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https://hdl.handle.net/10216/169157| Author(s): | André Correia da Costa |
| Title: | Application of Asset Administration Shell for Scalable IIoT System Design |
| Issue Date: | 2025-07-15 |
| Abstract: | The rapid development of the Industrial Internet of Things, Cyber-Physical Systems, and Digital Twins brought new interest into the market about digital transformation. However, despite the theoretical maturity provided by the current literature, digitalization remains a significant challenge, particularly in complex, real-world environments characterized by fragmented architectures, multi-organizational initiatives, legacy systems, and low levels of technological integration. This dissertation addresses this gap by presenting scalable, modular, and interoperable digital solutions and validating one of them within an algae cultivation environment. Motivated by the constraints observed in the technological stack of a broader multidisciplinary initiative promoting sustainable aquaculture, this work explores two distinct approaches to address the same gap in different ways: a connector-based architecture using Apache PLC4X and Kafka Connect for protocol bridging, and an Asset Administration Shell (AAS)-based architecture for semantically enriched digital representation and leveraging Eclipse BaSyx for IIoT infrastructure integration. The connector-based solution focuses on rapid deployment and ease of integration with an IIoT Platform. This approach establishes bidirectional communication between an OPC UA server and a Kafka message broker. It enables protocol bridging and seamless integration with the data structure of the Platform. A custom-developed Connector UI was created to manage and simplify the configuration of these connectors, supporting rapid deployment and system adaptability. In contrast, the AAS-based solution introduces a standardized, semantically enriched representation of assets, leveraging Eclipse BaSyx to manage AAS components and coordinate data exchange with operational technologies. A custom RESTful Spring Boot application facilitates bidirectional communication between the AAS elements and a Siemens S7 Programmable Logic Controller, enabling real-time monitoring and remote control of the cultivation environment. This latter solution was implemented and validated within an algae cultivation environment, resulting in a fully digitized operational ecosystem. It supports asset lifecycle management, IIoT integration through MQTT, time-series data storage, and live system visualization via dashboard tools-demonstrating its potential for reuse in similarly complex production settings. Key contributions include the development of functional prototypes, modular, scalable, and customizable, and practical integration strategies for legacy infrastructures. The findings underscore the importance of reproducible digital approaches in accelerating industrial digitalization. The work concludes by offering actionable insights and outlining future research pathways for advancing interoperable, Industry 4.0-compliant solutions. |
| Description: | O rápido desenvolvimento da Internet Industrial das Coisas, dos Sistemas Ciber-Físicos e dos Gêmeos Digitais trouxe um novo interesse ao mercado sobre a transformação digital. No entanto, apesar da maturidade teórica apresentada pela literatura atual, a digitalização continua a ser um desafio significativo, sobretudo em ambientes complexos do mundo real, caracterizados por arquiteturas fragmentadas, iniciativas multi-organizacionais, sistemas legacy e baixos níveis de integração tecnológica. Esta dissertação aborda esta falha, apresentando soluções digitais modulares, escaláveis e interoperáveis e validando uma delas num ambiente de cultivo de algas. Motivado pelos obstáculos observados na estrutura tecnológica de uma iniciativa multidisciplinar que promove a aquacultura sustentável, este trabalho explora duas abordagens distintas para resolver a mesma deficiência de formas diferentes: uma arquitetura baseada em conectores que utiliza o Apache PLC4X e o Kafka Connect para a ligação de protocolos, e uma arquitetura baseada no Asset Administration Shell (AAS) para a representação digital semanticamente enriquecida e que utiliza por base o Eclipse BaSyx para a integração com uma infraestrutura IIoT. A solução baseada em conectores centra-se na instalação rápida e na facilidade de integração com uma Plataforma IIoT. Esta abordagem estabelece uma comunicação bidirecional entre um servidor OPC UA e um broker de mensagens Kafka. Permite a ligação entre protocolos e uma integração total com a estrutura de dados da plataforma. Foi criada uma Interface de Utilizador de conectores personalizada para gerir e simplificar a configuração destes conectores, apoiando a rápida implementação e a adaptabilidade do sistema. Em alternativa, uma solução baseada no conceito do AAS introduz uma representação standardizada e semanticamente enriquecida dos ativos, tirando partido do Eclipse BaSyx para gerir os componentes do AAS e coordenar o intercâmbio de dados com as tecnologias operacionais. O desenvolvimento de uma aplicação RESTful Spring Boot facilitou a comunicação bidirecional entre os elementos AAS e um controlador lógico programável Siemens S7, permitindo a monitorização em tempo real e o controlo remoto do ambiente de cultivo. Esta última solução foi implementada e validada num ambiente de cultivo de algas, resultando num ecossistema operacional totalmente digitalizado. Suporta a gestão do ciclo de vida dos ativos, a integração IIoT através de MQTT, o armazenamento de dados em séries temporais e a monitorização em tempo real do sistema através de ferramentas de painéis de visualização - demonstrando o seu potencial de reutilização em configurações de produção igualmente complexas. As principais contribuições incluem o desenvolvimento de protótipos funcionais, modulares, escalares e personalizados e estratégias práticas de integração para infraestruturas legacy. As conclusões sublinham a importância de abordagens digitais reproduzíveis para acelerar a digitalização industrial. O trabalho conclui oferecendo perspectivas acionáveis e delineando futuras rotas de pesquisa para o avanço de soluções interoperáveis e compatíveis com a Indústria 4.0. |
| Subject: | Engenharia electrotécnica, electrónica e informática Electrical engineering, Electronic engineering, Information engineering |
| Scientific areas: | Ciências da engenharia e tecnologias::Engenharia electrotécnica, electrónica e informática Engineering and technology::Electrical engineering, Electronic engineering, Information engineering |
| TID identifier: | 204110610 |
| URI: | https://hdl.handle.net/10216/169157 |
| Document Type: | Dissertação |
| Rights: | openAccess |
| Appears in Collections: | FEUP - Dissertação |
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