目錄
- 建立智慧工廠的業務驅動因素
- 製造業現狀
- 智慧製造的目標
- 實現智慧製造的整合水準
- 智慧工廠的架構模式
- 工廠IIoT訊息匯流排
- 實施新的訊息基礎設施
- 將智慧工廠與MQTT連線起來
- HiveMQ：智慧製造的企業MQTT平臺
- 結論
智慧製造業正在推動製造業使其軟體基礎設施現代化，以建立智慧工廠。 無論您稱之為工業4.0還是工業物聯網（IIoT），製造業都處於重大轉型之中。 推動現代化的一個關鍵動機是，即時資料和動態決策為企業帶來有意義的績效改進。
目前的製造基礎設施維護成本高昂，為資料分發設定障礙，與其他系統的整合不力，並阻止公司利用數字化創造的優勢。 成功過渡到下一代製造業需要採用新技術，將過時的現有系統與現代新系統整合。
在本白皮書中，我們調查了現代化的業務驅動因素、採用新技術的技術挑戰、軟體基礎設施現代化的重要新興架構模式，以及將工廠不同級別的自動化與基於 MQTT 的訊息基礎設施聯絡起來的建議。 本白皮書的目標是就MQTT 協議如何作為發展現代互聯智慧工廠的關鍵技術，向製造業的高階技術主管者提供指導。
建立智慧工廠的業務驅動因素
今天的企業面臨著如何使機器更智慧、流程更精簡、工廠更高效、生產力更高的問題。 製造環境中感測器的擴散提供了大量有價值的資料。 雲端運算的進步使整合機器學習、人工智慧和高階分析成為可能，以快速響應工廠車間不斷變化的動態。 消費者對高品質、個性化商品的需求不斷增加，這促使人們需要更靈活的製造流程，來響應客戶和市場需求。 對於許多製造商來說，發展以具有成本效益的方式，實現極端客製化的能力，即所謂的批次大小，是必不可少的。
運動是朝著一種更靈活的製造形式，以提高工廠效率並最佳化設施內物流。 測量和提高整體裝置效率（OEE）是該過程的核心要素：
- 透過避免計劃外停機來增加裝置的可用性
- 分析一切並不斷提高生產品質的能力
- 微調機器和流程的效能
推動現代化的最終結果是製造業數位化，以建立智慧工廠。
製造業現狀
製造業的現狀是現代化專案中一個重要的考慮因素。
- 布朗菲爾德vs格林菲爾德：大多數現代化專案是針對現有工廠（棕地），而不是建立全新的工廠（綠地）。 布朗菲爾德專案必須適應工廠的持續營運、現有系統的安全性，以及各種供應商的現有系統的整合。
- 數據筒倉：現有工廠通常擁有來自各種供應商的裝置，以專有格式生產數據。 這些格式通常會產生資料孤島，阻礙整個工廠營運的深度分析。
- IT/OT優先事項：一個成功的現代化專案需要包括來自營運方（OT）和企業IT部門（IT）的專家。 在引入新技術方面，這兩個群體通常有不同的觀點和優先事項。 OT員工的主要擔憂通常是工廠的持續營運和裝置的安全。 如果新技術可能導致裝置故障，這可能會給員工帶來健康和安全問題或工廠停機，導致組織失去業務。 IT員工通常更接受風險。 IT組織可能對使用新的雲端技術，和靈活開發方法感興趣，以儘快響應客戶需求。 系統故障通常可以透過將軟體重新部署到雲服務來輕鬆解決。
智慧製造的目標
大多數著門實現工廠和製造流程現代化的公司，都有一個或多個共同的目標：
- 將IT的敏捷軟體交付和開發思維帶入工廠的OT世界。 這涉及將傳統的IT技術和流程引入OT。
- 透過預測性維護和自動化軟體更新來減少裝置停機時間，實現更快的恢復平均時間。 如果發生停電或停頓，快速恢復極為重要。 每秒鐘和每分鐘的生產損失，都會產生浪費和不必要的費用。
- 啟用集中式命令和控制，以視覺化一個工廠或多個工廠的整體製造過程。
- 實施一致和靈活的軟體架構，消除障礙，將流程連線成一個統一的整體。
實現智慧製造的整合水準
現代化的關鍵是打破不同自動化級別存在的資料孤島。 在OT中，自動化金字塔經常用於視覺化系統需求。 為了完全整合工廠，必須在級別內和級別之間存在一致和可靠的雙向資料移動。
0級：金字塔的底部是現場級別。 這是感測器、訊號、機器和即時功能的水準。 在這個水準上，微秒和毫秒極其重要。
第1級：在PLC（可寫程式邏輯控制器）或控制級別上，感應和操作在幾秒鐘內進行。 即時對於生產過程的可預測性也很重要。
第2級：該級別負責監控和監督的流程管理。 在這裡，SCADA（監督控制和資料採集）系統和HMI（人機介面）為操作人員提供了工廠內部正在發生情況的首次視覺化。
第3級：下一個級別是MES（製造執行系統）。 這就是製造業營運管理的地方。 在這裡，我們從工廠樓層搬到頂層，並以小時為單位測量活動。
第4級：最後，在頂部，有用於業務規劃和物流的ERP（企業資源規劃）系統。 這個級別的流程通常以天和月為單位計算。
為了實現整合，資料流必須在同一級別的系統之間，以及級別之間工作。
智慧工廠的架構模式
一般來說，製造軟體現代化專案可以分為兩個基本類別：單個工廠內的連線和多個工廠之間的連線。
工廠內部連線
工廠內部連線側重於連線工廠的不同區域，並確保數據可以流過不同級別的自動化。
有時將工廠視為4個不同的區域是有用的：
- 自動化領域：工廠機器、感測器和閘道器。 資料需要能夠在機器、感測器和閘道器之間流動。 閘道器通常用於與工廠架構中的其他區域通訊。
- 製造領域：用於控制工廠裝置的系統，如SCADA和MES系統。
- 工廠區域：用於管理整個工廠的系統，如PLM和OEE系統。
- 雲：連線到組織的企業IT系統，允許OT和IT系統之間進行更深入的整合。
工廠間連線
工廠間連線的推動力正在增加。 這個空間的專案可能涉及擁有設施的公司，這些設施被分組在一個地區或遍佈全球。 地理位置或工廠數量不是主要關注的問題。 這些專案希望將每個工廠的資料帶到雲端，以獲得完全的可見性。 工廠間整合使公司能夠從所有工廠生成的所有資料中獲利，並深入瞭解業務的運營方式。
工廠IIoT訊息匯流排
IIoT匯流排是一個正在迅速獲得牽引力的相關概念。 這個想法是，從下到雲，一切都需要連線起來。 IIoT訊息匯流排解決方案，不僅從業務訊息傳遞的角度，連線重要的東西，還連線許多感測器和執行器。 該解決方案認識到，工廠生成了大量目前被認為不足以捕獲的資料。 在這個模型中，額外的感測器被新增到工廠，以提供額外的資料，為更深入的分析新增上下文。 例如，振動感測器，當機器振動發生變化時，可以提供預測性維護所需的數據。 MQTT是這些感測器和執行器的通常選擇。
實施新的資訊基礎設施
實施這些架構模式需要一個新的資訊傳遞基礎設施，用於在工廠自動化級別內和工廠之間行動數據。 對於棕地專案，目前的數據交換方法通常是透過專有協議進行的，這使得系統之間難以共享資訊，並導致數據孤島，難以引入任何型別的數據分析。 一些組織使用OPC-UA標準，來實施資訊傳遞基礎設施，但結果喜憂參半。 由於OPC-UA解決方案的實施往往複雜且昂貴，因此供應商社群和行業的廣泛採用有限。
在考慮新的訊息平臺和協議時，任何新系統都需要解決一些關鍵的技術挑戰和要求，包括：
- 工廠的不同系統和區域之間，必須實現可靠的雙向連線。 同一協議必須能夠從工廠裝置、MES系統、PLM系統和傳統IT系統傳送和接收資訊。
- 新的資訊基礎設施必須使促進工廠不同系統之間的互操作性成為可能。 資訊傳遞基礎設施需要基於標準協議，該協議可以很容易地由廣泛的供應商實施。
- 當工廠和裝置直接或間接連線到網際網路時，安全立即成為一個巨大的問題。 如果從一開始就沒有實施足夠的安全措施，可能會使工廠面臨巨大的風險。
MQTT 簡介
MQTT是物聯網專案的流行資訊傳遞和資料交換協議。 MQTT協議最初是為了允許SCADA系統控制和監控石油管道而建立的。 要點：
- 簡單、輕量級的釋出/訂閱協議
- 客戶端和經紀人之間的高效雙向連線
- 專為透過不可靠的網際網路和 WiFi 網路進行可靠通訊而設計
- 包括不同的服務品質（QoS）級別
- 使用輕量級客戶端使其易於實施
- 輕鬆整合到現有的IT安全基礎設施中
將智慧工廠與MQTT連線起來
MQTT資訊傳遞協議非常適合成為工廠內新資訊傳遞系統的標準。 MQTT是ISO 20922標準，已成為連線物聯網裝置的事實標準，在智慧製造和工業4.0中越來越受歡迎。
MQTT的釋出/訂閱架構，使其作為製造現代化專案的資訊協議如此有趣。 這種架構解耦了不同客戶端之間的通訊，允許不同的供應商和不同的系統獨立實現MQTT。
所有MQTT客戶端將資料推送到中央MQTT伺服器/經紀人，該伺服器/經紀人將資訊轉發給訂閱客戶端。 MQTT客戶可以包括工廠裝置、專業感測器和執行器、SCADA系統、MES等。 這些客戶端中的每一個，都可以以獨立於供應商專有協議的格式傳送和接收資料。 讓不同的供應商為他們的系統實施MQTT支援，在工廠部署的許多不同系統之間創造了互操作性。
MQTT支援各種客戶端之間的雙向資訊傳遞。 釋出/訂閱協議允許將遙測數據從工廠裝置傳送到雲端。 同時，企業製造系統可以生成命令，然後傳送到工廠。 中央MQTT代理跟蹤每個客戶端的所有客戶端連線和訂閱主題。
使用MQTT可以輕鬆實現與現有安全系統的整合。 MQTT資訊可以使用TLS傳送，以確保數據透過安全通道傳送。 MQTT經紀人能夠與現有的授權和身份驗證系統整合，以實現裝置身份驗證和基於角色的授權，以指導MQTT資訊。
與MQTT的工廠內部互動
MQTT可用於實現不同區域和系統之間的工廠內部通訊。 自動化和製造領域的整合（0-3級）需要記憶體或運算能力很少的各種機器、PLC和感測器之間進行可靠的資料交換。 MQTT的輕量級性質和低頻寬要求，是專門為處理此類裝置的通訊而設計的。 標準PLC，如西門子S7或Opto22，通常能夠直接從盒子裡消耗和推送MQTT數據。 市場上的大多數SCADA和MES系統都支援MQTT。
這裡重要的是，MQTT提供雙向資訊，適用於從工廠樓層到雲端的一切。 MQTT用於製造領域，用於在MES系統和SCADA系統之間交換資料。 釋出資料的同一裝置可以消耗數據，所有系統都可能使用相同的資訊協議進行通訊。 超過3級，MQTT允許從工廠到雲的無縫整合。 部署在雲中的MQTT經紀人可以將工廠數據整合到企業系統和企業資料湖中。 MQTT資訊也可以從企業IT系統傳送回工廠。
與MQTT的工廠間互動
MQTT專為連線多個智慧工廠所需的透過網際網路，進行安全可靠的數據傳輸而設計。 工廠車間的MQTT經紀人，可以使用橋接將MQTT資料推送到雲中的大型MQTT經紀人叢集。 高可用性叢集中的高效能MQTT經紀人，可以從數百個站點擴充套件到每秒數千條資訊。
部署到企業IT資料中心的MQTT代理叢集，可以將每個工廠的所有資料轉發到企業服務中，例如用於流媒體的Apache Kafka、用於建立數據湖的MongoDB、機器學習服務或數據分析服務。 集中式MQTT經紀人可以向遠端工廠，甚至工廠內的特定裝置傳送命令和更新資料。 這反映了MQTT的真正雙向能力。
HiveMQ：智慧製造的企業MQTT平台
HiveMQ處於獨特的地位，可以為使用MQTT實現製造基礎設施現代化，提供堅實的解決方案。 HiveMQ是一個MQTT資訊平台，可提供快速、高效和可靠的數據進出連線的物聯網裝置。 HiveMQ資訊平台被130多個客戶使用，包括奧迪、寶馬、戴姆勒和Liberty Global，使用MQTT執行生產物聯網應用程式。
開源MQTT經紀人，如蚊子，偶爾用於製造用例。 然而，由於蚊子無法部署到叢集環境中，或為製造客戶提供專業技術支援，因此將其部署到生產環境中是有風險的。
HiveMQ解決了現代化的關鍵技術挑戰：
雙向訊息傳遞：HiveMQ支援MQTT的雙向資訊傳遞，允許將資料從工廠裝置傳輸到雲端，從雲端傳輸回特定的工廠裝置。 HiveMQ還支援MQTT的三個服務品質（QoS）級別，以控制資訊是最多傳送一次、至少一次還是恰好傳送一次。 這使得為特定資訊建立可靠性規則成為可能。
安全性：HiveMQ確保物聯網數據的安全傳輸符合行業標準，如TLS、安全WebSockets和最先進的密碼套件。 對身份驗證和授權的支援包括X.509證書、使用者名稱/密碼、基於IP的身份驗證，以及允許自定義身份驗證、授權和許可權邏輯（如OAuth 2.0整合）的API。
HiveMQ企業安全擴充套件（ESE），可以輕鬆地將第三方企業安全系統整合到HiveMQ中，包括支援使用SQL資料庫、OAuth 2.0和LDAP進行身份驗證和授權。 ESE還支援：
- 預處理來自MQTT客戶端和x509客戶端證書的身份驗證和授權資料
- 用於跟蹤安全相關裝置資訊的結構化訪問日誌
- 細粒度授權規則，為特定客戶端或一組客戶指定許可權
- HiveMQ控制中心的訪問控制
可擴充套件性：HiveMQ使用底層硬體進行擴充套件。 非阻塞多執行緒方法允許超過1000萬個併發裝置連線，同時保持極快的吞吐量並增加最小的延遲。 執行時的自動彈性和線性可擴充套件性，對於支援工廠間通訊經常需要的資訊吞吐率非常重要。
高可用性聚類：HiveMQ採用了真正分散式和無掌握的叢集架構架構，這意味著沒有單點故障，叢集可以在執行時增加和縮小，而不會丟失數據或可用性。 對Kubernetes、OpenShift和DC/OS的支援使自動擴充套件HiveMQ以滿足大多數物聯網應用的要求成為可能。
擴充套件框架：HiveMQ有一個開放的API和靈活的擴充套件框架，使將HiveMQ和物聯網數據，整合到現有企業系統中成為可能。 擴充套件框架允許開發人員快速建立自定義資料處理、裝置身份驗證和裝置授權機制的擴充套件。 HiveMQ還為Kafka、MongoDB和其他系統提供了一個預建擴充套件的市場。
Kafka的HiveMQ企業擴充套件，對製造用例特別感興趣。 Apache Kafka是一個流行的開源流媒體平台，廣泛用於在後端系統和應用之間共享數據。 HiveMQ擴充套件透過將MQTT資訊無縫整合到Kafka資訊流中，解決了將Kafka用於物聯網的困難。
全面支援所有MQTT 5：HiveMQ為MQTT 5提供全面支援，MQTT 5是MQTT協議的最新版本。 MQTT 5包括新功能，可以更容易開發可靠的系統，並將MQTT資料整合到其他系統中，是製造業的首選。
HiveMQ100%符合所有版本的MQTT規範。 MQTT 3和MQTT 5客戶端可以同時與HiveMQ通訊，所有功能，如主題通配符、離線等持久會話、保留訊息和服務品質級別都是大規模的。
結論
許多製造組織正在開始使其工廠營運現代化，以實現更高的效率和靈活性。 這個現代化過程，需要對現有的軟體基礎設施，進行實質性升級。 工廠現代化的基石是能夠打破資料孤島，這些孤島阻礙了企業獲得其整體營運的準確情況。
有幾個因素傾向於將MQTT，用作工廠資訊基礎設施現代化的標準協議。 MQTT協議使用釋出/訂閱架構，在工廠裝置、工廠OT系統（MES和SCADA）和企業IT雲服務之間高效行動數據。 MQTT還提供了可擴充套件、可靠和安全的訊息系統所需的雙向資訊傳遞。 由於其高效能的擴充套件功能，100%實現所有MQTT 5功能，以及專業支援服務，HiveMQ Enterprise MQTT經紀人非常適合作為MQTT平台，用於操作現代數位化製造所需的資訊系統。
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