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  • MQTT和Sparkplug B —— 工业物联网的开放标准
  • 发布时间:2022-11-24 来源:控制工程网

  •   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Sparkplug B 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。(作者:Arlen Nipper, CirrusLink Solutions)
      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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