本研究提出了一种基于消息队列遥测传输（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）协议的薄膜挤出系统与监控设备之间数据通信的灵活方法。
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摘要
摘要
本研究旨在通过采用基于发布-订阅模式的消息队列遥测传输（Message Queuing Telemetry Transport, MQTT）协议，在TCP/IP之上构建一种适用于聚合物加工设备的灵活数据通信结构。即使使用传统设备，加工数据也可通过互联网通信由任意位置的多种设备进行测量和记录。基于消息的协议实现了灵活的通信方式，克服了现有客户端-服务器协议的局限性。多个设备可订阅由源设备发布的加工数据。该方法支持多个发布者与订阅者之间的数据通信。本研究实现了一个系统，可将来自设备及附加传感器的数据发布至消息代理（message broker）。订阅者可对代理转发的工艺数据进行监控和存储。该系统已部署并应用于一条薄膜挤出生产线，以验证其有效性。
引言
在第四次工业革命浪潮中，获取和监控各种加工数据已成为重要任务1。特别是利用工艺数据改进制造过程，并建立高效的运行计划，将成为所有制造设施的重要目标2,3。如果能够及时从工厂发出警报或实施预测性维护，则可大幅减少停机时间4。近年来，针对聚合物加工过程的数据分析已开展了大量研究工作5,6。然而，由于从现有系统中获取此类数据存在困难，开展这些工作并不容易7。控制系统与仪表的层级结构使得数据采集与通信变得复杂。
首先，无法从不同生产日期的设备上获取数据。由于需要在专有格式的不同现场总线之间实现互操作性，因此实现不同设备间的通信十分困难。这种方式使得通信方法和数据格式保持私密。虽然这有助于轻松维护数据安全，但使用户在服务和未来发展方面依赖于设备制造商。目前，连接到聚合物加工设备的现代控制计算机大多采用基于 Windows 的系统，但其运行的软件通常是在专有的开发环境中创建的。尽管可以使用不同厂商的可编程逻辑控制器（PLC）与传感器或执行器进行通信，但在许多情况下，上层的监控与数据采集（SCADA）系统仍依赖于控....
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方案
1. 代理服务器安装
注意：用于监控和记录加工数据 通过 互联网，应准备一个用于转发数据的计算机系统。该系统需可被发布者和订阅者共同访问，如图所示 图2因此，系统需要一个在通信开始前已知的公共IP地址。系统上安装了一个名为Eclipse Mosquitto的开源MQTT代理。13.
- 将计算机连接到互联网，获取一个公共 IP 地址。在操作系统的 IP 设置中输入该地址。
- 在计算机上安装诸如 Eclipse Mosquitto 之类的代理软件。通过浏览器下载安装文件并运行安装程序。
- 使用 MQTT Lens 等测试程序测试代理。通过浏览器下载 MQTT Lens 并安装。然后，确认已发布的消息能够被成功订阅。
2. 主要发布者的准备
注意：该计算机发布机器数据 通过 通过 TCP 向代理服务器发送 MQTT。遗留数据应被解析并重新打包后发出，通常可通过 RS485 或以太网实现。硬件层面的连接应根据总线类型进行验证。挤出机发出数据 通过 以太网端口上的 Modbus。
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结果
研究发现，HMI 中显示的数据以及由 Raspberry Pi 测量的数据均在订阅者中被监测和记录，如图5所示。如视频中所示，处理数据已记录到数据库中。
图1：使用MQTT协议进行数据传输的示意图。 代理服务器将消息从发布者转发至订阅者。本图中的发布者包括主发布者和附加发布者（树莓派）。主发布者直接连接至挤出机以接收数据。只要网络容量允许，订阅者的数量不受限制。订阅者可将数据重新发布给其他订阅者，以便将其记录到如Mi.......
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讨论
通过遵循本方案，无需使用制造执行系统（MES）等昂贵的IT解决方案，即可对加工数据进行监控和记录。物联网（IoT）技术可更便捷地从传统设备中获取并传输数据。研究表明，基于消息的协议MQTT可成功作为聚合物加工生产线数据通信的平台。此外，其他附加数据也可灵活地同步测量和传输。本研究中使用的附加发布者为树莓派（Raspberry Pi）。值得注意的是，可通过将树莓派安装在工业级防护外壳中，进一步增强其在恶劣环境下的稳定运行能力。订阅者可以是任何位置、任何操作系统的任意设备。订阅设备可通过选择订阅主题，仅接收所需的数据。本研究证明，MQTT协议结合物联网设备能够简便地实现聚合物加工生产线的数据监控。现代工业通信架构正逐渐偏离普渡模型（Purdue model）等金字塔式结构，而本研究也表明这一发展趋势是合理的。
通过使用 Python 实现软件，该代码可被复用于多种平台19。因此，不同平台的设备均能够参与处理数据的发布与订阅。此外，通过导入多个预构建的代码库（如 PyModbus、pyodbc、paho.mqtt 和 PyQT5），可大幅减.......
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披露
作者声明无利益冲突。
致谢
本研究由首尔科技大（首尔科学技术大学）资助的研究项目支持。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 边缘设备 | Adavantech | UNO 420 | Intel Atom E3815 无风扇 |
| 薄膜挤出机 | EM Korea | 不可用 | 用于生产 450 mm 薄膜 |
| Pydroid | IIEC | 不可用 | 安卓设备 |
| Python3 | Python 软件基金会 | 不可用 | Windows, Linux |
| Raspberry Pi 4 | CanaKit | 不可用 | 标准套件 |
参考文献
- 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.
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