MQTT和Sparkplug B —— 工业物联网的开放标准

Posted 2022-12-28 边缘计算社区

作者：Arlen Nipper, CirrusLink Solutions

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利用现有工具和先进技术，实现工业物联网（IIoT）并不像人们想象的那么难。

”

如今，几乎每个行业都有一个强劲的趋势：首席执行官、首席技术官和其他高管都希望获得更多数据。工业企业正在考虑数据运营、数据流的开发，以及在整个组织中持续使用数据。人们希望利用这些数据，更好、更快地做出决策。

大规模捕获、共享和使用数据的关键，是工业物联网（IIoT）。IIoT可以带来诸多优势，但许多公司仍在努力选择合适的技术，以从这些优势中获益。大多数使用专有技术网络来实施IIoT 项目的公司，最终都会发现这个过程很困难、昂贵且是劳动密集型的，其结果往往是失败。

然而，通过采用开放标准的工具，将有助于IIoT更快速且更易于大规模实施。包括消息队列遥测传输（MQTT）和SparkplugB 在内的开放标准和可互操作的IIoT工具，可以在整个企业中（从边缘到云）提供非专有的、单一可信数据源（SSOT）。

完整的数据也为机器学习（ML） 和人工智能（AI）应用奠定了基础。一旦正确实现了IIoT，就可以将运营技术（OT）数据应用到更多的场景。本文将深入探讨如何实施IIoT 来满足这些需求，并帮助企业在这个快速数字化转型的时代，跟上竞争对手的步伐。

本文图片来源：Inductive Automation

 实施IIoT不一定很难 

工业企业由许多资产、工业自动化系统、云计算和企业系统组成。有一些工厂实现了很好的相互连接，而还有很多工厂依旧没有大的改变。不同制造商之间往往有数百种复杂的工业协议，每种协议都有自己的语言，阻碍了从OT 到信息技术（IT）或云系统的数据共享。

完成这种数据交换，通常被称为弥合IT/OT的差距，但大多数制造商做得并不好。虽然市场上有数百种工具可以解决这些复杂问题，但很多企业经常会不知所措， 不知道用哪个好。从操作系统解决方案上的专有工具和编码，转向开放标准技术并不困难，但确实需要转变思维。

▎合适的 SCADA 系统或 IIoT 平台，可以连接任意数量的站点资产，以从边缘侧发布数据。

大多数制造企业认为数字化改造成本高昂，需要翻修和更换硬件、软件、控制系统等。事实上，MQTT 消息传递协议可以在现有技术的基础上实现解耦数据，并允许数据以一对多的方式传输给企业应用程序。开源Sparkplug B 规范增加了一些特性来实现数据的情境化，从而可以扩展IIoT用例。

下面介绍企业如何在现有系统的基础上，使用这些开放标准来实现IIoT，而无需在这个过程中大规模翻修和更换，也不需要花费大量的时间和金钱。

更高效地实现工业通信集成

建立OT 数据的单一事实来源是一个重要步骤。一旦完成，从预测性维护到人工智能的任何IIoT 用例都将更容易实现。MQTT 和Sparkplug B 为此提供了实现机制。首先，IIoT 需要一个平台或机制来连接车间系统。

合适的监控和数据采集（SCADA）或IIoT 平台，可以连接来自任意数量站点、现场、任何位置的OT 资产，以从边缘侧发布数据。MQTT是一种数据传输协议，旨在将数据从数千个设备，跨多个站点推送到工业和商业应用程序。Sparkplug B 向数据添加情境信息以扩展用例。

▎控制室内始终需要更好、一致的数据流，以便工程师能够做出更明智的决策

“你需要一个基于开放标准的IIoT 平台，具有无限的许可，并提供数据运营管道，以实现大规模的真正的数字化转型，” Inductive Automation 公司销售工程总监Travis Cox 说，“利用MQTT，您可以轻松地将设备与应用程序解耦，将数据传输到更多地方，并避免将SCADA变成中间件。”

MQTT 是一种轻量级发布/ 订阅消息传递协议，旨在服务于受限制的设备和低带宽、高延迟或不可靠的网络。

MQTT 提供了一种连接到现有基础设施的方法，创建一个标准的数据层，并将数据向上推送，使其可用于任何云或企业系统。企业可以创建一个可管理的、低成本的IIoT 概念验证并扩展它，而不需要大量的编程或专业知识。

MQTT 在实现IIoT 方面的价值在于，它将设备和应用程序解耦，并为多个数据消费者建立了单一事实来源。企业可以简化其数据管道，以获得对更多数据的访问，然后在整个组织中共享这些数据。

通过三种方式实现数据的互操作性

虽然MQTT 为交付IIoT 数据提供了一个优秀且可信的引擎，但它并不能使数据在整个企业中实现互操作。这就是Sparkplug B 发挥作用的地方。

Sparkplug 是一种开源软件规范，它为MQTT 客户机提供了一个集成数据的框架。该规范阐明了三个目标：

·定义MQTT 主题命名空间，实现IIoT 的优化；

·定义MQTT 状态管理，以利用连续会话感知；

·定义MQTT 有效负载。

Sparkplug 使互操作性更快速、更安全，并且是开放的标准，因此任何人都可以使用该框架。设备制造商开始支持Sparkplug，这意味着它内置于OT 层的设备上。

基于以下几个原因，具有MQTT 和的SCADA平台，可以节省时间和金钱。首先，这些工具是自由且开放的标准。其次，资产是自动发现的，标签是自动学习的，这使得扩展变得更容易。利用MQTT 和Sparkplug B 实施IIoT 项目，无需全新的基础设施就可实现从OT 到IT 的恒定数据流。

▎MQTT 和 Sparkplug B 可以帮助工程师获得更好的数据流，并使其可以从手机上操作 SCADA 系统。

 MQTT和Sparkplug B在油气行业的应用 

NGLEnergy Partners是一家中游石油和天然气公司，为生产商和最终用户提供多种服务，包括原油运输、储存、混合和营销。为了提高运营效率和创收能力，NGL公司启动了一个项目，为其盐水处理设施创建一个新的SCADA系统。他们使用MQTT和Sparkplug B 在8 个月内创建了一个智能油田，包括114 个水处理和处置设施、178 个管道接头、31 个推进器和大约125 万个标签。

MQTT 有助于解决该公司面临的两个关键问题：远程位置和有限的带宽。“MQTT是该项目的关键部分，” 负责NGL 公司SCADA 系统项目的Cox 说，“MQTT 在边缘进行发布/ 订阅的能力对NGL 公司极为重要。MQTT 需要较少的带宽，使我们能够在边缘的大多数通信中，使用蜂窝调制解调器，而在传统轮询中，这是很难实现的。”

Sparkplug B 还节省了很多时间。由于有114 个站点和超过一百万个标签，系统集成商无法花费大量时间，在远程站点和前端配置标签。通过Sparkplug，他们可以在现场定义标签，并在网关上自动发布和发现这些标签，为客户提供单一可信的数据来源。

ARB Midstream 总部位于丹佛，为原油、精炼产品和液化石油气提供中游和营销解决方案。ARB公司需要为一条有37 个站点的输油管道建立一个SCADA系统，同时进行硬件系统升级，创建一个新的网络，并从头开始建立一个控制室，所有这些都需要在6个月内完成。

作为该项目的一部分，ARB公司在其一些远程位置更换了一些较旧的VSAT 设备和蜂窝设备，从而可以使用MQTT。MQTT 帮助该公司快速实现了安全、经济高效和可扩展的基础设施。

MQTT 使用很少的带宽并根据异常进行报告，这是对传统轮询的一大改进。Cox 说：“一开始ARB 就发现数据利用率有35% 的差异，因为他们没有发送不需要发送的标签。”在这个项目中，薄弱的蜂窝网络意味着即使是基本的通信， 也难以保证。使用轻量级MQTT 协议，数据很快就能送达云端。

 具备数据洞察力的IIoT策略 

企业未来的策略应当包括IIoT 和开放标准。如果不这样，企业很可能面临落后的风险。一个完整的IIoT 战略，必须通过数据标准化和与各种数据消费端（从云服务到AI 和ML应用程序）的轻松集成，在整个企业中实现数据洞察。失败的项目通常基于特定于一个用例的专有协议，结果是不具备可扩展性。

MQTT 和Sparkplug B 等开源工具允许组织以一种经济高效、可重复、可互操作、快速安全的方式，在现场或工厂中实施IIoT。MQTT 允许使用OT 数据来弥合IT/OT 差距，Sparkplug B 提供情境化信息，使数据运营团队能够获得提高生产力和洞察力的见解。

关键概念： 

■ MQTT 是一种服务于受限设备、低带宽、高延迟或不可靠网络的消息协议。

■ Sparkplug 是一种开源软件规范， 为MQTT 客户端提供了一个集成数据的框架。

思考一下： 

您的工厂设备可以从MQTT 和Sparkplug B中获得哪些收益？

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本文来自于控制工程中文版（CONTROL ENGINEERING China）2022年9月刊《技术文章》栏目：通过开放标准和IIoT工具提高数据利用效率