Real-time two-way data transfer with a digital twin via web interface

Abstract

Technological advancements in industry have paved way for the fourth industrial revolution called Industry 4.0. One critical aspect of this revolution is the usage of digital twins in product design, production, and service. A common depiction of a digital twin consists of three parts: a physical twin, its digital twin, and the data exchanged between them. In industry, one common solution for the data exchange between the digital twin and its physical twin is OPC Unified Architecture (OPC UA) communication protocol. The protocol provides a solution to collect data from devices along an entire production line. Communication with OPC UA servers requires carefully studying the protocol specification, which can deter new developers from creating applications with the data collected by the servers.

The goal of this thesis is to develop a web-based application program interface (API) that simplifies transferring data with an OPC UA server. The API is intended to be made with a popular technology that is already widely known among developers. It would lower the learning curve for utilizing the data on OPC UA servers. Thus, more developers can be tempted to start developing applications with the data. As the API is web-based, it is accessible by any web capable device bringing the data available to virtually any programming language and platform.

Requirements for the API beyond the functionalities concern its efficiency and capability of handling real-time data exchange situations. To test the API’s performance, a case study is made: a web-based control application. The control application uses the API in real-time to both write control signals to and read sensor values from the OPC UA server. The API performance is evaluated by measuring its request completion time in both controlled environment and real use cases.

The developed API was considered to be fast enough for user-based input and even applications that required fast synchronisation of values from different data sources. However, the API did add considerable latency compared using the OPC UA server directly which might be a problem in some applications that require extremely time sensitive data from the data server.

Teknologian kehitys teollisuudessa on mahdollistanut neljännen teollisuuden vallankumouksen, jota kutsutaan myös nimellä Industry 4.0. Yksi tämän vallankumouksen tärkeitä puolia on digitaalisten kaksosten hyödyntäminen tuotesuunnittelussa, tuotannossa, sekä huoltamisessa. Yleensä digitaalisen kaksosen käsitteen sanotaan koostuvan kolmesta osasta: fyysisestä kaksosesta, sen digitaalisesta kaksosesta ja niiden välisestä tiedonsiirrosta. Teollisuudessa eräs yleinen tapa toteuttaa tiedonsiirto fyysisen ja digitaalisen kaksosen välillä on OPC Unified Architecture (OPC UA) -kommunikaatioprotokollalla. Protokolla tarjoaa ratkaisun datan keruuseen koko tuotantolinjan prosesseista. Kommunikointi OPC UA -palvelimen kanssa vaatii protokollan määrittelyyn syventymistä, mikä saattaa lannistaa uusia kehittäjiä, jotka voisivat luoda sovelluksia palvelimen keräämälle datalle.

Työn tavoitteena on kehittää web-pohjainen ohjelmointirajapinta, joka yksinkertaistaa sovellusten kehittämistä OPC UA -palvelimen kanssa. Ohjelmointirajapinta on tarkoitus kehittää ohjelmistokehittäjille tunnetulla teknologialla. Web-rajapinnalla voi laskea oppimiskynnystä OPC UA -palvelimen datan hyödyntämiseen. Tällöin uudet kehittäjät saattavat olla kiinnostuneempia kehittämään käyttökohteita datalle. Web-rajapinnalla on mahdollista tarjota data mille tahansa alustalle tai ohjelmointikielelle, jolla on webominaisuudet.

Toiminnallisuuksien lisäksi rajapinnan vaatimukset kohdistuvat sen tehokkuuteen ja kykyyn käsitellä reaaliaikaista tiedonsiirtoa. Rajapinnan testausta varten tehdään tapaustutkimus: Web-pohjainen ohjaussovellus. Ohjaussovellus käyttää rajapintaa reaaliajassa kirjoittamaan ohjaussignaaleja, sekä lukemaan anturiarvoja OPC UA -palvelimelta. Rajapinnan suorituskykyä arvioidaan mittaamalla sen pyyntöjen suoritusaikoja sekä hallitussa ympäristössä, että tosikäyttötilanteissa.

Kehitetty ohjelmointirajapinta todetaan testeissä tarpeeksi nopeaksi käyttäjäsyötteelle, sekä ohjelmille, jotka tarvitsevat nopeaa synkronointia arvoille eri tietolähteistä. Rajapinta kuitenkin lisäsi merkittävän viiveen verratessa sitä OPC UA -palvelimen suoraan käyttöön. Tämä saattaa aiheuttaa ongelmia joissain käyttötilanteissa, jotka tarvitsevat tarkkaa aikariippuvaista dataa palvelimelta.