Azure IoT Central per lo SCADA engineer

Azure IoT Central
per lo SCADA engineer
MARCO PARENZAN

Marco Parenzan
Senior Solution Architect, beanTech
1nn0va Community Lead
Microsoft Azure MVP
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parenzan.marco
CONTATTI

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1. Premessa
2. Scopo del Documento
3. Esempio
4. Lorem Ipsum 1
5. Lorem Ipsum 2
• Lorem Ipsum 2 a
• Lorem Ipsum 2 b
• Lorem Ipsum 2 c
6. Lorem Ipsum 3
INDICE

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Cosa c’è di sbagliato nell’IoT oggi?

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Your options for building IoT solutions
Azure IoT Device SDK
3rd Party Industry specific sensors & devices
(RTOS, Linux, Windows, Android, iOS)
Azure
IoT Edge
Edge Modules:
Protocol Adaptation
Functions
Stream Analytics
Machine Learning
AI
Azure Sphere
Secured MCU Secured OS Cloud Security
Manage
View and manage solutions
Power BI Mobile Apps
PowerApps Web Apps
Business Integration
Connect to business apps & services
Dynamics 365
Office 365
3rd Party applications
IoT Hub
Functions
Web Apps
Maps
Time Series
Insights
Cosmos DB
Azure Stream
Analytics
Device
Provisioning
Service
Event Hub
SQL Azure
Container
Registry
Kubernetes
Service
Data
Explorer
Storage
Compute
(VMs)
Application
Insights
Key Vault
Domain
Name
System Service Bus
Content
Delivery
Network Front Door
Microsoft
Flow
Resource
Manager
(ARM)
Azure IoT Central
Build with Azure IoT Central, our IoT App Platform
Simplify production-ready IoT solution development:
Simplify setup, reduce management burden, operational costs, and
overhead of a typical IoT project
Bring solutions to market faster, while staying focused on your
customers
 Highly secure
 Enterprise-grade
 Predictable pricing
 Industry-focused

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• Aver creato device
importanti, ma incapaci di
essere «osservabili»
La fragilità di una soluzione IoT First
Devices
Solution

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• Dare delle dashboard
bellissime, ma non aver
compreso il dominio
applicativo
La fragilità di una soluzione Analytics First
Analytics
Solution

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• Difficoltà a comunicare
perchè parlano due lingue
differenti
La fragilità di una soluzione IoT + Analytics
??? Analytics
Devices
Solution

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• Ci concentriamo troppo su:
• Streaming
• Invio dei dati
• Dati generati casualmente
• Dashboard
• Machine Learning
• Ci innamoriamo di Arduino e di Raspberry PI
• Non sappiamo cosa serve all’operatore che lavora con gli
oggetti monitorati dall’IoT
• Confondiamo il controllo con il monitoraggio
• Non conosciamo il ruolo di PLC, HMI, SCADA
Cosa c’è di sbagliato nell’IoT ?

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Colmare un divario
Devices Analytics
Solution
Model
(Understanding)
Modello dei dati
Modello del device Modello del dominio

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La piramide ISA 95 (Industry Standard Association 95)
Look
IoT Hub // IoT Central

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Quale processo implementiamo con l’IoT?

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• Asset macchina
• Strumento che aggiunge valore al prodotto, normalmente attraverso una lavorazione e/o un
assemblaggio. Es.: macchina utensile, stazione di assemblaggio.
• Asset logistico
• Strumento che non aggiunge valore al prodotto, ma lo movimenta per raggiungere i luoghi
previsti dal ciclo di produzione. Es.: traslo-elevatore, conveyor.
• Asset di controllo
• Strumento che non aggiunge valore al prodotto, ma esegue o aiuta ad eseguire i controlli e/o
le misure previsti dal piano di controllo. Es.: sistema di visione automatico, CMM.
• Asset magazzino
• Rappresenta le aree logiche e fisiche corrispondenti ai magazzini dell’impianto. Es.: magazzino
materie prime, polmone intermedio di semilavorato.
• Asset operatore
• Rappresenta l’operatore di impianto. Per Brainkin OEM – al Gennaio 2022 – gli operatori si
limitano all’ambito della manutenzione.
Cos’è un Asset

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• Process Control
• Process Monitoring
• Asset Monitoring
• Asset Management
Scenari
+veloce
+lento
Es. Temperatura liquido di raffredamento di un utensile è
un segnale di processo, non di asset
Un segnale è di asset se quella grandezza non influenza
alcun processo
Es. Temperatura liquido di raffredamento di una
trasmissione di un Tornio è un segnale di asset

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• Monitoraggio
• Raccolgo i dati del processo e li
metto a disposizione per
successive analisi
• Controllo
• Analizzo I dati del processo e
agisco in modo tale da
riportare in controllo (entro I
valori previsti)
Controllo vs. Monitoraggio di Processo

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• Monitoring
• Raccolgo i segnali dell’asset e li
metto a disposizione per
successive analisi
• A parità di identiche parametri
di processo due asset diversi
possono dare diversi valori dei
segnali (es consumo)
• Management (OEM)
• Livello ancora superior
• Gestione dell’asset
• Manutenzioni
• Ricambi
• Budget
• Ticketing
Management vs. Monitoring di Asset

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• OEEProduction Monitoring
• Produttività x
• Qualità x
• Disponibilità
• NON DIPENDE SOLO DALLA
MACCHINA (ma c’è il punto di vista
della macchina)
• Ma materia prima e operatori non
c’entrano con la macchina
• Produzione=Risultato di uno
o più Processi.
• Pezzi Prodotti vs. Pezzi Totali
• Pezzi Buoni vs Pezzi Totali sia
alto
• Scarti
• Macchina Disponibili
• OEE…
• Pezzi prodotti
• Pezzi Scarti (Rejects)
• Fermi macchina (Downtime)
• Unplanned downtime
Production Monitoring

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• Mes (T4)
• Foglio di lavoro
• Numero pezzi prodotti per
tempo
• Operatore
Production Management

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Question Time

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Diamo una occhiata al flusso dei dati

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• Cosa significa Hot//NRT//Warm?
• Hot=Dati che devono essere visualizzati/Usufruiti “senza che sia
passato troppo tempo tra quando è successo e quando sono
informato”
• Hot e NRT sono percepiti come equivalenti
• Warm=Dati la cui velocità di fruizione non è importante
• I dati di performance sono Warm
• Quindi file NRT in upstream verso cloud sono in realtà Warm
• COLD=Quando l’invio dei dati è indipendente dagli eventi che li
hanno generati (schedulazione)
• Questi dati tipicamente vengono da altri sistemi (MES, ERP, CRM)
Flussi dati

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• L’informazione principale è che Acquisizione/Sampling e invio
dei dati verso l’OEM sono due informazioni completamente
separate.
• Il fatto che leggo un segnale con un sampling di 1HZ, o 30Hz o
10KHz non significa che questo dato sia «hot».
• Qualunque sia la frequenza di campionamento, la frequenza
con cui inviare i dati all’OEM è diversa.
• Quindi io posso mandare un segnale a 30Hz anche ogni due
minuti all’OEM via NRT.
Hot vs Sampling

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• Possiamo dire qualcosa a questo livello?
• Un OEM ha reazioni nell’ordine di ore
• Hot si riferisce al tempo di reazione. Un OEM NON PUO’ REAGIRE HOT. Può solo
anticipare le mosse per tempo. Altrimenti solo l’automazione può reagire nel giusto
tempo
• Distinguamo la velocità con cui un OEM agisce rispetto alla frequenza di campionamento
• Es. Potenza assorbita campionata ogni 5” (on Edge)
• La quantità di letture (dipendente dalla frequenza di campionamento) è differente dalla
velocità (e dal canale) da cui arrivano. I segnali devono sempre e comunque arrivare in
cold
• Un OEM può vedere aggiornamenti < 1m solo al bisogno
• Per OEM è importante la predictive, ma sul dato cold.
Hot e Warm in OEM

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• Un punto di attenzione è il fatto che TUTTI I segnali acquisiti
vengano inviati all’OEM.
• I dati, per quanto configurati sull’ASSET dall’OEM, non significa
che siano condivisibili con l’OEM stesso
• Acquisire tutti I segnali (e potenzialmente processarli) influenza
• Allocazione memoria
• Processore che elabora
• Operazioni disponibili (serve veramente un Time Serie DB?)
Riservatezza

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• Abbiamo veramente bisogno di spedire dati ogni secondo
minuto attraverso un canale hot?
• Non è che posso mandarli su come file?
• Oppure non è che li posso trattare direttamente on edge e
mandare su solo quello che è effettivamente utile?
Question Time

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• I segnali si dividono in due famiglie
• segnali di stato (quelli che Hanno un numero finite di stati)
• Arrivano in tempo reale
• Si muovono on change
• Non arrivano campionate
• Uno allarme è uno stato. All’inizio sono tutti negativi
• Campionamento I grandezze (quelli che Hanno variazione continuo)
• Uploadate con una certa frequenza (2min)
• Uploadate in un file parquet*
Telemetria

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• Gli allarmi sono statistica: se arrivano dopo due minuti, va bene
comunque, perchè gli allarmi sono gestiti comunque on edge
• Se gli allarmi devo essere gestiti “hot”, allora c’è un servizio ad
hoc che giustifica questa attività
Allarmi in OEM

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• Noi trattiamo i dati come tutti uguali e li spariamo in cloud, ma
capite che i flussi possono essere qualificati diversamente!
• Come li distinguiamo?
• Abbiamo veramente bisogno di spedire dati ogni secondo
minuto attraverso un canale hot?
Question Time

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Diamo una occhiata ai dati

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• È il segnale nativo, non manipolato, proveniente dall’asset
• Viene qualificato con nomi e alter informazioni, ma non viene
alterato nel valore
Asset Raw Signal

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• Tutti I segnali esistono indipendentemente da velocità, invii,
destinazioni.
• La definizione del segnale non dipende da come lo uso
• Es. Un segnale non è HOT o WARM o dipendente dalla
destinazione. Tutti I segnali esistono e devo poterli esportare
verso I file NRT
ATTENZIONE!

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• Un segnale è uno stato che viene scritto mediamente su una variabile di
una macchina (ma vale anche per qualsiasi altro media di interfacciamento
che possiamo utilizzare – API, File e quant’altro)
• Il dato viene supposto come in variazione ad un tempo non determinato.
• L’indeterminazione porta a dei “buchi” che poi I processi di analytics
dovrebbero riempire.
• Diviene quindi valido il fatto di acquisire tutti I segnali utili ad un tempo
determinato, e non al cambiamento.
• Il cambiamento di una variabile è un evento che viene determinato
algoritmicamente
Signal Sampling

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• Note:
• Sampling distinti vanno distribuiti in
modo che non facciano overlapping
• Si potrebbe mettere a disposizione uno
strumento locale che permette di
vedere come I segnali vengono
campionati (grafici)
• Uno strumento di debugging utile per
vedere se lo strumento sta
effettivamente campionando e come)
• Il sampling potrebbe essere
generalizzato ad un Gruppo di Signals,
che non ha il solo ruolo di “sampling”
(addressing? – esempio Ignition coni
TagGroups)
• Il campionamento è un
processo schedulato che
viene ripetuto ad un
intervallo predeterminato
(secondi/minuti/millisecond)
• Potrebbe avvenire anche in
base ad un calendario (alle
8.00 dei giorni L/M/M/G/V)
• Il Sampling assume il ruolo di
entità dato che può essere
referenziato per venire
condiviso da più segnali
Asset Signal Sampling

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• Un asset non espone un segnale (ma dovrebbe)
• È possibile ricalcolarlo tramite altre variabili
• È possible calcolare segnali che possono essere utili da
osservare (es. Energia = Potenza x Tempo)
• Il calcolo assume il nome di Rule
• In termini di Rule Engine, un Virtual Signal “avviene SEMPRE”
Asset Virtual Signal

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• Signal è l’astrazione di un dato che proviene da un asset
(potrebbe anche essere scritto sull’asset ma lo vediamo in un
secondo momento)
• È un astrazione che poi ha diverse incarnazioni per ruoli
specifici
Asset Signal

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• È un segnale calcolato che viene materializzato solo se la
condizione espresso dal calcolo avviene oppure no
• Questa materializzazione rappresenta un evento che ha senso
condividere (con l’OEM o on EDGE)
• La definizione di Eventi coincide con lo scopo di un Rule Engine
• Il calcolo deve esporre due valori:
- Esito del calcolo (SEGNALATO, NON SEGNALATO, <alter
condizioni>)
- Risultato del calcolo
Asset Event Signal

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PERFORMANCE
(CAMPIONATE)
STATO (RILEVATE ON
CHANGE)
SETTINGS (RILEVATE
ON CHANGE)
Telemetria dei Segnali
• 1.1mHzCampionamento a 15 minuti
• On Change...è può non cambiare per ore...

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• Prendiamo i dati e li spariamo in Cloud!
• Perchè? Quale è il motivo?
Question Time

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Diamo una occhiata ai dati

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Azure IoT Central
• A fully managed IoT app platform that reduces the burden of
building and maintaining IoT solutions
Get Connected
Connect IoT devices to the cloud faster
than with any other platform
Device connectivity and management
Edge support
Device Modeling
End to End Security
Stay Connected
Reconfigure and update devices with
centralized device management
Telemetry ingestion and
command & control
Dashboards, visualization
& insights
Monitoring rules & triggered actions
User roles and permissions
Transform
Bridge the gap with connectors
and extensibility APIs
Industry-focused
Application Templates
White Labeling
Multitenancy
Extensibility & Customization IoT
Central public APIs

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Azure Digital Twins

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• I Digital Twin sono modelli di entità nell'ambiente fisico come
container di spedizione, stanze, stabilimenti o entità logiche che
partecipano alle soluzioni IoT.
• L'utilizzo di DTDL per descrivere le capacità di un gemello
digitale consente alla piattaforma IoT e alle soluzioni IoT di
sfruttare la semantica dell'entità.
Digital Twin

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• IoT Plug and Play semplifica l'IoT consentendo agli sviluppatori
di soluzioni di integrare i dispositivi senza scrivere codice
incorporato.
• Al centro di IoT Plug and Play c'è uno schema che descrive le
capacità del dispositivo.
• Lo schema è strutturato come un insieme di interfacce
composto da proprietà (attributi come la versione del firmware
o impostazioni come la velocità della ventola), telemetria
(letture del sensore come la temperatura o eventi come avvisi)
e comandi che il dispositivo può ricevere (come il riavvio ).
• Le interfacce possono essere riutilizzate su tutti i dispositivi per
facilitare la collaborazione e accelerare lo sviluppo.
IoT Plug&Play

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• Il Digital Twins Definition Language (DTDL) è un linguaggio per
descrivere modelli e interfacce per i gemelli digitali IoT.
• Si basa su standard W3C aperti come JSON-LD e RDF che
consentono un'adozione più semplice tra servizi e strumenti.
Digital Twin Definition Language (DTDL)

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• un'ontologia è una rappresentazione formale, condivisa ed
esplicita di una concettualizzazione di un dominio di interesse
• Si sta creando la cultura delle ontologie standard
• https://learn.microsoft.com/en-us/azure/digital-twins/concepts-
ontologies-adopt
• https://github.com/digitaltwinconsortium/ManufacturingDTDLOntolog
ies
• https://www.industrialontologies.org/
Modelli e Ontologie

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RDFS/OWL concept RDFS/OWL construct DTDL concept DTDL construct
Classes owl:Class
IRI suffix
rdfs:label
rdfs:comment
Interface @type:Interface
@id
displayName
comment
Subclasses owl:Class
IRI suffix
rdfs:label
rdfs:comment
rdfs:subClassOf
Interface @type:Interface
@id
displayName
comment
extends
Datatype Properties owl:DatatypeProperty
rdfs:label or INode
rdfs:label
rdfs:range
Interface Properties @type:Property
name
displayName
schema
Object Properties owl:ObjectProperty
rdfs:label or INode
rdfs:range
rdfs:comment
rdfs:label
Relationship type:Relationship
name
target (or omitted if no rdfs:range)
comment
displayName
Da RDFS/OWL a DTDL

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La Demo

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Edge (GW) Device
Demo Schema
Read
Worker
Asset
Redis
Export
Worker
Calc
Worker
Field Edge
Read Export
OPC/UA
Server
Configs Export
Cache
Cache
IoT Central
DTDL

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DEMO

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Conclusioni

marcoparenzan marco_parenzan marcoparenzan marcoparenzan
parenzan.marco
Q&A

17, 18, 19 OTTOBRE 2022
NH MILANO CONGRESS CENTRE

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L’hardware nell’IoT Industriale

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• Un programmable logic controller (PLC) or programmable controller è un
computer industriale che è stato rinforzato e adattato per il controllo dei
processi di produzione, come linee di assemblaggio, macchine, dispositivi
robotici o qualsiasi attività che richieda elevata affidabilità, facilità di
programmazione e diagnosi dei guasti di processo.
• I PLC possono variare da piccoli dispositivi modulari con decine di ingressi
e uscite (I/O), in un alloggiamento integrato con il processore, a grandi
dispositivi modulari montati su rack con migliaia di I/O, e che sono spesso
collegati in rete ad altri PLC e Sistemi SCADA
• Un PLC è un esempio di un sistema hard real-time poiché i risultati di
output devono essere prodotti in risposta alle condizioni di input entro un
tempo limitato, altrimenti si verificheranno operazioni non intenzionali.
• https://en.wikipedia.org/wiki/Programmable_logic_controller
Cos’è un PLC

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• HMI sta per interfaccia uomo-macchina e si riferisce a un
dashboard che consente a un utente di comunicare con una
macchina, un programma per computer o un sistema.
• Tecnicamente, è possibile applicare il termine HMI a qualsiasi
schermo utilizzato da qualcuno per interagire con un
dispositivo, ma in genere viene utilizzato per descrivere tali
schermi utilizzati in ambienti industriali.
• Gli HMI visualizzano dati in tempo reale e consentono all'utente
di controllare i macchinari utilizzando un'interfaccia utente
grafica.
Cos’è un HMI

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• Inizialmente, lo standard OPC era limitato al sistema
operativo Windows. In quanto tale, l'acronimo OPC
derivava da OLE (object linking and embedding) per
Process Control. Queste specifiche, ora note come
OPC Classic, hanno goduto di un'adozione diffusa in
più settori, tra cui produzione, automazione degli
edifici, petrolio e gas, energia rinnovabile e servizi
pubblici, tra gli altri.
• Con l'introduzione delle architetture orientate ai
servizi nei sistemi di produzione sono arrivate nuove
sfide nella sicurezza e nella modellazione dei dati. La
OPC Foundation ha sviluppato le specifiche OPC UA
per soddisfare queste esigenze e allo stesso tempo ha
fornito un'architettura a piattaforma aperta ricca di
funzionalità che era a prova di futuro, scalabile ed
estensibile.
• Oggi l'acronimo OPC sta per Open Platform
Communications.
• https://opcfoundation.org/about/what-is-opc/
• OPC è lo standard di interoperabilità per lo
scambio sicuro e affidabile di dati nel settore
dell'automazione industriale e in altri settori.
• È indipendente dalla piattaforma e garantisce il
flusso continuo di informazioni tra i dispositivi di
più fornitori.
• Lo standard OPC è una serie di specifiche
sviluppate da fornitori del settore, utenti finali e
sviluppatori di software. Queste specifiche
definiscono l'interfaccia tra client e server, nonché
tra server e server, incluso l'accesso ai dati in
tempo reale, il monitoraggio di allarmi ed eventi,
l'accesso ai dati storici e altre applicazioni.
• Quando lo standard è stato rilasciato per la prima
volta nel 1996, il suo scopo era quello di astrarre
protocolli specifici per PLC (come Modbus,
Profibus, ecc.) in un'interfaccia standardizzata che
consentisse ai sistemi HMI/SCADA di interfacciarsi
con un "intermediario" che avrebbe convertito
generic- Richieste di lettura/scrittura OPC in
richieste specifiche del dispositivo e viceversa.
Cosa è OPC/UA

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• Supervisory control and data acquisition (SCADA) è
un'architettura di sistema di controllo che comprende
computer, comunicazioni di dati in rete e interfacce utente
grafiche per la supervisione di alto livello di macchine e processi
• Copre anche sensori e altri dispositivi, come programmable
logic controllers, che si interfacciano con impianti o macchinari
di processo
• https://en.wikipedia.org/wiki/SCADA
https://en.wikipedia.org/wiki/SCADA#Fourth_generation:_%22
Web-based%22
Cos’è lo SCADA

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• Quale è il ruolo di Arduino e Raspberry?
• O meglio, dei microcontrollori e dei gateway????
• Quale è la differenza tra field ed Edge?
Question Time

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