Bir Polimer Ekstrüzyon İşleminde MQTT'ye Dayalı Veri İletişimi

Özet

Bu çalışma, Message Queuing Telemetri Aktarımı (MQTT) adı verilen bir ileti protokolünü temel alan film ekstrüzyon sistemi ile izleme aygıtları arasındaki veri iletişimi için esnek bir yöntem önermektedir.

Özet

Bu çalışma, TCP/IP üzerinden çalıştırılan Message Queuing Telemetry Transport (MQTT) adlı yayımcı-abone tabanlı bir protokol kullanarak polimer işleme makinesi için esnek bir veri iletişim yapısı oluşturmayı amaçlamaktadır. Geleneksel ekipman kullanılırken bile, işleme verileri İnternet iletişimi yoluyla herhangi bir yerde çeşitli cihazlar tarafından ölçülebilir ve kaydedilebilir. İleti tabanlı protokol, varolan sunucu-istemci protokolünün eksikliklerinin üstesinden gelen esnek iletişime olanak tanır. Birden fazla cihaz, kaynak cihazlar tarafından yayınlanan işleme verilerine abone olabilir. Önerilen yöntem, birden fazla yayıncı ve abone arasındaki veri iletişimini kolaylaştırır. Bu çalışma, ekipmandan ve ek sensörlerden gelen verileri bir mesaj aracısına yayınlayan bir sistem uygulamıştır. Aboneler, komisyoncu tarafından iletilen süreç verilerini izleyebilir ve saklayabilir. Sistem, etkinliği göstermek için bir film ekstrüzyon hattı için konuşlandırıldı ve çalıştırıldı.

Giriş

4. sanayi devrimi dalgasında, çeşitli işleme verilerinin elde edilmesi ve izlenmesi önemli görevler haline gelmiştir¹. Özellikle, süreç verilerini kullanarak üretim sürecinin iyileştirilmesi ve verimli işletme planlarının oluşturulması, tüm üretim tesislerinin önemli bir hedefi olacaktır ^2,3. Fabrikadan bir alarm gönderilebiliyorsa veya⁴. zamanda kestirimci bakım yapılabiliyorsa arıza süresi büyük ölçüde azaltılabilir. Son zamanlarda, polimer proseslerinde veri analizleri için birçok çaba sarf edilmiştir ^5,6. Ancak mevcut sistemlerden bu tür verilerin elde edilmesinde yaşanan zorluklar nedeniyle bu görevleri yerine getirmek kolay değildir⁷. Kontrol ve enstrümantasyonun hiyerarşik yapısı, veri toplama ve iletişimi zorlaştırır.

Öncelikle farklı üretim tarihlerine sahip farklı makinelerden veri elde etmek mümkün değildir. Farklı makineler arasındaki iletişimi gerçekleştirmek zordur, çünkü bu, tescilli formatlardaki farklı fieldbus'lar arasında birlikte çalışabilirlik gerektirir. Bu sayede iletişim yöntemleri ve veri formatları gizli tutulur. Bu, veri güvenliğinin kolayca korunmasına yardımcı olur, ancak kullanıcıları hizmetler ve gelecekteki gelişmeler için makine üreticisine bağımlı tutar. Polimer işleme makinelerine bağlı insan-makine arayüzü (HMI) de dahil olmak üzere son kontrol bilgisayarları bugünlerde çoğunlukla Windows tabanlıdır, ancak tescilli bir geliştirme ortamında oluşturulan yazılımlarla yüklenir. Sensörler veya aktüatörlerle iletişim kurmak için farklı şirketlerden programlanabilir mantık kontrolörleri (PLC'ler) kullanmak mümkündür, ancak çoğu durumda, üst denetleyici kontrol ve veri toplama (SCADA) sistemi kontrol bilgisayarlarına bağlıdır⁸. Bu uygulama, çok sayıda protokol, fieldbus ve kontrol sisteminin pazarda rekabet etmesine neden olmuştur. Bu karmaşıklık zamanla yavaş yavaş hafifletilmiş olsa da, birçok fieldbus ve protokol türü hala aktif kullanımdadır.

Öte yandan, kontrol cihazları ve SCADA arasındaki iletişim, Open Platform Communications United Architecture (OPCUA)⁹ tarafından standartlaştırılmıştır. Ayrıca, SCADA ile Üretim Yürütme Sistemi (MES) arasındaki iletişim de ağırlıklı olarak OPCUA aracılığıyla yapılmıştır. Bu kadar sıkı bir hiyerarşik yapıda, süreç izleme ve analizi için verileri serbestçe çıkarmak kolay değildir. Genellikle, verilerin SCADA veya MES^10'dan çıkarılması gerekir. Daha önce de belirtildiği gibi, bu sistemler satıcıya özgüdür ve veri biçimleri nadiren açıktır. Sonuç olarak, veri ayıklama işlemi orijinal bilgi teknolojisi/operasyonel teknoloji (BT/OT) çözüm satıcılarından önemli ölçüde destek gerektirir. Bu, izleme ve analiz için veri toplamayı engelleyebilir.

Bir film ekstrüzyon hattında, kontrol PC'si bir SCADA sistemi¹¹ tarafından denetlenir. SCADA sistemi kolayca değiştirilemeyen bir bilgisayar programı ile işletilmektedir. Bilgisayar programı düzenlenebilir olabilir, ancak düzenleme oldukça pahalı ve zaman alıcıdır. İşleme verilerini kolayca izlemek ve analiz etmek için, verilere herhangi bir konumdan erişilebilmelidir. İşleme verilerini siteden uzakta izlemek için, bilgisayar programı işleme verilerini Internet^12'ye aktarabilmelidir. Ayrıca, açık ücretsiz bir yöntem, veri toplama masraflarını azaltır¹³. Bu yaklaşım, ticari BT çözümlerine yatırım yapmayı göze alamayan küçük fabrikalarda bile veri analizinin yapılmasına olanak tanır¹⁴.

Bu çalışmada yayıncı-abone modeline dayalı bir mesaj protokolü kullanılmıştır. Message Queuing Telemetri Aktarımı (MQTT), birden çok veri sağlayıcısı ile tüketiciler arasında ileti gönderilmesine olanak tanıyan açık ve standart bir protokoldür¹⁵. Burada, mevcut üretim tesisleri için MQTT kullanarak veri elde eden, ileten ve izleyen bir sistem öneriyoruz. Sistem, performansı doğrulamak için bir film ekstrüzyon hattında test edilir. Orijinal kontrolörden gelen veriler, Modbus protokolü aracılığıyla bir uç cihaza iletilir. Ardından, veriler komisyoncuya yayınlanır. Bu arada, iki Raspberry ölçülen sıcaklıkları ve aydınlatmayı aynı komisyoncuya yayınlar. Ardından, İnternet'teki herhangi bir cihaz verilere abone olabilir, ardından Şekil 1'de gösterildiği gibi izleyebilir ve kaydedebilir. Bu çalışmadaki protokol, tüm prosedürün nasıl yapılabileceğini göstermektedir.

Protokol

1. Broker kurulumu

NOT: İnternet üzerinden işlenen verilerin izlenmesi ve kaydedilmesi için, verileri aktaran bir bilgisayar sistemi hazırlanmalıdır. Sisteme Şekil 2'de gösterildiği gibi hem yayıncılardan hem de abonelerden erişilebilmelidir. Bu nedenle, herhangi bir iletişimden önce bilinen genel bir IP adresine sahip olması gerekir. Sistem^13'e Eclipse Mosquitto adlı açık bir MQTT brokeri yüklenir.

1. Genel bir IP adresi vererek bir bilgisayarı Internet'e bağlayın. Adresi işletim sisteminin IP ayarında verin.
2. Bilgisayara Eclipse Mosquitto gibi bir aracı yazılımı yükleyin. Yükleme dosyasını bir tarayıcı kullanarak indirin ve çalıştırın.
3. Aracıyı MQTT Lens gibi bir test programı ile test edin. MQTT Lens'i bir tarayıcı kullanarak indirin ve yükleyin. Ardından, yayımlanan iletilerin abone olduğundan emin olun.

2. Ana yayıncı hazırlığı

NOT: Bu bilgisayar, makine verilerini TCP üzerinden MQTT aracılığıyla aracıya yayımlar. Eski veriler yorumlanmalı ve gönderilmek üzere yeniden paketlenmelidir. Bu genellikle RS485 veya Ethernet ile yapılabilir. Donanım düzeyindeki bağlantı, veri yolu türüne bağlı olarak doğrulanmalıdır. Ekstrüzyon makinesi, verileri Modbus üzerinden bir Ethernet portu üzerinden gönderir.

1. Makine sitesine fiziksel olarak bir bilgisayar yerleştirin ve ana yayımcı olarak ayarlayın.
   NOT: Zorunlu olmamakla birlikte, bu çalışmada endüstriyel bir bilgisayar seçilmiştir.
2. Python3'ü bilgisayara yükleyin. Yükleyici dosyasını bir tarayıcı kullanarak indirin ve çalıştırın.
3. PyModbus^16'yı yükleyin. Yükleyici dosyasını bir tarayıcı kullanarak indirin ve çalıştırın.
4. HMI makineyi kontrol ederek ekstrüzyon kontrolörünü inceleyin ve ekstrüzyon kontrolörünü ana yayıncıya bağlayın.
5. ModbusPoll veya QModMaster gibi bir Modbus aracı kullanarak Modbus protokolündeki verileri ve ilgili adresi makineden tam olarak tanımlayın. Gönderilen makine verilerinin Modbus aracının ilgili hücrelerinde gösterildiğinden emin olun.
6. Yayımcı bilgisayarına ekstrüzyon denetleyicisinden verileri alan bir Python kodu yazın.
   NOT: İşte bir kod örneği:
   pyModbusTCP.client import ModbusClient sitesinden
   client = ModbusClient(host="192.168.1.***", port=***, unit_id=***)
   client.open()
   ExtrusionData = str(client.read_holding_registers(1000, 58))
7. PCIe, USB, RS232 ve RS485 aracılığıyla diğer cihazlardan gelen ek veri akışlarını birleştirin.
   NOT: Bu basittir. Ek bir veri dizesi elde edildikten sonra, verileri aşağıdaki kodla yapılan mevcut veri akışına eklemeniz yeterlidir:
   ExtrusionData += AdditionalData
8. paho-mqtt'yi pip install paho-mqtt¹⁷ ile yükledikten sonra paho.mqtt.client dosyasını içe aktarın.
9. Verileri aracıya bağlamak ve yayımlamak için kodu uygulayın.
   Not: aşağıdaki kod örneğine bakın:
   url="117.xx.xxx.xx"; bağlantı noktası = 1883; kullanıcı adı = "****"; şifre = "xxxxx"; topic = "Ekstruder"
   mqttc = mqtt. İstemci()
   mqttc.username_pw_set(kullanıcı adı, şifre)
   mqttc.connect(host=url, port=port)
   mqttc.loop_start()
   ExtrusionData = str(client.read_holding_registers(1000, 58))
   Pub1= mqttc.publish(konu, ExtrusionData))
   Pub1.wait_for_publish()

3. Ek yayıncı hazırlığı

NOT: Bu bilgisayar ayrıca makine verilerini TCP üzerinden MQTT aracılığıyla aracıya yayımlar. Bazen, ana yayıncı üzerinde yapılamayan ek ölçümler gerekebilir. Raspberry Pi ve Arduino gibi Nesnelerin İnterneti (IoT) cihazları rol alabilir. Bu çalışmada sıcaklık verileri ve aydınlatma verileri için Raspberry Pi kullanılmıştır. Yordam, protokol bölüm 2'ye benzer.

1. Sensör konumunun yanına bir Raspberry Pi yerleştirin.
   NOT: Kablolama mesafesi sınırlı olduğundan, Raspberry Pi ölçüm konumundan çok uzağa yerleştirilemez. Bununla birlikte, ekstrüderin çevresi çok sıcak olduğundan, cihazın ölçüm konumundan en az 1 m uzağa yerleştirilmesi gerekir.
2. Python3'ü Raspberry Pi'ye komut satırında aşağıdaki komutlarla yükleyin:
   sudo apt güncelleme
   sudo apt yüklemek Python3 idle3
3. Sensör verilerini almak için kodu uygulayın. Sensör verileri I 2 C veya^GPIO üzerinden iletilebilir.
   NOT: GPIO aracılığıyla ek sıcaklık verileri için aşağıdaki kod örneğine bakın:
   max6675 ithalat MAX6675'den
   cs_pin1 = 24; clock_pin1 = 25; data_pin1 = 18
   cs_pin2 = 9; clock_pin2 = 11; data_pin2 = 19
   birimler = "C"
   termokupl1 = MAX6675(cs_pin1, clock_pin1, data_pin1, birimler)
   termokupl2 = MAX6675(cs_pin2, clock_pin2, data_pin2, birimler)
   T1 = termokupl1.get()
   T2 = termokupl2.get()
4. paho.mqtt.client dosyasını içe aktarın.
5. Aracıya bağlanmak ve veri yayımlamak için bölüm 2'deki kodu yeniden kullanın.

4. Abonenin kurulumu

NOT: İnternetteki herhangi bir cihaz, işlem verilerini aracı aracılığıyla alabilir. Veriler bir Python kodu tarafından da işlenir ve görselleştirilir. Geliştirmenin zor olması durumunda, Google Play'deki MQTT İstemcisi ve App Store'daki MQT Aracı gibi mevcut uygulamalar kullanılabilir. Kullanıcı arayüzünün uygulanması oldukça uzun olduğundan, ayrıntılar burada açıklanmaz. Ayrıca, App Store'daki MQT Aracı gibi mevcut uygulamaların verileri alabileceğini unutmayın.

1. İnternet aboneliği için bir cihazla etkileşim kurun. Fiziksel bir kablo bağlantısı olduğundan emin olun ve ardından komut satırında aracı IP'sine bir ping işlemi yürütün (örneğin, ping 117.xx.xxx.xx).
2. Cihaza ve işletim sistemine bağlı olarak uygun bir Python ortamı kurun. Örneğin, Google Play'den Python3 yerine bir android cihaza Pydroid3 yükleyin.
3. Aracıya bağlanmak ve aracıdan veri almak için hem paho.mqtt.client hem de paho.mqtt.subscribe dosyasını içe aktarın.
   Not: aşağıdaki kod örneğine bakın:
   paho.mqtt.client dosyasını mqtt olarak içeri aktarın
   paho.mqtt.subscribe adresini abone olarak içe aktarın
   url="117.xx.xxx.xx"; bağlantı noktası = 1883; kullanıcı adı = "****"; şifre = "xxxxx"; topic = "Ekstruder"
   mqttc.username_pw_set(kullanıcı adı, şifre)
   mqttc.connect(host=url, port=port)
   mqttc.subscribe(konu, 0)
   mqttc.loop_start()
   Sub1 = subscribe.simple(topic, hostname=url)
   ExtruderData = Sub1.payload.decode("utf-8")
4. PyQT5 kullanarak gerektiği gibi bir kullanıcı arabirimi oluşturun.
   NOT: Bu bölüm çok uzundur ve iletişimden ziyade alınan verilerin grafiksel gösterimine odaklanmaktadır. İlgili kod ek veri olarak sağlanır.
5. Oluşturulan kodu yürüterek gelen verileri GUI'de görüntüleyin.

5. Veri kaydı

NOT: İşleme verileri, izleme sırasında bir veritabanına yazılabilir. Bu çalışmada laboratuvar ölçeğinde bir veritabanı seçilmiştir. Veriler, kullanıcı bilgisayarından kolayca yazmak ve almak için bir Microsoft Access dosyasına bağlanır. Ayrıca, Microsoft Excel gibi bir elektronik tablodaki verileri çözümlemek için bir sorgu tarafından anında tablo oluşturulabilir.

1. Verileri kaydetmek için bir abone cihaz seçin.
2. Python kodunun Şekil 3^18'de gösterildiği gibi veritabanına erişmesi için komut satırında "pip install pyodbc" komutunu çalıştırarak pyodbc'yi içe aktarın.
3. İşleme verilerini kaydetmek için Python kodu tarafından veritabanına bir sorgu gönderin. Yöntem için Şekil 3'teki Python koduna bakın.
4. Kaydedilen verilerin alınması için veritabanına bir sorgu gönderin.
   NOT: Veri alımı için bir kod örneği aşağıda verilmiştir:
   pyodbc içe aktarma
   pyodbc.drivers() if x.startswith('Microsoft Access Driver')] içinde x için x
   conn_str = (
   r'DRIVER={Microsoft Access Driver (*.mdb, *.accdb)};'
   r'DBQ=C:\Kullanıcılar\data_analysis\db1.accdb;'
   )
   cnxn = pyodbc.connect(conn_str)
   crsr = cnxn.cursor()
   crsr.tables içindeki table_info için(tableType='TABLE'):
   print(table_info.table_name)
   sql = """"\
   SELECT * FROM Process_Condition
   """
   crsr = cnxn.execute(sql)
   crsr'deki satır için:
   RetrievedData = pd.read_sql(sql, cnxn)
   crsr.close()
   cnxn.close()

6. Dağıtım

NOT: Tüm cihazlar İnternet'e bağlanabiliyorsa, kurulum basittir. Ancak, makine tarafı verilerinin güvenliğini sağlamak için, yayımcılar yalnızca intranette olabilir. Bu durumda, aracı Internet'e açılan bir ağ geçidi olabilir. Bunun için, komisyoncu, biri genel bir IP adresine sahip olması gereken iki ethernet adaptörü ile donatılmalıdır. Tüm öğeler geliştirildikten sonra, kodlar Şekil 4'te gösterildiği gibi her cihaza dağıtılmalıdır. Kablolu veya kablosuz bağlantı modu önemli değildir, ancak her cihazın aracıya erişebilmesi için güvenli hale getirilmesi gerekir. Bu, aracının güvenlik amacıyla intranet ve Internet arasındaki sınırda bir ağ geçidi görevi görebileceği anlamına gelir. Tabii ki tüm cihazlar internete maruz kalsa bile iletişim açısından bir sorun yaşanmıyor.

1. Ekstrüzyon denetleyicisini, ana yayımcıyı ve ek yayımcıları Ethernet üzerinden İntranet bağlantı noktasına bağlayın.
2. Aracının bir ethernet bağlantı noktasını intranete, diğerini de Internet'e bağlayın.
3. Tümü için adım 4.1'i tekrarlayarak aboneleri Internet'e bağlayın.

7. Yürütme

NOT: Tüm sistemi test etmek için ekstrüzyon hattını başlattık ve tüm Python kodlarını ve Mosquitto'yu çalıştırdık.

1. Ekstrüzyon işlemini başlatın. Makinenin HMI'sında, sıcaklıkları ayarlayın ve HMI ekranındaki düğmeye dokunarak ısıtıcıyı açın. Gerekli sıcaklığa ulaşıldığında, polimer eriyiğini ekstrüzyon yapmak için vida dönüşünü başlatın.
2. Tüm bilgisayarları açın, aracı cihazındaki aracı yazılımını "net start mosquitto" komutuyla başlatın ve ardından işlem verilerini gerektiği gibi izlemek ve kaydetmek için Python kodlarını çalıştırın.
   NOT: Adım 7.1 ve adım 7.2'nin sırası tersine çevrilebilir. Python kodları, komut satırına "python3 xxxxx.py" yazılarak ve ardından Enter tuşuna basılarak yürütülebilir. Cihaz her yeniden başlatıldığında komutu yazmamak için bu komutu başlangıç programlarına ekleyin.

Sonuçlar

HMI'da gösterilen ve Raspberry tarafından ölçülen verilerin Şekil 5'te gösterildiği gibi abonelerde izlendiği ve kaydedildiği tespit edilmiştir. Videoda gösterildiği gibi, işlem verileri veritabanına kaydedilir.

Şekil 1: MQTT protokolünü kullanarak veri iletiminin ana hatları.

Tartışmalar

Sunulan protokolü izleyerek, işleme verileri MES gibi pahalı BT çözümleri olmadan izlenebilir ve kaydedilebilir. IoT teknolojileri, geleneksel makinelerden veri edinmeyi ve teslim etmeyi kolaylaştırabilir. Mesaj tabanlı protokol MQTT'nin, polimer işleme hatları için veri iletişimi için bir platform olarak başarıyla hizmet ettiği gösterilmiştir. Ayrıca, ek veriler esnek bir şekilde ölçülebilir ve birlikte iletilebilir. Bu çalışmada kullanılan ek yayıncılar Raspberry idi. Özellikle, zorlu ko?...

Malzemeler

Name	Company	Catalog Number	Comments
Edge Device	Adavantech	UNO 420	Intel Atom E3815 Fanless
Film Extrusion Machine	EM Korea	Not Available	For production of 450 mm film
Pydroid	IIEC	Not Available	Android Devices
Python3	Python Software Foundataion	Not Available	Windows, Linux
Raspberry Pi 4	CanaKit	Not Available	Standard Kit