Name: תקשורת נתונים המבוססת על MQTT בתהליך שחול פולימרי (וידאו) | JoVE Journal
Uploaded: 2022-07-15T13:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 15 s
Description: למד כיצד ליישם פרוטוקול MQTT לתקשורת נתונים בתהליך שחול פולימרי. שיטה זו מאפשרת ניטור בזמן אמת של מכשירים קיימים ומשפרת את יעילות המערכת.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

מחקר זה נתמך על ידי תוכנית המחקר שמומנה על ידי SeoulTech (האוניברסיטה הלאומית למדע וטכנולוגיה בסיאול).

1. התקנת ברוקר
הערה: כדי לנטר ולתעד נתוני עיבוד באמצעות האינטרנט, יש להכין מערכת מחשב המעבירה את הנתונים. המערכת צריכה להיות נגישה הן לבעלי האתרים והן למנויים כפי שמוצג באיור 2. לפיכך, היא צריכה להיות בעלת כתובת IP ציבורית הידועה לפני כל תקשורת. מתווך MQTT פתוח בשם Eclipse Mosquitto מותקן על המערכת13.
<ol><li>חבר מחשב לאינטרנט תוך מתן כתובת IP ציבורית. תן את הכתובת בהגדרת ה- IP של מערכת ההפעלה.</li>
	<li>התקן תוכנת ברוקר כגון Eclipse Mosquitto במחשב. הורד את קובץ ההתקנה באמצעות דפדפן והפעל אותו.</li>
	<li>בדוק את המתווך עם תוכנית בדיקה כגון עדשת MQTT. הורד את עדשת MQTT באמצעות דפדפן והתקן אותה. לאחר מכן, ודא שההודעות שפורסמו נרשמות כמנוי.</li>
</ol>2. הכנת מו"ל ראשי
הערה: מחשב זה מפרסם את נתוני המכונה באמצעות MQTT באמצעות TCP באמצעות TCP למתווך. יש לפרש נתונים מדור קודם ולארוז אותם מחדש כדי להישלח החוצה. זה יכול להיעשות בדרך כלל על ידי RS485 או Ethernet. יש לאמת את החיבור ברמת החומרה בהתאם לסוג האפיק. מכונת ההבלטה שולחת את הנתונים באמצעות Modbus דרך יציאת Ethernet.
<ol><li>מקם פיזית מחשב באתר המחשב והגדר אותו כמפרסם הראשי. הערה: למרות שאינו חובה, מחשב תעשייתי נבחר בעבודה זו.</li>
	<li>התקן את Python3 במחשב. הורד את קובץ ההתקנה באמצעות דפדפן והפעל אותו.</li>
	<li>התקן את PyModbus16. הורד את קובץ ההתקנה באמצעות דפדפן והפעל אותו.</li>
	<li>בדוק את בקר ההבלטה עם HMI השולט במכונה וחבר את בקר ההבלטה למפרסם הראשי.</li>
	<li>זהה באופן מלא את הנתונים ואת הכתובת המתאימה בפרוטוקול Modbus מהמכונה באמצעות כלי Modbus כגון ModbusPoll או QModMaster. ודא שנתוני המכונה שנשלחו מוצגים בתאים המתאימים של הכלי Modbus.</li>
	<li>כתוב קוד Python במחשב המפרסם המאחזר את הנתונים מבקר ההבלטה. הערה: הנה דוגמה לקוד: מאת pyModbusTCP.client import ModbusClient client = ModbusClient(host="192.168.1.***", port=***, unit_id=***) client.open() ExtrusionData = str(client.read_holding_registers(1000, 58))</li>
	<li>מזג זרמי נתונים נוספים מהתקנים אחרים באמצעות PCIe, USB, RS232 ו-RS485. הערה: זה פשוט. לאחר קבלת מחרוזת נתונים נוספת, פשוט הוסף את הנתונים לזרם הנתונים הקיים, אשר נעשה על ידי הקוד הבא: ExtrusionData += נתונים נוספים</li>
	<li>ייבוא paho.mqtt.client לאחר התקנת paho-mqtt על ידי pip להתקין paho-mqtt17 .</li>
	<li>יישם את הקוד כדי לחבר ולפרסם נתונים למתווך. הערה: עיין בדוגמת הקוד הבאה: url="117.xx.xxx.xx"; נמל = 1883; שם משתמש = "****"; סיסמה = "xxxxx"; נושא = "מכבש" mqttc = mqtt. לקוח() mqttc.username_pw_set(שם משתמש,סיסמה) mqttc.connect(host=url, port=port) mqttc.loop_start() ExtrusionData = str(client.read_holding_registers(1000, 58)) Pub1= mqttc.publish(topic, ExtrusionData)) Pub1.wait_for_publish()</li>
</ol>3. הכנה נוספת למו"ל
הערה: מחשב זה מפרסם גם את נתוני המכונה באמצעות MQTT באמצעות TCP באמצעות TCP למתווך. לפעמים נדרשת מדידה נוספת שלא ניתן לבצע על המפרסם הראשי. מכשירי האינטרנט של הדברים (IoT) כגון Raspberry Pi ו- Arduino יכולים לקחת את התפקיד. בעבודה זו, Raspberry Pi הועסק עבור נתוני טמפרטורה ונתוני אילומינציה. ההליך דומה לפרוטוקול סעיף 2.
<ol><li>מקם את Raspberry Pi ליד מיקום החיישן. הערה: מכיוון שמרחק החיווט מוגבל, לא ניתן למקם את ה- Raspberry Pi רחוק מאוד ממיקום המדידה. עם זאת, מכיוון שסביבתו של האקסטרודר חמה מאוד, יש למקם את המכשיר במרחק של לפחות מטר אחד ממיקום המדידה.</li>
	<li>התקן את Python3 ב- Raspberry Pi על-ידי הפקודות הבאות בשורת הפקודה: sudo apt update sudo apt install Python3 idle3</li>
	<li>יישם את הקוד כדי להשיג את נתוני החיישן. ניתן להעביר את נתוני החיישן באמצעות I2C או GPIO. הערה: עיין בדוגמת הקוד הבאה לקבלת נתוני טמפרטורה נוספים באמצעות GPIO: החל מ- max6675 ייבוא MAX6675 cs_pin1 = 24; clock_pin1 = 25; data_pin1 = 18 cs_pin2 = 9; clock_pin2 = 11; data_pin2 = 19 יחידות = "C" thermocouple1 = MAX6675(cs_pin1, clock_pin1, data_pin1, יחידות) thermocouple2 = MAX6675(cs_pin2, clock_pin2, data_pin2, יחידות) T1 = thermocouple1.get() T2 = thermocouple2.get()</li>
	<li>Import paho.mqtt.client.</li>
	<li>השתמש שוב בקוד בסעיף 2 כדי לחבר ולפרסם נתונים למתווך.</li>
</ol>4. הגדרת המנוי
הערה: כל המכשירים באינטרנט עשויים לקבל את נתוני העיבוד באמצעות הברוקר. הנתונים מעובדים ומוצגים באופן חזותי גם על ידי קוד Python. במקרה שהפיתוח קשה, ניתן להשתמש ביישומים זמינים כמו לקוח MQTT ב-Google Play ו-MQT Tool ב-App Store. מכיוון שיישום ממשק המשתמש הוא ארוך למדי, הפרטים אינם מתוארים כאן. כמו כן, שים לב שיישומים קיימים כגון MQT Tool ב- App Store יכולים לקבל את הנתונים.
<ol><li>הפעל מכשיר למנוי לאינטרנט. ודא חיבור כבל פיזי ולאחר מכן בצע פינג לכתובת ה- IP של המתווך בשורת הפקודה (לדוגמה, פינג 117.xx.xxx.xx).</li>
	<li>התקן סביבת Python מתאימה בהתאם למכשיר ולמערכת ההפעלה. לדוגמה, התקן את Pydroid3 במכשיר אנדרואיד במקום Python3 מ- Google Play.</li>
	<li>ייבוא הן paho.mqtt.client והן paho.mqtt.הירשם כדי להתחבר ולקבל נתונים מהמתווך. הערה: עיין בדוגמת הקוד הבאה: import paho.mqtt.client as mqtt import paho.mqtt.subscribe as subscribe url="117.xx.xxx.xx"; נמל = 1883; שם משתמש = "****"; סיסמה = "xxxxx"; נושא = "מכבש" mqttc.username_pw_set(שם משתמש, סיסמה) mqttc.connect(host=url, port=port) mqttc.subscribe(topic, 0) mqttc.loop_start() Sub1 = subscribe.simple(topic, hostname=url) ExtruderData = Sub1.payload.decode("utf-8")</li>
	<li>בנה ממשק משתמש כנדרש באמצעות PyQT5. הערה: חלק זה ארוך מאוד ומתמקד בייצוג גרפי של הנתונים שהתקבלו ולא בתקשורת. הקוד המתאים מסופק כנתונים משלימים.</li>
	<li>הצג את הנתונים הנכנסים בממשק המשתמש הגרפי על-ידי ביצוע הקוד שנבנה.</li>
</ol>5. רישום נתונים
הערה: ניתן לכתוב את נתוני העיבוד במסד נתונים תוך כדי ניטור. בעבודה זו נבחר מסד נתונים בקנה מידה של מעבדה. הנתונים מחוברים לקובץ Microsoft Access כדי לכתוב ולאחזר בקלות ממחשב משתמש. בנוסף, ניתן לבנות טבלה באופן מיידי על-ידי שאילתה כדי לנתח נתונים בגיליון אלקטרוני כגון Microsoft Excel.
<ol><li>בחר התקן מנוי כדי להקליט את הנתונים.</li>
	<li>ייבוא pyodbc על-ידי ביצוע "pip install pyodbc" בשורת הפקודה של קוד Python כדי לגשת למסד הנתונים כפי שמוצג באיור 318.</li>
	<li>שלח שאילתה למסד הנתונים על ידי קוד Python להקלטת נתוני העיבוד. עיין בקוד Python באיור 3 עבור השיטה.</li>
	<li>שלח שאילתה למסד הנתונים לצורך אחזור הנתונים שנרשמו. הערה: דוגמה לקוד לאחזור נתונים ניתנת להלן: ייבוא pyodbc x עבור x ב- pyodbc.drivers() אם x.startswith('מנהל ההתקן של Microsoft Access')] conn_str = ( r'DRIVER={מנהל התקן Microsoft Access (*.mdb, *.accdb)};' r'DBQ=C:\Users\data_analysis\db1.accdb;' ) cnxn = pyodbc.connect(conn_str) crsr = cnxn.cursor() עבור table_info ב- crsr.tables(tableType='TABLE'): print(table_info.table_name) sql = """\ בחר * מתוך Process_Condition """ crsr = cnxn.execute(sql) עבור שורה ב- crsr: RetrievedData = pd.read_sql(sql, cnxn) crsr.close() cnxn.close()</li>
</ol>6. פריסה
הערה: אם ניתן לחבר את כל ההתקנים לאינטרנט, ההגדרה פשוטה. עם זאת, כדי לאבטח את נתוני הצד של המכונה, בעלי האתרים יכולים להיות באינטרא-נט בלבד. במקרה זה, הברוקר יכול להיות שער לאינטרנט. כדי להיות כך, הברוקר צריך להיות מצויד בשני מתאמי Ethernet, שאחד מהם חייב להיות בעל כתובת IP ציבורית. לאחר שכל הפריטים מפותחים, יש לפרוס את הקודים על כל מכשיר כפי שמוצג באיור 4. מצב החיבור, קווי או אלחוטי, אינו חשוב, אך יש לאבטח אותו כך שכל מכשיר יוכל לגשת למתווך. משמעות הדבר היא שהמתווך יכול לשמש כשער בגבול בין האינטרא-נט לאינטרנט למטרות אבטחה. כמובן, גם אם כל המכשירים חשופים לאינטרנט, אין בעיה מנקודת מבט תקשורתית.
<ol><li>חבר את בקר ההבלטה, את המוציא לאור הראשי ואת המפרסמים הנוספים ליציאת האינטרא-נט באמצעות Ethernet.</li>
	<li>חבר יציאת אתרנט אחת של הברוקר לאינטרא-נט והשנייה לאינטרנט.</li>
	<li>חבר את המנויים לאינטרנט על ידי חזרה על שלב 4.1 עבור כולם.</li>
</ol>7. הוצאה להורג
הערה: כדי לבדוק את כל המערכת, התחלנו את קו ההבלטה והרצנו את כל קודי Python ו- Mosquitto.
<ol><li>התחל את תהליך ההבלטה. ב- HMI של המכונה, הגדר את הטמפרטורות והפעל את התנור על ידי נגיעה בכפתור במסך ה- HMI. לאחר ההגעה לטמפרטורה הנדרשת, התחל את סיבוב הבורג כדי להוציא את הפולימר נמס.</li>
	<li>הפעל את כל המחשבים, הפעל את תוכנת הברוקר במכשיר הברוקר על ידי הפקודה "net start mosquitto", ולאחר מכן הפעל את קודי Python כדי לפקח ולרשום את נתוני העיבוד לפי הצורך. הערה: ניתן להפוך את הסדר של שלב 7.1 ושל שלב 7.2. ניתן לבצע את קודי Python פשוט על ידי הקלדת "python3 xxxxx.py" בשורת הפקודה ואחריה לחיצה על Enter. הוסף פקודה זו לתוכניות ההפעלה כדי להימנע מהקלדת הפקודה בכל פעם שהמכשיר מאתחל מחדש.</li>
</ol>

<ol><li>Shafiq, S. I., Szczerbicki, E., Sanin, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Proposition+of+the+methodology+for+Data+Acquisition%2C+Analysis+and+Visualization+in+support+of+Industry+4.0%5BTitle%5D)+AND+%22Procedia+Computer+Science%22%5BJournal%5D)">Proposition of the methodology for Data Acquisition, Analysis and Visualization in support of Industry 4.0.</a> Procedia Computer Science. 159, 1976-1985 (2019).</li>
<li>Dilda, V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Manufacturing%3A+Analytics+unleashes+productivity+and+profitability%5BTitle%5D)+AND+%22McKinsey+%26+Company%22%5BJournal%5D)">Manufacturing: Analytics unleashes productivity and profitability.</a> McKinsey & Company. , https://www.mckinsey.com/business-functions/operations/our-insights/manufacturing-analytics-unleashes-productivity-and-profitability (2017).</li>
<li>Ismail, A., Truong, H. L., Kastner, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Manufacturing+process+data+analysis+pipelines%3A+A+requirements+analysis+and+survey%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Big+Data%22%5BJournal%5D)">Manufacturing process data analysis pipelines: A requirements analysis and survey.</a> Journal of Big Data. 6, 1(2019).</li>
<li>Nwanya, S. C., Udofia, J. I., Ajayi, O. O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optimization+of+machine+downtime+in+the+plastic+manufacturing%5BTitle%5D)+AND+%22Cogent+Engineering%22%5BJournal%5D)">Optimization of machine downtime in the plastic manufacturing.</a> Cogent Engineering. 4 (1), 1335444(2017).</li>
<li>Zhou, T., Song, Z., Sundmacher, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Big+data+creates+new+opportunities+for+materials+research%3A+A+review+on+methods+and+applications+of+machine+learning+for+materials+design%5BTitle%5D)+AND+%22Engineering%22%5BJournal%5D)">Big data creates new opportunities for materials research: A review on methods and applications of machine learning for materials design.</a> Engineering. 5 (6), 1017-1026 (2019).</li>
<li>Rousopoulou, V., Nizamis, A., Thanasis, V., Ioannidis, D., Tzovaras, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Predictive+maintenance+for+injection+molding+machines+enabled+by+cognitive+analytics+for+Industry+4.0%5BTitle%5D)+AND+%22Frontiers+in+Artificial+Intelligence%22%5BJournal%5D)">Predictive maintenance for injection molding machines enabled by cognitive analytics for Industry 4.0.</a> Frontiers in Artificial Intelligence. 3, 578152(2020).</li>
<li>Mamo, F. T., Sikora, A., Rathfelder, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Legacy+to+Industry+4.0%3A+A+Profibus+Sniffer%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Physics%3A+Conference+Series%22%5BJournal%5D)">Legacy to Industry 4.0: A Profibus Sniffer.</a> Journal of Physics: Conference Series. 870, 012002(2017).</li>
<li>Figueroa-Lorenzo, S., Añorga, J., Arrizabalaga, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+role-based+access+control+model+in+Modbus+SCADA+systems.+A+centralized+model+approach%5BTitle%5D)+AND+%22Sensors%22%5BJournal%5D)">A role-based access control model in Modbus SCADA systems. A centralized model approach.</a> Sensors. 19 (20), 4455(2019).</li>
<li>Schleipen, M., Gilani, S. -S., Bischoff, T., Pfrommer, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((OPC+UA+%26+Industrie+4.0+-+Enabling+technology+with+high+diversity+and+variability%5BTitle%5D)+AND+%22Procedia+CIRP%22%5BJournal%5D)">OPC UA & Industrie 4.0 - Enabling technology with high diversity and variability.</a> Procedia CIRP. 57, 315-320 (2016).</li>
<li>Nițulescu, I. -V., Korodi, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Supervisory+control+and+data+Acquisition+approach+in+node-RED%3A+Application+and+discussions%5BTitle%5D)+AND+%22IoT%22%5BJournal%5D)">Supervisory control and data Acquisition approach in node-RED: Application and discussions.</a> IoT. 1, 76-91 (2020).</li>
<li>Perez-Lopez, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((SCADA+systems+in+the+industrial+automation%5BTitle%5D)+AND+%22Tecnolog%C3%ADa+en+Marcha%22%5BJournal%5D)">SCADA systems in the industrial automation.</a> Tecnología en Marcha. 28 (4), 3-14 (2015).</li>
<li>Andersen, D. L., Ashbrook, C. S. A., Karlborg, N. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Significance+of+big+data+analytics+and+the+internet+of+things+%28IoT%29+aspects+in+industrial+development%2C+governance+and+sustainability%5BTitle%5D)+AND+%22International+Journal+of+Intelligent+Networks%22%5BJournal%5D)">Significance of big data analytics and the internet of things (IoT) aspects in industrial development, governance and sustainability.</a> International Journal of Intelligent Networks. 1, 107-111 (2020).</li>
<li>Kashyap, M., Sharma, V., Gupta, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Taking+MQTT+and+NodeMcu+to+IOT%3A+Communication+in+Internet+of+Things%5BTitle%5D)+AND+%22Procedia+Computer+Science%22%5BJournal%5D)">Taking MQTT and NodeMcu to IOT: Communication in Internet of Things.</a> Procedia Computer Science. 132, 1611-1618 (2018).</li>
<li>Connet, J. Mythbusting the MES. Systema. , Available from: 
 <a target="_blank" href="https://www.systema.com/blog/mythbusting-the-mes">https://www.systema.com/blog/mythbusting-the-mes</a> (2021).</li>
<li>Yeh, C. -S., Chen, S. -L., Li, I. -C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Implementation+of+MQTT+protocol+based+network+architecture+for+smart+factory%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+Institution+of+Mechanical+Engineers%2C+Part+B%3A+Journal+of+Engineering+Manufacture%22%5BJournal%5D)">Implementation of MQTT protocol based network architecture for smart factory.</a> Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B: Journal of Engineering Manufacture. 235 (13), 2132-2142 (2021).</li>
<li>Parian, C., Guldimann, T., Bhatia, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fooling+the+master%3A+Exploiting+weaknesses+in+the+Modbus+protocol%5BTitle%5D)+AND+%22Procedia+Computer+Science%22%5BJournal%5D)">Fooling the master: Exploiting weaknesses in the Modbus protocol.</a> Procedia Computer Science. 171, 2453-2458 (2020).</li>
<li>Mishra, B., Kertesz, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+use+of+MQTT+in+M2M+and+IoT+systems%3A+A+survey%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Access%22%5BJournal%5D)">The use of MQTT in M2M and IoT systems: A survey.</a> IEEE Access. 8, 201071-201086 (2020).</li>
<li>pyodbc 4.0.34. , Available from: 
 <a target="_blank" href="https://pypi.org/project/pyodbc/">https://pypi.org/project/pyodbc/</a> (2021).</li>
<li>Ayer, V., Miguez, S., Toby, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Why+scientists+should+learn+to+program+in+Python%5BTitle%5D)+AND+%22Powder+Diffraction%22%5BJournal%5D)">Why scientists should learn to program in Python.</a> Powder Diffraction. 29 (2), 48-64 (2014).</li>
<li>Boyes, H., Hallaq, B., Cunningham, J., Watson, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+industrial+internet+of+things+%28IIoT%29%3A+An+analysis+framework%5BTitle%5D)+AND+%22Computers+in+Industry%22%5BJournal%5D)">The industrial internet of things (IIoT): An analysis framework.</a> Computers in Industry. 101, 1-12 (2018).</li>
</ol>

המחברים מצהירים על היעדר ניגודי עניינים.

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 נוספים יכולים להימדד באופן גמיש ולשדר יחד. המו"לים הנוספים שהועסקו בעבודה זו היו ה-Raspberry Pis. יש לציין כי ניתן להגן עליהם עוד יותר על ידי שיכוןם במארזים תעשייתיים של Raspberry Pi כדי להבטיח פעולה איתנה בתנאים קשים. המנויים יכולי...

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.

<table><tbody><tr><td>Edge Device</td><td>Adavantech</td><td>UNO 420</td><td>Intel Atom E3815 מכונת שחול סרטים ללא מאוורר</td></tr><tr><td></td><td>EM קוריאה</td><td>לא זמין</td><td>לייצור סרט 450 מ"מ</td></tr><tr><td>Pydroid</td><td>IIEC</td><td>לא זמין</td><td>מכשירי אנדרואיד</td></tr><tr><td>Python3</td><td>Python Software Foundataion</td><td>לא זמין</td><td>Windows, Linux</td></tr><tr><td>Raspberry Pi 4</td><td>CanaKit</td><td>לא זמין </td><td>ערכה סטנדרטית</td> זמינה</tr></tbody></table>

תקשורת נתונים המבוססת על mqtt בתהליך שחול פולימרי

Data Communication Based on MQTT in a Polymer Extrusion Process

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.

נמצא כי הנתונים המוצגים ב-HMI ונמדדו על ידי Raspberry Pis נוטרו ותועדו במנויים כפי שמוצג באיור 5. כפי שמוצג בסרטון, נתוני העיבוד נרשמים למסד הנתונים.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/63717/63717fig01.jpg"> איור 1: חלוקה לרמות של העברת הנתונים באמצעות פרוטוקול MQTT. הברוקר מעביר את המסר מהמוציאים לאור למנויים. המו"לים בתרשים זה הם המו"ל הראשי והמו"...

עבודה זו מציעה שיטה גמישה לתקשורת נתונים בין מערכת שחול סרטים והתקני ניטור המבוססים על פרוטוקול הודעה בשם העברת טלמטריה של תורי הודעות (MQTT).

תקשורת נתונים המבוססת על MQTT בתהליך שחול פולימרי

This work aims at building a flexible data communication structure for a polymer processing machine by employing a publisher-subscriber based protocol ...

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.

data-communication-based-on-mqtt-in-a-polymer-extrusion-process

Research

JoVE Journal

Engineering

הנדסה

תיאור של ההיווצרות של הפולימר microarray באמצעות טכניקת photopolymerization על שבב. אפיון משטח התפוקה הגבוהה באמצעות מיקרוסקופ כוח אטומי, מדידות זווית מגע מים, ספקטרוסקופיה Photoelectron רנטגן ושעה של ספקטרומטריית טיסה משנית יון המוני וassay מצורף תא גם תאר.

Microarrays פולימר לגילוי תפוקה גבוהה של Biomaterials

מקור: קאבין, מ. ט. ואחרים. ניתוח מיקרופלואידי חד-תאי של Bacillus subtilis. J. Vis. Exp. (2018)הסרטון מדגים את השימוש במכשיר מיקרופלואידי לצפייה בצמיחת חיידקים ברמת התא היחיד. הוא מראה כיצד תאי חיידקים לא ניידים, הכלואים בתעלות בקנה מידה מיקרו, מוזנים ומתוחזקים באופן רציף תחת מיקרוסקופ פלואורסצנטי. ההגדרה מאפשרת ויזואליזציה בזמן אמת של חלוקת תאים ומעקב אחר שושלת לאורך דורות שונים.

מעקב אחר צמיחת חיידקים ברזולוציית תא יחיד במערכת מיקרופלואידית

במאמר זה אנו מתארים טכניקות שונות עבור פלטפורמות אב טיפוס מהירות מיקרופלואידיות. הטכניקות המוצעות מבוססות על אפוקסי אולטרה סגול (UV) וריפוי טמפרטורה, צינורות מבוססי פולידימתילסילוקסן (PDMS), הדבקת חוטים וסרטי דבק אנזוטרופיים. הליכי ההרכבה המוצגים פותחו הן עבור מכשירים לשימוש חד פעמי והן עבור מערכות מיקרופלואידיות לשימוש חוזר.

שיטות אריזה של אב-טיפוס מיקרו-נוזלי בתפוקה גבוהה מהירה ובעלות נמוכה

שני נוזלים סמוכים העוברים דרך ערוץ מיקרופלואידי מחורץ יכולים להיות מכוונים ליצירת נדן סביב ליבת רב-אופן; ובכך לקבוע הן צורה והן חתך רוחב. פולמור Photoinitiated, כגון כימיה לחץ תיול, מתאים היטב לחיזוק במהירות את נוזל הליבה לתוך מיקרופייבר עם גודל וצורה קבועים מראש.

ייצור מיקרופלואידי של סיבים פולימריים וביוהיברידים עם גודל וצורה מעוצבים מראש

כאן, אנו מציגים פרוטוקול לפברק בחופשיות-מושעים, מיקרון / סיבים תת-מיקרון בקנה מידה פולימר ומבנים ", כמו אינטרנט" שנוצרו באמצעות הליך כתיבה ישיר אוטומטי באמצעות מערכת מחלק 3-ציר.

נקבעה 3-D ישיר כתיבה של / מבנים תת-מיקרון מיקרון מושעה סיבי קנה מידה באמצעות מערכת רובוטית חלוקה

כאן, אנו מציגים פרוטוקול להפקת חוטים ארוכים של סיליקון polydimethylsiloxane (PDMS) על-ידי כוח הכבידה-ציור באמצעות תנור. חוטים הסדר של מיקרון מאות, עשרות ס מ אורך והם hydrophobically patternable באמצעות מערכת פריקה corona שבשליטת Arduino.

ציור, Hydrophobicity-המתבנת הרבה חוטים Polydimethylsiloxane סיליקון

כאן אנו מציגים פרוטוקול כדי לעצב והרכיבו מכשירים מיקרופלואידים מותאמים אישית עם השקעה פיננסית וזמן מינימלי. המטרה היא להקל על אימוץ טכנולוגיות microflu, מעבדות מחקר ביו והגדרות חינוכיות.

ייצור מהיר של התקני מיקרופלואידיג מותאמים אישית למחקר וליישומים חינוכיים

בטכניקה לא פולשנית ובזמן אמת, תנועת פולימר ננוסקופית בתוך חוט להט פולימרי מצולמת במהלך הדפסה תלת-ממדית. כוונון עדין של תנועה זו חיוני ליצירת מבנים בעלי ביצועים ומראה מיטביים. שיטה זו מגיעה לליבת היתוך שכבות הפלסטיק, ובכך מציעה תובנות לגבי תנאי הדפסה אופטימליים וקריטריונים לתכנון חומרים.

הדמיה בזמן אמת של הדבקה בשכבות המודפסות בתלת-ממד

הדפסה תלת ממדית בקנה מידה מיקרומטרי מאפשרת אב טיפוס מהיר של התקנים פולימריים עבור תרביות תאים עצביים. כהוכחה עקרונית, קשרים מבניים בין נוירונים הוגבלו על ידי יצירת מחסומים וערוצים המשפיעים על צמיחת נוירוטים, בעוד שההשלכות התפקודיות של מניפולציה כזו נצפו על ידי אלקטרופיזיולוגיה חוץ-תאית.

פילמור שני פוטונים הדפסה תלת-ממדית של התקני תרבית תאים עצביים בקנה מידה מיקרוני

כאן, אנו מציגים פרוטוקול להתאמת ניסוי הפיזור של טיילור למיקרוסקאלה באמצעות מיקרו-ערוצים המיוצרים בתוך הבית עם חותך מלאכה שולחני. ניתן להשתמש בפלטפורמת הניסוי כדי לחשב את מקדם הדיפוזיה של עוקבים פסיביים של מין יחיד וכדי להמחיש אינטראקציה והפרדה של יונים מרובי מינים.

התאמת פיזור טיילור למדידת מקדם הפיזור של תמיסות אלקטרוליטים באמצעות מערך מיקרופלואידי נגיש

למד כיצד ליישם פרוטוקול MQTT לתקשורת נתונים בתהליך שחול פולימרי. שיטה זו מאפשרת ניטור בזמן אמת של מכשירים קיימים ומשפרת את יעילות המערכת.

תקשורת נתונים המבוססת על MQTT בתהליך שחול פולימרי

גלה סרטונים נוספים