Έξυπνο Εργοστάσιο και Βιομηχανία 4.0

Το μάθημα αφορά την περιγραφή, ανάπτυξη και υλοποίηση κατανεμημένων εφαρμογών (distributed applications) που λειτουργούν σε πραγματικό χρόνο (real time), υποστηρίζονται από σύγχρονες βιομηχανικές επικοινωνίες & εξειδικευμένα fieldbuses με σκοπό την λεπτομερή παρατήρηση και τον ακριβή έλεγχο  των αντιστοίχων κατανεμημένων διεργασιών (distributed processes) στο βιομηχανικό και κτιριακό πεδίο.

Ειδικότερα σε επίπεδο γνώσεων ο φοιτητής ενημερώνεται και μαθαίνει:   

• Τις βασικές αρχές, την  αρχιτεκτονική και τη λειτουργικότητα των συστημάτων δικτυωμένων μικροελεγκτών & των προγραμματιζόμενων λογικών ελεγκτών 4ης ή περαιτέρω γενιάς,
• Τα βασικά χαρακτηριστικά των κατανεμημένων διεργασιών και αντιστοίχων κατανεμημένων εφαρμογών που τις υποστηρίζουν, στο βιομηχανικό και κτιριακό πεδίο.
• Τις τεχνολογίες και βασικά χαρακτηριστικά
• αρχιτεκτονικής & λειτουργικότητας των σύγχρονων βιομηχανικών επικοινωνιών (Industrial communication) του προτύπου Industry 4.0  και του βιομηχανικού διαδικτύου των πραγμάτων ή Industrial IoT (iIoT) μέσω των legacy  βιομηχανικών & κτιριακών fieldbuses, και των σύγχρονων τεχνολογιών βιομηχανικών επικοινωνιών.
•  Τα βασικά χαρακτηριστικά του βιομηχανικού νέφους (industrial cloud) και των ειδικών χαρακτηριστικών των συσκευών στο cloud edge.
• Επιπρόσθετα αναλύονται τα πρότυπα αυτοματοποίησης / ελέγχου και επικοινωνίας κατά ISA95, η φυσικές διασυνδέσεις (physical layer), οι τεχνικές προσπέλασης μέσου (MAC layer), το επίπεδο εφαρμογής (application layer), το 8^ο επίπεδο χρήστη (user layer), η προτυποποίηση των βιομηχανικών συσκευών (generic device description) και περαιτέρω ειδικά χαρακτηριστικά πραγματικού χρόνου των βιομηχανικών συστημάτων επικοινωνίας. Γίνεται αναφορά σε τεχνολογίες και πλατφόρμες όπως LonWorks, Industrial Ethernet, Profibus, CAN, Zigbee / Z-wave, WirelessHART κλπ.
• Τέλος γίνεται αναφορά σε θέματα middleware & διαλειτουργικότητας.

Όσον αφορά το εργαστηριακό μέρος του μαθήματος ο φοιτητής θα έχει αναπτύξει τις ακόλουθες ειδικές ικανότητες - δεξιότητες:

•   Εις βάθος έμπρακτη εφαρμογή γνώσεων σχετικών με την δομή, αρχιτεκτονική  και λειτουργία των κατανεμημένων βιομηχανικών εφαρμογών και διεργασιών μέσω των legacy βιομηχανικών fieldbuses και των τεχνολογιών  του βιομηχανικού διαδικτύου των πραγμάτων στο περιβάλλον του industry 4.0.
• Περαιτέρω δεξιότητες για τον χειρισμό συστημάτων με τεχνολογίες δικτυωμένων ελεγκτών 4^ης και πέραν γενιάς με έμφαση στον προγραμματισμό, τη διαχείριση, τη διαμόρφωση (configuration) και στον τρόπο χρήσης τους με σκοπό τον σχεδιασμό και ανάπτυξη σύνθετων κατανεμημένων συστημάτων βιομηχανικού και κτιριακού αυτοματισμού όπως και άλλων συστημάτων διαχείρισης ενέργειας και πόρων στο πεδίο της κοινής ωφέλειας (utilities).
• Μια εισαγωγική εμπειρία στον χειρισμό, μορφοποίηση, σχεδιασμό και ανάπτυξη σύνθετων κατανεμημένων συστημάτων παρατήρησης & ελέγχου στο βιομηχανικό νέφος μέσω συσκευών edge (industrial cloud edge devices) και υπηρεσιών cloud.

Γενικές Ικανότητες

• Αναζήτηση, ανάλυση και σύνθεση δεδομένων και πληροφοριών, με τη χρήση και των απαραίτητων θεωρητικών εννοιών και τεχνολογιών.
• Προσαρμογή σε νέες καταστάσεις.
• Λήψη αποφάσεων.
• Αυτόνομη εργασία.
• Ομαδική εργασία.
• Ανάπτυξη κρίσης - κριτικής σκέψης.
• Προαγωγή της επαγωγικής σκέψης.
• Ανάπτυξη ικανότητας εφαρμογής ιδεών στην πράξη.
• Παραγωγή εφαρμοσμένων ερευνητικών ιδεών.

Το μάθημα αφορά την περιγραφή, ανάπτυξη και υλοποίηση κατανεμημένων εφαρμογών (distributed applications) που λειτουργούν σε πραγματικό χρόνο (real time), υποστηρίζονται από σύγχρονες βιομηχανικές επικοινωνίες & εξειδικευμένα δίκτυα πεδίου με σκοπό την λεπτομερή παρατήρηση και τον ακριβή έλεγχο  των αντιστοίχων κατανεμημένων διεργασιών (distributed processes) στο βιομηχανικό και κτιριακό πεδίο.

Το θεωρητικό μέρος του μαθήματος αποτελείται από τις εξής ενότητες:

• Προγραμματιζόμενοι λογικοί ελεγκτές και fieldbuses. Ιστορική αναδρομή και εξέλιξή.
• Κατανεμημένα συστήματα αυτοματισμού και ελέγχου. Δικτυωμένοι μικροελεγκτές. Δομή, αρχιτεκτονική και τεχνολογίες fieldbuses.
• Κατανεμημένες διεργασίες και εφαρμογές στο βιομηχανικό και κτιριακό πεδίο.
• Τεχνολογίες πραγματικού χρόνου (real time) στις βιομηχανικές επικοινωνίες.
• Ανάλυση των επιπέδων του προτύπου ISA95 με έμφαση στις φυσικές διασυνδέσεις και στην προσπέλαση του μέσου (mac).
• Ανάλυση των επίπεδων εφαρμογής (application layer) και χρήστη (user layer) ενδεικτικού βιομηχανικού δικτύου.
• Σχεδιασμός εφαρμογών ελέγχου σε γραφικό περιβάλλον με δομικά στοιχεία ελέγχου (functional blocks), τοπικές μεταβλητές & μεταβλητές επικοινωνίας.
• Μοντελοποίηση & προτυποποίηση βιομηχανικών συσκευών με αντικειμενοστραφή μέθοδο.
• Industry 4.0 και ανάπτυξη νέων αρχιτεκτονικών προηγμένων συστημάτων βιομηχανοποίησης (MES) με την εισαγωγή του βιομηχανικού διαδικτύου των πραγμάτων (iIoT), των κυβερνοφυσικών συστημάτων παραγωγής (CPPS), του βιομηχανικού cloud και των συσκευών cloud edge.
• Εφαρμογές στον αυτοματισμό κτιρίων (building automation), σε βιομηχανικούς αυτοματισμούς  (industrial automation), σε αυτοματισμούς κοινής ωφέλειας (διαχείριση ενέργειας και πόρων) και συστημάτων μεταφορών (utilities, transportation automation).

Το εργαστήριο του μαθήματος θα επικεντρωθεί στην εξοικείωση και πρακτική ικανότητα εφαρμογής γνώσεων σχετικών με τις τεχνολογίες και πλατφόρμες των legacy fieldbuses, του βιομηχανικού νέφους & διαδικτύου των πραγμάτων (iIoT), των ελεγκτών και συστημάτων τύπου Edge Devices  (προγραμματισμό, διαχείριση, διαμόρφωση) και της διαχείρισης και χρήσης υπηρεσιών βιομηχανικού νέφους (industrial cloud services).  Περιλαμβάνει ασκήσεις πάνω στο Lonworks fieldbus, το γραφικό προγραμματιστικό περιβάλλον Visual Control (DGS / VCGP / VCNM) και το LonMaker / LonPoint. Επίσης ασκήσεις αναπτύσσονται γύρω από την ενδεικτική πλατφόρμα Βιομηχανικού νεφους (iIoT Cloud Platform in Machine Manufacturing) Γίνεται σχεδιασμός, ανάπτυξη και δοκιμή λειτουργίας σύνθετων κατανεμημένων εφαρμογών ελέγχου διεργασιών με δομικά στοιχεία (sensors, actuators, control functional blocks) και με αναλογικά και ψηφιακά Ι/Ο.

Ενδεικτικά το εργαστήριο περιλαμβάνει:

• Βασικές αρχές κατανεμημένων εφαρμογών βιομηχανικού αυτοματισμού με δίκτυα πεδίου και γνωριμία με την πλατφόρμα ανάπτυξης DGS - Visual Control Graphical Programming (VCGP) & Visual Control Network Manager (VCNM)
• Ανάπτυξη και λειτουργία σύνθετης κατανεμημένης εφαρμογής ελέγχου με ψηφιακά Ι/Ο και γραφικό προγραμματισμό.
• Ανάπτυξη και λειτουργία σύνθετης κατανεμημένης εφαρμογής ελέγχου με αναλογικά και ψηφιακά  Ι/Ο και γραφικό προγραμματισμό.
• Ανάπτυξη και λειτουργία σύνθετης κατανεμημένης εφαρμογής ελέγχου με ψηφιακά  και αναλογικά Ι/Ο με γραφικό προγραμματισμό στο περιβάλλον LonMaker – LonPoint.
• Πλατφόρμα βιομηχανικού Cloud (Industrial IoT platform for advanced machine manufacture). Simulator & Virtual Demo Device. VPN Remote Access, Machine Dashboards, User Management, Data Logging, Alarm & Notifications.
• Edge Device πλατφόρμας βιομηχανικού Cloud. Industrial VPN router and Edge Gateway
• Περιβάλλον STM32F4G (ARM University Program Lab-in-a-Box) Discovery kit (32-bit ARM Cortex-M4 with FPU core), με το STM32F4 Discovery Shield και μέσω On-board / Off-board (mikroBUS) modules καθώς και boards from MikroElektronika (mikroBUS).

• Power Point παρουσιάσεις.
• MP4 βιντεοσκοπημένες διαλέξεις
• Εργαστηριακό φυλλάδιο. Το φυλλάδιο των εργαστηριακών ασκήσεων διανέμεται έντυπα και ηλεκτρονικά από την ιστοσελίδα
• Διαθέσιμα προγράμματα που αντιστοιχούν στις εργαστηριακές ασκήσεις.
• Διαθέσιμα ελεύθερα λογισμικά σχεδίασης / μορφοποίησης.
• Περαιτέρω εκπαιδευτικό υλικό στο eclass &  ιστοσελίδα του εργαστηρίου