Datacommunicatie op basis van MQTT in een polymeerextrusieproces

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.