Integração de Gêmeos Digitais e Protocolos de Comunicação para Interconexão e Mapeamento Dinâmico em um Ambiente Industrial Inteligente
Caso de Uso: Integração Completa de Gêmeos Digitais e Interoperabilidade entre Dispositivos em um Ambiente Simulado de Indústria 4.0
Este caso de uso descreve a integração de dispositivos industriais simulados com sistemas de controle e plataformas de nuvem, utilizando protocolos de comunicação como OPC UA, MQTT, e Modbus, em conjunto com o framework Node-RED. A solução proposta também incorpora o uso de gêmeos digitais baseados na ontologia ISA-95, para criar uma representação virtual dos dispositivos físicos. O objetivo é validar a eficiência da arquitetura desenvolvida em um cenário simulado de Indústria 4.0, com foco em monitoramento, controle em tempo real e interoperabilidade. Veja a arquitetura do sistema na figura abaixo.
Demonstrar a interconexão e integração de dispositivos industriais com sistemas de controle e plataformas de nuvem, utilizando diferentes protocolos de comunicação, além da implementação de gêmeos digitais para melhorar a visibilidade e controle de processos produtivos. A validação da solução foca em medir a interoperabilidade, eficiência e adaptabilidade da arquitetura em um cenário de Indústria 4.0.
- Protocolos de Comunicação: OPC UA, MQTT, Modbus
- Framework de Integração: Node-RED
- Plataforma de Simulação: Factory I/O
- Plataforma de Controle: CODESYS
- Serviço de Nuvem: AWS IoT, Azure IoT Hub
- Gêmeos Digitais: Azure Digital Twins, Ontologia ISA-95
- Segurança de Comunicação: TLS (Transport Layer Security)
- Simulação Industrial: Utilização do Factory I/O para simular um ambiente industrial que inclui esteiras, sensores de proximidade, motores e sistemas de controle. A cena "Buffer Station" foi usada para representar um processo de produção. Mais detalhes podem ser encontrados na documentação sobre o Factory I/O aqui.
Cena "Buffer Station":
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Comunicação via OPC UA: Configuração de um servidor OPC UA no CODESYS para permitir a comunicação segura e padronizada entre o CLP virtual e o ambiente simulado. A comunicação foi protegida por criptografia TLS. Mais detalhes podem ser encontrados na documentação do módulo CODESYS aqui.
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Integração com Gêmeos Digitais: Representação virtual dos dispositivos físicos por meio de gêmeos digitais utilizando a DTDL (Digital Twin Definition Language) no Azure Digital Twins, com base na ontologia ISA-95, para otimizar o mapeamento e a visualização dos recursos industriais. Mais detalhes podem ser encontrados na documentação do módulo azure-digital-twins aqui.
Gráfico de relações dos gêmeos digitais:
- Orquestração com Node-RED: O Node-RED foi utilizado para integrar os diferentes dispositivos e sistemas, como o CLP e sensores, e para conectar o sistema à nuvem AWS via MQTT. O Node-RED também facilitou a criação de dashboards interativos para monitoramento em tempo real. Mais detalhes podem ser encontrados na documentação do módulo Node-RED aqui.
Fluxo implementado no Node-RED:
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Interoperabilidade de Protocolos: A solução foi projetada para suportar múltiplos protocolos de comunicação, incluindo Modbus e MQTT, demonstrando a interoperabilidade do sistema ao conectar dispositivos legados com plataformas modernas, como o Azure IoT Hub.
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Segurança e Publicação na Nuvem: Os dados capturados dos dispositivos foram publicados de forma segura na nuvem via MQTT com suporte a criptografia TLS. As mensagens de dados foram roteadas para o AWS IoT para armazenamento e análise, enquanto os gêmeos digitais foram atualizados no Azure Digital Twins.
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Monitoramento e Controle em Tempo Real: O dashboard do Node-RED permitiu o controle remoto dos dispositivos, exibindo dados operacionais como contagem de produtos, status dos motores e logs de eventos críticos. A interface possibilitou o controle direto dos dispositivos simulados, como iniciar/parar as esteiras e ajustar parâmetros operacionais.
Dashboard implementado utilizando o Node-RED:
- Validação da Arquitetura: Utilizando a ferramenta Wireshark foram realizados testes de desempenho, incluindo a medição de latência e throughput para garantir a eficiência e confiabilidade da solução em um ambiente industrial simulado. As capturas foram realizadas nos pontos indicados na imagem abaixo. Mais detalhes podem ser encontrados na documentação do módulo utility aqui.
Pontos de captura de comunicação com a ferramenta wireshark:
Os testes demonstraram que a arquitetura oferece alta interoperabilidade entre diferentes protocolos de comunicação, além de permitir uma integração eficiente com plataformas de nuvem e gêmeos digitais. A solução foi capaz de mapear dinamicamente os dispositivos em tempo real e se ajustar automaticamente a mudanças no ambiente produtivo. A comunicação foi segura e a latência e throughput atenderam aos requisitos de um cenário de Indústria 4.0.
A solução integrada, que combina gêmeos digitais, interoperabilidade de protocolos e comunicação segura, demonstrou ser eficiente e adaptável para ambientes industriais modernos. O sistema foi validado com sucesso em um cenário simulado de Indústria 4.0, provando sua capacidade de monitorar e controlar dispositivos em tempo real, enquanto se ajusta dinamicamente às operações industriais.