Arquitetura de automação e controle orientada a microserviços para a indústria 4.0

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Data

2020-03-05

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Universidade Estadual Paulista (Unesp)

Resumo

A Indústria 4.0 (I4.0) têm focado no uso conjunto de tecnologias de automação e informática industrial visando a obtenção de maior eficiência, qualidade e produtividade. Para o desenvolvimento da I4.0 é necessário a aplicação de tecnologias recentes como a Internet das Coisas Industrial (IIoT), os Sistemas de Controle via Redes e a Computação em Nuvem, entre outras. O grande desafio da I4.0 é promover a integração entre essas tecnologias, equipamentos e sistemas alocados em diferentes níveis hierárquicos dos sistemas industriais. Nesse sentido, um paradigma recente tem sido o da automação colaborativa por meio do uso e compartilhamento de serviços para obtenção de uma arquitetura flexível, distribuída e totalmente integrada através de redes de comunicação. Diante desse contexto, esta tese foca no desenvolvimento de uma arquitetura orientada a microserviços (MOA) para aplicações de automação e controle com foco na I4.0. A arquitetura é baseada no uso do framework Moleculer para microserviços e no desenvolvimento de serviços e composições de serviços para suportar as aplicações requeridas. Os serviços desenvolvidos podem ser executados em diferentes plataformas como computadores, sistemas embarcados e em nuvem. Serviços de Infraestrutura como Comunicação Máquina a Máquina, Controlador Lógico Programável e Aquisição de Dados são responsáveis por prover as funcionalidades básicas da arquitetura e usados para a composição das aplicações. Os serviços de Processos/Negócios como Controle e Supervisão de Processos executam as funcionalidades de alto nível e necessitam operar em composição com os serviços de infraestrutura. A arquitetura MOA, serviços e aplicações foram implementados e validados através de experimentos com malhas de controle em planta didática e em ambiente Hardware-In-the-Loop (HIL). Resultados experimentais demonstraram a viabilidade da arquitetura para aplicações de automação e controle de processos. A grande vantagem da arquitetura é a interoperabilidade, fornecida pela comunicação automática e transparente entre os serviços e aplicações, que é um fator importante para a I4.0. Uma análise temporal e da comunicação em rede mostrou que, apesar da latência e do jitter serem significativos, a arquitetura é confiável e recomendada para aplicações de automação e controle com orquestração de serviços com tempo de ciclo de ao menos 300 ms. A arquitetura também forneceu maior modularidade e escalabilidade para aplicações industriais, a partir da replicação e composição dos serviços.
Industry 4.0 (I4.0) has focused on the joint use of automation technologies and industrial informatics aiming at achieving greater efficiency, quality and productivity. The application of some recent technologies such as the Industrial Internet of Things (IIoT), Networked Control Systems and Cloud Computing, among others, is required for the development of the I4.0. The great challenge of I4.0 is to promote the integration of these technologies, equipment and systems allocated in different hierarchical levels of industrial systems. A recent paradigm has been the collaborative automation through the use and sharing of services in order to obtain a flexible, distributed and network-integrated architecture. In this context, this thesis focuses on the development of a Microservice Oriented Architecture (MOA) for automation and control applications focused on I4.0. The architecture is based on the use of the Moleculer framework for microservices and on the development of services and service compositions in order to support the required applications. The proposed services can be executed in different platforms such as computers, embedded systems and in the cloud. Infrastructure services such as Machine-to-Machine Communication, Programmable Logic Controller and Data Acquisition are responsible for providing the basic functionality for the architecture and for composition of applications. Business services such as Control and Supervision of Processes provide high-level functionality and need to operate in composition with the infrastructure services. The MOA architecture, services and applications were implemented and validated through experiments with control loops in a didactic plant and in a Hardware-In-the-Loop (HIL) environment. Experimental results demonstrated the feasibility of architecture for automation and process control applications. The great advantage of the architecture is interoperability, provided by the automatic and transparent communication between services and applications, which is an important factor for I4.0. A temporal analysis and network communication evaluation showed that although latency and jitter are significant, the architecture is reliable and recommended for automation and control applications with cycle time of service orchestration of at least 300 ms. The architecture also provided greater modularity and scalability for industrial applications, from the replication and composition of the services.

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Palavras-chave

Comunicação M2M, Serviços, Framework moleculer, Internet das Coisas, Sistema de controle via rede, Manufatura avançada, Manufatura Avançada, Services, Moleculer framework, Internet of things, Networked control systems, Smart manufacturing, Machine to machine communication

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