Infraestrutura de Redes e Conectividade em Automação Industrial

A Indústria 4.0, como vimos, é um ecossistema cibernético, onde informações, pessoas e máquinas, trocam informações.

Para que isso seja possível, precisamos interconectar todos estes elementos em uma rede, de forma que os dados possam trafegar de forma vertical e horizontal em todo o sistema automatizado, permitindo a interoperabilidade do processo.

Vamos comparar a criação de um sistema para a Indústria 4.0, como uma rodovia, primeiro vamos construir as vias (infraestrutura), depois vamos sinalizá-la (Cibersegurança), logo faremos as interconexões (IoT Internet das Coisas) e ligamos tudo isso a um sistema inteligente que “aprende” (Big Data), assim vamos traçar nossos textos, explicando estes passos.

Para delimitar nosso tema de infraestrutura para a Indústria 4.0, lembrando que nosso foco é a automação industrial, vamos falar de:

• Como construir uma infraestrutura de conectividade industrial de modo a unir as informações de produção;
• Quais tecnologias disponíveis para montar uma infraestrutura de redes industriais;
• Entendendo a convergência de informações da TO Tecnologia da Operação e TI Tecnologia da Informação.

Os cenários na indústria são diversos, mas podemos pontuar alguns principais abaixo para permitir a construção desta infraestrutura, que remetem as seguintes questões:

• Projetar e construir um sistema de automação que tenha informações de ativos, para operação e manutenção;
• Interconectar dispositivos e sistemas na indústria de modo que haja troca de dados entre si;
• Convergir informações de toda a cadeia produtiva, laboratórios, logística, planejamento, operação e manutenção.

Quando pensamos em redes industriais e agora orientada a Indústria 4.0, esta  evolução ocorre desde quando as informações eram isoladas nos próprios controle locais, não havia envio de informações, depois temos o advento das redes locais, permitindo uma primeira convergência, mesmo que na planta local, trocando informações no ambiente industrial e administrativo, e, agora temos um nível hierárquico para a Indústria 4.0, convergindo todas as redes da cadeia produtiva, vimos isso no RAMI, que é a padronização da Indústria 4.0.

Para projetar e implantar esta infraestrutura, de modo que tenha interoperabilidade e atenda os níveis hierárquicos, temos diversos desafios, podemos pontuar alguns mais comuns:

• Como obter o máximo de dados de ativos e sistemas para criar um ecossistema de informações na indústria;
• Como conectar redes com diversos padrões e protocolos, além de sistemas legados;
• Como montar uma infraestrutura de redes que permita escalabilidade e simplicidade de acréscimo e crescimento.

Então, perante estes desafios e tantas tecnologias existentes, a pergunta mais comum é: Que Rede Usar? Podemos comentar um alinhamento atual de aplicação, não único, mas mais usual atualmente, lembrando que a tecnologia não para de evoluir.

• Qual a Rede “ideal” para a Indústria 4.0?
  • A Rede Ethernet é o padrão da Internet;
  • Podemos usar todos os modelos (Cabo, FO, WiFi e Rádios);
  • Pode servir de Backbone para conexão ao Cloud.

• Qual a rede “local” interna (máquina ou processo)?
  • Uso de protocolos industrias (Ethernet ou Seriais);
  • Usar mídias que simplificam a conexão (Wireless, FO);
  • Usar Gateways ou Proxy para Convergência.

A aplicação da Ethernet na indústria é a grande evolução e tende a ser totalmente adotada, uma vez que já está consolidada, todavia é importante entender que a Ethernet Industrial, tem característica para o chão-de-fábrica, alguns principais que devem ser levados em consideração:

• Aplicação em ambientes severos (hardware);
• Temperatura 75º c a -35º c (exemplo);
• Proteção mecânica especial;
• IP (grau de proteção alto);
• Suportar vibração e impacto;
• Alta imunidade a ruídos (EMI);
• Arranjos de alta disponibilidade (redundâncias);
• Uso de protocolos industriais.

A rede Ethernet na indústria, permite a interconexão de todos os dispositivos de automação e controle, trocando informações no ambiente local e agora já trabalhando com Cloud Computing (computação nas nuvens), sendo que as arquiteturas para Indústria 4.0, devem levar em consideração a interoperabilidade da planta, sua flexibilidade e sua modularização, permitindo uma produção customizada e personalizada.

Uma rede Ethernet é composta de diversos dispositivos, que formam a nossa via, os principais e suas funções, relacionamos abaixo:

• Switches não gerenciáveis – controlam o tráfego de dados na rede (MAC/IP);
• Switch Gerenciável – controlam o tráfego de dados na rede com funções administrativas (ex. VLAN);
• Switch Layer 2 – controla o tráfego de rede na camada de IP;
• Switch Layer 3 (Roteador) – controla o tráfego de rede permitindo rotear (trocar dados) entre redes diferentes;
• Firewall – dispositivo de segurança de acesso – bloqueando usuários e informações não permitidas na rede;
• Gateway – dispositivo que converte um padrão / protocolo para um outro formato (ex. Profinet / Profibus PA);
• Proxy – dispositivo igual ao Gateway, porém é transparente para o controlador na rede (ponte direta).

Lembrando os benefícios do uso da Ethernet na indústria:

• Rede simples de projetar e implantar;
• Componentes de baixo custo, comparados a outras redes;
• Permite diversos Protocolos dentro do Padrão;
• Rede padronizada por normas em constante evolução;
• Pode ser aplicada desde ambientes domésticos até industriais (componentes especiais);
• Rede interoperável e escalar.

Nem todos os equipamentos ou sistemas estão preparados para entrar nesta via, o sistema de rede deve ter capacidade de se comunicar em diversos padrões e protocolos, além de suportar sistemas legados (antigos). Para que isso seja possível, é necessário utilizar Gateways, que são equipamentos que fazem a conversão de um padrão de rede e/ou protocolo, desta forma é necessário no projeto de convergência prever o uso destes dispositivos.

Além do entendimento da conexão física, os dados devem ser entendíveis entre si, dentro do RAMI, que é a padronização como dissemos, trabalhamos com o SOA, Arquitetura Orientada a Serviços, isto é, todos equipamentos e dispositivos são objetivos que produzem e consomem informações dentro da rede, desta forma, através desta padronização, eu posso trocar informações diretamente, interoperar, por exemplo, um caminhão se comunicando na fazenda em tempo real via GPS com a fábrica, controlando a produção, através de uma informação logística, atuando na velocidade dos controladores de uma esteira, em tempo real.

Com isso vemos que as redes, para nossa infraestrutura, permitem a convergência da planta industrial e toda a cadeia produtiva envolvida, este entendimento é fundamental, pois a Indústria 4.0, trabalha orientada a informações do processo como um todo, logo é necessário, tudo que faz parte deste ecossistema, que esteja disponível nesta grande via.

Podemos sugerir abaixo uma visão geral para implantação das redes, de forma a construir esta infraestrutura de convergência na indústria:

• Desenhe todos os fluxos de negócios e suas inter-relações com todas as redes (Workflow com proposição de Valor);
• Prepare todas as redes de forma a serem produtoras e consumidoras de informações (padrão);
• Faça um projeto de conexão física, lógica, de segurança e de interligação das redes;
• Programe os Webservices de acordo com as regras de negócio (troca de dados);
• Treine as pessoas para trabalhar em novos formatos de tomada de decisões, demonstrando o caminho da Indústria 4.0.

Concluímos que a primeira fase física da implantação da Indústria 4.0 é a conectividade, devemos pensar em unir todos os dados para cadeira produtiva para troca de informações, o uso de redes é o primeiro passo para permitir atender esta necessidade, as redes Ethernet são uma ótima opção pela sua maturidade, conceitos de SOA associados a convergência de dados, complementam este objetivo.