Comunicación de datos basada en MQTT en un proceso de extrusión de polímeros

En la ola de la 4ª revolución industrial, la adquisición y el monitoreo de diversos datos de procesamiento se han convertido en tareas importantes¹. En particular, mejorar el proceso de fabricación utilizando datos de proceso y establecer planes de operación eficientes será un objetivo importante de todas las instalaciones de fabricación ^2,3. El tiempo de inactividad se puede reducir en gran medida si se puede enviar una alarma fuera de la fábrica o si se puede realizar un mantenimiento predictivo en el tiempo⁴. Recientemente, se han realizado muchos esfuerzos para el análisis de datos en procesos de polímeros ^5,6. Sin embargo, no es fácil llevar a cabo estas tareas debido a las dificultades para adquirir dichos datos de los sistemas existentes⁷. La estructura jerárquica del control y la instrumentación dificulta la adquisición y comunicación de datos.

En primer lugar, no es posible obtener datos de diferentes máquinas con diferentes fechas de fabricación. Es difícil realizar la comunicación entre diferentes máquinas, ya que esto requiere interoperabilidad entre diferentes buses de campo en formatos propietarios. De esta manera, los métodos de comunicación y los formatos de datos se mantienen privados. Esto ayuda a mantener fácilmente la seguridad de los datos, pero mantiene a los usuarios dependientes del fabricante de la máquina para los servicios y desarrollos futuros. Las computadoras de control recientes, incluida la interfaz hombre-máquina (HMI) conectada a las máquinas de procesamiento de polímeros, están basadas principalmente en Windows en estos días, pero están cargadas de software creado en un entorno de desarrollo propietario. Es posible utilizar controladores lógicos programables (PLC) de diferentes compañías para comunicarse con los sensores o actuadores, pero en muchos casos, el sistema de control de supervisión superior y adquisición de datos (SCADA) depende de las computadoras de control⁸. Esta práctica ha provocado que numerosos protocolos, buses de campo y sistemas de control compitan en el mercado. Aunque esta complejidad se ha aliviado poco a poco con el tiempo, muchos tipos de buses de campo y protocolos todavía están en uso activo.

Por otro lado, la comunicación entre dispositivos de control y SCADA ha sido estandarizada por la Open Platform Communications United Architecture (OPCUA)⁹. Además, la comunicación entre SCADA y el Sistema de Ejecución de Fabricación (MES) también se ha realizado principalmente a través de OPCUA. En una estructura jerárquica tan ajustada, no es fácil extraer datos libremente para el monitoreo y análisis de procesos. Por lo general, los datos deben extraerse del SCADA o MES¹⁰. Como se mencionó anteriormente, estos sistemas son específicos del proveedor y los formatos de datos rara vez están abiertos. Como resultado, la extracción de datos requiere un apoyo sustancial de los proveedores originales de soluciones de tecnología de la información / tecnología operativa (TI / OT). Esto puede dificultar la adquisición de datos para el monitoreo y el análisis.

En una línea de extrusión de película, el PC de control es supervisado por un sistema SCADA¹¹. El sistema SCADA es operado por un programa informático que no se puede modificar fácilmente. El programa de computadora puede ser editable, pero la edición es bastante costosa y requiere mucho tiempo. Para monitorear y analizar fácilmente los datos de procesamiento, los datos deben ser accesibles desde cualquier ubicación. Para monitorear los datos de procesamiento fuera del sitio, el programa de computadora debe ser capaz de transmitir los datos de procesamiento a Internet¹². Además, un método libre abierto reduce los gastos para la adquisición de datos¹³. Este enfoque permite que el análisis de datos se realice incluso en pequeñas fábricas que no pueden permitirse invertir en soluciones de TI comerciales¹⁴.

En este estudio, se emplea un protocolo de mensajes basado en el modelo editor-suscriptor. El transporte de telemetría de Message Queue Server (MQTT) es un protocolo abierto y estándar que permite la mensajería entre varios proveedores de datos y consumidores¹⁵. Aquí, proponemos un sistema que adquiere, transmite y monitorea datos utilizando MQTT para instalaciones de fabricación existentes. El sistema se prueba en una línea de extrusión de película para verificar el rendimiento. Los datos del controlador original se transmiten a un dispositivo perimetral a través del protocolo Modbus. Luego, los datos se publican en el corredor. Mientras tanto, dos Raspberry Pis publican las temperaturas y la iluminancia medidas en el mismo corredor. Luego, cualquier dispositivo en Internet puede suscribirse a los datos, seguido de monitorearlos y registrarlos como se muestra en la Figura 1. El protocolo en este trabajo muestra cómo se puede hacer todo el procedimiento.