Network infrastructures for industry 4.0: a proof of concept on IoT 2020

Abstract

Industry 4.0 aims to integrate the Internet of Things (IoT) into industrial environments creating Industrial Internet of Things (IIoT). Industry 4.0 brings ample value to businesses' production systems to tackle current and future challenges and competition in the marketplace. Portuguese companies are aiming to adopt Industry 4.0 in their current manufacturing facilities in order to make their companies more competitive in national and international marketplaces. In this dissertation two use cases are presented that illustrate a snapshot of the current industry architecture. One is a production line in a car factory where the raw material undergoes two distinct processes. The second is the manufacturing line in a Portuguese ornamental stone factory where a raw stone is processed into stone ready to be applied in facades of buildings. As part of the Industry 4.0 adoption process, the creation of cyber-physical systems (CPS) is required. A CPS is the integration and coordination between computational and physical resources and requires the sensorization of everything that is to become part of it, such as industrial machines and transport systems. Since this sensorization requires the deployment of several new sensors, actuators and IoT gateways a cheaper alternative is studied in this work. The next part of this dissertation is the creation of a demonstrator with IoT 2020. This is a cheaper alternative for an IoT gateway that runs a distribution of Linux and can be programmed using a transversal programming language like C and C++. In this demonstrator an IoT 2020 is connected to sensors, actuators and to the network using MQTT. A Node-RED dashboard is used in order to interact with the system. The results show that IoT 2020 is able to receive and execute commands from the network. It takes about 12 milliseconds to acquire the values of four sensors and publish them to the network. This dissertation work is part in a funded project called Produtech. Produtech aims to enable the transformation of the Portuguese industry in order to embrace Industry 4.0.

A Indústria 4.0 visa integrar a Internet das Coisas (IoT) em ambientes industriais, criando a Internet das Coisas Industrial (IIoT). A Indústria 4.0 adiciona amplo valor aos sistemas de produção das empresas de modo a enfrentar os desafios atuais e futuros assim como a concorrência no mercado. As empresas portuguesas pretendem adotar a Indústria 4.0 nas suas atuais instalações de manufatura, a fim de as tornar mais competitivas nos mercados nacionais e internacionais. Neste trabalho, são estudados dois casos práticos. O primeiro é uma linha de produção na fábrica automóvel, onde a matéria-prima passa por dois processos distintos e o outro é a linha de fabricação numa fábrica de produção de pedras ornamentais portuguesa, onde uma pedra bruta é processada em pedra pronta para ser aplicada nas fachadas dos edifícios. Esses casos práticos são estudados de modo a elaborar a arquitetura atual da indústria. Como parte do processo de adoção da Indústria 4.0, é necessário criar sistemas ciber-físicos (CPS). Um CPS é a integração e coordenação entre recursos físicos e computacionais. Um requisito de um CPS é a sensorização de tudo o que se tornará parte do CPS, como máquinas industriais e sistemas de transporte. Como essa sensorização requer a implantação de vários novos sensores, atuadores e gateways de IoT, uma alternativa mais barata é estudada neste trabalho. A próxima parte desta dissertação é a criação de um demonstrador com o IoT 2020, que é uma alternativa mais barata para um gateway de IoT que corre uma distribuição de Linux e pode ser programado usando uma linguagem de programação transversal como C e C ++. Neste demonstrador, um IoT 2020 é conectado a sensores, atuadores e à rede utilizando MQTT. Um painel de controlo Node-RED é utilizado para interagir com o sistema. Os resultados mostram que, o IoT 2020 é capaz de receber e executar comandos vindos da rede. Para adquirir os valores de quatro sensores e publicá-los na rede, demora cerca de 12 milissegundos. Este trabalho de dissertação está inserido num programa mobilizador financiado chamado Produtech. Produtech tem como objetivo viabilizar a transformação da indústria portuguesa de modo abranger a Indústria 4.0.