폴리머 압출 공정에서 MQTT를 기반으로 하는 데이터 통신
Summary
이 작업은 MQTT(메시지 큐 텔레메트리 전송)라는 메시지 프로토콜을 기반으로 필름 압출 시스템과 모니터링 장치 간의 데이터 통신을 위한 유연한 방법을 제안합니다.
Abstract
이 작업은 TCP/IP를 통해 운영되는 MQTT(Message Queuing Telemetry Transport)라는 게시자-구독자 기반 프로토콜을 사용하여 폴리머 처리 머신을 위한 유연한 데이터 통신 구조를 구축하는 것을 목표로 합니다. 기존 장비를 사용하는 경우에도 인터넷 통신을 통해 어디서나 다양한 장치에서 데이터를 측정하고 기록할 수 있습니다. 메시지 기반 프로토콜은 기존 서버-클라이언트 프로토콜의 단점을 극복하는 유연한 통신을 가능하게 합니다. 여러 장치가 원본 장치에서 게시한 처리 데이터를 구독할 수 있습니다. 제안된 방법은 여러 게시자와 구독자 간의 데이터 통신을 용이하게 합니다. 이 작업은 장비 및 추가 센서의 데이터를 메시지 브로커에 게시하는 시스템을 구현했습니다. 가입자는 브로커에 의해 중계된 프로세스 데이터를 모니터링하고 저장할 수 있다. 이 시스템은 효과를 입증하기 위해 필름 압출 라인을 위해 배치되고 실행되었습니다.
Introduction
4차 산업혁명의 물결 속에서 다양한 처리 데이터의 수집 및 모니터링이 중요한 과제가 되었다1. 특히, 공정 데이터를 사용하여 제조 공정을 개선하고 효율적인 운영 계획을 수립하는 것은 모든 제조 시설2,3의 중요한 목표가 될 것입니다. 경보를 공장 밖으로 보낼 수 있거나 예측 유지 보수를시간 4에 수행 할 수있는 경우 가동 중지 시간을 크게 줄일 수 있습니다. 최근에, 중합체 공정(5,6)에서의 데이터 분석을 위한 많은 노력이 이루어지고 있다. 그러나, 기존 시스템(7)으로부터 이러한 데이터를 획득하는 어려움으로 인해 이러한 태스크를 수행하는 것은 쉽지 않다. 제어 및 계측의 계층 구조는 데이터 수집 및 통신을 어렵게 만듭니다.
우선, 제조 날짜가 다른 다른 기계에서 데이터를 얻을 수 없습니다. 서로 다른 컴퓨터 간의 통신을 실현하는 것은 어려운 일인데, 이는 독점 형식의 서로 다른 필드버스 간의 상호 운용성이 필요하기 때문입니다. 이러한 방식으로 통신 방법 및 데이터 형식은 비공개로 유지됩니다. 이를 통해 데이터 보안을 쉽게 유지할 수 있지만 사용자는 서비스 및 향후 개발을 위해 기계 제작자에게 의존 할 수 있습니다. 폴리머 가공 기계에 부착 된 인간 – 기계 인터페이스 (HMI)를 포함한 최근의 제어 컴퓨터는 요즘 대부분 Windows 기반이지만 독점 개발 환경에서 생성 된 소프트웨어가로드됩니다. 센서 또는 액추에이터와 통신하기 위해 상이한 회사로부터의 프로그램가능 로직 컨트롤러(PLC)를 사용할 수 있지만, 많은 경우에, 상부 감독 제어 및 데이터 수집(SCADA) 시스템은 제어 컴퓨터(8)에 의존한다. 이러한 관행으로 인해 수많은 프로토콜, 필드버스 및 제어 시스템이 시장에서 경쟁하게 되었습니다. 이러한 복잡성은 시간이 지남에 따라 조금씩 완화되었지만 많은 유형의 필드 버스와 프로토콜이 여전히 활발히 사용되고 있습니다.
한편, 제어 장치와 SCADA 간의 통신은 OPCUA(Open Platform Communications United Architecture)9에 의해 표준화되었습니다. 또한 SCADA와 MES(제조 실행 시스템) 간의 통신도 주로 OPCUA를 통해 이루어졌습니다. 이러한 엄격한 계층 구조에서는 프로세스 모니터링 및 분석을 위해 데이터를 자유롭게 추출하는 것이 쉽지 않습니다. 일반적으로, 데이터는 SCADA 또는 MES(10)로부터 추출되어야 한다. 앞에서 언급했듯이 이러한 시스템은 공급 업체별로 다르며 데이터 형식은 거의 열리지 않습니다. 따라서 데이터 추출에는 원래 정보 기술/운영 기술(IT/OT) 솔루션 공급업체의 실질적인 지원이 필요합니다. 이는 모니터링 및 분석을 위한 데이터 수집을 방해할 수 있습니다.
필름 압출 라인에서, 제어 PC는 SCADA 시스템(11)에 의해 감독된다. SCADA 시스템은 쉽게 수정할 수 없는 컴퓨터 프로그램에 의해 운영됩니다. 컴퓨터 프로그램은 편집 가능할 수도 있지만 편집은 상당히 비싸고 시간이 많이 걸립니다. 처리 데이터를 쉽게 모니터링하고 분석하려면 어느 위치에서나 데이터에 액세스할 수 있어야 합니다. 사이트로부터 멀리 떨어진 프로세싱 데이터를 모니터링하기 위해, 컴퓨터 프로그램은 프로세싱 데이터를 인터넷(12)으로 스트리밍할 수 있어야 한다. 더욱이, 개방 자유 방법은 데이터 획득(13)을 위한 비용을 감소시킨다. 이러한 접근법은 상업적 IT 솔루션(14)에 투자할 여력이 없는 소규모 공장에서도 데이터 분석이 수행될 수 있게 한다.
이 연구에서, 발행자-가입자 모델에 기초한 메시지 프로토콜이 사용된다. MQTT(메시지 큐 텔레메트리 전송)는 다수의 데이터 제공자와 소비자(15) 사이의 메시징을 가능하게 하는 개방적이고 표준적인 프로토콜이다. 여기서는 기존 제조 시설에 MQTT를 사용하여 데이터를 수집, 전송 및 모니터링하는 시스템을 제안합니다. 이 시스템은 성능을 검증하기 위해 필름 압출 라인에서 테스트됩니다. 원래 컨트롤러의 데이터는 Modbus 프로토콜을 통해 에지 장치로 전송됩니다. 그런 다음 데이터가 브로커에 게시됩니다. 그 동안 두 개의 라즈베리 파이는 측정 된 온도와 조도를 동일한 브로커에 게시합니다. 그런 다음 인터넷상의 모든 장치가 데이터를 구독한 다음 그림 1과 같이 데이터를 모니터링하고 기록할 수 있습니다. 이 작업의 프로토콜은 전체 절차를 수행하는 방법을 보여줍니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
제시된 프로토콜을 따름으로써, MES와 같은 고가의 IT 솔루션 없이도 처리 데이터를 모니터링하고 기록할 수 있다. IoT 기술을 사용하면 기존 기계에서 데이터를 더 쉽게 수집하고 제공할 수 있습니다. 메시지 기반 프로토콜인 MQTT는 폴리머 처리 라인을 위한 데이터 통신을 위한 플랫폼 역할을 성공적으로 수행하는 것으로 나타났습니다. 또한 추가 데이터를 유연하게 측정하고 함께 전송할 수 있습?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
본 연구는 서울테크(서울과학기술대학교)가 후원하는 연구프로그램의 지원을 받았다.
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
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