Dispositivo de controle para a indústria 4.0 baseado no RAMI 4.0 e OPC UA

Abstract

A Quarta Revolução Industrial ou I4.0 representa a evolução dos sistemas produtivos atuais a partir da união entre tecnologias de automação industrial e tecnologia da informação. A inovação técnica da I4.0 é caracterizada pela integração vertical e horizontal dos sistemas de fabricação, gerenciamento ao longo do ciclo de vida do produto e a descentralização de recursos computacionais. Para que isso ocorra, foi definido o Modelo de Referência de Arquitetura para a Industria 4.0 (RAMI 4.0) que compatibiliza os elementos da I4.0 em um modelo de camadas tridimensional. Um dos eixos horizontais do RAMI 4.0 define os níveis hierárquicos de elementos de uma indústria integrada em rede, indo desde o “produto” e “Dispositivo de Controle” até o “mundo conectado”. O grande desafio para adoção do RAMI 4.0 se encontra no desenvolvimento de soluções (equipamentos, sistemas e padrões) que suportem as funcionalidades de cada camada e as interações requeridas entre os seus elementos. Dessa forma, apesar de sua aceitação, o uso do RAMI 4.0 ainda é restrito às instituições de pesquisa e primeiros casos de execuções individuais, pois o modelo não é um guia de implementação, o que dificulta sua implementação completa. Com isso, este trabalho foca no estudo deste modelo de referência de arquitetura para o desenvolvimento de um Dispositivo de Controle de código aberto (open-source) para a Indústria 4.0 baseado no RAMI 4.0 e no seu respectivo protocolo de comunicação (padronizado e interoperável), denominado OPC UA. Este Dispositivo de Controle fornece as funcionalidades de programação de processos, identificação de peças por rádio frequência, comunicação em rede e supervisão dos equipamentos, disponibilizando as informações do processo controlado de forma padronizada, para qualquer tipo de plataforma conectada à rede e/ou Internet. O Dispositivo de Controle integra soluções de código aberto de hardware, software, comunicação e programação, cobrindo os relacionamentos entre três camadas do RAMI 4.0 (Ativos, Integração e Comunicação). Experimentos em um cenário de laboratório I4.0 foram utilizados para a validação da operação do Dispositivo de Controle. Finalmente, são discutidas algumas oportunidades e propostas para a atualização do Dispositivo de Controle em um Componente I4.0 da RAMI 4.0.

The Fourth Industrial Revolution or I4.0 represents the evolution of current production systems based on the union between industrial automation technologies and information technology. The technical innovation of I4.0 is characterized by the vertical and horizontal integration of the manufacturing systems, management throughout the product life cycle and the decentralization of computational resources. For this to happen, the Reference Model for Industry 4.0 (RAMI 4.0) was defined, which makes the elements of I4.0 compatible in a three-dimensional layered model. One of the horizontal axes of RAMI 4.0 defines the hierarchical levels of elements of an integrated industry, ranging from the “product” and “control device” to the “connected world”. The big challenge for the adoption of RAMI 4.0 is found in the development of solutions (equipment, systems and standards) that support the functionalities of each layer and the required interactions between its elements. Thus, despite its acceptance, the use of RAMI 4.0 is still restricted to research institutions and first cases of individual executions, as the model is not an implementation guide, which makes it difficult to fully implement it. Thus, this work focuses on the study of this reference architecture model for the development of an open source control device (open-source) for Industry 4.0 based on RAMI 4.0 and its respective communication protocol (standardized and interoperable), called OPC UA. This control device provides the functionalities of process programming, identification of parts by radio frequency, network communication and supervision of equipment, providing the information of the controlled process in a standardized way, for any type of platform connected to the network and / or the Internet. The Control Device integrates open source solutions for hardware, software, communication and programming, covering the relationships between three layers of RAMI 4.0 (Assets, Integration and Communication). Experiments in an I4.0 laboratory setting were used to validate the operation of the Control Device. Finally, some opportunities and proposals for updating the Control Device in an I4.0 Component of RAMI 4.0 are discussed.