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INDÚSTRIA 4.0 – PROJETO E IMPLANTAÇÃO

Diretrizes de Projeto e Implantação da Digitalização da Produção de Acordo com a Indústria 4.0

Neste texto vamos falar sobre a implantação de projetos de Automação Industrial aderentes a Indústria 4.0, importante saber que, não estamos querendo postular um modelo, mas sim, apresentar uma proposta, um singelo roteiro de visões sobre as tecnologias que se encontram disponíveis e principalmente, o que poderia ser exequível nas plantas existentes.

Para se chegar a uma planta digital, nos moldes da proposta da Indústria 4.0, utilizando todas as tecnologias existentes, é necessário percorrer um caminho inicial, pois sem um preparo, não poderemos implantar as tecnologias propostas no contexto da indústria digital, são os seguintes passos abaixo que propomos:

  • Passo 1 – Entenda o conceito da Indústria 4.0 e seus impactos;
  • Passo 2 – Analise a automação existente em sua planta;
  • Passo 3 – Otimize o processo existente;
  • Passo 4 – Faça a convergência de dados de sua cadeia produtiva;
  • Passo 5 – Implante as ferramentas da Indústria 4.0 (redesenhe seus processos).

Para delimitar nosso tema a respeito de projeto e implantação da Indústria 4.0, vamos entender:

  • Como repensar um ambiente de produção com ferramentas digitais;
  • Como obter vantagem no negócio com um modelo de tecnologia baseado na Indústria 4.0;
  • Como usar as tecnologias atuais e integrar a planta de produção no negócio digital.

Quando se entende a necessidade de buscar modelos de implantação da planta digital, normalmente temos alguns cenários conhecidos:

  • Tenho uma produção e necessito colocar o nível de produção aderente a Indústria 4.0;
  • Quais ferramentas já posso utilizar e qual a utilidade no novo modelo de produção digital;
  • Como alterar uma cultura de produção para um novo modelo, desde planejamento até operação.

O modelo produtivo evoluiu ao longo do tempo, alterando o perfil da produção, que no início, só se tinha a visão da planta local e seu processo unitário, com a automação e redes de informação, passamos a conectar o planejamento e gestão na produção, tendo um contexto maior da planta, mas ainda limitado ao processo local, com a Indústria 4.0 e as redes convergentes, o modelo produtivo, passa a ser o próprio modelo de negócios, uma vez que a conexão é de toda cadeia produtiva que orbita no ecossistema da empresa.

Para trilhar a implantação da Indústria 4.0 nos processos produtivos, temos alguns desafios que são comuns para uma análise:

  • Como atualizar uma planta produtiva existente de acordo com um modelo da Indústria 4.0;
  • Como gerar valor no negócio a partir de um novo modelo de planejamento e gestão produtivo;
  • Como incorporar novas tecnologias de produção e planejamento, com objetivo de aumentar receita e diminuir custos.

Um projeto de automação que tenha as premissas da Indústria 4.0, deve se encaixar nos quadrantes da tecnologia, que propomos a observar:

  • Conhecimento da Plata (informação);
  • Produtividade (eficiência produtiva);
  • Decisões (diagnósticos e prognósticos);
  • Novos formatos (oportunidades de negócio);

A automação industrial dos projetos atuais, devem ter as seguintes diretrizes abaixo, uma vez que estes sistemas devem dar as respostas a indústria digital:

  • Permitir novas formas de fazer negócios;
  • Eliminar ao máximo o desperdício e o erro;
  • Permitir customização e personalização da produção.

As principais características da Indústria 4.0 é ser colaborativa, preditiva e inteligente, para isso, sua arquitetura de produção deve ser, interoperável, flexível e descentralizada, com impactos diretos na escala produtiva, mão de obra e tomada de decisões.

Para os projetos de automação industrial, devemos utilizar as tecnologias da Indústria 4.0, talvez uma mais aderente que a outra, a depender do processo produtivo a que se refere, porém é bom listar as principais:

  • Redes de comunicação
  • Cibersegurança
  • IOT internet industrial
  • Cloud Computing
  • Big Data
  • Mineração de dados
  • Aprendizado de máquina
  • Virtualização (digitalização)
  • Realidade aumentada
  • Gêmeos digitais
  • SOA
  • OPC-UA
  • RFID
  • Produção por adição
  • Drones
  • Robôs

Como dever ser a planta da Indústria 4.0 e o que deve ser levado em consideração no contexto de projeto e implantação:

  • A planta deve ser interoperável – todo sistema se comunica;
  • Deve permitir virtualização – do planejamento a manutenção;
  • Deve ser flexível, modular e descentralizada;
  • Utilizar banco de dados em formato Big Data e em Cloud;
  • Utilizar modelos decisórios baseado em análise de dados;
  • Estar estruturada com sistemas de Cibersegurança.

A questão da interconexão, deve levar em consideração particularidades de cada setor, sistema, departamento, ou fornecedores, internos ou externos, que participem do processo produtivo e, devem ser observados que cada agente deste, deve estar conectado a um sistema de Cloud, que permita produzir informações de forma a unir no ecossistema, e o Big Data, absorverá todas estas informações, permitindo modelagem de dados para tomada de decisões.

A Indústria 4.0, em processos dinâmicos, que necessitem de customização em massa, devem ter sistemas de automação descentralizados, que controle células locais e respondam a processos centrais, sendo um arranjo de automação altamente flexível, que permita interconexão e mudanças rápidas na produção, além de sistema de segurança que monitore todo o processo em rede.

Na utilização das tecnologias, as principais diretrizes que temos que ver, no que se refere a aplicação, devemos levar em consideração de forma prática:

  • Conectar todas as informações (automação, IoT, IIoT, banco de dados);
  • Usar Cloud e Big Data para centralizar e analisar dados;
  • Usar mineração de dados para eliminar decisões intermediárias, focando o gestor;
  • Usar aprendizado de máquina para operar o sistema, fazendo do operador um supervisor de processo;
  • Usar predição (analisador de causas), criando prognóstico em produção e manutenção.

As tecnologias da Indústria 4.0, permeiam uma grade de projetos, todavia não necessariamente usaremos todos os elementos, ou pelo menos, devemos entender o que são rotas de dados para o usuário, por exemplo, o dado iniciando pelo processo, pode seguir uma rota de cibersegurança e IoT diretamente para a operação, não necessariamente sendo analisado no Big Data, deve-se construir as rotas de acordo com cada processo.

Abaixo sugerimos a observação das principais diretrizes para projetos de sistemas para Indústria 4.0:

  • Instrumentação e medição

Use redes Ethernet e redes Wireless – adote protocolos industriais baseado em Ethernet e integre o IoT Industrial;

  • Controle

Descentralize o máximo o controle, isso dará flexibilidade da produção, use microcontroles e controladores centrais de comunicando e conecte no Cloud;

  • Infraestrutura

Use ferramentas de virtualização, cloud computing e gestão do sistema via outsourcing;

  • Operação

Use dispositivos móveis, crie aplicativos de alta integração, evolua no uso do deep learning para apoio da operação;

  • Manutenção

Use modelos de manutenção baseado em eventos, conecte dados no cloud e use prognósticos de ativos e acesso remoto;

  • Gestão da Produção

Conecte os dados da produção, conecte ativos pela IoT e sistemas pela IIoT, use o Big Data;

  • Apoio a tomada de decisões

Conecte os dados da cadeia de produção no Big Data e use ferramentas de Mineração de Dados e Machine Learning.

Utilize serviços de Cloud Computing, onde estas plataformas são utilizadas e pagas como serviços, tais como, IBM BlueMix, Google Cloud Platform, Microsoft Azure, Amazon AWS, com as principais características:

  • Armazenagem de dados;
  • Máquinas virtuais;
  • Processamento sob demanda;
  • Segurança de dados;
  • Mineração de dados;
  • Aprendizagem de máquina;

Crie uma estrutura de conectividade, que permita que os dados internos de produção trafeguem pelas redes, use gateways e servidores OPC, use sistemas de roteamento de dados para conexão ao Cloud, crie modelos de gestão, manutenção, planejamento e automação, dentro do ecossistema.

Elabore uma arquitetura de automação que contemple todos os agentes produtivos da indústria, pense no negócio como um todo e como ele se relaciona, conecte todas as tecnologias disponíveis e crie os webservices, para que seja produzido e consumido informações dentro desta arquitetura.

A implantação de um modelo de Indústria 4.0 é uma mudança cultural de produção, é a própria fábrica digital para um novo modelo industrial, necessitando de liderança transformativa na indústria, sendo liderada por uma geração digital de profissionais que entenda o valor da mudança, liderada pelo CEO, líderes da transformação e composta por equipes também líderes e polivalentes, seguindo os principais passos como sugestão de implantação:

  • Passo 1 – Aplique Lean Manufactoring e indicadores de gestão e eficiência OEE;
  • Passo 2 – Identifique na produção o processo de maior integração – faça um piloto;
  • Passo 3 – Defina sua capacidade produtiva – crie modelos de tomada de decisões (Big Data);
  • Passo 4 – Aplique convergência e Machine Learning – elimine operações no processo;
  • Passo 5 – Escale o processo – integre setores – replique o modelo.

Passamos abaixo, alguns pontos importantes para serem observados na implantação:

  • Análise do status atual de automação (dados) de planta;
  • Análise do status atual de operação, manutenção e planejamento;
  • Identificação de pontos, operação e ações de otimização (ativos de planta, ponto de operação e segurança operacional);
  • Desenho da convergência de dados e informações da planta (infraestrutura);
  • Análise e projeto do sistema de cibersegurança (TO e TI)
  • Projeto de digitalização – complemento de IOT e dados externos (PCP, MES,MOM) – modelo de tomada de decisões;
  • Redesenho:
    • Tomada de decisões na gestão da planta;
    • Ações de controle ótimo;
    • Prognósticos de manutenção.
  • Treinamento

Relacionamos abaixo os principais benefícios esperados com a implantação de um roteiro para preparar a planta para a Indústria 4.0:

  • Iniciar a jornada pela Indústria 4.0 e se adequar ao futuro da Manufatura e Processos;
  • Obter novas oportunidades de conectar a fábrica aos consumidores e processos de inovação;
  • Gerenciar receita e custos, baseado em status de tempo real e prognósticos de cenários;
  • Diminuir tempo de tomada de decisões, diminuir erros de operação e integrar planejamento e qualidade da produção em tempo real;
  • Aumento de portfólio de oportunidades de negócios, com uma fábrica flexível, integrada e descentralizada.

Concluímos que projeto e implantação da Indústria 4.0, ainda estão no início de uma curva de maturidade, ainda que já haja tecnologia disponível, todavia, a questão é “saber” unir todos os pontos (universo cibernético) e mudar uma cultura de produção, de forma a obter vantagens competitivas em um mundo altamente digital e dinâmico.

REDES NA INDÚSTRIA 4.0

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.

AUTOMAÇÃO ELÉTRICA COM IEC 61850

O Padrão IEC 61850 na Visão da Automação Industrial para Sistemas Elétricos

Foi o tempo em que a área de elétrica e área de automação industrial eram tratadas de forma separada na indústria, com a evolução dos dispositivos de comando e controle, as redes industriais e seus protocolos, somado à busca pela simplificação de operação, temos um cenário de convergência de sistemas, automação e elétrica fazendo parte de um mesmo projeto.

Afim de demonstrar uma visão da Automação Industrial, utilizando-se o Estado da Arte na área de elétrica, especificamente o Padrão IEC 61850, que é o responsável pela simplificação e potencialização dos controles nos sistemas eletricidade de potência atualmente.

Nosso objetivo aqui não é esgotar o assunto, mas sim colocar foco em como a área de automação deve entender o Padrão IEC 61850, vendo principalmente, a convergência dos dois setores, entendendo principais conceitos de funcionamento desta rede de comunicação para área de elétrica.

Não faz parte do escopo de nosso texto, demonstrar os sistemas de proteção e controle para elétrica e também detalhar Padrão IEC 61850 no aspecto programação dos sistemas.

Especificamente, vamos focar e dirigir o assunto baseado na rede de dispositivos, entendendo que os sistemas elétricos são compostos por IED (Intelligent Electronic Device) ou Dispositivo Eletrônico Inteligente, com o uso e a evolução das redes, eles se tornaram os controladores dos sistemas elétricos, vamos entender o Padrão IEC 61850, que permite a troca de informações entre eles e com o sistema de comando, podendo efetuar qualquer operação no sistema elétrico.

O que é então do Padrão IEC 61850: É um Padrão de Comunicação entre dispositivos de um Sistema Elétrico, que suporta diversos protocolos e podem ser executados em redes TCP/IP (Ethernet), trabalham com mapeamentos padrões MMS (Manufacturing Message Specification), GOOSE (Generic Object Oriented Substation Event), SV (Sampled Variables) e WebSevices.

Podemos descrever as principais vantagens no uso deste padrão:

  • Interoperabilidade entre diversos fabricantes de dispositivos;
  • Facilidade configuração, os blocos são padrões de informações e endereçamentos;
  • Infraestrutura padrão, utiliza-se principalmente o Padrão Ethernet;
  • Redução de custos engenharia, comissionamento e partida são mais rápidos.

O Padrão ou Norma (muito conhecido assim também) IEC 61850, tem uma estrutura composta de 10 partes, cujo objetivo principal é traçar os caminhos da funcionalidade básica até os testes de sistemas, passando por todos os requisitos:

  1. Introdução e visão geral
  2. Glossário
  3. Requisitos gerais
  4. Administração do projeto e sistemas
  5. Requisitos de comunicação
  6. Linguagem de Configuração
  7. Modelo de Comunicação
  8. Mapeamento MMS / TCP/IP
  9. Mapeamento Ponto a Ponto/Barramento
  10. Testes de conformidade

O formato Lógico da Informação do Padrão é de Nível de Tensão, Endereço do Bay, Endereço do IED, Log do Dispositivo, Log do Nó, Dados e Atributos, com isso, independente da rede, fabricante ou local, a informação é igual em todo sistema.

Um sistema elétrico é responsável por uma série de eventos dentro de uma planta, vamos tratar como uma indústria, mas vale para qualquer estrutura de eletricidade.

As principais funções, mas não somente estas, podemos listar abaixo, perfazendo um sistema elétrico:

  • Supervisão, Operação e Proteção dos circuitos elétricos de potência;
  • Comando de despachos de carga;
  • Controle de demanda;
  • Operação de importação e exportação de energia elétrica;
  • Análise de transiente, falhas, distúrbios e desligamentos.

O objeto de nosso estudo é o Padrão IEC 61850, todavia não há somente este, mesmo porque as normas evoluem de acordo com as demandas e tecnologias existentes do seu tempo.

As Normas e Padrões, definem os protocolos de telecomando, tais como, interfaces entre equipamentos, padrão de camadas, entre outros.

A Norma IEC 60870-5 é aplicada a sistemas de Telecomando, temos abaixo suas principais divisões ou grupos:

  • 101 – Telecomando básico – supervisão
  • 103 – Padrão para proteção de equipamentos
  • 104 – Suporta TCP/IP

Também temos o DNP 3.0 (orientado a eventos) e chegamos ao IEC 61850 – padrão (orientado a objetos), que é foco de nosso texto.

A visão acima é muito simples, apenas para referência de estudo e continuidade de pesquisa, como dissemos anteriormente, visto não ser tema do conjunto aqui tratado.

Nesta mesma linha, podemos listar a evolução dos padrões em função das necessidades e tecnologias da época, é apenas uma visão geral e não contempla todos existentes, mas as principais linhas de aplicação de mercado.

  1. Cabeamento – não havia rede
  2. Norma IEC 60870-5-101
  3. Norma IEC 60870-5-103
  4. Norma IEC 60870-5-104
  5. DNP 3.0
  6. IEC 61850
  7. SMART GRID – Padrões de Integração de Produtor/Consumidor
  8. IoT – Integração Total de Dispositivos, Produtor, Consumidor e Controles

Observem que até agora somente tratamos dos Padrões ou Normas, nestas redes de informações temos os Protocolos de comunicação, que são as regras que governam a sintaxe, semântica e sincronização da comunicação em uma rede, este controla e possibilita uma conexão, comunicação, transferência de dados entre dois sistemas computacionais.

Alguns tipos de protocolos que são usados na elétrica, importante não confundir Protocolo com Padrão Elétrico:

  • PROTOCOLOS
    • PROPRIETÁRIOS
    • MODBUS
    • PROFIBUS
    • TCP/IP
    • PROFINET
  • PADRÕES
    • RS-232
    • RS-485
    • ETHERNET

São esperados alguns principais benefícios no uso do Padrão IEC 61850, uma vez que este padrão possibilita a integração e padronização dos sistemas, tanto de supervisão, quanto de controle, podemos ver abaixo os principais:

  • Usar o Padrão de Rede Ethernet em todo sistema Elétrico;
  • Comando, Controle e Supervisão na Própria Rede;
  • Análise de Alarmes e Oscilografia em Tempo Real;
  • Operação Remota e Integração com Processo;
  • Diagnósticos Avançados de Sistema e Dispositivos;
  • Padronização para Integração, Comissionamento e Partida.

O Padrão IEC 61850 permite comando, controle, supervisão, compartilhamento de dados em toda a rede, é uma grande evolução, utilizando-se por exemplo, do padrão Ethernet, para que isto ocorra, a Norma prevê alguns tipos de Mensagem, que são trafegadas dentro da rede, através do protocolo, abaixo listamos o tipo e seu principal uso:

  • MMS – (Manufacturing Message Specification) Informações Unicast – o objetivo é somente informação, na estação supervisora;
  • GOOSE – (Generic Object Oriented Substation Event) – Informações Multicast – responsável pelo comando entre IEDs;
  • SV – (Sampled Variables) – responsável pelo tráfego de valores analógicos entre os IEDs, utilizado para proteção;
  • XML – (eXtensible Markup Language) padrão de comunicação para WebServices, responsável pelo compartilhamento de informações entre todo o sistema conectado na rede.

Com a integração de todas estas mensagens e suas funções, é esperado funcionalidades nos sistemas, que apoiarão a operação e gestão da planta elétrica, podemos listar abaixo alguns tipos, lembrando que depende da ferramenta a ser implantada:

  • Supervisão do sistema e equipamentos;
  • Medições de grandezas em tempo real;
  • Alarmes e sequência de eventos;
  • Operação segura por simulação;
  • Parametrização de IEDs;
  • Análise de Oscilografia;
  • Rejeição de Carga;
  • Relatórios e Histórico geral.

Para construir uma automação de um sistema elétrico, baseado na Norma IEC 61850, vamos dirigir a aplicação a uma rede Ethernet, portando há de se observar os principais componentes e suas principais características:

  • Redes compostas por:
    • Switches Ethernet IEC 61850;
    • Firewall e VPN para Cibersegurança;
    • Terminal Service;
    • I/O Remoto e Tele proteção;
    • UTR Unidade Terminal Remota;
    • Computadores para Missão Crítica
  • Alguns requisitos essenciais:
    • Quality of Service (QoS): Priority Tagging
    • Protocolo de Recuperação de Rede: Rapid Spanning Tree (RST)
    • Gerenciamento de VLAN (para GOOSE)
    • Robustez de ambiente, suportar grandes faixas de temperaturas
    • Não haver partes móveis
    • Recuperação de anel RST (<50 a 100ms)

Quanto aos aspectos integração, podemos ter três cenários dentro da indústria, como ocorre de forma mais comum:

  • Um cenário onde a automação e a elétrica não se comunicam, isto é, há uma barreira na integração, são sistemas separados;
  • Um outro cenário onde se tem a convergência, este é mais comum, pois todas as redes são tratadas de forma separada e depois são unidas, por um gateway, por exemplo, ou um sistema OPC para troca de dados e informações;
  • E temos um cenário mais atual (graças a evolução da tecnologia), que é a integração total, o projeto quando “nasce” não tem separação de infraestrutura, toda a parte de comando e controle de processo e elétrica estão em uma única rede (há requisitos para isso), mas todo o sistema já é horizontal e vertical do ponto de vista da informação.

As arquiteturas de sistemas elétricos, seguem o mesmo conceito da automação, uma vez que utilizam a tecnologia Ethernet, o Padrão IEC 61850, já trata os blocos dentro da automação e elétrica para troca de informações e controle, portanto podemos concluir que já há uma convergência tecnológica.

Listamos abaixo alguns passos importantes para elaboração de um projeto e integração do sistema de automação elétrica, é apenas uma visão geral, deve-se aprofundar em detalhes, visto ser um projeto complexo:

  • Crie o projeto utilizando todos os dispositivos em Ethernet e IEC 61850 (use protocolo aberto);
  • Faça um projeto de Infraestrutura único, faça a convergência com o sistema de automação;
  • Projeto a rede Ethernet com conceito de VLAN, acesso externo com Firewall (Cibersegurança), foque no GOOSE (Multcast);
  • Crie as estações de operações exclusivas e integre informações importantes para todos operadores;
  • Crie as estações de engenharia separadas (automação e elétrica, mas em único ambiente e rede;
  • Treine a equipe, operação e manutenção.

Para finalizar e concluir, passamos algumas informações que não podem passar desapercebidas neste assunto:

  • A Norma IEC 61850 possibilitou Padronização e Facilidade de Engenharia;
  • Os principais Protocolos Industriais, suportam a Norma, exemplo Profinet (facilitando Integração);
  • Reformas e projetos Novos, devem suportar integração (Convergência) de Controle do Processo e Automação Elétrica;
  • Integração com Cloud, uso de WebServices, complementam a solução para os Desafios da Indústria 4.0, suportadas pela Norma.

O ENSINO DA INDÚSTRIA 4.0

Uma Proposta e um Ensaio Técnico e Didático

O termo Indústria 4.0 se tornou comum no meio industrial, de produção e todas as áreas tecnológicas afins, sem contar toda terminologia que orbita ao redor dele, Cibersegurança, Internet das Coisas, Big Data, entre outros.

Em épocas de facilidade de pesquisa, nada mais natural que o tráfego de busca na internet neste termo, seja muito demandado, não só no Brasil, mas em todo mundo.

Já temos uma boa quantidade de materiais para pesquisa, pelo menos que no que se refere aos conceitos da Indústria 4.0, em diversos idiomas e com diversas abordagens e formações de opiniões, visto que, compreende um conjunto de conhecimentos.

Este trabalho é uma proposta, uma ideia, onde vamos ensaiar um modelo técnico e didático para ensino da Indústria 4.0, desde a criação de treinamentos, cursos, disciplinas técnicas e de graduação chegando até a pós-graduação.

Nossa motivação para este trabalho, reside no fato de termos a oportunidade de trabalhar com a implantação de projetos de tecnologia, com aderência a Indústria 4.0 e também trabalhar como docente na área de tecnologia, no caso, este trabalho, é um compartilhamento de um projeto de ensino, da disciplina Indústria 4.0, que compõe o Curso de Pós-Graduação de Automação Industrial.

Nossa intenção, como dissemos, é compartilhar, trocar experiências e mostrar um trabalho real, preocupado em levar conceitos e aplicações deste novo mundo, que ainda estamos entendendo, juntando tecnologias e esperando resultados desta 4ª Revolução Industrial, que tanto falamos.

Não temos a pretensão de criar um modelo definitivo, de postular ou dissertar técnica ou pedagogicamente o assunto, há muito que se fazer, senão quase tudo, estamos todos, a comunidade técnica, científica e acadêmica de olho nestes conceitos e aqui é apenas uma demonstração de um caminho que estamos trilhando, que sabemos, irá mudar e se alterar conforme a dinâmica técnica, aplicada e de ensino, conforme for acontecendo.

Relembrando, o que é Indústria 4.0, onde são Conceitos de Convergência da TO (Tecnologia da Operação) e TI (Tecnologia da Informação), que estão promovendo a chamada 4ª Revolução Industrial, através da colaboração entre Pessoas, Informação e Máquinas, universo Cibernético.

Esta apresentação parte do pressuposto que você já tem o embasamento do que se trata, caso não, sugerimos acessar o link da apresentação e estudar a parte básica.

Um ponto muito importante da Indústria 4.0, é entender o que realmente muda com esta 4ª Revolução Industrial, isto é, o impacto que sugere uma mudança revolucionária, para isso expomos três grandes aspectos:

O impacto no Negócio, onde veremos a aproximação da Demanda x Custo x Produção, não teremos mais distâncias, esperas e estoques mal calculados, máquinas ou células subaproveitadas e até mesmo produzir de forma empurrada, tudo será On-Demand (sob demanda).

Outro impacto será na Mão de Obra, pessoas que trabalham nas fábricas e indústrias, haverá uma alteração na estrutura de Tomada de Decisões e Operações, estas atividades serão feitas por máquinas, sistemas de software, onde será eliminado o meio, teremos um novo modelo de trabalhador na indústria.

Nesta mesma linha, a Produção sofrerá uma grade mudança, haverá de fato transparência e Sustentabilidade na produção, será o fim do desperdício e erros, pois os sistemas farão funções de alta complexidade e previsibilidade, como nunca se viu, utilizando-se de ferramentas de predição, realimentando a fábrica inteligente.

Muito se fala na aplicação esta Indústria 4.0, mas temos que percorrer alguns caminhos e, estes caminhos são práticos, por exemplo, será que sua fábrica de fato é uma Indústria 3.0? Será que esta fábrica já utiliza toda tecnologia de automação disponível?

É fato que no Brasil, ainda há muito que se fazer, apesar de termos muitas plantas de alta tecnologia, ainda encontramos plantas que ainda estão focadas somente em produzir, sem automação ou muito pouco, de baixa relevância no impacto custo x produção.

É aí que podemos ter alguns entendimentos, pois se há uma porta se abrindo, rumo a 4ª Revolução Industrial, nosso país pode sim, dar um salto, claro que há muito envolvimento de todas as classes para que isso aconteça, mas podemos caminhar rapidamente para o tão esperado número de produtividade dos países desenvolvidos, e para que isso aconteça, precisamos de investimentos maciços em educação e pesquisa tecnológica aplicada, com incentivos governamentais sérios, com propósitos definidos.

Os desafios da Indústria 4.0 são muitos, podemos abaixo eleger os principais, todavia, vamos nos ater a falta de profissionais qualificados, objetivo de nosso texto:

  • Cibersegurança;
  • Legislação;
  • Uma mesma linguagem (padronização);
  • Faltam profissionais preparados;
  • Poderá levar anos ou décadas para uso;
  • Depende dos elementos (Governo, Capital e Educação).

Para termos uma ideia do nível de discussão que toda essa 4ª Revolução está causando, este ano 2016 houve o Fórum Econômico Mundial, em Davos e estes foram alguns dados apresentados pelas lideranças mundiais, baseado nos impactos desta nova tecnologia:

  • Perca de 5 milhões de empregos próximos 5 anos;
  • Perca de 7,1 milhões de empregos até 2020;
  • Mudanças socioeconômicas e demográficas, aumento da desigualdade;
  • Terrorismo cibernético (vulnerabilidade);
  • Governos sem projetos de longo prazo;
  • Pessoas e profissionais sem preparo para a Sociedade 4.0;
  • Fim dos intermediários;
  • Novas profissões: Drones, Robôs, Imp3D.

No Brasil, também este ano de 2016, ocorreu na Feira Internacional de Máquinas e Ferramentas, a apresentação de uma Célula de Manufatura Avançada, foi liderada pela Abimaq, todo o sistema tem os conceitos da Indústria 4.0.

Também este ano, a CNI Confederação Nacional da Indústria, apresentou um relatório de pesquisa a respeito da Indústria 4.0 no Brasil, dentre diversos dados, apresentou-se um número de 48% das indústrias, aplicam alguma tecnologia do composto da Indústria 4.0, ainda há muito que se fazer.

Um dos temas mais delicados quando se fala em tecnologia, é a substituição da mão de obra humana por máquinas, isso é assunto desde a 3ª Revolução Industrial, com a implantação de sistemas de automação, como conhecemos hoje.

A Indústria 4.0, traz a própria evolução dos sistemas e, claro, revive de forma muito mais gritante esse problema, uma vez que apresenta tecnologias de aprendizado de máquinas para tomada de decisões automáticas, sem a necessidade de intervenção humana.

Os estudos sobre estas novas tecnologias, apontam o fato de que as máquinas estão “aprendendo”, tudo o que ser refere a tarefas conhecidas e repetitivas, com isso é fácil entender um cenário onde as máquinas tomarão decisões baseado em dados de alto volume e criticidade.

O homem atuará somente em novas situações, tarefas em que as máquinas não podem aprender, profissões que exigem abstração, lidar com o desconhecido, isto é, o mundo novo, por isso o advento de novas profissões.

As principais mudanças para o novo trabalhador, no caso, vamos focar a indústria, que é nosso tema central, ele terá um perfil analítico de todo o processo produtivo, pois tarefas repetitivas serão feitas pelas máquinas que o apoiarão a tomar decisões, será conhecedor de ferramentas de análise de dados e deverá ser capaz de criar novos modelos, de processo, de negócios e tecnologias, esse é um perfil traçado do novo profissional da indústria.

De face aos dados e comentários anteriores, propomos um conjunto de conhecimento aplicados ao estudo da Indústria 4.0, este conjunto, como dissemos, é uma ideia, pode ser que já falte algum elemento ou outro que já esteja desatualizado, é natural, pois tudo é muito novo e dinâmico, é necessário iniciar um trabalho com comunidade científica, técnica, alunos, professores e empresas, afim e chegarmos a conteúdos, capazes de entregar, conhecimento para estes novos trabalhadores.

A estrutura básica do ensino da Indústria 4.0, é:

  • Introdução a Indústria 4.0 – toda a conceituação, técnica, econômica e de aplicação;
  • Infraestrutura – são os conceitos das vias, das redes, das mídias, que permitirão unir todas as informações da indústria;
  • Cibersegurança – além de já ser um desafio pontuado pela tecnologia, a Cibersegurança permitirá unir as redes de informação de forma segura;
  • IIoT Internet Industrial das Coisas – Todo o conjunto de informações que tem como objetivo digitalizar a indústria, usando todos os ativos de planta, permitindo a Virtualização da Produção em todos os seus aspectos;
  • Big Data – o sistema de dados que unirá todas as informações, de alto volume, variedade e velocidade, onde através de modelos de mineração e/ou aprendizado de máquina, poderemos tomar decisões em todos os níveis, verticais e horizontais na indústria, reduzindo toda a latência, erros, desperdícios, riscos no processo produtivo.

Abaixo uma lista dos conteúdos apresentados, não é objetivo deste texto detalhar cada item:

INTRODUÇÃO A INDÚSTRIA 4.0

  • Conceitos
  • Tecnologias
  • A indústria 4.0
  • Como ser preparar
  • Acontece no Mundo
  • Desafios
  • Mudanças no mercado de trabalho
  • Impactos na indústria

INFRAESTRUTURA

  • Conceitos
  • Infraestrutura
  • Ethernet Industrial
  • Tecnologias de infraestrutura para Indústria 4.0
  • Convergência de sistemas – TO e TI

CIBERSEGURANÇA

  • Entendendo
  • Conceitos
  • Infraestrutura crítica
  • Ataques
  • Redes industriais
  • Norma ISA-99
  • Defesa
  • Soluções
  • Forense

IIoT INTERNET INDUSTRIAL DAS COISAS

  • Nova economia
  • Visão geral
  • Conceitos
  • Tecnologias
  • Cloud – Computação nas Nuvens
  • IPV6
  • OPC-UA
  • RFID
  • Digitalização
  • Impactos

BIG DATA

  • Conceitos
  • Tecnologias
  • Mineração de dados
  • Machine learning (Aprendizado de Máquina)
  • Tomada de decisões
  • Na automação (operação e manutenção)
  • Soluções de mercado

Para aplicações práticas, sugerimos a seguinte estrutura:

  • ANÁLISE – Analisando um Projeto: capacidade de analisar um projeto existente e propor mudanças e melhorias;
  • PROJETO – Projetando um Sistema: elaborar um projeto conceitual e aplicar as tecnologias para resultar em aderência a Indústria 4.0;
  • FUNCIONAMENTO – Entender o Sistema: conhecer o funcionamento de Hardwares e Softwares que compõem os aspectos da Indústria 4.0;
  • PESQUISA – Mais Estudos: complementar conhecimento através de pesquisas sobre impactos e novas tecnologias.

Como sugestão de TCC Trabalho de Conclusão de Curso, listamos abaixo o contexto, onde com isso, espera-se contribuir para o conhecimento do aluno, envolvendo empresas, comunidade científica e usuários empresas, sugestão de linhas de estudo:

  • Escrever o projeto demonstrando os impactos, antes e depois da Indústria 4.0 em uma planta existente;
  • Escrever um projeto de implantação de um sistema novo, demonstrando o que se espera, dentro da aderência;
  • Escrever sobre a alteração Cultural, Pessoas e Processos, no planejamento e implantação de uma planta aderente a indústria 4.0.

Compartilhem duas experiências de ensino nesta área conosco, isso ajudará profissionais de ensino a montar conteúdos e entender todo este desafio.


Apresentamos abaixo um proposta real aplicada no Ensino da Indústria 4.0, trata-se de um conteúdo referente a uma Disciplina, no qual foi incorporada em um Curso de Pós-Graduação de Engenharia.

MÓDULO I – INTRODUÇÃO A INDÚSTRIA 4.0

VÍDEOS RECOMENDADOS:

MATERIAL COMPLEMENTAR DE ESTUDOS <BAIXAR>

  1. A Quarta Revolução Industrial
  2. Indústria 4.0 – FEIMEC 2016
  3. Indústria 4.0 – Guia da Alemanha
  4. Internet Industrial – GE

ANALISANDO UM PROJETO

OBJETIVO: A PARTIR DA ANÁLISE DO PROJETO, IDENTIFIQUE E COMENTE OS SEGUINTES TÓPICOS:

  1. Qual sua visão de nível de AUTOMAÇÃO desta planta? Está em um bom nível para avançar para a Indústria 4.0? Você sugere mais implementação? Quais?
  2. Qual sua visão de nível de OTIMIZAÇÃO desta planta? Está em um bom nível para avançar para a Indústria 4.0? Você sugere mais implementação? Quais?
  3. Qual sua visão de nível de CONVERGÊNCIA desta planta? Está em um bom nível para avançar para a Indústria 4.0? Você sugere mais implementação? Quais?
  4. Na análise desta planta, comente sobre sua visão a respeito de INTEROPERABILIDADE, FLEXIBILIDADE E DESCENTRALIZAÇÃO desta automação, como é e como poderia ser feito, considerando aspectos da INDÚSTRIA 4.0.

CRIANDO UM PROJETO CONCEITUAL

OBJETIVO: PROJETAR UM SISTEMA DE AUTOMAÇÃO CONCEITUAL, BASEADO NOS PILARES DA INDÚSTRIA 4.0 – ANALISE O ESCOPO DO PROJETO E DEFINA UMA ARQUITETURA QUE CONTEMPLE:

  1. Rede baseada em Ethernet e Wireless
  2. Aquisição de Dados com uso de IIoT
  3. Controle Descentralizado
  4. Uso de Virtualização a partir de Dados Digitais
  5. Sistema de Operação baseado em Machine Learning (Cloud e BigData)
  6. Sistema de Manutenção baseado em Condições e Acesso Remoto
  7. Uso de RFID para Rastreabilidade de Produção
  8. Neste contexto, estruture o Projeto, para que a Fábrica tenha Características de Interoperabilidade, Flexibilidade e Descentralização.

TEXTO PESQUISA COMPLEMENTAR:

Pesquise TEORIA U – Otto Scharmer, analise o enfoque do pesquisador e descreva sua visão sobre as mudanças que devam ocorrer na Sociedade 4.0, para que tenhamos os benefícios da 4ª Revolução Industrial.

MÓDULO II – INFRAESTRUTURA E CONVERGÊNCIA

VÍDEOS RECOMENDADOS:

MATERIAL COMPLEMENTAR DE ESTUDOS <BAIXAR>

  1. Cabeamento Estruturado
  2. Convergência da Informação
  3. Ethernet Industrial
  4. Gerenciamento de Informações na Indústria

ANALISANDO UM PROJETO

OBJETIVO: A PARTIR DA ANÁLISE DO PROJETO, IDENTIFIQUE E COMENTE OS SEGUINTES TÓPICOS:

  1. Identifique no projeto os componentes de infraestrutura de automação, comente melhorias no projeto ou observações importantes referentes a boas práticas;
  2. Comente sobre a Rede Ethernet do projeto, comente sobre as camadas dos Switches e sobre os protocolos de trabalho do sistema;
  3. Analisando o projeto, comente sobre a questão da convergência, sugira um redesenho da rede, afim de permitir a convergência de todas as informações de planta;
  4. Utilize das tecnologias da Indústria 4.0 para elaborar uma convergência de informações, que seja Interoperável, Flexível e Descentralizada.

OBJETIVO: PROJETAR UM SISTEMA DE AUTOMAÇÃO CONCEITUAL, BASEADO NOS PILARES DA INDÚSTRIA 4.0 – ANALISE O ESCOPO DO PROJETO E DEFINA UMA ARQUITETURA QUE CONTEMPLE:

  1. Infraestrutura de Rede de Informática Industrial – componentes de Hardware e Software;
  2. Projeto de uma Rede Ethernet Industrial, com camadas de informação e definição a respeito do Protocolo;
  3. Projeto de Convergência dos sinais de informação da Planta, o sistema deve utilizar de tecnologias da Indústria 4.0, permitindo um sistema Interoperável, Flexível e Descentralizado.

TEXTO PESQUISA COMPLEMENTAR:

Faça uma pesquisa e descreva as barreiras culturais na utilização de automação e informatização para controle operacional, o foco é o operador que já trabalha na planta há mais de 10 anos e não se atualizou com as novas tecnologias e trace um paralelo com os jovens que já se habituaram ao smartphones e tecnologias da informação, como será o controle operacional na época de trabalho deles.

MÓDULO III – CIBERSEGURANÇA

VÍDEOS RECOMENDADOS:

MATERIAL COMPLEMENTAR DE ESTUDOS <BAIXAR>

  1. Segurança em Redes de Computadores
  2. Cibersegurança em Planta de Tratamento de Água
  3. Análise de Instrusão de Redes
  4. Cybersecurity for Industrial Control

ANALISANDO UM PROJETO

OBJETIVO: A PARTIR DA ANÁLISE DO PROJETO, IDENTIFIQUE E COMENTE OS SEGUINTES TÓPICOS:

  1. Identifique na arquitetura de automação apresentada, os principais pontos de vulnerabilidade de ataques cibernéticos;
  2. Quais as principais perguntas que faria para o responsável por este projeto, quanto a segurança do sistema, tanto físico e lógico do site;
  3. Se for perguntado sobre a queda de velocidade de comunicação da rede, utilizando firewalls, como você montaria um arranjo seguro, entendendo que não poderia colocar um limitador de velocidade entre pontos críticos.

OBJETIVO: PROJETAR UM SISTEMA DE AUTOMAÇÃO CONCEITUAL, BASEADO NOS PILARES DA INDÚSTRIA 4.0 – ANALISE O ESCOPO DO PROJETO E DEFINA UMA ARQUITETURA QUE CONTEMPLE:

  1. Coloque na arquitetura proposta o mínimo de solução em hardware para proteção contra invasão cibernética e pontue o que foi levado em consideração e porque;
  2. Faça uma lista de verificação dos pontos de acesso do site, focado em permissões e perímetro físico, afim de proteger a planta, sugira ações;
  3. Estruture no sistema, uma ferramenta de gerencie e grave as informações de tráfego de dados e alterações de informações na planta, comente.

TEXTO PESQUISA COMPLEMENTAR:

Faça uma pesquisa sobre invasões de sistemas de automação no Brasil, pontue os principais problemas e porque vêem crescendo estes tipos de ataques. Comente sobre as principais relevâncias que devem ser colocadas como prioritárias nos projetos de automação, tanto legados como novos sistemas em plantas industriais.

MÓDULO IV – IIoT – INTERNET INDUSTRIAL DAS COISAS

VÍDEOS RECOMENDADOS:

MATERIAL COMPLEMENTAR DE ESTUDOS <BAIXAR>

  1. Internet das Coisas
  2. IoT A Próximas Evolução
  3. Gibi da Internet das Coisas
  4. IIoT Industrial Internet

ANALISANDO UM PROJETO

OBJETIVO: A PARTIR DA ANÁLISE DO PROJETO, IDENTIFIQUE E COMENTE OS SEGUINTES TÓPICOS:

  1. Identifique na arquitetura de automação e no descritivo de processo, pontos que devem ser digitalizados (através de Hardware) para serem enviado ao Cloud;
  2. Faça uma análise das redes, administrativa, manutenção e de logística e crie as tabelas de IIoT para comporem a digitalização da planta produtiva;
  3. Mude o modelo através de comentários a respeito da arquitetura de automação da planta, comente sobre os impactos sugeridos em relação a produção, operação e manutenção usando IIoT.

OBJETIVO: PROJETAR UM SISTEMA DE AUTOMAÇÃO CONCEITUAL, BASEADO NOS PILARES DA INDÚSTRIA 4.0 – ANALISE O ESCOPO DO PROJETO E DEFINA UMA ARQUITETURA QUE CONTEMPLE:

  1. Monte a arquitetura de automação do descritivo e coloque a camada de digitalização de IIoT como complemento de informação;
  2. Relacione a convergência das redes a fim de digitalizar as redes de informação da planta;
  3. Conecte a cadeia de suprimentos com foco no fornecimento agrícola, crie uma camada de conectividade para este tipo de fornecimento logístico.

TEXTO PESQUISA COMPLEMENTAR:

Faça uma pesquisa ( https://www.youtube.com/watch?v=b29elc6zOIA) sobre os Protocolos de comunicação para IoT e IIoT, comente as camadas de aplicação para integrar informações de equipamentos no Cloud e comente sobre as questões de Cibersegurança para esta camada de aplicação, aponte caminhos e soluções práticas para uso aberto destas informações, tanto cabeados quanto em redes WiFi.

MÓDULO V – BIG DATA NA AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL

VÍDEOS RECOMENDADOS:

MATERIAL COMPLEMENTAR DE ESTUDOS <BAIXAR>

  1. Big Data for Dummies
  2. Desbloqueando Valor no Big Data – CIsco
  3. Rules Based System for Big Data
  4. Big Data Desafios e Oportunidades

ANALISANDO UM PROJETO

OBJETIVO: A PARTIR DA ANÁLISE DO PROJETO, IDENTIFIQUE E COMENTE OS SEGUINTES TÓPICOS:

  1. Analise a arquitetura da automação e comente a infraestrutura de comunicação, com objetivo de implantar um sistema de Big Data na Produção;
  2. Analise as redes disponíveis, administração, manutenção e incorpore na infraestrutura, de como a convergir no Big Data;
  3. Faça perguntas do processo, de modo a compreender caminhos para tomada de decisões, usando ferramentas de Mineração de Dados e/ou Learning Machine.

OBJETIVO: PROJETAR UM SISTEMA DE AUTOMAÇÃO CONCEITUAL, BASEADO NOS PILARES DA INDÚSTRIA 4.0 – ANALISE O ESCOPO DO PROJETO E DEFINA UMA ARQUITETURA QUE CONTEMPLE:

  1. Estruture o projeto de automação, de acordo com uma arquitetura para receber dados e criar uma infraestrutura para uso de Big Data;
  2. Faça uma análise de impacto na operação e manutenção, a partir do projeto de Big Data sugerido, com mudanças de padrões de operação e procedimentos de manutenção;
  3. Descreva um pequeno modelo de Machine Learning, a partir da aquisição de dados e modelagem do sistema de gerenciamento de ativos, de modo a enviar uma ordem de manutenção de uma válvula inteligente para o técnico responsável e informações para o operador.

TEXTO PESQUISA COMPLEMENTAR:

Faça uma pesquisa sobre o impacto do uso no Machine Learning nas operações industriais, como foco no desemprego tecnológico e as mudanças no perfil dos operadores e técnicos de manutenção da Indústria 4.0.

CONVERGÊNCIA DA AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL

Como Unir as Redes de TA, TI e IIoT com Infraestrutura para Indústria 4.0

Estamos em um momento onde há grandes discussões a respeito da Indústria 4.0, é natural, pois existe uma expectativa de uma grande mudança na forma de como vamos lidar com a produção no futuro, todavia ainda existem questões básicas, uma vez que a base da Indústria 4.0 é unir as informações, pessoas e máquinas em um único ambiente (cibernético) e com isso nos perguntamos:

Como unir física e logicamente todas as informações de um ambiente empresarial para pavimentar esta Quarta Revolução?

Para delimitar nosso texto, vamos escrever sobre três questões de muita relevância neste momento de transição, que é a convergência das informações:

  • O que é unir informações da TA (Tecnologia da Automação), TI (Tecnologia da Informação) e IIoT (Internet Industrial das Coisas);
  • Como montar uma infraestrutura de Convergência de TI, TA e IIoT;
  • Como gerar Valor na produção industrial com a Convergência das informações.

Estes itens darão um formato para as respostas que, hoje precisam ser respondidas e aplicadas para que haja sucesso na evolução desta transição para Indústria 4.0.

Para um bom entendimento do que vamos escrever aqui, relacionamos abaixo os principais termos usados no texto, de forma sucinta e direta, não esgotam o assunto pois o objetivo é dar uma ideia e desde já, sugerimos uma pesquisa mais aprofundada em cada item:

  • TI – Tecnologia da Informação – todo o conjunto de Hardware e Software para gestão da unidade empresarial;
  • TA – Tecnologia da Automação – todo o conjunto de Hardware e Software responsável pela medição, controle, automação e segurança da planta / máquina na unidade produtiva;
  • IIoT – (Industrial Internet of Things) – Rede de comunicação que produz e consome informações da unidade industrial através das pessoas, máquinas, equipamentos e dispositivos;
  • Cloud – Conceito de disponibilizar as informações na “Nuvem” (Internet), como principal objetivo de centralizar, proteger e distribuir informações;
  • Big Data – Banco de dados com características de (Volume, Velocidade e Variedade) onde se centraliza, grava e analisa todas as informações da unidade empresarial.

Dado o entendimento do tema e sua importância, vamos imaginar um cenário, que é muito real no dia a dia das industrias:

  • O departamento de TI faz gestão de dados off-line (planilhas) do setor de produção;
  • A operação (automação) somente foca comando e controle, mas não “enxerga” a produção;
  • As tomadas de decisões de produção são reativas (lentas) e não são alinhadas ao negócio de forma estratégica.

Cenários como os descritos acima são comuns e serão nossos direcionares para entender a importância da convergência das informações da empresa no âmbito de TI, TA e IIoT.

Como toda tecnologia o conhecimento de sua evolução nos mostra os impactos que provocam em seu ambiente de aplicação, em nosso caso, entendendo que TI e TA se convergiram ao longo do tempo, em seu início não houveram nenhuma relação entre as duas, porém hoje pensamos praticamente em um único ambiente, unindo as informações de forma transparente e inter-relacionada.

O entendimento de unir as informações, através das redes, da TI e TA é de fácil entendimento no tocante a coletar dados, porém quando pensamos nos desafios técnicos, é importante saber que estes mesmos desafios são diferentes entre estas duas áreas, com isso é importante dar a devida atenção na solução de cada uma, uma vez que o resultado final é atender os dois ambientes de forma a ser uma única rede de informações, então segue abaixo os desafios da TI e TA:

  • Prioridade da TI: Proteger Dados
  1. Confidencialidade
  2. Integridade
  3. Disponibilidade

 

  • Prioridade da TA: Proteger o Processo
  1. Integridade
  2. Disponibilidade
  3. Confidencialidade

Com o entendimento acima, podemos agora então conceituar o que é convergência:

Convergência é a tecnologia e a técnica de interligar as redes de informação de toda a cadeia produtiva industrial, com objetivo de formar dados inteligentes para tomada de decisões.

A convergência das informações, no ambiente industrial, traz benefícios para a produção e a empresa como negócio e seu conjunto empresarial, relacionamos abaixo alguns dos principais:

  • Decisões Estratégicas
  • Regras de Negócio
  • Menor Tempo de Colocação Produto no Mercado
  • Flexibilidade na Produção
  • Padronização da Operação
  • Manutenção Inteligente
  • Menor Custo de Propriedade
  • Redução de Custos
  • Economia de Energia
  • Aumento da Segurança
  • Eliminação de Erros
  • Melhoria do uso do Ativo
  • Redução do Desperdício
  • Transparência nos Negócios
  • Gerenciamento do Risco do Negócio

A infraestrutura que permite todas estas conexões se dá por 3 redes básicas, como vimos, da TI, TA e IIoT, cada uma destas redes funcionam de forma independente dentro de seu ambiente, porém é importante entender que elas serão unidas dentro do Big Data e poderão ficar disponíveis através do Cloud, tudo isso com estrutura de segurança de dados, lembrando que o resultado final é um ambiente cibernético, onde as informações, as pessoas e as máquinas (equipamentos) trocaram informações entre si, de forma segura, consistente e com objetivos definidos.

De tudo que falamos, entendemos que com todo este ambiente interligado, naturalmente tenho uma quantidade de informações que antes não era possível, sem esta interconexão, um operador se limita a apenas ligar ou desligar um motor, por exemplo, mas em um ambiente interconectado, as informações que chegam ao operador fazem com que haja interação com a manutenção, produção e custos, tudo isso em tempo real e com tomada de decisões precisas.

Com todas as informações trafegando pela rede, passamos a operar plantas com informações On-Line, isto é, exatamente no momento que está acontecendo eu tenho a informação e de diversas formas, tanto na tela do computador, com em um Tablet ou celular, tanto no ambiente local, quanto remoto, em formatos de gráficos, e-mail, SMS e tantos mais meios eletrônicos e amigáveis que existirem.

Com este novo ambiente eu customizo minha gestão, isto é, eu crio um ambiente onde podemos dirigir a produção com indicadores que impactam na eficiência produtiva, no custo e na segurança, por exemplo, com isso a energia de operação fica em indicadores focados com metas e estes estão relacionados no grande ambiente de negócios, onde tudo se impacta na alteração destes indicadores.

Quando falamos em decisões estratégicas, devemos pensar no impacto de qualquer variável no processo que cause um efeito na ponta do negócio, com a convergência é possível, por exemplo, entender que quando um equipamento oscila na produção o mesmo pode ocasionar variabilidade no processo, elevando custos energéticos e de manutenção, elevando o custo total do produto, alterando o custo especifico e impactando na ponta a satisfação do cliente.

Esta nova forma de analisar, não tem novidade, uma vez que os sistemas de gestão podem fazer isso já há algum tempo, todavia quanto trazemos as melhores práticas de gestão e colocamos as informações em tempo real de todos os processos e relacionamos todas as variáveis, analisamos com antecedência todo e qualquer variação no negócio como um todo, isso é gestão estratégica.

Como vimos, a convergência é a união, física e lógica das redes, mas como funciona toda esta troca de informações neste ambiente cibernético?

Primeiro temos que entender a tecnologia, vou falar sobre um dos modelos mais utilizados, da mesma forma não esgota o assunto, pois há muita tecnologia envolvida, mas vamos passar como é uma estrutura básica.

Quando pensamos em potencializar as informações de todas as redes, precisamos entender um conceito básico que é produzir a informação e outro que é consumir esta informação, para isso todo o conjunto de redes deve estar preparado para isso, hoje temos os WebService que é uma tecnologia de troca de informações, onde programamos blocos que vão gerar e consumir dados, através de um padrão e um objetivo específico.

Nas redes industriais hoje temos o OPC-UA, que é o padrão de comunicação industrial com Arquitetura Unificada, que permite usar linguagem para WebService, pois utiliza a o XML, que é um padrão de linguagem que permite todas as trocas de informações entre todas as redes.

Tudo isso conectado numa arquitetura física e lógica, utiliza-se um protocolo chamado de SOAP (Protocolo Simples de Acesso a Objetos), que permite esta produção e consumo de informações dentro de um ambiente definido, de conexão via Internet.

Todo este conjunto de hardware, softwares e linguagem de troca de informações, chamamos de arquitetura em SOA, Arquitetura Orientada a Serviços, onde independente dos equipamentos, utilizamos padrões de informações e troca de dados.

Para dar um exemplo de fácil entendimento, os sistemas de pagamento de cartões de crédito, onde se conecta a parte fiscal, ao banco e a administradora do cartão, com diversos tipos de hardware que produzem e consomem informações referentes a compra, ao cliente, ao fornecedor, ao fisco, ao comércio, tudo num único ambiente de internet, é o mesmo conceito tecnológico de nossa convergência.

Uma vez que agora temos um ambiente de informações, conectados de forma interna e externa, as ameaças se segurança, que antes eram de preocupação exclusive da TI, passam para este ambiente, onde inclui-se a TA e o IIoT.

Todo este ambiente deve ser protegido de acessos não autorizados, ameaças lógicas, intrusos, definições de políticas de acesso, não só no ambiente corporativo, mas também no industrial, uma vez que temos informações de máquinas e processo no mesmo ambiente de rede.

Não é objeto de nossa apresentação falar de Cibersegurança, trataremos este tema numa outra oportunidade, todavia é importante colocar este item como parte fundamental do projeto de convergência.

Para implantar o projeto de convergência, relacionamos abaixo alguns itens fundamentais que devem ser observados, também não é um roteiro fixo e nem pronto, é necessário um projeto multidisciplinar com a TI e TA, mas apontamos alguns itens a observar:

  • 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;
  • Treine as pessoas para o uso do Valor do conhecimento da planta que está no Big Data, trazendo os benefícios para o Negócio.

Como estamos em uma transição, a Cultura é uma questão importante para entender tanto o impacto no uso, como nas barreiras a sua implantação:

  • Vivemos a transição do dado físico para o virtual, a capacidade de absorção está no profissional;
  • A mudança dos índices de produtividade no Brasil passará necessariamente pelo investimento na educação profissional e inovação tecnológica;
  • A nova geração habituada as redes sociais, informação onipresente e decisões instantâneas, serão os novos operadores da Fábrica Inteligente.

As novas tecnologias e a convergência mudarão alguns formatos tecnológicos que temos em nossas plantas, descrevemos abaixo algumas tendências que entendemos que, terão grande impacto num futuro próximo:

  • Assim como a convergência das informações, há tendência da convergência dos sistemas de gestão, não haverá diferença entre ERP, MES, BI, CRM e tudo mais;
  • A gestão de Operação e Manutenção caminha para Decisões baseada em Eventos, os procedimentos e ações serão automatizados, dando cognição a cada ação tomada;
  • As infraestruturas de TA caminham para serem administradas igual a TI – SaaS – Software as a Service (Software como Serviço), IaaS – Infrastructure as a Service (Infraestrutura como Serviço); PaaS – Platform as a Service (Plataforma como Serviço).

Concluímos que, quando pensamos em convergência, temos que pensar em simplificação e potencialização, em nosso caso juntar TI e TA é aumentar o valor destes ativos de forma a obter ganhos de produtividade na indústria nunca antes vistos.