Evaluation and comparison of open standards for digital twins in Industry 4.0

Thumbnail Image

Files

master_Vaarnamo_Antero_2021.pdf (12.77 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Perustieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2021-08-23

Department

Major/Subject

Computer Science

Mcode

SCI3042

Degree programme

Master’s Programme in Computer, Communication and Information Sciences

Language

en

Pages

58

Series

Abstract

The ongoing fourth industrial revolution, Industry 4.0, will bring major changes to manufacturing industry. Hierarchical automation pyramid will be replaced by a distributed hierarchy that connects all the parties in the manufacturing process such as resources inside and outside the factory. Smart machines in the factory will communicate with one another and control production automatically. A key component of this revolution is the concept of digital twin that connects a physical process with a virtual model. The process will continuously send data to the simulated model for data visualization and analysis. The model will in turn provide feedback to the process to optimize production. This thesis gives an overview of three open middleware standards, Fiware, OPC UA and DDS, and compares their suitability for digital twins in Industry 4.0. Fundamental problem with Industry 4.0 is combining different requirements of IT and OT layers. Based on qualitative comparison of the standards, OPC UA seems to be the best at satisfying these requirements or at least it will be in a few years when it receives support for Time-Sensitive Networking and Quality of Service features. Reliability and performance of Fiware and OPC UA were tested using practical use cases. In the tests, historical robot location data was transmitted through Fiware and OPC UA to Visual Components software. Message delivery speed and message size were modified to determine optimum delivery speed rate with no lost messages. Fiware seemed to perform better when the tests were conducted using only one computer. However, when the server and client were on different computers connected over WiFi, OPC UA performance seemed to eclipse Fiware. These conflicting results are partly explained by the overall worse performance of Python FreeOpcUa OPC UA server implementation and also by Fiware requiring more bandwidth due to its higher protocol stack.

Käynnissä oleva teollisuuden neljäs vallankumous, Teollisuus 4.0, tuo suuria muutoksia valmistusteollisuuteen. Hierarkkinen automaatiopyramidi tulee korvautumaan hajautetulla hierarkialla, jossa yhdistyvät kaikki valmistusprosessin osapuolet ja resurssit tehtaan sisällä ja ulkopuolella. Tehtaan älykkäät koneet kommunikoivat keskenään ja ohjaavat tuotantoa automaattisesti. Tämän vallankumouksen keskeinen osa on digitaalisen kaksosen käsite, joka yhdistää fyysisen prosessin virtuaaliseen malliin. Prosessi lähettää jatkuvasti tietoja simuloituun malliin tietojen visualisointia ja analysointia varten. Malli puolestaan antaa palautetta prosessille tuotannon optimoimiseksi. Tämä opinnäytetyö antaa yleiskuvan kolmesta avoimesta väliohjelmistostandardista, Fiware, OPC UA ja DDS, ja vertaa niiden soveltuvuutta digitaalisiin kaksosiin Teollisuus 4.0 -kontekstissa. Perustavanlaatuinen ongelma Teollisuus 4.0:ssa on, miten yhdistää IT- ja OT-tasojen erilaiset vaatimukset osaksi toimivaa verkkoa. Standardien kvalitatiivisen vertailun perusteella näyttää siltä, että OPC UA täyttää nämä vaatimukset parhaiten tai ainakin tulee täyttämään ne muutaman vuoden kuluttua, kun OPC UA saa tuen aikaherkälle verkostoitumiselle ja palvelun laadulle. Fiwaren ja OPC UA:n luotettavuus ja suorituskyky testattiin käytännön käyttötapauksissa. Testissä historialliset robottien sijaintitiedot välitettiin Fiwaren ja OPC UA:n kautta Visual Components -ohjelmistoon. Viestien lähetysnopeutta ja kokoa vaihdeltiin, jotta voitiin määrittää optimaalinen jakelunopeus ilman kadonneita viestejä. Fiware näytti toimivan paremmin, kun testit suoritettiin vain yhtä tietokonetta käyttäen. Kuitenkin, kun palvelin ja asiakas olivat eri tietokoneissa, jotka oli yhdistetty WiFi:llä, OPC UA:n suorituskyky näytti peittävän Fiwaren. Nämä ristiriitaiset tulokset selittyvät osittain Python FreeOpcUa OPC UA -palvelimen heikommalla suorituskyvyllä ja myös Fiwaren suuremmalla kaistanleveystarpeella sen korkeamman protokollapinon vuoksi.

Description

Supervisor

Vyatkin, Valeriy

Thesis advisor

Ubis, Fernando

Keywords

Industry 4.0, digital twin, standard, fiware, OPC UA

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202108298496

Collections

[dipl] Perustieteiden korkeakoulu / SCI