[論文レビュー] Inter-communication between Programmable Logic Controllers using IoT technologies: A Modbus RTU/MQTT Approach

Marios Tyrovolas, Tibor Hajnal|arXiv (Cornell University)|Feb 11, 2021

Network Time Synchronization Technologies参考文献 11被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、局所的なPLCゲートウェイ間通信にModbus RTU、ゲートウェイ間データ交換にMQTTを用いた、IoTベースの2台のプログラマブルロジックコントローラー（PLC）間通信アーキテクチャを提案する。このソリューションは、Siemens Simatic IoT2020ゲートウェイを活用して、分散制御システムにおけるリアルタイムでスケーラブルかつ信頼性の高いPLC間通信を実現し、実験的環境で産業プロトコルと現代のIoTメッセージングプロトコルの有効な統合を示している。

ABSTRACT

Internet of Things (IoT) can be widely used in various applications such as manufacturing industry,achieving high operational efficiency and increased productivity.The exploitation of IoT paradigm made more feasible the use of distributed control systems (DCS) where more than one PLCs implement an industrial application.In case of having more than one PLC,it is obligatory to ensure their inter-communication.In this paper,a solution for PLCs' communication using Message Queuing Telemetry Transport (MQTT) IoT-protocol is presented.An experimental industrial plant was used,controlled by two PLCs.For the process' implementation,two Siemens gateways Simatic IoT2020 were integrated and communicated with the PLCs through Modbus Remote Terminal Unit (RTU) industrial protocol.Finally,data exchange between the two gateways was established using MQTT protocol.

研究の動機と目的

• 分散制御システム（DCS）における複数のPLC間通信の課題を、現代のIoT技術を用いて解決すること。
• スケーラブルかつリアルタイムなデータ交換を実現するため、Modbus RTUなどのレガシー産業プロトコルを、MQTTのような軽量なIoTメッセージングプロトコルと統合すること。
• 実際の産業制御環境における、ハイブリッドなModbus RTU/MQTT通信アーキテクチャの実現可能性とパフォーマンスを検証すること。
• 市販の産業用ゲートウェイを用いた、IoT対応PLC連携の実用的実装を示すこと。

提案手法

• PLC間の中継として2台のSiemens Simatic IoT2020ゲートウェイを用い、プロトコル変換とデータ転送を実現した。
• 各PLCとその対応ゲートウェイ間の直接的で低レベルの通信にModbus RTUを採用した。
• ネットワーク上での非同期的・イベント駆動型データ交換を可能にするために、ゲートウェイ間通信プロトコルとしてMQTTを実装した。
• システムはMQTTトピックの発行と購読を設定し、2台のゲートウェイ間でのリアルタイムデータ共有を可能にした。
• 実験的設定では、2台のPLCが物理的な産業プラントを制御しており、ゲートウェイ間のMQTTチャネルを通じてデータが交換された。
• 実際の産業制御環境において、信頼性と遅延の両面でアーキテクチャをテストした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 分散制御システムにおける複数のPLC間通信を実現するために、Modbus RTUとMQTTを効果的に統合する方法は何か？
• RQ2 局所制御にModbus RTUを維持しつつ、MQTTを介してゲートウェイ間通信を実施するIoTゲートウェイの使用が、PLC通信に与えるパフォーマンスと信頼性はいかほどか？
• RQ3 従来のPLCネットワーキングと比較して、ハイブリッドプロトコルアーキテクチャは、産業自動化システムにおける複雑さの低減とスケーラビリティの向上に寄与するか？
• RQ4 リアルタイム制御アプリケーションにおいて、レガシー産業プロトコルと現代のIoTメッセージングプロトコルを統合する際の実用的課題と制限要因は何か？

主な発見

• 提案されたModbus RTU/MQTTアーキテクチャは、中間ゲートウェイを介して2台のPLC間でリアルタイムデータ交換を成功させた。
• ゲートウェイ間通信にMQTTを用いることで、低遅延で信頼性が高く、産業用IoTアプリケーションに適したスケーラブルな通信が実現した。
• Siemens Simatic IoT2020ゲートウェイは、プロトコル変換とネットワーク通信を効果的に処理し、産業エッジコンピューティングに適していることが実証された。
• テスト中、ネットワーク全体で一貫したデータ同期と通信完全性を維持した。
• 実験的産業プラント環境において、Modbus RTUとMQTTの統合は実現可能で効果的であることが確認された。