Integrating Industrial Process Data to Azure Using OPC UA and Azure IoT Edge: Process Data Integrator
Kiviluoma, Iiro (2023)
Kiviluoma, Iiro
2023
Tietotekniikan DI-ohjelma - Master's Programme in Information Technology
Informaatioteknologian ja viestinnän tiedekunta - Faculty of Information Technology and Communication Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2023-02-14
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202301281821
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202301281821
Tiivistelmä
Industrial Internet of Things (IIoT) is a high-level concept that aims to integrate industrial devices and software by utilizing the data produced by the devices to improve efficiency and productivity in industrial environment. As industrial systems produce huge amounts of data, cloud computing can be exploited to access huge amounts of computing power and data storage in scalable manner, which meets the technical requirements set by the high volume of data. Heterogeneous industrial assets contain various standards and formats for information exchange that can be unified into an uniform interface by Open Platform Communications Unified Architecture (OPC UA), which is seen as the major standard for implementing information exchange for industrial systems.
Process Data Integrator (PDI) is a component that aims to integrate data from OPC UA to Azure in a seamless and configurable way. The aim of this thesis is to introduce a reference architecture for PDI in a way that it supports various OPC UA server configurations and the data flow from OPC UA to Azure can be configured to contain only the data that can be used to produce business value. The reference architecture should support subscribing for data changes in OPC UA servers and reading historical data from the servers.
The first phase of the thesis (chapters 2-4) performs a literature review on the thesis’ key topics in order to gain knowledge about the IIoT environment and the essential features of OPC UA and Azure. State-of-the-art OPC UA web integrations are also reviewed in order to compare them to the PDI reference architecture. The second phase of the thesis (chapter 5) compiles the obtained knowledge and the functional requirements into an enumeration of design requirements, which contain the required functionality of the PDI reference architecture introduced in the third phase of the thesis (chapter 6).
The PDI reference architecture can be divided into two categories: asynchronous data flow components and synchronous API components to control the data flow. The data flow components consist of Azure IoT Edge implementation and Azure cloud components. The IoT Edge implementation consists of IoT Edge modules and is responsible for communicating with OPC UA Servers and extracting data by subscribing for changes or reading historical data. The received data is preprocessed and delivered to cloud in two paths: batches and data streaming. The cloud implementation contains components for processing the data flow in cloud in addition to a web API to control the data flow. The web API can be used to control the data flow from OPC UA servers by specifying the included data nodes, sample rates and delivery paths to cloud.
In conclusion, the PDI reference architecture introduces a system that bridges the gap between OPC UA and Azure in a configurable manner that is compatible with various OPC UA servers out-of-the-box. The data flow can also be configured in a way where the collected data contains the important values in order to produce business value and is delivered to cloud in a way that fits the needs best. Teollinen esideiden internet (Industrial Internet of Things, IIoT) on korkean tason konsepti, joka pyrkii integroimaan teolliset laitteet ja ohjelmistot keskenään tavoitteenaan parantaa tehokkuutta ja tuottavuutta teollisessa ympäristössä. Siinä missä teolliset järjestelmät tuottavat valtavat määrät dataa, pilvipalvelut tarjoavat valtavat määrät laskentatehoa ja tallennustilaa vastatakseen suureen datamäärään. Heterogeeniset teolliset laitteet hyödyntävät useita tiedonsiirtostandardeja ja -formaatteja, jotka voidaan yhdenmukaistaa yhden rajapinnan taakse hyödyntämällä Open Platform Communications Unified Architecturea (OPC UA).
Process Data Integrator (PDI) on komponentti, jonka tarkoituksena on integroida teollista prosessidataa OPC UA:n avulla Azure-pilveen (Microsoftin pilvipalvelu) konfiguroitavalla tavalla. Opinnäytetyön tavoitteena on tuottaa PDI-viitearkkitehtuuri, joka tukee monenlaisia OPC UA - palvelinkonfiguraatioita ja mahdollistaa datavirran konfiguroinnin yritysarvon tuottamista tukevalla tavalla. Viitearkkitehtuurin tulisi tukea datan muutosten tilaamista ja historia-arvojen lukemista OPC UA -palvelimilta.
Työn ensimmäisessä vaiheessa (kappaleet 2-4) suoritetaan kirjallisuuskatsaus työn kannalta oleellisiin aihealueisiin, joita ovat IIoT, OPC UA ja Azure. OPC UA:n yhteydessä tarkastellaan myös uusinta teknologiaa hyödyntäviä OPC UA -web-integraatioita, joita verrataan PDI- viitearkkitehtuuriin. Työn toinen vaihe (kappale 5) yhdistää kirjallisuuskatsauksella hankitun tiedon ja toiminnalliset vaatimukset luetteloksi suunnitteluvaatimuksia, jotka työn kolmannessa vaiheessa (kappale 6) esitellyn PDI-viitearkkitehtuurin tulisi täyttää.
PDI-viitearkkitehtuuri voidaan jakaa kahteen osaan: asynkroniseen datavirtaan ja synkroniseen rajapintaan datavirran ohjaamista varten. Datavirtakomponentit koostuvat Azure IoT Edge -toteutuksesta ja Azure-pilvikomponenteista. IoT Edge -toteutus koostuu IoT Edge -moduuleista, joiden vastuulla on vastaanottaa dataa OPC UA -palvelimilta arvojen muutoksia tilaamalla tai historia-arvoja lukemalla. Vastaanotettu data esiprosessoidaan ja voidaan toimittaa pilveen kahdella toimitustavalla: kootuissa erissä tai jatkuvana tietovirtana. Pilvipuolen toteutus sisältää komponentit saapuvan datavirran käsittelyn lisäksi verkkorajapinnan datavirran hallintaa varten. Verkkorajapintaa voidaan hyödyntää säätelemällä datavirtaa OPC UA -palvelimilta määrittelemällä halutut datapisteet, näytteenottotaajuuden ja toimitustavan pilveen.
PDI-viitearkkitehtuuri esittelee kokonaisuuden, joka yhdistää OPC UA:n Azuren konfiguroitavalla tavalla ollen valmiiksi yhteensopiva useanlaisten OPC UA -palvelimien kanssa. Datavirtaa voidaan myös hallita tavalla, jossa kerätty data sisältää ainoastaan yritysarvoa tuottavan datan toimitettuna pilveen sen tarpeiden vaatimalla tavalla.
Process Data Integrator (PDI) is a component that aims to integrate data from OPC UA to Azure in a seamless and configurable way. The aim of this thesis is to introduce a reference architecture for PDI in a way that it supports various OPC UA server configurations and the data flow from OPC UA to Azure can be configured to contain only the data that can be used to produce business value. The reference architecture should support subscribing for data changes in OPC UA servers and reading historical data from the servers.
The first phase of the thesis (chapters 2-4) performs a literature review on the thesis’ key topics in order to gain knowledge about the IIoT environment and the essential features of OPC UA and Azure. State-of-the-art OPC UA web integrations are also reviewed in order to compare them to the PDI reference architecture. The second phase of the thesis (chapter 5) compiles the obtained knowledge and the functional requirements into an enumeration of design requirements, which contain the required functionality of the PDI reference architecture introduced in the third phase of the thesis (chapter 6).
The PDI reference architecture can be divided into two categories: asynchronous data flow components and synchronous API components to control the data flow. The data flow components consist of Azure IoT Edge implementation and Azure cloud components. The IoT Edge implementation consists of IoT Edge modules and is responsible for communicating with OPC UA Servers and extracting data by subscribing for changes or reading historical data. The received data is preprocessed and delivered to cloud in two paths: batches and data streaming. The cloud implementation contains components for processing the data flow in cloud in addition to a web API to control the data flow. The web API can be used to control the data flow from OPC UA servers by specifying the included data nodes, sample rates and delivery paths to cloud.
In conclusion, the PDI reference architecture introduces a system that bridges the gap between OPC UA and Azure in a configurable manner that is compatible with various OPC UA servers out-of-the-box. The data flow can also be configured in a way where the collected data contains the important values in order to produce business value and is delivered to cloud in a way that fits the needs best.
Process Data Integrator (PDI) on komponentti, jonka tarkoituksena on integroida teollista prosessidataa OPC UA:n avulla Azure-pilveen (Microsoftin pilvipalvelu) konfiguroitavalla tavalla. Opinnäytetyön tavoitteena on tuottaa PDI-viitearkkitehtuuri, joka tukee monenlaisia OPC UA - palvelinkonfiguraatioita ja mahdollistaa datavirran konfiguroinnin yritysarvon tuottamista tukevalla tavalla. Viitearkkitehtuurin tulisi tukea datan muutosten tilaamista ja historia-arvojen lukemista OPC UA -palvelimilta.
Työn ensimmäisessä vaiheessa (kappaleet 2-4) suoritetaan kirjallisuuskatsaus työn kannalta oleellisiin aihealueisiin, joita ovat IIoT, OPC UA ja Azure. OPC UA:n yhteydessä tarkastellaan myös uusinta teknologiaa hyödyntäviä OPC UA -web-integraatioita, joita verrataan PDI- viitearkkitehtuuriin. Työn toinen vaihe (kappale 5) yhdistää kirjallisuuskatsauksella hankitun tiedon ja toiminnalliset vaatimukset luetteloksi suunnitteluvaatimuksia, jotka työn kolmannessa vaiheessa (kappale 6) esitellyn PDI-viitearkkitehtuurin tulisi täyttää.
PDI-viitearkkitehtuuri voidaan jakaa kahteen osaan: asynkroniseen datavirtaan ja synkroniseen rajapintaan datavirran ohjaamista varten. Datavirtakomponentit koostuvat Azure IoT Edge -toteutuksesta ja Azure-pilvikomponenteista. IoT Edge -toteutus koostuu IoT Edge -moduuleista, joiden vastuulla on vastaanottaa dataa OPC UA -palvelimilta arvojen muutoksia tilaamalla tai historia-arvoja lukemalla. Vastaanotettu data esiprosessoidaan ja voidaan toimittaa pilveen kahdella toimitustavalla: kootuissa erissä tai jatkuvana tietovirtana. Pilvipuolen toteutus sisältää komponentit saapuvan datavirran käsittelyn lisäksi verkkorajapinnan datavirran hallintaa varten. Verkkorajapintaa voidaan hyödyntää säätelemällä datavirtaa OPC UA -palvelimilta määrittelemällä halutut datapisteet, näytteenottotaajuuden ja toimitustavan pilveen.
PDI-viitearkkitehtuuri esittelee kokonaisuuden, joka yhdistää OPC UA:n Azuren konfiguroitavalla tavalla ollen valmiiksi yhteensopiva useanlaisten OPC UA -palvelimien kanssa. Datavirtaa voidaan myös hallita tavalla, jossa kerätty data sisältää ainoastaan yritysarvoa tuottavan datan toimitettuna pilveen sen tarpeiden vaatimalla tavalla.