Aggregoiva OPC UA palvelin yleiseen tiedon yhdistämiseen

OPC UA is an industrial communication protocol that enables the modelling of complex information with semantics and exposing it in the address space of an OPC UA server. With developments such as the Industrial Internet of Things and Industrie 4.0, the amount of data in the industrial environment is increasing and it is provided by an increasing number of sources. This can lead to information becoming increasingly scattered, which creates difficulties and inefficiencies in getting a view of all the available information. This thesis presents the design and implementation of a software solution that can integrate information from multiple OPC UA source servers that provide information in different ways and from different viewpoints. An existing aggregating OPC UA server was improved based on elicited requirements to implement an integration platform that can group together and display the heterogeneous information sources in its specially organized address space. The developed software solution consists of three parts: instance aggregation, type aggregation and service mappings, that cooperate together to create the needed functionality. The implemented prototype solution was evaluated in several test cases and found to meet the goals set for it. The instance aggregation procedure is able to find and group relevant information from different sources, while the type aggregation and service mappings keep the type definitions of the aggregated information intact. The instance aggregation procedure can also be configured by the user with a set of rules that enable compatibility with different use case needs. In the future, the results of this thesis will be used as a starting point in the incremental development of improved versions of the aggregation feature.Teollisuudessa käytetty OPC UA -tiedonsiirtomäärittely mahdollistaa monimutkaisen tiedon ja semantiikan esittämisen UPC UA -palvelimen osoiteavaruudessa oliomallin avulla. Teollisen internetin ja Industrie 4.0:n viitoittama suunta teollisuudessa on lisääntyvä tiedon määrä yhä useammista tietolähteistä. Tämän seurauksena tieto voi pirstaloitua ja täten vaikeuttaa kokonaiskuvan saantia olemassaolevasta tiedosta. Tämä diplomityö esittelee suunnittelun ja toteutuksen ohjelmistolle, joka pystyy integroimaan tietoa useista eri OPC UA -lähdepalvelimista, jotka voivat esittää tietoa eri tavoin ja eri näkökulmista. Olemassaolevaa aggregoivaa OPC UA -palvelinta kehitettiin uusiin vaatimuksiin perustuen toteuttamaan integraatioalusta, joka voi ryhmitellä yhteen ja näyttää tietoa erilaisista lähteistä tarkoituksenmukaisesti järjestetyssä nimiavaruudessaan. Kehitetty ohjelmistoratkaisu koostuu kolmesta osasta: instanssien aggregoinnista, tyyppien aggregoinnista ja palvelukartoituksista, jotka toimivat yhdessä tuottaakseen tarvittavan toiminnallisuuden. Kehitettyä prototyyppiratkaisua arvioitiin useissa testitapauksissa ja sen havaittiin täyttävän sille asetetut tavoitteet. Instanssien aggregointi pystyy löytämään ja ryhmittelemään yhteenkuuluvat tiedot eri lähteistä, kun taas tyyppien aggregointi ja palvelukartoitukset pitävät aggregoidun tiedon tyypppimäärittelyt muuttumattomina. Käyttäjä voi konfiguroida instanssien aggregointia käyttämällä erityisiä sääntömäärittelyjä, jotka mahdollistavat aggregointiprosessin yhteensopivuuden eri käyttötarpeiden kanssa. Tulevaisuudessa tässä opinnäytetyössä saatuja tuloksia käytetään lähtökohtana aggregointitoiminnallisuuden asteittaisesssa jatkokehittämisessä

Kommunikation und Bildverarbeitung in der Automation

In diesem Open Access-Tagungsband sind die besten Beiträge des 11. Jahreskolloquiums "Kommunikation in der Automation" (KommA 2020) und des 7. Jahreskolloquiums "Bildverarbeitung in der Automation" (BVAu 2020) enthalten. Die Kolloquien fanden am 28. und 29. Oktober 2020 statt und wurden erstmalig als digitale Webveranstaltung auf dem Innovation Campus Lemgo organisiert. Die vorgestellten neuesten Forschungsergebnisse auf den Gebieten der industriellen Kommunikationstechnik und Bildverarbeitung erweitern den aktuellen Stand der Forschung und Technik. Die in den Beiträgen enthaltenen anschauliche Anwendungsbeispiele aus dem Bereich der Automation setzen die Ergebnisse in den direkten Anwendungsbezug

Teollisen Internetin käyttöönotto automaatiolaitteissa

Industrial Internet is a term that is used to describe digitalization of industry. It is a research direction in Finland, where there are already various groups studying it. Despite this, the term Industrial Internet is still relatively vague and there is a lack of concreteness around the topic. The objective of this thesis is to explore the current status of Industrial Internet and study the capabilities of automation devices from an Industrial Internet point of view. I explore Industrial Internet through a literary review where I study various use cases. The use cases of Industrial Internet are divided into two main types: platform centric and machine to machine (M2M) communication centric. The use cases provide a list of characteristics and requirements for Industrial Internet from these two perspectives. General requirements are, for example scalability and flexibility, which are achieved through various IT technologies, such as Service-Oriented-Architecture. This thesis also consists of a practical part where I configured the control logic and data collection for a test bed that simulates drop tests of active magnetic bearings. The control logic consists of a programmable logic controller and corresponding software. The data collection consists of software for collecting and analyzing measurement data and the measuring equipment. After the literary review and practical part, I propose the creation of a cloud based Industrial Internet platform around the active magnetic test bed. The purpose of the platform is to provide a direction for further research. The creation of the platform consists of two phases: first phase includes the creation of the platform so that the test bed achieves current functionality but cloud based. The second phase consists of changing the platform to meet the requirements of the literature review. The end results will be an application independent system solution for Industrial Internet.Teollinen Internet on termi, jolla kuvataan teollisuuden digitalisaatiota. Aihe on kasvavan kiinnostuksen kohde ja esim. Suomessa on useita tahoja, jotka panostavat aiheen tutkimukseen. Siltikin Teollinen Internet on käsitteenä epäselvä ja sitä vaivaa konkretian puute. Tämän työn tarkoituksena on tutustua Teollisen Internetin nykytilaan ja automaatiolaitteiden ominaisuuksiin Teollisen Internetin näkökulmasta. Teollisen Internetin esimerkit jakautuvat pääasiassa kahteen luokkaan: alustalähtöisiin ja koneiden väliseen kommunikaatioon (M2M-kommunikaatio). Esimerkit tarjoavat listan ominaisuuksia ja vaatimuksia Teolliselle Internetille kummastakin näkökulmasta. Yleisiä ominaisuuksia ovat esimerkiksi skaalattavuus ja joustavuus, jotka saavutetaan erilaisilla tietoteknisillä vaatimuksilla, esim. palvelukeskeisellä arkkitehtuurilla. Lisäksi työhön kuuluu käytännön osuus, jossa kirjoitin ohjainlogiikan ja datankeräyksen testilaitteeseen, joka simuloi aktiivimagneettilaakerien pudotuskokeita. Ohjainlogiikka koostui PLC-laitteesta ja siihen liittyvistä ohjelmistoista. Datan keräys koostui mittausdatan keräykseen ja purkamiseen vaadittavista ohjelmistoista sekä laitteistosta. Kirjallisuudesta kerättyjen vaatimusten ja käytännön kokemuksien perusteella esitän pilvipohjaisen, Teolliseen Internetiin suunnatun ohjelmistoalustan kehittämistä testilaitteen ympärille. Ohjelmistoalusta voi toimia yliopistollisen jatkotutkimuksen pohjana. Ohjelmistoalustan toteuttaminen tapahtuu kahdessa vaiheessa: ensimmäisessä vaiheessa kehitetään pilvipohjainen alusta, joka saavuttaa testilaitteiston nykyisen toiminnallisuuden. Toisessa vaiheessa ohjelmistoalusta muutetaan vastaamaan Teollisen Internetin vaatimuksia, jolla saavutetaan sovellusriippumaton järjestelmäratkaisu

OPC UA:n nimiavaruuksien muunnokset

OPC UA has begun to take over its predecessor's place in the development of machine-to-machine communications and data transfer. OPC as a technology is one of the more popular choises when it comes to communications with field devices, regardless of the developer of the device itself. To further improve the features available to OPC UA developers, the spread and usage of the technology can be improved even further. One such feature that could be seen as potentially powerful in utilizing the core features and design ideas of OPC UA is address space transformation. By designing a model transformation language for OPC UA address spaces, the technology will be given another advantage compared to OPC classic. The transformation language would allow OPC UA to utilize its server-oriented architecture by enabling more simplified server aggregation, and customization of the displayed address space on the aggregating server's side. Since there has not been much public research in such transformation languages for OPC UA address spaces, the first step taken in this thesis is to discover the requirements for such a language based on other modeling technologies and the transformations used in those. The second step is to apply that knowledge to design a functional rule language and a transformation engine to perform the necessary transformations. The designed rule language and transformation engine are capable of performing the transformation required by the test cases described in this thesis. From the results of those cases, the language shows that it has the necessary features to perform at least the most common types of transformations. Further development is required for more advanced transformations and uncommon scenarios that did not appear in the test cases. The information gathered in both the requirements and the design parts of this work will regardless be useful in the future development of a transformation process for OPC UA address spaces.OPC UA on alkanut ottaa edeltäjänsä paikkaa laitteiden välisessä kommunikoinnissa ja datansiirrossa. OPC on ollut suosituimpien teknologioiden kärkisijoilla jo pitkään, kun on ollut tarpeen yhdistää eri valmistajien kenttälaitteita samaan verkkoon tiedonjakoa varten. OPC UA:n leviämistä laajempaan käyttöön voidaan parantaa lisäämällä mahdollisten ominaisuuksien määrää entisestään. Yksi mahdollinen ominaisuus, joka pystyy hyödyntämään OPC UA:n perusominaisuuksia tehokkaasti, onnimiavaruuksien muunnokset. Suunnittelemalla address spacejen muunnoksia varten kielen, OPC UA saa uuden edun klassiseen OPC:hen verrattuna. Muunnoskieli yhdistettynä OPC UA:n palvelinarkkitehtuuriin mahdollistaisi yksinkertaisen aggregoinnin, jolla ulospäin näkyvien nimiavaruuksien ulkoasua voitaisiin muokata tehokkaasti. Koska tähän aiheeseen liittyen ei ole tehty paljoa julkista tutkimusta, täytyy työssä ensin selvittää, mitkä ovat tällaisen muunnoskielen vaatimukset käyttäen hyödyksi vastaavanlaisia teknologioita ja muunnoskieliä, joita on käytetty muissa yhteyksissä. Tätä tietoa hyödyntäen voidaan suunnitella ja toteuttaa sääntökieli ja kieltä lukeva työkalu, jolla halutut muunnokset voidaan suorittaa. Suunniteltu sääntökieli ja työkalu onnistuivat muuntamaan halutut nimiavaruudet, jotka oli määritelty tässä työssä esitellyissä testitapauksissa. Testien lopputuloksista voidaan päätellä, että suunniteltu kieli sisältää tarpeeksi ominaisuuksia, jotta se pystyy toteuttamaan kaikki perustapaukset muunnoksissa. Lisätutkimus on kuitenkin tarpeen, jotta kehittyneemmät tapaukset ja erikoistilanteet saadaan käsiteltyä oikein tilanteissa, joita ei pystytty kattamaan testitilanteilla. Kielen vaatimusten määrittely ja suunnittelu kuitenkin antavat tarpeeksi tietoa tällaisten sääntökielien toteuttamisesta, jotta tarpeellista jatkokehitystä voidaan alkaa toteuttaa

Aggregoivan OPC UA palvelimen käyttö etäyhteydessä maatalouden työkoneisiin

Agricultural machinery has improved rapidly during the last decades and the role of electronic controllers and sensors has increased. Simultaneously and partially because of this, the efficiency requirements concerning farming have grown more stringent. Information systems to help in farm management are already commonplace. Many work machines utilize the ISO 11783 communication protocol, through which a lot of data from the operation and internal state of a machine could be retrieved. However, this available data from agricultural work machines is not fully utilized. This thesis evaluates OPC UA aggregating servers as a centralized means to read and store the data available from multiple work machines. This thesis builds on an earlier thesis where an OPC UA information model was developed for agricultural work machines utilizing the ISO 11783 communication protocol. First, a literature review was done to get a general view of the current state and the intended future of farm management systems, and to see how and where the data from the work machines can be utilized. Based on this and the previous work, the requirements for an aggregating server concentrating the information available from work machines running OPC UA servers were defined. A prototype aggregating server that is able to automatically transform the information from multiple ISO 11783 work machines to a unified view using a set of mapping rules was designed and implemented. OPC UA aggregating servers were found to be viable technology for the centralized data monitoring and collection of ISO 11783 work machines. All relevant data exposed by the work machine OPC UA servers can also be accessed through the aggregating server. The mapping engine implemented on the aggregating server prototype can be extended to automatically map the information from other devices exposing themselves through OPC UA as well. The usefulness of an aggregating server increases if in the future OPC UA will be more commonly adopted and utilized by other agricultural equipment as well.Maataloustyökoneet ovat kehittyneet nopeasti viime vuosikymmeninä ja elektronisten ohjainten ja anturien rooli niiden toiminnassa on lisääntynyt. Samaan aikaan, ja osittain tästä johtuen, myös maanviljelyyn liittyvät tehokkuusvaatimukset ja erilaiset säännökset ovat lisääntyneet. Nykyisin tietojärjestelmät, jotka auttavat maanviljelijää erilaisissa maatilan hoitamiseen liittyvissä asioissa, ovat yleistyneet. Useat työkoneet käyttävät ISO 11783 -tiedonsiirtoprotokollaa, jonka avulla näistä työkoneista voidaan lukea paljon niiden toimintaan ja sisäiseen tilaan liittyvää dataa. Tätä dataa ei kuitenkaan tällä hetkellä kerätä eikä hyödynnetä niin hyvin kuin olisi mahdollista. Tämä diplomityö arvioi aggregoivia OPC UA palvelimia mahdollisena teknologiana, jolla useista työkoneista saatavaa dataa voitaisiin keskitetysti lukea ja tallentaa. Tämä diplomityö perustuu aiempaan diplomityöhön, jonka tuloksena syntyi OPC UA -tietomalli ISO 11783 -tiedonsiirtoprotokollaa hyödyntäville maataloustyökoneille. Tässä työssä tehdään ensin kirjallisuuskatsaus maatilanhallinnan nykytilanteeseen ja suunniteltuun lähitulevaisuuteen, sekä siihen, kuinka ja missä työkoneista saatavaa dataa voitaisiin hyödyntää. Tämän katsauksen ja edellisen työn perusteella määriteltiin vaatimukset aggregoivalle OPC UA palvelimelle, joka keskittää useasta OPC UA -palvelinta käyttävästä työkoneesta saatavan tiedon. Palvelimesta suunniteltiin ja kehitettiin prototyyppi, joka pystyy automaattisesti muuntamaan tiedot useasta ISO 11783 -protokollaa käyttävästä työkoneesta yhtenäiseksi näkymäksi hyödyntämällä edellisessä työssä kehitettyä tietomallia vasten kirjoitettuja sääntöjä. Aggregoivat OPC UA -palvelimet todettiin kelvolliseksi teknologiaksi keskitettyyn tiedonkeruuseen ISO 11783 -protokollaa käyttävistä työkoneista. Kaikkeen oleelliseen dataan, joka on saatavilla OPC UA:ta hyödyntävistä työkoneista, on pääsy myös aggregoivan palvelimen läpi. Aggregoivan palvelimen käyttämiä muunnossääntöjä voidaan laajentaa keskittämään tietoa myös muista OPC UA:ta hyödyntävistä laitteista. Aggregoivien palvelinten hyödyllisyys tulee lisääntymään, jos OPC UA tullaan ottamaan yleisemmin käyttöön ja jos sitä hyödyntävien laitteiden määrä maataloudessa lisääntyy

Teknoekonominen toteutettavuusanalyysi etäylläpidon liitettävyydestä tehtaissa

Maintenance activities play a major role in factory operations, as they prevent breakdowns and extend machine life. With the advances in sensor, computing and communications technology, sensor data can be increasingly exploited for real-time supervision of machine condition. However, the acquisition of the data is challenging due to proprietary technologies and interfaces applied in Industrial Networks. Therefore, sensor data is rarely utilized in other processes than automation. As the industry is heading towards a new industrial era, also referred to as Industrial Internet or Industrie 4.0, there is growing need to improve data availability for applications that can realize its potential value. In this research, the focus is on the feasibility of remote maintenance deployment in factories. The topic is approached from the connectivity viewpoint. The research is conducted by reviewing the literature, and by interviewing numerous industry experts regarding the connectivity and data exploitation in factories. These form the basis for the value network analysis, in which Value Network Configuration (VNC) method is applied, to analyze the value distribution among different actors in alternative remote connection cases. As a result of the VNC analysis, three alternative value network configurations are formed. They provide a high-level technical architecture of the remote connection implementation and discuss the accumulated value of each actor concerning remote maintenance service. The insights gained from the VNCs and literature are then employed to propose a future technical architecture for remote maintenance connectivity in factories.Huoltotoimet ovat suuressa roolissa tehtaan toiminnassa, sillä ne ehkäisevät konerikkoja ja pidentävät koneen käyttöikää. Sensori-, laskenta- ja tietoliikenneteknologian kehittymisen johdosta sensoridataa voidaan hyödyntää yhä enemmän koneen kunnon reaaliaikaiseen valvontaan. Datan saanti on kuitenkin haastavaa teollisissa verkoissa käytettyjen sovelluskohtaisten teknologioiden ja liitäntöjen takia. Sen vuoksi sensoridataa hyödynnetään harvoin muissa prosesseissa kuin automaatiossa. Teollisuuden suunnatessa kohti uutta teollista aikakautta, joka tunnetaan myös nimillä Teollinen Internet ja Teollisuus 4.0, on datan saatavuutta parannettava sovelluskohteille, jotka voivat realisoida sen potentiaalisen arvon. Tämä tutkimus tarkastelee etäylläpidon käyttöönoton toteutettavuutta tehtaissa. Aihetta lähestytään liitettävyyden näkökulmasta. Tutkimus suoritetaan tarkastelemalla kirjallisuutta sekä haastattelemalla lukuisia teollisuuden asiantuntijoita koskien liitettävyyttä ja datan hyödyntämistä tehtaissa. Nämä muodostavat perustan arvoverkkoanalyysille, jossa sovelletaan arvoverkkokonfiguraatio-menetelmää, jolla analysoidaan arvon jakautumista eri toimijoiden kesken vaihtoehtoisissa etäyhteystapauksissa. Arvoverkkokonfiguraatioanalyysin tuloksena muodostetaan kolme vaihtoehtoista arvoverkkokonfiguraatiota. Ne tarjoavat korkean tason teknisen arkkitehtuurin etäyhteyden implementaatiosta ja tarkastelevat toimijoiden kerryttämää arvoa etäylläpitopalvelun osalta. Arvoverkkokonfiguraatioista ja kirjallisuudesta saatujen näkemysten pohjalta esitellään lisäksi tulevaisuuden tekninen arkkitehtuuri etäylläpidon liitettävyydelle tehtaissa

Demystifying Internet of Things Security

Break down the misconceptions of the Internet of Things by examining the different security building blocks available in Intel Architecture (IA) based IoT platforms. This open access book reviews the threat pyramid, secure boot, chain of trust, and the SW stack leading up to defense-in-depth. The IoT presents unique challenges in implementing security and Intel has both CPU and Isolated Security Engine capabilities to simplify it. This book explores the challenges to secure these devices to make them immune to different threats originating from within and outside the network. The requirements and robustness rules to protect the assets vary greatly and there is no single blanket solution approach to implement security. Demystifying Internet of Things Security provides clarity to industry professionals and provides and overview of different security solutions What You'll Learn Secure devices, immunizing them against different threats originating from inside and outside the network Gather an overview of the different security building blocks available in Intel Architecture (IA) based IoT platforms Understand the threat pyramid, secure boot, chain of trust, and the software stack leading up to defense-in-depth Who This Book Is For Strategists, developers, architects, and managers in the embedded and Internet of Things (IoT) space trying to understand and implement the security in the IoT devices/platforms

Service-oriented architecture for device lifecycle support in industrial automation

Dissertação para obtenção do Grau de Doutor em Engenharia Electrotécnica e de Computadores Especialidade: Robótica e Manufactura IntegradaThis thesis addresses the device lifecycle support thematic in the scope of service oriented industrial automation domain. This domain is known for its plethora of heterogeneous equipment encompassing distinct functions, form factors, network interfaces, or I/O specifications supported by dissimilar software and hardware platforms. There is then an evident and crescent need to take every device into account and improve the agility performance during setup, control, management, monitoring and diagnosis phases. Service-oriented Architecture (SOA) paradigm is currently a widely endorsed approach for both business and enterprise systems integration. SOA concepts and technology are continuously spreading along the layers of the enterprise organization envisioning a unified interoperability solution. SOA promotes discoverability, loose coupling, abstraction, autonomy and composition of services relying on open web standards – features that can provide an important contribution to the industrial automation domain. The present work seized industrial automation device level requirements, constraints and needs to determine how and where can SOA be employed to solve some of the existent difficulties. Supported by these outcomes, a reference architecture shaped by distributed, adaptive and composable modules is proposed. This architecture will assist and ease the role of systems integrators during reengineering-related interventions throughout system lifecycle. In a converging direction, the present work also proposes a serviceoriented device model to support previous architecture vision and goals by including embedded added-value in terms of service-oriented peer-to-peer discovery and identification, configuration, management, as well as agile customization of device resources. In this context, the implementation and validation work proved not simply the feasibility and fitness of the proposed solution to two distinct test-benches but also its relevance to the expanding domain of SOA applications to support device lifecycle in the industrial automation domain

Synkronoitu yhteissimulointi: OPC UA -pohjainen ratkaisu

Most simulation tools excel at only one technical domain. For efficient simulation of multi-domain systems, cooperative simulation (co-simulation) can be used. In co-simulation, a simulation model is divided into smaller submodels to allow each of the submodels to be simulated with a purpose-made simulator. The connectivity between the multiple simulators is a key factor in the performance of a co-simulation. In this work, the OPC UA standard was chosen as the communication interface between the different simulators. OPC UA is considered an effective communication interface and, moreover, the versatility of OPC UA allows the same interface to be utilized by the user to control and configure the co-simulation. In this thesis, the core functionalities of an effective and scalable synchronized co-simulation environment were designed and implemented. As an important part of the work, a novel solution for OPC UA based synchronization in continuous dynamic co-simulation is proposed. The evaluation conducted on the implementation confirms that both the synchronization solution and the OPC UA interface are suitable for being used in co-simulation of real-world systems.Useimmat simulointityökalut toimivat hyvin vain tietyllä tekniikan osa-alueella. Järjestelmiä, jotka koostuvat osasista useilta eri tekniikan aloilta, on siten usein tehotonta simuloida käyttämällä vain yhtä simulointiohjelmistoa. Yhteissimulointi tarjoaa ratkaisun tähän ongelmaan. Yhteissimuloinnissa simulointimalli jaetaan osiin, joista kukin simuloidaan parhaiten tarkoitukseen sopivalla simulaattorilla. Erityisen tärkeä tekijä yhteissimuloinnissa on yhteys simulaattoreiden välillä. Tässä työssä käytettiin OPC UA -standardin mukaista rajapintaa simulaattoreiden väliseen kommunikointiin. Sen lisäksi, että OPC UA on verraten tehokas kommunikointirajapinta, sen monikäyttöisyyden ansiosta sitä voidaan käyttää myös ulkoisena rajapintana yhteissimulointiin. Tässä työssä suunniteltiin ja toteutettiin tehokas ja skaalautuva synkronoitu yhteissimulointiympäristö. Tärkeänä osana työtä esitellään uusi OPC UA:han pohjautuva synkronointiratkaisu käytettäväksi jatkuvaan dynaamiseen yhteissimulointiin. Toteutuksen pohjalta suoritetut testit osoittavat, että sekä luotu synkronointiratkaisu että OPC UA -rajapinta soveltuvat käytettäväksi todellisten järjestelmien yhteissimuloinnissa