Streamlining manufacturing data integration

Abstract

Industrial connectivity is lagging years behind consumer device connectivity. Both management and technological trends demand more data for decision making and one of the major hindrances is poor connectivity interfaces. Open Platform Communications Unified Architecture (OPC UA), a general industrial protocol for data transfer and information modelling, seeks to rise above first-party manufacturer data standards by providing a common way of implementation for industrial device connectivity. MTConnect, a free open-source data standard for mainly numerical control (NC) machine tools, seeks to do the same in the manufacturing industry. Can they both be used to ease the integration of devices in the comparable manner that Universal Plug and Play (UPnP) has successfully done for consumer devices?

This thesis explores the differences of OPC UA and UPnP, the whys and how’s of manufacturing data collection focusing on NC machine tools from both management and technological perspectives, MTConnect and OPC UA capabilities, and finally seeks to answer the fore mentioned integration ease question. This pursuit is driven by global megatrends like Industry 4.0, Smart Manufacturing, Industrial Internet, Agile Manufacturing, Business Intelligence, Lean and JIT. As a part of this thesis, a prototype application using MTConnect and OPC UA is made to investigate if they have brought industrial data transfer standardization as far as UPnP has done in the consumer space.

It was found that OPC UA and UPnP share many aspects technologically, but the differences are found in the depth and spread of standardization. Multi-device intercommunication is inherently a part of UPnP, but is something that has been largely neglected from OPC UA until 2015. The OPC UA - MTConnect companion specification allows easier integration of MTConnect devices into a factory-wide OPC UA network, but in a smaller environment MTConnect is easier to implement alone without OPC UA. The prototype proved that connectivity between OPC UA and MTConnect is effective albeit more time-consuming than implementing a mere MTConnect integration in a situation, where industrial devices are only outputting MTConnect data.

Teollisen liitettävyyden standardointi on vuosia jälkijunassa verrattuna kuluttajalaitteiden liitettävyyteen. Niin hallinnolliset, kuin teknologisetkin trendit vaativat enemmän dataa päätöksentekoa varten ja tätä hidastaa eniten huonot liitettävyysrajapinnat. Open Platform Communications Unified Architecture (OPC UA) on teollisuuden yleisprotokolla, joka pyrkii nousemaan valmistajakohtaisten datastandardien yläpuolelle, tarjoten yhteisen toteutustavan teollisten laitteiden liitettävyyteen. MTConnect, ilmainen ja avoin numeerisesti ohjattujen työstökoneiden datastandardi pyrkii tekemään samoin valmistavassa teollisuudessa. Voiko näitä kahta yhdistää siten, että laitteiden integrointi helpottuu verrattavalla tavalla kuin Universal Plug and Play (UPnP) on onnistuneesti toteuttanut kuluttajalaitteiden kanssa?

Tämä diplomityö tutkii miksi ja miten valmistavassa teollisuudessa kerätään dataa, keskittyen NC-koneisiin niin hallinnollisesta, kuin teknologisestakin näkökulmasta. Työssä tutkitaan MTConnect:n ja OPC UA:n mahdollisuuksia sekä pyritään vastaamaan edellä esitettyyn kysymykseen laitteiden integroinnista. Tätä pyrkimystä tukee maailman-laajuiset megatrendit kuten Industry 4.0, Smart Manufacturing, Industrial Internet, Agile Manufacturing, Business Intelligence, Lean ja JIT. Diplomityön osana tehdään prototyyppisovellus käyttäen MTConnect:a ja OPC UA:ta, jonka perusteella päätellään, ovatko nämä teollisten laitteiden datastandardointi tullut yhtä pitkälle kuin mitä UPnP kuluttajapuolella.

Työssä havaittiin että OPC UA ja UPnP jakavat monia teknologisia osia ja että niiden eroavuudet löytyvät pääosin standardisoinnin syvyydestä ja kattavuudesta. Monen laitteen kanssa kommunikointi on sisäänrakennettua UPnP:ssä, kun taas OPC UA:sta tämä mahdollisuus on paljolti laiminlyöty vuoteen 2015 saakka. OPC UA:n ja MTConnect:n välinen kumppanispesifikaatio auttaa laitteiden integraatiota tehtaanlaajuisessa verkossa, mutta pienemmässä ympäristössä yksin MTConnectin käyttö on helpompaa. Tuloksista selvisi, että OPC UA:n ja MTConnect:n välinen liitettävyys on toimivaa, mutta enemmän aikaa vievää verrattuna pelkkään MTConnect-integraatioon tilanteessa, jossa teolliset laitteet käyttävät syöttävät vain MTConnect:n mukaista dataa.