Bogdan-Constantin Pîrvu 
Constantin-Bălă Zamfirescu 
Samuel Pușcașu 
Vlad Ruxandu Pe lângă calitate la un preț adecvat, clienții de astăzi își doresc produse ce permit o experiență de utilizare completă și nu doar o personalizare sporită. În plus, perioada cuprinsă între apariția conceptului și lansarea pe piață a produsului este mai scurtă ca oricând, iar livrarea către client se realizează a doua zi după doar câteva clickuri într-un browser de Internet.
În acest context, pentru dezvoltatorii de produse și companiile producătoare, alegerea instrumentului de inginerie potrivit pentru modelarea, proiectarea și implementarea unor componente eterogene (precum: mecanice, electrice, software etc.) devine obligatorie pentru asigurarea competitivității globale. Aceste instrumente trebuie să asigure nu numai proiectarea rapidă a produsului însuși, ci și a sistemului de fabricație corespunzător pentru realizarea acestuia.
Deși sunt disponibile o serie de instrumente comerciale (de exemplu, Delmia, Siemens PLM etc.), în studiul nostru am folosit platforma gratuită INTO-CPS, capabilă să integreze instrumentele de inginerie necesare pe baza standardului Functional Mock-up Interface (FMI) [1]. INTO-CPS a fost utilizat pentru faza de dezvoltare și implementare a unui sistem prototip ce reflectă la o scară redusă un proces de fabricație real. INTO-CPS a fost utilizat pentru co-simularea stațiilor de lucru din cadrul prototipului în diferite instrumente software (de exemplu: Overture, 20SIM, 4DIAC etc.). În plus, fiecare instrument a permis implementarea logicii sale pe dispozitive de control specifice, precum: Raspberry Pi, NVidia Tegra K1, Arduino.
În secțiunea următoare sunt prezentate sintetic conceptul de sistem fizico-cibernetic (SFC) și platforma INTO-CPS utilizată în cadrul acestui experiment. În a treia secțiune este prezentat studiul de caz al unui prototip de fabricație. Ultima secțiune cuprinde concluziile acestui articol.
Un sistem fizico-cibernetic (eng. cyber-physical system) reprezintă un artefact echipat cu capabilități de percepție senzorială, acționare a actuatorilor, procesare și comunicare, ce furnizează date, informații și servicii în mediul local sau în cloud sau direct către oameni.
Fig. 1 Constituenții principali ai oricărui SFC [2]
Caracteristica principală a unui SFC este că sistemul IT este proiectat împreună cu componentele fizice pentru a maximiza eficiența generală. Nu totul trebuie să fie încorporat în fiecare componentă fizică pentru a fi caracterizat ca un SFC. De exemplu, un cod de bare care leagă datele unui produs către un server ce execută o procesare a datelor / acționare a unui sistem, poate fi un exemplu pentru un SFC "distribuit".
INTO-CPS este o platformă integrată folosită pentru proiectarea completă bazată pe model (eng. model-based design) a unui SFC. Construită în jurul standardului FMI, platforma garantează interoperabilitatea la nivelul diverselor instrumente inginerești utilizate în proiectarea unui SFC: de la reprezentarea cerințelor și modelarea sistemului eterogene, până la realizarea sistemelor mecanice, electronice și computaționale. Acest lucru permite trasabilitatea în toate etapele de dezvoltare, reducând timpul de dezvoltare dar și costul prototipurilor fizice prin modelarea și simularea tuturor sistemelor componente (electrice, software, hidraulice și mecanice). Mai multe detalii cu privire la platforma INTO-CPS se găsesc la [3].
Studiul de caz vizând sistemul prototip de fabricație a fost dezvoltat în cadrul proiectului iPP4CPPS (Integrated product-production co-simulation for cyber-physical production system). Obiectivul principal al studiului a fost evaluarea nivelului de maturitate al INTO-CPS cuplat cu 4DIAC [3] pentru adoptarea ulterioară într-o infrastructură reală de producție prin:
Sistemul prototip care are la bază un proces de fabricare al Continental Sibiu a fost conceput pentru a evalua nivelul de maturitate al tehnologiilor bazate pe INTO-CPS. Prototipul asamblează adaptoare USB OTG într-o structură cromatică dată, utilizând elemente compozite de bază de diferite culori (de exemplu, verde, mov, roșu etc.). Structura cromatică este definită de utilizator printr-o comandă de la un terminal mobil. Logica internă a prototipului permite reacții automate la perturbații externe (adică vibrații induse și perturbații ale culorii de iluminare de la stația de calitate) pentru a realiza corect fiecare comandă.
Fig. 2 Adaptoare USB OTG (capac 1- capac adaptor OTG, 2- adaptor USB-UTG, 3- capac USB)
Prototipul constă din următoarele module:
Fig. 3 Schița conceptului pentru prototipul sistemului de fabricație
Controlul întregului prototip este distribuit în așa fel încât fiecare modul să dețină propria sa unitate: Raspberry Pi pentru modulul de depozitare și transport, Arduino pentru modulul de perturbație, Stäubli CS8 pentru controlul robotului și Cognex pentru modulul de asigurare a calității.
Modelul de co-simulare reprezintă o abstractizare de nivel înalt a comportamentului fiecărei simulări dar și interacțiunile dintre simulările constituente. Acest model include simulări distincte pentru fiecare tip de componente: pentru mașini (adică modulul de magazie, modulul de manipulare, transportorii și modulul de control al calității), pentru comenzi (plasate prin dispozitive mobile) și pentru fabrică (adică urmărirea comenzii). Modelul de co-simulare a fost implementat în instrumentul Overture folosind VDM [5] și a fost validat în INTO-CPS.
Pentru a testa conexiunile dintre toate elementele funcționale ale co-simulării, au fost generate FMU-uri și încărcate în INTO-CPS. Validarea conexiunilor s-a realizat gradual, pentru ca mai apoi, toate elementele funcționale să fie înlocuite cu modele detaliate generate în 4DIAC (de exemplu, transportorii, controlul calității) și în 20SIM (de exemplu, magazia, modul de manipulare). Mai multe detalii privind co-simularea pot fi găsite aici [6].
După actualizarea bibliotecilor standard ale 20Sim și 4DIAC cu senzori specifici (de ex. , senzori de culoare, accelerometru etc.) și protocoale de comunicație (de ex. , Modbus între robot și Raspberry Pi 3 care controlează magazia), implementarea logicii s-a realizat in proporție de 100% pe toate controllerele prototipului (Figura 4).
Un server MQTT instalat pe placa NVidia Tegra K1 a permis ca: a) solicitările clienților să fie urmărite pentru a asigura finalizarea cu succes a operațiilor fiecărui modul și b) operatorul să fie informat despre HMI (de exemplu, tableta Samsung) cu privire la starea comenzii (de exemplu: în proces de producție, finalizat) și dacă sunt necesare mai multe resurse pe linie (adică dacă operatorul trebuie să umple stivele din magazie, să golească depozitul de stocare cu subcomponente nepotrivite etc.).
Fig.4 Prototipul realizat fizic
Experimentul iPP4CPPS a permis îmbunătățirea gradului de maturitate tehnologică, de la TRL 4 (tehnologia validată în laborator) la TRL 5 (tehnologia validată în mediul relevant), cu privire la instrumentele utilizate pentru co-simularea și implementarea sistemului de fabricație propus: INTO-CPS, 4DIAC, Overture și 20-Sim.
Pe termen mediu, se vor face cercetări cu privire la comunicarea în timp real a informațiilor din lumea fizică în mediul de co-simulare folosind INTO-CPS.
Experimentul a contribuit la creșterea nivelului de conștientizare asupra subiectului sistemelor fizico-cibernetice în rândul angajaților Continental Sibiu care au făcut parte din proiect.
Cercetări efectuate în proiectul iPP4CPPS (Orizont 2020, acordul de finanțare nr. 644400, experimentul nr.16-UK-GERS-01) și parțial în proiectul DiFiCIL (contractul nr. 69 / 08.09.2016, ID P_37_771, http://dificil.grants.ulbsibiu.ro), cofinanțat de FEDR prin Programul Operațional Competitivitate 2014-2020.
[1] http://fmi-standard.org/ , accesat 2017-11-01
[2] Pirvu, B.-C., Zamfirescu, B.-C. (2017). Smart factory in the context of 4th industrial revolution: challenges and opportunities for Romania. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 227. 012094. 10.1088/1757-899X/227/1/012094.
[3] http://projects.au.dk/into-cps/about-into-cps/approach/ , accesat 2017-11-01
[4] https://www.eclipse.org/4diac/ , accesat 2017-11-01
[5] http://overturetool.org/method/, accesat 1.11.2017
[6] Neghina, M., Zamfirescu, C.-B., Larsen, P.G., Lausdahl, K, Pierce, K., - A Discrete Event-first Approach to Collaborative Modelling of Cyber-Physical Systems, The 15th Overture Workshop, Newcastle University, 2017
de Ovidiu Mățan
de Bogdan Bucur
