MQTT Sparkplug for IIoT solutions with PLC

O MQTT Sparkplug é um protocolo de interoperabilidade para utilização em aplicações de automação industrial e manufatura inteligente. Projetado como uma forma de aprimorar o funcionamento do protocolo padrão MQTT, o Sparkplug garante comunicação perfeita entre dispositivos e sistemas, definindo um payload padrão e uma estrutura de tópicos. Sua implementação no ambiente IIoT revolucionou a troca de dados e a integração de sistemas, aumentando a eficiência e permitindo soluções de automação mais robustas e escaláveis.  

Neste artigo, vamos explorar os recursos do MQTT Sparkplug B, como ele fornece uma maneira consistente para fabricantes de equipamentos e desenvolvedores de sistemas compartilharem dados contextuais, acelerando a transformação digital das operações industriais.  

MQTT Sparkplug: gaining traction in the industry

The Industrial Internet of Things (IIoT) and Industry 4.0 have become foundational pillars in the manufacturing sector, representing cutting-edge technologies that drive operational efficiency, on-demand production, and real-time insights. However, the technologies traditionally used for software and hardware integration were often proprietary and closed, with little focus on interoperability.  

Protocolos como o OPC UA prometiam fornecer uma linguagem comum entre dispositivos, máquinas e aplicações. Porém, a complexidade do OPC UA não permite que ele tenha um desempenho satisfatório em operações mais leves que demandam agilidade, alta interoperabilidade e integração entre diferentes agentes de software e hardware.

O surgimento do protocolo MQTT resolveu em parte esse problema, permitindo latência mínima e máximo throughput em aplicações de comunicação com a nuvem. Muitos desenvolvedores desejavam uma solução simples como o MQTT para a manufatura, mas com os recursos necessários, como definições de payload e comportamento de mensagens unificado entre máquinas e fornecedores.  

Essas expectativas foram atendidas com o protocolo Sparkplug, padrão baseado em MQTT. 

Learn more: Conectividade na Indústria 4.0: conhecendo os protocolos OPC UA e MQTT

What is sparkplug and how is it shaping the industry??

Sparkplug is an open-source software specification that gives MQTT users the tools to integrate data from applications, sensors, devices, and gateways in a bidirectional, interoperable manner.  

Sparkplug is designed to work natively with MQTT through its publish/subscribe model, enabling decoupled, bidirectional integration across all system components.  

When MQTT was first developed in 1999, it was created for SCADA systems, but it did not define how topics and payloads should be structured or how devices should behave. This flexibility allowed MQTT to be adapted across various industries, including connected vehicles and smart manufacturing.  

Today, Sparkplug fills in those gaps, offering a vendor-neutral specification for data formats, topic structures, state management, and system topology in IIoT environments.  

See also: IIoT: conheça a Internet das Coisas Industrial

The diferenças entre o MQTT e o MQTT Sparkplug

With basic MQTT communication, it’s essential to ensure that every party involved knows where to subscribe to the relevant data streams. Additionally, all participants must be able to interpret the data, which often requires data transformations, creating a rigid coupling between applications.  

Com o Sparkplug, todos os participantes concordam em utilizar um formato comum de dados: como receber dados específicos, como publicar seus dados e como esses dados podem ser interpretados. O melhor de tudo é que o Sparkplug permite a integração de dados de dispositivos não-MQTT, bem como de outros protocolos, como OPC UA ou MODBUS.  

Benefits of using a Sparkplug architecture 

A arquitetura típica da Internet Industrial das Coisas conecta componentes com uma abordagem de poll/response. Aplicações extraem dados diretamente de CLPs, gateways ou servidores usando protocolos como MODBUS, PROFINET ou OPC UA. Embora isso funcione bem quando há poucos sistemas para integrar, em arquiteturas com um número maior de componentes essa gestão se torna complexa e de difícil manutenção.

Traditional point-to-point interconnected systems create a fixed relationship between systems and their data. However, modern architectures demand flexibility and a clear separation between components in an IIoT system. Companies are increasingly seeking new architectures that combine the flexibility and adaptability of IT environments with the reliability, security, and predictability of OT systems.  

This new IIoT architecture offers several benefits over traditional setups:  

• – Independência entre produtores e consumidores de dados;

• – Relatório por exceção (RBE), que economiza largura de banda, memória e poder computacional no produtor e no consumidor de dados;

• – Comunicação um-para-muitos, onde os dados só precisam ser enviados uma vez e múltiplos receptores podem recebê-los;

• – Flexibilidade para adicionar e remover dispositivos e aplicativos a qualquer momento sem afetar o sistema;

• – Governança de dados por meio de permissões centralizadas e gerenciamento de políticas;

• – Conectividade direta com a nuvem ao distribuir dados da nuvem para a borda.

Learn more: Why use the OPC UA, MQTT and CANOpen protocols in my IoT applications?

Many industries are already using MQTT to build IIoT applications in distributed architectures, but they face limitations in defining topic structures, state management, and payload specifications. Sparkplug addresses these shortcomings, enhancing the capabilities of MQTT. Sparkplug addresses these shortcomings, enhancing the capabilities of MQTT.  

Principles and mechanisms of MQTT Sparkplug

• – Publish/Subscriber: Leverages MQTT’s publish/subscribe architecture as the application transport layer, decoupling data producers from consumers. MQTT’s push-based communication ensures that data is immediately distributed to all relevant parties.  

• – Report by exception: Updates to data and device states are only transmitted when changes occur, saving bandwidth and computing power for all components.  

• – Continuous session monitoring: Both Sparkplug and MQTT provide continuous session tracking, keeping all clients informed of the real-time online/offline status of devices.  

• – Birth and death certificates: Sparkplug introduces Birth and Death Certificates for managing device state and discovery.  

• – Persistent connections: Devices, gateways, and applications are always connected via persistent TCP connections.  

• – Automatic discovery: Applications and devices can automatically detect which data and topics are being shared.  

• – Standardized payload definition: Sparkplug uses a standardized data format for all messages, which can be encoded and decoded by all participants.  

• – Standardized topic namespace: All Sparkplug participants adhere to a common topic namespace, enabling detailed subscriptions and the dynamic addition or removal of participants.  

Components of an MQTT Sparkplug architecture

A typical Sparkplug architecture consists of the following components:

• – SCADA/IIoT Host:The supervisory application responsible for monitoring and controlling MQTT EoN nodes and their respective devices and sensors. It is the central hub operators use to manage and oversee the entire system’s health and performance.

• – EoN Nodes (Edge of Network):These nodes act as gateways, either physical or logical, for sensors and devices that do not natively support Sparkplug, allowing them to interact within the MQTT topic space. They manage the state and session of sensors and devices connected via protocols like OPC-UA, MODBUS, and others.

• – Devices and sensors:Essential to industrial automation, devices and sensors send and receive data using industrial poll/response protocols. In a Sparkplug setup, they connect through EoN nodes, bridging the gap between MQTT Sparkplug and these protocols. Devices that are compatible with MQTT Sparkplug can participate directly as EoN nodes.

• – MQTT application nodes:These nodes produce and consume Sparkplug messages but are not the SCADA/IIoT Host. They are often software systems like MES or Historian applications.

• – MQTT Broker:The MQTT broker acts as a central data distribution hub, connecting Sparkplug devices, EoN nodes, SCADA/IIoT Hosts, and applications. It handles authentication, authorization, and data distribution, supporting MQTT 3.1.1 to facilitate features like retained messages, Last Will and Testament (LWT), and Quality of Service (QoS).

These components work together to ensure efficient and scalable communication in industrial automation systems.

Veja outras aplicações do protocolo: How the serial RS485/RS232 communicates with the MQTT protocol via gateway

CLPs Nexto com suporte ao MQTT Sparkplug

Para garantir desempenho e total operabilidade em aplicações IIoT, os equipamentos da nossa família Nexto de controladores programáveis contam com suporte ao MQTT Sparkplug B.

Os CLPs Nexto são compatíveis com a versão 3.0.0 da especificação Sparkplug e utiliza o esquema de codificação Sparkplug B (namespace spBv1.0/#). Essa funcionalidade permite que produtos como a CPU NX3008 e os controladores compactos Nexto Xpress desempenhem o papel de nó EoN em uma infraestrutura Sparkplug.

Para auxiliar na compreensão e no aproveitamento máximo desse recurso, os nossos especialistas de P&D da Altus desenvolveram um manual técnico detalhado sobre o padrão. O material apresenta descrições aprofundadas da arquitetura, estrutura de tópicos, modelagem de métricas e exemplos práticos de implementação, oferecendo uma base sólida para aplicação do MQTT Sparkplug B em projetos IIoT com os CLPs Altus.