L’uso dei gemelli digitali può essere un fattore importante per massimizzare le prestazioni e la flessibilità delle fabbriche dell’Industria 4.0. Open Platform Communications (OPC) è lo standard di interoperabilità per lo scambio sicuro e affidabile di dati negli ambienti di automazione industriale. L'OPC è stato ampliato per includere l'architettura unificata (UA), standardizzata come IEC 62541, che include la possibilità di integrare gemelli digitali di ogni dispositivo in una fabbrica, compresi i connettori.
Queste domande frequenti iniziano con una definizione di gemelli digitali e come possono essere integrati nelle fabbriche dell'Industria 4.0. Successivamente esamina un esempio di connettore elettrico intelligente (SmEC) che porta la funzionalità del gemello digitale nelle installazioni industriali. Si conclude esaminando brevemente come i dati OPC UA PubSub e una shell di amministrazione delle risorse (AAS) nel cloud vengono utilizzati per implementare SmEC.
Un gemello digitale è una rappresentazione virtuale di un oggetto o sistema fisico. Integra tutti i dati, i modelli di simulazione, i test e altre informazioni di un oggetto fisico generati durante la progettazione, la messa in servizio, il funzionamento e l'assistenza fino alla fine del ciclo di vita. Un gemello digitale non è una rappresentazione generica; è specificamente legato a un singolo dispositivo, come un singolo connettore, e ne tiene traccia la progettazione, la produzione e l'utilizzo durante l'intero ciclo di vita.
I gemelli digitali possono fornire monitoraggio e analisi quasi in tempo reale delle operazioni in fabbrica fino alle singole macchine, sensori e componenti come connettori e supportano analisi migliorate, flessibilità dei processi e qualità più elevata.
Alla Fiera di Hannover 2023, insieme a Microsoft (fornitore di servizi cloud), SAP (valutazione di software e dati) e Siemens (come utente), HARTING ha presentato un SmEC che sfrutta OPC UA nel connettore fisico, dati OPC UA Pub/Sub, e un AAS nel cloud per supportare l'integrazione come gemello digitale in una fabbrica virtuale (Figure 1 ). Il connettore registra i dati sui processi operativi e sulle condizioni durante l'intero ciclo di vita.
Lo stato del connettore viene comunicato quasi in tempo reale tramite OPC UA al gemello digitale nel cloud e può essere utilizzato per monitorare attivamente i processi di fabbrica. La disponibilità dei dati di connessione, comprese tensione e corrente, facilita il monitoraggio dello stato della macchina connessa. Inoltre vengono monitorati tre stati del connettore:
- Unplugged
- Collegato e bloccato in posizione senza carico
- Collegato e bloccato in posizione sotto carico
Il gemello digitale del connettore include dati come il numero di cicli di accoppiamento/disaccoppiamento e può essere integrato con altri dati sull'ambiente di fabbrica, come la temperatura e l'umidità ambientale, tramite il gemello digitale di fabbrica. Tali informazioni possono essere utilizzate per programmare la manutenzione preventiva, evitando tempi di inattività e aumentando la produttività.
Comunicazione Pub/Sub
Il protocollo di comunicazione Pub/Sub in OPC UA non si basa su una struttura client-server. I client OPC UA che supportano Pub/Sub possono essere un Publisher che invia dati o un Subscriber che riceve dati. Il sistema deve includere un “broker” in grado di ricevere dati dagli editori e consegnarli agli abbonati (Figure 2
). In applicazioni come le fabbriche dell'Industria 4.0 con un gran numero di editori e abbonati, Pub/Sub è molto più efficiente della connettività diretta mittente-destinatario. OPC UA Pub/Sub è indipendente dal trasporto e può essere trasportato tramite il protocollo UDP (User Datagram Protocol) o il trasporto telemetrico delle code dei messaggi (MQTT), a seconda dei requisiti dell'applicazione.
Shell di amministrazione delle risorse
L'Industrial Digital Twin Association (IDTA), lo sviluppatore dell'AAS, sta attualmente standardizzando la specifica AAS come parte della norma IEC 62378. L'AAS è l'elemento chiave che supporta lo sviluppo di un connettore digital twin. La dimostrazione alla Fiera di Hannover ha mostrato come i contenuti vengono accumulati nell'AAS. Innanzitutto, il produttore di connettori fornisce all'AAC di SmEC i dati di produzione di base e, in questo caso, sfrutta il sistema CAD dalla progettazione alla produzione NX di Siemens. Nel passaggio successivo, il connettore viene installato in una macchina specifica. Infine, la macchina viene installata in una fabbrica. Lo SmEC invia al gemello digitale il suo numero di serie e altri dati identificativi, lo stato di connettività, le misurazioni della potenza applicata e l'identificazione della presa di accoppiamento. Nella dimostrazione, i dati sono stati inviati al cloud Microsoft Azure, dove per l'analisi sono stati utilizzati i servizi Azure Digital Twin e Azure Data Explorer.
Sommario
I dati Pub/Sub OPC UA possono essere inviati da un connettore con un AAS integrato per supportare l'implementazione del gemello digitale del connettore in una fabbrica Industria 4.0. Il gemello digitale risiede nel cloud e può essere utilizzato per supportare analisi quasi in tempo reale, pianificare la manutenzione preventiva e fornire le informazioni necessarie per il miglioramento continuo dei processi.
Riferimenti
Associazione Digital Twin Industriale
Interoperabilità industriale con OPC UA e AAS, OPC Foundation
Connettore elettrico intelligente, Harting
Asset Administration Shell: implementazione dei gemelli digitali da utilizzare in Industria 4.0, Piattaforma Industria 4.0
Casi d'uso per metodi OPC UA, Pub/Sub e specifiche Companion, OPC Foundation