Arquivo da categoria: Indústria 4.0

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.

MANUFATURA 4.0 x PROCESSO 4.0

A Diferença da Digitalização e Indústria 4.0 entre Produção de Produtos Manufaturados e Processos Contínuos

A Indústria 4.0 nasce nos modelos de produção de manufatura, porém o conceito tecnológico está em todos os tipos de indústria.

A rigor, a Indústria 4.0 independe do modelo produtivo, uma vez que o conceito de produção industrial é a transformação de matérias primas em produtos consumíveis ou utilizáveis, todavia, existe uma diferença entre o foco na Digitalização na Manufatura e nos Processos Contínuos.

Neste contexto, vamos entender as diferenças que existem nestes dois tipos de indústria, uma vez que podemos dividir o setor industrial nestes dois grandes grupos, mas não vamos esquecer da produção em Lote, ou Batelada.

Veremos que o foco de projetos e resultados da Digitalização e Indústria 4.0 nestes segmentos, são diferentes, lembrando que um não exclui o outro, mas tem pesos e impactos diferenciados que devem ser observados.

Quanto ao impacto nas Pessoas e Processos, vamos descrever também suas diferenças, pontos importantes a observar na implantação e projetos.

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.

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.

O que é a Indústria da Transformação ou Manufatura:

  • Transforma e agrega materiais;
  • Fabrica componentes ou conjuntos;
  • Constrói um produto final ou subproduto;
  • É baseado em produção puxada;
  • É sensível ao fornecimento externo;
  • Produz lotes para um nicho de cliente;
  • Produção baseada em tempos e movimentos;
  • Produtos especiais são caros ou inviáveis.

O que é a Industria de Processos Contínuos:

  • Transforma produtos primários;
  • Fabrica produtos processados;
  • Fornece produtos final ou subproduto;
  • É baseado em produção por safra ou lote;
  • É sensível ao fornecimento de matéria prima;
  • Produz grandes lotes (commodities);
  • Produção baseada em transformação fisioquímica/biológica;
  • Somente escala de produção viabiliza custo.

Entendendo os contextos acima apresentados, vamos entender alguns principais desafios destes tipos de indústria:

MANUFATURA

  • Produzir em baixa escala com custo competitivo produtos especiais;
  • Produzir produtos especiais em grande escala sob medida;
  • Eliminar o Lead Time da Cadeia de Fornecimento (do P&D a Logística).

PROCESSOS CONTÍNUOS

  • Variabilidade de carga influencia no custo de produção;
  • Identificar Lacunas de oportunidade de elevação de produção;
  • Antecipação de eventos de Operação e Manutenção.

SOLUÇÕES E FOCO DE PROJETO

MANUFATURA

Como produzir em baixa escala com custo competitivo produtos especiais?

  • Projetar e implantar a Fábrica Flexível, que permita a Massificação da Personalização.

Como produzir produtos especiais em grande escala sob medida?

  • Projetar e implantar a Fábrica Descentralizada, que permita a Customização em Massa.

Como eliminar o Lead Time da Cadeia de Fornecimento (do P&D a Logística)?

  • Projetar e implantar a Fábrica Interoperável, que permita a Interoperabilidade da Cadeia de Valor.

>> Vejam as arquiteturas na apresentação e quanto aos conceitos verificarem Artigos Técnicos anteriores que já foram escritos.

PROCESSOS CONTÍNUOS

Como diminuir a variabilidade de carga influencia no custo de produção?

  • Implantar Controle Avançados APC com I.A. Inteligência Artificial para eliminar a variabilidade.

Como identificar Lacunas de oportunidade de elevação de produção?

  • Implantar Otimização em Tempo Real RTO com I.A. Inteligência Artificial para elevação de ponto ótimo de operação.

Antecipação de eventos de Operação e Manutenção?

  • Implantação de Gestão de Ativos com I.A. Inteligência Artificial para focar Manutenção com Prognóstico.

>> Vejam as arquiteturas na apresentação e quanto aos conceitos verificarem Artigos Técnicos anteriores que já foram escritos.

Como são os Processos de Batelada ou em Lote:

  • Preparação de carga de matéria prima ou produto final;
  • Processo que depende de TEMPO de REAÇÃO (física, química ou biológica);
  • A operação e qualidade se torna crítica se houver dependência de expertise operacional;
  • Repetibilidade é o que produz estabilidade na produção;
  • Em processos alimentícios o CIP Limpeza, faz parte do tempo de produção;
  • Capacidade de troca de receitas, diminui Lead Time na produção.

Na Digitalização de Processos de Batelada ou em Lote, é importante observar os principais pontos desafiadores neste tipo de fabricação:

  • Digitalizar o processo de modo a diminuir a Expertise de operação, isto é, o conhecimento do processo está na nuvem (Cloud);
  • A partir da digitalização, é possível analisar padrões produtivos, de forma a otimizar a produção pelo comportamento a cada lote processado;
  • A I.A. Inteligência Artificial apoiar a tomada de decisões na Receitas produtivas, servido de apoia a tomada de decisões junto aos gestores.

Em relação as Pessoas e Processo, podemos analisar seus principais impactos, fazendo uma relação antes (Como é), e depois (Como será):

Como normalmente é na Indústria:

  • Planejamento não acompanha produção – produção é puxada não conecta na cadeia de valor;
  • Operação toma ações locais e gestores tem expertise para tomada de decisões de produção para meta;
  • Manutenção analisa comportamento de ativos, usa preventiva e para processos para correções.

Como será esperado após a digitalização:

  • Planejamento e produção conectados em tempo real sob demanda – conectados na cadeia;
  • Operação supervisiona, máquina opera, gestor toma decisões baseado em Big Data e puxa otimização;
  • Manutenção trabalha com gestão de ativos baseado em condições, foco em prognóstico futuro – condições.

Para apoiar nos projetos propostos, nas dimensões Manufatura, Processos Contínuos e Batelada, sugerimos uma pesquisa nas Normas da ISA Sociedade Internacional de Automação, nos seguintes títulos:

ISA-106 – Processos Contínuos – Procedure Automation for Continuous Process Operations

ISA-88 – Controle de Batelada – Batch Control

ISA-95 – Integração de Fábrica – Enterprise-Control System Integration

Para complementar o foco de projetos nos dois tipos de produção industrial, podemos apontar algumas tendências tecnológicas, também nestas divisões:

Manufatura:

  • PROCESSOS: Fábricas mais perto dos consumidores;
  • TECNOLOGIA: Movimento entre máquinas com AGV;
  • PESSOAS: Muita personalização e customização de produtos.

Processos Contínuos:

  • PROCESSOS: Uso de Nanotecnologia para sensores;
  • TECNOLOGIA: Uso de DRONES para manutenção;
  • PESSOAS: Tomada de decisões baseado em I.A.

Concluímos que diversos são os impactos nas indústrias com a Digitalização, cada modelo produtivo tem um enfoque, tanto em tecnologia, processos ou pessoas. O importante é melhorar a qualidade e produtividade, de forma a extrair o que há de melhor neste momento da Indústria 4.0.

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.

TECNOLOGIAS HABILITADORAS

As Tecnologias da Digitalização que Permitem a Construção e Uso da Indústria 4.0

A implantação de diversas tecnologias digitais existentes, formando um ecossistema Ciberfísico, permite a construção da fábrica digital, são muitas as tecnologias, neste texto apresentamos as principais e fazemos uma divisão (uma proposta), de aplicação, entendo a automação como pré-requisito da transformação digital, a otimização de fábrica e a aplicação das tecnologias habilitadoras, passando pelas ferramentas básicas de digitalização, vamos entender um pouco sobre cada uma delas.

Com isso, delimitamos nosso tema, de forma a responder algumas das principais inquietudes dos projetistas e analistas de transformação digital na indústria, em relação a aplicação destas tecnologias:

  • Não se compra um sistema pronto de digitalização ou uma solução definitiva de Indústria 4.0;
  • Para chegar a uma fábrica inteligente é necessário seguir requisitos básicos de automação, otimização e convergência;
  • Entender, especificar e aplicar as tecnologias habilitadoras, aceleram o processo da construção da Indústria 4.0.

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.

INICIANDO NOSSA JORNADA

O PRIMEIRO PASSO – PRÉ REQUISITOS PARA DIGITALIZAÇÃO

AUTOMAÇÃO E CONTROLE

  • Automação de tempo e movimentos
  • Instrumentação controle de processos
  • Controle de energia e utilidades
  • PLC, DCS, PC, Robôs, Scada, Redes Industriais
  • Comissionamento, Set Up e Operação
  • Manutenção

OTIMIZAÇÃO DO PROCESSO

  • Eficiência Energética
  • Lean Manufactory
  • Gerenciamento de Ativos
  • O&M Baseado em Eventos (Alarmes)
  • Controle Avançado APC
  • Otimização em Tempo Real RTO

CONVERGÊNCIA DE DADOS

  • Unir redes físicas
  • Unir diversos protocolos
  • Estruturas verticais
  • Estruturas horizontais
  • Colaboração
  • Toda cadeia de Valor

DIGITALIZAÇÃO BÁSICA – PRINCIPAIS TECNOLOGIAS

IoT – Internet of Things – Internet das Coisas

  • O QUE É: Conceito de interconectar via rede (Internet), equipamentos e dispositivos.
  • PARA QUE SERVE: Coletar dados e informações para análise e tomada de decisões, de forma remota.
  • COMO FUNCIONA: Um sistema eletrônico conectado no equipamento, coleta e envia o dado para um repositório, normalmente na nuvem (cloud), utilizando a Internet.
  • IMPACTO: Permitir tomada de decisões baseado em coleta de dados remotamente, com diversos usuários interligados.
  • EXEMPLO: Equipamentos enviando dados para análise de manutenção de seu fabricante, monitorando em tempo real, sem necessidade do cliente se preocupar.

Cibersecurity – Segurança de dados

  • O QUE É: Técnica de proteger sistemas, dados e informações de ataques de hackers.
  • PARA QUE SERVE: Controle de permissões, autenticações e validações de ações de leitura, processamento e escrita.
  • COMO FUNCIONA: Além de procedimentos de segurança, equipamentos analisam comportamento de tráfego e controlam autorizações na rede de comunicação.
  • IMPACTO: Sistemas de Cibersegurança permitem interconectar a cadeia de valor com segurança para os usuários.
  • EXEMPLO: Análise de dados e usuários de um controle operacional de uma refinaria, conectada ao sistema logístico externo e aos clientes, sendo monitorada.

Computação em Nuvem – Cloud Computing

  • O QUE É: Conceito de processar e armazenar dados em computadores virtuais, utilizando a internet como meio.
  • PARA QUE SERVE: Pode ser usado computadores como serviço, infraestrutura como serviço, software como serviço.
  • COMO FUNCIONA: Plataformas especializadas que permitem criar ambientes de processamento (ex. Azure Microsoft), conexão em IoT, análise de dados Data Science, virtualmente.
  • IMPACTO: Não existe mais a aquisição de hardware, software ou infraestrutura, tudo funciona com um serviço, pago pelo uso.
  • EXEMPLO: Criação de um computador virtual, instalado um software Scada que coleta dados via internet, processa e entrega KPI (indicadores) de forma remota, sem infraestrutura local.

Big Data

  • O QUE É: Ferramenta de processamento de banco de dados diversos, estruturados ou não, para análise, permitindo abstração.
  • PARA QUE SERVE: Unir diversos banco de dados, dentro de uma cadeia de valor de negócios, analisando em tempo real o comportamento.
  • COMO FUNCIONA: Diversos banco de dados espalhados, do cliente, planta produtiva, logística e consumo, geram dados, estruturado ou não e são analisados para tomada de decisões.
  • IMPACTO: Tomada de decisões mais assertivas para gestores e permite automação de processos (aprendizado de máquina) por identificação de comportamento.
  • EXEMPLO: Tomada de decisões de um gestor qual melhor produto produzir nas próximas 48h em função de demanda e alteração de rota logística em função de alteração climática, de forma automática.

TECNOLOGIAS HABILITADORAS – Acelerando o Processo da Digitalização

IIoT – Industrial Internet of Things – Internet Industrial das Coisas

  • O QUE É: Conceito de conectar via Cloud Computing, um conjunto de dados estruturados dentro da cadeia de valor.
  • PARA QUE SERVE: A partir de diversas estruturas espalhadas e todas conectadas, é possível tomar decisões em tempo real, independente da localização.
  • COMO FUNCIONA: Setores como logísticas, ou equipamentos terceiros ou que vendem serviços (ex. ar comprimido) são todos conectados na cadeia de valor da indústria, gerando dados para tomada de decisões.
  • IMPACTO: Todos estão conectados em tempo real, vendo o processo produtivo e interferindo no mesmo instante, diminuindo os Lead Times.
  • EXEMPLO: Um fornecedor de ar comprimido que coloca um compressor na fábrica e monitora seu consumo e manutenção para o cliente. Um fornecedor logístico que se conecta ao planejamento virtualizado e produtivo da fábrica, se adaptando mutualmente.

Wireless – Tecnologias 5G – LTE, LoRa, Lpwan, NBIoT (outras)

  • O QUE É: Tecnologias de comunicação de dados para criação de sistemas via Cloud Computing de alta performance.
  • PARA QUE SERVE: Conexão em tempo real desde pequenos dispositivos até interconexão de sistemas via satélite.
  • COMO FUNCIONA: As tecnologias novas permitem alta velocidade, facilidade de infraestrutura de dados, baixa latência, baixo consumo de energia.
  • IMPACTO: Criação rápida de ambientes de IoT e IIoT, conectados em nuvem para análise de dados e tomada de decisões.
  • EXEMPLO: Sistemas de medição de energia elétrica, água e luz (medidores) serão conectados em tempo real nas companhias. Agroindústria será conectada em tempo real em sistemas de manejo, cultivo e produção, da fazenda ao consumidor.

ML – Machine Learning – Aprendizado de Máquina – Uso linguagem Python, R e outras

  • O QUE É: Sistema que permite reconhecer padrões de dados, aprendendo, podendo tomar decisões autônomas.
  • PARA QUE SERVE: Uma vez tendo repetição e dados conhecidos, é possível automatizar uma tarefa de processamento via máquina.
  • COMO FUNCIONA: A partir da coleta de dados, sua análise e comportamento, os sistemas aprendem com os padrões, podendo repetir a ação conhecida e adquirir mais conhecimento acumulado.
  • IMPACTO: Tomada de decisões autônomas de processos repetitivos e conhecidos.
  • EXEMPLO: Veículos autônomos. Tomada de decisões em produção em função de novas demandas, sistemas de segurança e manutenção industrial. Operações de processos repetitivos.

Mineração de Dados – Data Mining – Uso linguagem Python, R e outras

  • O QUE É: Sistema que permite a partir de diversas fontes de dados e comportamento, identificar padrões para tomada de decisões.
  • PARA QUE SERVE: Com diversas fontes em tempo real e comportamento histórico, é possível fazer predições e reconhecimentos.
  • COMO FUNCIONA: Coletando dados a partir de um Big Data e criando modelos de comportamento, podemos identificar padrões usuais, tanto de pessoas, máquinas ou qualquer comportamento e minerar o dados para abstrair estatística de um resultado.
  • IMPACTO: Tomada de decisões mais assertivas, baseado em uma grande variedade de dados e comportamentos, de resultados positivos ou negativos.
  • EXEMPLO: Reconhecimento de pessoas, análise de probabilidade de calote bancário, análise de probabilidade de quebra de equipamentos ou atingimento de metas produtivas.

Realidade Virtual – Virtual Reality

  • O QUE É: Sistema que permite ver um ambiente de qualquer natureza a partir de dados programados e/ou coletados.
  • PARA QUE SERVE: A virtualização permite simular ambientes para análise de comportamento o mais próximo de uma realidade prevista.
  • COMO FUNCIONA: A partir de programação de cenários, modelos e coleta de comportamento existentes, o sistema simula comportamentos resultantes, permitindo uma emulação digital.
  • IMPACTO: Desenvolvimento de produtos, processos e rotas e modelos de planejamento produtivo a partir de comportamento simulado, podendo enviar diretamente ao sistema a escolha ou fazer correções.
  • EXEMPLO: Produção de roupas ou acessórios a partir de criação de modelos virtuais e simular produção. Criação e peças ou equipamentos dentro do ambiente virtual e simular funcionamento.

Realidade Aumentada – Augmented Reality

  • O QUE É: Sistema que permite unir o ambiente físico a um ambiente digital, interagindo com troca de dados.
  • PARA QUE SERVE: Aumentar a capacidade de informação do ambiente físico, podendo simular, operação e fazer manutenção a partir do mundo digital.
  • COMO FUNCIONA: O sistema reconhece o ambiente físico a partir de um sensor, código de barras ou geolocalização e projeta em um dispositivo dados as informações do equipamento, podendo interagir, tanto em operação quanto em manutenção ou simulação.
  • IMPACTO: Operações descentralizadas sem dispositivos de manobra, mais seguras e a prova de erros, manutenção colaborativa, a distância e sem papel.
  • EXEMPLO: Operação de uma turbina com todos os dados operacional no óculos do operador, vendo todo o processo. Manutenção de uma máquina com uso de manual digital e suporte remoto por outros técnicos.

Impressão 3D – Additive Production – Produção Aditiva

  • O QUE É: Processo de produção de peças a partir de deposição de materiais compostos.
  • PARA QUE SERVE: Produzir peças customizadas, sob medida, com rapidez e baixo custo.
  • COMO FUNCIONA: Uma impressora a partir de um projeto digital, deposita material composto a partir de filetação, construindo a estrutura, tanto interna com externa, entregando a peça para uso.
  • IMPACTO: Construção de peças únicas, antes inviáveis, construção de conjuntos a partir de único projeto, personalização e customização de peças e produtos.
  • EXEMPLO: Construir um brinquedo em casa sob medida. Construir uma prótese sob medida, construir conjunto de peça de uma turbina seriada sem necessidade de montagem.

Gêmeos Digitais – Digital Twins

  • O QUE É: Sistema que permite a prototipação digital de modelos, associando o mundo físico e o digital.
  • PARA QUE SERVE: Simular cenários de funcionamento, comportamento, operação e produção e equipamentos em diversas escalas de produção.
  • COMO FUNCIONA: Tendo um modelo existente (funcional), físico e seu projeto, conhecendo o comportamento deste (IoT), pode-se projetar e simular a partir do Gêmeo Digital, diversos tamanhos e comportamentos operacionais, podendo levar a produção de um equipamento customizado sem necessitar construí-lo antecipadamente.
  • IMPACTO: Redução no tempo e custo de desenvolvimento de projetos de peças, máquinas e equipamentos, customizados e já funcionais, com aplicações especiais, personalizadas.
  • EXEMPLO: Construção de um sistema de bombeamento de elevatória, customizado para uma região acidentada. Construção de uma motobomba para drenagem em um barco especial.

DRONE – Veículo aéreo não tripulado (VANT)

  • O QUE É: Aeronave não tripulada, controlada a distância.
  • PARA QUE SERVE: Sobrevoar ambientes para executar serviços diversos.
  • COMO FUNCIONA: Um equipamento aeronáutico, de diversos modelos, com hélices, alimentado eletricamente (carregado), guiado e controlado por radiofrequência, podendo se comunicar via Cloud.
  • IMPACTO: Utilizar em locais de difícil acesso, insalubres ou de risco. Permitir inspeções de manutenção, conferência logística e até executar entregas.
  • EXEMPLO: Gerenciar ativos industriais em plantas de refinaria ou offshore, fazendo inspeções técnicas. Análise de padrões para dedetização de lavouras.

AGV – Automated Guided Vehicle – Veículo Guiado Automaticamente

  • O QUE É: Equipamentos para transporte, guiados automaticamente com mecanismos de autocontrole.
  • PARA QUE SERVE: Transporte em geral, equipamentos, peças, produtos e até pessoas, normalmente usado em ambiente industrial.
  • COMO FUNCIONA: O equipamento possui sistema com sensores para autocontrole do próprio veículo, o mesmo responde a um programa de posicionamento de rota, conectado a um sistema de Cloud alimentado por uma camada de IoT.
  • IMPACTO: Movimentação de peças e cargas, arranjos logísticos de alta velocidade e precisão, eliminação de operações manuais de manuseio de materiais.
  • EXEMPLO: Arranjo logístico de transportadora de CD Centro de Distribuição, movimentação de peças para montagem de motores, testes e validação.

Blockchain – Protocolo de Confiança

  • O QUE É: Tecnologia de registro de dados distribuídos e descentralizados, que registra transações, à prova de violação
  • PARA QUE SERVE: Rastreabilidade de ações do objeto, guardando seu histórico transacional em forma de blocos.
  • COMO FUNCIONA: Cada transação do objeto é registrada formando conjunto de dados, os registros são efetuados em um portal (serviço), conjuntos de transações forma blocos, novos blocos são criados ao fim de um bloco. Estes conjuntos formam o histórico do objeto, podendo ser usado com documento, moeda, dado de controle.
  • IMPACTO: Registro de materiais, movimento de cargas e valores distribuídos, permissões e autenticações, rastreabilidade de receitas e composição de outros materiais a partir de outros Blockchains.
  • EXEMPLO: Criptomoedas, rastreabilidade de produtos agrícolas e composições de seu manejo até chegada ao consumidor. Sistema de segurança de dados em redes de informações e autenticações de operação de infraestrutura crítica.

Geolocalização – Geolocation

  • O QUE É: Sistema que permite a identificação ou estimativa, da localização geográfica de objetos, usando redes e geolocalizadores.
  • PARA QUE SERVE: Localização e rastreio de objetos, fixos ou em movimento, permitindo ações de gestão ou controle do movimento.
  • COMO FUNCIONA: O objetivo, portador de um geolocalizador, conectado em rede, identifica-se geograficamente por equipamentos, celulares, GPS, roteadores, radares e informa sua posição geográfica (numérica).
  • IMPACTO: Controle de movimento de objetivos e rastreio, sistemas de controle logístico e otimização de Just in Time na produção, diminuindo o Lead Time produtivo.
  • EXEMPLO: Rastreio de máquinas agrícolas, manejo, colheita e transporte de safra. Gestão de frotas de transporte e logística dentro da cadeia de Valor.

COBÔ – Collaborative Robot – Robô Colaborativo

  • O QUE É: Dispositivo manipulador de eixos que repete operações, trabalhando ao lado de um operador de montagem.
  • PARA QUE SERVE: Ajudar na montagem de peças e equipamentos que exigem apoio adicional, ação repetitiva ou operação intermediária.
  • COMO FUNCIONA: O operador executa a ação (ou programação) com o Cobô, este aprende o movimento e a operação, executa a ação com o operador, como é colaborativo, seus movimentos possuem sistema de segurança, onde o operador tem prioridade, parando o Cobô a qualquer momento.
  • IMPACTO: Diminuição no tempo de montagem de peças e equipamentos, diminuição de operações manuais, aumento da segurança e elevação da qualidade em função da repetibilidade operacional.
  • EXEMPLO: Cobô que coloca parafuso em uma unidade de montagem de motores, Cobô que segura a peça para efetuar costura em um artefato de couro.

Ainda falando sobre a tecnologia e sua evolução, que é constante, apresentamos algumas tendências, que vão adicionar potencial a estas tecnologias habilitadoras, acelerando ainda mais a transformação digital na indústria:

  • Revolução dos materiais – tecidos, alimentos, metais, defensivos, plásticos inteligentes, criando uma Nova Indústria (da produção a reciclagem de Nanomateriais)
  • Sensoriamento com Nanosensores em bioprocessos, biosensores dentro de processos comunicando com camada de IoT
  • Sociedade 5.0 – Indústria 5.0 – Convergência Pessoas e Tecnologia e Novo Mundo de Materiais na Produção Industrial

Concluímos que entender as tecnologias e retirar o melhor delas, elevando o Valor da Indústria, as tecnologias da Digitalização são a ponte para a Indústria 4.0, todavia as Pessoas são o foco do uso, para que os Processos evoluam.

TRANSFORMAÇÃO DIGITAL

A Evolução da Automação Industrial no Contexto da Digitalização e Indústria 4.0

Após percorrer diversos trabalhos em indústrias, que tem o objetivo de trilhar o caminho da Digitalização, e receber diversos comentários sobre nossos artigos, solicitando para demonstrarmos como estruturar um projeto de Automação 4.0, apresentamos este trabalho, para você leitor técnico e estudante, não temos a intenção de esgotar o assunto e nem mesmo, postular um modelo, mas sim, demonstrar de forma prática e direta, considerações, que hoje devem ser levadas em conta, nos projetos de automação industrial, que vão permear a Indústria 4.0.

A Digitalização é a evolução do formato da linguagem humana, a forma de transferir conhecimento, bem como administrá-lo e deter o poder, remonta na época dos oradores, onde a palavra, bem-dita, demonstrava profundo conhecimento e respeito na sociedade, assim era a educação, a ciência, a política de uma época dos homens da oratória.

Com a evolução da escrita, com a prensa que pode disseminar a palavra impressa, temos um novo modelo de comunicação, textos, documentos, assinaturas, tudo isso, permeia nossa sociedade atualmente, ainda que em fase de transição para a digitalização, mas nosso modelo é baseado no documento, no livro, no impresso, na escrita.

O processamento de dados computacionais criou um novo formato de informação, os documentos, escritas, palavras e toda forma de comunicação, passaram a ser digitais, criando uma nova sociedade, pelo menos estamos nesta fase de transformação, já é possível assinar documentos de forma digital, dispensado a escrita manual ou assinaturas, governos administram documentos tudo de forma digital e assim caminha nossa sociedade.

Com a Digitalização, a comunicação em rede mundial e dispositivos capazes de gerar e analisar dados em tempo real, além de serem portáteis, temos o nascimento do que estamos chamando de Sociedade 4.0, onde todas as áreas da organização humana, são administradas através de dados digitais, governos, saúde, educação, segurança, mobilidade e a indústria, passam a relacionar nesta sociedade, utilizando-se de novas tecnologias, que podemos chamar de 4.0, somente como um alusão a 4.a Revolução Industrial, tendo assim a nossa Indústria 4.0, para ficar em nosso setor produtivo.

Para levar a indústria ao patamar digital, é necessário percorrer um caminho de transição, mas principalmente, projetar sistemas de automação para responder as necessidades da nova indústria digital.

O que conhecemos como Pirâmide da Automação, nossa Automação 3.0, é uma estrutura de camadas, onde sua intercomunicação é feita por diversas interfaces, mas tendo um modelo vertical, se limita a planta e seus departamentos, com pouca flexibilidade e alta latência para tomada de decisões.

A nova indústria digital, deve ser projetada com a Automação 4.0, baseado agora, nos Pilares da Automação, principalmente pelo fato que temos a interconexão de todas as informações, não só verticais, mas também horizontais e de toda a cadeia de valor do negócio, interagindo em tempo real.

Como dissemos, estamos em fase de transição, para evoluir de Pirâmide de Automação para Pilar da Automação, as principais mudanças serão:

  • No campo: aumento sobremaneira de dispositivo de sinais com a camada de IoT Internet das Coisas;
  • No controle: os controles serão distribuídos nos campos em dispositivos inteligentes e será supervisionado em uma camada de Cloud (nuvem);
  • Nos sistemas de gestão e controle (IHM, MES, Scada, ERP, BI, PCP): tendem a ser integrados, trabalhando em convergência um único ambiente de Cloud, ferramentas interconectadas;

Para projetar a Indústria 4.0, a partir de uma arquitetura de Automação 4.0, são necessárias algumas tecnologias, e principalmente, um novo formato de conectar dados, pessoas e processos.

Segue abaixo uma lista, não abrange todas as tecnologias, mas permeia os principais pontos hoje que devem ser observados para projetos de Automação 4.0:

  • Unidades de Controle Distribuído (campo) – módulos de I/O inteligentes (entrada e saída) e controle de baixa densidade de pontos, mas de alto poder de processamento e comunicação, distribuídos e interconectados;
  • Segurança (dados e informação) Campo (IoT) – como os módulos de I/O e controladores distribuídos e conectados em rede, normalmente em padrões baseado em Ethernet, o risco de invasão para acesso de dados é permanente, surgindo a necessidade de projetos de Cibersegurança;
  • Camada EDGE – camada de campo de Cloud, para tomada de decisões autônomas na célula de produção ou setor produtivo, a análise de dados se dá neste sistema, disponibilizando para o externo, somente o que é necessário para supervisão;
  • Conectividade (pilar de comunicação) – a conectividade e a Interface única de dados, deve permitir a interconexão de toda automação de forma vertical e horizontal, não há mais camadas, mas sim um inter-relacionamento de informações, um modelo baseado em RAMI 4.0, é um referencial para isto;
  • Unidades de Controle Distribuído (cloud) – as unidades de controle distribuído, também se comunicarão com um Cloud, local, porém com função de supervisão, baseado em dados de planejamento, recursos, qualidade, entre outros, formando um ecossistema único;
  • Cloud Local – a nova indústria digital, terá seus dados e controle centralizados em seu Cloud próprio, com suas ferramentas e necessidades próprias, podemos dizer que é CPD Centro de Processamento de Dados, para controlar o processo produtivo, somente externando o que é necessário;
  • PLC/DCS (virtual) – na mesma linha de ter o Cloud local, ferramentas de controle e comando, estarão centralizadas, camada de controle distribuído e local formarão um ambiente único digital de prioridades, tanto para controle avançado, quanto para gestão e supervisão de tomada de decisões produtivas;
  • Camada FOG – no mesmo objetivo da camada EDGE, porém agora tratando dados de todo planejamento e interfaces, para tomada de decisões inteligentes, unindo os dados;
  • Backbone de Dados (IIoT) – conectar a cadeia de valor da indústria, da unidade de negócio, é pré-requisitos para atender o conceito da Indústria 4.0, uma rede que tenha capacidade de conectar fornecedores, setores externos, clientes, e a própria indústria é necessário para interconexão, todos os elementos externos são a IIoT Internet Industrial das Coisas;
  • Cloud (Externo) – o uso de Cloud Computing externo, para aplicação de ferramentas, tais como, I.A. Inteligência Artificial, para tomada de decisões e uso de Big Data, unido todo o ecossistema do negócio industrial, entregando dinâmica de cenários para tomada de decisões, acelerando o tempo e diminuindo o erro.

O funcionamento básico desta estrutura digital de automação, tem como premissa a troca de dados em tempo real entre todos os componentes da rede e utilizar sistema para tomada de decisões, os principais pontos de funcionamento, podemos descrever:

  • No campo, o controle e o sinal são distribuídos, processamento local e análise de dados local;
  • Na conectividade, todos dispositivos devem permitir uma camada horizontal de dados, formando uma conexão interoperável;
  • O sistema possui um Cloud Local, com serviços de controle, supervisão e tomada de decisões no local e centralizado;
  • Um Backbone conecta toda a cadeia de valor da Indústria;
  • O Cloud externo, utiliza-se de serviços de I.A. Inteligência Artificial, interagindo na cadeia produtiva.

Quais os benefícios esperados, utilizando uma arquitetura de Automação 4.0, sendo um modelo para a realidade da Indústria 4.0, descrevemos os principais:

  • Flexibilizar a produção, através de controle distribuído e controle centralizado na camada de Cloud;
  • Simplificação na camada de comunicação, com uso de protocolos e interfaces abertas (OPC-UA e MQTT);
  • Tomada de decisões (Mineração de Dados e Aprendizado de Máquina) localmente (EDGE e FOG);
  • Utilizar o Cloud Externo somente sob Demanda;
  • Aplicar I.A. na Operação e Manutenção, com foco em Operador Supervisor e Manutenção por Prognósticos.

As tecnologias e o modelo de projeto destas arquiteturas são muito novas em termos de conhecimento, isso remete a desafios, podemos descrever alguns abaixo:

  • Projetar sistemas de automação com controle distribuído;
  • Projetar uma rede com protocolos e interfaces de dados horizontal;
  • Criar um sistema de virtualização local, permitindo processamento intermediário de Cloud (EDGE e FOG);
  • Interconectar a cadeia de valor através de um Backbone (IIoT Internet Industrial das Coisas);
  • Utilizar serviços externos de Cloud (na medida necessária) e aplicar I.A.

Como uma sugestão de principais pontos, podemos descrever o que deve ser observado em uma implantação de um projeto de digitalização, com foco na automação:

  • Projete seu processo produtivo em blocos de produção (quantidades) e linha de produtos (variedade);
  • Distribua os sinais e o controle pelas linhas ou unidade produtiva;
  • Utilize tecnologias de comunicação que necessitem o mínimo de interfaces ou gateways (OPC-UA e MQTT);
  • Crie camada de Cloud local (EDGE e FOG) e use análise de dados local (R e Python);
  • Crie comando e controles locais para atender produção flexível e centralizados, para supervisão da produção;
  • Conecte a cadeia de valor ao Cloud local para análise de dados (Use o RAMI 4.0)
  • Use o Cloud externo para utilização de ferramentas avançadas de dados (I.A. e Big Data).

Os sistemas, componentes e fornecedores, estão em constante evolução, hoje podemos apontar algumas tendências de curto prazo, para novas tecnologias, que já se apontam com realidade, para atender este escopo de necessidades:

  • Equipamentos de controle e I/O de pequeno porte e conectividade (OPC-UA, MQTT, TSN);
  • Micro PC Industrial distribuído, formando Cloud local em camadas de FOG e EDGE;
  • Fornecedores da cadeia de valor já terem dados estruturados para conexão padronizada (Cloud) em um Backbone de IIoT;
  • Serviços de Cloud externo de fabricantes, com soluções prontas para Indústria (SIEMENS, Rockwell, Yokogawa, Emerson, GE …).

Concluímos que os sistemas de automação industrial são a estrutura de comando e controle do setor produtivo, projetar sistemas para a indústria digital, atendendo a Indústria 4.0, é um caminho de novos desenvolvimentos, conceitos e modelos, exigindo novos pensamentos e quebra de paradigmas.

REDES TSN NA AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL

Redes Ethernet de Tempo Real – A TSN – Time-Sensitive Networking 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.

Para entender as redes TSN, vamos falar de:

  • Evolução das Redes Ethernet;
  • As limitações das Redes Ethernet;
  • Ethernet em Tempo Real e com Priorização;
  • Padronizando a comunicação em Ethernet;
  • As demandas na Indústria 4.0.

Para entender os principais pontos da evolução das redes Ethernet, em seu conceito principal, ela trabalha com modelo de colisão de dados (CSMA-CD), não sendo determinística, em seu primórdio, era uma rede lenta, mas atendia a sua realidade e foi a aposta certa na tecnologia.

Baseado no mesmo modelo apresentado, as redes Ethernet se tornaram muito rápidas, 100M, 1G, 10G e são controladas por Switches configuráveis, controlando todo o tráfego de rede, apesar de ainda trabalhar no conceito (CSMA-CA), a questão determinística foi superada pela velocidade e controle da rede.

Mas novas questões, tais como, IoT (Internet das Coisas), que remetem a milhares de dispositivos conectados a um único Backbone de dados, priorização de mensagens críticas, unificação da interface de troca da informação, foram necessidades que levaram ao advento das redes TSN.

Em linhas gerais, os desafios e indagações que permearam esta tecnologia, foram:

  • Como fazer convergência de dados no nível de TO + TI + IoT com alta largura de banda, alta velocidade?
  • Como ter a certeza dos tempos de sincronização e priorização de mensagens dentro da Rede Ethernet (determinismo)?
  • Como manter a base padrão Ethernet e incorporar protocolos de alto desempenho industrial e de IoT?

Surgem as Redes TSN – Time-Sensitive Networking ou Redes Sensíveis ao Tempo, que:

  • São um conjunto de padrões do IEEE 802 elaborados para aprimorar a Rede Ethernet;
  • Seu objetivo é ter o controle da Latência da Rede permitindo uma Rede Determinística e Unificada;
  • O padrão permite a incorporação de Protocolos (OPC-UA, IEC61850, Profinet…) e é compatível com o padrão existente.

As principais características das Redes TSN:

  • Permite convergência de Dados (TO+TI+IIoT) em único padrão;
  • Rede muito rápida (microssegundos);
  • Possui alta largura de banca de dados (backbone);
  • Permite uso do padrão existente (legado);
  • Controla o tempo de latência de dados na rede (sincronização);
  • Controle de prioridades de dados e seu comportamento;
  • Incorpora protocolos existentes industriais e de IoT;
  • Permite ser um padrão único do sensor no campo ao Cloud;
  • Permitir virtualização de redes.

Principais benefícios no uso das Redes TSN:

  • Alta velocidade;
  • Baixa latência;
  • Tempo real;
  • Determinística (aplicação crítica);
  • Flexibilidade;
  • Alta disponibilidade;
  • Dado horizontal e vertical (único);
  • Segura.

As arquiteturas das Redes TSN, seguem o mesmo modelo das Redes Ethernet convencionais, lembrando que os equipamentos devem suportar esta tecnologia e a rede deve ser configurada para as funções específicas do novo padrão, principalmente os tempos, além de comunicações em Cloud.

Quanto ao princípio de funcionamento da rede, podemos destacar as suas operações:

  1. Sincronização de tempo (tempo real) – toda a rede tem o mesmo tempo (configurável);
  2. Agendamento e modelo de tráfego (regras – únicas e priorização);
  3. Seleção de caminhos de comunicação (configuração e alternativas);
  4. Reserva de trajeto (“vê” outro caminho);
  5. Tolerância a falhas (faz mais de um caminho).

Um dos pontos de destaques e principal recurso, que transforma a rede em determinística, é a função Time-Aware Scheduler, onde os pacotes de dados trafegam normalmente pelo sistema e quando há uma prioridade de dados (crítico), os pacotes comuns param e o pacote prioritário passa pelo sistema, isso permite comunicação crítica e baseado no tempo.

As redes TSN suportam diversos protocolos e cada vez mais estarão incorporados outros, gostaria de destacar o uso do Profinet, do próprio OPC-UA, do Ethernet/IP e o IEC 61850.

As redes TSN são preparadas para segurança de dados, são baseadas em Ethernet convencional, com as premissas conhecidas:

  • Utiliza o modelo de camadas;
  • No nível de dispositivo usa-se OPC-UA, permitindo:
    • Autenticação
    • Criptografia
    • Bloqueio (proteção)
  • Gerenciamento de fluxo de dados;
  • O determinismo não altera os modelos de segurança.

Nas aplicações das redes TSN o mais importante hoje é fazer um projeto com dispositivos que suportem o modelo, é uma tendência de grande crescimento em equipamentos que já se comunicam com o padrão Ethernet, podemos dizer que é quase um caminho natural, com isso sistemas de gerenciamento, roteamento e chaveamento da rede (Switch e Router), também suportarão o novo modelo.

As redes TSN com OPC-UA são uma grande tendência, pois:

  • Os fabricantes de equipamentos já estão incorporando juntamente com o OPC-UA o canal TSN nos dispositivos;
  • Temos os benefícios dos padrões OPC-UA e os ganhos em velocidade e performance de rede com o TSN;
  • A união destas duas tecnologias é uma realidade da convergência Tecnológica.

Quanto a aplicação e uso na Indústria 4.0, as redes TSN permitem e facilitam a:

  • Digitalização das Coisas (IoT);
  • Convergência da Cadeia de Valor (IIoT);
  • Uso de Cloud Computing;
  • Alta velocidade e Padronização.

Quanto a evolução natural do novo padrão, podemos destacar como tendência:

  • Equipamentos e dispositivos virem com recursos de comunicação nativa (OPC-UA + TSN);
  • As redes TSN podem se tornar o padrão Ethernet para todos os níveis de informação, inclusive de TI;
  • Recursos incorporados, tais como, SDN, IPV6 e Wireless, serão comuns nos dispositivos de automação.

Concluímos que a tecnologia das redes TSN são uma resposta às novas demandas da Indústria 4.0, convergência de dados com alta velocidade e alta disponibilidade, comunicação com integridade bidirecional, simplicidade do Backbone ao sinal de IoT, uma nova realidade nos ambientes de controle industrial.

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.