使用 MQTT Sparkplug 构建强大的工业物联网系统

引言

随着工业物联网（IIoT）的部署日益增多和成熟，它们为全球的工业和制造组织带来了服务创新、生产力增加、运营流程优化，最重要的是成本降低。一些公司正在扩展其用例，而其他公司刚刚起步。根据Grandview Research的估计，全球IIoT市场规模为2630亿美元，到2028年将增长到1.11万亿美元（图1）。

图1：Grandview Research估计的IIoT市场规模

实现投资回报率（ROI）并从IIoT中获得价值取决于一个关键因素：数据。操作数据支持用例，如机器状态监测、提高OEE和实施预防性维护。数据的连通性和可用性通常是IIoT部署的主要挑战。因此，我们已经看到了两种旨在解决数据传输挑战并帮助制造业变得数据驱动的开放标准消息传递协议的增加采用 - MQTT和Sparkplug。

MQTT是一种轻量级的发布/订阅消息传递协议，非常适合连接远程设备（例如，IIoT）。MQTT具有小的代码占用空间。这种设计允许数据在具有资源限制或有限网络带宽的复杂通信环境中传输。MQTT已经成为IIoT通信中设备消息传递的事实标准，数百万设备利用其功能。

更近期，Sparkplug已经成为一项新的开放规范，当与MQTT一起部署时，它在成本节省、上市时间缩短、降低复杂性和提高生产力方面产生了数量级的业务益处。本文将重点讨论这些业务益处，强调采用MQTT/Sparkplug架构所产生的积极结果和投资回报率。虽然对这些部署的技术方面有一些一般性了解会有所帮助，但我们在本文中的目标是分享采用Sparkplug将如何积极影响您的业务，并帮助您更有效地竞争并降低成本。

什么是Sparkplug？

Sparkplug是一种针对智能制造和工业物联网中提高MQTT互操作性的开源软件规范。该规范提供了操作技术（OT）数据的上下文，以便与信息技术（IT）以双向和互操作的方式进行无缝集成。更简单地说，Sparkplug可以使边缘到云或企业数据中心的数据标准化，以便用于创建本地统一命名空间，用于机器学习或其他IIoT应用程序。

MQTT有效地使得IIoT框架中的任何设备或系统能够连接到任何类型或型号的设备。然而，MQTT消息传递不提供有关其共享的信息的上下文。Sparkplug的添加为工业数据提供了必要的上下文，以便根据数据的需求采取特定类型的操作。借助MQTT和Sparkplug，任何应用程序或设备都可以订阅数据。新的数据源可以立即被其他系统组件发现，这些数据源可以成为整个系统可以采取操作的唯一真相来源。

Sparkplug架构可能如图2所示，具有在一侧产生数据的启用了Sparkplug的OT系统，中间是完全符合Sparkplug规范的MQTT代理以传输数据，另一侧是启用了Sparkplug的IT系统以消耗数据。数据可以双向流动，Sparkplug增加了有价值的上下文，包括MQTT主题结构定义、MQTT状态管理和负载数据定义。

图2：IIoT的新架构

因此，Sparkplug为工业组织提供了一些关键能力。首先，它标准化和定义了OT数据，以便所有订阅者都知道如何使用它，无需特殊编程或编码。这使得我们上面提到的“单一真相”成为整个组织的IIoT架构中的混淆消除，允许所有云和企业系统利用数据。

其次，Sparkplug使组织能够将设备连接到基础设施而不是应用程序。通过这样做，该规范为其他系统摄取数据为其目的铺平了道路。第三，Sparkplug为真正的、关键任务的IIoT应用程序奠定了基础，具有极高的可靠性和低延迟操作。没有这些特点，真正的IIoT是无法存在的。最后，Sparkplug实现了一个真正的、互操作的“即插即用”IIoT环境。不仅可以轻松分发消息，还可以为这些消息定义共同的含义，它们代表哪些设备以及应该如何处理它们。

让我们看看采用Sparkplug如何能积极影响您的业务。

通过开放标准避免供应商“锁定”

在一个自1978年以来一直采用相同控制和命令系统策略的市场中，OT-IT协作的出现应该为工业组织带来灵活

性的欢迎变化。几十年来，系统和应用程序的硬编码意味着公司不得不依赖于单一供应商。这些供应商可以有效地“锁定”他们的客户，因为移动的风险、成本和集成问题对大多数工业公司来说过于繁重。

通过由厂商中立的非营利组织（在Sparkplug的情况下是Eclipse基金会）管理的开放规范，工业组织现在可以轻松、具有成本效益地从硬编码的专用系统迁移到开放标准的世界。公司可以轻松升级标准化系统或更换其他解决方案。

将开放规范（如Sparkplug）和开源软件应用于工业制造领域将为从使用专有接口并在固定功能硬件上运行工作负载转向在商用现成硬件上运行的可互操作的工作负载的戏剧性变化奠定基础。这种转变将导致广泛可扩展的解决方案，生成支持工业部门更高级附加值解决方案的标准化数据。

通过应用这些新兴模型，制造商将能够实现以下目标：

由于Sparkplug的互操作性，可以访问更多的供应商来获取解决方案。
最小化工作和风险的情况下，从一代技术升级到下一代。
合并现有系统并降低总拥有成本（TCO）。
简化和降低运营支出。
更快速地部署创新。

这种规模的转变将需要不仅仅是Sparkplug规范本身。还需要全球生态系统的供应商和公司共同合作，以持续推动工业部门的发展。这个过程在Sparkplug创立时已经得以实施，因为它是由Eclipse基金会管理的开源项目，是世界上最大的专注于IIoT和边缘技术的开源软件基金会。Eclipse基金会在提供供应商中立的管理方面拥有几十年的经验，同时吸引了行业领袖和创新型初创公司提供对Sparkplug和其他技术的发展提供意见和指导。

弥合OT和IT之间的鸿沟

在其核心，IIoT是关于利用IT的低成本、创新和灵活性，同时保留OT系统的高可靠性。这个概念并不新鲜，但许多以前的努力来弥合鸿沟令人困惑，并且存在着对工业网络产生负面影响的技术障碍。没有Sparkplug提供的数据上下文，IIoT架构往往无法满足成功使OT和IT系统协同工作所需的关键的“最后几英尺”。

Sparkplug彻底改变了游戏规则。通过上下文定义工业用途和意图，使IT系统能够轻松“摄取”和“理解”OT数据，这是以前不可能的，需要工业组织进行复杂、漫长且有缺陷的编码工作。这意味着额外的成本，前提是组织可以找到开展该项目的开发人员人才。

一旦Sparkplug降低了连接IT和OT系统的障碍，它们可以相互通信，然后IT系统可以根据OT数据进行高级分析和建模。创建反馈环路并根据OT数据采取行动的能力，从而提供了导致更具成本效益的架构的IT的所有优点。一些这些新的能力包括：

实时数据分析：启用Sparkplug的架构使得能够对工业环境中每个系统和设备生成的数据进行细粒度的实时分析。
数字孪生：智能传感器数据可以用于运行模拟，然后再部署实际设备之前。
应用AI和机器学习：Sparkplug使得实现AI的潜力，以提供关于运营效率的实时见解，成为相对简单的任务。
远程监控和预测分析：由MQTT和Sparkplug从OT到IT传递的数据可以用于进行高级分析，提供关于机器操作的见解，甚至可以实现预测性维护。
健康与安全：Sparkplug使得能够为安全和健康的工作环境做出贡献。
高级无线技术：通过Sparkplug，现在可以使用多种用于推进供应链应用的移动技术，如5G、LoRA、Wi-Fi7。
灵活的架构：基于MQTT和Sparkplug构建的IIoT网络为组织提供了惊人的灵活性，可以灵活管理供应商和资源。

减少系统复杂性并轻松扩展

Sparkplug启用系统的另一个关键好处是减少整个系统部署的复杂性，既可以在每个站点轻松复制所需的软件，也可以减少为服务相同区域所需的站点数量。许多数据传输解决方案都启用了自定义代码来操纵数据，而无

法扩展。Sparkplug为工厂提供了一个开放的数据传输结构，其中多个产品和系统都支持Sparkplug，并可以定义和配置模板。组织可以使用自动发现和模板快速添加新设备或站点。

一家大型石油和天然气公司的自动化专家分享了如何利用Sparkplug为一个业务单位降低了复杂性，从而每年节省了130万美元的软件编程成本。该业务单位每年建设50个新设施。通过为每个设施简化系统架构开发，他们实现了财务节省，并加快了上市时间。

这位会计专家认为，这种节省的财务成本是保守估算的，主要是因为Sparkplug使“写一次，随处使用”的模型成为可能，从而加速了构建系统架构的时间价值。他的Sparkplug启用系统将开发人员将新对象（如油罐、泵等）整合到系统中的时间从30分钟减少到5分钟，使用MQTT Sparkplug，或是6倍的集成时间。没有MQTT Sparkplug，该公司需要支付系统集成商多次构建相同的对象，多达三次（POC、PLC和HMI级别），实际上每次都要重新发明轮子。

通过利用Sparkplug的功能，他的团队还可以在无需派遣人员到远程站点的情况下，立即呼叫所有泵或所有油罐，并在需要时确定它们的状态。这些相同的系统还可以通过使用预测分析来主动警告团队是否存在问题，以识别事件是否即将发生。

除了减少编程时间外，Sparkplug系统还可以减少整个系统中的1:1关系的数量，降低了同时维护数十个站点的工作量。总的来说，这位自动化和IIoT专家通过Sparkplug系统将超过50个站点的总成本每年节省了260万美元以上。

实现关键任务的系统

Sparkplug对于实现具有低延迟架构的关键任务OT系统至关重要。Sparkplug的互操作的“即插即用”能力以及作为真相的单一来源的能力使得复杂的边缘计算架构成为现实。边缘计算将数据和计算智能放置在与其交互的物理对象附近，从而减少了系统的延迟，使反应更加迅速，性能更好。在工厂车间中，Sparkplug启用的架构可以比传统的OT系统更快地处理数千兆字节的数据，并且成本更低。从运营到预测性维护等，这种架构使企业能够比将信息批量传输并将其发送到其他地方进行处理的情况下采取更快的行动。

结论

Sparkplug的使用正在跨足众多行业。主要的汽车、制造、工业、石油和天然气以及供应链/物流公司正在利用其能力。云超大规模供应商正在积极利用这一规范来构建针对行业市场的新托管服务。这意味着如果您的竞争对手尚未使用Sparkplug，他们可能正在积极评估将其集成到其环境中。IIoT World最近进行的一项调查问及正在构建IIoT系统的公司认为哪些数据传输工具对于实现他们的IIoT战略至关重要。55%的回答是MQTT，令人印象深刻的25%回答是MQTT Sparkplug，巩固了这一相对新技术作为公司数字转型和IIoT项目的关键组成部分。