Облачная система управления производством в рамках жизненного цикла продукции на основе интернета вещей

Введение

В настоящее время жесткая конкуренция на мировых рынках вынуждает решать такие задачи, как сокращение сроков разработки и реализации продукции, повышение качества проектных и производственных процессов, снижение затрат (прямой капитал, заработная плата как в производственных, так и в логистических подразделениях), минимизация экологического ущерба и др. Новая Европейская инициатива под названием «передовые технологии производства для чистого производства» [1] направлена на значительное повышение производительности труда (скорости развития производства, качества работ, снижения материалоемкости, энергосбережения и др.) при существенном улучшении экологии производства. В рамках эиой инициативы необходимо отметить появление понятия «облачного производства» – новой производственной парадигмы и модели, основанной на Интернете вещей (IoT), облачных вычислениях, виртуальных и сервис-ориентированных технологиях [2,3]. Она превращает производственные ресурсы в услуги, которыми можно всесторонне обмениваться и распространять.

От CALS-технологий к промышленному интернету

Интернет вещей – это сеть сетей, в которую различные объекты встраиваются с помощью электронных датчиков, исполнительных механизмов или других цифровых устройств с тем, чтобы они могли быть объединены в сеть и подключены для целей сбора данных и обмена ими. «Инфраструктура взаимосвязанных сущностей, людей, систем и информационных ресурсов вместе с сервисами, которые обрабатывают и реагируют на информацию из физического и виртуального мира» [ISO/IEC 20924:2018 Information technology – Internet of Things – Definition and Vocabulary].

Эта новая промышленная революция требует умной системы управления производством, позволяющей вносить изменения как в производственные процессы, так и в новые модели интегрированной логистики. Такие процессы размывают традиционные границы между отраслями, создают множество сложных взаимосвязей.

Предшественниками IoT принято считать широко известные CALS-технологии, ресурсные вычисления, grid-вычисления, виртуализацию, гипервизоры и многое другое. Сервис-ориентированная архитектура (Service-Oriented Architecture – SOA) сыграла важную роль в развитии IoT. IoT и облачные вычисления являются в некотором смысле расширением SOA-приложений [4] (Kolchin, Ovsyannikov, Sumarokov, Strekalov, 2002).

Как правило, IoT обеспечивает подключение физических объектов, систем и служб, обеспечивая связь между объектами и совместное использование данных. Здесь любой объект или вещь оснащается специальным устройством для доступа в сеть и имеет выделенный IP-адрес. Ключевой технологией в IoT является технология автоматической идентификации (auto-ID) [5] (Ovsyannikov, Podkopaev, Bukhanov, 2016), которая может быть использована для создания смарт-объектов.

Связь между различными разнородными объектами и устройствами, имеющими разные принципы работы и контролируемые параметры, остается достаточно сложной задачей даже для небольшого числа таких устройств. Очевидно, что для большого количества этих устройств эта задача становится намного сложнее. Использование специальных облачных сервисов, предоставляющих необходимый функционал, представляется подходящим решением для промышленного продвижения IoT.

Основные функции облачной системы управления производством

Основные функции, которые должна реализовать создаваемая система, следующие:

· Дистанционное управление производственным оборудованием, реализация функций SCADA-систем в облачной платформе.

· Гибкое конфигурирование оборудования для решения конкретных производственных задач.

· Мониторинг выполнения производственных процессов в реальном времени.

· Контроль состояния оборудования (включая обработку сигналов датчиков и геопозиционирование).

· Организация взаимодействия пользователей и программных компонентов. Обработка больших массивов (Big Data) в облачной платформе.

· Взаимодействие с системами управления предприятием и жизненным циклом продукции (ERP, CAD/CAM/CAE, MES).

Система DENFORD CIM МГТУ им. Н.Э. Баумана [5] (Ovsyannikov, Podkopaev, Bukhanov, 2016) включает в себя фрезерную и токарную ячейки (станки с ЧПУ, робот-манипулятор и привод), конвейер, автоматизированную систему хранения и поиска ресурсов (АСР) со штабелером, и системы с производственными модулями и ГПС.

Облачная платформа SAP Hana (SAP HCP) [6], рассматриваемая как услуга (PaaS) для создания новых приложений или расширения существующих приложений в безопасной облачной вычислительной среде, управляемой SAP. Данная платформа содержит следующие основные компоненты: а) сервис удаленного управления устройствами (RDMS); б) сервис управления сообщениями (MMS); в) программные модули времени выполнения (сервлеты), реализующие бизнес-логику управления процессами или решающие различного рода вычислительные задачи; г) сервис кабины Internet of Things, обеспечивающий легкий сетевой доступ к различным сервисам. Он предлагает API для регистрации различных устройств и их типов данных.

За работу с внешними устройствами в SAP HCP отвечает специальный сервис SAP IoT. Являясь частью SAP HCP, он служит связующим звеном для работы с внешними источниками данных и исполнительными механизмами.

Общая схема взаимодействия платформы SAP HCP с внешними устройствами с помощью сервиса SAP IoT приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Связь платформы SAP HCP с внешними устройствами с помощью сервиса Hana IoT

Источник: составлено авторами.

Устройства могут отличаться друг от друга архитектурой, аппаратной реализацией, языками программирования, а также вариантами работы с SAP HCP. Наиболее распространенными аппаратными реализациями устройств являются микроконтроллеры, одноплатные компьютеры (например, Raspberry Pi) и обычные ПК.

База данных представлена в облаке вместе с Java-приложениями, имеющими к ней доступ. Также доступны HTML-приложения с пользовательским интерфейсом, чтобы обеспечить возможность управления системой через обычный веб-браузер из любой точки мира [8, 10].

Управляющие компьютеры (УК), напрямую взаимодействующие с оборудованием, подключены к облаку через защищенное соединение по протоколу WebSocket.

УК должен принимать команды из облака, преобразовывать их в последовательность управляющих воздействий и отправлять управляющие воздействия непосредственно на оборудование по стандартным протоколам. С другой стороны, УК должен определить состояние оборудования, преобразовать информацию в специальную информационную структуру и отправить ее в облачную часть.

В качестве УК используются микрокомпьютеры Raspberry Pi 3, на которых запущен специальный скрипт Python, обеспечивающий управление оборудованием и получение обратной связи по состоянию оборудования.

Программное управление портом осуществляется с помощью библиотеки Python Pyserial. Данные о текущем состоянии оборудования ГПС получаются через универсальный интерфейс ввода/вывода (GPIO) на Raspberry Pi

Осуществление диспетчеризации Дэнфорд-МГТУ ГПС

Использование концепции децентрализованной диспетчеризации означает, что большая часть функций реализована в системе управления гибким производственным модулем. Основное отличие от централизованной системы заключается в возможности организации связи между модулями без центральной диспетчерской системы. Все диспетчерские функции выполняются самими модулями. Здесь любой модуль анализирует свое состояние, делает запросы другим модулям на нужные ему ресурсы, анализирует сообщения от других модулей. Таким образом, приложения и сообщения циркулируют в децентрализованной системе [7] (Gornev, Emelyanov, Ovsyannikov, 1990).

Система диспетчеризации организована как классическая интеллектуальная система, включающая в себя базу данных и знаний, механизм вывода и средства объяснения. Построен алгоритм диспетчеризации, основанный на продукционных правилах. Эти правила дают возможность формировать команду управления устройством в зависимости от состояния системы.

Заключение

В работе предложены концепция, архитектура и основные функции облачной системы управления производством. Разработан алгоритм и программное обеспечение канала подключения устройств к облачной платформе SAP HANA Cloud Platform. В настоящее время реализована первая очередь системы управления ЖЦП, которая показала техническую возможность реализации данного проекта. В дальнейшем предполагается реализация основных этапов ЖЦП на основе облачной платформы и оценка их эффективности.