Comunicação de dados com base em MQTT em um processo de extrusão de polímeros

Na onda da 4ª revolução industrial, a aquisição e monitoramento de diversos dados de processamento tornaram-se importantes tarefas¹. Em particular, melhorar o processo de fabricação utilizando dados de processos e estabelecer planos de operação eficientes será um objetivo importante de todas as instalações fabris ^2,3. O tempo de inatividade pode ser muito reduzido se um alarme pode ser enviado para fora da fábrica ou se a manutenção preditiva pode ser realizada no tempo⁴. Recentemente, muitos esforços foram feitos para análise de dados nos processos de polímeros ^5,6. No entanto, não é fácil realizar essas tarefas devido às dificuldades na aquisição desses dados dos sistemas^{existentes 7}. A estrutura hierárquica do controle e da instrumentação dificulta a aquisição e comunicação dos dados.

Em primeiro lugar, não é possível obter dados de diferentes máquinas com diferentes datas de fabricação. É difícil perceber a comunicação entre diferentes máquinas, pois isso requer interoperabilidade entre diferentes ônibus de campo em formatos proprietários. Dessa forma, os métodos de comunicação e os formatos de dados são mantidos em sigilo. Isso ajuda a manter facilmente a segurança dos dados, mas mantém os usuários dependentes da construção de máquinas para os serviços e desenvolvimentos futuros. Os computadores de controle recentes, incluindo a interface homem-máquina (HMI) ligada a máquinas de processamento de polímeros, são principalmente baseados no Windows nos dias de hoje, mas são carregados com software criado em um ambiente de desenvolvimento proprietário. É possível usar controladores lógicos programáveis (PLCs) de diferentes empresas para se comunicar com os sensores ou atuadores, mas, em muitos casos, o sistema de controle de supervisão superior e aquisição de dados (SCADA) depende dos computadores^{de controle 8}. Essa prática tem causado inúmeros protocolos, ônibus de campo e sistemas de controle para competir no mercado. Embora essa complexidade tenha sido aliviada pouco a pouco ao longo do tempo, muitos tipos de ônibus e protocolos ainda estão em uso ativo.

Por outro lado, a comunicação entre dispositivos de controle e SCADA foi padronizada pela Open Platform Communications United Architecture (OPCUA)⁹. Além disso, a comunicação entre a SCADA e o Sistema de Execução de Manufatura (MES) também tem sido feita principalmente através da OPCUA. Em uma estrutura hierárquica tão apertada, não é fácil extrair dados livremente para monitoramento e análise de processos. Normalmente, os dados devem ser extraídos do SCADA ou MES¹⁰. Como mencionado anteriormente, esses sistemas são específicos do fornecedor, e os formatos de dados raramente estão abertos. Como resultado, a extração de dados requer suporte substancial dos fornecedores originais de soluções de tecnologia da informação/tecnologia operacional (TI/OT). Isso pode dificultar a aquisição de dados para monitoramento e análise.

Em uma linha de extrusão de filme, o PC de controle é supervisionado por um sistema SCADA¹¹. O sistema SCADA é operado por um programa de computador que não pode ser facilmente modificado. O programa de computador pode ser editável, mas a edição é bastante cara e demorada. Para monitorar e analisar facilmente os dados de processamento, os dados devem ser acessíveis a partir de qualquer local. Para monitorar os dados de processamento longe do site, o programa de computador deve ser capaz de transmitir os dados de processamento para a Internet¹². Além disso, um método livre e aberto reduz os gastos para a aquisição de dados¹³. Essa abordagem permite que a análise de dados seja realizada mesmo em pequenas fábricas que não podem se dar ao luxo de investir em soluções comerciais de TI¹⁴.

Neste estudo, é empregado um protocolo de mensagens baseado no modelo editor-assinante. O Message Queuing Telemetry Transport (MQTT) é um protocolo aberto e padrão que permite mensagens entre vários provedores de dados e consumidores¹⁵. Aqui, propomos um sistema que adquira, transmita e monitora dados usando MQTT para instalações de fabricação existentes. O sistema é testado em uma linha de extrusão de filme para verificar o desempenho. Os dados do controlador original são transmitidos para um dispositivo de borda através do protocolo Modbus. Em seguida, os dados são publicados para o corretor. Enquanto isso, dois Raspberry Pis publicam as temperaturas medidas e a iluminação para o mesmo corretor. Em seguida, qualquer dispositivo na Internet pode assinar os dados, seguido de monitoramento e registro, conforme mostrado na Figura 1. O protocolo neste trabalho mostra como todo o procedimento pode ser feito.