ポリマー押出プロセスにおけるMQTTに基づくデータ通信

第4次産業革命の波の中で、各種処理データの取得・監視が重要な課題となっています¹.特に、プロセスデータを用いた製造プロセスの改善と効率的な運用計画の確立は、すべての製造施設^2,3の重要な目標となります。ダウンタイムは、アラームを工場から送信できる場合、または予測メンテナンスを時間内に実行できる場合⁴ に大幅に短縮できます。最近、ポリマープロセスにおけるデータ分析のために多くの努力がなされている^5,6。しかしながら、既存のシステム⁷からこのようなデータを取得することが困難であるため、これらのタスクを実行することは容易ではない。制御と計測の階層構造により、データの集録と通信が困難になります。

まず第一に、異なる製造日を持つ異なる機械からデータを取得することは不可能です。異なるマシン間の通信を実現するには、独自の形式の異なるフィールドバス間の相互運用性が必要であるため、困難です。このようにして、通信方法とデータ形式はプライベートに保たれます。これにより、データセキュリティを簡単に維持できますが、ユーザーはサービスや将来の開発についてマシンビルダーに依存するようになります。近年の高分子加工機に搭載されたヒューマンマシンインタフェース(HMI)などの制御コンピュータは、ほとんどがWindowsベースですが、独自の開発環境で作成されたソフトウェアが搭載されています。センサまたはアクチュエータと通信するために異なる企業のプログラマブルロジックコントローラ(PLC)を使用することが可能であるが、多くの場合、上部監視制御およびデータ収集(SCADA)システムは、制御コンピュータ⁸に依存する。この慣行により、多数のプロトコル、フィールドバス、および制御システムが市場で競合しています。この複雑さは時間の経過とともに少しずつ緩和されましたが、多くの種類のフィールドバスとプロトコルがまだ活発に使用されています。

一方、制御装置とSCADA間の通信は、Open Platform Communications United Architecture(OPCUA)⁹によって標準化されています。さらに、SCADAと製造実行システム(MES)との間の通信も、主にOPCUAを介して行われています。このようなタイトな階層構造では、プロセスの監視と分析のためにデータを自由に抽出することは容易ではありません。通常、データはSCADAまたはMES¹⁰から抽出する必要があります。前述のように、これらのシステムはベンダー固有であり、データ形式が開かれることはめったにありません。その結果、データ抽出には、元の情報技術/運用技術(IT/OT)ソリューションベンダーからの実質的なサポートが必要です。これにより、監視と分析のためのデータ取得が妨げられる可能性があります。

フィルム押出ラインにおいて、制御PCはSCADAシステム¹¹によって監視される。SCADAシステムは、簡単に変更できないコンピュータプログラムによって操作されます。コンピュータプログラムは編集可能かもしれませんが、編集は非常に高価で時間がかかります。処理データを簡単に監視および分析するには、任意の場所からデータにアクセスできる必要があります。サイトから離れたところで処理データを監視するために、コンピュータプログラムは、処理データをインターネット¹²にストリーミングすることができるべきである。また、オープンフリー方式は、データ取得¹³のためのコストを低減する。このアプローチにより、商用ITソリューションに投資する余裕のない小規模工場でもデータ分析を実行できます¹⁴。

この研究では、パブリッシャー-加入者モデルに基づくメッセージプロトコルが採用されている。メッセージ キュー テレメトリ トランスポート (MQTT) は、複数のデータ プロバイダーとコンシューマー間のメッセージングを可能にするオープンで標準的なプロトコルです¹⁵。ここでは、既存の製造設備について、MQTTを用いてデータを取得・送信・監視するシステムを提案します。システムは、性能を検証するためにフィルム押出ラインでテストされます。元のコントローラからのデータは、Modbusプロトコル を介して エッジデバイスに送信されます。その後、データがブローカーにパブリッシュされます。その間、2つのラズベリーピスは、測定された温度と照度を同じブローカーに公開します。その後、インターネット上の任意のデバイスがデータをサブスクライブし、その後、 図 1 に示すようにデータを監視および記録できます。この作業のプロトコルは、手順全体を実行する方法を示しています。