Semantic Web technologies and OPC UA integration : an application to manufacturing systems based on reconfigurable fixtures

In the engineering and manufacturing domain, there is currently an atmosphere of a new era of digitized production called Industrie 4.0. This new kind of industry is conceived as the application of concepts such as Industrial Internet of Things (IIoT), Cyber-Physical Systems (CPS) and data-driven architectures. The growing number of customized solutions is presenting new challenges for production processes. Therefore, the manufacturing technologies should be versatile, efficient and integrated while processes should be quickly and easily adaptable to new products. For this purpose, machines, components, plants, and services are linked to communicate and interoperate, envisioning the so called Smart Factory. To address this target, techniques and standards for representing and exchanging information, data and knowledge between devices participating in manufacturing and production processes are needed. Such standards must be flexible to accommodate new features, usage scenarios, cover multiple domains, device categories, and bridge organizational boundaries. Semantic Web Technologies (SWTs) and OPC Unified Architecture (UA) are two important threads giving the Smart Factory a solution for the network communication and interoperability challenges. In this thesis these two core visions are described in detail, focusing on their possible integration. According to this, three use cases, that the proposed solution approach should satisfy, are defined. A general mapping between OPC UA and SWTs is proposed. Then the approach is tested on an ideal modular pallet device developed for this purpose. Finally the framework of a realistic use case offered by the Pilot Factory of Technisce Universität Wien, concerning a hybrid additive and subtractive manufacturing process, is described for future developments.

In un’epoca globale in cui i prodotti industriali sono sempre più complessi, customizzati e in costante evoluzione, la flessibilità è diventata uno dei requisiti fondamentali per i sistemi di produzione. Da qui il bisogno di pensare ad un ambiente di lavoro innovativo capace di interfacciarsi con una molteplice ed eterogenea quantità di informazioni relative ai prodotti e alla conoscenza tecnica. In questa direzione, l’applicazione dei concetti quali Internet delle Cose industriali (IIoT), Sistemi Cyber-Fisici (CPS) e architetture basate sui dati, comporta la nascita di un nuovo approccio alla produzione definito come “Produzione Intelligente”. A tale scopo, si rende sempre più necessario che macchine, componenti, impianti e servizi siano interconnessi tra di loro in modo tale da realizzare un sistema di produzione unico e complesso, dando vita alla cosiddetta Smart Factory. Per raggiungere questa interoperabilità si devono adottare tecniche e piattaforme basate su standards comuni per la rappresentazione e lo scambio di informazioni tra i vari dispositivi che partecipano ai processi di produzione. Tali strumenti devono essere caratterizzati da elevata flessibilità per accogliere nuove funzionalità e scenari di utilizzo, per coprire più domini, categorie di dispositivi e superare i confini organizzativi. Gli approcci Virtual Factory, basati su tecnologie Semantic Web, sono strumenti nati per rispondere a queste necessità, ovvero in grado di creare ambienti di lavoro integrati atti a facilitare l’interscambio di informazioni e di conoscenza durante tutto il ciclo di vita dei sistemi e dei processi produttivi in ambito industriale. Accanto a queste piattaforme tecnologiche, nell’ambito dei sistemi di monitoraggio e di gestione del sistema produttivo, una delle tecniche più recenti che permette di realizzare comunicazioni strutturate, efficienti e sicure, favorendo l’interoperabilità tra i diversi dispositivi, è quella definita dallo standard OPC UA. In questo elaborato di tesi, a seguito di una dettagliata analisi dei concetti fondanti delle due tecnologie OPC UA e Semantic Web, si propone un primo approccio per la loro integrazione. In particolare, si definisce un insieme di regole per la mappatura dei concetti fondamentali tra le piattaforme Semantic Web e OPC UA. Seguendo questo schema di lavoro si sono delineati tre possibili scenari in cui il concetto di mappatura risulta centrale: il primo scenario riguarda il passaggio da un modello di dati OPC UA ad uno basato su ontologie; il secondo scenario descrive la situazione inversa, ovvero la traduzione di una ontologia in un modello OPC UA; il terzo scenario invece definisce la “sincronizzazione” tra due modelli già esistenti di ontologia e OPC UA. L’approccio così descritto riguardante la mappatura viene poi testato su un caso ideale costituito da una struttura modulare di un pallet basato su tecnologie zero-point. Infine, viene presentato un caso industriale offerto dalla Pilot Factory della Technisce Universität Wien, riguardante un processo di produzione ibrido basato su tecnologie produttive additive (MIG/MAG welding) e subtractive (CNC-Milling).