ОБЛАЧНАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВОМ В РАМКАХ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА ПРОДУКЦИИ НА ОСНОВЕ "ИНТЕРНЕТА ВЕЩЕЙ"

вопросы инновационной экономики

Том 10 • Номер 3 • Июль-сентябрь 2020 ISSN 2222-0372 Russian Journal of Innovation Economics

>

Первое

экономическое издательство

материалы ш всероссийской научно-практической конференции «системы управления полным жизненным циклом высокотехнологичной продукции в машиностроении: новые источники роста» МГТУ им. н. э. БАУМАНА

облачная система управления производством в рамках жизненного цикла продукции на основе «интернета вещей»

Овсянников М.В. 1, Подкопаев С.А. 1

1 Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия

АННОТАЦИЯ:_

Цель статьи - представить прототип облачной системы управления производством в рамках жизненного цикла продукции (ЖЦП) с поддержкой «Интернета вещей». Пилотная версия данной производственно-исследовательской системы на базе гибкого технологического оборудования, предоставленного Denford и SAP HANA Cloud Platform (SAP HCP), разработана на кафедре CIM Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана. Рассмотрены некоторые теоретические основы промышленного интернета и облачных вычислений, открывающие новую эру в промышленной автоматизации. Представлен прототип облачной системы управления компьютерно-интегрированным производством (CIM) с использованием «Интернета вещей». Его первая версия основана на оборудовании Denford для производственного обучения и облачной платформе SAP HANA. Проанализированы основные функции и компоненты облачной платформы для управления умным производством на этапах жизненного цикла. Предложены протоколы связи между устройствами CIM и облачной платформой.

ФИНАНСИРОВАНИЕ. Исследование проводится при поддержке SAP University Alliance и SAP Labs в СНГ Она также предоставлена Российским фондом фундаментальных исследований, проектами № 1707-01374 и № 18-07-01311.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: промышленная автоматизация, CIM, стратегия Industry 4.0, управление производством, «Интернет вещей», облачная платформа.

cloud-based production management system

at the lifecycle of products concerning Internet of things

Ovsyannikov M.V. 1, Podkopaev S.A. 1

1 Bauman Moscow State Technical University, Russia

введение

В настоящее время жесткая конкуренция на мировых рынках вынуждает решать такие задачи, как сокращение сроков разработки и реализации продукции, повышение качества проектных и производст-

венных процессов, снижение затрат (прямой капитал, заработная плата как в производственных, так и в логистических подразделениях), минимизация экологического ущерба и др. Новая Европейская инициатива под названием «передовые технологии производства для чистого производства» [1] направлена на значительное повышение производительности труда (скорости развития производства, качества работ, снижения материалоемкости, энергосбережения и др.) при существенном улучшении экологии производства. В рамках этой инициативы необходимо отметить появление понятия «облачного производства» - новой производственной парадигмы и модели, основанной на «Интернете вещей» (IoT), облачных вычислениях, виртуальных и сервис-ориентированных технологиях [2,3]. Она превращает производственные ресурсы в услуги, которыми можно всесторонне обмениваться и распространять.

От CALS-технологий к промышленному интернету

Интернет вещей - это сеть сетей, в которую различные объекты встраиваются с помощью электронных датчиков, исполнительных механизмов или других цифровых устройств с тем, чтобы они могли быть объединены в сеть и подключены для целей сбора данных и обмена ими. «Инфраструктура взаимосвязанных сущностей, людей,

ABSTRACT:_

The purpose of the article is to present a prototype of a cloud-based production management system within the product lifecycle (LC) with support for the Internet of things. A pilot version of this production and research system based on flexible technological equipment provided by Denford and SAP Hana Cloud Platform (SAP HCP) was developed at the CIM Department of the Bauman Moscow State Technical University. Some theoretical foundations of industrial Internet and cloud computing, which open a new era in industrial automation, are considered. A prototype of a cloud-based computer-integrated manufacturing management system (CIM) using the Internet of things is presented. Its first version is based on Denford hardware for industrial training and the SAP Hana cloud platform. The main functions and components of the cloud platform for managing smart production at the stages of the lifecycle are analyzed. Communication protocols between CIM devices and the cloud platform are proposed. ACKNOWLEDGMENTS. The research is supported by SAP University Alliance and SAP Labs in the CIS. It is also provided by the Russian Foundation for Basic Research, projects No. 17-07-01374 and No. 1807-01311.

KEYWORDS: industrial automation, CIM, Industry 4.0 Strategy production management, Internet of things, cloud computing, cloud-based platform

JEL Classification: L86, M51, M11 Received: 15.06.2020 / Published: 30.09.2020

© Author(s) / Publication: PRIMEC Publishers

For correspondence: Ovsyannikov M.V.

CITATION:_

Ovsyannikov M.V., Podkopaev S.A. (2020) Oblachnaya sistema upravleniya proizvodstvom v ramkakh zhiznennogo tsikla produktsii na osnove «Interneta veschey» [Cloud-based production management system at the lifecycle of products concerning Internet of things]. Voprosy innovatsionnoy ekonomiki. 10. (3). - 1311-1318. doi: 10.18334/vinec.10.3.1 10521

вопросы ИННОВАЦИОННОЙ экономики № 3'2020

1313

систем и информационных ресурсов вместе с сервисами, которые обрабатывают и реагируют на информацию из физического и виртуального мира» [ISO/IEC 20924:2018 Information technology - Internet of Things - Definition and Vocabulary].

Эта новая промышленная революция требует умной системы управления производством, позволяющей вносить изменения как в производственные процессы, так и в новые модели интегрированной логистики. Такие процессы размывают традиционные границы между отраслями, создают множество сложных взаимосвязей.

Предшественниками IoT принято считать широко известные CALS-технологии, ресурсные вычисления, grid-вычисления, виртуализацию, гипервизоры и многое другое. Сервис-ориентированная архитектура (Service-Oriented Architecture - SOA) сыграла важную роль в развитии IoT. IoT и облачные вычисления являются в некотором смысле расширением SOA-приложений [4] (Kolchin, Ovsyannikov, Sumarokov, Strekalov, 2002).

Как правило, IoT обеспечивает подключение физических объектов, систем и служб, обеспечивая связь между объектами и совместное использование данных. Здесь любой объект или вещь оснащается специальным устройством для доступа в сеть и имеет выделенный IP-адрес. Ключевой технологией в IoT является технология автоматической идентификации (auto-ID) [5] (Ovsyannikov, Podkopaev, Bukhanov, 2016), которая может быть использована для создания смарт-объектов.

Связь между различными разнородными объектами и устройствами, имеющими разные принципы работы и контролируемые параметры, остается достаточно сложной задачей даже для небольшого числа таких устройств. Очевидно, что для большого количества этих устройств эта задача становится намного сложнее. Использование специальных облачных сервисов, предоставляющих необходимый функционал, представляется подходящим решением для промышленного продвижения IoT.

основные функции облачной системы управления производством

Основные функции, которые должна реализовать создаваемая система, следующие: Дистанционное управление производственным оборудованием, реализация функций SCADA-систем в облачной платформе.

Гибкое конфигурирование оборудования для решения конкретных производственных задач.

Мониторинг выполнения производственных процессов в реальном времени.

об АВТОРАХ:_

Овсянников Михаил Владимирович, к.т.н., доцент кафедры РК9

цитировать статью:_

Овсянников М.В., Подкопаев С.А. Облачная система управления производством в рамках жизненного цикла продукции на основе «Интернета вещей» // Вопросы инновационной экономики. - 2020. -Том 10. - № 3. - С. 1311-1318. doi: 10.18334/vinec.10.3.1 10521

Контроль состояния оборудования (включая обработку сигналов датчиков и гео-

Организация взаимодействия пользователей и программных компонентов. Обработка больших массивов (Big Data) в облачной платформе.

Взаимодействие с системами управления предприятием и жизненным циклом продукции (ERP, CAD/CAM/CAE, MES).

Система DENFORD CIM МГТУ им. Н.Э. Баумана [5] (Ovsyannikov, Podkopaev, Bukhanov, 2016) включает в себя фрезерную и токарную ячейки (станки с ЧПУ, робот-манипулятор и привод), конвейер, автоматизированную систему хранения и поиска ресурсов (АСР) со штабелером, и системы с производственными модулями и ГПС.

Облачная платформа SAP Hana (SAP HCP) [6], рассматриваемая как услуга (PaaS) для создания новых приложений или расширения существующих приложений в безопасной облачной вычислительной среде, управляемой SAP. Данная платформа содержит следующие основные компоненты: а) сервис удаленного управления устройствами (RDMS); б) сервис управления сообщениями (MMS); в) программные модули времени выполнения (сервлеты), реализующие бизнес-логику управления процессами или решающие различного рода вычислительные задачи; г) сервис кабины Internet of Things, обеспечивающий легкий сетевой доступ к различным сервисам. Он предлагает API для регистрации различных устройств и их типов данных.

За работу с внешними устройствами в SAP HCP отвечает специальный сервис SAP IoT. Являясь частью SAP HCP, он служит связующим звеном для работы с внешними источниками данных и исполнительными механизмами.

Общая схема взаимодействия платформы SAP HCP с внешними устройствами с помощью сервиса SAP IoT приведена на рисунке 1.

позиционирование).

SAP HCP

Устройство 3

Рисунок 1. Связь платформы SAP HCP с внешними устройствами с помощью сервиса Hana IoT

Источник: составлено авторами.

вопросы ИННОВАЦИОННОЙ экономики № 3'2020 (Июль-сентябрь) 1315

Устройства могут отличаться друг от друга архитектурой, аппаратной реализацией, языками программирования, а также вариантами работы с SAP HCP. Наиболее распространенными аппаратными реализациями устройств являются микроконтроллеры, одноплатные компьютеры (например, Raspberry Pi) и обычные ПК.

База данных представлена в облаке вместе с Java-приложениями, имеющими к ней доступ. Также доступны HTML-приложения с пользовательским интерфейсом, чтобы обеспечить возможность управления системой через обычный веб-браузер из любой точки мира [8, 10].

Управляющие компьютеры (УК), напрямую взаимодействующие с оборудованием, подключены к облаку через защищенное соединение по протоколу WebSocket.

УК должен принимать команды из облака, преобразовывать их в последовательность управляющих воздействий и отправлять управляющие воздействия непосредственно на оборудование по стандартным протоколам. С другой стороны, УК должен определить состояние оборудования, преобразовать информацию в специальную информационную структуру и отправить ее в облачную часть.

В качестве УК используются микрокомпьютеры Raspberry Pi 3, на которых запущен специальный скрипт Python, обеспечивающий управление оборудованием и получение обратной связи по состоянию оборудования.

Программное управление портом осуществляется с помощью библиотеки Python Pyserial. Данные о текущем состоянии оборудования ГПС получаются через универсальный интерфейс ввода/вывода (GPIO) на Raspberry Pi.

осуществление диспетчеризации Дэнфорд-МГТУ Гпс

Использование концепции децентрализованной диспетчеризации означает, что большая часть функций реализована в системе управления гибким производственным модулем. Основное отличие от централизованной системы заключается в возможности организации связи между модулями без центральной диспетчерской системы. Все диспетчерские функции выполняются самими модулями. Здесь любой модуль анализирует свое состояние, делает запросы другим модулям на нужные ему ресурсы, анализирует сообщения от других модулей. Таким образом, приложения и сообщения циркулируют в децентрализованной системе [7] (Gornev, Emelyanov, Ovsyannikov, 1990).

Система диспетчеризации организована как классическая интеллектуальная система, включающая в себя базу данных и знаний, механизм вывода и средства объяснения. Построен алгоритм диспетчеризации, основанный на продукционных правилах. Эти правила дают возможность формировать команду управления устройством в зависимости от состояния системы.

Заключение

В работе предложены концепция, архитектура и основные функции облачной системы управления производством. Разработан алгоритм и программное обеспечение

канала подключения устройств к облачной платформе SAP HANA Cloud Platform. В настоящее время реализована первая очередь системы управления ЖЦП, которая показала техническую возможность реализации данного проекта. В дальнейшем предполагается реализация основных этапов ЖЦП на основе облачной платформы и оценка их эффективности.

благодарности:

Авторы признательны своим студентам и коллегам за ценный вклад в совместную научно-исследовательскую работу.

ИСТОЧНИКИ:

1. Advancing Manufacturing - Advancing Europe'. Report of the Task Force on Advanced Manufacturing for Clean Production. Ec.europa.eu. [Электронный ресурс]. URL: https://ec.europa.eu/digital-single-market/en/news/advancing-manufacturing-advancing-europe-report-task-force-advanced-manufacturing-clean pdf (дата обращения: 20.10.2016).

2. Батура Т.В., Мурзин Ф.А., Семич Д.Ф. Облачные технологии: основные понятия, задачи и тенденции развития // Программные продукты, системы и алгоритмы. -2014. - № 1. - c. 22.

3. Transformation of European Industry and Enterprises / A report of the Strategic Policy Forum on Digital Entrepreneurship. Ec.europa.eu. [Электронный ресурс]. URL: http:// ec.europa.eu/DocsRoom/documents/9462.

4. Колчин А.Ф., Овсянников М.В., Сумароков С.В. Стрекалов А.Ф. Управление жизненным циклом продукции. - М.: Из-во Анахарсис, 2002. - 304 c.

5. Овсянников М.В., Подкопаев С.А., Буханов С.А. Облачная система поддержки жизненного цикла опытно-единичного производства // Инженерный вестник. - 2016. -№ 11. - c. 7.

6. SAP HANA Cloud Documentation. [Электронный ресурс]. URL: https://help.hana. ondemand.com (дата обращения: 20.10.2016).

7. Горнев В.Ф., Емельянов В.В., Овсянников М.В. Оперативное управление ГПС. - М.: Машиностроение, 1990. - 256 c.

REFERENCES:

Advancing Manufacturing - Advancing Europe'. Report of the Task Force on Advanced Manufacturing for Clean ProductionEc.europa.eu. Retrieved October 20, 2016, from https://ec.europa.eu/digital-single-market/en/news/advancing-manufacturing-advancing-europe-report-task-force-advanced-manufacturing-clean pdf Batura T.V., Murzin F.A., Semich D.F. (2014). Oblachnye tekhnologii: osnovnyeponyatiya, zadachi i tendentsii razvitiya [Cloud technology: concepts, tasks and development trends]. Programmnyeprodukty, sistemy i algoritmy. (1). 22. (in Russian).

Gornev V.F., Emelyanov V.V., Ovsyannikov M.V. (1990). Operativnoe upravlenie GPS [Operational management of FMS] M.: Mashinostroenie. (in Russian).

Kolchin A.F., Ovsyannikov M.V., Sumarokov S.V. Strekalov A.F. (2002). Upravlenie zhiznennym tsiklom produktsii [Product lifecycle management] M.: Iz-vo Anakharsis. (in Russian).

Ovsyannikov M.V., Podkopaev S.A., Bukhanov S.A. (2016). Oblachnaya sistema podderzhki zhiznennogo tsikla opytno-edinichnogo proizvodstva [Cloud-based support system for the life cycle of pilot production]. Inzhenernyy vestnik. (11). 7. (in Russian).

SAP HANA Cloud Documentation. Retrieved October 20, 2016, from https://help. hana.ondemand.com

Transformation of European Industry and Enterprises / A report of the Strategic Policy Forum on Digital EntrepreneurshipEc.europa.eu. Retrieved from http://ec.europa. eu/DocsRoom/documents/9462