Datacommunicatie op basis van MQTT in een polymeerextrusieproces
15 juli 2022
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).
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.
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Dit werk stelt een flexibele methode voor voor datacommunicatie tussen een folie-extrusiesysteem en bewakingsapparatuur, gebaseerd op een berichtenprotocol genaamd Message Queuing Telemetry Transport (MQTT). Het protocol maakt het mogelijk om gegevens van conventionele apparatuur via diverse apparaten over het internet te observeren en vast te leggen.
Belangrijkste studiecomponenten
Wetenschappelijk vakgebied
- Datacommunicatie
- Polymeerverwerking
- Monitoringsystemen
Achtergrond
- MQTT is een publisher-subscriber-protocol.
- Het maakt communicatie tussen meerdere publishers en subscribers mogelijk.
- Gegevens kunnen worden gepubliceerd vanuit legacy-systemen.
- Gegevens over de omgevingstemperatuur kunnen ook in het systeem worden geïntegreerd.
Doel van de studie
- Om een flexibele datacommunicatiestructuur te ontwikkelen.
- Om real-time datamonitoring te faciliteren.
- Om de mogelijkheden van bestaande extrusielijnen te verbeteren.
Gebruikte methoden
- Implementatie van het MQTT-protocol.
- Datapublicatie vanuit een bestaande extrusielijn.
- Gebruik van een broker-apparaat voor datatransmissie.
- Integratie van aanvullende apparaten voor temperatuurmonitoring.
Belangrijkste resultaten
- Succesvolle datacommunicatie tot stand gebracht tussen meerdere apparaten.
- Real-time gegevens van extrusieprocessen kunnen op afstand worden geraadpleegd.
- Verouderde apparatuur kan worden geïntegreerd in moderne monitoringsystemen.
- Temperatuurgegevens van verschillende locaties worden effectief gepubliceerd.
Conclusies
- Het MQTT-protocol biedt een robuuste oplossing voor datacommunicatie.
- Flexibiliteit in monitoringsystemen verhoogt de operationele efficiëntie.
- Integratie van diverse databronnen is met deze methode realiseerbaar.
Veelgestelde vragen
Industriële Relevantie voor Leidinggevenden
Flexibele, real-time datacommunicatie is cruciaal voor de modernisering van verouderde polymeerverwerkingsapparatuur en het mogelijk maken van schaalbare procesbewaking in verspreide R&D- en productieomgevingen. Op MQTT gebaseerde publisher-subscriber-architecturen maken een naadloze integratie van diverse databronnen mogelijk, waardoor digitale transformatie en operationeel inzicht worden ondersteund zonder kostbare revisies van de infrastructuur. Deze aanpak verbetert de toegankelijkheid en traceerbaarheid van gegevens, wat een directe impact heeft op procesoptimalisatie en besluitvorming op bedrijfsniveau.
Strategische Toepassingen in Biopharma R&D
Vroege ontdekking & targetvalidatie
- Maakt continue vastlegging van procesgegevens mogelijk vanuit zowel legacy- als moderne apparatuur voor hypothesegedreven procesverbetering.
- Ondersteunt de integratie van aanvullende sensoren, waardoor de reikwijdte van gemonitorde variabelen voor mechanische risicoreductie wordt uitgebreid.
- Faciliteert de snelle identificatie van procesafwijkingen, wat het voorspellende vertrouwen in procesresultaten verbetert.
Screening & Assayontwikkeling
- Biedt gestandaardiseerde real-time datastromen voor monitoring en validatie van assaysystemen.
- Maakt reproduceerbare datalogging mogelijk over meerdere apparaten en locaties, wat robuuste screeningworkflows ondersteunt.
- Ondersteunt schaalbare implementatie van monitoringsoplossingen, waardoor efficiënte uitbreiding van assayplatforms mogelijk is.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Maakt integratie van omgevings- en procesgegevens mogelijk om aan de vereisten voor translationeel onderzoek te voldoen.
- Waarborgt de continuïteit van gegevensverzameling van de ontdekkingsfase tot en met de preklinische procesvalidatie.
- Verbetert risico-gecorrigeerde beslissingen over verdere ontwikkeling door uitgebreide procestraceerbaarheid te bieden.
Integratie van Pipeline & Workflow
Dit op MQTT gebaseerde communicatiesysteem slaat een brug tussen verouderde procesapparatuur en moderne data-analyse, ter ondersteuning van workflows van vroege ontdekking tot procesontwikkeling en preklinische validatie.
- Discovery Biology: Maakt hypothesetoetsing en procesoptimalisatie mogelijk door toegankelijke procesgegevens in real-time te bieden.
- Screening: Levert reproduceerbare, kwantitatieve resultaten voor assay- en procesmonitoring.
- Analytics: Faciliteert gestructureerde datalogging en -opvraging voor vergelijkende analyse en rapportage.
- Translationeel Onderzoek: Ondersteunt de afstemming van procesgegevens met translationele eindpunten wanneer omgevings- of procesvariabelen relevant zijn.
- Enterprise Hergebruik: Biedt een herbruikbare, schaalbare data-infrastructuur die aanpasbaar is aan diverse proces- en monitoringbehoeften.
Operationele & Bedrijfsimpact
- Wetenschappelijke waarde: Verhoogt het voorspellend vertrouwen en de procesvalidatie door uitgebreide gegevensverzameling mogelijk te maken.
- Operationele waarde: Standaardiseert datacommunicatie en logging over heterogene apparaten en platforms.
- Strategische waarde: Vermindert IT-overhead en versnelt de digitale transformatie zonder dat er grote vervanging van apparatuur nodig is.
- Impact op portfolio: Verbetert de risico-gecorrigeerde procesontwikkeling en ondersteunt datagestuurde prioriteringsbeslissingen.
Overwegingen voor de implementatie
- Vereist expertise in Python-programmering en industriële communicatieprotocollen (bijv. Modbus, MQTT).
- Heeft een betrouwbare netwerkinfrastructuur en een beveiligde broker-configuratie nodig voor data-integriteit en toegangscontrole.
- Vereist standaardisatie van dataformaten en loggingspraktijken tussen teams voor interoperabiliteit.
- Ondersteunt aanpassing aan verschillende sensortypes en legacy-apparatuur met behulp van geschikte interfacemodules.
- Praktische beperkingen omvatten de complexiteit van de initiële installatie en het doorlopende onderhoud van gedistribueerde codebases.
