Arquivo da categoria: Automação Industrial

MATURIDADE PARA INDÚSTRIA 4.0

Avaliação Quantitativa e Qualitativa do Nível de Tecnologia, Gestão e Pessoas para Implantação da Digitalização

A indústria de hoje está passando por mudanças profundas, movidas pela evolução tecnológica que as pessoas usam no dia a dia, criando um novo formato na cadeia de valor, desde como o cliente se relaciona com o produto que compra, passando pela forma de planejar e operar um processo industrial, veja no quadro nosso da apresentação alguns fatos que demonstram as questões das mudanças destes novos cenários.

Em termos de operação da indústria atual, na melhor das hipóteses, temos uma operação na cadeia de valor onde conseguimos enxergar o que está acontecendo, nem sempre em tempo real e podemos entender o passado, isto quando temos banco de dados para isto, mas ainda não é uma realidade comum.

A Indústria 4.0, sendo a transformação desta indústria, é o conceito de conectarmos toda a cadeia de valor do negócio em rede, utilizando de camada de dados, IoT Internet das Coisas e Computação em Nuvem, com objetivo de utilizar sistemas de Inteligência Artificial, melhorando a tomada de decisões e com visibilidade de dados, demonstrando os eventos futuros.

A indústria digital então, nada mais é, que a aplicação dos conceitos anteriores, fazendo com que toda esta cadeia de valor tenha interação em tempo real, respondendo o presente e o passado, como nas industriais atuais, mas como capacidade de mostrar as tendências futuras, eventos e ações em forma de prescrições, guiando a resultados mais efetivos, diminuindo os erros e diminuindo tempo de operações, do planejamento a logística.

A Transformação Digital é que permitirá construir a indústria do futuro, esta fábrica usará tecnologias habilitadoras da Indústria 4.0, terá um trabalhador preparado para lidar com máquinas e sistemas inteligentes e os processos são interconectados em tempo real, mas esta transformação é um processo em evolução nas empresas.

Para se chegar a Indústria 4.0, o primeiro passo é a digitalização da cadeia de valor, onde através a convergência de dados é possível interagir entre todos os setores, departamentos, pessoas e equipamentos, com a camada de dados disponível, podemos iniciar a jornada na fábrica inteligente, colocando sistemas de análise de dados, com visualização em tempo real, fazendo predição de eventos e adaptação de sistemas entre máquinas autônomas.

A digitalização hoje abre uma gama de oportunidades para a indústria, pois estamos em fase de transição, entendendo que estas lacunas poderão alavancar novas formas de produzir, aumentando produtividade, reduzindo custos e criando novos modelos. É importante entender esta janela do momento e saber utilizá-la, pois, com o uso intensivo destas tecnologias, que se dará de forma natural no tempo, todos estes processos entrarão em maturidade, e num futuro, não muito distante, teremos as Fábricas Digitais de fato, passando ao uso comum desta quarta revolução industrial, daí, todos serão iguais.

Ainda que algumas empresas, em situações reais raras, tenham a condições de dizer que suas fábricas já estão automatizadas, otimizadas e seus ativos entregam os resultados esperados, é imperativo entender que a Indústria 4.0 não é uma melhoria, mas sim, um mudança, questões como, forma de tomar decisões na fábrica, como á sua conexão em tempo real na cadeia de valor e como se usam sistemas para prever padrões, são as novas questões desta fábrica digital.

A Transformação Digital se dará pelas pessoas, daí é importante ter as seguintes questões para trilhar o caminho da mudança:

  • Como você está lidando com as pessoas/sua equipe a respeito da Transformação Digital?
  • Você já colocou as pessoas para pensarem/transformarem seus processos eliminando o meio e aplicando Ciência de Dados/ I.A.?
  • Você já fez uma Roadmap de tecnologia para apoiar a transformação dos processos de sua empresa através das pessoas sendo usuárias?

Há diversos benefícios em pensar a Indústria Digital, listamos abaixo uma lista dos principais elementos de impacto na indústria:

  • Diminuição dos erros e do tempo operacional na cadeia de valor;
  • Aumento da produção e redução de custos com a mesma planta;
  • Elevação no nível de segurança funcional, mais inteligente e virtual;
  • Setup mais rápido de máquinas e processos industriais;
  • Aproximação da cadeia de valor, do cliente ao fornecedor;
  • Personalização e customização nas linhas de produção;
  • Diminuição de operações, aumento da supervisão, elevação da inovação;
  • Trabalhará com mais ferramentas de gestão e tomada de decisões;
  • Poderá apontar eventos com mais eficiência e melhorar processos de forma mais rápida;
  • Diminuirá sobremaneira as imprevisibilidades do controle e manutenção industrial;
  • Transparência nas operações e nos negócios.

Entendendo todas estas questões, devemos dar nosso primeiro passo que é a Maturidade, técnica que indicará em que status você está na indústria, que te levará a Indústria Inteligente.

A Maturidade então, é a técnica que associa uma metodologia, onde é possível quantificar e qualificar o status atual de uma Tecnologia, Gestão e Conhecimentos (pessoas), de forma a mostrar a aderência de uso, permitindo criar diretrizes estratégicas para implantação da Digitalização e Indústria 4.0

Existem diversos modelos de maturidade, que podemos aplicar para responder questões de onde estou para onde vou, não é escopo de nosso texto explicar estas técnicas, no limitaremos a apresentar um modelo que é a adequação de alguns destes listados abaixo:

  • Indústria 4.0-MM
  • Industry 4.0 Maturity Model
  • Maturity Model for Data-Driven Manufacturing (M2DDM)
  • The IoT Technological Maturity Model
  • Toolbox Workforce Management
  • Guideline Industrie 4.0 VDMA
  • Industrie 4.0 Maturity Index
  • IMPULS – Industrie 4.0- Readiness
  • SMMI 4.0
  • The Digital Maturity Model 4.0
  • Manufacturing Value Modeling Methodology

Temos em nosso propósito deste texto, sugerir a aplicação de um modelo, não estamos estabelecendo, mas mostrando algo que é real e aplicável para utilizar como uma técnica.

É importante entender que as tecnologias que serão sugeridas na aplicação da Transformação Digital, devem adicionar valor aos negócios da seguinte forma:

  • Aumentando a eficiência na produção (processos);
  • Reduzindo custos (econômicos e financeiros);
  • Aumentando a segurança operacional e confiabilidade;
  • Criar novos modelos;
  • Elevando o conhecimento dos trabalhadores.

Entendendo que a Indústria 4.0 é um caminho, algumas questões são muito comuns para que ocorra esta transformação, são elas:

  1. É possível ter uma planta no formato da Indústria 4.0 sem Automação?

Não ! Ocorre que se não houver uma automação mínima, você está limitado a ações manuais, sistemas Ciberfísico que poder-se-iam operar a fábrica digital não poderão operar os sistemas produtivos.

  1. É possível iniciar uma jornada pela digitalização sem levar em consideração questões de otimização do processo?

Sim! Todavia a digitalização funciona como uma lente de aumento, o que é bom em sua linha de produção, aparecerá melhor ainda, e o que é ruim, ficará muito pior, por isso é importante, antes de fazer a digitalização, fazer um levantamento de otimização de sua linha de produção (Manufatura Enxuta, Eficiência Energética, Controle Avançado, Controle em Tempo Real).

Levar a Maturidade para a Indústria é um processo que envolve algumas etapas sugestivas:

  • Fazer um Workshop na empresa, de forma a empoderar os funcionários da fábrica;
  • Apresentar o projeto (proposta) de maturidade a alta gerência da empresa;
  • Fazer o levantamento de dados com equipe competente para isso;
  • Elaborar um pré-relatório apontando as principais ações verificadas;
  • Fazer uma reunião com o cliente e aplicar a técnica da eleição de prioridades de projetos;
  • Finalizar o documento e apresentar a equipe da empresa em formato de Roadmap, lembrando que a Análise de Maturidade é um documento de nível Estratégico.

Quais são os itens que o questionário de maturidade irá verificar na planta industrial? Abaixo listamos uma sugestão de itens aplicados em diversos trabalhos realizados com boa aderência de realidade:

  • Integração de sensores, transmissores e atuadores
  • Comunicação e conectividade
  • Funcionalidades de armazenamento de dados e troca de informações
  • Monitoramento do processo/fábrica
  • Operações humanas no processo produtivo – automação
  • Automação do processo/fábrica
  • Otimização do processo/fábrica
  • Sensoriamento para digitalização
  • Infraestrutura de redes
  • Segurança da informação e cibersegurança
  • Camada de IoT, IIoT e Cloud Computing
  • Visualização das informações
  • Inteligência artificial – uso
  • Atividades operacionais rotineiras
  • Eventos operacionais e de manutenção
  • Acompanhamento e registro operacional
  • Comunicação operacional na indústria
  • Tomando decisões na planta

Veja na apresentação o modelo de verificação dos índices de cada item acima relacionado, perfazendo a graduação de 1 a 5 de cada elemento, monte uma tabela e vá, através de entrevistas, preenchendo os formulários.

Estes formulários deverão contemplar documentos, fotos, indicar os Gaps ou limitações encontradas, status atual, oportunidade de melhorias e como as pessoas interagem com estes itens, com isso, será possível montar um mapa de soluções baseado nas diretrizes abaixo.

Quais são as etapas técnicas que devo observar para a implantação da digitalização:

  • Entenda onde está e onde quer chegar;
  • Faça automação;
  • Faça otimização;
  • Faça convergência de dados;
  • Crie uma camada de IoT e use Nuvem;
  • Cuide da Segurança de Dados e Cibersegurança;
  • Monitore dados com KPI;
  • Crie um Big Data;
  • Implante Mineração de Dados;
  • Implanta Aprendizado de Máquina;
  • Use Tecnologias Habilitadoras.

Quais são as etapas da transformação digital que devo observar para a implantação da digitalização:

  • Entenda onde está e onde quer chegar;
  • Foque nas pessoas, elas vão transformar processos (treine e qualifique);
  • Mude processos, eliminando todas fases intermediárias (meio);
  • Use ferramentas on-line com dashboards inteligentes com a cadeia de valor conectada;
  • Guie a tomada de decisões baseado em eventos e predição I.A. Inteligência Artificial;
  • Tome decisões baseado em Mineração de Dados;
  • Use sistemas de Aprendizado de Máquina para tomar decisões autônomas;
  • Use Tecnologias Habilitadoras para acelerar o processo de transformação.

Construa um Roadmap, isto é, um mapa de ações com os projetos listados, baseado nas diretrizes acima listados, referenciados para lista de maturidade de cada item, onde possa apontar as fases baseadas no tempo.

Após o trabalho de maturidade, onde permite criar um mapa de ações, podemos partir para as fases de projetos (viabilidade) e implantação (teste e escala), vejam as apresentações específicas no site.

Entender e aplicar a Técnica de Análise de Maturidade para a construção da Transformação Digital é o primeiro passo, sólido, rumo a Indústria 4.0, olhando a importância das pessoas, que vão trabalhar na Fábrica Digital do Futuro.

PROJETOS PARA DIGITALIZAÇÃO – Parte 2

Conjunto de Diretrizes para Elaboração de Projetos de Digitalização na Indústria 4.0

Como promover a Transformação Digital na Indústria?

Não existe uma formula única ou algum método absoluto, fato é, que as indústrias vêm buscando e experimentado diversas formas de iniciar esta jornada, levando para a Indústria 4.0.

Nestes textos apresentaremos um método, simples e direto, porém estruturado que permite criar planos de ações, a partir de diretrizes, já testadas, desde o planeamento a implantação de sistemas de digitalização.

Seguiremos um roteiro, abaixo listado, para explicar como seriam as 3 fases propostas para a implantação da Digitalização na indústria:

Fase Geral – Empoderamento dos Funcionários – Treinamento sobre a Digitalização;

Fase 1 – Plano Diretor de Digitalização – Entendendo a Jornada;

Fase 2 – Projetos de Digitalização para Indústria 4.0 – Viabilizando a Transformação;

Fase 3 – Implantando a Digitalização – Construindo a Indústria 4.0.

A construção da Indústria 4.0 passa por um tripé, onde devemos entender que estas dimensões devem perfazer todo um projeto de transformação, lembrando que o foco são sempre as pessoas. São estes abaixo, nas seguintes dimensões a observar:

PESSOAS

Como as pessoas trabalham na sua Planta Industrial?

Como planejam, operam, fazem manutenção, tomam decisões de rotina ou fora de rotina, na unidade industrial?

Como estas pessoas são treinadas e avaliadas nas suas atividades, quais possibilidades reais elas têm de mudar e melhorar processos?

A aplicação da Inteligência Artificial elevará o nível de conhecimento do trabalhador da Indústria 4.0, bem como as tecnologias habilitadoras.

PROCESSOS

Como os processos de sua Indústria funcionam?

Como é o fluxo de planejamento, como é na produção e manutenção, bem como em toda cadeia de valor?

Os processos são interconectados? Na Indústria 4.0 a convergência é o pilar técnico dos processos.

As pessoas, uma vez treinadas, terão condições e a responsabilidade da transformação dos processos atuais na planta.

TECNOLOGIAS

Quais as tecnologias que são usadas em seu parque industrial?

A Indústria 3.0, trabalha variáveis instantâneas, remetendo ao presente e permite análise do passado.

As tecnologias habilitadoras da Indústria 4.0, permitirão uma nova forma de produzir, do planejamento a entrega do produto, vendo o futuro.

As pessoas treinadas, que entendem as mudanças dos processos, utilizam as novas tecnologias para permitir isso.

Neste segundo texto, vamos descrever o Método para Fase 2, a Projetos para Digitalização, mostrando as diretrizes que permitirão construir projetos dirigidos, focados e sob medida para as necessidades de cada planta.

Esta segunda fase tem a diretriz da Indústria 4.0 no que se refere a aquisições, sendo: O Valor está no uso, não na aquisição, permeando nosso texto.

Sendo assim, a Construção de Projetos para Digitalização, em nosso caso, se baseia no tripé:

Viabilidade, Priorização e Contratos, sendo a Educação o centro que conecta todas estas técnicas e procedimentos.

Viabilidade

A Fábrica do Futuro terá seus ativos de produção baseado somente em OPEX (Operational Expenditure), uma vez que Máquinas e Equipamentos serão fornecidos no formato de Outsourcing do resultado final.

Priorização

Quem sabe das necessidades da empresa são seus próprios funcionários. Através do estudo de Impactos, é possível montar um Roadmap de priorização de projetos, orientado a aumento de produção, redução de custos, elevação de segurança e inovação de produtos.

Contratos

Com a modalidade de Outsourcing (ou aluguel) do ativo, empresas fornecedoras podem cobrar pela entrega do serviço, baseado em Garantia de Performance e até mesmo o Controle Operacional e de Manutenção.

A Educação é o Centro

As pessoas transformam processos, as pessoas utilizam tecnologias para mudar processos.

O foco é o conhecimento das pessoas que trabalham na indústria, que promoverão e criarão a Transformação Digital, levando a Indústria 4.0.

Como fazer os Projetos de Digitalização?

  • Desenvolva fornecedores de ativos, hardware, software e insumos que forneçam em formato de serviços, com opção de operação e insumos livres de acordo com sua necessidade;
  • Reúna a equipe de gestores e responsáveis pela digitalização de priorize projetos, orientado a projetos de alto impacto e menor tempo para o retorno do investimento;
  • Desenvolva um modelo de viabilidade financeira e econômica de modo a substituir aquisições de formato CAPEX por OPEX na totalidade com modelos de Outsourcing.

O que os Projetos de Digitalização entregam?

  • O estudo de viabilidade permitirá, a partir de um Plano Diretor de Digitalização, viabilizar projetos em formatos novos, como de Opex e Outsourcing, ou até mesmo em formatos convencionais de TIR, ROI ou equivalente;
  • Uma lista de prioridades, com direcionamento dos funcionários e equipe da empresa, é esperada para uma análise dos maiores impactos nas mudanças de processo e utilização de tecnologias;
  • O desenvolvimento de novos fornecedores com novos modelos de contratos, permitem projetos mais modernos, com orientação a garantias de performance e uso, remetendo a novas realidades da fábrica digital.

Dicas Gerais

  • Mude a forma de entender viabilidade na era digital, o serviço é o foco;
  • Priorizar projetos de alto impacto com a equipe que conhece a planta, responsabiliza todos pelos resultados;
  • Novos formatos de contratos permitirão mais oportunidades para empresas fornecedoras com inovação e ganhos para o usuário que compartilharão os riscos.

IMPLANTAÇÃO DA DIGITALIZAÇÃO – Parte 3

Conjunto de Diretrizes para Implantação de Sistemas de Digitalização na Indústria 4.0

Como promover a Transformação Digital na Indústria?

Não existe uma formula única ou algum método absoluto, fato é, que as indústrias vêm buscando e experimentado diversas formas de iniciar esta jornada, levando para a Indústria 4.0.

Nestes textos apresentaremos um método, simples e direto, porém estruturado que permite criar planos de ações, a partir de diretrizes, já testadas, desde o planeamento a implantação de sistemas de digitalização.

Seguiremos um roteiro, abaixo listado, para explicar como seriam as 3 fases propostas para a implantação da Digitalização na indústria:

Fase Geral – Empoderamento dos Funcionários – Treinamento sobre a Digitalização;

Fase 1 – Plano Diretor de Digitalização – Entendendo a Jornada;

Fase 2 – Projetos de Digitalização para Indústria 4.0 – Viabilizando a Transformação;

Fase 3 – Implantando a Digitalização – Construindo a Indústria 4.0.

A construção da Indústria 4.0 passa por um tripé, onde devemos entender que estas dimensões devem perfazer todo um projeto de transformação, lembrando que o foco são sempre as pessoas. São estes abaixo, nas seguintes dimensões a observar:

PESSOAS

Como as pessoas trabalham na sua Planta Industrial?

Como planejam, operam, fazem manutenção, tomam decisões de rotina ou fora de rotina, na unidade industrial?

Como estas pessoas são treinadas e avaliadas nas suas atividades, quais possibilidades reais elas têm de mudar e melhorar processos?

A aplicação da Inteligência Artificial elevará o nível de conhecimento do trabalhador da Indústria 4.0, bem como as tecnologias habilitadoras.

PROCESSOS

Como os processos de sua Indústria funcionam?

Como é o fluxo de planejamento, como é na produção e manutenção, bem como em toda cadeia de valor?

Os processos são interconectados? Na Indústria 4.0 a convergência é o pilar técnico dos processos.

As pessoas, uma vez treinadas, terão condições e a responsabilidade da transformação dos processos atuais na planta.

TECNOLOGIAS

Quais as tecnologias que são usadas em seu parque industrial?

A Indústria 3.0, trabalha variáveis instantâneas, remetendo ao presente e permite análise do passado.

As tecnologias habilitadoras da Indústria 4.0, permitirão uma nova forma de produzir, do planejamento a entrega do produto, vendo o futuro.

As pessoas treinadas, que entendem as mudanças dos processos, utilizam as novas tecnologias para permitir isso.

Neste terceiro texto, vamos descrever o Método para Fase 3, a Implantação da Digitalização, mostrando as diretrizes que permitirão implantar sistemas dirigidos, focados e sob medida para as necessidades de cada planta.

Esta terceira fase tem a diretriz da Indústria 4.0 no que se refere construir, sendo: Testar, mudar e escalar, permeando nosso texto.

Sendo assim, a Implantação de Sistemas para Digitalização, em nosso caso, se baseia no tripé:

PoC, Utilização e Atualização, sendo a Educação o centro que conecta todas estas técnicas e procedimentos.

Poc Prova de Conceito

Será que vai funcionar? Sistemas de digitalização precisam ser testados em pequena escala para prova de conceito. Essa prática permite descobrir rapidamente erros e atrair o interesse pelo uso por parte dos funcionários.

Utilização e Escalar

Uma vez testado e aprovado, é hora de utilizar, depois dos usuários treinados, fazer a mudança do processo, aos poucos, criando fluidez no uso por todos, com isso fazer o plano para escalar a implantação, fazendo a mudança completa do processo de trabalho na produção.

Atualização

A atualização tecnológica é constante na questão da digitalização, a equipe responsável precisa ficar acompanhando substituições tecnológicas, atualizações, novos processos e focar em treinamentos para obter o melhor aproveitamento dos investimentos.

A Educação é o Centro

As pessoas transformam processos, as pessoas utilizam tecnologias para mudar processos.

O foco é o conhecimento das pessoas que trabalham na indústria, que promoverão e criarão a Transformação Digital, levando a Indústria 4.0.

Como fazer a Implantação da Digitalização?

  • Oriente sua solução para uma mudança no processo de trabalho, o funcionário deverá ter uma nova abordagem quanto a interface na produção, eleja a tecnologia que permitirá fazer isso, monte um protótipo, teste o conceito;
  • Funcionando e sendo aprovado, vá mudando a forma de trabalhar, contagie e divulgue a mudança, coloque o operador para participar, escale para outras operações equivalentes e faça a mudança completa;
  • Faça um planejamento de atualização tecnológica baseada em PDCA, envolva todas áreas e foque nas pessoas, processos e tecnologias, compare sempre investimento com manutenção e seus impactos nas mudanças dos processos.

O que a Implantação deve entregar?

  • O PoC ou teste de conceito, deve entregar a resposta se funciona ou não, se não funcionar descarte logo e parta para outra, se funcionar, parta para implantação, tenha diversos PoC simultâneo;
  • Com o PoC funcionando, implante o sistema, vá medindo a alteração e considere as necessidades de treinamento e atualizações e como escalar de forma mais rápida e barata;
  • Use o PDCA para atualização constante dos sistemas digitais, bem como manutenção e treinamentos, crie um plano onde todos possam participar das rodadas de melhoria, inclusive fornecedores.

Dicas Gerais

  • Não tenha medo de tentar uma novidade e errar, isso faz parte da inovação, mas seja rápido;
  • Escale e mudança, contagiando pessoas e fazendo com que elas sejam protagonistas;
  • Sempre faça melhorias e atualizações, faça disto uma rotina na pauta das atividades.

MANUTENÇÃO 4.0

Os Impactos na Manutenção Industrial com a Digitalização e a Indústria 4.0

Na Cadeia de Valor da indústria, a manutenção tem um papel fundamental, o de manter a disponibilidade produtiva e permitir o uso dos ativos em todo o seu ciclo de vida, no menor custo operacional.

A Digitalização está provocando uma grande mudança na forma de executar a manutenção na indústria, considerando que a Indústria 4.0 é o impacto de toda a nossa Cadeia de Valor, já estudado anteriormente, neste texto vamos colocar foco nos impactos desta manutenção, que no caso, vamos chamar de Manutenção 4.0.

Em nosso contexto de estudo, vamos descrever alguns temas, com isso delimitarmos nosso assunto, todavia, não queremos esgotar as discussões, nosso objetivo é demonstrar de forma prática e direta:

  • Como melhorar índices de Disponibilidade, Ciclo de Vida e Custo com a Digitalização da Fábrica;
  • Como evoluir o modelo de Manutenção dentro dos requisitos da Indústria 4.0;
  • Como utilizar tecnologias digitais, mudar processos e treinar pessoas para uma nova realidade da Indústria.

Para entender a evolução da manutenção, de forma simplificada, vamos relembrar:

  • Manutenção Reativa: se quebrar, conserta;
  • Manutenção Preventiva: consertar sem estar quebrado;
  • Manutenção Proativa: consertar o que está ruim (hoje);
  • Manutenção de Confiabilidade: consertar o que ficará ruim (futuro) – objeto de nosso estudo.

A Manutenção 4.0 funciona complementado a manutenção convencional, existente na fábrica, porém vamos considerar uma indústria que tem a manutenção proativa implantada, uma vez que a Indústria 4.0, necessita de algumas premissas, já discutidas anteriormente.

A manutenção existente em uma planta, normalmente responde o que aconteceu e porque aconteceu, baseado nos equipamentos e, seus técnicos, respondem o que está acontecendo, tudo isso dentro do presente e o passado dos eventos.

Com as tecnologias da Indústria 4.0 implantadas, nós adicionamos o elemento futuro na manutenção, passado a responder o que irá acontecer, aplicando uma camada de IoT Internet das Coisas na gestão dos ativos e usando I.A. Inteligência Artificial, apoiando o técnico de manutenção na tomada de decisões futuras.

Os sistemas aprendem baseado na coleta de dados dos ativos de planta, estes dados são enviados para camadas de Computação em Nuvem (Cloud), onde nesta, utilizamos algoritmos de predição, que podem ser baseados em Mineração de Dados e/ou Aprendizado de Máquina.

O sistema se torna mais eficiente, porque ao utilizar o monitoramento de tempo real, promovido pela camada de IoT, associado ao uso de I.A., permite diminuir o tempo de tomada de decisões, do advento do Evento à Ação Realizada pela manutenção, aumentando sobremaneira a disponibilidade da planta.

Quanto as tecnologias da Indústria 4.0, há diversas, e não queremos limitar o assunto, todavia para fins de estudo, precisamos entender que há um pré-requisito para implantação da Indústria 4.0, que passa pela Automação, Otimização e Convergência, a Digitalização Básica, é o próximo passo, isto é, tecnologias que estão dentro de qualquer contexto de digitalização, que são, IoT Internet das Coisas, Cibersegurança, Computação em Nuvem e Big Data, e finalizando, podemos utilizar a terminologia das Tecnologias Habilitadoras (é uma proposta de estudo), que na prática, viabilizam e aceleram o processo de Digitalização, tais como, Drones, Cobos, Aprendizado de Máquina, Impressão 3D, AGV, Realidade Aumentada, Realidade Virtual, Gêmeos Digitais, entre outras, lembrando que esta tecnologias são dinâmicas e estão em constante evolução e mudança.

Existem diversas dimensões e estudos referentes a manutenção industrial, em nosso texto, vamos trabalhar em três panoramas propostos, com isso vamos construir soluções para uma manutenção inteligente:

DISPONIBILIDADE – Manter equipamentos em funcionamento o maior número de horas na produção – foco da manutenção:

  • Falha no uso
  • Desgastes
  • Falha na aplicação

CICLO DE VIDA – Utilizar o equipamento ao longo de seu ciclo de vida, dentro de parâmetros técnicos e de custos – foco da manutenção:

  • Descartes por mudanças
  • Mudanças tecnológicas
  • Dificuldade operacional ao longo do tempo

CUSTO DE O&M (Operação e Manutenção) – Utilizar o equipamento dentro do TCO Custo Total de Aquisição, dentro dos parâmetros de planejamento e uso – foco da manutenção:

  • Falhas na operação
  • Descontinuidade de peças
  • Uso inapropriado

Com as tecnologias evoluindo, os processos se tornaram mais complexos, exigindo pessoas mais capacitadas para lidar com toda a situação de uma nova manutenção, abaixo descrevemos os principais desafios em função destes impactos:

  • Identificação de problemas e suas causas;
  • Complexidade da solução (conhecimento, recursos e tempo);
  • Retomada da produção do processo (setup e comissionamento).

Como havíamos dito, não queremos montar uma receita, ou limitar o assunto, porém apresentaremos abaixo as principais soluções de Digitalização que levam a Manutenção 4.0, vamos descrever cada uma:

  • Ações de manutenção baseada em Eventos;
  • Gerenciamento de Ativos em rede e Cloud Computing;
  • Uso de Realidade Aumentada;
  • Criação de Modelos de Predição (Machine Learning);
  • Eliminar Manutenção Preventiva;
  • Conectar Inventário de Fábrica;
  • Monitorar Técnico de Manutenção (Segurança);
  • Uso de acesso Remoto (Drone e VPN).

Ações de manutenção baseada em Eventos

  • Não há tomada de ações sem um evento devidamente sinalizado por um modelo inteligente;
  • Quanto maior a capacidade de coleta de dados (IoT) maior a capacidade de análise Data Science;
  • Manutenção baseada em eventos com I.A. permite decisões baseada em Prognósticos.

Gerenciamento de Ativos em rede e Cloud Computing

  • Uso de protocolos industriais em todos os sensores e atuadores existentes, bem como, controles, hardware e software;
  • Criação de camadas de rede, sensoriamento adicional com IoT, convergência de sistemas;
  • Envio de dados para sistemas locais com diagnósticos e envio para Cloud para análise de prognósticos.

Uso de Realidade Aumentada

  • Com a camada de ativos digitalizada e IoT, mapear ativos físicos e relacionar operação e manutenção;
  • Incorporar procedimentos de operação, manutenção e segurança, em ferramentas de análise de campo (óculos, tabletes, celulares);
  • Interagir técnico e sistema dentro de ambiente de realidade aumentada, permitindo os sistemas aprenderem com eventos.

Criação de Modelos de Predição (Machine Learning)

  • Digitalizar equipamentos de manutenção e ativos de planta, enviando para camada em Cloud via IoT;
  • Conectar todos os bancos de dados da planta, planejamento de manutenção, inventário e técnicos, realimentar (aprendizado);
  • Criar modelos de predição e prognóstico, baseado em dados de ativos e conhecimentos prévios dos técnicos.

Eliminar Manutenção Preventiva

  • Focar na substituição de ações de prevenção baseado em diagnóstico por ações baseada em confiabilidade – prognósticos inteligentes;
  • Criar modelos de forma a analisar disponibilidade, ciclo de vida e custo do ativo, focar no melhor ponto de uso, usar I.A.;
  • Conectar o planejamento e técnicos em uma sala para tomada de decisões orientadas a eventos de prognósticos.

Conectar Inventário de Fábrica

  • Conectar à rede de ativos no planejamento e inventário de fábrica;
  • Analisar dados de manutenção com peças de reposição e seu comportamento e padrões, de forma a otimizar custo e tempo;
  • Conectar ativos e inventários com os fornecedores e assistência técnica autorizada.

Monitorar Técnico de Manutenção (Segurança)

  • Usar sensores de geoposicionamento na equipe de manutenção para análise de permissões;
  • Usar sensores de gases nos técnicos e monitoramento de sinais vitais na camada de IoT, relacionando operação e segurança;
  • Conectar ações de segurança operacional com os técnicos, tudo na rede, analisando permissões, contingência e cenário de trabalho.

Uso de acesso Remoto (VPN)

  • Conectar ativos críticos e de terceiros aos seus respectivos fornecedores e com os técnicos externos;
  • Usar análise de dados interna do Big Data e dados dos sistemas terceiros para planejamento de paradas e intervenções;
  • Permitir acesso remoto para análise de desempenho e gestão do ativo por um terceiro como serviço.

Uso de acesso Remoto (Drones)

  • Utilizar Drones em inspeções de difícil acesso e com problemas de segurança em plantas;
  • Drones para fazer mapeamento e planejamento de prioridades de manutenção em estruturas e vasos de pressão;
  • Análise de perímetro para segurança de acesso e movimentação crítica (Cibersegurança).

Com a Manutenção 4.0, teremos um novo profissional de manutenção, que deverá adquirir novos conhecimentos e habilidades para lidar com a Digitalização na indústria, pontuamos abaixo os principais pontos a observar:

  • Aprender análise e aquisição de dados – IoT e Data Science;
  • Criar modelos para aprendizado de máquina – Machine Learning;
  • Usar ferramentas de manutenção remota.

Concluímos que a aplicação da Digitalização na Indústria, leva a uma Manutenção Industrial que assume outro perfil, onde o foco passa a ser a antecipação de eventos e uso de ferramentas remotas, permitindo que a Indústria 4.0 eleve o padrão de produção industrial.

GESTÃO INDUSTRIAL 4.0

Os Impactos da Digitalização e a Indústria 4.0 na Linha de Produção Industrial e sua Cadeia de Valor

Entendendo que a Indústria 4.0 é a Digitalização de toda Cadeia de Valor da indústria, toda a gestão desta nova fábrica passa por grandes mudanças, nosso objetivo é descrever estas mudanças e seus impactos, para isso vamos contextualizar nosso foco, delimitando nosso tema e vamos chamar de Gestão Industrial 4.0, segue tema:

  • O que muda nos processos industriais com a implantação da digitalização?
  • Quais tecnologias são de maior impacto para a transformação da cadeia de valor?
  • Qual a nova forma de interação das pessoas na fábrica digital?

A Transformação Digital na indústria é a aplicação das tecnologias da Digitalização, de forma a impactar toda a cadeia de valor, nas dimensões Tecnologia, Processos e Pessoas, orientado pelos seguintes itens de uso:

  • Digitalização de Ativos e Operações (IoT);
  • Conexão da Cadeia de Valor (IIoT);
  • Uso de Recursos de Cloud Computing;
  • Utilização de I.A. para Tomada de Decisões;
  • Uso de Tecnologias Habilitadoras.

A Indústria Digital, se diferencia das plantas atuais principalmente, pela aplicação da tecnologia de I.A. Inteligência Artificial, permitindo uma gestão proativa, baseada em futuro, uma vez que os sistemas atuais permitem somente uma análise do passado e entender o presente momento da operação ou manutenção.

O conceito e Indústria 4.0 é a interconexão de toda a cadeia de valor (Informações + Pessoas + Equipamentos) conectados em rede, utilizando Inteligência Artificial para a TOMADA DE DECISÕES na Indústria.

Quanto as tecnologias da Indústria 4.0, há diversas, e não queremos limitar o assunto, todavia para fins de estudo, precisamos entender que há um pré-requisito para implantação da Indústria 4.0, que passa pela Automação, Otimização e Convergência, a Digitalização Básica, é o próximo passo, isto é, tecnologias que estão dentro de qualquer contexto de digitalização, que são, IoT Internet das Coisas, Cibersegurança, Computação em Nuvem e Big Data, e finalizando, podemos utilizar a terminologia das Tecnologias Habilitadoras (é uma proposta de estudo), que na prática, viabilizam e aceleram o processo de Digitalização, tais como, Drones, Cobos, Aprendizado de Máquina, Impressão 3D, AGV, Realidade Aumentada, Realidade Virtual, Gêmeos Digitais, entre outras, lembrando que esta tecnologias são dinâmicas e estão em constante evolução e mudança.

Vamos descrever abaixo, em formato de Tópicos (4.0), as principais mudanças, impactos e o que deve ser observado com a Digitalização na indústria, descrevemos os principais quadros da composição da Cadeia de Valor, com isso podemos entender toda a dinâmica e alterações esperadas, lembrando que com isso, pode-se projetar e implantar os sistemas com aderência da Indústria 4.0.

CLIENTES 4.0 – Tecnologias, Mudanças, impactos e novo perfil

  • Cliente é responsivo a fábrica;
  • Interfere na produção;
  • Produz ou coproduz seu produto;
  • Personaliza e customiza;
  • Escolhe o produto final e acompanha;
  • Prefere usar ao comprar;
  • Tecnologia é transparente e fluída.

MARKETING 4.0 – Tecnologias, Mudanças, impactos e novo perfil

  • Traz o cliente para criar o produto;
  • Monitora uso pós-fábrica;
  • Monitora fim do ciclo de vida;
  • Atualiza produto antes do ciclo de vida;
  • Retém o cliente pelo serviço;
  • Entrega facilidades;
  • Foco no Valor da marca na Sociedade.

P&D 4.0 Pesquisa e Desenvolvimento – Tecnologias, Mudanças, impactos e novo perfil

  • Virtualização;
  • Gêmeos Digitais;
  • Simulação;
  • Geração Automática de Documentos;
  • Monitoramento de Mercado;
  • Criação de Peças ou Equipamentos 3D.

PLANEJAMENTO 4.0 – Tecnologias, Mudanças, impactos e novo perfil

  • Planejamento automatizado (PCP On-Line);
  • Modelos consolidados entre P&D e Produção;
  • Conexão em Tempo Real com Produção;
  • Conexão em Tempo Real com Logística e Vendas;
  • Uso de Simuladores de Cenários;
  • O cliente conectado em Tempo Real;

FORNECEDOR 4.0 – Tecnologias, Mudanças, impactos e novo perfil

  • Está conectado em tempo real na fábrica;
  • Interpreta o consumidor final;
  • Co-cria o produto final no seu cliente;
  • Monitora o uso e qualidade de seu fornecimento;
  • Entrega serviços e simplifica operação no cliente;
  • Monitora ciclo de vida;
  • Foca no serviço.

PRODUÇÃO 4.0 – Tecnologias, Mudanças, impactos e novo perfil

  • Produção Guiada pelo Futuro (WAZE);
  • Mudar de Operador faz para Operador Supervisiona;
  • Usar ferramentas Realidade Aumentada;
  • Usar AGV para transporte Interno;
  • Usar Mineração de Dados para Tomada de Decisões de Gestores;
  • Usar Machine Learning para Automação de Tarefas;
  • Evoluir em Deep Learning.

MANUTENÇÃO 4.0 – Tecnologias, Mudanças, impactos e novo perfil

  • Ações de manutenção baseada em Eventos;
  • Gerenciamento de Ativos em rede e Cloud Computing;
  • Uso de Realidade Aumentada;
  • Criação de Modelos de Predição (Machine Learning);
  • Eliminar Manutenção Preventiva;
  • Conectar Inventário de Fábrica;
  • Monitorar Técnico de Manutenção (Segurança);
  • Uso de acesso Remoto (Drone e VPN).

QUALIDADE 4.0 – Tecnologias, Mudanças, impactos e novo perfil

  • Fim da Inspeção;
  • Equipamentos e Tarefas rastreadas;
  • Análise de Falhas em tempo real;
  • Cliente usuário monitorado em Tempo Real;
  • Uso de ferramentas de Visão;
  • Identificação e Ação sobre Padrões.

LOGÍSTICA 4.0 – Tecnologias, Mudanças, impactos e novo perfil

  • Planejamento de negócios e vendas On-Line com Fábrica;
  • Conexão em tempo Real com Fornecedores;
  • Conexão em tempo Real com Clientes;
  • Monitoramento de Transporte (Interno e Externo);
  • Identificações de padrões – Produção e Fluxo;
  • Encurtar qualquer tempo de espera (fim do estoque);
  • Eliminar o meio de processos que não agregam.

O fator PESSOAS deve ser considerado o mais importante no impacto da Indústria 4.0, quanto as mudanças, elegemos abaixo alguns itens que devem ser observados neste processo de transformação:

  • A máquina assume funções repetitivas e conhecidas – conhecimento em “ensinar” máquinas;
  • Os gestores tomam decisões baseada em Big Data – uso de Data Science como ferramenta básica;
  • Fábrica e mercado entram em convergência – capacidade de interpretar padrões e melhores cenários.

Muito está em desenvolvimento e evolução neste momento de Transformação Digital, dentro das dimensões Pessoas, Processos e Tecnologias, listamos abaixo as principais tendências em evolução:

  • Fábricas digitais ou baseadas na Indústria 4.0 estão sendo adaptadas ou construídas hoje, mas serão operadas por uma nova geração gameficada;
  • A tecnologia é só o meio, muitas se fundirão e surgirão outras, um dos maiores impactos será o 5G, alterando a comunicação de dados sem fio;
  • Acesso e velocidade continuará a quebrar modelos de negócios, principalmente, trocar compra pelo uso.

Concluímos que todos os setores de uma indústria serão alterados sobremaneira com a digitalização, usar tecnologia, treinar pessoas e inovar em processos, permitirá a fábrica digital ter uma competitividade nunca antes imaginada, é um caminho que já está sendo construído.

OPC-UA NA AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL

O Padrão de Comunicação para Interconexão e Convergência de Dados na Indústria

A evolução nas conexões de dados industriais, é foco de nosso texto, grandes esforços e investimentos dos departamentos de pesquisa e desenvolvimento tecnológico estão criando novos padrões, equipamentos e softwares, permitindo pavimentar o caminho da Indústria 4.0.

Disponibilizamos três textos correlacionados, onde mostramos as novas tecnologias, o OPC-UA (OPC UA – Unified Architecture) , o TSN (Time-Sensitive Network) e o FDI (Field Device Integration), formando os novos padrões da conectividade industrial.

A transformação digital permitirá uma indústria mais inteligente, portanto mais eficiente, barata e segura, para que isso ocorra, a automação industrial tem grande papel nesta transformação, onde a Indústria 3.0, baseada na Pirâmide da Automação, se transforma nos Pilares da Automação, uma vez que Convergência, Padronização e Velocidade de dados, possibilitará que a Indústria 4.0 se torne uma realidade, rompendo as barreiras de interface, que hoje existem no modelo atual da indústria.

Em nosso texto de OPC-UA, vamos falar sobre:

  • Comunicação de Dados na Indústria;
  • Padronização de Tecnologias;
  • Evolução da Conectividade;
  • Conectividade para Indústria 4.0.

Para entender como chegamos ao OPC-UA, que é a tecnologia mais moderna hoje na padronização de comunicação, precisamos entender que para se fazer uma comunicação de dados digitais, antes de meados de 1990, eram necessários “drives” proprietários, isto é, cada fabricante desenvolvia o seu, com suas particularidades e características.

Com o advento do Windows da Microsoft, e a adoção desta plataforma na automação industrial, surge a tecnologia OPC (Clássica), onde através de um modelo de coleta de dados padronizados, utilizando os recursos do próprio sistema operacional, podemos comunicar entre sistemas e hardwares industriais, portanto, as limitações e novas demandas, levaram ao desenvolvimento do OPC-UA, onde vamos entender um pouco melhor.

Antes, vamos entender o que é o OPC – OLE for Process Controle, é um conjunto de padrões de comunicação de dados para indústria que se utiliza do OLE – Object Linking and Embedding, tecnologia da Microsoft (Windows), que permite a conexão entre objetos de dados, utilizando-se da interface COM/DCOM – Distributed Component Object Model, também do Windows, permitindo troca de dados entre aplicativos e dispositivos, por exemplo, um PLC e um sistema SCADA conectado com um OPC.

O OPC Clássico possui três especificações, DA – Data Access, para troca de dados em tempo real, o A&E – Alarm and Events, dados e mensagens de eventos de estados e HDA – Historical Data Access, dados para análise histórica de eventos.

O OPC Clássico, se mostrou limitado para alguns desafios do seu tempo, os principais abaixo:

  • Problemas frequentes de configuração com o DCOM;
  • Não há timeouts configuráveis;
  • Apenas Microsoft Windows;
  • Segurança muito simples;
  • Nenhum controle sobre DCOM.

Então, surge o OPC UA – Open Platform Communications – Unified Architecture (Plataforma Aberta de Comunicação – Arquitetura Unificada – nova terminologia), sendo um padrão aberto de comunicação de dados industriais, e ao contrário do OPC Classic, o OPC UA utiliza um modelo de informação orientado a objetos, que suporta estruturas, objetos, máquinas de estado, base legada, além de ser independe de sistema operacional (Windows), onde este:

  • Suporta arquitetura orientada a serviços (SOA) que permite a fácil personalização do OPC UA, para diversos tipos de dispositivos e aplicativos;
  • O OPC UA possibilita a troca de dados brutos e informações pré-processadas entre os sistemas incorporados nos sensores e nos dispositivos de campo e os sistemas de ERP, MES e de visualização de processos (IHM);
  • Possui segurança Robusta de dados.

As principais características do OPC-UA, são listadas abaixo:

  • Para trocar dados, o OPC UA usa um protocolo binário otimizado baseado em TCP. Basta abrir uma única porta no firewall;
  • Os usuários podem combinar livremente os diferentes recursos de segurança de acordo com suas necessidades específicas, para que possam criar soluções escaláveis;
  • OPC UA utiliza uma arquitetura robusta com mecanismos de comunicação confiáveis, monitoramento de tempo configurável e detecção automática de falhas;
  • Os mecanismos de correção de falha restabelecem automaticamente o link de comunicação entre o OPC UA Client e o OPC UA Server sem perda de dados;
  • O OPC UA fornece funcionalidade de redundância que pode ser integrada a aplicações Client e Server a fim de proporcionar alta disponibilidade do sistema e máxima confiabilidade;
  • O OPC-UA permite ainda, como recursos adicionais, redundância de conexão, monitoramento da conexão (interrupções) e buffer de dados e confirmação, conexões perdidas não levam a perda de dados.

Quanto aos principais benefícios do uso do OPC-UA, temos:

  • Fácil e rápida instalação e partida;
  • Implementação multiplataforma, incluindo implementações portáveis ANSI C , Java e .NET;
  • Escalabilidade: de sensores inteligentes e atuadores e dentro de equipamentos;
  • Operação multithread (múltiplas Threads – tarefas), bem como single-threaded / single-task – necessária comunicação de dispositivos embarcados IoT;
  • Segurança, baseada em novos padrões;
  • Tempos limite configuráveis para cada serviço;
  • Chunking (organizar dados em pacotes menores) de grandes datagramas;
  • A arquitetura OPC UA é uma arquitetura orientada a serviços (SOA).

Podemos montar diversos arranjos de arquitetura de conexão com o OPC-UA, lembrando que seu conceito de comunicação básico é baseado em cliente-servidor, logo podemos ter, conexão de um sistema com um hardware, conexão de um ou mais hardwares, com diversos sistemas, como um Scada e um banco de dados, como cliente OPC e até mesmo, externar dados para Cloud, onde o OPC-UA, suporta estes tipos de conexão via Internet.

Quanto ao funcionamento, o OPC-UA, tem as seguintes principais características:

A comunicação OPC-UA suporta dois formatos, UA Binário e XML, o remetente codifica os dados para o formato relevante e o receptor deve ser capaz de decodificar o conteúdo (com todas premissas de integridade e segurança) de forma a reconstruir o dado original.

Formato UA Binário

O formato UA Binário é um conjunto de dados seriados em formato de array (conjunto ou estrutura de dados) de bytes, este é um método simples e de baixo custo, normalmente aplicado no nível de dispositivo, é de processamento limitado, mas de alta prioridade, deve ser interpretado somente por clientes compatíveis com OPC-UA.

Formato XML – Extensible Markup Language

O formato XML é uma linguagem de dados de marcação, isso facilita a interpretação por parte de diversos dispositivos, independe da plataforma e pode-se utilizar-se de esquemas de SOA.

Este formato normalmente está aplicado no nível mais alto de comunicação da planta e suporta clientes genéricos de XML (impressora, por exemplo), como codificar e decodificar XML é mais caro, normalmente esta solução se aplicação no nível de informação e gestão.

O OPC UA suporta dois protocolos de comunicação, o OPC/TCP e o SOA/HTTP(S):

Protocolo OPC/TCP – OLE for Process Control / Transmission Control Protocol

Este protocolo de baseia no TCP para transporte do dado, permitindo um canal full-dulplex entre o Server e o Client, no modelo Socket (soquete), o canal se comunica com pacotes Binários, permitindo canal seguro (soquete seguro), somente clientes OPC são capazes de receber informações de OPC-TCP.

Protocolo SOAP/HTTP (S) – Simple Object Access Protocol / Hypertext Transfer Protocol (Secure)

Este protocolo trabalha com mensagens estruturadas no modelo SOAP (XML), que são transmitidas via HTTP(S), normalmente são chamados de envelopes de mensagem. Estas mensagens são conjuntos de dados que são utilizados no nível de informação entre diversos tipos dispositivos que suportam XML, podendo trabalhar com modo seguro, criptografia e certificados digitais.

O OPC-UA utiliza as tecnologias SSL –  Secure Sockets Layer, TLS – Transport Layer Security e AES – Advanced Encrypton Standard, que permitindo os seguintes controles de segurança:

  • Proteção contra o acesso não autorizado, modificações de valores de processo, sabotagem e falhas causadas por uso negligente;
  • Os recursos de segurança são uma parte obrigatória do padrão e incluem autenticação de usuário e de aplicativo, assinaturas digitais de mensagem e criptografia de dados transmitidos;
  • A troca de dados entre dispositivos OPC-UA é segura, com controle de confidencialidade, integridade e autenticação;
  • Os mecanismos de dados de transporte de OPC-UA são acessíveis por Firewall e Internet, permitindo controles de acesso local e via Internet;

A nova tecnologia PUBLISHER / SUBSCRIBER:

A estrutura de aplicação do OPC-UA é baseada em Cliente-Servidor, este tipo de aplicação não é o modelo ideal quando consideramos soluções para IoT – Internet das Coisas aderente a Indústria 4.0, com isso, surge a solução baseada em Publisher / Subscriber, onde o “publicador” emite os dados para seus “inscritos” e os inscritos também podem enviar dados para o publicado, este conceito permite redes digitais de alta densidade, velocidade e performance.

Quanto as aplicações do OPC-UA, tanto em soluções quanto em descrições de produto, são importantes definir as entradas de dados e seus respectivos protocolos, definir as saídas da mesma forma, orientada as aplicações dos sistemas que vão “consumir” estes dados, inclusive com foco com Cloud, se for o caso, com os protocolos exigidos para tal, exemplo, MQTT.

Softwares de OPC-UA, normalmente são chamados se Suites, pois permitem uma série de funções adicionais, tais como, troca de dados entre protocolos e equipamentos diferentes, acesso a base de dados, tunelamento de dados, entre outros.

O OPC-UA tem total aderências as demandas da Indústria 4.0, podemos destacar alguns pontos:

  • Suporta convergência de padrões e unifica o conector (Protocolo) de saída;
  • Suporta MQTT Message Queuing Telemetry Transport e AMQP Advanced Message Queuing Protocol;
  • Permite comunicação direta em Cloud Computing (Azure, AWS, Google, MindSphere – Siemens…).

Como continuidade do desenvolvimento tecnológico, podemos descrever algumas tendências, baseado em indicares reais de desenvolvimento técnico em curso:

  • OPC-UA incorporado em qualquer dispositivo (coisa) IoT;
  • OPC-UA trabalhar com TSN – Time-Sensitive Networking;
  • OPC-UA conectar dispositivos de campo, independente de protocolos FDI – Field Device Integration.

Concluímos que a evolução da digitalização e a realidade da Indústria 4.0, passam por desafios técnicos de comunicação de dados de toda a cadeia de valor, as novas soluções devem permitir convergência, padronização e velocidade, o OPC-UA é uma proposta concreta e já aplicável.

REDES SDN NA AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL

Aplicação das Redes Definidas por Software nos Sistemas Industriais (SDN Software Defined Networking)

As redes Ethernet permitiram conectar o mundo, num primeiro momento entre computadores, depois com a Internet como a conhecemos e agora com a IoT Internet das Coisas.

Os desafios frente as demandas deste padrão, consolidado no mundo, não param de permear área de pesquisa e desenvolvimento na área de comunicações de dados, pois desde o seu advento, nunca estivemos tão perto do seu limite tecnológico.

Quando pensamos em encaminhar pacotes de dados e roteamento entre redes, os padrões das conhecidas camadas 2 e camada 3 do modelo OSI (Open Systems Interconnect), já se definiram com seus modelos e protocolos, não conseguimos com estes padrões existentes, criar novos formados de controle de dados (exclusivos ou especiais).

Nesta mesma linha, gerenciar a rede de comunicação e efetuar a segurança dos pacotes, também remetem a desafios complexos, uma vez que não é tarefa simples, criar área de segurança de dados, principalmente se forem dinâmicas, monitorar comportamentos estranhos na rede, desafios difíceis de serem superados, frente aos roteadores e firewall atuais.

Agora com o advento do conceito da Indústria 4.0, que é a conexão de toda a cadeia produtiva na Internet, vemos novos padrões, protocolos e modelos de gestão de dados que elevam ainda mais as necessidades, que naturalmente não estavam previstas no modelo atual da Ethernet.

O modelo OSI de 7 camadas de rede e o TCP/IP, operam de forma fixa nas camadas um, dois e três, quando imaginamos uma necessidade de se criar algo novo em redes, temos que pensar na camada de aplicação, onde temos liberdade para criar, através de programação, novas formas de gestão de dados.

Para entender melhor o modelo existente, vamos relembrar como o switch e o roteador de dados funciona e como o conhecemos no modelo existente, o que ele faz:

  • Entender quando o pacote chega;
  • Ver na tabela de encaminhamento para onde vai (ou descartar);
  • Enviar pacote;
  • Atualizar a tabela;
  • Atualizar estatísticas;
  • Usa protocolos pré-definidos.

Perguntamos: Neste formato então, com o modelo ATUAL existente de Ethernet para Encaminhamento e Roteamento, é possível CRIAR controles, monitoramento e segurança de rede fora dos padrões atuais, com objetivo de atender NOVAS demandas, protocolos e novas ameaças de redes?

A resposta é: NÃO!

Para entender o caminho da solução, as redes SDN abrem novas possibilidades a entender:

  • Com o modelo ATUAL existente, somente sobra a CAMADA DE APLICAÇÃO para desenvolvimento, onde tenho possibilidade de criação;
  • Com este conceito de programar redes no nível de Aplicação, tem-se as SDN ou Redes Definidas por Software;
  • As redes virtuais (SDN) são um novo formato de gestão e comando de dados em uma rede, é uma quebra de paradigma e um novo mundo de possibilidades.

Para darmos alguns exemplos de cenários mais conhecidos na área de gestão de dados atualmente, frente aos novos desafios, podemos limitar nosso tema nas seguintes necessidades comuns, encontradas abaixo:

  • Fazer um projeto de redes Ethernet que permita a convergência de diversos setores (Indústria, TI e Logística), utilizando diversos protocolos e controlar as redes de uma central, bem como sua monitoração;
  • Criar um projeto de segurança de rede para controle de acesso, autenticação e monitoramento de regras, de forma dinâmica;
  • Escalar um projeto de rede para convergência de camadas de IoT (Internet das Coisas) e integrar nos sistemas de automação da planta, independente dos protocolos e com regras próprias.

A virtualização das redes, entra na mesma linha da virtualização dos computadores, vamos relembrar, de nossos textos anteriores:

Objetivo da virtualização de computadores: Processamento, armazenamento, compartilhamento e gestão;

Objetivo da virtualização de redes: Encaminhamento, roteamento, segurança e gestão.

Sendo que a duas soluções podem ser executadas On-Premisse (local) ou em Cloud Computing (computação nas nuvens).

A evolução dos sistemas de rede Ethernet, se baseia na gestão por camadas, esta é uma forma de entendermos o desenvolvimento tecnológico e o atendimento de suas demandas:

  • No início tínhamos apenas os concentradores de rede (HUB), que tinha apenas a função de conectar à rede no Layer 1, conexão física, não gerenciando dados em nenhuma instância;
  • Como os switches, temos a gestão das redes no Layer 2, também conhecido no nível de endereçamento físico (MAC), trabalhando com tabela de encaminhamento, cuja função principal, entre outras, é gerenciar pacotes e colisão de dados;
  • Com a união de redes de diferentes funções, localizações e diversos serviços, temos a gestão da rede no Layer 3, ou roteamento, nível IP, dado pelos roteadores de rede, onde podemos configurar rotas e permissões de dados, elevando o nível de controle da rede, com seus diversos protocolos roteamento.
  • A proposta da evolução, dado agora pelo Layer 4, é permitir a conexão de uma aplicação na camada de rede, diretamente na camada de transporte, utilizando-se API (Application Programming Interface), onde podemos montar tabela de encaminhamento, roteamento e regras próprias de segurança, fazendo todas as outras funções, porém com programação própria.

As redes SDN (Software Defined Networking) ou Redes Definidas por Software, é uma tecnologia que permite criar redes virtuais (Ethernet), utilizando-se de um hardware simplificado para encaminhamento de pacotes, conectados um sistema operacional de rede, conectados a API diretamente nos aplicativos de função da rede.

Como então funciona este modelo de gestão de dados no Layer 4? Como o switch ou roteador se comporta e o que faz na rede:

  • Entender quando o pacote chega;
  • Ver na tabela de encaminhamento para onde vai;
  • Enviar pacote (como deve ser tratado – programação);
  • Só acessa tabela de encaminhamento;
  • Usa API para conectar DEVICE na Tabela;
  • Atualiza tabela e estatísticas.

A tecnologia e o princípio de funcionamento das redes SDN, se dão por três elementos do conjunto, veja como é feito:

  • Utilizando Switches de Layer 4 para interface, faço todas conexões físicas;
  • Conecto os Switches em um Controlador SDN (sistema operacional da rede);
  • Programo as API (Application Programming Interface) de acordo com cada aplicação que tenho, criando as funções, regras e tabelas.

Para facilitar o entendimento do uso das redes SDN, descrevemos abaixo alguns termos muito utilizados com esta tecnologia:

  • SDN – Software Defined Networking – é o conceito de criação e gestão de redes de comunicação de forma virtual – conjunto de tecnologias;
  • NFV – Network Functions Virtualization – é a virtualização de funções de rede de forma a padronizar funções (comunicação, segurança ou regras);
  • SDWAN – Software-Defined Wide-Area Network – é a virtualização de conjuntos de serviços dentro de uma WAN, usando NFV, por exemplo, VPN, 4G;
  • OPENFLOW – é a tecnologia (protocolo) que permite aplicar de fato a SDN (sistema operacional de rede e as API);
  • ORQUESTRAÇÃO – é a gestão de um serviço de cloud de ponta a ponta, em nosso caso usar SDN no Cloud e orquestrando, por exemplo, com OpenStack;
  • OVERLAY – é uma rede sobreposta, conceito de criar uma rede (virtual) em cima de outra rede.

Como benefícios no uso das redes SDN, descrevemos abaixo suas principais características:

  • São redes de custos menores;
  • As redes SDN são flexíveis quanto ao projeto e implantação, testes simples;
  • Podem ter gestão centralizada ou distribuída no circuito de rede;
  • Por segurança, usa a negação por padrão, no envio de pacotes, o que não está programado, não é reconhecido;
  • Sistema de gestão de multiprotocolo, interoperável e com regras programáveis;
  • Facilidade de monitoração e gerenciamento da rede, conexões e fluxo de dados;
  • Facilidade de flexibilizar regras (permissões) de dados com geolocalização do Host;
  • Não se mistura arquiteturas convencionais de Ethernet com SDN;
  • O conceito já está preparado para uso em Cloud, criando ambientes híbridos, aderentes a Indústria 4.0.

As redes SDN se caracterizam por dois principais elementos básicos:

  • O Switch Layer 4, que utilizando o OpenFlow, conecta a tabela de encaminhamento da rede, através de API;
  • O controlador, que é o Sistema Operacional da rede e permite a programação da SDN.

Os sistemas SDN, permitem arquitetura centralizada e distribuída, dentro de uma rede única ou em modelos de sub-redes.

A implantação das redes SDN na automação industrial, segue o mesmo conceito e arquitetura conhecida e convencional, porém temos os switches e roteadores Layer 4 com OpenFlow, conectando fisicamente à rede e fazendo a conexão de API na tabela de encaminhamento e nesta rede, um controlador, em nosso exemplo estamos usando um centralizado, gerenciando e controlando toda a rede, inclusive conexões de IoT (Internet das Coisas), conceito da Indústria 4.0, conectados em Cloud.

No aspecto desenvolvimento tecnológico, podemos eleger algumas principais tendências na continuidade das redes virtuais:

  • Switches com programação direta das API e orquestração em Cloud;
  • Virtualização total dos controladores, principalmente em soluções Wireless (NaaS) Network as a Service;
  • Integração e convergência de dados (TO) Tecnologia da Operação, (TI) Tecnologia da Informação e (IoT) Internet das Coisas, usarem SDN para Flexibilização, Distribuição e Segurança de Dados.

Concluímos que as redes SDN são uma resposta aos grandes desafios de conectividade de comunicação na atualidade, vivemos o momento da virtualização do processamento, possibilitado escala que antes não era possível, com a virtualização das redes, rompe-se o limite tecnológico que estamos próximos, colocando as soluções de acordo com os patamares esperados pela Indústria 4.0, mudando sobremaneira a automação industrial como conhecemos hoje.