ICAI Factory Digital Twin

Abstract

La cuarta revolución industrial se encuentra en pleno auge gracias al desarrollo de nuevos avances tecnológicos como los sistemas ciberfísicos, los gemelos digitales o la optimización impulsada por inteligencia artificial. No obstante, la pirámide de automatización, que ha constituido la base de los procesos industriales durante siglos, ha resultado ser inflexible, cerrada e incapaz de adaptarse a las tecnologías emergentes. Por ello, nuevas arquitecturas como NOA (Namur Open Architecture) se están desarrollando para superar las barreras impuestas por los procesos tradicionales. Este proyecto tiene como objetivo implementar la arquitectura NOA en la fábrica de ICAI para integrarla en la nueva era conectada, al tiempo que se preservan la seguridad e integridad del sistema. La solución propuesta por NOA se basa en la extracción segura de información de los equipos y sensores no intrusivos de la fábrica, consolidando todos los datos en un servidor concentrador OPC UA. Para su implementación, se diseña un diodo NOA con los componentes necesarios para extraer los datos de manera segura, sin comprometer las operaciones de la fábrica. Estos elementos incluyen clientes OPC UA, sensores de monitoreo y optimización, y un optoacoplador que funciona como diodo de información. Para llevar a cabo la puesta en marcha del proyecto en la fábrica, se elige la pasarela IOT2050 de Siemens. Finalmente, el proyecto concluye con el desarrollo de una interfaz SCADA impulsada por NOA, junto con un estudio de ciberseguridad del nuevo sistema. Tras completar el proyecto, el servidor concentrador OPC UA se convierte en un repositorio para los datos en tiempo real recopilados de la fábrica, permitiendo el desarrollo de nuevas aplicaciones de la Industria 4.0 sin comprometer su seguridad. Esto permite implementar iniciativas como la implementación de gemelos digitales, aplicaciones de mantenimiento predictivo, análisis con Big Data o computación en la nube entre muchas otras.

The increasing demand for optimisation and the progress of digital transformation have created a pressing need to modernise the industrial sector. However, the traditional automation pyramid, which has been the backbone of industrial processes for centuries, has failed to adapt to new technological advancements such as cyber-physical systems, digital twins, and AI-driven optimization, due to its inflexible and closed structure. To address these challenges, new architectures such as NOA (Namur Open Architecture) are being developed to integrate Industry 4.0 technologies into industrial processes. Therefore, this project focuses on implementing Namur's Open Architecture in ICAI's factory to facilitate its digitalisation and integration into the new connected era, while preserving the original security and integrity of the system. The proposed solution involves the secure extraction of information from the factory’s equipment and non-intrusive sensors, storing and consolidating all data in an OPC UA aggregate server. For its successful implementation, a NOA diode is designed with the necessary components to extract the data securely without compromising the factory’s operations. These elements include OPC UA clients, Monitoring and Optimisation sensors, and an optocoupler-based data diode. To execute the solution, Siemens’ IOT2050 gateway is chosen as the hardware platform for the project's commissioning in the factory. Finally, the project concludes with the development of a SCADA dashboard to showcase a real-life application powered by NOA, along with an in-depth cybersecurity study of the proposed solution. After accomplishing these achievements, the OPC UA aggregate server, designed during the project's execution, becomes a real-time repository for all data collected from the factory, enabling the development of new Industry 4.0 applications without compromising its security. This sets the stage for future digital transformation initiatives, including the implementation of digital twins, predictive maintenance, big data analysis, and cloud computing, among many others.