Master's Thesis

Design of modules for the collection and evaluation of operating data from control systems

Final Thesis 1.7 MB Appendix 1.45 MB

Author of thesis: Bc. Radim Zajac

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. František Bradáč, Ph.D.

Reviewer: Ing. Adam Jelínek

Abstract:

This thesis deals with the design, implementation, and verification of a modular system for the collection, archiving, and visualization of process data from the control systems of manufacturing machines. The main objective was to create a universal communication interface between an industrial machining center and a higher-level SCADA/HMI system. As part of the thesis, a comprehensive data model of process variables was designed, describing the kinematic parameters of the motion axes, the power load of the drive units, and the state machine of the main spindle. The integration of the hardware layer with the Wonderware (AVEVA Edge) higher-level system platform was implemented and tested using the modern OPC UA communication standard. The developed solution also includes an alarm and event management subsystem that utilizes a Microsoft SQL Server relational database for dynamic retrieval of real-time text descriptions of faults. The result of this work is a comprehensive HMI interface that allows the operator to monitor real-time operational statuses and perform retrospective analysis of historical data using an interactive trend module with an integrated function for exporting diagnostic reports to PDF format. The entire system was successfully verified in a VMware virtual workstation test environment.

Keywords:

OPC UA, AVEVA, Edge, Pantek, OPC UA, MS SQL Server, data acquisition, visualization, Unified Automation, UaExpert, Siemens, Sinumerik 840D sl

Date of defence

17.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaEznamka

Grading

E

Process of defence

Prezentace: - Úvod - Návrh řešení sběru dat - Testovací stroj - Vizualizace - Domovská obrazovka - Obrazovka stroje - O stroji - Trendy - Alarmy - Ukládání dat Student seznámil členy komise s výsledky své práce a odpověděl na otázky oponenta s nedostatky. Otázky členů komise: - Okomentujte rozsah práce. Odpověď: Bylo splněno 40,85 normostran. Byla použita univerzitní šablona VUT z intraportálu. - Lze obrazovku s veškerými informacemi pro přehlednost rozdělit do více obrazovek? Zodpovězeno. - Kde výsledná aplikace poběží? Pro koho je aplikace určena? Zodpovězeno. - Co je to AVEVA Edge? Proč používáme Edge vrstvu? Zodpovězeno. Student odpověděl na otázky členů komise s drobnými nedostatky.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Production Machines, Systems and Robots (N-VSR-P)

Composition of Committee

Ing. Tomáš Marek, Ph.D. (člen)
Ing. Jan Vetiška, Ph.D. (člen)
Ing. Jan Vlček (člen)
doc. Ing., Dipl.-Ing Michal Holub, Ph.D., FEng. (předseda)
Ing. Rostislav Huzlík, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Petr Kolář, Ph.D. (místopředseda)

Supervisor’s report
Ing. František Bradáč, Ph.D.

Hlavním cílem předložené závěrečné práce bylo navržení modulů pro sběr a vyhodnocení provozních dat z řídicích systémů. Dále bylo v zadání definováno několik parciálních cílů.

Obecně autor navrhl a propojil software Aveva Edge s frézovacím obráběcím strojem MCV754 Quick, který je vybaven řídicím systémem Sinumerik 840D sl (ŘS). Toto propojení bylo realizováno prostřednictvím standardu OPC UA, kterým je tento ŘS vybaven. V systému Aveva Edge bylo následně nastaveno komunikační rozhraní a byla navržena vizualizace vybraných realtime a historizovaných dat.

Jako databázové úložiště byl navržen a zkonfigurován SQL server od firmy Microsoft, který byl využit pro historizaci textových procesních dat s nízkou dynamikou změn a způsob řízení čtení dat v adresáři DriveVsa v ŘS stroje.

V práci se však nachází několik nedostatků, které snižují její celkovou úroveň.

V práci se vyskytují problémy ve formátování, kvalitě zpracování, přehlednosti a rozsahu. Nachází se zde více překlepů, u některých odstavců např. 3.4.1. by bylo vhodné prezentovat v přehledné tabulce místo jejich zpracování v souvislém textu.

V některých odstavcích chybí odkazy, např. Odst. 3.4. “... k prohlédnutí v příloze ??.” , dále se vyskytuje přetékání některých řádků např. str. 27 apod. Dále je problematický rozsah práce, kdy je požadováno min. 40 stran vlastního textu (dle směrnice děkana 2/2026) a zatímco práce obsahuje pouze 31 stran.

Z hlediska odborného bych měl několik dalších připomínek.

V práci byl pro přenos dat použit standard OPC UA, což je možné, ale je škoda, že se autor nezabýval i jinými typy přenosu informací z ŘS. Další možností mohl být přenos prostřednictvím interní komunikace ŘS - protokol PROFINET a komunikaci S7. Jelikož Aveva Edge tuto komunikaci podporuje, určitě by bylo dobré tuto variantu např. variantně analyzovat, vzhledem k rychlosti čtení a zátěži ŘS.

Další připomínkou může být např. definice period přenosu jednotlivých dat. V práci se např. v odst. 3.5 uvádí minimální perioda čtení dat 100 ms (vycházející z OPC UA serveru), která je využívána pro čtení vysokofrekvenčních dat, a dále se zde objevují hodnoty 1 s pro čtení “pomalých dat”. Bohužel v práci není širší analýza, zda tyto hodnoty vyhovují plánovanému použití, které se objevuje v závěru, a to je prediktivní údržba pohonů.

Přes uvedené výhrady autor splnil body zadání, což dokumentují přílohy (jak obrázkové, tak přiložené zdrojové soubory AVEVA Edge).

Práci doporučuji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání D
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod D
Vlastní přínos a originalita E
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry E
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii E
Logické uspořádání práce a formální náležitosti D
Grafická, stylistická úprava a pravopis F
Práce s literaturou včetně citací D
Samostatnost studenta při zpracování tématu B

Grade proposed by supervisor: E

Reviewer’s report
Ing. Adam Jelínek

Diplomová práce se zabývá propojením platformy AVEVA Edge (Wonderware) se systémem Siemens Sinumerik 840D sl prostřednictvím standardu OPC UA a následnou vizualizací provozních dat frézovacího centra MAS MCV 754 Quick. Níže je práce posouzena podle jednotlivých kvalitativních kritérií.

## 1. Rozsah a úplnost řešení

Práce čítá 37 stran textu včetně příloh (seznam příloh na str. 36, samotné obrázky na str. 37–40), přičemž kapitoly věnované vlastnímu řešení (kapitoly 5 a 6) zahrnují méně než 20 stran. Takový rozsah je pro diplomovou práci technického zaměření nedostatečný. Porovnáme-li zadání s obsahem práce, zjistíme, že bod „Navrhněte programové moduly propojení Systémové platformy s řídícím systémem stroje" byl fakticky nahrazen pouhým popisem konfigurace hotového komerčního nástroje AVEVA Edge. Celá kapitola 5 (Nastavení programu) se skládá ze sekvence snímků obrazovky a jejich slovního popisu — žádný vlastní kód, žádný algoritmus, žádný navržený modul ve smyslu softwarového artefaktu. Zadání přitom explicitně hovoří o „návrhu programových modulů"; předložená práce tento požadavek nesplňuje.

Zadání dále uvádí jako charakteristiku problematiky použití „komunikačního rozhraní OPC UA, MQTT apod." Student implementoval výhradně OPC UA a MQTT ani jiný alternativní protokol nikde nerealizoval ani nevyhodnotil ani neodůvodnil, proč tak neučinil. Jediná zmínka o MQTT se nachází v rámci obecného teoretického přehledu OPC UA Pub/Sub (str. 9), kde student uvádí: *„Broker-based (s prostředníkem) – Použití MQTT protokolu."* Toto konstatování nelze považovat za splnění bodu zadání. Chybí jakékoli porovnání OPC UA a MQTT z hlediska latence, datové propustnosti, vhodnosti pro daný scénář ani demonstrace funkčního napojení.

## 2. Vlastní technický přínos a originalita

Práce v zásadě dokumentuje postup klikání v GUI prostředí AVEVA Edge: vytvoření OPC UA spojení, definici pracovních listů, nastavení historizace a sestavení HMI obrazovek. Tento postup je sice funkční, avšak z hlediska inženýrského přínosu představuje aplikaci existujícího komerčního nástroje podle jeho vlastní dokumentace, nikoli návrh a vývoj. Za jediný prvek s náznakem vlastního řešení lze považovat mechanismus synchronního triggerování záznamu pomocí proměnné `msClock` (str. 23): *„V něm je cyklicky negována lokální diskrétní proměnná msClock, která s frekvencí 100 ms mění stav mezi logickou nulou a jedničkou."* Student však ani zde neanalyzuje, zda a jak tento mechanismus ovlivňuje přesnost časového razítka záznamu ve vztahu k `SourceTimestamp` z OPC UA — viz otázka k obhajobě. Dalším prezentovaným přínosem je vytvoření databázové tabulky `AlarmTextDB` v MS SQL Serveru a dotazovací skript pro výpis textu alarmu (str. 29–30). Jde o rutinní SQL SELECT dotaz; ani zde student nepředkládá žádnou vlastní technickou inovaci.

## 3. Verifikace a experimentální podložení tvrzení

Toto kritérium je nejzávažnějším nedostatkem práce. Závěr práce (str. 33) konstatuje: *„Provedené testy prokázaly, že navržený koncept sběru a vizualizace dat vykazuje stabilitu, přehlednost a rychlou odezvu na změny technologických veličin."* Toto tvrzení není podloženo jediným naměřeným údajem v celém textu práce. Student nikde neuvádí:

- naměřenou skutečnou periodu vzorkování ani její odchylku od nominálních 100 ms,
- jitter záznamu ani statistiku časových razítek,
- propustnost datového toku (počet přenesených hodnot za jednotku času, počet ztracených vzorků),
- zatížení OPC UA serveru stroje při 80–100 souběžně monitorovaných proměnných,
- dobu odezvy HMI na změnu procesní hodnoty.

Student na str. 15 cituje dokumentaci Siemens a uvádí: *„Siemens pro výpočet maximálního počtu monitorovaných proměnných používá vzorec … při nejnižší možné periodě čtení, Sampling rate = 100 ms, vychází limit počtu čtených hodnot na 100 pro jedno spojení."* A vzápětí na str. 21 přiznává: *„Momentálně je přes OPC UA čteno někde mezi 80 až 100 hodnotami proměnných současně."* Student tedy pracuje těsně u deklarovaného limitu výrobce, aniž by měřením ověřil, zda se tato blízkost limitu projevuje na kvalitě dat. Závěr o „stabilitě" je tak zcela nepodložený.

Stejně nepodloženě je prezentována historizace: student rozlišuje retenční politiky (90 dnů pro diagnostická data pohonů a vřetena, 30 dnů pro méně kritická data, str. 23–24) bez měření nebo odhadu objemu generovaných dat. Není uvedeno, kolik MB/GB dat denně vzniká, ani zda zvolená retenční politika odpovídá kapacitě úložiště.

## 4. Metodologická úplnost

Práce neobsahuje žádné srovnání alternativních architektur ani zdůvodnění volby konkrétního řešení. Proč byla zvolena platforma AVEVA Edge a nikoli například open-source alternativa (Node-RED, Grafana + InfluxDB, Siemens Industrial Edge)? Proč byl jako databázový backend zvolen MS SQL Server Express a nikoliv například TimescaleDB nebo ClickHouse vhodný pro časové řady? Tyto volby jsou prezentovány jako samozřejmé, bez analýzy. Student na str. 17 uvádí tři možnosti historizace v AVEVA Edge (lokální úložiště, Historian, databáze) a vybírá kombinaci lokálního úložiště a SQL Serveru, avšak tuto volbu nezdůvodňuje z hlediska výkonu, nákladů ani škálovatelnosti.

## 5. Technicko-ekonomické zhodnocení

Práce neobsahuje žádné technicko-ekonomické zhodnocení. Nejsou uvedeny pořizovací ani licenční náklady platformy AVEVA Edge, není odhadnut přínos v podobě zkrácení prostojů nebo zkvalitnění diagnostiky, chybí porovnání s náklady na alternativní řešení. Přitom kapitola 1 (Úvod) sama uvádí jako motivaci: *„Dlouhodobé sledování takto získaných časových řad a správná interpretace jejich korelací pak prokazatelně vedou k systematickému zvyšování celkové efektivity zařízení OEE … minimalizaci neplánovaných prostojů."* Student si tedy sám stanovil ekonomicky relevantní cíl, ale v závěru jej nijak nevyčíslil ani nepřiblížil.

## 6. Kvalita závěrů a diskuse

Závěr práce (kapitola 7, str. 33–34) je z velké části rekapitulací toho, co bylo uděláno, nikoli hodnocením toho, co bylo dosaženo. Pasáže jako *„Nastavení bylo úspěšně otestováno, přičemž byla ověřena kontinuita datových toků a stabilita spojení"* nebo *„vykazuje stabilitu, přehlednost a rychlou odezvu"* jsou čistě verbální konstatování bez opory v datech. Perspektiva dalšího vývoje je odbyta dvěma větami na konci závěru a omezuje se na rozšíření o MQTT a implementaci prediktivní údržby — tedy přesně to, co zadání požadovalo a co nebylo realizováno.

## 7. Formální stránka a citace

Práce trpí opakovanými terminologickými a pravopisnými chybami. Již v nadpisu kapitoly 3.2 figuruje *„Anylýza"* místo „Analýza". Dále se vyskytují chyby jako *„zůsoby"* (místo způsoby), *„Architekture"*, uživatel označený *„UPCUA"* místo OPCUA (str. 12: *„Pro účely sběru dat však byl vytvořen nový uživatel UPCUA"*), a v klíčových slovech je výraz *„OPC UA"* uveden dvakrát. Sazba neodpovídá standardům akademické práce (nesprávný font, tečky v číslování nadpisů).

Citace [5] (str. 35) odkazuje na *„MCV 1016 QUICK"* — jiný typ stroje, než je řešený MCV 754 Quick. Jedná se o věcnou chybu v citaci, která navíc snižuje důvěryhodnost přílohy s parametry stroje. Celkový počet 12 citací, z nichž většina je online dokumentace, je pro diplomovou práci nedostatečný; doporučená literatura ze zadání nebyla využita.

---

## Shrnutí

Práce prokazuje základní orientaci v prostředí OPC UA a platformě AVEVA Edge a výsledný systém vykazuje elementární funkčnost. Nicméně ve světle požadavků kladených na diplomovou práci inženýrského programu trpí zásadními nedostatky: nedostatečným rozsahem, absencí vlastního programového vývoje, úplnou absencí experimentálního ověření jakéhokoli tvrzení, nevyužitím podstatné části zadání (MQTT, srovnání architektur) a neexistencí technicko-ekonomického zhodnocení. Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry nelze prokázat, neboť žádné měřené výsledky práce neobsahuje. Práci doporučuji k obhajobě, avšak hodnotím ji celkově stupněm **E**.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání D
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod E
Vlastní přínos a originalita E
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry F
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii D
Logické uspořádání práce a formální náležitosti D
Grafická, stylistická úprava a pravopis F
Práce s literaturou včetně citací D
Topics for thesis defence:
  1. 2. Na str. 15 uvádíte, že limit OPC UA serveru 840D sl je přibližně 100 monitorovaných položek při periodě 100 ms na jedno spojení, a na str. 21 přiznáváte, že čtete 80–100 proměnných na tomto spojení. Jak blízko jste tedy reálnému limitu, jak se tato blízkost projevuje na kvalitě dat a jak byste systém škáloval při připojení dalšího stroje? Jak se systém chová při překročení tohoto limitu?
  2. 3. Zadání explicitně uvádí rozhraní MQTT. Proč nebylo realizováno? V jakém scénáři by bylo MQTT výhodnější než OPC UA Client-Server a jak byste je technicky napojil na AVEVA Edge?
  3. 4. Mechanismus `msClock` (str. 23) zavádí vlastní časovač pro synchronní záznam. Nezpůsobuje tento přístup drift nebo jitter vůči `SourceTimestamp` z OPC UA? Jak byste ověřil, že zaznamenaný čas skutečně odpovídá okamžiku vzniku vzorku na straně stroje?
  4. 5. Závěr práce hovoří o stabilitě a rychlé odezvě systému, ale žádná měření tato tvrzení nedokládají. Jakou metodikou byste tato tvrzení zpětně ověřil a jaké konkrétní metriky byste zvolil?
  5. 1. Práce neobsahuje žádné kvantitativní ověření systému. Jak byste experimentálně doložil propustnost datových toků, skutečnou periodu a jitter záznamu, chybovost přenosu a zatížení OPC UA serveru? Jaké hodnoty byste u svého řešení očekával a jak byste je změřil?

Grade proposed by reviewer: E

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová