Abordagens para controle e automação usando microsserviços e computação de borda na Indústria 4.0

Abstract

A Indústria 4.0 (I4.0) tem como objetivo revolucionar o cenário da produção industrial, criando um ambiente interligado, digitalizado e inteligente, o qual exige uma maior descentralização, uma abordagem mais modular e totalmente interoperável. Essas características não são atendidas pelas arquiteturas tradicionais de controle e automação industrial. Essa necessidade crucial impulsionou o desenvolvimento de novas arquiteturas para atender às demandas da I4.0, as quais têm sido baseadas em tecnologias como a Computação de Borda e a arquitetura de software baseada em serviços ou microsserviços. A Computação de Borda combinada com a arquitetura de microsserviços permite desenvolver aplicações independentes que conectam serviços disponibilizados por equipamentos e sistemas alocados em diferentes níveis hierárquicos industriais. No entanto, ainda há um desafio significativo relacionado à carência de ferramentas e de padronização para a difusão dessas aplicações de controle e automação baseadas em microsserviços e Computação de Borda na I4.0. Embora o tradicional padrão IEC 61131, contemple as ferramentas para o desenvolvimento das aplicações de controle e automação, o mesmo não acompanhou a evolução tecnológica e possui limitações no tocante à conectividade com essas tecnologias da I4.0. Em contrapartida, ferramentas de desenvolvimento de Tecnologia da Informação (TI), mais aderentes à essas tecnologias da I4.0, não proporcionam um desenvolvimento padronizado e alinhado às aplicações de controle e automação. Dessa forma, esta pesquisa investigou e desenvolveu abordagens para controle e automação usando microsserviços e Computação de Borda na I4.0. A primeira abordagem focou na integração de uma plataforma de software industrial baseada na norma IEC 61131, denominada OpenPLC, com os microsserviços. Essa integração foi feita através do desenvolvimento de um driver de comunicação e de uma biblioteca de blocos para a comunicação e programação padronizada com os microsserviços. A segunda focou na integração de uma ferramenta de TI voltada para a Computação de Borda, denominada Node-RED, com os microsserviços. Essa integração foi feita através do desenvolvimento de uma biblioteca de blocos aderente às aplicações de controle e automação para sistematizar a criação das aplicações com microsserviços. Um estudo comparativo entre estas duas abordagens é apresentado, discutindo suas vantagens e limitações. Ambras as abordagens foram implantadas e testadas experimentalmente em aplicações de automação e controle numa planta piloto de processos industriais baseada em microsserviços.

Industry 4.0 (I4.0) aims to revolutionize the industrial production scenario, creating an interconnected, digitalized and intelligent environment, which requires greater decentralization, a more modular and fully interoperable approach. These characteristics are not met by traditional industrial control and automation architectures. This crucial need has driven the development of new architectures to meet the demands of I4.0, which have been based on technologies such as Edge Computing and software architecture based on services or microservices. Edge Computing combined with microservices architecture allows the development of independent applications that connect services provided by equipment and systems allocated at different industrial hierarchical levels. However, there is still a significant challenge related to the lack of tools and standardization for the dissemination of these control and automation applications based on microservices and Edge Computing in I4.0. Although the traditional IEC 61131 standard includes tools for the development of control and automation applications, it has not kept up with technological evolution and has limitations regarding connectivity with these I4.0 technologies. On the other hand, Information Technology (IT) development tools, which are more in line with these I4.0 technologies, do not provide standardized development aligned with control and automation applications. Therefore, this research investigated and developed approaches for control and automation using microservices and Edge Computing in I4.0. The first approach focused on the integration of an industrial software platform based on the IEC 61131 standard, called OpenPLC, with microservices. This integration was done through the development of a communication driver and a block library for communication and standardized programming with microservices. The second focused on the integration of an IT tool aimed at Edge Computing, called Node-RED, with microservices. This integration was done through the development of a library of blocks adherent to control and automation applications to systematize the creation of applications with microservices. A comparative study between these two approaches is presented, discussing their advantages and limitations. Both approaches were implemented and experimentally tested in automation and control applications in a pilot plant of industrial processes based on microservices.