תקשורת נתונים המבוססת על MQTT בתהליך שחול פולימרי
Summary
עבודה זו מציעה שיטה גמישה לתקשורת נתונים בין מערכת שחול סרטים והתקני ניטור המבוססים על פרוטוקול הודעה בשם העברת טלמטריה של תורי הודעות (MQTT).
Abstract
עבודה זו נועדה לבנות מבנה תקשורת נתונים גמיש עבור מכונת עיבוד פולימרים על ידי שימוש בפרוטוקול מבוסס מנוי-מפרסם בשם תחבורת טלמטריה של תורי הודעות (MQTT), המופעל באמצעות TCP/IP. גם בעת שימוש בציוד קונבנציונלי, ניתן למדוד ולהקליט נתוני עיבוד על ידי מכשירים שונים בכל מקום באמצעות תקשורת אינטרנט. פרוטוקול מבוסס הודעה מאפשר תקשורת גמישה המתגברת על החסרונות של פרוטוקול שרת-לקוח קיים. התקנים מרובים יכולים להירשם כמנויים לנתוני העיבוד שפורסמו על-ידי התקני מקור. השיטה המוצעת מאפשרת תקשורת נתונים בין מפרסמים ומנויים מרובים. עבודה זו הטמיעה מערכת המפרסמת נתונים מהציוד וחיישנים נוספים למתווך הודעות. המנויים יכולים לנטר ולאחסן את נתוני התהליך המועברים על ידי הברוקר. המערכת נפרסה והופעלה עבור קו הבלטה של סרט כדי להדגים את האפקטיביות.
Introduction
בגל המהפכה התעשייתית הרביעית, רכישה וניטור של נתוני עיבוד שונים הפכו למשימות חשובות1. בפרט, שיפור תהליך הייצור באמצעות נתוני תהליכים וקביעת תוכניות תפעול יעילות יהיו מטרה חשובה של כל מתקני הייצור 2,3. ניתן לקצר מאוד את זמן ההשבתה אם ניתן לשלוח אזעקה מהמפעל או אם ניתן לבצע תחזוקה חזויה בזמן4. לאחרונה נעשו מאמצים רבים לניתוח נתונים בתהליכים פולימריים 5,6. עם זאת, לא קל לבצע משימות אלה בשל הקשיים ברכישת נתונים כאלה מהמערכות הקיימות7. המבנה ההיררכי של הבקרה והמכשור מקשה על רכישת הנתונים והתקשורת.
קודם כל, לא ניתן לקבל נתונים ממכונות שונות עם תאריכי ייצור שונים. קשה לממש תקשורת בין מכונות שונות מכיוון שהדבר דורש יכולת פעולה הדדית בין פסי שדה שונים בפורמטים קנייניים. בדרך זו, שיטות תקשורת ופורמטים של נתונים נשמרים פרטיים. זה עוזר לשמור בקלות על אבטחת נתונים, אך שומר על המשתמשים תלויים בבונה המכונות עבור השירותים וההתפתחויות העתידיות. מחשבי הבקרה האחרונים, כולל ממשק אדם-מכונה (HMI) המחוברים למכונות עיבוד פולימרים, מבוססים ברובם על Windows בימים אלה, אך הם עמוסים בתוכנות שנוצרו בסביבת פיתוח קניינית. ניתן להשתמש בבקרי לוגיקה ניתנים לתכנות (PLCs) מחברות שונות כדי לתקשר עם החיישנים או המפעילים, אך במקרים רבים, מערכת הבקרה הפיקוח העליונה ורכישת הנתונים (SCADA) תלויה במחשבי הבקרה8. פרקטיקה זו גרמה למספר רב של פרוטוקולים, אוטובוסי שדה ומערכות בקרה להתחרות בשוק. למרות שמורכבות זו הוקל לאט לאט עם הזמן, סוגים רבים של בוסים ופרוטוקולים עדיין נמצאים בשימוש פעיל.
מצד שני, התקשורת בין התקני בקרה ל- SCADA תוקנה על ידי הארכיטקטורה המאוחדת של תקשורת פלטפורמה פתוחה (OPCUA)9. יתר על כן, התקשורת בין SCADA לבין מערכת ביצוע הייצור (MES) נעשתה גם היא בעיקר באמצעות OPCUA. במבנה היררכי כה הדוק, לא קל לחלץ באופן חופשי נתונים לניטור וניתוח תהליכים. בדרך כלל, יש לחלץ נתונים מתוך SCADA או MES10. כפי שצוין קודם לכן, מערכות אלה הן ספציפיות לספק, ותבניות הנתונים פתוחות לעתים רחוקות. כתוצאה מכך, חילוץ הנתונים דורש תמיכה משמעותית מספקי פתרונות טכנולוגיית המידע/טכנולוגיית התפעול (IT/OT) המקוריים. זה יכול לעכב את רכישת הנתונים לניטור וניתוח.
בקו שחול סרטים, מחשב הבקרה מפוקח על ידי מערכת SCADA11. מערכת SCADA מופעלת על ידי תוכנת מחשב שלא ניתן לשנות בקלות. תוכנית המחשב עשויה להיות ניתנת לעריכה, אך העריכה יקרה למדי וגוזלת זמן רב. כדי לנטר ולנתח בקלות את נתוני העיבוד, הנתונים צריכים להיות נגישים מכל מקום. כדי לפקח על נתוני העיבוד הרחק מהאתר, תוכנית המחשב צריכה להיות מסוגלת להזרים את נתוני העיבוד לאינטרנט12. יתר על כן, שיטה חופשית פתוחה מפחיתה את ההוצאות עבור רכישת הנתונים13. גישה זו מאפשרת לבצע ניתוח נתונים גם במפעלים קטנים שאינם יכולים להרשות לעצמם להשקיע בפתרונות IT מסחריים14.
במחקר זה נעשה שימוש בפרוטוקול הודעה המבוסס על מודל המפרסם-מנוי. תעבורת הטלמטריה של תורי ההודעות (MQTT) היא פרוטוקול פתוח וסטנדרטי המאפשר העברת הודעות בין ספקי נתונים מרובים לבין צרכנים15. כאן אנו מציעים מערכת שרוכשת, משדרת ומנטרת נתונים באמצעות MQTT עבור מתקני ייצור קיימים. המערכת נבדקת בקו שחול פילם כדי לאמת את הביצועים. הנתונים מהבקר המקורי מועברים להתקן קצה באמצעות פרוטוקול Modbus. לאחר מכן, הנתונים מתפרסמים למתווך. בינתיים, שני פטל Pis לפרסם את הטמפרטורות הנמדדות ואת illuminance לאותו מתווך. לאחר מכן, כל מכשיר באינטרנט יכול להירשם כמנוי לנתונים, ולאחר מכן לנטר ולתעד אותם כפי שמוצג באיור 1. הפרוטוקול בעבודה זו מראה כיצד ניתן לבצע את ההליך כולו.
Protocol
Representative Results
Discussion
על ידי ביצוע הפרוטוקול המוצג, ניתן לנטר ולהקליט את נתוני העיבוד ללא פתרונות IT יקרים כגון MES. טכנולוגיות ה- IoT יכולות להקל על רכישה ואספקה של נתונים ממכונות קונבנציונליות. הוכח כי הפרוטוקול מבוסס ההודעות, MQTT, משמש בהצלחה כפלטפורמה לתקשורת נתונים עבור קווי עיבוד פולימרים. יתר על כן, נתונים נוס…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
מחקר זה נתמך על ידי תוכנית המחקר שמומנה על ידי SeoulTech (האוניברסיטה הלאומית למדע וטכנולוגיה בסיאול).
Materials
| Edge Device | Adavantech | UNO 420 | Intel Atom E3815 Fanless |
| Film Extrusion Machine | EM Korea | Not Available | For production of 450 mm film |
| Pydroid | IIEC | Not Available | Android Devices |
| Python3 | Python Software Foundataion | Not Available | Windows, Linux |
| Raspberry Pi 4 | CanaKit | Not Available | Standard Kit |
References
- Shafiq, S. I., Szczerbicki, E., Sanin, C. Proposition of the methodology for Data Acquisition, Analysis and Visualization in support of Industry 4.0. Procedia Computer Science. 159, 1976-1985 (2019).
- Dilda, V., et al. Manufacturing: Analytics unleashes productivity and profitability. McKinsey & Company. , (2017).
- Ismail, A., Truong, H. L., Kastner, W. Manufacturing process data analysis pipelines: A requirements analysis and survey. Journal of Big Data. 6, 1 (2019).
- Nwanya, S. C., Udofia, J. I., Ajayi, O. O. Optimization of machine downtime in the plastic manufacturing. Cogent Engineering. 4 (1), 1335444 (2017).
- Zhou, T., Song, Z., Sundmacher, K. Big data creates new opportunities for materials research: A review on methods and applications of machine learning for materials design. Ingénierie. 5 (6), 1017-1026 (2019).
- Rousopoulou, V., Nizamis, A., Thanasis, V., Ioannidis, D., Tzovaras, D. Predictive maintenance for injection molding machines enabled by cognitive analytics for Industry 4.0. Frontiers in Artificial Intelligence. 3, 578152 (2020).
- Mamo, F. T., Sikora, A., Rathfelder, C. Legacy to Industry 4.0: A Profibus Sniffer. Journal of Physics: Conference Series. 870, 012002 (2017).
- Figueroa-Lorenzo, S., Añorga, J., Arrizabalaga, S. A role-based access control model in Modbus SCADA systems. A centralized model approach. Sensors. 19 (20), 4455 (2019).
- Schleipen, M., Gilani, S. -. S., Bischoff, T., Pfrommer, J. OPC UA & Industrie 4.0 – Enabling technology with high diversity and variability. Procedia CIRP. 57, 315-320 (2016).
- Nițulescu, I. -. V., Korodi, A. Supervisory control and data Acquisition approach in node-RED: Application and discussions. IoT. 1, 76-91 (2020).
- Perez-Lopez, E. SCADA systems in the industrial automation. Tecnología en Marcha. 28 (4), 3-14 (2015).
- Andersen, D. L., Ashbrook, C. S. A., Karlborg, N. B. Significance of big data analytics and the internet of things (IoT) aspects in industrial development, governance and sustainability. International Journal of Intelligent Networks. 1, 107-111 (2020).
- Kashyap, M., Sharma, V., Gupta, N. Taking MQTT and NodeMcu to IOT: Communication in Internet of Things. Procedia Computer Science. 132, 1611-1618 (2018).
- . Mythbusting the MES. Systema Available from: https://www.systema.com/blog/mythbusting-the-mes (2021)
- Yeh, C. -. S., Chen, S. -. L., Li, I. -. C. Implementation of MQTT protocol based network architecture for smart factory. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B: Journal of Engineering Manufacture. 235 (13), 2132-2142 (2021).
- Parian, C., Guldimann, T., Bhatia, S. Fooling the master: Exploiting weaknesses in the Modbus protocol. Procedia Computer Science. 171, 2453-2458 (2020).
- Mishra, B., Kertesz, A. The use of MQTT in M2M and IoT systems: A survey. IEEE Access. 8, 201071-201086 (2020).
- . pyodbc 4.0.34 Available from: https://pypi.org/project/pyodbc/ (2021)
- Ayer, V., Miguez, S., Toby, B. Why scientists should learn to program in Python. Powder Diffraction. 29 (2), 48-64 (2014).
- Boyes, H., Hallaq, B., Cunningham, J., Watson, T. The industrial internet of things (IIoT): An analysis framework. Computers in Industry. 101, 1-12 (2018).
