On the Automatic Synthesis of Modular Industrial Cyber-Physical Systems

Abstract

Industrial Cyber-Physical Systems (ICPSs) are widely regarded as the next generation industrial control systems and as one of the core technologies of the ongoing fourth industrial revolution. Despite its advantages, ICPSs are heavily dependent on the underlying physical process and their synthesis is a customized effort, demanding in terms of resources, which if not conducted carefully may impact the performance of the system. Moreover, as ICPSs consolidate as mature automation solutions, questions about leveraging their flexibility to maintain performance have arisen. This work proposes a methodology to tackle ICPS synthesis in a systematic way, by using a set of industrial agents that take as input an standardized process description file and automatically deploy a modular ICPS from pre-designed functional containers.

The initial implementation is demonstrated through two specific examples—a tank system and an industrial paste thickener—to illustrate the potential of the proposed methodology. This showcases that the ICPS can perform automatic synthesis independently of the process, facilitated by a configuration file, the utilization of agents, and a component library with services packaged in containers. Furthermore, the system exhibits adaptability to various process requirements and can repair itself in the event of a service failure, thereby reducing implementation and start-up time.

To facilitate the synthesis process, given the limitations of current industrial standards for modeling information, this thesis proposes an information model based on multilayer graphs that aids the agent in the synthesis process. The concept of classes and subclasses has also been incorporated in the information model, allowing nodes and relations to be classified based on their appearance and role within the ICPS. The model includes layers that classify the process components into four essential aspects: network, logical, physical, and cloud.

Finally, the thesis concludes by integrating decision-making tasks to improve performance, efficiency, and other operational aspects of the ICPS through a set of supervisory agents. Tests were carried out on two illustrative processes, which showed that using industrial agents to monitor and reconfigure ICPS services improved the performance in both cases.

Alternate abstract:

Los sistemas ciberfísicos industriales (ICPS) se consideran transversalmente como los sistemas de control industrial del futuro y como una de las tecnologías centrales de la cuarta revolución industrial en curso. A pesar de sus ventajas, los ICPS dependen en gran medida del proceso físico subyacente y su síntesis es un esfuerzo personalizado, exigente en términos de recursos, que si no se realiza con cuidado puede afectar el rendimiento del sistema. Además, a medida que los ICPS se consolidan como soluciones de automa-tización maduras, han surgido preguntas sobre cómo aprovechar su flexibilidad para man-tener el rendimiento. Este trabajo propone una metodología para abordar la síntesis de ICPS de forma sistemática, mediante el uso de un conjunto de agentes industriales que toman como entrada un archivo de descripción de proceso estandarizado y despliegan au-tomáticamente un ICPS modular a partir de contenedores funcionales prediseñados.

La implementación inicial se demuestra a través de dos ejemplos específicos (un sis-tema de tanques y un espesador de pasta industrial) para ilustrar el potencial de la meto-dología propuesta. Los resultados indican que el ICPS puede realizar una síntesis au-tomática independientemente del proceso, facilitada por un archivo de configuración, la utilización de agentes y una librería de componentes con servicios empaquetados en con-tenedores. Además, el sistema muestra adaptabilidad a diversos requisitos de proceso y puede repararse a sí mismo en caso de una falla del servicio, reduciendo así el tiempo de implementación y puesta en marcha.

Para facilitar el proceso de síntesis, dadas las limitaciones de los estándares industri-ales actuales para modelar la información, esta tesis propone un modelo de información basado en gráficos multicapa que facilita la tarea de interpretación al agente responsable. También se ha incorporado el concepto de clases y subclases, permitiendo clasificar nodos y relaciones en función de su apariencia y rol dentro del ICPS. El modelo incluye capas que clasifican los componentes del proceso en cuatro aspectos esenciales: red, lógico, físico y nube.

Finalmente, la tesis concluye integrando tareas de toma de decisiones para mejorar el desempeño, la eficiencia y otros aspectos operativos del ICPS a través de un conjunto de agentes supervisores. Se realizaron pruebas en dos estudios de caso, que demostraron que el uso de agentes industriales para monitorear y reconfigurar los servicios del ICPS mejoró el desempeño de ambos sistemas propuestos.