Name: data communication based on mqtt in a polymer extrusion process
Uploaded: 2022-07-15T13:00:00
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这项研究得到了首尔科技大学（Seoul Tech）资助的研究计划的支持。

1. 代理安装
注：为了 通过 因特网监测和记录处理数据，应准备一个中继数据的计算机系统。系统应可从发布者和订阅者访问，如图 2 所示。因此，它需要具有在任何通信之前已知的公共IP地址。一个名为Eclipse Mosquitto的开放MQTT代理安装在系统13上。
<ol><li>将计算机连接到互联网，提供公共 IP 地址。在操作系统的 IP...

<ol>
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通过遵循所提出的协议，可以监控和记录处理数据，而无需昂贵的IT解决方案，如MES。物联网技术可以更容易地从传统机器获取和交付数据。已经证明，基于消息的协议MQTT成功地充当了聚合物加工生产线的数据通信平台。此外，可以灵活地测量和传输其他数据。这部作品中雇用的其他出版商是Raspberry Pis。值得注意的是，通过将它们安装在工业Raspberry Pi外壳中，可以进一步保护它们，以确保在恶劣...

在第四次工业革命的浪潮中，各种加工数据的采集和监控已成为重要的任务1.特别是，使用过程数据改进制造过程并建立有效的运营计划将是所有制造设施2，3的重要目标。如果可以在工厂外发出警报，或者可以及时执行预测性维护，则可以大大减少停机时间4.最近，在聚合物工艺5，6中的数据分析方面已经做出了许多努力。然而，由于难以从现有系统7获取此类数据，因此执行这些任务并不容易。控制和仪表的分层结构使数据采集和通信变得困难。
首先，不可能从具有不同制造日期的不同机器获取数据。很难实现不同机器之间的通信，因为这需要不同现场总线之间以专有格式进行互操作性。通过这种方式，通信方法和数据格式保持私密。这有助于人们轻松维护数据安全性，但使用户依赖机器制造商的服务和未来发展。最近连接到聚合物加工机器的人机界面（HMI）在内的控制计算机现在大多基于Windows，但加载了在专有开发环境中创建的软件。可以使用来自不同公司的可编程逻辑控制器（PLC）与传感器或执行器进行通信，但在许多情况下，上层监控和数据采集（SCADA）系统依赖于控制计算机8。这种做法导致许多协议，现场总线和控制系统在市场上竞争。虽然随着时间的推移，这种复杂性已经逐渐减轻，但许多类型的现场总线和协议仍在积极使用。
另一方面，控制设备和SCADA之间的通信已由开放平台通信联合架构（OPCUA）9标准化。此外，SCADA和制造执行系统（MES）之间的通信也主要通过OPCUA进行。在如此严格的层次结构中，自由提取数据以进行过程监控和分析并不容易。通常，必须从SCADA或MES10中提取数据。如前所述，这些系统是特定于供应商的，数据格式很少是开放的。因此，数据提取需要原始信息技术/运营技术（IT/OT）解决方案供应商的大量支持。这可能会阻碍用于监测和分析的数据采集。
在薄膜挤出生产线中，控制PC由SCADA系统11监控。SCADA系统由不易修改的计算机程序操作。计算机程序可能是可编辑的，但编辑非常昂贵且耗时。为了轻松监视和分析处理数据，应可从任何位置访问数据。为了监视远离现场的处理数据，计算机程序应该能够将处理数据流式传输到因特网12。此外，自由开放方法降低了数据采集13的费用。这种方法即使在无力投资商业IT解决方案的小型工厂中也可以进行数据分析14.
在本研究中，采用了基于发布者-订阅者模型的消息协议。消息队列遥测传输 （MQTT） 是一种开放且标准的协议，它支持在多个数据提供者和使用者15 之间进行消息传递。在这里，我们提出了一个系统，该系统使用MQTT为现有制造设施获取，传输和监控数据。该系统在薄膜挤出生产线上进行测试，以验证性能。来自原始控制器的数据 通过 Modbus协议传输到边缘设备。然后，数据发布到代理。与此同时，两个Raspberry Pis将测量的温度和照度发布给同一个经纪人。然后，互联网上的任何设备都可以订阅数据，然后监视和记录它，如图 1所示。这项工作中的协议显示了如何完成整个过程。

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Edge Device</td>
			<td>Adavantech</td>
			<td>UNO 420</td>
			<td>Intel Atom E3815 Fanless</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Film Extrusion Machine</td>
			<td>EM Korea</td>
			<td>Not Available</td>
			<td>For production of 450 mm film</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pydroid</td>
			<td>IIEC</td>
			<td>Not Available</td>
			<td>Android Devices</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Python3</td>
			<td>Python Software Foundataion</td>
			<td>Not Available</td>
			<td>Windows, Linux</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Raspberry Pi 4</td>
			<td>CanaKit</td>
			<td>Not Available</td>
			<td>Standard Kit</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

data communication based on mqtt in a polymer extrusion process

这项工作旨在通过采用基于发布者 - 订户的协议（称为消息队列遥测传输（MQTT））为聚合物处理机构建灵活的数据通信结构，该协议通过TCP / IP操作。即使使用传统设备，处理数据也可以通过互联网通信在任何地方由各种设备进行测量和记录。基于消息的协议允许灵活的通信，克服了现有服务器-客户端协议的缺点。多个设备可以订阅源设备发布的处理数据。所提出的方法便于多个发布者和订阅者之间的数据通信。这项工作已经实现了一个系统，该系统将数据从设备和附加传感器发布到消息代理。订阅者可以监视和存储代理中继的过程数据。该系统已部署并运行用于薄膜挤出生产线，以证明其有效性。

已经发现，HMI中显示的数据和Raspberry Pis测量的数据在订户中进行了监控和记录，如图 5所示。如视频所示，处理数据被记录到数据库中。
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/63717/63717fig01.jpg"> 图 1：使用 MQTT 协议的数据传输概述。 代理将消息从发布者中继到订阅者。此图中的?...

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Data Communication Based on MQTT in a Polymer Extrusion Process

这项工作提出了一种基于称为消息队列遥测传输（MQTT）的消息协议，在薄膜挤出系统和监控设备之间进行数据通信的灵活方法。

基于MQTT的数据通信在聚合物挤出工艺中的应用

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

这项工作中的协议允许通过使用基于发布者订户的协议代码MQTT为聚合物处理机构建灵活的数据通信结构。即使使用经典设备，处理数据也可以由互联网上任何地方的各种设备观察和记录。该协议促进了多个发布者和多个订阅者之间的数据通信。我们已经实施了一个系统，该系统通过代理设备将处理数据从现有挤出生产线发布到订阅设备。来自传统挤出控制器的数据已在设备中解释并发送到代理。用于两个不同位置的环境温度和处理过程中的附加设备也会将数据发布到代理。然后，代理将数据中继到对这些数据感兴趣的订阅者设备。显示和记录数据。用户系统已经设计和构建。由于参与设备的所有代码都是用Python编写的。该代码可以在具有不同操作系统的设备上重复使用。最后，对系统进行部署和测试，以演示 First 代理安装的有效性。要开始配置 MQTT 代理系统，以便它可以通过互联网监视和记录处理数据。为了使代理设备能够中继此类数据，发布者和订阅者都必须能够访问这些数据。使用公共 IP 地址将计算机系统连接到 Internet，以便发布者和订阅者都可以访问代理。然后在计算机上安装，Eclipse Mosquito等开放代理软件使用MQTT镜头等测试工具来检查MQTT代理的可操作性。二是主发行商准备工作。现在，让我们准备主发布者设备。如前所述，此计算机通过 MQTT 将计算机数据发布到代理。遗留数据应进行解释和重新打包以发送出去。这通常可以通过RS-485或以太网完成。应根据总线类型验证硬件级别的连接。考虑的挤出机通过以太网端口通过Modbus发送数据，从挤出机获取数据并发布它们。将计算机作为计算机站点中的主要发布者放置。在该计算机上安装Python三作为软件环境。然后安装 Pi Modbus 以启用 Modbus 连接和通信。检查挤出控制器的 Modbus 功能代码，并将其连接到主发布器。使用主发布者的Modbus工具（例如Modbus轮询或Q mod master）完全识别来自机器的数据和关联的地址以及Modbus代码。然后在发布服务器上编写一个 Python 代码，用于从挤出控制器检索数据。此外，通过PCIE USB RS-232和RS-485从其他设备合并数据流。导入 paho dot MQTT dot 客户端并实现代码以连接数据并将其发布到代理。第三，额外的发布者准备。除了主要出版商之外，我们还允许使用其他物联网设备来获取和发布环境温度和薄膜照度。这样做。已经使用了两个Raspberry Pi设备。每个设备都像主发布者一样将测量的数据发布到代理。将设备放在传感器位置附近。然后在设备上安装Python三，并实现代码以获取传感器数据。传感器数据由 I2C（用于照度传感器）和 GPIO（用于温度）传输。重用前面的 Python 代码来发布数据。感谢Python的设备独立性。Windows的代码可以重用于Raspberry Pis。四是订户设置。现在让我们解释一下如何订阅处理数据。如前所述，互联网上的任何设备都可以通过经纪人接收数据。同样，数据可以通过Python代码进行处理和可视化。在互联网连接的设备上安装合适的Python环境，具体取决于设备和操作系统。例如，在Android设备上应该安装Pydroid 3而不是Python 3，然后导入paho dot MQTT dot客户端和paho dot MQTT dot subscribe以连接到并从代理接收数据。然后根据需要基于 Pi QT5 构建用户界面。由于这部分的实现相当漫长，并且可能很费力。此处不进一步描述详细信息，此代码在 GUI 上显示传入的数据。还要知道，应用商店中的MQT工具等现有应用程序可以接收数据。第五，数据记录。为了在监视期间记录数据，Python应该能够访问数据库。在这项工作中，数据被写入微软访问文件。考虑数据规模和软件可用性。选择订阅者设备以记录数据。然后在Python代码中导入pyodbc以访问数据库。为了记录处理数据，请通过Python代码向数据库发送查询。要检索记录的数据，请向数据库发送另一个查询。检索数据后，可以根据需要通过重构数据来分析数据。可以立即构建电子表格中可读的表格。第六，部署。开发完所有项目后，应将Python代码部署到每个设备上。有线或无线连接模式并不重要，但必须确保每个设备都应该能够访问代理。这意味着出于安全目的，经纪人在互联网和互联网之间的边界上充当网关。这里为了保持更好的安全性，将挤出控制器与主发布者和其他发布者连接到互联网。然后将代理的一个以太网端口连接到互联网，另一个连接到互联网以监控和记录处理数据。根据需要将订户连接到互联网。第七，执行。要测试整个系统，请启动挤出生产线。接下来打开所有计算机设备。然后启动代理软件蚊子，并运行所有Python代码。代表性结果。作为执行设计和实施的系统的结果，处理数据被监控和可视化。数据可以以多种方式显示，包括图形和表格，即使在移动设备上也可以监视和记录数据。此外，记录和检索数据以进行分析。结论 发现HMI中显示的数据和覆盆子PI测量的数据在订户中进行监测和记录。通过遵循所呈现的协议，可以监控和记录处理数据，而无需昂贵的IT解决方案，例如MES。

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