当在工业控制系统中使用相同的语言，但存在不同的词汇来指代相同的物体时，可能会导致严重的混淆，特别是在需要迅速采取行动来纠正问题的关键时刻。这个问题类似于一群人在尝试一起解决一个谜题，但每个人都使用不同的拼图来组成完整的图像，因此难以协同合作。

幸运的是，有一种解决这个问题的方法，即采用统一的标准和词汇，以确保所有人都在同一个频道上。在工业控制系统中，这一标准就是MQTT Sparkplug。

什么是MQTT Sparkplug？

MQTT Sparkplug是一种开源软件规范，旨在指导MQTT客户端如何在工业环境中使用MQTT协议。它的目标是消除在工业自动化中出现的通信混乱，提高互操作性，加速新设备的集成，以及降低因通信问题而导致的停机和风险。

Sparkplug通过定义特定的消息结构和协议规则，为工业4.0和工业物联网（IIoT）创建了即插即用的解决方案。

举例：想象一下，你正在管理一个工厂的自动化系统，其中有多个设备负责监测温度。但是，不同的工程师和供应商使用了不同的命名约定来表示温度数据。有的人称之为“温度1”，有的人称之为“热量-A”，还有的人称之为“温度_reading_5”。在没有统一标准的情况下，混乱不断上升，工程师们必须不断查看文档以了解各种温度传感器的命名约定。这不仅浪费时间，还可能导致错误和混淆。

MQTT Sparkplug的三个关键目标

MQTT Sparkplug旨在实现以下三个关键目标：

定义MQTT主题命名空间：

它提供了一种结构化方法来命名MQTT主题，以便在整个系统中统一表示不同设备和传感器的数据。这消除了在不同设备之间的不同命名约定所导致的混淆。

举例说明：使用Sparkplug，所有温度传感器可以使用相同的命名约定，例如“温度1”，“温度2”和“温度3”，使工程师能够轻松地订阅和理解这些数据。

定义MQTT状态管理：

Sparkplug规范引入了状态管理，通过广播“出生消息”和“遗嘱消息”的方式，及时通知系统中的设备是否在线或离线。这消除了传统的轮询方式，减少了通信的带宽和计算资源的浪费。

举例说明：假设一个温度传感器由于故障而突然断线。使用Sparkplug，它将立即广播“离线”状态，而无需等待系统进行轮询检查。这大大提高了系统对设备状态的实时感知。

定义MQTT有效负载：

规范规定了如何结构化消息有效负载，使其易于理解和处理。每个消息有效负载包含了名称、别名、时间戳、数据类型和值，这使数据的解释和处理变得更加一致和方便。

举例说明：有效负载结构的统一性确保数据以一致的方式表示。例如，温度传感器的数据将包括名称（"温度"）、别名（"温度传感器1"）、时间戳、数据类型和实际温度值。这使数据处理变得更加简单，无需不断适应不同的数据格式。

MQTT Sparkplug的工作原理

在MQTT Sparkplug架构中，MQTT代理充当关键的中央枢纽。它负责接收发布的消息并将其路由到正确的订阅者。这种基于发布/订阅的消息传递方式使系统的组件能够以松散耦合的方式通信。

举例说明1：想象一下，多个温度传感器不断向MQTT代理发布温度数据。SCADA系统和其他应用程序可以订阅这些数据，而无需直接连接到传感器，从而实现了松散耦合的通信。

各种设备，特别是那些位于工厂设备的“边缘”或EON（Edge of Network）的设备，持续向MQTT代理发布数据。即使某些设备不支持原生的Sparkplug，它们仍然可以通过将数据发送到支持Sparkplug的EON节点来参与网络。

举例说明2：某台设备在工厂的边缘不支持Sparkplug，但它可以通过一个支持Sparkplug的EON网关将其数据发送到系统。这种灵活性确保了所有设备都可以参与通信。

SCADA/IIoT主机则是监视和控制这些EON节点及其下属设备和传感器的应用程序。它们连接到MQTT代理，可以实时监控设备状态、数据和执行控制操作。

说明：SCADA系统监视温度传感器的数据，并在需要时触发控制操作，例如调整温度设定或触发报警。

另外，还有MQTT应用节点，用于执行各种任务，例如数据历史记录、制造执行系统（MES）和数据分析。这些应用程序使用通过MQTT传输的数据，也可以生成消息以觋发操作。

说明：一个数据分析应用程序可以接收温度数据，将其与其他数据集进行比较，然后生成预测性维护建议，例如何时对设备进行维护，以确保其正常运行。

MQTT Sparkplug的优势

为什么要选择MQTT Sparkplug？这个规范提供了许多优势：

数据互操作性：

通过统一的消息结构和协议规则，Sparkplug确保不同设备之间的数据能够互操作，无需在通信上投入大量精力。

说明：无论哪家供应商提供的温度传感器，它们都能够在相同的系统中无缝运行，因为它们遵循了相同的Sparkplug规范。

节省带宽和资源：

通过“按异常报告”的状态管理方式，减少了不必要的轮询，从而节省了带宽和计算资源。

说明：使用Sparkplug，系统可以立即知道设备的状态变化，而不必频繁轮询设备，从而减少了通信开销。

支持传统设备：

即使某些设备不支持Sparkplug或MQTT，它们仍然可以通过使用EON节点来与系统集成。

说明：即使某个设备使用传统的通信协议，它可以通过连接到支持Sparkplug的EON节点来参与整个系统。

自动设备发现：

Sparkplug关注统一性，使系统能够自动发现网络上的设备和数据。

举例说明：当新设备添加到系统中时，它们可以自动被发现并集成，而无需手动配置。

开源规范：

Sparkplug是一个开源技术，无需许可，并且可以根据需要进行定制。

举例说明：无需支付昂贵的许可费用，您可以自由地采用和修改Sparkplug规范，以满足您的特定需求。

结论

MQTT Sparkplug是工业控制系统中的一项关键技术，它大大简化了设备之间的通信和集成，提高了系统的互操作性和可靠性。它为工业4.0和工业物联网（IIoT）的实施提供了强大的支持，使工业自动化系统更加安全、高效和可用。如果您正在考虑采用最新的工业技术，MQTT Sparkplug是您的有力助手，为您铺平通往成功的道路。在这个过程中，可以考虑与值得信赖的合作伙伴如Outlier Automation合作，以实现自动化目标。无论您需要帮助开始使用MQTT Sparkplug，计划升级PLC，还是进行概念验证，Outlier Automation都可以提供专业支持，助您顺利实现工业自动化的目标。