Introducción

En el cambio de Industria 3.0 a Industria 4.0, la automatización digital se ha transformado fabricación. La industria 3.0 mejoró la productividad mediante microprocesadores y automatización pero carecía de integración en todo el mundo procesos. Luego, Industria 4.0 trae fabricación inteligente, donde los sistemas interconectados permiten en tiempo real flujo de datos y toma de decisiones basadas en datos. MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) facilita esto transformación con mensajería flexible para el intercambio de datos en tiempo real en grandes redes.

Industria 4.0 pretende crear fábricas más inteligentes usando IIoT para más rápido, basado en datos decisiones. Factores necesidad de comunicación de datos robusta para manejar grandes volúmenes de datos, conectar dispositivos y la producción de escala. MQTT soporta estas necesidades, convirtiéndose en una columna vertebral para la fabricación de Industria 4.0.

Esta página explora cómo MQTT mejora la comunicación a través de capas de procesos industriales, revolucionando el salto en la Industria 4.0.

La automatización digital de la
Industry 3.0Régimen

Mientras que la Industria 3.0 introdujo la automatización a la fabricación, todavía carecía de integración en los diversos capas de operaciones industriales. Las intervenciones manuales y los sistemas de comunicación patentados limitan escalabilidad e intercambio de datos en tiempo real necesario parafabricación inteligente.

ISA model

The ISA Model and Manual Data Transfer

En el núcleo de la industria 3.0 fue el modelo jerárquico ISA-95 (Automatización industrial) Pirámide), que dependía en gran medida de las transferencias manuales de datos. Los trabajadores monitorearon las máquinas y transfirieron los datos manualmente Sistemas institucionales para el análisis, la limitación de la exactitud de los datos y la ralentización de la adopción de decisiones.

  • Nivel 0: Dispositivos de campo (sensores y actuadores)
  • Nivel 1: Dispositivos de control (PLC, RTU)
  • Nivel 2: Control de Supervisión (SCADA)
  • Nivel 3: Manufacturing Operations Management (MES)
  • Nivel 4: Planificación de los recursos institucionales

Por ejemplo, los datos recogidos en el nivel 1 (sensores y PLC) y el nivel 2 (sistemas de control) era a menudo siloed, por lo que es inaccesible a los sistemas de nivel 3 (MES) y nivel 4 (ERP) responsables de la producción programación y gestión de inventarios. Esto dio lugar a una desconexión entre la tecnología operacional (OT) y tecnología de la información (IT).

El reto era hacer que estos niveles se comunicaran en tiempo real, y aquí es donde la Industria 3.0 cayó corto.

Peripheral automation

Automatización periférica

A medida que mejoraron los sistemas de automatización, ayudaron a facilitar tareas tales como monitoreo, control y datos logging. Las máquinas se equiparon con sensores y controladores lógicos programables (PLCs), que proporcionó una medida de inteligencia, pero a menudo estos dispositivos trabajaban en aislamiento o requerían Sistemas patentados para la integración. No tenían la flexibilidad y el intercambio de datos en tiempo real necesario para fábricas modernas e interconectadas. Los datos debían extraerse manualmente o mediante consultas programadas, limitar la agilidad de las operaciones de fabricación.

DCS architecture

Distributed Control Systems (DCS)

Sistemas DCSfueron introducidos para facilitar el control local de procesos complejos. Mientras que los sistemas DCS permitido para algún control en tiempo real, se limitaron en escalabilidad y lucharon para gestionar datos en diferentes niveles, especialmente entre la capa de control y los sistemas empresariales. Además, A menudo, la expansión de los servicios de seguridad para incluir un nuevo equipo o ajustarse a los cambios era complicada y necesarios alto costo. Esto hizo más difícil para las fábricas conectar todas las partes sin problemas y mantenerse adaptable a sus necesidades.

Integration Gaps Across Levels

Integración Gaps Across Levels

A pesar de los avances, se mantuvo una brecha significativa en la conexión de los datos operacionales en tiempo real desde Nivel 2 (capa de control) al Nivel 3 (operaciones de fabricación) y Nivel 3 al Nivel 4 (entrada) planificación de los recursos). Este sistema desvinculado impidió la comunicación sin costuras, dificultando sincronizar las actividades de producción con las operaciones empresariales. Esto dio lugar a datos silenciados, que dieron lugar a ineficiencias y demoras en la adopción de decisiones. La falta de flujo de datos suaves en todos los niveles impactó significativamente la productividad y la asignación de recursos, causando que las empresas desaceleren responder a los cambios.

La Era de Transformación Digital: Industria 4.0

ConIndustria 4.0, el paradigma pasó de la automatización aislada a sistemas interconectados que comunican en tiempo real. Esta transformación introduce entornos de fabricación inteligente donde dispositivos, sensores y sistemas en todas las capas de la jerarquía ISA-95 pueden compartir datos sin problemas. El énfasis ahora es crear sistemas ciberfísicos donde dispositivos IIoT ynube Plataformas MQTTtrabajo en sincronización para optimizar la producción procesos, aumentar la eficiencia y reducir el tiempo de inactividad.

Industry 4.0 Requirements for Communication Protocols

Industria 4.0 Requisitos para protocolos de comunicación

Industria 4.0 exige un protocolo de comunicación que es:

  • Ligero y escalable:Capacidad para manejar redes a gran escala de dispositivos conectados sin sobrecargar la red.
  • Seguro:Garantiza la integridad de los datos, en particular cuando se transfiere datos.
  • Flexible:Puede integrarse con sistemas heredados y apoyar tecnologías nuevas e innovadoras como IA y aprendizaje automático.
  • Hora real:Supports low-latency communication, enabling real-time monitoring and control of procesos de fabricación.

Aquí es donde las fortalezas de MQTT se hacen evidentes. Su arquitectura ligera, public-subscribe, fiabilidad a través de los niveles de QoS, y las capacidades de integración lo convierten en una solución ideal para permitir inteligente fabricación en el paisaje Industria 4.0.

Beneficios del uso de MQTT en sistemas de fabricación

MQTTofrece varios beneficios clave para los sistemas de fabricación. Permite un intercambio de datos rápido y fiable entre dispositivos, mejora de la eficiencia operacional. Su flexibilidad permite una fácil integración con los sistemas existentes mientras garantizar una comunicación segura. Además, la capacidad de intercambio de datos en tiempo real de MQTT mejora toma de decisiones y optimización de procesos.

Data Exchange Speed

Velocidad de intercambio de datos

Uno de los beneficios clave del MQTT es su capacidad para manejar grandes cantidades de datos con mínimo retraso y el capacidad para reunir, procesar y responder a los datos en tiempo real. En un entorno de fabricación, en tiempo real el intercambio de datos es crítico para monitorear el rendimiento de la máquina, identificar los cuellos de botella y reducirHoras de llegada. La naturaleza ligera de MQTT garantiza que pueda transmitir datos eficientemente entre máquinas, sensores y sistemas empresariales, incluso en entornos de baja ancho de banda.

  • Reducción de latencia en la transmisión de datos de sensores desde dispositivos de campo a sistemas MES o SCADA.
  • MQTT en el entorno de fabricación permite respuestas más rápidas a eventos, mejorando el tiempo de producción y eficiencia.

La arquitectura de MQTT está diseñada para manejar muchos dispositivos conectados, lo cual es crítico en fábricas inteligentes con miles de sensores y máquinas.MQTT brokerpuede manejar millones de mensajes por segundo, permitiendo escalabilidad en todas las plantas de fabricación. A medida que las fábricas escalan sus despliegues de IoT, la capacidad de MQTT para manejar volúmenes de dispositivos altos garantiza que el sistema crece eficientemente sin sentirse abrumado por el aumento de la carga de datos.

QoS data transfer

Calidad del servicio (QoS) de transferencia de datos

Los procesos de fabricación son a menudo sensibles al tiempo y críticos con datos. Pérdida o demora de datos puede tener consecuencias significativas, tales como tiempo de inactividad, defectos de producto, o incluso problemas de seguridad. Asegurarse que los datos se transfieren de forma fiable, MQTT ofrece tresNiveles de calidad del servicio (QoS):

  • QoS 0: Este nivel proporciona "a la mayoría de las veces" la entrega, lo que significa que los mensajes se envían sin requerir confirmación de recibo. Esto es útil para datos no críticos como la vigilancia ambiental, donde datos La pérdida puede no ser catastrófica.
  • QoS 1: En este modo "al menos una vez", el mensaje está garantizado para ser entregado, pero los duplicados pueden ocurren. Esto es crucial para datos algo más críticos, como actualizaciones de estado de máquina, donde está importante para asegurar que los datos lleguen.
  • QoS 2: El nivel más alto, "exactamente una vez", asegura que los mensajes se reciban sólo una vez. Esto es esencial en áreas altamente sensibles, como comandos de control para equipos de fabricación, donde ejecución un comando dos veces podría resultar en resultados catastróficos.

La transferencia de datos fiable es fundamental para la fabricación inteligente, especialmente en aplicaciones comoPrevisivo de mantenimiento, control de calidad y toma de decisiones automatizada. Los niveles de QoS de MQTT ofrecen la flexibilidad optimizar el intercambio entre velocidad y fiabilidad, dependiendo de la importancia de los datos.

MQTT sparkplug

MQTT Sparkplug: Normalización de la comunicación IIoT

En sistemas de fabricación tradicionales, los dispositivos suelen hablar diferentes protocolos, haciendo la integración complejo.MQTT Sparkplug, una extensión de protocolo de código abierto construida sobre MQTT, resuelve esto proporcionando un formato de mensaje estándar que asegura la interoperabilidad entre diferentes dispositivos y sistemas.

¿Por qué?

Sparkplug proporciona un formato de mensaje estandarizado para comunicaciones IIoT basadas en MQTT. It define el estructura de carga útil para la publicación de datos e información estatal, asegurando que dispositivos desde diferentes Los proveedores pueden comunicarse perfectamente entre sí y con sistemas industriales como PLCs,SCADA, yMES.

  • Modelo de datos unificados: Sparkplug utiliza un modelo de datos elegante, donde los dispositivos publican continuamente estado al MQTT Broker. Esto hace que sea fácil monitorear dispositivos y mantener sistemas en sincronización, un crítico requisito para las necesidades de la Industria 4.0 en tiempo real.
  • Integración simplificada: Al adherirse al estándar Sparkplug, las fábricas pueden reducir la complejidad de la integración de nuevos dispositivos y sistemas, facilitando la escala de implementaciones IIoT sin largas desarrollo personalizado.
UNS

Unified Namespace (UNS): Centralizing Operational Data

Un principio clave de la Industria 4.0 es la idea de crear un espacio de nombres unificado (UNS), un repositorio centralizado donde residen todos los datos de planta. El MQTT sirve como columna vertebral de la UNS facilitando compartir datos en tiempo real en diferentes sistemas.

  • Centralización de datos: Con MQTT actuando como capa de transporte, datos de máquinas, sensores y sistemas se publica a un solo corredor, que organiza y distribuye la información según sea necesario. Esto crea a vista unificada de todo el proceso de fabricación.
  • Eliminación de Datos Silos: Tradicionalmente, los datos en fábricas se almacenan en sistemas separados, haciéndolo difícil de acceder y analizar holísticamente. MQTT y UNS eliminan estos silos, permitiendo en tiempo real conocimiento y adopción de decisiones más eficaces.

Un sistema centralizado de las Naciones Unidas es la base de muchas aplicaciones de la Industria 4.0, como la analítica predictiva, gemelos digitales y monitoreo de rendimiento en tiempo real.

Utilizar casos de MQTT en fabricación inteligente

MQTT desempeña un papel crucial para facilitar una comunicación y un control eficientes en las fábricas inteligentes. Garantiza el control automático en tiempo real en líneas de producción automatizadas enviando información precisa para detener máquinas si se detectan anomalías. Además, ayuda a optimizar los procesos de producción, por lo que elevando la productividad. A continuación se presentan los dos casos de uso significativo en los que el MQTT está haciendo un impacto sustancial en inteligente fabricación.

Machine control

Caso de uso 1: Control de máquinas en líneas de montaje automatizadas

En una línea de montaje automatizada, las máquinas realizan tareas específicas basadas en datos o instrucciones recibidas en tiempo real. MQTT se puede utilizar para enviar señales de control a estas máquinas. Por ejemplo, si una anomalía es detectado en la línea, se puede enviar un mensaje MQTT con QoS 2 para detener la máquina inmediatamente, asegurando que que el mensaje se entrega exactamente una vez y previniendo cualquier duplicación que pudiera conducir al sistema errores o fallos de la máquina.

Real-time data exchange

Caso de uso 2: Intercambio de datos en tiempo real en un entorno multi-Vendor

Imagina unfábrica inteligenteusando máquinas de diferentes proveedores. Cada máquina genera datos de rendimiento, pero en diferentes formatos. Sparkplug estandariza estos datos, permitiendo un sistema SCADA central para monitorizar rendimiento, detectar anomalías y hacer ajustes en tiempo real en el piso de la fábrica, independientemente de el origen de la máquina. Esto permite una mejor toma de decisiones, una mejor utilización de la máquina y una reducción Hora de inactividad.

MQTT e integración con sistemas tradicionales

MQTT no sólo trabaja con moderno Dispositivos IoT – también se integra perfectamente con los sistemas existentes en un planta de fabricación. Esto hace que sea el protocolo perfecto para salvar la brecha entre los sistemas tradicionales y Innovaciones de la industria 4.0.

REST APIs y MQTT

REST Las API se utilizan comúnmente para integrar sistemas de software en la fabricación, como MES o Sistemas de planificación de los recursos. MQTT complementa REST APIs proporcionando comunicación en tiempo real para secuencias de datos.

Flujo de datos en tiempo real: Mientras REST API manejan datos transaccionales, MQTT se puede utilizar para enviar en tiempo real datos entre sensores y aplicaciones. Esto garantiza que los sistemas tradicionales puedan actuar en datos en tiempo real, incluso si fueron originalmente diseñados para el procesamiento por lotes.

MQTT Resta integración API permite a los fabricantes aprovechar tanto modernoSoluciones IIoTy sistemas heredados, asegurar una transición suave a la Industria 4.0.

REST APIs & MQTT
Web hooks

Web Hooks

Los Webhooks permiten notificaciones en tiempo real de sistemas cuando ocurren eventos específicos. In fabricación, webhooks se puede utilizar con MQTT para activar alertas o acciones basadas en datos en tiempo real desde máquinas.

Por ejemplo, cuando un sensor detecta una anomalía, puede publicar un mensaje a unMQTT broker, que luego activa un Webhook para alertar al personal apropiado. Esto asegura que cualquier anomalía detectada se abordan con prontitud, mejorando la capacidad de respuesta y aumentando el mantenimiento proactivo.

Al permitir la respuesta en tiempo real a los eventos, los webhooks ayudan a mejorar la eficiencia general del sistema y asegurar que se tratan cuestiones críticas antes de que se intensifiquen.

Integración de dos modos

MQTT permite la comunicación bidireccional, lo que significa que los datos fluyen no sólo de las máquinas para controlar sistemas pero también en la dirección opuesta. Esto permite que los comandos de control en tiempo real sean enviados desde un MES o sistema SCADA de vuelta a dispositivos de campo, permitiendo ajustes dinámicos a la línea de producción.

Por ejemplo, si la velocidad de producción necesita un ajuste,MES Systemcon la ayuda de MQTT enviar un comando de control a los PLCs, actualizar inmediatamente la configuración de la máquina.

Este nivel de comunicación en tiempo real mejora la automatización y la flexibilidad en la fabricación, permitiendo rápida adaptación a los cambios en las necesidades de demanda o producción.

2 way integration

El catalizador para el éxito de la industria 4.0

Como Industria 4.0 se convierte en la norma en la fabricación,MQTTjuega un papel cada vez más importante transformar cómo se intercambian datos a través de sistemas industriales. Al permitir la comunicación en tiempo real, garantizar la transferencia de datos fiable con QoS y apoyar la integración con sistemas tradicionales, MQTT ayuda Los fabricantes superan la brecha entre los sistemas heredados y la era IIoT. Con el surgimiento de innovaciones comoMQTT Sparkplugy UNS, las instalaciones de fabricación ahora pueden lograr un intercambio de datos sin fisuras, mejorado toma de decisiones y aumento de la productividad, transformando finalmente la forma en que funciona la fabricación Industria 4.0 era.

¡Enciende tu fabricación!

Buscando maneras de hacer su producción
¿Más rápido y más inteligente?

Nuestras soluciones MQTT ofrecen información en tiempo real que permite decisiones más inteligentes y conduce eficiencia.
Conectemos hoy para explorar cómo podemos transformar su proceso de fabricación!