQTT.
Penggunaan Komersial Awal
Sementara perusahaan otomasi didekati dengan protokol MQTT pada awal 2000-an, satu-satunya penggunaan komersial lainnya adalah dengan aplikasi Facebook Messenger dan Apple Messages. Fitur utama yang menarik adalah bahwa protokol memastikan keadaan dan kualitas data. Saat pengirim mengetik, penerima kemudian akan melihat tiga titik yang sekarang sudah terlalu familiar di layar. Itu juga digunakan di beberapa pemantauan rumah dan aplikasi data cuaca, tetapi pada saat itu, penggunaan MQTT agak terbatas.
Adopsi Otomatisasi
Pada pertengahan 2010, Arlen Nipper sekali lagi mendekati perusahaan otomasi untuk mempromosikan penggunaan MQTT. Ada kebutuhan yang muncul untuk mengumpulkan data manufaktur tambahan tanpa permintaan jaringan yang signifikan. Namun, ada beberapa kemampuan tambahan yang perlu dikembangkan untuk mendapatkan penerimaan di bidang manufaktur. Cirrus Link Solutions, bersama dengan Otomasi Induktif, melanjutkan pengembangan yang sekarang menjadi standar Sparkplug, yang mencakup atribut yang diperlukan untuk otomatisasi, yaitu serangkaian topik yang ditentukan, payload standar, dan kompresi pesan.
Ikhtisar Struktur
MQTT menggunakan struktur yang mirip dengan struktur folder komputer. Saya akan menggunakan desktop Windows sebagai contoh. Desktop memiliki folder bernama My Documents. Di My Documents, ada folder lain bernama Family, dan di folder itu ada folder untuk setiap anggota keluarga. Jalur ke folder saya adalah Desktop/Dokumen Saya/Keluarga/David. Saya akan menyimpan (mempublikasikan) semua dokumen saya ke David. Siapapun yang ingin membaca dokumen saya akan membuka (berlangganan) David.
Perangkat yang menggunakan protokol MQTT akan menerbitkan dan berlangganan ke jalur topik serupa yang disebut namespace. Sama seperti komputer, ia diatur dari yang paling umum hingga yang paling spesifik. Semakin tinggi level saya berlangganan, semakin banyak data yang akan saya terima. Ada juga wildcard yang dapat digunakan untuk membantu menentukan jalur topik. Tanda bintang (*) mencakup semuanya dari level saat ini dan di bawahnya. A plus (+) memindahkan jalur satu tingkat lebih rendah. Saya telah menyertakan beberapa contoh di bagian bawah artikel.
Penyelarasan dengan Standar ISA
Standar ISA-95 dipahami dengan baik dalam manufaktur. Ini menjelaskan model standar dan terminologi untuk antarmuka antara perusahaan dan sistem kontrol. Meskipun umumnya diwujudkan sebagai hierarki, dimulai dengan ERP di bagian atas dan perangkat di bagian bawah, standar ini terutama berkaitan dengan data manufaktur dan bagaimana itu harus terstruktur. Karena MQTT menggunakan namespace topik, ini dapat dengan mudah disejajarkan dengan hierarki ISA-95. Direkomendasikan bahwa namespace topik harus mengikuti Enterprise, Site, Area, Line, dan Cell saat dibuat. Folder root penerbit/pelanggan juga harus ada pada tingkat yang tepat. Misalnya, PLC yang mengontrol sel harus mempublikasikan datanya dalam topik Perusahaan/Situs/Area/Line/Sel. Jika seorang sejarawan proses khusus untuk suatu area, ia harus berlangganan semua data di tingkat Perusahaan/Situs/Area.
Arsitektur
Salah satu pertanyaan umum yang muncul dari penggunaan MQTT adalah apa yang terjadi ketika ada kehilangan konektivitas. Ada beberapa opsi yang dapat digunakan untuk mengurangi situasi ini. Solusi umum adalah dengan menggunakan metode "store-and-forward". Misalnya, sistem SCADA yang berada di lapisan kontrol akan terus mengumpulkan data hingga koneksi ke broker MQTT dilanjutkan. Perlu diperhatikan bahwa saat koneksi broker dilanjutkan, stempel waktu semua data yang disimpan tetap utuh.
MQTT juga mendukung penggunaan broker cadangan. Selama ada broker utama, jika koneksi ini terputus, node yang terhubung akan secara otomatis beralih ke broker lain. Hubungan umumnya dikonfigurasi melalui aplikasi (seperti sistem SCADA) yang mendukung fitur ini.
Solusi lain dicapai melalui penggunaan clustering. Ini tipikal untuk aplikasi yang tidak mampu menanggung kehilangan data. Pengaturan umum adalah memiliki beberapa broker MQTT yang diatur dalam sebuah cluster. Semua broker ini saling mengetahui dan akan berbagi pesan di dalam cluster. Saat konektivitas terputus, penerbit dan pelanggan data akan dengan mulus merutekan data ke broker lain tanpa kehilangan apa pun.
Ini adalah umum untuk aplikasi perusahaan untuk menggunakan data dari semua pabriknya. Untuk skenario ini, MQTT mendukung penggunaan bridging yang mirip dengan sistem store-and-forward. Dalam arsitektur ini, satu broker akan mempublikasikan atau menjembatani sebagian atau seluruh namespace ke broker lain. Dengan kata lain, broker pabrik akan menjembatani ke broker perusahaan. Baik topik yang diterbitkan maupun struktur namespace dapat ditentukan. Ini membatasi jumlah data yang dipublikasikan dan memberikan konteks untuk broker penerima.
Memublikasikan semua data apa adanya dengan tanda bintang (*) dan tidak mendefinisikan struktur apa pun adalah cara paling sederhana, tetapi ini dapat menghasilkan banyak data yang tidak perlu dan berpotensi membingungkan. Untuk memberikan beberapa konteks data, sebuah topik dapat ditambahkan ke awal ruang nama topik yang diterbitkan. Misalnya, Perusahaan/Situs dapat ditambahkan ke ruang nama Area/+/Sel pabrik, yang akan mengakibatkan Perusahaan/Situs/Area/+/Sel dikirim ke pialang Perusahaan. Hasilnya adalah data tingkat Sel dari semua Baris akan tersedia dari sistem ini (perhatikan penggunaan + wildcard).
Semua skenario ini dapat digunakan. Sistem SCADA dapat menggunakan store-and-forward ke cluster MQTT. Mungkin ada cluster utama dan cadangan, tetapi ini kemungkinan akan menambah kerumitan yang tidak perlu. Akhirnya, cluster pabrik dapat menjembatani ke cluster perusahaan untuk memaksimalkan integritas data. Ini bagus untuk analitik perusahaan dan pembelajaran mesin, karena ini membutuhkan sejumlah besar data berkualitas baik.
Keamanan
Salah satu perhatian utama dengan mengirim dan menerima data manufaktur di internet adalah keamanan siber. Sementara satu-satunya cara untuk benar-benar aman adalah melalui penggunaan celah udara, ini akan mencegah kemampuan organisasi untuk bertransformasi secara digital. Salah satu manfaat utama MQTT adalah keamanan. Sementara protokol komunikasi lainnya memerlukan pembukaan port jaringan, MQTT hanya membutuhkan koneksi keluar ke broker. Pabrik tidak diharuskan untuk membuka port masuk apa pun, yang sangat menarik bagi organisasi TI.
Pertimbangan Kedepan
Di artikel mendatang, saya akan menjelajahi aplikasi umum dengan MQTT. Meskipun protokol dimaksudkan untuk plug-and-play, kemungkinan akan ada minat pada detail teknis tambahan. Para pemimpin bisnis mungkin ingin mempertimbangkan bagaimana MQTT akan memengaruhi upaya transformasi digital mereka saat ini. Dan, tentu saja, para pemimpin teknik pasti ingin tahu bagaimana MQTT akan memengaruhi mereka.
Sebagai penutup, MQTT tidak boleh dianggap sebagai pengganti arsitektur yang ada. Selaras dengan persyaratan Industri 4.0, ini memanfaatkan apa yang sudah ada. Akan terus ada kebutuhan untuk OPC UA dan protokol lainnya, karena mereka lebih bertele-tele untuk aplikasi kontrol. Namun, dalam hal menggabungkan sejumlah besar data, MQTT merupakan pilihan yang sangat baik.
