Informatica industriala

1
Informatica industriala

• IIoT Industrial Internet of Things

2
Definire

• IoT Internetul obiectelor colectie de obiecte
  (inteligente) interconectate printr-o retea de
  larga raspandire (Internet)
• In ideea de ubiquitous computing- calculatoare
  peste tot
• IIoT Industrial IoT colectie de dispozitive
  (mai ales cu caracter industrial) interconectate
  printr-o retea si care deservesc diferite
  aplicatii de monitorizare si control
• Comunicatie de tip M2M machine-to-machine
  communication
• Elemente constitutive
• Dispozitive industriale senzori, elemente de
  executie, regulatoare, PLC-uri, calculatoare de
  proces, etc.)
• Retele de comunicatie retele senzoriale, retele
  industriale, retele de calculatoare, retele de
  larga raspandire (Internet)
• 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.)

3
Scop/obiective ale IIoT

• Colectarea de date referitoare la procese
  industriale 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
  CO2, SO2, nitrati, etc.)
• Suport pentru orase inteligente, transport
  inteligent, monitorizarea factorilor de mediu,
  servicii medicale informatizate (eHealth),
  administrare inteligenta (eGuvernance), etc.
• Sustenabilitate si Economie circulara deseurile
  devin materie prima pentru urmatorul ciclu de
  fabricatie

4
IoT, IIoT, Industry 4.0 si Cyber-physical systems

• IoT 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.)
• Industry 4.0 a 4-a revolutie industriala
• Productia industriala administrata, eficientizata
  prin tehnologii informatice
• CPS cyber-physical systems asociere intre o
  infrastructura fizica si un sistem informatic
  distribuit

5
Relatia dintre IoT, IIoT, Industry 4.0 si
Cyber-physical systems
6
Comparatie IoT v.s. IIoT
IoT pentru consumatori neindustriali IoT Industrial
Impact revolutie evolutie
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
7
Concepte asociate

• Sisteme cyber-fizice infrastructuri/instalatii/e
  chipamente industriale 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 inteligente de catalogare,
  clasificare si recunoastere

8
Arhitectura unui sistem IIoT
Sursa wikipedia
9
Arhitectura multistrat a unui sistem IIoT
Sursa wikipedia
10
Modele de IIoT

• Diverse arhitecturi/modele de referinta
• Varianta 1
• Nivelul dispozitivelor fizice - senzori, elemente
  de executie, echipamente electro-mecanice fizice
• Nivelul de comunicatie - retele senzoriale,
  retele industriale, bridge catre retea internet,
  Internet
• Nivelul aplicatiilor si serviciilor - Aplicatii
  si servicii de monitorizare si 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)
• 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
• Perceptie
• Comunicatie
• servicii

11
Probleme, provocari

• Probleme de comunicatie
• Fiabilitatea si disponibilitatea retelelor
  actuale de comunicatie
• Retelele industriale (ex. CAN, Profibus,
  FieldBusFoundation) 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
• Identificarea unica a elementelor IIoT similar
  cu serviciul de numire DNS sau URL/URI din
  Internet
• Protejarea accesului la date/dispozitive private
  datele contin informatii sensibile pentru
  proprietari
• Adresarea informatiei si nu a dispozitivului
  fizic (vezi date meteo)
• Acces uniform si flexibil prin concepte de tip
  Dispozitive virtuale si organizatii virtuale (VO)

12
Solutii de comunicare pentru IIoT

• Retele senzoriale fara fir
• Avantaje Usor de implementat, nu necesita
  infrastructura de comunicatie, se pot
  auto-organiza
• Dezavantaje folosesc frecvente publice
  vulnerabile, numar limitat de canale radio
  disponibile, zone cu zgomot sau trafic intens
• Exemple
• Bluetooth, Bluetooth mesh
• ZigBee
• Z-Wave
• Thread
• XBEE
• SimplicIT dezvoltat de Texas Instruments

13
Solutii de comunicare pentru IIoT

• Retele industriale
• Avantaje special concepute pentru mediul
  industrial, determinism, predictibilitate,
  fiabilitate ridicata, comportament de timp-real
• Dezavamtaje Greu accesibile prin retele
  obisnuite, probleme de conectivitate la Internet,
  izolare necesita un element de adaptare
  (gateway)
• Exemple
• Profibus, CAN, Fieldbus Foundation, P-Net
• BACnet, RS485, HART, ModBus
• Ethernet/IP(Ethernet/ Industrial Protocol),
  EtherCat, ProfiNet
• CIP - Common industrial Protocol
• WirelessHART, ISA100.11a
• LPWAN low power WAN- mesaje cu frecventa foarte
  mica
• LoRaWAN
• OPC Open Platform comunication un cadru
  pentru comunicatie pe baza de obiecte, orientat
  pe servicii (standardul IEC62541)

14
Solutii de comunicare pentru IIoT

• Protocoale din stiva TCP/IP
• Avantaje solutii ieftine existente din retelele
  de calculatoare accesibilitate directa prin
  Internet (fara adaptari, gateway, etc.)
• Dezavantaje fiabilitate negarantata, nu suporta
  comunicatie de timp-real sau prioritizata
• Exemple
• WiFi
• 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

15
Probleme, provocari

• Probleme de cost
• Surplusul de cost datorita adaugarii de
  inteligenta se justifica (sau nu) prin
  facilitati/servicii noi?
• Inlocuirea dispozitivelor clasice cu dispozitive
  industriale inteligente senzori, actuatoare,
  pompe, motoare electrice, masini cu comanda
  numerica, etc.
• Conectivitate WAN (Internet) la nivelul unor
  dispozitive simple
• Infrastructura de comunicatie suplimentara
  canale radio inchiriate, retea fizica (cu fir),
  routere, gateway-uri
• Probleme de consum
• Consum limitat de putere, pentru dispozitive
  mobile sau care nu sunt conectate la reteaua
  electrica (alimentate prin baterie sau
  acumulatori)
• Functionare ani de zile pe aceeasi baterie
• Cel mai mult se consuma la transmisia radio
• 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)
• Celule solare, generatoare eoliene, energia de
  miscare a dispozitivelor, caldura, vibratii, unde
  radio reziduale,

16
Probleme legate de asimilarea unor tehnologii
noi, fara grad suficient de maturizare

• Probleme cu personalul de deservire personal
  calificat in loc de personal necalificat
• Schimbari prea dese de tehnologie (se doreste
  stabilitate pe durata de viata a unui echipament
  industrial- 15-20 ani)
• Lipsa unor metode matematice de garantare a unor
  cerinte de fiabilitate, toleranta la defecte
• Vezi controlul traficului feroviar

17
Probleme de timp-real

• IIoT deservesc infrastructuri critice cu cerinte
  de raspuns in timp predefinit
• QoS 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
• Cerintele QoS 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)
• Solutia planificatoare de comunicatie
  implementate la nivelul routerelor

18
Securitate si caracterul privat al datelor

• Proprietati de securitate luate in considerare la
  proiectarea unuo infrastructuri IIoT critice
• Dispozitivele IIoT sa fie rezistente la
  manipulari malitioase (ex. reprogramarea
  neautorizata ?i furtul de date) dar fara sa
  ingradeasca actualizeze firmware-ului de
  securitate si accesul autorizat la date.
• Datele stocate in dispozitivului IIoT - protejate
  prin criptare pentru confiden?ialitatea
  datelor.
• Re?eaua de comunicatie - sa fie securizata pentru
  a pastra confiden?ialitatea ?i integritatea.
• Mecanisme de identificare ?i autorizare eficiente
  pentru utilizatori si pentru dispozitive IIoT
• Toleranta la defecte - sa fie functional, chiar
  ?i cu deteriorarea fizica a dispozitivelor de
  catre utilizatorii rauvoitori - robustete.

19
Dispozitive fizice pentru IIoT

• Categorii
• 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
• Controloare logice programabile (PLC
  Programable Logic controller)
• Regulatoare de roces
• Calculatoare de proces
• Dispozitive de comunicatie
• 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 datelor

20
Exemple de implementari

• Linii de fabricatie robotizate, complet
  automatizate
• Probleme solutionate
• schimbarea frecventa a profilului de fabricatie
  (productie de masa personalizata) adaptare
  rapida la cererile pietei
• Optimizari la nivelul intregului lant de
  productie-comercializare-consum- reciclare
  economie circulara
• SmartGrid retele de distributie inteligente
• Energie electrica, gaze, apa/canal
• Probleme solutionate
• 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

21
Exemple de implementari

• Orase inteligente
• Probleme solutionate
• 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
• Controlul inteligent al traficului regional
• Probleme solutionate
• Trafic aerian corelarea factorilor de mediu,
  optimizare, reducerea impactului asupra mediului
• Trafic feroviar si naval optimizare,
  adaptabilitate mai mare la cerintele pietei,
  fiabilitate sporita

22
Exemple de implementari

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