Smart objects for the industry 4.0

Abstract

This dissertation was developed in accordance with the present technological context, focusing on the Industry 4.0. The contemporary industrial wave is associated with the rise of diversity and availability of new technologies. With that said is possible to imply that industrial factory efficiency, threw the gathering of information in real time, is even more relevant in today´s society. First aproach to the this disseration was to research what composes a industry 4.0 network the difficulties it is faced with. One of many difficulties observed were the integration of many of physical systems to the cloud while mantaining a reak time feed. Also a system in the industry implies heavy loads in a network therefore there needs be added "lightweight" protocols to run in the system. Following these considerations the company "Körber Supply Chain PT" was contacted. With the idea proposed of using one of their machines a Industrial Internet of Things (IIoT) was developed and tested, aiming that the company would be able access and process machine data in real time while plotting to a dashboard. In this work the processes that compose a network are discussed, with special detail two communication protocols: Message Queuing Telemetry Transport (MQTT) and Advanced Message Queuing Protocol (AMQP). This mentioned protocols are subject to benchmarks made to prove performance and stability of the exposed problem. The parameters tested are the following: maximum message rate, adaptation too node increase and resources used. Upon analyses it was seen that MQTT would be the protocol used. Upon protocol selection follows the system design around the IOT2050 and a Siemens Programmable Logic Controller (PLC). The IOT will function as a Gateway, where the data received by the PLC would be processed to a JavaScript Object Notation (JSON) and then sent to the cloud via MQTT. The IOT2050 will run Node-RED instance with the appropriate ow to accomodate these requirements. Performance test are then made within the context of this dissertation, that prove that the Gateway can keep up with the PLC clock cycles. They also prove that no message is lost between IOT and PLC, although Node-RED may have it´s limitations in generating messages on the 30 millisecond clock cycle. Therefore in the experimental scenario it can be concluded that the system will function in the proposed solution Finally the system was brought to Körber Supply Chain PT warehouse where it was tested on their machine, having the expected results. All variables were read and plotted in the dashboard developed, concluding that the system works in a real life application.

Esta dissertação foi desenvolvida em concordância com o contexto atual tecnológico, nomeadamente a Industria 4.0. A contemporânea vaga industrial está associada a um aumento tanto da diversidade como da disponibilidade e relevância de novas tecnologias. Posto isto, é possível deduzir que a otimização de fabricas, através da disponibilização virtual de informação em tempo real, é ainda mais relevante na sociedade de hoje em dia. No seguimento de todas as considerações mencionadas fez-se um trabalho de pesquisa aos pontos fulcrais de um sistema que se insere na Indústria 4.0 tem. Os pontos principais do sistema encontrados foram a integração de sistemas físicos na cloud com acesso aos dados em tempo real tendo o desafio de usar protocolos "leves", pois estes sistemas irão introduzir um volume grande na rede da infraestrutura. Após o estudo era ideal comprovar a sua aplicação então a empresa Körber Supply Chain PT foi contactada. Com a actividade da empresa em mente, um sistema de Industrial Internet of Things foi proposto e testado, sistema este que permite à fabrica ter acesso à informação virtualmente e em tempo real, estando esta informação em dashboard. Nesta dissertação são abordados os processos que compõem uma rede, com especial ênfase para dois protocolos de comunicação: MQTT e AMQP. Os protocolos mencionados são sujeitos aos mesmos benchmarks, utilizados no sentido de avaliar a performance e adaptabilidade ao problema proposto. Os valores testados são: velocidade máxima de envio, adaptação ao acresço de nodes no sistema e uso de recursos no sistema. Após analise, conclui-se que o protocolo mais adequado para a situação exposta é o MQTT. Finalizando a escolha do protocolo, segue-se o layout da arquitectura. O sistema é composto por um elevador automático composta por um PLC da Siemens acrescentando um IOT2050. O IOT2050 alberga a função de gateway, na qual se processam os dados recebidos do PLC enviando um json para a cloud, usando uma rede MQTT. O IOT2050 corre Node-RED e comunica com o PLC para obtenção de dados dos sensores da maquina. A leitura dos dados é feita num painel em Node-RED. Testes de performance, realizados no contexto desta dissertação, mostram que o Gateway consegue trabalhar em conjunto com o PLC. Os testes provam também que nenhuma mensagem é perdida no envio, apesar da possibilidade do Node-RED ter limitações para triggers abaixo dos 30ms. Assim, os testes mencionados permitem concluir que o sistema proposto funciona como previsto, em ambiente experimental de laboratório. Adicionalmente, os testes em laboratório foram repetidos no contexto de fábrica. O resultado obtido correspondeu ao resultado esperado. Todas as variáveis foram lidas corretamente e o dashboard melhorou a interface com a máquina. Assim, é pertinente concluir que o sistema desenhado é funcional, não só em contexto experimental, mas também em contexto real.