Informatica industriala IIo T Industrial Internet of Things

Informatica industriala IIo. T – Industrial Internet of Things

Definire n Io. T – Internetul obiectelor – colectie de obiecte (inteligente) interconectate printr-o retea de larga raspandire (Internet) n In ideea de „ubiquitous computing”- calculatoare peste tot n IIo. T – Industrial Io. T – colectie de dispozitive (mai ales cu caracter industrial) interconectate printr-o retea si care deservesc diferite aplicatii de monitorizare si control n Comunicatie de tip M 2 M – machine-to-machine communication n Elemente constitutive: n Dispozitive industriale: senzori, elemente de executie, regulatoare, PLC -uri, calculatoare de proces, etc. ) n Retele de comunicatie: retele senzoriale, retele industriale, retele de calculatoare, retele de larga raspandire (Internet) n Aplicatii distribuite de control: de monitorizare, de supraveghere si control, de optimizare, de administrare a unor resurse fizice sau a unor servicii comunitare (ex. distribuitie de energie electrica, gaz, apa, etc. )2

Scop/obiective ale IIo. T n Colectarea de date referitoare la procese industriale n n n n de fabricatie, transport sau distributie Administrarea in timp-real a resurselor fizice ale unei companii productive Optimizarea proceselor de fabricatie, a consumurilor de materiale, a resurselor materiale si umane Mentenanta proceselor de fabricatie Securizarea datelor privind procesele de fabricatie Monitorizarea factorilor de poluare (emisii de CO 2, SO 2, nitrati, etc. ) Suport pentru: orase inteligente, transport inteligent, monitorizarea factorilor de mediu, servicii medicale informatizate (e. Health), administrare inteligenta (e. Guvernance), etc. Sustenabilitate si Economie circulara – deseurile 3 devin materie prima pentru urmatorul ciclu de fabricatie

Io. T, Industry 4. 0 si Cyberphysical systems n Io. T – in acest context defineste o colectie de dispozitive non-industriale, mai ales dispozitive pentru consumatori casnici (ex. frigider, centrala termica, aer conditionat securitate casnica, etc. ) n Industry 4. 0 – a 4 -a revolutie industriala n Productia industriala administrata, eficientizata prin tehnologii informatice n CPS – cyber-physical systems – asociere intre o infrastructura fizica si un sistem informatic distribuit 4

Relatia dintre Io. T, Industry 4. 0 si Cyber-physical systems 5

Comparatie Io. T v. s. IIo. T pentru consumatori neindustriali Io. T Industrial Impact revolutie Modelul de serviciu Centrat pe utilizator/om Centrat pe masina Stare curenta Posibilitate nexeploatata suficient Exista implementari, dispozitive si standarde Conectivitate Ad-Hoc Retele stabile, controlate centralizat Grad de utilitate Nu este stringent Critic (timp de transmisie, disponibilitate, securitate, Volum de date Mediu, mare Mare la foarte mare 6

Concepte asociate n Sisteme cyber-fizice – infrastructuri/instalatii/echipamente industriale n n n controlate printr-o infrastructura informatica Sisteme distribuite de control – sisteme de automatizare complexe care se intind pe o anumita arie geografica Cloud computing – facilitati de procesare si stocare a datelor disponibile la cerere sub forma de servicii informatice de inalta performanta (unitati de procesare multiple, unitati de stocare de capacitate foarte mare) Edge computing – paradigma de calcul distribuit ce prevede descentralizarea controlului si distribuirea de cod si date catre elementele simple aflate la periferia unei infrastructuri (ex. la nivel de senzori) Big data – colectarea, procesarea si extragerea de cunostinte din volume foarte mari de date; Inteligenta artificiala si invatare automata - utilizarea de tehnici 7 inteligente de catalogare, clasificare si recunoastere

Arhitectura unui sistem IIo. T 8 Sursa: wikipedia

Arhitectura multistrat a unui sistem IIo. T Sursa: wikipedia 9

Modele de IIo. T n Diverse arhitecturi/modele de referinta: n Varianta 1 n Nivelul dispozitivelor fizice - senzori, elemente de executie, echipamente n Nivelul de comunicatie - retele senzoriale, retele industriale, bridge catre n Nivelul aplicatiilor si serviciilor - Aplicatii si servicii de monitorizare si n n retea internet, Internet control, analiza si procesare (inteligenta) a datelor Nivelul de prezentare - Diverse interfete de vizualizare a proceselor pentru diverse categorii de utilizatori Varianta 2 (dat de International Telecommunication Union) n n n electro-mecanice fizice Masurare - Sensing – masurarea parametrilor de proces Acces - Accessing – identificare, adresare si regasire de informatii Retea - Networking – dirijarea mesajelor Middleware – servicii de comunicatie Aplicatii - application layers – servicii/aplicatii de monitorizare si control Varianta 3 n n n Perceptie Comunicatie servicii 10

Probleme, provocari n Probleme de comunicatie n n n n Fiabilitatea si disponibilitatea retelelor actuale de comunicatie Retelele industriale (ex. CAN, Profibus, Field. Bus. Foundation) sunt greu de integrat in retelele WAN (ex. Internet) acuale Lipsa unor modele de referinta (ex. asemanator cu ISO-OSI) Spatiu de adresare insuficient pentru volumul dispozitivelor conectabile (zeci de miliarde) Conectivitate limitata pentru un numar atat de mare de dispozitive (vezi spectrul limitat al canalelor radio la transmisia fara fir) lipsa unor protocoale de comunicatie de timp-real (care sa respecte constrangerile de timp) Probleme de adresare a dispozitivelor si a datelor colectate: n Identificarea unica a elementelor IIo. T – similar cu serviciul de numire DNS sau URL/URI din Internet n Protejarea accesului la date/dispozitive private – datele contin informatii sensibile pentru proprietari n Adresarea informatiei si nu a dispozitivului fizic (vezi date meteo) 11 n Acces uniform si flexibil prin concepte de tip: Dispozitive virtuale si organizatii virtuale (VO)

Solutii de comunicare pentru IIo. T n Retele senzoriale fara fir n Avantaje: Usor de implementat, nu necesita infrastructura de comunicatie, se pot auto-organiza n Dezavantaje: folosesc frecvente publice vulnerabile, numar limitat de canale radio disponibile, zone cu zgomot sau trafic intens n Exemple: n n n Bluetooth, Bluetooth mesh Zig. Bee Z-Wave Thread XBEE – Simplic. IT – dezvoltat de Texas Instruments 12

Solutii de comunicare pentru IIo. T n Retele industriale n Avantaje: special concepute pentru mediul industrial, determinism, predictibilitate, fiabilitate ridicata, comportament de timp-real n Dezavamtaje: Greu accesibile prin retele obisnuite, probleme de conectivitate la Internet, izolare; necesita un element de adaptare (gateway) n Exemple: n n n n Profibus, CAN, Fieldbus Foundation, P-Net BACnet, RS 485, HART, Mod. Bus Ethernet/IP(Ethernet/ Industrial Protocol), Ether. Cat, Profi. Net CIP - Common industrial Protocol Wireless. HART, ISA 100. 11 a LPWAN – low power WAN- mesaje cu frecventa foarte mica Lo. Ra. WAN OPC – Open Platform comunication – un cadru pentru comunicatie pe baza de obiecte, orientat pe servicii (standardul IEC 62541) 13

Solutii de comunicare pentru IIo. T n Protocoale din stiva TCP/IP n Avantaje: solutii ieftine existente din retelele de calculatoare; accesibilitate directa prin Internet (fara adaptari, gateway, etc. ) n Dezavantaje: fiabilitate negarantata, nu suporta comunicatie de timp-real sau prioritizata n Exemple: n n n n Wi. Fi Ethernet UDP pentru timp de reactie scurt (TCP mai greoi) Message Query Telemetry Transport (MQTT) – trimitere de informatii de la dispozitive la server XMPP – Extensible Messaging and Presence Protocol Paradigma: publisher/subscriber in loc de client/server Web – mai dificil dar nu imposibil; dispozitivul (ex. senzor inteligent) devine server ce furnizeaza 1 -2 pagini web ce contin marimile fizice pe care le gestioneaza 14

Probleme, provocari n Probleme de cost n Surplusul de cost datorita adaugarii de „inteligenta” se justifica (sau nu) prin facilitati/servicii noi? n Inlocuirea dispozitivelor clasice cu dispozitive industriale inteligente: senzori, actuatoare, pompe, motoare electrice, masini cu comanda numerica, etc. n Conectivitate WAN (Internet) la nivelul unor dispozitive simple n Infrastructura de comunicatie suplimentara: canale radio inchiriate, retea fizica (cu fir), routere, gateway-uri n Probleme de consum n Consum limitat de putere, pentru dispozitive mobile sau care nu sunt conectate la reteaua electrica (alimentate prin baterie sau acumulatori) n Functionare ani de zile pe aceeasi baterie n Cel mai mult se consuma la transmisia radio n n n Protocoale de routare in retele senzoriale care minimizeaza consumul de energie, dar mentinand un anumit nivel al calitatii serviciilor Transmisii cu energie mica, hop-to-hop Folosirea de dispozitive pentru colectarea de energie (energy harvesting): n Celule solare, generatoare eoliene, energia de miscare a dispozitivelor, 15

Probleme legate de asimilarea unor tehnologii noi, fara grad suficient de maturizare n Probleme cu personalul de deservire – personal calificat in loc de personal necalificat n Schimbari prea dese de tehnologie (se doreste stabilitate pe durata de viata a unui echipament industrial- 15 -20 ani) n Lipsa unor metode matematice de garantare a unor cerinte de fiabilitate, toleranta la defecte n Vezi controlul traficului feroviar 16

Probleme de timp-real n IIo. T deservesc infrastructuri critice cu cerinte de raspuns in timp n n n predefinit Qo. S masurat prin timp de reactie/executie in cazul cel mai defavorabil (WCET – worst case execution time) Alocare de latime de banda suficienta pentru garantarea respectarii restrictiilor de timp Comportament determinist al protocoalelor de comunicatie implicate Traficul colateral poate afecta comunicatia de timp-real Dificil de realizat in contextul Internetului actual unde: n n Cerintele Qo. S nu sunt respectate de routere Nu sunt protocoale de comunicatie de timp-real (cele care exista sunt bune doar pentru transmisie periodica de tip multimedia) n Solutia: planificatoare de comunicatie implementate la nivelul routerelor 17

Securitate si caracterul privat al datelor n Proprietati de securitate luate in considerare la proiectarea unuo infrastructuri IIo. T critice: n n n Dispozitivele IIo. T – sa fie rezistente la manipulari malitioase (ex. reprogramarea neautorizată și furtul de date) dar fara sa ingradeasca actualizeze firmware-ului de securitate si accesul autorizat la date. Datele stocate in dispozitivului IIo. T - protejate prin criptare – pentru confidențialitatea datelor. Rețeaua de comunicatie - să fie securizată pentru a păstra confidențialitatea și integritatea. Mecanisme de identificare și autorizare eficiente – pentru utilizatori si pentru dispozitive IIo. T Toleranta la defecte - să fie functional, chiar și cu deteriorarea fizică a dispozitivelor de către utilizatorii răuvoitori - robustete. 18

Dispozitive fizice pentru IIo. T n Categorii: n n Senzori inteligenti – pt. diverse marimi fizice de proces – masurarea valorii curente Dispozitive de contorizare inteligente – energie electrica, debit (lichide, gaze) – cumularea valorilor consumate Elemente de executie inteligente - motoare, pompe, valve, comutatoare inteligente Dispozitive de control: n n Dispozitive de comunicatie: n n Controloare logice programabile (PLC – Programable Logic controller) Regulatoare de roces Calculatoare de proces Puncte de acces (Access point pentru retele senzoriale) Routere Convertoare de protocol si colectoare de date – Bridge Cloud public/privat pentru stocarea, procesarea si vizualizarea 19 datelor

Exemple de implementari n Linii de fabricatie robotizate, complet automatizate n Probleme solutionate: n n schimbarea frecventa a profilului de fabricatie (productie de masa personalizata) – adaptare rapida la cererile pietei Optimizari la nivelul intregului lant de productie-comercializare-consumreciclare – economie circulara n Smart. Grid – retele de distributie inteligente: n n Energie electrica, gaze, apa/canal Probleme solutionate: n n n Adaptarea automata a retelei la schimbari mult mai dinamice (apar noi producatori/consumatori de energie) Producatori „casnici” de energie - contracte inteligente (blockchain) Optimizare pe resurse regenerabile 20

Exemple de implementari n Orase inteligente n Probleme solutionate: n n Controlul inteligent al traficului – adaptare dinamica la modificari de context (redirectionare trafic) Monitorizarea parametrilor de mediu Corelarea diverselor servicii urbane Strategii de planificare urbana bazate pe date reale n Controlul inteligent al traficului regional n Probleme solutionate: n n Trafic aerian – corelarea factorilor de mediu, optimizare, reducerea impactului asupra mediului Trafic feroviar si naval – optimizare, adaptabilitate mai 21 mare la cerintele pietei, fiabilitate sporita

Exemple de implementari n Controlul factorilor de mediu n n n Monitorizare noxe Vegetatie – productie agricola, paduri Monitorizare sistem hidrologic n Sisteme medicale de asistenta de la distanta n n Monitorizare pacineti de la distanta Monitorizare si asistenta pentru persoane cu disabilitati si pentru varstnici 22