An industrial communication networks framework for QoS assessment in industry 5.0 era

Abstract

Industry 5.0 (I5.0), the latest evolution in the ongoing industrial revolution, is transforming global industry, ushering in an era of greater connectivity, intelligence, and collaboration between humans and machines. At the heart of this transformative change are the network architectures and communication protocols that support the continuous flow of data, decision-making based on information obtained from the data, and the real-time responsiveness needed to control production processes in the various industrial sectors. Previous industrial revolutions have seen a paradigm shift in the way products are designed, developed, and produced; the current revolution, known as Industry 4.0 (I4.0), is marked by the widespread adoption of digital technologies, the Internet of Things (IoT), Cyber-Physical systems (CPS) and smart factories and has laid the foundations for a highly interconnected, data-centric manufacturing environment. On the other hand, the I5.0 paradigm seeks to complement this by reintroducing human contact and collaboration into the industrial equation, with communications networks in this context serving to ensure more fruitful human-machine interaction. Industrial communication Networks (ICNets), also known as OT (Operational Technology) networks, are converging towards TCP/IP-based standards developed in the context of IT (Information Technologies) networks at a rapid pace, while new and disruptive industrial scenarios are being created, requiring high performance while simultaneously carrying out tasks with collaborative robots (cobot) or autonomous guided vehicles/robots (AGV/AMR). This dissertation details the design, development, and validation of the ICNets QoS Framework, a comprehensive solution aimed at enhancing QoS within ICNets in the context of I4.0 and I5.0. The framework integrates data collection and visualization tools, specifically the QoSData Collection System and the QoSViz Visualization System, to provide real-time monitoring of critical network metrics, such as latency, throughput, and packet loss. The framework was evaluated in a controlled industrial laboratory environment equipped with several IoT and IIoT devices, as well as Cobots and AMRs. Results demonstrate the framework’s ability to accurately represent throughput metrics with 1.5% average error as well as detect dynamically packet loss all while maintaining a low overhead on the network. The deployment also showcased scalability, supporting an increasing number of devices without performance degradation, and adaptability across various IT and OT protocols standards such as Wi-Fi, MQTT and OPC-UA. A usability evaluation of QoSViz, using the System Usability Scale (SUS), yielded an average score of 69.5, reflecting above-average user satisfaction with the framework’s design and functionality. Despite its performance, the study identified challenges such as limited compatibility with legacy devices that lack SNMP support, underscoring areas for improvement in protocol extensibility and predictive analytics. By aligning the QoS framework with the operational demands of Industry 5.0, this research and development bridges the gap between legacy industrial systems and the next generation of ICNets. Future enhancements, including support for predictive QoS adjustments and broader protocol integration, are proposed to further expand the framework’s capabilities.

A Indústria 5.0 (15.0), a mais recente evolução da revolução industrial em curso, está a transformar a indústria global, inaugurando uma era de maior conectividade, inteligência e colaboração entre humanos e máquinas. No centro desta mudança transformadora estão as arquiteturas de rede e os protocolos de comunicação que sustentam o contínuo fluxo de dados, a tomada de decisões baseadas em informação obtida a partir dos dados, e a capacidade de resposta em tempo real necessária para o controlo de processos produtivos nos diversos setores industriais. As revoluções industriais anteriores assistiram a uma mudança de paradigma na forma como os produtos são concebidos, desenvolvidos e produzidos. A revolução em curso, conhecida como Indústria 4.0(14.0), é marcada pela adoção generalizada de tecnologias digitais, da Internet das Coisas (IoT), dos sistemas ciberfísicos (CPS) e das fábricas inteligentes, tendo lançado as bases para um ambiente de fabrico altamente interligado e centrado nos dados. Por outro lado, o paradigma da 15.0 procura complementar esse desígnio reintroduzindo o contacto humano e a colaboração na equação industrial, com as redes de comunicações a servirem, neste contexto, para garantir uma interação homem-máquina, mais profícua. As Industrial Consnunication Nerworks (ICNets), também conhecidas como redes OT (Operational Technologies) estão a convergir para normas baseadas em TCP/IP desenvolvidas no contexto de redes IT (Information Technologies), a um ritmo acelerado, enquanto novos e disruptivos cenários industriais são criados, sendo que estes exigem alto desempenho enquanto, simultaneamente, são realizadas tarefas com robots colaborativos (cobot) ou veículos/robots autónomos guiados (AGV/AMR). Esta dissertação detalha a conceção, o de senvolvimento e a validação de uma framework de Qualidade de Serviço (QoS) para Redes de Comunicação Industrial (ICNets), uma solução abrangente destinada a melhorar a QoS den tro das ICNets no contexto da 14.0 e 15.0. A framework integra ferramentas de recolha de dados (QoS- Data) e visualização de dados (QoSViz), para fornecer monitorização em tempo real de métricas de rede, tais como latência, taxa de transferência e perda de pacotes. A framework foi avaliada em um laboratório industrial controlado, equipado com vários dispositivos IoT e IIoT, bem como Cobots e AMRs. Os resultados demonstram a capacidade da framework de representar com precisão as métricas de taxa de transferência com erro médio de 1,5%, além de detetar dinamicamente e com precisão a perda de pacotes, mantendo uma baixa sobrecarga na rede. A framework também demonstrou escalabilidade, suportando um número crescente de dispositivos sem degradação do desempenho, e capacidade para vários standands e protocolos de comunicação IT e OT, como Wi-Fi, MQTT OPC-UA. Uma avaliação da usabilidade do QoSViz, utilizando a Escala de Usabilidade do Sistema (SUS), produziu uma pontuação média de 69,5, reflectindo uma satisfação acima da média dos utilizadores com o design e a funcionalidade da framework. Ao alinhar a framework com as demandas operacionais da 15.0, esta investigação e desenvolvimento preenche a lacuna entre os sistemas legacy industriais e a próxima geração de ICNets. São propostas melhorias futuras, incluindo o suporte para ajustes preditivos de QoS e integração mais ampla de protocolos, para expandir ainda mais as capacidades da framework.