Name: Datacommunicatie op basis van MQTT in een polymeerextrusieproces (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2022-07-15T13:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 15 s
Description: Leer een flexibele MQTT-gebaseerde datacommunicatiemethode voor polymeerextrusieprocessen. Dit protocol maakt realtime monitoring en opname van verwerkingsgegevens mogelijk via meerdere apparaten over het internet.

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

Deze studie werd ondersteund door het onderzoeksprogramma gefinancierd door de SeoulTech (Seoul National University of Science and Technology).

1. Broker installatie
OPMERKING: Om de verwerking van gegevens via internet te controleren en vast te leggen, moet een computersysteem worden voorbereid dat de gegevens doorgeeft. Het systeem moet toegankelijk zijn voor zowel de uitgevers als de abonnees, zoals weergegeven in figuur 2. Het moet dus een openbaar IP-adres hebben dat bekend is voordat er enige communicatie plaatsvindt. Een open MQTT-makelaar genaamd Eclipse Mosquitto is geïnstalleerd op het systeem13.
<ol><li>Verbind een computer met internet en geef een openbaar IP-adres op. Geef het adres op in de IP-instelling van het besturingssysteem.</li>
	<li>Installeer een broker software zoals Eclipse Mosquitto op de computer. Download het installatiebestand met behulp van een browser en voer het uit.</li>
	<li>Test de makelaar met een testprogramma zoals MQTT Lens. Download MQTT Lens met behulp van een browser en installeer het. Zorg er vervolgens voor dat gepubliceerde berichten zijn geabonneerd.</li>
</ol>2. Voorbereiding van de hoofduitgever
OPMERKING: Deze computer publiceert de machinegegevens via MQTT via TCP naar de broker. Verouderde gegevens moeten worden geïnterpreteerd en herverpakt om te worden verzonden. Dit kan meestal worden gedaan door RS485 of Ethernet. De verbinding op hardwareniveau moet worden gecontroleerd, afhankelijk van het bustype. De extrusiemachine verzendt de gegevens via Modbus via een Ethernet-poort.
<ol><li>Plaats een computer fysiek op de computersite en stel deze in als de hoofduitgever. OPMERKING: Hoewel niet verplicht, werd in dit werk een industriële computer geselecteerd.</li>
	<li>Installeer Python3 op de computer. Download het installatiebestand met behulp van een browser en voer het uit.</li>
	<li>Installeer PyModbus16. Download het installatiebestand met behulp van een browser en voer het uit.</li>
	<li>Onderzoek de extrusieregelaar met HMI die de machine bestuurt en sluit de extrusiecontroller aan op de hoofduitgever.</li>
	<li>Identificeer de gegevens en het bijbehorende adres in het Modbus-protocol volledig van de machine met behulp van een Modbus-tool zoals ModbusPoll of QModMaster. Zorg ervoor dat de verzonden machinegegevens worden weergegeven in de overeenkomstige cellen van het Modbus-gereedschap.</li>
	<li>Schrijf een Python-code op de pc van de uitgever die de gegevens van de extrusiecontroller ophaalt. OPMERKING: Hier is een codevoorbeeld: van pyModbusTCP.client import ModbusClient client = ModbusClient(host="192.168.1.***", port=***, unit_id=***) client.open() ExtrusieData = str(client.read_holding_registers(1000, 58))</li>
	<li>Voeg extra gegevensstromen van andere apparaten samen via PCIe, USB, RS232 en RS485. OPMERKING: Dit is eenvoudig. Zodra een extra gegevensreeks is verkregen, voegt u de gegevens eenvoudig toe aan de bestaande gegevensstroom, wat wordt gedaan door de volgende code: ExtrusieData += AdditionalData</li>
	<li>Importeer de paho.mqtt.client na het installeren van paho-mqtt door pip install paho-mqtt17 .</li>
	<li>Implementeer de code om gegevens te verbinden en te publiceren naar de makelaar. OPMERKING: Raadpleeg het volgende codevoorbeeld: url="117.xx.xxx.xx"; poort = 1883; gebruikersnaam = "****"; wachtwoord = "xxxxx"; topic = "Extruder" mqttc = mqtt. Opdrachtgever() mqttc.username_pw_set(gebruikersnaam,wachtwoord) mqttc.connect(host=url, port=port) mqttc.loop_start() ExtrusieData = str(client.read_holding_registers(1000, 58)) Pub1= mqttc.publish(onderwerp, ExtrusionData)) Pub1.wait_for_publish()</li>
</ol>3. Extra voorbereiding van de uitgever
OPMERKING: Deze computer publiceert ook de machinegegevens via MQTT via TCP naar de makelaar. Soms is extra meting nodig die niet bij de hoofduitgever kan worden uitgevoerd. Internet of Things (IoT) apparaten zoals Raspberry Pi en Arduino kunnen de rol op zich nemen. In dit werk werd Raspberry Pi gebruikt voor temperatuurgegevens en verlichtingssterktegegevens. De procedure is vergelijkbaar met protocol sectie 2.
<ol><li>Plaats een Raspberry Pi in de buurt van de sensorlocatie. OPMERKING: Omdat de bedradingsafstand beperkt is, kan de Raspberry Pi niet ver van de meetlocatie worden geplaatst. Omdat de omgeving van de extruder echter erg heet is, moet het apparaat op ten minste 1 m afstand van de meetlocatie worden geplaatst.</li>
	<li>Installeer Python3 op de Raspberry Pi met de volgende opdrachten op de opdrachtregel: sudo apt update | sudo apt install Python3 idle3</li>
	<li>Implementeer de code om de sensorgegevens te verkrijgen. De sensorgegevens kunnen worden verzonden via I2C of GPIO. OPMERKING: Raadpleeg het volgende codevoorbeeld voor aanvullende temperatuurgegevens via GPIO: van max6675 import MAX6675 cs_pin1 = 24; clock_pin1 = 25; data_pin1 = 18 cs_pin2 = 9; clock_pin2 = 11; data_pin2 = 19 eenheden = "C" thermokoppel1 = MAX6675(cs_pin1, clock_pin1, data_pin1, eenheden) thermokoppel2 = MAX6675(cs_pin2, clock_pin2, data_pin2, eenheden) T1 = thermokoppel1.get() T2 = thermokoppel2.get()</li>
	<li>Importeer paho.mqtt.client.</li>
	<li>Hergebruik de code in sectie 2 om gegevens te verbinden en te publiceren naar de makelaar.</li>
</ol>4. Installatie van de abonnee
OPMERKING: Alle apparaten op internet kunnen de verwerkingsgegevens via de makelaar ontvangen. De gegevens worden ook verwerkt en gevisualiseerd door een Python-code. In het geval dat de ontwikkeling moeilijk is, kunnen beschikbare applicaties zoals MQTT Client in Google Play en MQT Tool in de App Store worden gebruikt. Omdat de implementatie van de gebruikersinterface vrij lang duurt, worden de details hier niet beschreven. Houd er ook rekening mee dat bestaande toepassingen zoals MQT Tool in de App Store de gegevens kunnen ontvangen.
<ol><li>Schakel een apparaat in voor een abonnement op internet. Zorg voor een fysieke kabelverbinding en voer vervolgens een ping uit naar het IP-adres van de broker op de opdrachtregel (bijvoorbeeld ping 117.xx.xxx.xx).</li>
	<li>Installeer een geschikte Python-omgeving, afhankelijk van het apparaat en het besturingssysteem. Installeer bijvoorbeeld Pydroid3 op een Android-apparaat in plaats van Python3 vanuit Google Play.</li>
	<li>Importeer zowel paho.mqtt.client als paho.mqtt.subscribe om verbinding te maken met en gegevens te ontvangen van de makelaar. OPMERKING: Raadpleeg het volgende codevoorbeeld: importeer paho.mqtt.client als mqtt importeer paho.mqtt.subscribe als subscribe url="117.xx.xxx.xx"; poort = 1883; gebruikersnaam = "****"; wachtwoord = "xxxxx"; topic = "Extruder" mqttc.username_pw_set(gebruikersnaam, wachtwoord) mqttc.connect(host=url, port=port) mqttc.subscribe(onderwerp, 0) mqttc.loop_start() Sub1 = subscribe.simple(topic, hostname=url) ExtruderData = Sub1.payload.decode("utf-8")</li>
	<li>Bouw indien nodig een gebruikersinterface met PyQT5. OPMERKING: Dit deel is erg lang en richt zich op grafische weergave van de ontvangen gegevens in plaats van communicatie. De bijbehorende code wordt verstrekt als aanvullende gegevens.</li>
	<li>Geef de binnenkomende gegevens op de GUI weer door de gebouwde code uit te voeren.</li>
</ol>5. Datalogging
OPMERKING: De verwerkingsgegevens kunnen tijdens de monitoring in een database worden geschreven. In dit werk is gekozen voor een database op labschaal. De gegevens worden verbonden met een Microsoft Access-bestand om eenvoudig te schrijven en op te halen van een gebruikerscomputer. Bovendien kan een tabel direct worden gebouwd door een query om gegevens in een spreadsheet zoals Microsoft Excel te analyseren.
<ol><li>Selecteer een abonneeapparaat om de gegevens vast te leggen.</li>
	<li>Importeer pyodbc door "pip install pyodbc" uit te voeren op de opdrachtregel voor de Python-code om toegang te krijgen tot de database zoals weergegeven in Figuur 318.</li>
	<li>Verzend een query naar de database met de Python-code voor het vastleggen van de verwerkingsgegevens. Raadpleeg de Python-code in figuur 3 voor de methode.</li>
	<li>Stuur een query naar de database voor het ophalen van de opgenomen gegevens. OPMERKING: Hieronder vindt u een codevoorbeeld voor het ophalen van gegevens: import pyodbc x voor x in pyodbc.drivers() als x.startswith('Microsoft Access Driver')] conn_str = ( r'DRIVER={Microsoft Access-stuurprogramma (*.mdb, *.accdb)};" r'DBQ=C:\Users\data_analysis\db1.accdb;' ) cnxn = pyodbc.connect(conn_str) crsr = cnxn.cursor() voor table_info in crsr.tables(tableType='TABLE'): print(table_info.table_name) sql = """\ SELECTEER * UIT Process_Condition """ crsr = cnxn.execute(sql) voor rij in crsr: RetrievedData = pd.read_sql(sql, cnxn) crsr.close() cnxn.close()</li>
</ol>6. Implementatie
OPMERKING: Als alle apparaten met internet kunnen worden verbonden, is de installatie eenvoudig. Om de gegevens aan de machinezijde te beveiligen, kunnen de uitgevers zich echter alleen in het intranet bevinden. In dit geval kan de makelaar een toegangspoort tot internet zijn. Om dit te zijn, moet de makelaar zijn uitgerust met twee ethernetadapters, waarvan er één een openbaar IP-adres moet hebben. Nadat alle items zijn ontwikkeld, moeten de codes op elk apparaat worden geïmplementeerd, zoals weergegeven in figuur 4. De verbindingsmodus, bedraad of draadloos, is niet belangrijk, maar deze moet worden beveiligd zodat elk apparaat toegang moet hebben tot de makelaar. Dit betekent dat de makelaar kan fungeren als een gateway op de grens tussen het intranet en het internet voor beveiligingsdoeleinden. Natuurlijk, zelfs als alle apparaten worden blootgesteld aan internet, is er geen probleem vanuit communicatieoogpunt.
<ol><li>Verbind de extrusiecontroller, de hoofduitgever en de extra uitgevers via ethernet met de intranetpoort.</li>
	<li>Sluit een ethernetpoort van de broker aan op het intranet en de andere op internet.</li>
	<li>Verbind abonnees met internet door stap 4.1 voor iedereen te herhalen.</li>
</ol>7. Uitvoering
OPMERKING: Om het hele systeem te testen, startten we de extrusielijn en voerden we alle Python-codes en Mosquitto uit.
<ol><li>Start het extrusieproces. Stel op de HMI van de machine de temperaturen in en schakel de verwarming in door de knop op het HMI-scherm aan te raken. Zodra de vereiste temperatuur is bereikt, start u de schroefrotatie om de polymeersmelt te extruderen.</li>
	<li>Schakel alle computers in, start de brokersoftware op het brokerapparaat met het commando "net start mosquitto" en voer vervolgens de Python-codes uit om de verwerkingsgegevens indien nodig te controleren en vast te leggen. OPMERKING: De volgorde van stap 7.1 en stap 7.2 kan worden omgekeerd. De Python-codes kunnen eenvoudig worden uitgevoerd door "python3 xxxxx.py" op de opdrachtregel te typen, gevolgd door op Enter te drukken. Voeg deze opdracht toe aan de opstartprogramma's om te voorkomen dat u de opdracht telkens typt wanneer het apparaat opnieuw wordt opgestart.</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>

De auteurs verklaren geen belangenconflicten te hebben.

Door het gepresenteerde protocol te volgen, kunnen de verwerkingsgegevens worden bewaakt en vastgelegd zonder dure IT-oplossingen zoals het MES. De IoT-technologieën kunnen het gemakkelijker maken om gegevens van conventionele machines te verkrijgen en te leveren. Het is aangetoond dat het op berichten gebaseerde protocol, MQTT, met succes dient als een platform voor datacommunicatie voor polymeerverwerkingslijnen. Bovendien kunnen aanvullende gegevens flexibel worden gemeten en samen worden verzonden. De extra uitgevers...

In de golf van de 4e industriële revolutie zijn het verwerven en monitoren van verschillende verwerkingsgegevens belangrijke taken geworden1. Met name het verbeteren van het productieproces met behulp van procesgegevens en het opstellen van efficiënte bedrijfsplannen zal een belangrijk doel zijn van alle productiefaciliteiten 2,3. Downtime kan sterk worden verminderd als een alarm uit de fabriek kan worden verzonden of als voorspellend onderhoud op tijd kan worden uitgevoerd4. De laatste tijd zijn er veel inspanningen geleverd voor data-analyses in polymeerprocessen 5,6. Het is echter niet eenvoudig om deze taken uit te voeren vanwege de moeilijkheden bij het verkrijgen van dergelijke gegevens uit de bestaande systemen7. De hiërarchische structuur van de besturing en instrumentatie maakt de data-acquisitie en communicatie lastig.
Allereerst is het niet mogelijk om gegevens te verkrijgen van verschillende machines met verschillende productiedatums. Het is moeilijk om communicatie tussen verschillende machines te realiseren, omdat dit interoperabiliteit tussen verschillende veldbussen in eigen formaten vereist. Op deze manier worden communicatiemethoden en gegevensformaten privé gehouden. Dit helpt u om eenvoudig gegevensbeveiliging te handhaven, maar houdt gebruikers afhankelijk van de machinebouwer voor de services en toekomstige ontwikkelingen. De recente besturingscomputers, waaronder human-machine interface (HMI) die zijn aangesloten op polymeerverwerkingsmachines, zijn tegenwoordig meestal Windows-gebaseerd, maar zitten vol met software die is gemaakt in een eigen ontwikkelomgeving. Het is mogelijk om programmeerbare logische controllers (PLC's) van verschillende bedrijven te gebruiken om met de sensoren of actuatoren te communiceren, maar in veel gevallen is het scada-systeem (upper supervisory control and data acquisition) afhankelijk van de besturingscomputers8. Deze praktijk heeft ertoe geleid dat tal van protocollen, veldbussen en besturingssystemen op de markt zijn gaan concurreren. Hoewel deze complexiteit in de loop van de tijd beetje bij beetje is verlicht, zijn veel soorten veldbussen en protocollen nog steeds actief in gebruik.
Aan de andere kant is de communicatie tussen besturingsapparaten en SCADA gestandaardiseerd door de Open Platform Communications United Architecture (OPCUA)9. Bovendien is de communicatie tussen SCADA en het Manufacturing Execution System (MES) ook voornamelijk via OPCUA verlopen. In zo'n strakke hiërarchische structuur is het niet eenvoudig om vrijelijk gegevens te extraheren voor procesbewaking en -analyse. Meestal moeten gegevens worden geëxtraheerd uit de SCADA of MES10. Zoals eerder vermeld, zijn deze systemen leverancierspecifiek en zijn de gegevensindelingen zelden open. Als gevolg hiervan vereist de gegevensextractie aanzienlijke ondersteuning van de oorspronkelijke leveranciers van IT/OT-oplossingen (Information Technology/Operational Technology). Dit kan de data-acquisitie voor monitoring en analyse belemmeren.
In een filmextrusielijn wordt de besturings-pc bewaakt door een SCADA-systeem11. Het SCADA-systeem wordt bediend door een computerprogramma dat niet eenvoudig kan worden gewijzigd. Het computerprogramma is misschien bewerkbaar, maar het bewerken is vrij duur en tijdrovend. Om de verwerkingsgegevens eenvoudig te kunnen controleren en analyseren, moeten de gegevens vanaf elke locatie toegankelijk zijn. Om de verwerkingsgegevens weg van de site te controleren, moet het computerprogramma in staat zijn om de verwerkingsgegevens naar internet te streamen12. Bovendien verlaagt een open gratis methode de kosten voor de data-acquisitie13. Met deze aanpak kan data-analyse worden uitgevoerd, zelfs in kleine fabrieken die het zich niet kunnen veroorloven om te investeren in commerciële IT-oplossingen14.
In dit onderzoek wordt een berichtenprotocol gebruikt op basis van het publisher-subscriber model. Message Queuing Telemetry Transport (MQTT) is een open en standaardprotocol waarmee berichten kunnen worden verzonden tussen meerdere gegevensproviders en consumenten15. Hier stellen we een systeem voor dat gegevens verwerft, verzendt en bewaakt met behulp van MQTT voor bestaande productiefaciliteiten. Het systeem wordt getest in een filmextrusielijn om de prestaties te verifiëren. De gegevens van de originele controller worden via het Modbus-protocol naar een edge-apparaat verzonden. Vervolgens worden de gegevens gepubliceerd naar de makelaar. Inmiddels publiceren twee Raspberry de gemeten temperaturen en verlichtingssterkte aan dezelfde makelaar. Vervolgens kan elk apparaat op internet zich abonneren op de gegevens, gevolgd door monitoring en registratie zoals weergegeven in figuur 1. Het protocol in dit werk laat zien hoe de hele procedure kan worden uitgevoerd.

<table><tbody><tr><td>Edge Device</td><td>Adavantech</td><td>UNO 420</td><td>Intel Atom E3815 Fanless</td></tr><tr><td>Film Extrusiemachine</td><td>EM Korea</td><td>Niet beschikbaar</td><td>Voor productie van 450 mm film</td></tr><tr><td>Pydroid</td><td>IIEC</td><td>Niet beschikbaar</td><td>Android-apparaten</td></tr><tr><td>Python3</td><td>Python Software Foundataion</td><td>Niet beschikbaar</td><td>Windows, Linux</td></tr><tr><td>Raspberry Pi 4</td><td>CanaKit</td><td>Niet beschikbaar</td><td>Standaard Kit</td></tr></tbody></table>

datacommunicatie op basis van mqtt in een polymeerextrusieproces

Data Communication Based on MQTT in a Polymer Extrusion Process

Dit werk is gericht op het bouwen van een flexibele datacommunicatiestructuur voor een polymeerverwerkingsmachine door gebruik te maken van een op uitgevers en abonnees gebaseerd protocol genaamd Message Queuing Telemetry Transport (MQTT), dat wordt bediend via TCP/IP. Zelfs bij gebruik van conventionele apparatuur kunnen verwerkingsgegevens overal door verschillende apparaten worden gemeten en geregistreerd via een internetcommunicatie. Een op berichten gebaseerd protocol maakt flexibele communicatie mogelijk die de tekortkomingen van het bestaande server-clientprotocol overwint. Meerdere apparaten kunnen zich abonneren op de verwerkingsgegevens die door bronapparaten worden gepubliceerd. De voorgestelde methode vergemakkelijkt datacommunicatie tussen meerdere uitgevers en abonnees. Dit werk heeft een systeem geïmplementeerd dat gegevens van de apparatuur en extra sensoren publiceert naar een berichtenmakelaar. De abonnees kunnen de procesgegevens die door de makelaar worden doorgegeven, controleren en opslaan. Het systeem is ingezet en uitgevoerd voor een filmextrusielijn om de effectiviteit aan te tonen.

Het is gebleken dat de gegevens die in de HMI worden getoond en door de Raspberry worden gemeten, werden gemonitord en geregistreerd in de abonnees zoals weergegeven in figuur 5. Zoals gepresenteerd in de video, worden de verwerkingsgegevens aangemeld bij de database.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/63717/63717fig01.jpg"> Figuur 1: Overzicht van de gegeve...

Dit werk stelt een flexibele methode voor datacommunicatie voor tussen een filmextrusiesysteem en bewakingsapparatuur op basis van een berichtprotocol genaamd Message Queuing Telemetry Transport (MQTT).

Datacommunicatie op basis van MQTT in een polymeerextrusieproces

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

Het protocol in dit werk maakt het mogelijk om een flexibele datacommunicatiestructuur voor een polymeerverwerkingsmachine te bouwen door gebruik te maken van een op uitgeversabonnee gebaseerde protocolcode MQTT. Zelfs bij gebruik van een klassieke apparatuur kunnen verwerkingsgegevens worden waargenomen en vastgelegd door verschillende apparaten overal op internet. Het protocol vergemakkelijkt datacommunicatie tussen meerdere uitgevers en meerdere abonnees.We hebben een systeem geïmplementeerd dat verwerkingsgegevens van een bestaande extrusielijn publiceert naar de abonnerende apparaten via een broker-apparaat. De gegevens van een legacy extrusiecontroller zijn geïnterpreteerd in een apparaat en verzonden naar de makelaar. Toevoegingsapparaten voor omgevingstemperaturen op twee verschillende locaties en van tijdens de verwerking publiceren de gegevens ook naar de makelaar.Vervolgens geeft de makelaar de gegevens door aan abonneeapparaten die geïnteresseerd zijn in die gegevens. Om de gegevens weer te geven en vast te leggen. Het abonneesysteem is ontworpen en gebouwd.Omdat alle code voor de deelnemende apparaten in Python is geschreven. De code kan worden hergebruikt op de apparaten met verschillende besturingssystemen. Ten slotte wordt het systeem ingezet en getest voor lijn om de geldigheid van first broker-installatie aan te tonen.Om te beginnen met het configureren van het MQTT-makelaarssysteem, zodat het verwerkingsgegevens via internet kan controleren en vastleggen. Om ervoor te zorgen dat een brokerapparaat dergelijke gegevens kan doorgeven, moet het toegankelijk zijn voor zowel uitgevers als abonnees. Verbind een computersysteem met internet met een openbaar IP-adres, zodat de makelaar toegankelijk is voor zowel uitgevers als abonnees.Vervolgens op de computer installeren, open broker software zoals Eclipse Mosquito gebruik een test tool zoals MQTT lens om de MQTT makelaars operabiliteit te onderzoeken. Ten tweede, de voorbereiding van de hoofduitgever. Laten we nu het apparaat van de hoofduitgever voorbereiden.Zoals eerder vermeld publiceert deze computer de machinegegevens via MQTT naar de makelaar. Verouderde gegevens moeten worden geïnterpreteerd en herverpakt om te worden verzonden. Dit kan meestal worden gedaan door RS-485 of ethernet.De verbinding op hardwareniveau moet worden gecontroleerd, afhankelijk van het bustype. De beschouwde extrusiemachine verzendt gegevens via Modbus via een ethernetpoort, om gegevens van de extrusiemachine te verkrijgen en te publiceren. Plaats een computer als de hoofduitgever op de computersite.Installeer op die computer Python drie als de softwareomgeving. Installeer vervolgens Pi Modbus om Modbus-connectiviteit en -communicatie mogelijk te maken. Bekijk de Modbus-functiecodes van de extrusiecontroller en verbind deze met de hoofduitgever.Identificeer de gegevens en het bijbehorende adres en de Modbus-codes volledig van de machine met behulp van een Modbus-tool zoals Modbus poll of Q mod master op de hoofduitgever. Schrijf vervolgens een Python-code op de uitgever die de gegevens van de extrusiecontroller ophaalt. Combineer bovendien gegevensstroom via PCIE USB RS-232 en RS-485 van andere apparaten.Importeer paho dot MQTT dot client en implementeer de code om gegevens te verbinden en te publiceren naar de broker. Ten derde, extra voorbereiding van de uitgever. Laten we naast de hoofduitgever extra IOT-apparaten gebruiken om omgevingstemperaturen en filmverlichtingssterkte te verwerven en te publiceren.Om dat te doen. Er zijn twee Raspberry Pi-apparaten in dienst genomen. Elk apparaat publiceert de gemeten gegevens naar de makelaar zoals de hoofduitgever dat doet.Plaats de apparaten in de buurt van de sensorlocaties. Installeer vervolgens Python drie op de apparaten en implementeer de code om de sensorgegevens te verkrijgen. De sensorgegevens worden verzonden door I2C voor de verlichtingssterktesensor en door GPIO voor de temperaturen.Gebruik de vorige Python-code opnieuw om de gegevens te publiceren. Dankzij de apparaatonafhankelijkheid van Python. De code voor vensters kan worden hergebruikt voor de Raspberry.Ten vierde, abonnees ingesteld. Laten we nu uitleggen hoe u zich kunt abonneren op de verwerking van gegevens. Zoals eerder vermeld, kunnen alle apparaten op internet de gegevens via de makelaar ontvangen.Nogmaals, de gegevens kunnen worden verwerkt en gevisualiseerd door een Python-code. Installeer op een apparaat met internetverbinding een geschikte Python-omgeving, afhankelijk van het apparaat en het besturingssysteem. Op een Android-apparaat moet pydroid 3 bijvoorbeeld worden geïnstalleerd in plaats van Python 3 en vervolgens zowel paho dot MQTT dot client als paho dot MQTT dot subscribe importeren om verbinding te maken met en gegevens te ontvangen van de broker.Bouw vervolgens een gebruikersinterface zoals vereist op basis van Pi QT5. Omdat de implementatie van dit deel vrij lang duurt en bewerkelijk kan zijn. De details worden hier niet verder beschreven met deze code die de binnenkomende gegevens op de GUI weergeeft.Weet ook dat bestaande applicaties zoals MQT-tool in de App Store de gegevens kunnen ontvangen. Ten vijfde, datalogging. Om de gegevens tijdens het monitoren vast te leggen, moet de Python toegang hebben tot een database.In dit werk worden de gegevens naar een Microsoft Access-bestand geschreven. Gezien de dataschaal en softwarebeschikbaarheid. Selecteer een abonneeapparaat om de gegevens vast te leggen.Importeer vervolgens pyodbc in de Python-code om toegang te krijgen tot de database. Voor het vastleggen van de verwerkingsgegevens stuurt u een query naar de database met de Python-code. Als u de opgenomen gegevens wilt ophalen, verzendt u nog een query naar de database.Zodra de gegevens zijn opgehaald, kunnen de gegevens worden geanalyseerd door de gegevens indien nodig te herstructureren. Een tabel die leesbaar is in een spreadsheet kan direct worden gebouwd. Ten zesde, inzet.Nadat alle items zijn ontwikkeld, moeten de Python-codes op elk apparaat worden geïmplementeerd. De verbindingsmodus bedraad of draadloos is niet belangrijk, maar het moet worden beveiligd dat elk apparaat toegang moet hebben tot de makelaar. Dit betekent dat de makelaar speelt als een gateway op de grens tussen internet en internet voor het veiligheidsdoel.Hier om een betere beveiliging te behouden, verbindt u de extrusiecontroller de hoofduitgever en de extra uitgevers met internet. Sluit vervolgens een ethernetpoort van de makelaar aan op internet en de andere op internet om de verwerkingsgegevens te controleren en vast te leggen. Verbind abonnees naar wens met internet.Ten zevende, executie. Om het hele systeem te testen, start u de extrusielijn. Schakel vervolgens alle computerapparaten in.Start vervolgens de brokersoftware Mosquito en voer alle Python-codes uit. Representatieve resultaten. Als gevolg van het uitvoeren van het ontworpen en geïmplementeerde systeem worden verwerkingsgegevens gemonitord en gevisualiseerd.De gegevens kunnen op verschillende manieren worden weergegeven, waaronder grafieken en tabellen, zelfs op een mobiel apparaat kunnen de gegevens worden bewaakt en vastgelegd. Bovendien worden de gegevens geregistreerd en opgehaald om te worden geanalyseerd. Conclusie Gebleken is dat de gegevens die in de HMI worden getoond en door de Raspberry PI's worden gemeten, worden gemonitord en geregistreerd bij de abonnees.Door het gepresenteerde protocol te volgen, kunnen de verwerkingsgegevens worden bewaakt en vastgelegd zonder dure IT-oplossingen zoals het MES.

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

Research

JoVE Journal

Engineering

Techniek

Een beschrijving van de vorming van een polymeer met een microarray on-chip fotopolymerisatie techniek. De high throughput oppervlaktekarakterisering behulp van atomic force microscopy, water contacthoekmetingen, X-ray foto-elektron spectroscopie en vluchttijden secundaire ionen massaspectrometrie en celhechting assay wordt ook beschreven.

Polymeer Microarrays voor High Throughput Ontdekking van biomaterialen

Source: Cabeen, M. T., et al. Single-cell Microfluidic Analysis of Bacillus subtilis. J. Vis. Exp. (2018)The video demonstrates the use of a microfluidic device to observe bacterial growth at the single-cell level. It showcases how non-motile bacterial cells, confined within micro-scale trenches, are continuously nourished and imaged under a fluorescence microscope. The setup enables real-time visualization of cell division and lineage tracking across multiple generations.

Tracking Bacterial Growth at Single-Cell Resolution in a Microfluidic System

In dit artikel beschrijven we verschillende technieken voor microfluïdische snelle prototypeplatforms. De voorgestelde technieken zijn gebaseerd op ultraviolet (UV) gevoelige en temperatuurgeharde epoxyharsen, op polydimethylsiloxaan (PDMS) gebaseerde buizen, draadverbinding en anisotrope kleeffolies. De gepresenteerde assemblageprocedures zijn ontwikkeld voor zowel eenmalig gebruik als herbruikbare microfluïdische systemen.

High Throughput Microfluidic Rapid en Low Cost Prototyping Verpakking

Twee aangrenzende vloeistoffen die door een gegroefd microfluïdisch kanaal gaan, kunnen worden gericht om een schede rond een prepolymeerkern te vormen; waardoor zowel vorm als doorsnede worden bepaald. Foto-geïnitieerde polymerisatie, zoals thiol click chemie, is zeer geschikt voor het snel stollen van de kernvloeistof tot een microvezel met vooraf bepaalde grootte en vorm.

Microfluïdische fabricage van polymere en biohybridevezels met vooraf ontworpen grootte en vorm

Hier presenteren we een protocol om vrij-zwevende, micron / sub-micron schaal polymeer vezels en "web-achtige" structuren gegenereerd via geautomatiseerde direct schriftelijk procedure door middel van een 3-assige doseersysteem fabriceren.

Voorgeschreven 3-D Direct Schrijven van Suspended Micron / Sub-micron schaal Fiber Structures via een Robotic doseersysteem

Hier presenteren we een protocol voor de productie van lange filamenten van Polydimethylsiloxaan (PDMS) siliconen door zwaartekracht-tekening via een oven. Door samensmelting van filamenten zijn over de volgorde van honderden micrometer in diameter en tientallen centimeter in lengte en zijn hydrophobically patternable via een Arduino-gecontroleerde corona kwijting systeem.

Teken- en Hydrophobicity-patronen lang Polydimethylsiloxaan siliconen filamenten

Hier presenteren we een protocol voor het ontwerpen en fabriceren van aangepaste microfluïdische apparaten met minimale financiële en tijd investeringen. Het doel is het faciliteren van de invoering van microfluïdische technologieën in biomedische onderzoekslaboratoria en onderwijsinstellingen.

Snelle fabricage van aangepaste Microfluïdische apparaten voor onderzoeks-en educatieve toepassingen

Met een niet-invasieve en real-time techniek wordt nanoscopische polymeerbeweging in een polymeerfilament in beeld gebracht tijdens 3D-printen. Het finetunen van deze beweging is cruciaal voor het produceren van constructies met optimale prestaties en uiterlijk. Deze methode bereikt de kern van kunststoflaagfusie en biedt zo inzicht in optimale printomstandigheden en materiaalontwerpcriteria.

Real-time beeldvorming van verlijming in 3D-geprinte lagen

3D-printen op micrometerschaal maakt snelle prototyping mogelijk van polymere apparaten voor neuronale celculturen. Als proof-of-principle werden structurele verbindingen tussen neuronen beperkt door barrières en kanalen te creëren die de uitgroei van neurieten beïnvloedden, terwijl de functionele gevolgen van dergelijke manipulatie werden waargenomen door extracellulaire elektrofysiologie.

Twee-foton polymerisatie 3D-printen van neuronale celkweekapparaten op microschaal

Hier presenteren we een protocol om het Taylor-dispersie-experiment aan te passen aan de microschaal met behulp van microkanalen die in eigen huis zijn gefabriceerd met een desktop-craftcutter. Het experimentele platform kan worden gebruikt om de diffusiecoëfficiënt van passieve tracers van één soort te berekenen en om de interactie en scheiding van meerdere soorten ionen te visualiseren.

Taylor-dispersie aanpassen om de dispersiecoëfficiënt van elektrolytoplossingen te meten via een toegankelijke microfluïdische opstelling

Leer een flexibele MQTT-gebaseerde datacommunicatiemethode voor polymeerextrusieprocessen. Dit protocol maakt realtime monitoring en opname van verwerkingsgegevens mogelijk via meerdere apparaten over het internet.

Datacommunicatie op basis van MQTT in een polymeerextrusieproces

Meer video's verkennen