תקשורת נתונים המבוססת על MQTT בתהליך שחול פולימרי
15 ביולי 2022
עבודה זו מציעה שיטה גמישה לתקשורת נתונים בין מערכת שחול סרטים והתקני ניטור המבוססים על פרוטוקול הודעה בשם העברת טלמטריה של תורי הודעות (MQTT).
הפרוטוקול בעבודה זו מאפשר בניית מבנה תקשורת נתונים גמיש עבור מכונת עיבוד פולימרים על ידי שימוש בקוד פרוטוקול מבוסס מנוי מפרסם MQTT. גם בעת שימוש בציוד קלאסי עיבוד נתונים ניתן לראות ולהקליט על ידי מכשירים שונים בכל מקום באינטרנט. הפרוטוקול מאפשר תקשורת נתונים בין בעלי אתרים מרובים לבין מנויים מרובים.
יישמנו מערכת המפרסמת נתוני עיבוד מקו שחול קיים למכשירי ההרשמה באמצעות מכשיר ברוקר. הנתונים מבקר שחול מדור קודם פורשו במכשיר ונשלחו לברוקר. מכשירים נוספים לטמפרטורות סביבה בשני מיקומים שונים ובמהלך העיבוד מפרסמים גם את הנתונים למתווך.
לאחר מכן הברוקר מעביר את הנתונים למכשירי מנויים המעוניינים בנתונים אלה. כדי להציג ולתעד את הנתונים. מערכת המנויים תוכננה ונבנתה.
מאז כל הקוד עבור המכשירים המשתתפים נכתבו Python. ניתן לעשות שימוש חוזר בקוד במכשירים עם מערכות הפעלה שונות. לבסוף, המערכת נפרסת ונבדקת עבור קו כדי להדגים את תקפות התקנת המתווך הראשון.
כדי להתחיל להגדיר את מערכת הברוקרים MQTT כך שהיא תוכל לנטר ולתעד נתוני עיבוד דרך האינטרנט. על מנת שמכשיר ברוקר יעביר נתונים כאלה הוא חייב להיות נגיש הן לבעלי אתרים והן למנויים. חבר מערכת מחשב לאינטרנט באמצעות כתובת IP ציבורית, כך שניתן יהיה לגשת למתווך הן על ידי בעלי אתרים והן על ידי מנויים.
לאחר מכן בהתקנת המחשב, תוכנת ברוקר פתוחה כגון Eclipse Mosquito משתמשת בכלי בדיקה כמו עדשת MQTT כדי לבחון את יכולת הפעולה של ברוקרים MQTT. שנית, הכנת המו"ל הראשי. עכשיו תן לנו להכין את מכשיר ההוצאה לאור הראשי.
כאמור מחשב זה מפרסם את נתוני המכונה באמצעות MQTT למתווך. יש לפרש נתונים מדור קודם ולארוז אותם מחדש כדי להישלח החוצה. זה יכול להיעשות בדרך כלל על ידי RS-485 או Ethernet.
יש לאמת את החיבור ברמת החומרה בהתאם לסוג האפיק. מכונת ההבלטה הנחשבת שולחת נתונים באמצעות Modbus דרך יציאת Ethernet, כדי להשיג נתונים ממכונת ההבלטה ולפרסם אותם. מקם מחשב כמוציא לאור הראשי באתר המחשב.
במחשב זה להתקין את Python שלוש כסביבת התוכנה. לאחר מכן התקן את Pi Modbus כדי לאפשר קישוריות ותקשורת של Modbus. בדוק את קודי הפונקציה Modbus של בקר ההבלטה וחבר אותו למפרסם הראשי.
זהה באופן מלא את הנתונים ואת הכתובת המשויכת ואת קודי Modbus מהמכונה באמצעות כלי Modbus כגון סקר Modbus או מאסטר Q mod על המפרסם הראשי. לאחר מכן כתוב קוד Python על המפרסם שמאחזר את הנתונים מבקר ההבלטה. בנוסף, שלב זרם נתונים באמצעות PCIE USB RS-232 ו- RS-485 מהתקנים אחרים.
ייבוא לקוח נקודה MQTT של paho dot ויישם את הקוד לחיבור ופרסום נתונים למתווך. שלישית, הכנה נוספת למו"ל. בנוסף למו"ל הראשי, הבה נשתמש במכשירי IOT נוספים כדי לרכוש ולפרסם טמפרטורות סביבה ו-illuminance של סרטים.
לשם כך. נעשה שימוש בשני מכשירי Raspberry Pi. כל מכשיר מפרסם את הנתונים הנמדדים למתווך כפי שעושה המפרסם הראשי.
מקם את המכשירים ליד מיקומי החיישן. לאחר מכן התקן את Python 3 על המכשירים ויישם את הקוד כדי להשיג את נתוני החיישן. נתוני החיישן מועברים על ידי I2C עבור חיישן האילומיננס ועל ידי GPIO עבור הטמפרטורות.
השתמש שוב בקוד Python הקודם כדי לפרסם את הנתונים. הודות לעצמאות המכשיר של פייתון. ניתן לעשות שימוש חוזר בקוד עבור החלונות עבור Raspberry Pis.
רביעית, מנויים מוגדרים. כעת הבה נסביר כיצד להירשם כמנוי לנתוני העיבוד. כאמור, כל מכשיר באינטרנט עשוי לקבל את הנתונים באמצעות הברוקר.
שוב, ניתן לעבד את הנתונים ולהציג אותם באופן חזותי על ידי קוד Python. במכשיר המחובר לאינטרנט להתקין סביבת Python מתאימה בהתאם למכשיר ולמערכת ההפעלה. לדוגמה, במכשיר אנדרואיד Pydroid 3 צריך להיות מותקן במקום Python 3, ולאחר מכן לייבא הן paho dot MQTT נקודה לקוח ו paho dot MQTT נקודה להירשם כדי להתחבר ולקבל נתונים מן הברוקר.
לאחר מכן בנה ממשק משתמש כנדרש בהתבסס על Pi QT5. מאז יישום של חלק זה הוא ארוך למדי יכול להיות מייגע. הפרטים אינם מתוארים כאן עוד יותר עם קוד זה להציג את הנתונים הנכנסים בממשק המשתמש הגרפי.
כמו כן, דעו כי יישומים קיימים כגון כלי MQT במאגר האפליקציות יכולים לקבל את הנתונים. חמישית, רישום נתונים. כדי לתעד את הנתונים במהלך ניטור ה- Python אמור להיות מסוגל לגשת למסד נתונים.
בעבודה זו הנתונים נכתבים לקובץ גישה של Microsoft. בהתחשב בקנה המידה של הנתונים ובזמינות התוכנה. בחר התקן מנוי כדי להקליט את הנתונים.
לאחר מכן ייבא pyodbc בקוד Python כדי לגשת למסד הנתונים. להקלטת נתוני העיבוד, שלח שאילתה למסד הנתונים על-ידי קוד Python. כדי לאחזר את הנתונים המוקלטים שלח שאילתה נוספת למסד הנתונים.
לאחר אחזור הנתונים, ניתן לנתח את הנתונים על-ידי ארגון מחדש של הנתונים לפי הצורך. טבלה הניתנת לקריאה בגיליון אלקטרוני יכולה להיבנות באופן מיידי. שישית, פריסה.
לאחר שכל הפריטים מפותחים יש לפרוס את קודי Python על כל מכשיר. מצב החיבור קווי או אלחוטי אינו חשוב אך יש להבטיח כי כל מכשיר צריך להיות מסוגל לגשת למתווך. משמעות הדבר היא שהמתווך משחק כשער על הגבול בין האינטרנט לאינטרנט למטרת האבטחה.
כאן כדי לשמור על אבטחה טובה יותר חבר את בקר ההבלטה, המפרסם הראשי ואת המפרסמים הנוספים לאינטרנט. לאחר מכן חבר יציאת Ethernet אחת של הברוקר לאינטרנט והשנייה לאינטרנט כדי לנטר ולתעד את נתוני העיבוד. חבר את המנויים לאינטרנט לפי הצורך.
שביעית, הוצאה להורג. כדי לבדוק את המערכת כולה, הפעל את קו ההבלטה. לאחר מכן הפעל את כל התקני המחשב.
לאחר מכן התחל את תוכנת הברוקר יתוש, והפעל את כל קודי Python. תוצאות מייצגות. כתוצאה מביצוע המערכת המתוכננת והמוטמעת, נתוני העיבוד מנוטרים ומודמיינים.
ניתן להציג את הנתונים במגוון דרכים כולל גרפים וטבלאות, גם במכשיר נייד ניתן לנטר ולהקליט את הנתונים. יתר על כן, הנתונים נרשמים ומאוחזרים על מנת להיות מנותחים. מסקנה נמצא כי הנתונים המוצגים ב- HMI ונמדדים על ידי PIs פטל מנוטרים ומתועדים במנויים.
על ידי ביצוע הפרוטוקול המוצג ניתן לנטר ולהקליט את נתוני העיבוד ללא פתרונות IT יקרים כגון MES.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
עבודה זו מציעה שיטה גמישה לתקשורת נתונים בין מערכת פליטת סרטים והתקני ניטור המבוססת על פרוטוקול הודעות הנקרא Message Queuing Telemetry Transport (MQTT). הפרוטוקול מאפשר תצפית והקלטה של נתונים מציוד קלאסי דרך מכשירים שונים דרך האינטרנט.
מרכיבי מחקר עיקריים
תחום המדע
- תקשורת נתונים
- עיבוד פולימרים
- מערכות ניטור
רקע
- MQTT הוא פרוטוקול מפרסם-מנוי.
- הוא מאפשר תקשורת בין מפרסמים ומנויים מרובים.
- ניתן לפרסם נתונים ממערכות מורשת.
- ניתן לשלב גם נתוני טמפרטורת סביבה במערכת.
מטרת המחקר
- לפתח מבנה תקשורת נתונים גמיש.
- להקל על ניטור נתונים בזמן אמת.
- לשפר את היכולות של קווי פליטה קיימים.
שיטות ששימשו
- יישום פרוטוקול MQTT.
- פרסום נתונים מקו פליטה קיים.
- שימוש במתווך התקן להעברת נתונים.
- שילוב התקנים נוספים לניטור טמפרטורה.
תוצאות עיקריות
- תקשורת נתונים מוצלחת שהוקמה בין מכשירים מרובים.
- ניתן לגשת לנתונים בזמן אמת מתהליכי פליטה מרחוק.
- ניתן לשלב ציוד ישן במערכות ניטור מודרניות.
- נתוני טמפרטורה ממיקומים שונים מפורסמים ביעילות.
מסקנות
- פרוטוקול ה-MQTT מספק פיתרון חזק לתקשורת נתונים.
- גמישות במערכות ניטור משפרת את היעילות התפעולית.
- שילוב מקורות נתונים שונים הוא בר השגה עם שיטה זו.
שאלות נפוצות
Executive Industry Relevance
Flexible, real-time data communication is critical for modernizing legacy polymer processing equipment and enabling scalable process monitoring across distributed R&D and manufacturing environments. MQTT-based publisher-subscriber architectures allow seamless integration of diverse data sources, supporting digital transformation and operational visibility without costly infrastructure overhauls. This approach enhances data accessibility and traceability, directly impacting process optimization and enterprise decision-making.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables continuous process data capture from legacy and modern equipment for hypothesis-driven process improvement.
- Supports integration of additional sensors, expanding the scope of monitored variables for mechanistic de-risking.
- Facilitates rapid identification of process deviations, improving predictive confidence in process outcomes.
Screening & Assay Development
- Provides standardized, real-time data streams for assay system monitoring and validation.
- Enables reproducible data logging across multiple devices and locations, supporting robust screening workflows.
- Supports scalable deployment of monitoring solutions, allowing for efficient expansion of assay platforms.
Translational & Preclinical Research
- Allows integration of environmental and process data to align with translational research requirements.
- Ensures continuity of data capture from discovery through preclinical process validation.
- Improves risk-adjusted advancement decisions by providing comprehensive process traceability.
Pipeline & Workflow Integration
This MQTT-based communication system bridges legacy process equipment with modern data analytics, supporting workflows from early discovery through process development and preclinical validation.
- Discovery Biology: Enables hypothesis testing and process optimization by providing accessible, real-time process data.
- Screening: Delivers reproducible, quantitative outputs for assay and process monitoring.
- Analytics: Facilitates structured data logging and retrieval for comparative analysis and reporting.
- Translational Research: Supports alignment of process data with translational endpoints when environmental or process variables are relevant.
- Enterprise Reuse: Offers a reusable, scalable data infrastructure adaptable to various process and monitoring needs.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Enhances predictive confidence and process validation by enabling comprehensive data capture.
- Operational Value: Standardizes data communication and logging across heterogeneous devices and platforms.
- Strategic Value: Reduces IT overhead and accelerates digital transformation without major equipment replacement.
- Portfolio Impact: Improves risk-adjusted process development and supports data-driven prioritization decisions.
Implementation Considerations
- Requires expertise in Python programming and industrial communication protocols (e.g., Modbus, MQTT).
- Needs reliable network infrastructure and secure broker configuration for data integrity and access control.
- Demands cross-team standardization of data formats and logging practices for interoperability.
- Supports adaptation across various sensor types and legacy equipment with appropriate interface modules.
- Practical limitations include initial setup complexity and ongoing maintenance of distributed codebases.
