Информационно-коммуникационные технологии развития "умных" производств

Определено, что усложнение технологий производства смарт-промышленности и повсеместное внедрение киберфизических систем в производственные процессы требует перехода к использованию соответствующего информационного, программного, технического инструментария. Одним из важнейших факторов развития "умных" производств выделена информационная коммуникация на производстве, а информационно-коммуникационные технологии - тем инструментом, который позволяет наиболее эффективно взаимодействовать на всех уровнях производства и управления. Обозначена первоочередность задачи разработки соответствующих формальных и системных инструментов использования информационно-коммуникационных технологий развития "умных" производств в рамках внедрения концепции Industry 4.0 для эффективного взаимодействия на всех уровнях производства и управления. Проведен анализ современных подходов к созданию единого информационного пространства промышленных комплексов для определения методологии, которая позволяет наиболее полно рассмотреть информационно-коммуникационные связи моделируемых систем. Среди прочих выделен структурный подход. На основе методологии SADT разработана информационная IDEF0-модель развития "умных" производств, которая позволяет получить целостную картину соответствующих процессов. Предложенная модель позволяет в логической, удобной и последовательной форме описать взаимосвязи между функциями управления и основными информационно-коммуникационными связями, механизмами реализации, комплексом математических моделей и подходов развития "умных" производственных комплексов. Главное назначение модели заключается в обеспечении информационной поддержки развития "умных" производственных комплексов. Кроме того, предложенная информационная модель является основой для дальнейшей автоматизации процессов развития "умных" производств. Намечены перспективные направления исследований в рамках внедрения предложенной информационной модели развития "умных" производственных комплексов в практику функционирования и развития промышленных предприятий.Установлено, що ускладнення технологій виробництва смарт-промисловості та повсюдне впровадження кіберфізичних систем у виробничі процеси потребує переходу до використання відповідного інформаційного, програмного, технічного інструментарію. Одним із найважливіших факторів розвитку "розумних" виробництв визначено інформаційну комунікацію на виробництві, а інформаційно-комунікаційні технології - тим інструментом, який дозволяє найбільш ефективно взаємодіяти на всіх рівнях виробництва й управління. Позначено першочерговість завдання розробки відповідних формальних ісистемних інструментів використання інформаційно-комунікаційних технологій розвитку "розумних" виробництв у рамках упровадження концепції Industry 4.0 для ефективної взаємодії на всіх рівнях виробництва й управління.Проаналізовано сучасні підходи до створення єдиного інформаційного простору промислових комплексів для визначення методології, яка дозволяє найбільш повно розглянути інформаційно-комунікаційні зв'язки модельованих систем. Серед інших виокремлено структурний підхід. На основі методології SADT розроблено інформаційну IDEF0-модель розвитку "розумних" виробництв, яка дозволяє отримати цілісну картину відповідних процесів. Запропонована модель надає можливість у логічній, зручній і послідовній формі описати взаємозв'язки між функціями управління та основними інформаційно-комунікаційними зв'язками, механізмами реалізації, комплексом математичних моделей і підходів розвитку "розумних" виробничих комплексів. Головне призначення моделі полягає в забезпеченні інформаційної підтримки розвитку "розумних" виробничих комплексів. Крім того, запропонована інформаційна модель є основою для подальшої автоматизації процесів розвитку "розумних" виробництв. Окреслено перспективні напрями досліджень у рамках упровадження запропонованої інформаційної моделі розвитку "розумних" виробничих комплексів у практику функціонування та розвитку промислових підприємств.It has been determined that the increasing complexity of the smart industry’s production technologies and the widespread introduction of cyber-physical systems into manufacturing processes requires a transition to the use of appropriate information, software and technical tools. One of the most important factors in the development of "smart" industries is the informational communication at the enterprise, and information and communication technologies are the tool that allows the most effective interaction at all levels of production and management. The priority of the task of elaboration appropriate formal and system tools for using information and communication technologies for developing smart industries as part of the implementation of the Industry 4.0 concept for effective interaction at all levels of manufacturing and management are indicated.The analysis of up-to-date approaches to the creation of a single information space of industrial complexes to determine the methodology, which allows to consider the information and communication links of the simulated systems in more details, is made. Among others, the structural approach is highlighted. Based on the SADT methodology, an information IDEF0-model for the development of "smart" industries has been developed, which provides a holistic picture of the relevant processes. The proposed model allows describing the relationship between management functions and the main information and communication links, implementation mechanisms, the set of mathematical models and approaches for the development of "smart" industrial complexes in a logical, convenient and consistent form. The main purpose of the model is to provide informational support for the development of "smart" industrial complexes. In addition, the considered informational model is the basis for further automation of the development processes of “smart” industries. Promising areas of research have been outlined as part of the implementation of the offered informational model for the development of "smart" industrial complexes in the practice of functioning and development of industrial enterprises

Machine Tool Communication (MTComm) Method and Its Applications in a Cyber-Physical Manufacturing Cloud

The integration of cyber-physical systems and cloud manufacturing has the potential to revolutionize existing manufacturing systems by enabling better accessibility, agility, and efficiency. To achieve this, it is necessary to establish a communication method of manufacturing services over the Internet to access and manage physical machines from cloud applications. Most of the existing industrial automation protocols utilize Ethernet based Local Area Network (LAN) and are not designed specifically for Internet enabled data transmission. Recently MTConnect has been gaining popularity as a standard for monitoring status of machine tools through RESTful web services and an XML based messaging structure, but it is only designed for data collection and interpretation and lacks remote operation capability. This dissertation presents the design, development, optimization, and applications of a service-oriented Internet-scale communication method named Machine Tool Communication (MTComm) for exchanging manufacturing services in a Cyber-Physical Manufacturing Cloud (CPMC) to enable manufacturing with heterogeneous physically connected machine tools from geographically distributed locations over the Internet. MTComm uses an agent-adapter based architecture and a semantic ontology to provide both remote monitoring and operation capabilities through RESTful services and XML messages. MTComm was successfully used to develop and implement multi-purpose applications in in a CPMC including remote and collaborative manufacturing, active testing-based and edge-based fault diagnosis and maintenance of machine tools, cross-domain interoperability between Internet-of-things (IoT) devices and supply chain robots etc. To improve MTComm’s overall performance, efficiency, and acceptability in cyber manufacturing, the concept of MTComm’s edge-based middleware was introduced and three optimization strategies for data catching, transmission, and operation execution were developed and adopted at the edge. Finally, a hardware prototype of the middleware was implemented on a System-On-Chip based FPGA device to reduce computational and transmission latency. At every stage of its development, MTComm’s performance and feasibility were evaluated with experiments in a CPMC testbed with three different types of manufacturing machine tools. Experimental results demonstrated MTComm’s excellent feasibility for scalable cyber-physical manufacturing and superior performance over other existing approaches

Machine Tool Communication (MTComm) Method and Its Applications in a Cyber-Physical Manufacturing Cloud

The integration of cyber-physical systems and cloud manufacturing has the potential to revolutionize existing manufacturing systems by enabling better accessibility, agility, and efficiency. To achieve this, it is necessary to establish a communication method of manufacturing services over the Internet to access and manage physical machines from cloud applications. Most of the existing industrial automation protocols utilize Ethernet based Local Area Network (LAN) and are not designed specifically for Internet enabled data transmission. Recently MTConnect has been gaining popularity as a standard for monitoring status of machine tools through RESTful web services and an XML based messaging structure, but it is only designed for data collection and interpretation and lacks remote operation capability. This dissertation presents the design, development, optimization, and applications of a service-oriented Internet-scale communication method named Machine Tool Communication (MTComm) for exchanging manufacturing services in a Cyber-Physical Manufacturing Cloud (CPMC) to enable manufacturing with heterogeneous physically connected machine tools from geographically distributed locations over the Internet. MTComm uses an agent-adapter based architecture and a semantic ontology to provide both remote monitoring and operation capabilities through RESTful services and XML messages. MTComm was successfully used to develop and implement multi-purpose applications in in a CPMC including remote and collaborative manufacturing, active testing-based and edge-based fault diagnosis and maintenance of machine tools, cross-domain interoperability between Internet-of-things (IoT) devices and supply chain robots etc. To improve MTComm’s overall performance, efficiency, and acceptability in cyber manufacturing, the concept of MTComm’s edge-based middleware was introduced and three optimization strategies for data catching, transmission, and operation execution were developed and adopted at the edge. Finally, a hardware prototype of the middleware was implemented on a System-On-Chip based FPGA device to reduce computational and transmission latency. At every stage of its development, MTComm’s performance and feasibility were evaluated with experiments in a CPMC testbed with three different types of manufacturing machine tools. Experimental results demonstrated MTComm’s excellent feasibility for scalable cyber-physical manufacturing and superior performance over other existing approaches