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LE TECNOLOGIE

Industria 4.0, un protocollo alleato delle Pmi: OPC-UA

In che modo il protocollo di comunicazione macchina-macchina OPC-UA integra impianto di produzione e sistemi aziendali, attraverso l’internet delle cose, per la digitalizzazione in chiave Industria 4.0 delle Pmi

17 Ott 2018

Claudio Demartini

Politecnico di Torino, Dipartimento di Automatica e Informatica - CNR, Istituto di Elettronica, Ingegneria, Informatica e Telecomunicazione


Soluzioni nuove, ma sempre in grado di rispondere in tempo reale, sono necessarie per sostenere l’ecosistema “Industria 4.0”, paradigma olistico sempre più presente, e in dirompente estensione, anche nella piccola e media impresa che coinvolge sia le reti di comunicazione locali, sia quelle geografiche.

Un esempio viene dall’applicazione della norma OPC-UA, protocollo di comunicazione macchina-macchina sviluppato dalla Fondazione OPC, basato sullo standard IEC62541 [14], e opera con il protocollo TCP.

Cosa è la norma OPC UA

La norma OPC UA descrive la struttura dei modelli semantici dell’informazione e come questa viene trasferita tra gli attori partecipanti alla comunicazione e come tali modelli possono essere estesi attraverso l’impiego di specifici schemi per la descrizione dei profili dei dispositivi attori [15], essendo questi ultimi anche sensori e applicazioni IT industriali [16].

In questa esperienza è stato utilizzato lo standard OPC-UA [17] per lo sviluppo di un linguaggio normato e univoco a vantaggio della comunicazione tra dispositivi e applicazioni. La soluzione tracciata in questo documento è il progetto e la realizzazione di un “tunnel” in grado di trasferire i dati raccolti dal nodo industriale, basato su protocolli come Profinet, Modbus TCP, e così via, alle piattaforme di Internet delle Cose.

Le attività basate sulla norma OPC-UA

I sistemi informativi industriali sono diventati una parte sempre più essenziale dell’automazione, del controllo del movimento, dei sistemi di controllo e della sicurezza in rete. Allo stesso tempo la normazione delle specifiche per l’interoperabilità in rete dei sistemi e dei dispositivi, ha iniziato ad evolvere in quella stessa direzione, con particolare riferimento alla pianificazione delle future architetture di tali sistemi, aperte, dinamiche e flessibili.

In tale quadro, attività promettenti basate sulla norma OPC-UA sono un serio tentativo per soddisfare requisiti più rigorosi per l’interoperabilità e la condivisione dell’informazione, soddisfacendo i vincoli stringenti impliciti nella gestione della risposta in tempo reale. Esigenza, quest’ultima, che si impone a tutti i sistemi di tipo industriale. Per questi motivi, descriviamo la sperimentazione di un’architettura basata sulla norma OPC-UA, con l’obiettivo primario di proporre un sistema di raccolta dati che, a partire dall’officina e attraverso l’architettura standard, integri verticalmente processi di elaborazione in modo agile ed efficace.

Le analisi effettuate su un progetto pilota realizzato congiuntamente dal Politecnico di Torino, Dipartimento di Automatica e Informatica, e dall’Istituto Eii del CNR si concentrano principalmente sulla misura e sulle prestazioni della soluzione proposta.

Verso i sistemi di automazione intelligenti

Uno degli obiettivi principali di questa ricerca sui processi e sulle infrastrutture proprie dell’automazione di fabbrica, è di favorire la transizione progressiva dal controllo tradizionale dei sistemi di produzione, all’automazione basata sui sistemi cosiddetti “intelligenti”. A questo scopo, verificare l’applicazione del paradigma dell’Internet delle Cose può essere una soluzione praticabile per fondere i sistemi di automazione propri delle linee di produzione con il mondo Internet utilizzando la tecnologia IoT. Un interessante prospettiva è quella di sfruttare il “Cloud Computing” ibrido e scalabile [5], ad esempio, per l’archiviazione dei dati o per l’analisi dei dati in tempo reale, accedendo a potenza di calcolo collocata in siti remoti rispetto all’utilizzo dei risultati da essa stessa elaborati. Questa prospettiva offre diverse soluzioni per predisporre un’architettura infrastrutturale, dinamica e flessibile, per organizzare risorse di elaborazione intese come servizio fornito su richiesta, quando necessario. Lo scenario sistemico è quello della produzione intelligente [6], nuova nella sua concezione, perché agile e adattativa.

L’evoluzione in atto nei sistemi di comunicazione per l’automazione in chiave Industria 4.0 propone nuovi protocolli che estendono la propria azione alla gestione della connessione a Internet. La trasformazione della comunicazione nell’ambito della produzione industriale inizia, infatti, con il protocollo Fieldbus (1989), creato allora per evitare il cablaggio parallelo, intricato e complesso, che collegava i sensori ai PLC (controllori a logica programmabile) e ai controlli numerici: in questo contesto si collocano anche i protocolli dei diversi livelli fisici come, ad esempio, il Controller Area Network (CAN) [7], il Process Field Bus (PROFIBUS) [8] e l’INTERBUS [9]. Alcuni anni dopo, quando Internet e le tecnologie dell’informazione hanno già iniziato a permeare l’industria, l’economia e la società tutta, il mondo dell’automazione viene stimolato nell’applicazione di nuovi protocolli di comunicazione, basati su Ethernet, fondamento dell’architettura dei protocolli di Internet. Sfortunatamente, Ethernet standard, che è principalmente pensato per l’ufficio e per le applicazioni aziendali di alto livello, è spesso inadatto per l’automazione di fabbrica e per il controllo di processo, domini ove la risposta in tempo reale fa la differenza. Pertanto specifici protocolli sono stati studiati e realizzati per la comunicazione d’officina, adottando la maggior parte dei meccanismi Ethernet in corrispondenza dei livelli fisico e data-link (primo e secondo livello dell’architettura ISO-OSI), ma senza acquisire la piena compatibilità con i dispositivi Ethernet convenzionali. Si tratta di soluzioni che soddisfano il requisito della risposta in tempo reale [10], come ad esempio PROFINET- Isochronous Real-Time (IRT) [11], EtherCAT [12], che si diffondono comunque molto velocemente nel dominio.

I problemi di compatibilità e interoperabilità

Occorre anche considerare che esiste la necessità di coniugare l’operatività di componenti già presenti nella fabbrica con le nuove soluzioni: se uno degli obiettivi chiave di Industry 4.0 è collegare l’officina al mondo Cloud, sorge un problema di compatibilità e interoperabilità. Se i PLC (Computer a Logica Programmabile), i DCS (Sistemi di Controllo Distribuito) e i Robot – la cui interconnessione è basata su protocolli ben noti – devono essere collegati a Internet, occorre introdurre un livello di intermediazione. L’Architettura Orientata al Servizio (SOA) OPC-UA (Open Platform Communications – Unified Architecture) può essere scelta come candidato per integrare i sistemi dell’impianto di produzione con i sistemi aziendali: una vera e propria integrazione verticale per spostare i dati dal livello del dispositivo (shopfloor) al livello superiore dell’applicazione [13].

 

BIBLIOGRAFIA

[1] M. Wollschlaeger, T. Sauter, and J. Jasperneite, “The future of industrial communication: Automation networks in the era of the internet of things and industry 4.0,” IEEE Industrial Electronics Magazine, vol. 11, no. 1, pp. 17–27, March 2017.

[2] Y. Liao, F. Deschamps, E. de Freitas Rocha Loures, and L. F. P. Ramos, “Past, present and future of industry 4.0 – a systematic literature review and research agenda proposal,” International Journal of Production Research, vol. 55, no. 12, pp. 3609–3629, 2017. [Online]. Available:

https://doi.org/10.1080/00207543.2017.1308576

[3] S. Li, L. D. Xu, and S. Zhao, “5g internet of things: A survey,” Journal of Industrial Information Integration, 2018. [Online]. Available: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2452414X18300037

[4] J. Wan, S. Tang, Z. Shu, D. Li, S. Wang, M. Imran, and A. V. Vasilakos, “Software-defined industrial internet of things in the context of industry 4.0,” IEEE Sensors Journal, vol. 16, no. 20, pp. 7373–7380, Oct 2016.

[5] Q. Liu, J. Wan, and K. Zhou, “Cloud manufacturing service system for industrial-cluster-oriented application,” vol. 15, pp. 373–380, 05 2014.

[6] F. Shrouf, J. Ordieres, and G. Miragliotta, “Smart factories in industry 4.0: A review of the concept and of energy management approached in production based on the internet of things paradigm,” in 2014 IEEE International Conference on Industrial Engineering and Engineering Management, Dec 2014, pp. 697–701.

[7] S. E. Marx, J. D. Luck, S. K. Pitla, and R. M. Hoy, “Comparing various hardware/software solutions and conversion methods for Controller Area Network (CAN) bus data collection,” Computers and Electronics in Agriculture, vol. 128, pp. 141 – 148, 2016. [Online]. Available: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0168169916307281

[8] E. Tovar and F. Vasques, “Real-time fieldbus communications using Profibus networks,” IEEE Transactions on Industrial Electronics,

vol. 46, no. 6, pp. 1241–1251, Dec 1999.

[9] E. Ahmed, I. Yaqoob, A. Ahmed, A. Gani, M. Imran, and S. Guizani, “Green industrial networking: recent advances, taxonomy, and open research challenges,” IEEE Communications Magazine, vol. 54, no. 10, pp. 38–45, October 2016.

[10] P. Danielis, J. Skodzik, V. Altmann, E. B. Schweissguth, F. Golatowski, D. Timmermann, and J. Schacht, “Survey on real-time communication via ethernet in industrial automation environments,” in Proceedings of the 2014 IEEE Emerging Technology and Factory Automation (ETFA), Sept 2014, pp. 1–8.

[11] Industrial communication networks – Profiles – Part 2: Additional fieldbus profiles for real-time networks based on ISO/IEC 8802-3 – Communication Profile Family 3 (PROFIBUS & PROFINET), Jul. 2014, IEC 61784-2:2014.

[12] G. Prytz, “A performance analysis of ethercat and profinet irt,” in 2008 IEEE International Conference on Emerging Technologies and Factory Automation, Sept 2008, pp. 408–415.

[13] G. Candido and F. Jammes and J. B. de Oliveira and A. W. Colombo, “Soa at device level in the industrial domain: Assessment of opc ua and dpws specifications,” in 2010 8th IEEE International Conference on Industrial Informatics, July 2010, pp. 598–603.

[14] OPC Unified Architecture – Part 100: Device Interface, Jul. 2015, IEC 62541-100:2015.

[15] F. Palm, S. Grner, J. Pfrommer, M. Graube, and L. Urbas, “Open source as enabler for OPC UA in industrial automation,” in 2015 IEEE 20th Conference on Emerging Technologies Factory Automation (ETFA), Sept 2015, pp. 1–6.

[16] T. Hadlich, “Providing device integration with opc ua,” in 2006 4th IEEE International Conference on Industrial Informatics, Aug 2006, pp. 263–268.

[17] https://youtu.be/-tDGzwsBokY, accessed on 26/05/2018

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