智慧工廠和離散自動化連接的基礎知識

智慧工廠是將允許數位化的製造或生產的所有方面數位化的設施。這種操作透過連接的設備和系統持續記錄數據，然後傳播這些數據，使機器能夠運行自我最佳化程序。此類程序有助於工廠縮短給定最終產品的生產時間、主動預防機械問題，並簡化相互關聯的製造任務。建構智慧工廠的綜合方法利用雲端工具、人工智慧、工業物聯網和大數據分析來監控供應鏈預測，並觸發生產線做出回應，其適應性越來越強。

支援智慧工廠功能的網路

現在來了解智慧工廠連線的具體情況。支援智慧工廠功能的工業協定通常需要實體組件進行認證。 CAT5e和CAT6以及乙太網路供電(PoE)連接在自動化機器和機器人中越來越普遍。此外，靈活的CAT5e和CAT6電纜支援CC-Link工業乙太網路(IE)網絡，並為北美市場提供電纜運營商捆綁組件，獲得UL認證。

考慮支援CC-Link IE Field工業網路的工業控制器，並允許資料交換到1毫秒，用於即時設備控制。一些這樣的控制器還利用網路進行遠端監控、邊緣運算、數據計算以及硬體和軟體的整合。這些控制器通常都安裝了Windows 10物聯網，但也可以使用作業系統VxWorks和開放平台Edgecross來處理和分發資料。一些此類的工業計算機甚至包括觸控屏，可兼作人機介面(HMI)。

HIPERFACE DSL的主要優點是其允許透過一條電纜佈線馬達電源和位置回饋，從而降低複雜性和成本。加上智慧型HIPERFACE DSL編碼器包括儲存馬達資訊的內部記憶體，因此在初始連接時，伺服驅動器可以查詢這些訊息，以幫助自動化馬達調試。

同樣，基於乙太網路甚至數位用戶線路(DSL)電纜的單電纜解決方案改進了包含線性執行器的機械，通常提供與不同製造商的放大器的兼容性，以實現控制器與執行器的快速無縫整合。

單一電纜IO-Link也被越來越多地用於工業連接。一些智慧馬達供應商已經開始將IO-Link初級產品整合到核心產品中，以支援分散自動化概念的可連接感測器。當然，可以透過工業乙太網路或can匯流排進行通訊的馬達不需要作為輔助設備連接到IO-Link網路。

IO-Link還可以將元件上的傳統類比連接器進行數位化，以實現雙向通訊和更快的偵錯時間。難怪有些人在控制端採用IO-Link連接，以支援多協定並與串行介面連接。

協定和雲端連接服務於智慧工廠功能

考慮工業物聯網連接中使用的各種協定和通信，如SCADA、MES和企業資源規劃(ERP)架構。這些是IT/OT(營運技術)整合中涉及最多的——通常涉及企業級任務、網關和其他連接，以便透過標準網頁瀏覽器進行系統配置…以及營運調整和其他管理操作。

需要明確的是，全面的SCADA安裝在大數據擷取和處理方面表現出色、歷史資料的維護和使用和分析例程的執行。然而，智慧工廠解決方案允許更快地設定遠端存取網路、邊緣運算系統以及對相關機器設定和資料的中央或機上(HMI)控制。

許多IIoT安裝中使用的是結構化查詢語言(SQL)，允許將資料和事件日誌同步到MySQL和MS SQL資料庫伺服器的程式設計。這樣做的好處是IT人員存取比依賴控制的替代方法更容易實施。無論系統採用Raspberry Pi等基本控制，還是複雜的基於PC的物聯網資料庫介面(通常需要額外的硬體和軟體)，都是如此。

此外，基礎設施、平台和軟體即服務（分別為IaaS、PaaS和SaaS）或雲端服務也被大量採用以支援多管齊下的IIoT設計方法（涉及軟體、硬體和連接） 。其中包括Alibaba Cloud、Tencent Cloud、Google Cloud、IBM Cloud和Oracle Cloud.。然而，在美國，當今兩家領先的機器自動化公有雲服務供應商是：

• Amazon Web Services Inc.與AWS雲端軟體和服務
• Microsoft Azure IoT Edge雲端軟體和服務

此類雲端服務主要支援資料庫的使用— —透過Amazon簡單儲存服務或S3儲存桶以及Amazon DynamoDB託管資料庫服務等產品、線上和本機應用程式以及按需運算能力。與後者相關的是AWS Lambda服務，允許Python、Node.js、Java和C#程式設計在該服務的伺服器上運行。 HMI讓最終用戶充分利用這些工業物聯網功能。

當然，雲端服務也有其他功能。推動AWS和Azure應用於工業物聯網的部分原因是，越來越多的工程師已經習慣在這些平台上建立自己的基礎設施。畢竟，基於雲端的資料服務將工程師從底層硬體和軟體的額外設計工作中解放出來——因為供應商執行IT任務。 AWS和Azure還允許使用抽象資料流和通訊的軟體——透過具有吸引人的GUI的開發環境簡化一些設計工作，使工程師免於處理程式設計細節。

雲端服務也透過運行作業系統和應用程式的虛擬機器促進了高級工程…設計工程師對這些虛擬機器進行控制。更重要的是，雲端服務可以在採用發布-訂閱原則的協定上容納各種通訊服務，成為所有這些服務的主服務。這樣就不需要在系統設定期間進行耗時的尋址。

所有這些功能都可以促進高級功能，包括分類和提取資料的機器學習，以及做出預測，以提示機器和生產調整。

一個相關的趨勢是供應商越來越多地使用預先策劃的雲端入口網站。這些入口網站是連接使用者控制器和觸控螢幕HMI的線上服務，為工程師提供了開始使用IIoT的簡單方法。然後工程師可以根據趨勢自訂HMI螢幕和儀表板，並使用雲端入口網站管理的規則引擎配置HMI電子郵件通知。函數列表還在繼續。一些安排允許對組件進行遠端軟體更新，以及遠端查看組件的Web視覺化。

透過AWS GreenGrass Core認證的觸控螢幕HMIs和控制器基本上利用AWS，包括AWS Lambda和Things Graph，讓連接的邊緣設備，如感測器和執行器，在本地處理其產生的數據，並使用雲端進行資料管理、儲存和分析。借助AWS IoT Greengrass，連接的設備還可以運行Docker Inc的貨櫃化服務的Docker容器。

回想一下，在工業程式設計的脈絡中，容器是一段可執行軟體，其包含獨立運行應用程式所需的程式碼、系統工具、執行時間、函式庫和設定。在許多機器設計中，容器被設計用來與其他系統通訊和同步數據，或執行各種預測——即使在與互聯網斷開連接的情況下也是如此。在容器中建立應用程式的優點包括:

• 易於部署到設備上
• 軟體的可移植性，允許在不同的平台上使用
• #透過為工程師的應用程式提供沙箱來提高安全性

一些HMI和DIN導軌安裝控制器接受Docker的安裝，事實上，一些供應商定期發布預先建立的容器來擴展這些產品的服務。

在任何HMI連接到雲端的地方，其都可能以某種IIoT的能力為企業分析和持續營運改進提供資訊。涉及一到數百台機器的自動化安裝就是如此。支援IIoT功能(包括各種形式的資料通訊和與邊緣設備的HMI連接)的協定包括:

• 開放平台通訊統一架構（OPC UA）
• 具象狀態傳輸或（REST）及其應用程式介面(API)
• 高階訊息佇列協定(AMQP)
• 訊息佇列遙測傳輸或MQTT

MQTT是許多物聯網連接結構的核心，是一種支援感測器和行動裝置之間可擴展通訊的協定。任何對MQTT的內建裝置支援都是有用的，因為其適用於Amazon AWS物聯網服務。此外，MQTT(如AMQP)是精簡和標準化的，MQTT可以在處理現場和雲端系統的現場設備資料的網關HMI上實施。提供最多MQTT支援的HMI應該連接到增值服務，以提供在第三方系統中邊緣處理的數據，並透過雲端服務運作。此類HMI可以作為MQTT發布者(並向代理髮送訊息)或訂閱者(並從代理請求訊息)或代理(並管理資料和與發布者或訂閱者的連接)。

互通性標準OPC UA對於充分利用連接HMI技術的前景也是不可或缺的。 OPC UA在其規範定義中包含了發布-訂閱通信，因此可以以取代MQTT將資料傳輸到雲端。運動控制領域最重視OPC UA的標準化通訊協議，並輔以時間敏感網路(TSN)作為分散自動化的獨立於供應商的現場匯流排。具有TSN的OPC UA甚至可以使額外的PLC變得不必要——例如，在使用整合伺服馬達的機器中。畢竟，現在比以往任何時候都有更多的系統受益於包含智慧馬達和其他組件的分散式架構，這些組件能夠在與其他設備即時通訊的同時處理命令和執行任務，如運動和其他。在某些情況下，後者可以包括作為邊緣網關的HMI，以處理某些軸的流程邏輯，以及與ERP系統和雲端的連接。

HMI如何使用MySQL資料庫連接的範例

在許多工業物聯網安裝中使用的是前面提到的SQL。這個關聯式資料庫管理系統是免費的、開源的，並且廣泛支持。其還很安全，因此可以安全地整合到控制器HMI和麵板PC中。 SQL的一個好處是IT人員存取比依賴控制項的替代方法(通常需要額外的硬體和軟體)更容易實現。無論是像Raspberry Pi這樣簡單的系統控制，還是像具有IoT資料庫介面的PAC這樣複雜的系統控制，都是如此。

事實上，SQL也與一些控制器HMI一起工作，收集和顯示機器數據，以便於監視和分析。例如，將此類HMI連接到MySQL資料庫，可在靈活且可信任的資料庫中收集、組織和儲存數據，從而方便存取和優化業務營運。

有些供應商設計軟體可以幫助工程師透過智慧型HMI使用MySQL，並將資料放在Excel電子表格中(或其他常用軟體的檔案中的表格資料)，以:

• 在HMI介面顯示資訊
• 將資料和事件日誌同步到本機網路上的遠端MySQL伺服器
• 管理伺服器上的資料

然後，工程師可以使用MySQL和MS Excel來收集、分析和回應數據，以做出更明智的決策和最佳化營運。

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