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MQTT Sparkplug:インダストリー4.0におけるITとOTの架け橋

Joey
Aug 4, 2023
MQTT Sparkplug:インダストリー4.0におけるITとOTの架け橋

産業企業は常に、生産性、収益性、柔軟性、品質、そして敏捷性の向上を追求しており、そのためにインダストリー4.0の技術を活用します。工場のデジタル変革への投資を増やすことで、高度な自動化、製品品質の追跡記録の改善、生産規模の拡大、そして組織の持続可能な発展を目指しています。しかし、予算をさらに増やす前に、工場のITとOTインフラが大量の新システムと機器をサポートできるかどうかを検討することが重要です。これは、多くの企業が見落としている重要な考慮点です。

インダストリー4.0のコアはIIoTであり、工場が機械、センサー、ロボット、その他のデバイスをインターネットや相互接続することを可能にする。IIoTの実装における重要な課題の1つは、インダストリー4.0の要求を満たすことができる適切な通信規格を選択することです。MQTT Sparkplugは、IIoTのために特別に設計された通信プロトコルであり、このブログでは、MQTT Sparkplugを掘り下げて、それがインダストリー4.0に何をもたらすかを見ていきます。

MQTT Sparkplugとは?

MQTT Sparkplugは、IoTのメッセージング・プロトコルとして広く使われているMQTTの上に構築されたメッセージング・プロトコルです。すでにMQTTプロトコルのすべての利点を備えている。MQTT SparkplugはIIoTのために特別に設計されており、産業用アプリケーションに適した追加機能を備えている。オープンソースのプロトコルであり、業界で広く採用されている。

MQTT Sparkplugは、MQTTのパブリッシュ・サブスクライブ・モデルに従っており、デバイスとホストが独立して動作し、生産プロセスの変更に迅速に対応するためのリアルタイムのデータ通信を行うことができる。また、バイナリ形式の標準化されたメッセージを定義しており、ホストシステムとデバイス間で一貫性のある効率的なデータ転送が可能です。

MQTT Sparkplugの進化

Sparkplugプロトコルは当初、シーラスリンク・ソリューションズが2016年5月にバージョン1.0としてリリースした。その後、「ペイロードB」を導入した2016年12月のバージョン2.1、シーラス・リンクがEclipse Foundation向けにプロトコルのブランドを変更し、商標シンボルを追加した2019年10月のバージョン2.2などのアップデートが行われました。これらの進展は、産業オートメーションおよびIIoT領域におけるSparkplugプロトコルの継続的な改良と成長を意味します。

昨年、Sparkplugワーキンググループは、インダストリー4.0向けのプロトコルに大幅な進歩と正式化をもたらす新しいプロトコル標準v3.0を発表した。

Sparkplug 3.0の新機能をご覧ください:Sparkplug 3.0:IIoT向けMQTT進化された標準

インダストリー4.0向けMQTT Sparkplugの一般的な利点

MQTT Sparkplugは、インダストリー4.0のIIoTシステムにいくつかのメリットをもたらす:

  • スケーラビリティ:システムのパフォーマンスに影響を与えることなく、工場が必要に応じて新しいデバイスやセンサーを追加できる。
  • セキュリティ:MQTT TLS暗号化と認証を使用することで、デバイス間の安全なデータ伝送方法を提供します。
  • 標準化:異なるメーカーのデバイスやホストシステム間の一貫性と相互運用性を保証します。
  • ネットワーク効率:小さなパケットサイズと効率的なバイナリメッセージフォーマットにより、システムの帯域幅使用量を削減することができます。

また、さまざまなクラウド、システム、デバイスを統合するための接続規格も提供している。

  • クラウドプラットフォームとの統合:MQTT Sparkplugは、工場がクラウドにデータを保存し分析することを可能にし、高度な分析と機械学習機能を実現します。
  • レガシーシステムとの統合MQTT Sparkplugにより、レガシーシステムはエッジノードを通じて簡単に統合でき、工場は既存のインフラを活用できます。

ITとOTの融合

大半の企業はまだ生産にインダストリー3.0テクノロジーを使用している。ほとんどのインダストリー3.0システムでは、ITシステムとOTシステムは分離しており、ITシステムはデータ処理と管理に、OTシステムは物理的なプロセスと機械の制御に焦点を当てている。オートメーション・ピラミッドの図では、ERPとMESはITシステムに属し、SCADA、PLC、SENSORSなどはOTシステムである。

Industry 3.0 vs Industry 4.0

インダストリー4.0が要求するように、クラウドコンピューティング、ビッグデータ、ロボットといったより高度な技術が製造インフラに追加されるだろう。

新しいシステムやデバイスが増えれば増えるほど、オートメーション・インフラは複雑になっていく。最終的に、デバイスやシステム間の通信チャネルは、もつれたり、整理されていないものが多くなります。すべてのシステムがOPC-UAのような単一のプロトコルを使用して相互に通信しているにもかかわらず、複雑なクライアント・サーバー接続ネットワークとルーティング・メカニズムは、相互運用性とデータ交換の面で工場に課題をもたらします。

Unified Namespace

このような課題に対処するため、Sparkplugイニシアチブでは、異なる機器やシステム間で使用できる標準化された通信チャネルやプロトコルの開発に重点を置いている。異なるデバイスやサブシステム間の相互運用性を可能にする標準化されたデータモデルやオントロジーの開発。

SparkplugブローカーとデータオプスゲートウェイをITとOTインフラの中央データハブとして一緒に導入することで、すべてのホストシステムとデバイスはデータ交換のためにこの中央データハブに等しく接続されます。ERPやMES、クラウドプラットフォームのようなSparkplugホストシステムは、PLC、デバイス、マシン、ロボットからのデータメッセージを直接消費することができ、ITとOTの融合を実現します。

統一ネームスペース:IIoT管理を簡素化するSparkplugの機能

Sparkplugの主な特徴の1つは、統一ネームスペースを使用することです。名前空間とは、システム内のオブジェクトを識別し、整理するために使用される命名システムである。インダストリー4.0の文脈では、通常、互いに通信する必要のある複数のデバイス、センサー、システムが存在する。各デバイスやシステムは独自の命名システムや識別子を持っている可能性があり、それらを統合的に管理することは困難である。

統一ネームスペースは、集中管理アプローチを可能にします。統一されたネームスペースにより、管理者はネットワーク内のすべてのデバイスとシステムを1ヶ所から簡単に監視・管理することができます。これは、管理すべきデバイスやシステムが何百、何千と存在するような大規模な産業環境では特に役立ちます。

さらに、統一されたネームスペースは、システム制御や監視タスクの自動化を促進します。デバイスやシステムを識別し、相互作用するための標準化された方法を提供することで、Sparkplugはデバイスの設定、ソフトウェアの更新、システム診断などのタスクを自動化するために使用できます。これにより、管理者の作業負荷を軽減し、産業オペレーション全体の効率を向上させることができます。

統一された名前空間はまた、データを整理し構造化するための標準化された方法を提供し、文脈化され正規化されたデータ表現を可能にする。統一された名前空間により、どのITシステムもどのOTシステムからもデータを利用することができ、その逆もまた同様である。AI/ML、Historian、SCADAなどのコンシューマー・アプリケーションは、この標準化されたデータ構造データから恩恵を受けることができ、スピードとデータ整合性の面でデータ処理を改善することができる。

Sparkplugで統一されたネームスペースを使用することで、インダストリー4.0環境における産業用システムの管理と監視のプロセスが簡素化されます。一元管理を可能にし、自動化を促進し、トラブルシューティング能力を向上させることで、統一されたネームスペースは産業用オペレーションの全体的な効率性と有効性を向上させるのに役立ちます。

詳しくは、統合ネームスペースに関するブログシリーズをお読みください:統一ネームスペース(Unified Namespace - UNS):IIoTデータ管理のための次世代データファブリック

MQTT Sparkplugソリューションの構築

MQTT Sparkplugソリューションを実装するには、MQTTサーバーとエッジノードの2つのコンポーネントが必要です。

MQTTサーバーは、IIoT環境におけるデバイスとアプリケーション間の通信を処理する中央ブローカーとして使用される。MQTTサーバーは、デバイスからのメッセージを受信し、適切なサブスクライバーに転送し、必要に応じて後で検索できるようにメッセージを保存する責任を負う。

エッジノードは、デバイスとMQTTブローカー間の仲介を行うデバイスまたはゲートウェイです。エッジノードは、MQTTブローカーへのデータのバッファリングや転送だけでなく、ローカルでのデータ処理やアグリゲーションも行うことができます。エッジノードは通常、多数のデバイスが大量のデータを生成し、ネットワーク帯域幅が限られているIIoT環境で使用されます。

MQTT Sparkplugのコンテキストでは、エッジノードはSparkplug仕様の実装を担当し、これにはデバイスの登録処理、Sparkplugペイロードフォーマットを使用したデータのエンコードとデコード、Sparkplugトピックネームスペースフォーマットを使用したデータの整理が含まれます。エッジノードは、MQTTプロトコルを使用してMQTTサーバーと通信し、データのローカル分析や処理を実行するために追加のソフトウェアを実行することもできます。

統一された名前空間を使用することで、デバイスやシステムは、個々の命名システムに関係なく、簡単にお互いを発見し、通信することができます。これにより、インダストリー4.0環境における複雑なシステムの統合と管理がはるかに容易になり、ネットワーク全体でデータが正確かつ一貫して共有されるようになります。

MQTT Sparkplugソリューションの例:EMQXとNeuronを活用した産業用IoTに向けのMQTT Sparkplugソリューション

MQTT SparkplugとOPC UAの比較OPC UA

MQTT SparkplugとOPC UAは、どちらも産業用IoT分野で著名な通信プロトコルだ。

MQTT Sparkplugは、軽量のパブリッシュ/サブスクライブ・メッセージング・プロトコルであるMQTTプロトコルをベースにしています。対照的に、OPC UAは通信と情報モデリングの両方の側面を包含する、より包括的で複雑なプロトコルです。Sparkplugのスケーラブルで効率的な設計は、リソースに制約のあるデバイスや帯域幅の限られたネットワークに適しています。OPC UAはより多くのリソースを必要とするため、より高いデータスループットや複雑なインタラクションが要求されるシステムでよく利用されます。

これら2つのプロトコルのより包括的な比較は、以下を参照されたい:IIoTプロトコルの比較:MQTT SparkplugとOPC-UAの比較

まとめ

結論として、MQTT SparkplugはIIoTの世界に多くの利点をもたらす強力で効率的なプロトコルである。MQTT Sparkplugは、効率的なデータ伝送と、デバイスの検出とデータモデリングのための組み込みメカニズムにより、大規模な産業用ネットワークの接続と管理に理想的な選択肢となります。MQTT Sparkplugを活用することで、企業はリアルタイムのデータ洞察力を引き出し、業務効率を改善し、産業プロセスのイノベーションを推進することができます。

IIoTが成長と進化を続ける中、MQTT Sparkplugが産業用コネクティビティの未来を形作る上で重要な役割を果たすことは間違いなく、よりスマートで、より接続性が高く、より効率的な産業用システムを実現します。

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