Организация индустриального интернета на основе SAP HANA Cloud Platform

М.В. Овсянников, С.А. Буханов, С.А. Подкопаев

Организация индустриального интернета 
на основе SAP HANA Cloud Platform

Учебное пособие

Федеральное государственное бюджетное  
образовательное учреждение высшего образования  
«Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана  
(национальный исследовательский университет)»

ISBN 978-5-7038-5258-3

© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2019
© Оформление. Издательство 
 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2019

О-34

УДК 681.3.06(075.8)
ББК 32.973
        О-34

Издание доступно в электронном виде по адресу 

Факультет «Робототехника и комплексная автоматизация»
Кафедра «Компьютерные системы автоматизации производства»

Рекомендовано Научно-методическим советом
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия

Овсянников, М. В.
Организация индустриального интернета на основе SAP HANA Cloud 
Platform : учебное пособие / М. В. Овсянников, С. А. Буханов, С. А. Подкопаев. — Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2019. — 195, [1] с. : ил.

ISBN 978-5-7038-5258-3

Рассмотрена организация индустриального интернета вещей (IIoT)  
с точки зрения процессов и продуктов.
Для студентов машино- и приборостроительных специальностей, изучающих дисциплину «Проектирование компьютерно-интегрированного производства».

УДК 681.3.06(075.8)
ББК 32.973

bmstu.press/catalog/item/6413/

Предисловие

Учебное пособие соответствует учебной программе дисциплины «Проектирование компьютерно-интегрированного производства» и предназначено 
для студентов, обучающихся по направлению 15.04.01 подготовки магистра 
(профиль «Проектирование механизмов машин и мехатронных устройств») и 
по направлению 15.04.04 подготовки магистра (профиль «Автоматизация технологических процессов и производств»). 
Типовым предметом учебного пособия является проектирование системы 
(или ее части), которая предназначена для автоматизации производствен- 
ного процесса или объекта. 
Цели и задачи пособия — освоение современных принципов, методов  
и средств, с помощью которых осуществляется автоматизированное управление производственными процессами на основе облачных технологий IIoT 
на платформе SAP HANA.
После изучения учебного пособия студент будет знать: уровень современного развития IIoT; существующие облачные платформы, их особенности, 
достоинства и недостатки; архитектуру облачной платформы SAP HANA; 
особенности создания проектов на платформе SAP HANA, их информацион- 
ную и программную структуру; способы взаимодействия серверной части 
проекта с клиентской частью; способы визуализации проекта.

Введение 

SAP HANA Cloud Platform (SAP HCP) — это облачная платформа разработки приложений, реализующая модель представления облачных вычислений «платформа как услуга» (Platform as a Service — PaaS). Основана на 
открытых стандартах с применением технологии In-Memory. Платформа SAP 
HCP (облако) включает в себя множество служб и инструментов, призванных 
помочь разработчику при создании облачных приложений.
SAP HCP обеспечивает доступ к многофункциональной и простой в использовании облачной среде разработки, позволяет быстро создавать, развертывать и управлять корпоративными приложениями на базе облака, которые могут дополнять и расширять как решения SAP, так и решения сторонних 
разработчиков.
Для построения масштабируемых приложений могут использоваться 
модели программирования Java, HTML5 и SAPUI5. Модели, основанные на 
достаточно распространенном языке Java, позволяют разрабатывать приложения так же, как и для любого сервера приложений. Платформа SAP HCP 
обеспечивает легкий запуск существующих Java-приложений.
Платформа SAP HCP функционирует на основе системы SAP HANA. 
Система SAP HANA представляет собой комбинацию средств, реализованных 
в виде единой платформы в памяти, состоит из ACID-совместимой базы 
данных и работает на основе технологии In-Memory, прикладных служб, 
высокоскоростной аналитики, гибких инструментов сбора данных, а также 
встроенного инструментария разработки приложений.
Архитектура SAP HANA обеспечивает как высокоскоростную обработку 
транзакций, так и работу со сложными аналитическими запросами, совмещая 
решение этих задач в рамках единой системы.
SAP HCP Internet of Things (IoT) предоставляет интерфейсы для регистрации устройств и их конкретных типов данных, отправки этих данных в базу 
данных SAP HCP.
Устройства могут различаться по архитектуре, а именно по аппаратной 
реализации, языкам программирования, программному обеспечению, а также вариантам работы с SAP HCP.
Наиболее распространенными аппаратными реализациями устройств 
являются микроконтроллеры, одноплатные компьютеры (такие, как Raspberry 
Pi или Arduino), а также обычные персональные компьютеры (ПК).
В облаке расположены база данных и Java-приложения, имеющие к ней 
доступ, а также HTML5-приложения с пользовательским интерфейсом  

системы, предназначенные для предоставления пользователю возможности 
управлять системой через обычный веб-браузер из любого места.
К облаку подключаются управляющие компьютеры, непосредственно 
взаимодействующие с производственным оборудованием. Назначение управляющего компьютера — выполнение двустороннего взаимодействия облака 
с оборудованием. 
С одной стороны, управляющий компьютер должен принимать команды 
из облака, преобразовывать их в последовательность управляющих воздействий 
и отправлять управляющие воздействия непосредственно на производствен- 
ное оборудование посредством стандартных протоколов, с другой — получать 
данные о состоянии оборудования, преобразовывать информацию в специальные информационные структуры и отправлять полученную информацию 
в облако.
Соединение управляющего компьютера с SAP HCP происходит по протоколу WebSocket. Данный протокол в отличие от HTTP позволяет избавиться от необходимости устройству иметь статический IP-адрес, что в некоторых 
случаях снимает существенные ограничения в топологии информационной 
сети и может значительно ускорить процесс развертывания системы.

1. Введение в технологию Industrial Internet of Things

Интернет вещей (Internet of Things, IoT) — концепция вычислительной 
сети физических объектов (вещей), оснащенных встроенными технологиями 
для взаимодействия друг с другом или с внешней средой, на основе которой 
можно перестроить экономические и общественные процессы, исключив из 
части действий и операций участие человека.
Промышленный интернет вещей (Industrial Internet of Things — IIoT) — 
концепция развития цифровых сервисов и бизнес-моделей на основе вычислительной сети. В рамках IIoT рассматриваются в основном «умные» 
предприятия (транспортные, машиностроительные, перерабатывающие и 
т. д.) и в какой-то степени «умные» машины (легковые, грузовые, относящиеся к категории «общественный транспорт» и т. д.). 
Наполнение концепции интернета вещей многообразным технологическим содержанием и внедрение практических решений для ее реализации 
начиная с 2010-х гг. считается восходящим трендом в информационных 
технологиях прежде всего благодаря повсеместному распространению беспроводных сетей, появлению облачных вычислений, развитию технологий 
межмашинного взаимодействия, началу активного перехода на протокол IPv6  
и освоению программно-конфигурируемых сетей.
Концепция и термин Internet of Things (интернет вещей) впервые сформулированы основателем исследовательской группы Auto-ID при Массачусетском технологическом институте Кевином Эштоном (Kevin Ashton, США) 
в 1999 г. на презентации для руководства Procter&Gamble.

1.1. Современный Industrial Internet of Things — IIoT

В промышленном секторе IIoT изменяет технологические процессы  
и продукты. «Умные» (Smart) машины имеют возможность общаться с участниками жизненного цикла продукции на всех его этапах, что позволяет 
корректировать процессы в режиме реального времени. «Умная» автоматизированная система управления производством дает возможность более 
эффективно реагировать на изменения производственного процесса, создавать новые модели управления производственно-сбытовой цепочкой, которые 
в состоянии поставлять, производить продукты и оптимизировать все этапы 
(например, жизненного цикла продукции). 
Национальный институт стандартов и технологий NIST (National Institute 
of Standards and Technology, США) в своем документе «The NIST Definition 

of Cloud Computing» определяет следующие характеристики действующих в 
настоящее время облаков:

 • возможность в высокой степени автоматизированного самообслуживания системы со стороны провайдера;

 • наличие системы Broad Network Access;
 • сосредоточенность ресурсов на отдельных площадках для их эффективного распределения;

 • быстрая масштабируемость (ресурсы могут выделяться и высвобождаться с большой скоростью в зависимости от потребностей);

 • управляемый сервис (система управления облаком автоматически контролирует и оптимизирует выделение ресурсов).
В 2011 г. в Германии была разработана стратегия развития промышленности «Платформа Индустрии 4.0» и государственная программа «Промышленность 4.0».
Интернет вещей и «Индустрия 4.0» — это не новые технологии. Это новый 
подход к производству и потреблению. Он строится на сборе большого объема 
данных, их обработке и использовании для совершения действий и операций 
без участия человека. Таким образом машины могут самостоятельно оптимизировать и настраивать собственную работу.
К основным компонентам «Индустрии 4.0» относятся: «умные» сенсоры, 
позволяющие собирать данные прямо во время процесса производства; подключение к Интернету для передачи больших объемов данных людям, другим 
машинам и заводам; облачные сервисы, предоставляющие данные из любого места; анализ большого объема различных данных для их совместной 
обработки.
Концепция Евросоюза «Производство будущего» включает три основные 
платформы различного назначения.
1. Цифровые предприятия (Digital Factories). Основана на использовании 
электронной модели на всех стадиях производственного цикла продукции от 
проектирования до реализации с целью оптимизации жизненного цикла 
продукции. Основные достоинства: 

 • сокращение затрат и времени на создание и освоение новой продукции;
 • предоставление производственных мощностей как сервиса;
 • поддержка продвинутой человеко-машинной интеграции. 
2. «Умные» предприятия (Smart Factories). На базе этой платформы реали- 
зуются производство на уровне цеха (shop floor level), автоматизация оборудования, использование роботов, сбор и управление данными с целью развития гибкого (быстро переналаживаемого) производства и кастомизации 
продукции. Основные достоинства: 

 • модульная архитектура, ориентированная на события; 
 • гибкая и интеллектуальная информационная интеграция;
 • использование данных реального времени от АСУ ТП на остальных 
уровнях управления.
3. «Виртуальные» предприятия (Virtual Factories). На этой платформе базируется производственная система, включающая несколько компаний, объединенных общим информационным полем в сеть.

В 2014 г. компании General Electric, AT&T, Cisco, IBM и Intel создали 
Консорциум промышленного интернета (Industrial Internet Consortium),  
в который входят 170 организаций. Цель этого некоммерческого объединения — устранение барьеров между различными технологиями для обеспечения максимального доступа к большому объему данных и усовершенствование интеграции физической и цифровой среды.
В конце августа 2015 г. в РФ компании «Российские космические сис- 
темы» и «Ростелеком» подписали меморандум о создании ассоциации содействия развитию промышленного интернета «Национальный консорциум 
промышленного интернета». Цель ассоциации — внедрение технологий промышленного интернета в российское производство, а также обеспечение 
межотраслевой интеграции решений в этой сфере за счет объединения усилий 
крупнейших отраслевых компаний и научно-исследовательских организаций.

1.2. Технологии, реализуемые в Industrial Internet of Things

Концепция IIoT предполагает взаимодействие между собой множества 
участников — вещей (объектов). В традиционном понимании вещь — это 
любой одушевленный или неодушевленный предмет, оснащенный спе- 
циальным устройством доступа к сети и имеющий выделенный IP-адрес. 
Данный принцип в целом применим и к понятию «промышленный интернет 
вещей» в рамках концепции межмашинного взаимодействия M2M (Mashine 
two Mashine). 
Взаимодействие разнородных устройств, имеющих значительно различающиеся принципы работы и наборы контролируемых параметров, является 
достаточно сложной задачей даже при небольшом числе устройств. Решением данной проблемы является IIoT — концепция взаимодействия устройств 
на основе открытых сетей и технологий интеграции данных, процессов  
и приложений, реализующих необходимый функционал.
Предшественниками IIoT принято считать многочисленные и широко 
известные технологии, такие как ресурсные вычисления, grid-вычисления, 
виртуализация, гипервизоры и многое другое. 
Для развития IIoT необходимы современные технологии, обеспечивающие 
получение, распространение и использование информации об изделиях, 
ресурсах и процессах жизненного цикла продукции. 
К таким технологиям относятся:
 • технология идентификации объектов;
 • технология измерения (фиксации информации);
 • технология передачи (обмена) данных;
 • технология управления исполнительными устройствами;
 • технология отображения состояния объектов;
 • технологии облачных вычислений.

Технология идентификации объектов

Технология идентификации IIoT должна решать следующие проблемы: 
распознавание конкретного объекта и присвоение ему уникального кода.
Объектами в системе IIoT являются устройства, взаимодействующие по 
каналам связи, и пользователи, воспринимающие информацию и формирующие управляющие воздействия на систему.
Идентификация в информационных системах — процедура, в результате 
выполнения которой объекту идентификации присваивается идентификатор.
Процедура идентификации напрямую связана с аутентификацией: объект 
проходит процедуру аутентификации, и если аутентификация успешна, то 
информационная система на основе факторов аутентификации определяет 
идентификатор объекта. 
Уровнем аутентификации объекта определяется уровень защиты информации и обеспечивается безопасность системы. Для IIoT это имеет ключевое 
значение. Принцип IIoT — использование открытых сетей, поэтому невозможно физически ограничить доступ посторонних объектов.
Распознавание предполагает либо считывание или сканирование устройством электронного кода, либо распознавание по значениям характеристик 
(показателей) и свойств объекта.
В качестве технологий сканирования кода могут использоваться все средст- 
ва, применяемые для автоматической идентификации: оптически распознаваемые идентификаторы (штрих-коды, Data Matrix, QR-коды), технология 
RFID, средства определения местонахождения в режиме реального времени. 
При всеобъемлющем распространении интернета вещей принципиально 
важно обеспечить уникальность идентификаторов объектов, что, в свою 
очередь, требует стандартизации.
Для объектов, непосредственно подключенных к интернет-сетям, традиционный идентификатор — MAC-адрес сетевого адаптера, позволяющий 
идентифицировать устройство на канальном уровне, при этом диапазон доступных адресов практически исчерпаем (248 адресов в пространстве MAC-48), 
а использование идентификатора канального уровня не очень удобно для 
приложений. Более широкие возможности по идентификации для таких 
устройств дает протокол IPv6, обеспечивающий уникальными адресами сетевого уровня не менее 300 млн устройств на одного жителя Земли.

Технология измерения (фиксации информации)

В IIoT средства измерения обеспечивают преобразование значений 
свойств объектов внешней среды в информацию, которая используется для 
управления. Существует широкий класс средств измерения: от элементарных 
датчиков (например, температуры, давления, освещенности), приборов учета потребления (таких, как интеллектуальные счетчики) до сложных интегрированных измерительных систем. 

Технология измерения включает следующие этапы (функции):
1) восприятие и преобразование свойства объекта, которое представляется физической величиной, к виду, удобному для дальнейшего преобразования и сравнения (следует отметить, что такое преобразование может быть 
не единственным в составе процедуры измерений);
2) воспроизведение и хранение физической величины, служащей основой 
для сравнения;
3) собственно сравнение измеряемой величины (или результата ее преобразования) с однородной величиной, служащей основой для сравнения;
4) представление результата измерений в форме, удобной для дальнейшего использования.
В рамках концепции IIoT принципиально важно объединение средств 
измерения в сети (беспроводные сенсорные сети, измерительные комплексы 
и др.) для построения систем межмашинного взаимодействия.
Основная проблема внедрения технологии измерения в рамках концепции 
IIoT — необходимость обеспечения максимальной автономности средств 
измерения, прежде всего, проблема энергоснабжения датчиков. Эффективные 
решения этой проблемы позволят создавать сети датчиков без повышения 
затрат на обслуживание оборудования.

Технология передачи (обмена) данных

Объединение компьютеров в вычислительную сеть позволяет увеличить 
производительность труда людей, работающих на них. Скоординированная 
рабочая группа способна выполнять более сложные проекты, состоящие из 
множества отдельных задач, и компьютерные сети помогают рабочим группам 
в решении связанных с этим проблем.
Спектр возможных технологий передачи данных охватывает все средства 
беспроводных и проводных сетей.
Создание крупных компьютерных сетей потребовало анализа различных 
концепций их построения, исследований широкого набора вариантов аппаратных и программных средств и многого другого. Благодаря тому, что в США 
удалось организовать такую гигантскую «исследовательскую площадку», 
многие проблемы были именно там успешно и за короткий срок решены.
Информационные системы (сети) принято подразделять на три основных 
типа:
1) LAN (Lokal Area Network) — локальная сеть в пределах предприятия, 
учреждения, одной организации;
2) MAN (Metropolitan Area Network) — городская или региональная сеть, 
т. е. сеть в пределах города, области и т. п.;
3) WAN (Wide Area Network) — глобальная сеть, соединяющая абонентов 
страны, континента, всего мира.
Информационные системы, в которых средства передачи данных принадлежат одной компании и служат только для нужд этой компании, принято называть сетью масштаба предприятия, или корпоративной сетью 
(Enterprise Network).