Podržani komunikacijski protokoli

Modbus (RTU / TCP)

Namjena i opis

Jednostavan i široko rasprostranjen industrijski protokol za razmjenu procesnih podataka između upravljačkih jedinica, senzora i izvršnih uređaja. Razvijen je 1979. godine u tvrtki Modicon (danas Schneider Electric) i postao je de facto standard u industrijskoj automatizaciji. Koristi se u SCADA sustavima, programirljivim logičkim kontrolerima (PLC), frekvencijskim pretvaračima, mjernim instrumentima i senzorima. Zahvaljujući jednostavnoj implementaciji i minimalnim zahtjevima u pogledu računalnih resursa, protokol je idealan za ugradbene računalne sustave i uređaje s ograničenom memorijom.

Arhitektura i podatkovni model

Podatkovni model temeljen na registrima počiva na četiri tipa adresnog prostora:

• Coils (0x) – diskretni izlazi (jednobitne vrijednosti za čitanje i upis)
• Discrete Inputs (1x) – diskretni ulazi (samo za čitanje)
• Input Registers (3x) – 16-bitni ulazni registri (samo za čitanje)
• Holding Registers (4x) – 16-bitni registri za čuvanje vrijednosti (za čitanje i upis)

Arhitektura klijent–poslužitelj (master-slave): nadređeni uređaj inicira zahtjeve, a podređeni uređaji odgovaraju na njih. Svaki podređeni uređaj ima jedinstvenu adresu (1–247). Protokol nema ugrađenu semantiku podataka – tumačenje vrijednosti registara definira se na aplikacijskoj razini i u dokumentaciji uređaja. Podržava čitanje i upis jednog ili više registara.

Prijenos

Modbus RTU:

• Serijske linije RS-485 (do 32 uređaja na sabirnici, udaljenost do 1.200 m) ili RS-232 (veza točka–točka)
• Binarno predstavljanje podataka
• Provjera cjelovitosti pomoću CRC-16
• Brzina prijenosa: od 1200 do 115200 bauda
• Prijenos u poludupleksu

Modbus TCP:

• Enkapsulacija Modbus okvira u TCP/IP (port 502)
• Zaglavlje MBAP (Modbus Application Protocol) za identifikaciju transakcija
• Prijenos u punom dupleksu
• Mogućnost istodobnog rada s više uređaja
• Kontrolni zbroj nije potreban (pouzdanost osigurava TCP)

Ključne mogućnosti

• Čitanje i upis diskretnih signala (Coils) i registara
• Podrška za standardne kodove funkcija (FC 01–06, 15–16, 23)
• Dijagnostičke funkcije (FC 08)
• Čitanje identifikacijskih podataka uređaja (FC 17, 43)
• Minimalni zahtjevi u pogledu računalnih resursa uređaja
• Jednostavnost implementacije i otklanjanja pogrešaka
• Niski troškovi implementacije
• Obrada iznimaka i kodovi pogrešaka
• Podrška za poruke upućene svim uređajima (broadcast, adresa 0) u režimu RTU
• Skalabilnost do 247 uređaja na liniji (RTU) ili bez ograničenja preko protokola TCP

OPC UA

Namjena i opis

Univerzalan višeplatformski standard (OPC Unified Architecture, IEC 62541) za sigurnu i strukturiranu razmjenu industrijskih podataka, metapodataka i semantičkih informacija. Razvila ga je organizacija OPC Foundation kao nasljednika klasičnih specifikacija OPC DA/AE/HDA, čime je otklonjena ovisnost o tehnologijama Microsoft DCOM. Omogućuje vertikalnu i horizontalnu integraciju u industrijskim sustavima – od razine polja do korporativnih informacijskih sustava (ERP, MES). Zahvaljujući bogatim mogućnostima informacijskog modeliranja, podržava koncepte Industrije 4.0 i digitalnih blizanaca.

Arhitektura i podatkovni model

Objektno orijentiran podatkovni model koji informacije predstavlja kao adresni prostor sastavljen od čvorova (Address Space):

• Čvorovi različitih tipova: Variable, Object, Method, View, DataType, ReferenceType
• Atributi čvorova: Value, DataType, AccessLevel, Timestamp, Quality, DisplayName itd.
• Reference između čvorova: hijerarhijske, asocijativne, komponentne
• Tipovi podataka: primitivni tipovi, strukture, nizovi, pobrojani tipovi

Podržane usluge:

• Subscription – praćenje promjena podataka uz podesive intervale uzorkovanja i filtre
• Events & Alarms – asinkrone obavijesti o događajima, alarmima i stanjima
• Historical Access – pristup arhiviranim podacima i događajima
• Methods – daljinsko pozivanje procedura na uređajima

Granski informacijski modeli (Companion Specifications): strojarstvo, energetika, naftna i plinska industrija, farmaceutska industrija.

Prijenos

Binarni protokol UA preko TCP/IP:

• Binarni protokol s optimiziranom serijalizacijom (port 4840)
• Visoke performanse i minimalno dodatno opterećenje

HTTPS / SOAP:

• Profil web-usluga za integraciju s poslovnim sustavima poduzeća
• Kodiranje u formatu JSON za aplikacije u oblaku

OPC UA PubSub:

• Model izdavač–pretplatnik za distribuirane sustave
• Prijenos: UDP Multicast, MQTT, AMQP, Ethernet TSN
• Deterministički prijenos za vremenski kritične aplikacije

Sigurnost:

• Sigurnosni režimi na više razina (None, Sign, SignAndEncrypt)
• Certifikati X.509 za autentifikaciju
• Šifriranje algoritmima AES i RSA

Ključne mogućnosti

• Informacijsko modeliranje: prijenos ne samo „sirovih” vrijednosti nego i složenih strukturiranih podataka sa semantikom, tipizacijom i metapodacima
• Pretplate s podesivim intervalima prozivanja, filtrima mrtve zone (deadband) i međuspremanjem
• Događaji i sustav alarma s uvjetnim filtriranjem
• Pozivanje metoda za upravljanje uređajima i izvršavanje operacija
• Pristup povijesnim podacima s agregacijom
• Otkrivanje usluga u lokalnim mrežama
• Ugrađena sigurnost: šifriranje kanala, autentifikacija pomoću certifikata ili korisničkog imena i lozinke, kontrola pristupa na razini čvorova
• Redundancija poslužitelja i otpornost na kvarove
• Višeplatformska podrška: Windows, Linux, VxWorks, QNX i drugi operacijski sustavi
• Skalabilnost: od mikrokontrolera do distribuiranih sustava

MQTT

Namjena i opis

Lagan protokol za razmjenu poruka (Message Queuing Telemetry Transport) namijenjen telemetriji, daljinskom nadzoru i upravljanju IoT uređajima, optimiziran za rad u nepouzdanim mrežama, s ograničenom propusnošću i velikim kašnjenjem. Razvijen je 1999. godine u tvrtki IBM za nadzor naftovoda, a standardizirale su ga organizacije OASIS i ISO/IEC (20922:2016). Široko se koristi u industrijskom IoT-u, pametnim kućama, telematici vozila i mobilnim aplikacijama. Cilj je protokola svesti mrežni promet i potrošnju energije uređaja na minimum.

Arhitektura i podatkovni model

Asinkroni model objavljivanja i pretplate (Publish/Subscribe) s centraliziranim brokerom:

• Izdavač (publisher) – uređaj ili aplikacija koja objavljuje poruke u teme
• Pretplatnik (subscriber) – uređaj ili aplikacija koja je pretplaćena na prijam poruka iz tema
• Broker – središnji poslužitelj za usmjeravanje poruka (Mosquitto, HiveMQ, EMQ X itd.)

Teme (topics) – hijerarhijska struktura putanja za kategorizaciju poruka:

• Razdjelnici razina: / (npr. factory/building1/temperature)
• Zamjenski znakovi: + (jedna razina), # (više razina)
• Primjer pretplate: sensors/+/temperature ili factory/#

Format podataka određuje aplikacija: JSON, Protocol Buffers, XML, binarni podaci, tekst.
Zadržane poruke (retained messages): broker čuva posljednju poruku za temu i isporučuje je novim pretplatnicima.
Trajne sesije (persistent sessions): broker zadržava pretplate klijenta i nakon prekida veze.

Prijenos

• Transportni sloj: TCP/IP (port 1883 za nezaštićene veze)
• TLS/SSL (port 8883) za šifriranje i autentifikaciju
• WebSockets za integraciju s preglednicima i web-aplikacijama
• Verzije protokola: MQTT 3.1.1 (najrasprostranjenija), MQTT 5.0 (proširene mogućnosti)
• Veličina zaglavlja: najmanje 2 bajta (fiksno zaglavlje)
• Mehanizam keep-alive: periodična razmjena PINGREQ/PINGRESP za nadzor veze
• Rad preko brokera osigurava razdvajanje izdavača i pretplatnika, horizontalno skaliranje i centralizirano upravljanje

Ključne mogućnosti

• QoS (Quality of Service) – tri razine jamstva isporuke:
  • QoS 0: najviše jednom (bez potvrde)
  • QoS 1: najmanje jednom (s potvrdom)
  • QoS 2: točno jednom (rukovanje u četiri koraka)
• Minimalno dodatno opterećenje mreže: fiksno zaglavlje od 2 bajta, učinkovito binarno kodiranje
• LWT (Last Will and Testament): mehanizam automatske obavijesti o neočekivanom prekidu veze s uređajem – broker objavljuje unaprijed definiranu poruku ako klijent nepravilno završi sesiju
• Clean Session / Persistent Session: mogućnost obnavljanja pretplata i poruka nakon ponovnog povezivanja
• Zadržane poruke: dostupnost posljednje vrijednosti novim pretplatnicima
• Mala potrošnja energije: idealna za uređaje s baterijskim napajanjem
• Skalabilnost: podrška za milijune istodobnih veza na klasterima brokera
• Pretplate sa zamjenskim znakovima za fleksibilno filtriranje tema

DLMS / COSEM (IEC 62056)

Namjena i opis

Međunarodni standard za razmjenu podataka s mjerilima potrošnje električne energije, plina, vode i toplinske energije (Device Language Message Specification / Companion Specification for Energy Metering). Razvilo ga je udruženje DLMS User Association zajedno s organizacijom IEC kako bi se osigurala interoperabilnost pametnih mjerila u automatiziranim sustavima mjerenja i obračuna (AMBS). Omogućuje daljinsko očitavanje mjerila, praćenje kvalitete električne energije, upravljanje tarifama i otkrivanje neovlaštenog pristupa. Široko ga koriste operatori elektroenergetskih sustava, komunalna i energetska poduzeća, kao i integratori sustava za pametne elektroenergetske mreže (Smart Grid).

Arhitektura i podatkovni model

Objektni model COSEM (Companion Specification for Energy Metering):

• Podaci mjerila predstavljeni su kao logički objekti (objekti COSEM) s klasama sučelja
• Kodovi OBIS (Object Identification System) – šestobajtni identifikator za univerzalno adresiranje parametara: A-B:C.D.E*F
  • A – vrsta energije (1=električna energija, 6=toplinska energija, 7=plin, 8=voda)
  • B – mjerni kanal
  • C – fizikalna veličina (npr. 1=djelatna energija)
  • D – vrsta mjerenja (8=vrijeme integracije)
  • E – tarifna zona
  • F – dubina povijesti

Protokol DLMS:

• Aplikacijski sloj prema modelu OSI
• Asocijacije s različitim pravima pristupa: Public, Reader, Manager
• Autentifikacija: Low Level Security (LLS), High Level Security (HLS) s mehanizmom izazov–odgovor
• Šifriranje: podrška za DLMS Security Suite s algoritmima AES-GCM-128
• Profili opterećenja: objekti međuspremnika za pohranu vremenskih nizova
• Sustav skripti: izvršavanje nizova radnji na mjerilu

Prijenos

Fizički sloj i sloj podatkovne veze:

• Optički port (IEC 62056-21, flag) – izravno povezivanje preko infracrvene glave za lokalno očitavanje
• RS-485 / RS-232 s protokolom HDLC (High-Level Data Link Control) za mreže s više uređaja na jednoj liniji (multi-drop)
• TCP/IP (port 4059) – DLMS preko protokola TCP ili enkapsulacija u IP za daljinski pristup
• GSM/GPRS/LTE – prijenos podataka preko mobilnih mreža uz omotačke protokole (wrapper)
• PLC (Power Line Communication) – prijenos preko elektroenergetskih vodova (PRIME, G3-PLC)
• M-Bus – za integraciju sa sustavima mjerenja potrošnje vode i toplinske energije

Profili prijenosa ovisno o implementaciji mjerila:

• IEC 62056-46: COSEM preko protokola HDLC
• IEC 62056-47: prijenos COSEM preko TCP-UDP/IP

Ključne mogućnosti

• Očitavanje mjerila – trenutačne vrijednosti potrošnje energije, snage, napona, struje i faktora snage
• Profili opterećenja – detaljni podaci s vremenskim oznakama (15-minutni, satni i dnevni intervali)
• Dnevnici događaja – bilježenje neovlaštenog otvaranja poklopca, nestanaka napajanja, prenapona i izmjena parametara
• Autentifikacija i autorizacija na više razina: kontrola pristupa temeljena na ulogama (javni pristup, čitanje, konfiguracija)
• Upravljanje tarifama – daljinska izmjena tarifnih rasporeda i tarifnih stavki
• Sinkronizacija vremena radi točnosti vremenskih oznaka
• Upravljanje relejem (uključivanje i isključivanje opterećenja)
• Praćenje kvalitete električne energije (propadi i skokovi napona, viši harmonici)
• Podrška za grupne operacije nad više mjerila
• Kriptografska zaštita podataka i cjelovitost poruka