Arquitetura plug-and-produce orientada a microsserviços para automação na indústria 4.0

Abstract

A Indústria 4.0 (I4.0) norteou a evolução das arquiteturas de controle e automação para a orientação a serviços, a Computação em Nuvem, na Borda e a comunicação baseada na Internet das Coisas Industrial, buscando fornecer maior modularidade, integração vertical e conectividade. Nessa temática, a vanguarda do conhecimento e das pesquisas atuais se encontra nos desafios de desenvolvimento e padronização dos modelos de informação, dos métodos, processos e gestão dos ativos industriais e da criação (composição) e gerenciamento das diferentes aplicações industriais baseadas em serviços. O objetivo desta pesquisa foi o desenvolvimento de uma arquitetura Plug-and-Produce (PnPr) orientada a microsserviços para automação na Indústria 4.0 sistematizada em dois processos. O processo de Plug, contemplando as etapas de modelar, agregar, servitizar, instalar e descobrir, focado no comissionamento e descoberta dos ativos; e o processo de Produce, contemplando as etapas de comunicar, selecionar, analisar, compor e gerenciar, focado na composição dos ativos para criação das aplicações. Na parte do Plug investigou-se e desenvolveu-se a modelagem da informação dos ativos baseada no padrão do Asset Administration Shell (AAS), a disponibilização dessas informações através de um agregador de dados compatível com AAS, a programação lógica, registro e descoberta dos ativos como um microsserviço e a instalação e gestão dos ativos usando tecnologia de contêineres (Docker). Na parte do Produce, a orquestração das aplicações foi desenvolvida através da composição dos ativos usando ferramentas de desenvolvimento na borda industrial, como o Node-RED, através das comunicações disponíveis na arquitetura PnPr: API Gateway, microsserviços (Transporter) e OPC UA. O desenvolvimento da arquitetura PnPr é apresentado, detalhando-se as etapas do Plug e do Produce. A validação experimental da arquitetura foi realizada numa planta piloto de controle de processos baseada em microsserviços, descrevendo as etapas do processo de Plug. Ativos foram compostos para criação de malhas de controle de processo apresentando as etapas do Produce. Experimentos na planta piloto demonstraram a facilidade na implantação de ativos e a capacidade de reconfiguração dinâmica de aplicações industriais de controle e automação de processos. A arquitetura PnPr habilita a universalização do acesso aos ativos industriais e a criação de Gêmeos Digitais, bem como a compatibilidade com o padrão emergente Open-Process Automation Standard (O-PAS), reforçando seu alinhamento com os pilares da Indústria 4.0.

Industry 4.0 (I4.0) has guided the evolution of control and automation architectures toward service orientation, Cloud and Edge Computing, and communication based on the Industrial Internet of Things, seeking to provide greater modularity, vertical integration, and connectivity. In this context, the forefront of current knowledge and research lies in the challenges of developing and standardizing information models, methods, processes, and the management of industrial assets, as well as in the creation (composition) and management of different service-based industrial applications. The objective of this research was the development of a Plug-and-Produce (PnPr) microservice-oriented architecture for automation in Industry 4.0, systematized in two processes. The Plug process encompasses the stages of modeling, aggregating, servitizing, installing, and discovering, focused on commissioning and asset discovery; and the Produce process encompasses the stages of communicating, selecting, analyzing, composing, and managing, focused on asset composition for application creation. In the Plug part, the modeling of asset information based on the Asset Administration Shell (AAS) standard was investigated and developed, the provision of this information through an AAS-compatible data aggregator, the logical programming, registration, and discovery of assets as a microservice, and the installation and management of assets using container technology (Docker). In the Produce part, application orchestration was developed through the composition of assets using industrial edge development tools, such as Node-RED, through the communications available in the PnPr architecture: API Gateway, microservices (Transporter), and OPC UA. The development of the PnPr architecture is presented in detail, describing the Plug and Produce stages. The experimental validation of the architecture was carried out in a pilot process control plant based on microservices, describing the stages of the Plug process. Assets were composed to create process control loops, demonstrating the stages of the Produce process. Experiments in the pilot plant demonstrated the ease of asset deployment and the capability for dynamic reconfiguration of industrial process control and automation applications. The PnPr architecture enables the universalization of access to industrial assets and the creation of Digital Twins, as well as compatibility with the emerging Open-Process Automation Standard (O-PAS), reinforcing its alignment with the pillars of Industry 4.0.ywords: automation architectures; services; information models; orchestration; process control.