PID 4.0: Controlador Redundante de Processos para a Indústria 4.0 Baseado em Microsserviços

Abstract

A Indústria 4.0 iniciou um processo de digitalização e para isso vêm utilizando novas tecnologias como a Internet das Coisas, Computação em Nuvem, Arquitetura Orientada a Serviços e Sistemas de Controle em Rede. O uso integrado dessas tecnologias em aplicações recentes de automação e controle de processos proporcionam vantagens, como a interoperabilidade vertical e a padronização da comunicação, através do compartilhamento de serviços em rede. Redundância, na automação industrial, significa manter sistemas duplicados ou triplicados para garantir a disponibilidade de processos e dispositivos críticos. Tendo em vista o contexto da Indústria 4.0 este trabalho desenvolveu uma nova abordagem para se fazer redundância de controladores de processo na indústria. O objetivo foi desenvolver um controlador redundante usando uma arquitetura de automação orientada a microsserviços. O controlador redundante PID 4.0 é baseado em uma modificação do algoritmo PIDPlus para controle de processos em rede e operação como um microsserviço. Adicionalmente, uma aplicação de redundância (orquestrador) é responsável pela orquestração dos microsserviços e o registro das variáveis de controle, permitindo o compartilhamento de dados das variáveis de processo entre os controladores redundantes (em réplica). O PID 4.0 pode ser alocado em diferentes hardwares, no computador ou até mesmo em nuvem industrial, fornecendo versatilidade a este tipo de solução. O projeto foi desenvolvido em uma planta piloto de controle de processos industriais orientada a microsserviços. Resultados experimentais relacionados ao desempenho de controle e ao tempo de resposta da malha de controle em diferentes cenários demonstram a viabilidade e robustez da implementação do controlador PID4.0 redundante como um serviço. Adicionalmente, um estudo do impacto da forma de comunicação entre os serviços e controladores redundantes no desempenho de controle foi realizado. Essa abordagem tem uma promissora redução de custos e tempo de desenvolvimento das aplicações utilizando a virtualização de controladores, além de redução de hardware utilizado.

Industry 4.0 starts the digitalization process and for this they have been using new technologies as Industrial Internet of Things (IIoT), Cloud Computing, Service Oriented Architectures and Networked Control Systems. The integrated use of these technologies in recent applications of automation and process control provide advantages, such as vertical interoperability and standardization of communication, through the sharing of networked services. Redundancy, in the automation industry, means keeping systems duplicate or triplicate in order to ensure availability for processes and critical devices. In view of the Industry 4.0 context, this work has developed a new approach to making redundancy of process controllers in the industry. The goal was to develop a redundant controller using a microservice-oriented automation architecture. The redundant controller (PID4.0) is based on modification of the PIDPlus algorithm for network process control and operation such as a microservice. Additionally, a redundancy application (orchestrator) is responsible for orchestrating microservices and recording control variables, allowing the sharing of data from process variables among redundant controllers (in replica). PID 4.0 can be allocated on different hardware, on the computer, or even on industrial cloud, providing versatility to this type of system. The project was developed in a microservice-oriented industrial process control pilot plant. Experimental results related to control performance and control mesh response time in different scenarios demonstrate the feasibility and robustness of implementing the redundant PID4.0 controller as a service. Additionally, a study of the impact of the way of communication between the services and the redundant controllers on control performance was carried out. This approach has a promising reduction in costs and development time of applications using controller virtualization, in addition to hardware reduction utilized.