MQTT Fertigungslösungen für Industrie 4.0 Effizienz

Einleitung

In der Umstellung von Industrie 3.0 auf Industrie 4.0 hat sich die digitale Automatisierung transformiert Herstellung. Industrie 3.0 verbesserte Produktivität durch Mikroprozessoren und Automatisierung, aber keine Integration über Verfahren. Dann bringt Industrie 4.0 intelligente Fertigung, wo vernetzte Systeme Echtzeit ermöglichen Datenfluss und datengesteuerte Entscheidungsfindung. MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) erleichtert dies Transformation mit flexibler Messaging für Echtzeit-Datenaustausch über große Netzwerke.

Industrie 4.0 will intelligentere Fabriken mit IIoT für schnellere, datengesteuerte Entscheidungen. Faktoren benötigen eine robuste Datenkommunikation, um große Datenvolumina, Anschlussgeräte und Skalenproduktion zu bewältigen. MQT unterstützt diese Bedürfnisse und wird ein Rückgrat für die Industrie 4.0 Fertigung.

Diese Seite untersucht, wie MQTT die Kommunikation über industrielle Prozessschichten verbessert, revolutioniert der Sprung in Industrie 4.0.

Die digitale Automatisierung der
Industrie 3.0Regime

Während die Industrie 3.0 Automatisierung in der Fertigung eingeführt hat, fehlte es noch an Integration in die verschiedenen Schichten von industriellen Operationen. Manuelle Interventionen und proprietäre Kommunikationssysteme beschränkten die Skalierbarkeit und Echtzeit-Datenaustausch erforderlich fürintelligente Produktion.

ISA Modell und Manuelle Datenübermittlung

Kernstück der Industrie 3.0 war das hierarchische ISA-95 Modell (Industrieautomatisierung) Pyramide, die stark auf manuelle Datenübermittlungen angewiesen. Arbeiter überwachte Maschinen und manuell übertragene Daten an Unternehmenssysteme zur Analyse, zur Einschränkung der Datengenauigkeit und zur Verlangsamung der Entscheidungsfindung.

Ebene 0: Feldgeräte (Sensoren und Aktuatoren)
Ebene 1: Steuerungsgeräte (PLC, RTU)
Ebene 2: Aufsicht (SCADA)
Ebene 3: Produktionsbetriebsmanagement (MES)
Ebene 4: Unternehmensressourcenplanung (ERP)

Daten, die beispielsweise auf Level 1 (Sensoren und SPS) und Level 2 (Steuersysteme) erhoben werden war oft die für die Produktion verantwortlichen Systeme Level 3 (MES) und Level 4 (ERP) unzugänglich sind Planung und Bestandsverwaltung. Dies führte zu einer Trennung zwischen Betriebstechnik (OT) und Informationstechnologie (IT).

Die Herausforderung war, diese Ebenen in Echtzeit kommunizieren zu lassen, und das ist, wo Industrie 3.0 fiel kurz.

Peripherieautomatisierung

Als Automatisierungssysteme verbesserten, halfen sie, Aufgaben wie Überwachung, Steuerung und Daten zu erleichtern Loggen. Maschinen wurden mit Sensoren und programmierbaren Logikreglern (PLCs) ausgestattet, die ein Maß an Intelligenz zur Verfügung gestellt, aber oft arbeiteten diese Geräte isoliert oder erforderlich proprietäre Systeme zur Integration. Sie fehlten an Flexibilität und Echtzeit-Datenaustausch für moderne, miteinander verbundene Fabriken. Daten mussten manuell oder durch geplante Abfragen gezogen werden, die Agilität der Herstellungsarbeiten zu begrenzen.

Verteilte Kontrollsysteme (DCS)

Das ist eine gute Idee.wurden eingeführt, um die lokale Kontrolle komplexer Prozesse zu erleichtern. Während DCS-Systeme erlaubt für einige Echtzeit-Kontrolle, sie waren begrenzt in Skalierbarkeit und kämpfte, um Daten zu verwalten über verschiedene Ebenen, insbesondere zwischen der Kontrollschicht und den Unternehmenssystemen. Zusätzlich, die Erweiterung von DCS um eine neue Ausrüstung oder Anpassung an die Änderungen waren oft kompliziert und erforderlich hohe Kosten. Dies machte es schwieriger für die Fabriken, alle Teile reibungslos zu verbinden und anpassbar zu bleiben ihr Bedürfnisse.

Integration Gaps Across Levels

Trotz der Fortschritte blieb eine signifikante Lücke in der Verbindung der Echtzeit-Betriebsdaten von Ebene 2 (Kontrollschicht) auf Ebene 3 (Herstellerbetrieb) und Ebene 3 auf Ebene 4 (Unternehmen) Ressourcenplanung). Dieses disjoinierte System verhinderte eine nahtlose Kommunikation, so dass es schwierig ist, synchronisieren Produktionsaktivitäten mit Geschäftsbetrieb. Dies führte zu Silodaten, die zu Ineffizienzen und Verzögerungen bei der Entscheidungsfindung. Der fehlende reibungslose Datenfluss über alle Ebenen deutliche Auswirkungen auf die Produktivität und Ressourcenzuweisung, wodurch die Unternehmen sich verlangsamen auf Änderungen reagieren.

Die digitale Transformation Era: Industrie 4.0

mitIndustrie 4.0, das Paradigma von der isolierten Automatisierung in vernetzte Systeme verschoben, die kommunizieren in Echtzeit. Diese Transformation führt intelligente Fertigungsumgebungen ein, in denen Geräte, Sensoren und Systeme auf allen Ebenen der ISA-95 Hierarchie können Daten nahtlos teilen. Der Schwerpunkt liegt nun auf der Schaffung Cyber-Physical-Systeme, in denen IIoT-Geräte undWolken MQTT-PlattformenArbeiten im Sync zur Optimierung der Produktion Prozesse, Effizienz steigern und Ausfallzeiten reduzieren.

Industry 4.0 Requirements for Communication Protocols

Industrie 4.0 Anforderungen an Kommunikationsprotokolle

Industrie 4.0 fordert ein Kommunikationsprotokoll, das heißt:

Leicht und skalierbar:Able, um große Netzwerke von angeschlossenen Geräten ohne Überlastung des Netzes.
Zuverlässig und sicher:Gewährleistung der Datenintegrität, insbesondere bei der Übertragung kritischer Betriebsabläufe Daten.
Flexibel:Kann mit Altsystemen integriert werden und gleichzeitig neue, innovative Technologien wie als KI und maschinelles Lernen.
Zeit:Unterstützt die Kommunikation mit geringer Latenz, die Echtzeitüberwachung und Kontrolle von Herstellungsverfahren.

Hier werden die Stärken von MQTT deutlich. Seine leichte, publizierte Architektur, Zuverlässigkeit durch QoS-Spiegel und Integrationsfähigkeiten machen es zu einer idealen Lösung für die smart Herstellung in der Industrie 4.0-Landschaft.

Vorteile des Einsatzes von MQTT in Fertigungssystemen

MQTbietet mehrere Schlüsselvorteile für Fertigungssysteme. Es ermöglicht schnellen, zuverlässigen Datenaustausch zwischen Geräte, Verbesserung der Betriebseffizienz. Seine Flexibilität ermöglicht eine einfache Integration mit bestehenden Systemen, während Gewährleistung einer sicheren Kommunikation. Zusätzlich verbessert die Echtzeit-Datenaustauschfähigkeit von MQTT die Entscheidungsfindung und Prozessoptimierung.

Datenaustauschgeschwindigkeit

Einer der wichtigsten Vorteile von MQTT ist seine Fähigkeit, große Mengen von Daten mit minimalen Verzögerung und Fähigkeit, Daten in Echtzeit zu sammeln, zu verarbeiten und zu reagieren. In einer Fertigungsumgebung, Echtzeit Der Datenaustausch ist für die Überwachung der Maschinenleistung, die Erkennung von Engpässen und die Reduzierung vonAusfallzeiten. Die Leichtigkeit von MQTT sorgt dafür, dass sie Daten effizient zwischen Maschinen übertragen kann, Sensoren und Enterprise-Systeme, auch in Low-Bandbreite-Umgebungen.

Reduzierte Latenz bei der Übertragung von Sensordaten von Feldgeräten auf MES- oder SCADA-Systeme.
MQTT in der Fertigungsumgebung ermöglicht schnellere Reaktionen auf Ereignisse, die Verbesserung der Produktion und Effizienz.

Die Architektur von MQTT ist darauf ausgelegt, viele vernetzte Geräte zu handhaben, die in intelligenten Fabriken kritisch sind mit tausenden von Sensoren und Maschinen.MQT Brokerkann Millionen von Nachrichten pro Sekunde bewältigen, so dass Skalierbarkeit über ganze Fertigungsanlagen. Da die Fabriken ihre IoT-Einsätze skalieren, ist MQTT in der Lage hohe Gerätevolumina zu handhaben sorgt dafür, dass das System effizient wächst, ohne überfordert zu werden die erhöhte Datenbelastung.

Qualität der Dienstleistung (QoS) der Datenübermittlung

Fertigungsprozesse sind oft zeit- und datenkritische. Datenverlust oder Verzögerung erhebliche Konsequenzen haben können, wie Ausfallzeiten, Produktdefekte oder sogar Sicherheitsprobleme. Gewährleistung dass Daten werden zuverlässig übertragen, MQTT bietet dreiQualität des Service (QoS) Niveaus:

QoS 0: Diese Ebene bietet "am meisten einmal" Lieferung, was bedeutet, dass Nachrichten gesendet werden, ohne dass Bestätigung des Eingangs. Dies ist nützlich für unkritische Daten wie Umweltüberwachung, wo Daten Verlust kann nicht katastrophal sein.
QoS 1: In diesem Modus "mindestens einmal" wird die Nachricht gewährleistet, aber Duplikate können auftreten. Dies ist entscheidend für etwas kritischere Daten, wie z.B. Maschinenstatus-Updates, wo es ist wichtig, um sicherzustellen, dass die Daten ankommen.
QoS 2: Die höchste Ebene, "genau einmal", sorgt dafür, dass Nachrichten nur einmal empfangen werden. Das ist in sehr empfindlichen Bereichen, wie Steuerbefehle für die Herstellung von Geräten, wo Durchführung ein Befehl zweimal zu katastrophalen Ergebnissen führen könnte.

Zuverlässige Datenübertragung ist für die intelligente Fertigung, insbesondere bei Anwendungen wieDas ist der Anfang. Wartung, Qualitätskontrolle und automatisierte Entscheidungsfindung. Die QoS-Spiegel von MQTT bieten die Flexibilität Optimieren Sie den Kompromiss zwischen Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit, abhängig von der Bedeutung der Daten.

MQT Sparkplug: Standardisierung der IIoT-Kommunikation

In herkömmlichen Fertigungssystemen sprechen Geräte oft unterschiedliche Protokolle, wodurch Integration komplex.MQTT Sparkplug, eine auf MQTT aufgebaute Open-Source-Protokollerweiterung, löst dies durch Bereitstellung ein Standard-Nachrichtenformat, das die Interoperabilität zwischen verschiedenen Geräten und Systemen gewährleistet.

Warum Sparkplug Matten

Sparkplug bietet ein standardisiertes Nachrichtenformat für MQTT-basierte IIoT-Kommunikation. Es definiert die Payload-Struktur für die Veröffentlichung von Daten und Zustandsinformationen, um sicherzustellen, dass Geräte von verschiedenen Anbieter können nahtlos miteinander und mit Industriesystemen wie SPS kommunizieren,SCADA, undMES.

Unified Data Model: Sparkplug verwendet ein Stateful-Data-Modell, bei dem Geräte kontinuierlich ihre Zustand zum MQTT Broker. Dies macht es einfach, Geräte zu überwachen und Systeme in Sync zu halten, eine kritische Anforderungen an die Echtzeitanforderungen von Industrie 4.0.
Vereinfachte Integration: Durch die Einhaltung des Sparkplug-Standards können Fabriken die Komplexität reduzieren die Integration neuer Geräte und Systeme, so dass es einfacher, IIoT-Implementierungen ohne langwierige kundenspezifische Entwicklung.

Unified Namespace (UNS): Zentralisierung von Betriebsdaten

Ein Schlüsselprinzip der Industrie 4.0 ist die Idee, einen einheitlichen Namensraum (UNS) zu schaffen, ein Zentralisiertes Repository, in dem alle Pflanzendaten liegen. MQTT dient als Rückgrat der UNS durch Erleichterung Echtzeit-Datenaustausch über verschiedene Systeme.

Datenzentrale: mit MQTT als Transportschicht, Daten von Maschinen, Sensoren und Systemen wird an einen einzigen Broker veröffentlicht, der die Informationen nach Bedarf organisiert und verteilt. Dies schafft eine einheitliche Sicht auf den gesamten Herstellungsprozess.
Elimination von Data Silos: Traditionell werden Daten in Fabriken in separaten Systemen gespeichert, so dass es schwer zugänglich und holistisch zu analysieren. MQTT und UNS beseitigen diese Silos und ermöglichen Echtzeit Einsichten und effektivere Entscheidungsfindung.

Ein zentralisiertes UNS ist die Grundlage für viele Industrie 4.0-Anwendungen, wie Prognoseanalysen, digitale Zwillinge und Echtzeit-Leistungsüberwachung.

Anwendungsfälle von MQTT in der Smart Manufacturing

MQTT spielt eine entscheidende Rolle bei der effizienten Kommunikation und Kontrolle in Smart Factorys. Es sorgt für Echtzeit-Maschinensteuerung in automatisierten Produktionslinien, indem präzise Informationen gesendet werden, um zu stoppen Maschinen, wenn irgendwelche Anomalien erkannt werden. Darüber hinaus hilft sie bei der Optimierung von Produktionsprozessen, wodurch Steigerung der Produktivität. Im Folgenden sind die beiden bedeutenden Anwendungsfälle aufgeführt, in denen MQTT erhebliche Auswirkungen hat in smart Herstellung.

Anwendungsfall 1: Maschinensteuerung in automatisierten Montagelinien

In einer automatisierten Montagelinie erfüllen Maschinen bestimmte Aufgaben auf der Grundlage der empfangenen Daten oder Anweisungen in Echtzeit. Mit MQTT können Steuersignale an diese Maschinen gesendet werden. Ist beispielsweise eine Anomalie auf der Linie erkannt, kann eine MQTT-Nachricht mit QoS 2 gesendet werden, um die Maschine sofort zu stoppen, um sicherzustellen, dass die Nachricht genau einmal geliefert wird und jegliche Vervielfältigung verhindert, die zu System führen könnte Fehler oder Maschinenstörungen.

Use Case 2: Echtzeit-Datenaustausch in einer Multi-Vendor-Umgebung

Stellen Sie sich einSmart Factorymit Maschinen von verschiedenen Anbietern. Jede Maschine erzeugt Leistungsdaten, aber in verschiedenen Formaten. Sparkplug standardisiert diese Daten, so dass ein zentrales SCADA-System überwacht werden kann Leistung, Erkennung von Anomalien und machen Echtzeit-Anpassungen über den Werksboden, unabhängig von den Ursprung der Maschine. Dies ermöglicht eine bessere Entscheidungsfindung, verbesserte Maschinenauslastung und reduziert Ausfallzeit.

MQTT und Integration mit herkömmlichen Systemen

MQTT funktioniert nicht nur mit modern IoT-Geräte – es integriert sich auch nahtlos in bestehende Systeme in einem Produktionsanlage. Damit ist es das perfekte Protokoll, die Lücke zwischen traditionellen Systemen zu überbrücken und Industrie 4.0 Innovationen.

REST APIs und MQTT

REST APIs werden häufig verwendet, um Softwaresysteme in der Fertigung zu integrieren, wie MES oder ERP Systeme. MQTT ergänzt REST APIs, indem es Echtzeitkommunikation für Datenströme bereitstellt.

Echtzeit-Datenfluss: Während REST APIs behandeln Transaktionsdaten, MQTT kann verwendet werden, um zu senden Echtzeit Daten zwischen Sensoren und Anwendungen. Dadurch wird sichergestellt, dass herkömmliche Systeme auf Echtzeitdaten wirken können, selbst wenn sie ursprünglich für die Batch-Verarbeitung konzipiert wurden.

MQT Rest API-Integration ermöglicht Herstellern, sowohl modern zu nutzenIKT-Lösungenund Altsysteme, einen reibungslosen Übergang in die Industrie 4.0 gewährleisten.

Web Hooks

Webhooks ermöglichen Echtzeit-Benachrichtigungen von Systemen, wenn bestimmte Ereignisse auftreten. In Herstellung, Webhooks können mit MQTT verwendet werden, um Warnungen oder Aktionen basierend auf Echtzeitdaten von Maschinen.

Wenn beispielsweise ein Sensor eine Anomalie detektiert, kann er eine Nachricht an eineMQTT Broker, die dann einen Webhook auslöst, um das entsprechende Personal zu alarmieren. Dies stellt sicher, dass alle Anomalien erkannt werden umgehend angesprochen, Verbesserung der Reaktionsfähigkeit und Steigerung der proaktiven Wartung.

Durch die Möglichkeit einer Echtzeit-Antwort auf Ereignisse helfen Webhooks, die Gesamtsystemeffizienz zu verbessern und sicherzustellen dass kritische Fragen werden behandelt, bevor sie eskalieren.

Zwei-Wege-Integration

MQTT ermöglicht eine Zwei-Wege-Kommunikation, d.h. Datenflüsse nicht nur von Maschinen zur Steuerung Systeme, aber auch in entgegengesetzter Richtung. Damit können Echtzeit-Steuerbefehle von einem MES oder SCADA-System zurück zu Feldgeräten, die dynamische Anpassungen an die Produktionslinie ermöglichen.

Wenn beispielsweise die Produktionsgeschwindigkeit eine Anpassung erfordert,MES Systemmit der Hilfe von MQTT can Senden Sie einen Steuerbefehl an die SPS, sofort aktualisieren Sie die Einstellungen der Maschine.

Dieses Niveau der Echtzeit-Kommunikation verbessert die Automatisierung und Flexibilität in der Fertigung, so dass schnelle Anpassung an die Nachfrage- oder Produktionsanforderungen.

MQT Produktionslösungen

Powering Industrie 4.0 mit
Echtzeit-Daten

Einleitung

Die digitale Automatisierung der
Industrie 3.0Regime