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PROTOCOLOS DE IoT INTERNET DAS COISAS – MQTT

Aplicando os Protocolos de IoT para Digitalização em Sistemas de Automação Industrial

A busca pela padronização e segurança na comunicação com elementos de IoT Internet das Coisas, são uma necessidade imediata para que tenhamos bons projetos de transformação digital, principalmente em nosso caso, com soluções voltadas para indústria.

Os protocolos de comunicação aplicados no chão de fábrica, são uma realidade desde meados da década de 90, com a evolução da digitalização, a discussão em torno de protocolos novamente ganha um novo entorno, com este texto temos a intenção de falar sobre como:

  • Entender sobre os principais protocolos de IoT Internet das Coisas para aplicação na Indústria;
  • Como aplicar os modelos de protocolos e suas arquiteturas para criar a camada de IoT nos sistemas de automação industrial;
  • Como criar soluções de IoT e Computação em Nuvem a partir da conectividade entre dispositivos (aplicações).

O foco de nosso texto será explicar e comentar o protocolo de IoT baseado na camada de comunicação no nível de Aplicação, segundo o modelo OSI e o Modelo TCP/IP, tema de apresentações e textos anteriores a este.

Relembrando, o que é protocolo, é um conjunto de regras, normas e padrões (elementos lógicos), que permitem com que dispositivos interconectados se comuniquem entre si, criando uma linguagem única, entendível entre os elementos da rede.

Estes protocolos definem, entre outras variáveis, troca de dados, tamanho, tratamento de erros, tempo de envio e respostas, envio de status e outros.

Como principais desafios para os protocolos de IoT, podemos listar abaixo:

  • Permitir comunicação assíncrona na rede (independente de tempo), modelo IoT;
  • Permitir publicação do dado na rede para todos os dispositivos (Publisher / Subscriber), modelo IoT;
  • Permitir comandos bidirecionais de forma ativa na rede (em processamento – iniciando a conexão) IoT como complemento da automação;

Podemos criar uma rede de IoT sem estas características, onde o perfil seja somente para informação corporativa ou envio de dados (não industriais), daí a importância de conhecer o protocolo.

A evolução da comunicação industrial, passa por diversas aplicações, na década de 80 e 90, utilizavam-se o conceito de LP Linhas Privadas, onde através de linhas telefônicas, enviava-se dados, em formatos binários, para análise de forma remota em terminais. Com a Internet, nos anos de 2008, passou-se a utilizar os protocolos HTTP e HTTPS, utilizando inclusive browsers de navegação com interface HTML. Nos últimos anos, após 2016, com a IoT na indústria, temos alguns protocolos, onde vamos pontuar o OPC-UA e o MQTT, objeto de nosso estudo.

Temos diversas formas de comunicar em uma rede utilizando Internet como meio, para criar camadas de IoT, vamos pontuar alguns protocolos, tais como, HTTPS, AMQP, MQTT e OPC-UA, lembrando que nosso texto tem aplicação industrial, não excluindo outros tipos de uso.

O HTTPS, Hyper Text Transfer Protocol Secure, é um protocolo síncrono e unidirecional, o ciente espera o servidor responder, para aplicações IoT fica limitado, na automação podemos usar para criar telas de informações via Browser, por exemplo (HTML5).

O protocolo AMQP, Advanced Message Queuing Protocol, assegura confiabilidade e interoperabilidade, porém precisa de boa capacidade computacional, onde a latência de rede também não pode ser uma preocupação, aplicações corporativas em nuvem são adequadas com este protocolo.

O MQTT, MQ Telemetry Transport, é um protocolo mais simples comparado ao AMQP, porém com características de segurança e qualidade de serviço, a ideia é necessitar de baixa capacidade de processamento, fazendo-se ideal para aplicações de IoT em ambiente industrial.

Para aplicações que não são baseadas em TCP/IP existe o MQTT-SN (Sensor Network), está fora de nosso contexto falar deste modelo.

O OPC UA – Unified Architecture (Arquitetura Unificada), é um padrão aberto de comunicação de dados industriais, e ao contrário do OPC Classic, o OPC UA utiliza um modelo de informação orientado a objetos, que suporta estruturas, objetos, máquinas de estado, base legada, além de ser independe de sistema operacional (Windows), onde este:

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

Nosso texto irá focar no uso do Protocolo MQTT, devido ao crescimento e alta adesão ao uso em camadas de IoT na industrial, com este foco, poderemos detalhar mais suas aplicações.

Quais os benefícios de uso do MQTT?

  • Código simples, permite que o protocolo funcione em sistemas legados ou com limites de armazenamento e internet limitada;
  • Sistema só permite passar pelo protocolo MQTT, o dado que é necessário, não sobrecarregando o sistema ou até sofrer panes os travamentos;
  • Sistema aberto de domínio público, garante flexibilidade e instalação em qualquer hardware ou sistema, adaptado e configurado conforme escolhas específicas;
  • Possui sistema de segurança de dados e qualidade de dados no protocolo.

A tecnologia do MQTT, é baseada em três elementos:

  • Publisher – o dado que é publicado no Broker, sinal de um sensor por exemplo.
  • Subscriber – é o dados consumido que vem o Broker, que organizou e deixou disponível para uso.
  • Broker – responsável por fazer a gestão dos dados publicados e as subscrições do protocolo (quem requisita) – é desacoplado entre as partes.

Exemplo de funcionamento do MQTT, tendo um sensor de temperatura para publicar os dados (mensagem) no tópico “temperatura”, os clientes interessados que se inscreveram no tópico “temperatura” obterão os dados de temperatura publicados. Veja figura na apresentação.

O MQTT é amplamente usado em aplicativos incorporados da Internet das Coisas (Internet of Things), onde todos os sensores estão conectados a um servidor e temos acesso para controlá-los pela Internet.

Quanto ao funcionamento do BROKER, é um servidor que recebe todas as mensagens dos clientes e, em seguida, roteia as mensagens para os clientes de destino apropriados. Um cliente MQTT é qualquer dispositivo (de um microcontrolador a um servidor completo) que executa uma biblioteca MQTT e se conecta a um broker MQTT em uma rede.

Para se criar aplicações com a estrutura do MQTT, utiliza-se as seguintes ferramentas:

  • API – Application Programming Interface – conjunto de rotinas e padrões estabelecidos por uma determinada aplicação, para que consigam trocar funcionalidades sem conhecimento de detalhes;
  • REST – Representational State Transfer – conjunto de princípios e regras para criação de projetos WEB com interfaces bem definidas;
  • JSON – JavaScript Object Notation – é um formato leve de troca de dados entre dispositivos, bem mais simples que o XML, além da vantagem da leitura simples, velocidade maior no transporte de dados e arquivos de tamanho reduzido.

Podemos utilizar em forma de aplicação do MQTT, em diversos aplicativos, bem como, em outros equipamentos que suportem este protocolo, já temos por exemplo, PLC Controladores Programáveis que comunicam em MQTT, gateways que transformam protocolos conhecidos neste padrão, facilitando a integração na nuvem.

O MQTT também permite o serviço de M2M, Machine To Machine, que é a aplicação de trocar dados entre dispositivos, através de Microserviços, tomar decisões supervisionadas ou autônomas.

Para um melhor entendimento sobre a aplicação do MQTT na indústria, vamos entender a evolução da conectividade na automação industrial, onde temos:

  • 1ª Geração – Monolítico
  • 2ª Geração – Redes de Comunicação
  • 3ª Geração – Distribuído
  • 4ª Geração – Serviços e Microserviços

Há dois termos muito importantes para serem conhecidos na área de Serviços e Microserviços, que estão permeando as novas arquiteturas de automação:

  • SOA – Service-Oriented Architecture, Arquitetura Orientada a Serviços, um modelo de sistema baseado em aplicações distribuídas, acessíveis por Webservices, utilizando Orquestração de dados. Aplicações em Dados Estruturados IIoT, utilizando XML, HTML (SOAP) (ex.)
  • MOA – Microservice Oriented Architecture – Arquitetura Orientada a Microserviços, um modelo de sistemas baseado em funções distribuídas, acessíveis por Microserviços, utilizando Coreografia de dados. Aplicações em dados simples (end poits), ideal para IoT, utilizando REST (ex.)

A automação industrial está evoluindo para poder suportar todas as questões de serviços de comunicação, além de seu foco principal de comando e controle, vamos pontuar abaixo algumas tecnologias da Automação Industrial 4.0:

  • Entradas e saídas em campo, associada com informações de IoT;
  • Computação EDGE no campo, pré processamento para Nuvem com cibersegurança;
  • Controle distribuído, software de controle e lógica como Microserviços (controle virtual);
  • Uso de Backbone de rede para convergência da Cadeia de Valor, usando FOG no nível IIoT;
  • Uso de Microserviços no ecossistema da empresa, compartilhando eventos e tomada de decisões, utilizando I.A. Inteligência Artificial.

Outra questão muito importante é quanto a segurança de dados, utilizando em nosso caso o MQTT para a camada de IoT, o protocolo suporta de forma básica algumas funções:

A conexão do cliente ao broker, seja ele subscritor ou publicador, é originalmente feita via TCP, com opções de login (usuário e senha) e uso de criptografia (SSL/TLS).

Para evoluir na questão da Cibersegurança, é necessário aplicar práticas e adicionar ao ambiente de hardware, software, redes e usuários, recomendamos ler nosso texto específico para este tema.

Outra característica importante no protocolo MQTT é sua função que permite o controle sobre a Qualidade de Comunicação ou de Serviço:

  • QoS 0 (at most once): É o que conhecemos como “best effort”, ou melhor esforço;
  • QoS 1 (at least once): Neste nível existe a confirmação de entrega de uma mensagem;
  • QoS 2 (exactly once): Garante que a mensagem seja entregue exatamente uma vez;

Não existe um QoS melhor ou pior, isto irá depender de cada cenário de aplicação do MQTT.

A evolução dos protocolos, bem como da automação industrial é permanente, podemos pontuar algumas tendências nesta continuidade:

  • Dispositivos de automação com IoT e MQTT nativo;
  • Uso de Microserviços (lógica e controle) na rede de Automação;
  • Uso de I.A. Inteligência Artificial para criação de Microserviços dinâmicos.

Concluímos que para criação das redes de IoT nas indústrias, é necessário evoluir em protocolos e modelos de serviços compartilhados na rede, o MQTT e o MOA são tecnologias que já permitem criar soluções a partir desta nova realidade, aderente a Indústria 4.0.

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.

IoT INTERNET DAS COISAS NA INDÚSTRIA 4.0

Digitalização de Dados de Dispositivos e Aplicações na Automação Industrial

A digitalização de dados de máquinas, processos e dispositivos, complementam a camada operacional de uma planta industrial, a tecnologia IoT Internet das Coisas, como é conhecida, é a técnica que permite conectar informações em geral de dispositivos na Internet (Cloud – Nuvem), isto possibilita, dentro da Indústria 4.0, a interconexão de dados e sistemas, permitindo formar o ecossistema cibernético, onde conseguimos obter a interoperação completa e total da planta industrial, onde podemos chamá-la de planta digital.

Vamos entender através de nossa analogia já estudada a questão das rodovias, como já construímos as vias (infraestrutura), colocamos sinalização e procedimentos de tráfego (cibersegurança), agora como permitir com que todos os elementos ao redor desta rodovia (cadeia produtiva), possa trocar informações entre si, criando um ambiente digital, impactando novos formatos de produção, desde o planejamento a logística, passando pela produção e qualidade, com isso, vamos falar sobre:

  • Como criar uma camada de digitalização do processo produtivo – IoT;
  • Como conectar a cadeia de fornecimento, complementando a interconexão da indústria – IIoT;
  • Quais ferramentas de gestão operam no nível de digitalização da produção.

Quando pensamos em digitalizar a produção industrial, termo este que é usado na camada da Indústria 4.0, temos diversos cenários, abaixo listamos alguns que ocorrem e merecem nossa atenção:

  • Em uma unidade produtiva, é necessário digitalizar os movimentos dos ativos para planejamento e controle da qualidade;
  • Para apoiar o setor de manutenção, a digitalização de todos elementos ativos, documentos e cenários, permitem o prognóstico de planta;
  • A interconexão de logística, fornecedores, suprimentos, agrícola na rede industrial, permite gestão em tempo real para produção.

Na evolução da informação digital das plantas produtivas, temos a época que na verdade o dado nem mesmo era digital, somente havia a informação e esta era analógica, depois houve a evolução dos dispositivo, mas continuava com o foco local, após esta fase, temos com as redes locais, a possibilidade de verticalizar dados, que são digitais, trocando informações do chão de fábrica, planejamento e administração com a TI, todavia, com foco apenas nos sistemas que permitiam esta função, mas a Indústria 4.0, necessita de uma outra camada, para que de fato tenhamos uma produção digital, desta forma, os ativos, sistemas e subsistemas da cadeia produtiva, devem complementar as informações de toda a unidade industrial, através da convergência de todas as redes.

Para digitalização de dados da indústria, temos diversos desafios, podemos eleger alguns comuns para que seja pensado na implantação da solução:

  • Como criar uma rede de informações complementar na produção que permita planejar e monitorar a produção e manutenção em tempo real;
  • Como conectar redes independentes, tais como, logística, fornecedores, laboratórios e unir nas redes industrias;
  • Como estabelecer padronização e segurança da informação nas redes de IoT na indústria.

O conceito da informação digital no contexto da Indústria 4.0, é que este dado, deve ser de todos os ativos e sistemas (todas as coisas), deve estar em qualquer lugar e permitir a conexão com esta informação a qualquer hora.

A IoT Internet das Coisas, surge como a ideia de conectar qualquer dispositivo que gere informações e possa se conectar a um serviço de cloud, isso pode estar em qualquer âmbito, casa, hospitalar, esportes, entre outros. A IIoT Internet Industrial das Coisas, foi a evolução das informações da cadeia produtiva, com o mesmo conceito de IoT, conectando estas informações via cloud, por exemplo.

É importante saber a diferença entre IoT e IIoT, sistemas que conectam coisas, complementam informações, normalmente somente produzem dados, pode ser usado em qualquer setor da indústria, por exemplo, para gerenciar ativos e analisar tendências de manutenção. A IIoT, forma uma camada crítica do processo produtivo, por exemplo, pode-se conectar diretamente um fornecedor de produto em tempo real na linha de produção, que analise a qualidade e uso de seu produto, outro exemplo, conectar a cadeia logística de entrada e saída de materiais e controlar a produção, em tempo real, no ponto ótimo de operação, isso passa a ser uma aplicação de produção e consumo de dados, com perfil crítico.

A utilização de IoT e IIoT, trazem benefícios as plantas produtivas, onde são esperados os seguintes ganhos abaixo:

  • Redução de operações ou paradas;
  • Melhoria do uso do ativo;
  • Redução de operações ou custo do ciclo do ativo;
  • Melhoria do uso do ativo – performance;
  • Melhoria da produção;
  • Aumento da rapidez na tomada de decisões;
  • Oportunidade para novos negócios;
  • Permitir venda ou compra de produtos como serviço.

A Indústria 4.0, propõe a fábrica digital, com isso, a premissa de se digitalizar todas as informações, pode levar a um questionamento sobre a razão e motivo de digitalizar tantos dados, que antes não estavam disponíveis em tempo real e agora, se fazem necessários, abaixo então, os motivos para se digitalizar estes dados através da IoT e IIoT:

  • Informação barata;
  • Transformar informação em inteligência;
  • Diminuir Expertise;
  • Diminuir risco de tomada de decisões;
  • Diminuição de operações;
  • Transparência de ações;
  • O executado é “aprendido”;
  • Eliminar o “meio”;
  • Eliminar erro e desperdício;
  • Ganho de tempo.

A camada de IoT e IIoT na indústria provocará um modelo de prognóstico, uma vez que a automação, que já existe, responde perguntas do que está acontecendo, o que aconteceu e porque aconteceu, mas esta camada digital, responderá perguntas tais como, o que irá acontecer, e, isso mudará a forma de operar e manter uma planta industrial.

Se as informações estão todas digitalizadas e há todos os meios (redes) para que trafeguem e troquem informações entre si, é esperado que se possa haver tomada de decisões não só entre operadores e máquinas, mas também entre máquina e máquina, isto chamamos de M2M, Machine to Machine.

Um item muito importante que deve ser levado em consideração para a digitalização da produção, são os RFID, os Sistemas de Identificação por Rádio Frequência, que em linhas gerais, permitem o rastreio total de todos elementos produtivos dentro da planta e fora dela, permitindo ações em tempo real (tempo e local), fazendo correções, agindo de forma antecipada e monitorando a qualidade no instante do movimento produtivo.

Com estas camadas digitais, construídas pela IoT e IIoT, podemos utilizar tecnologias de planejamento, qualidade e operação, de uma forma totalmente inovadora, a Virtualização é o planejamento produtivo totalmente digital, do projeto a produção, podendo trabalhar todos os cenários, mesmo antes da produção real acontecer. A Realidade Virtual a capacidade de trazer ao operador, planejador ou mantenedor, a informação da planta no local que ele está conseguindo ver e interagir no processo digital e recebendo a resposta no processo real, é a união máquina – homem.

As arquiteturas de sistemas de automação industrial, que tenham aderência a Indústria 4.0, devem prever, além das camadas já conhecidas do controle operacional e todo o arcabouço de controle, a camada de IoT e IIoT, onde vamos convergir todos estes dados em um Big Data, entregando possibilidades de controle operacional, com tomadas de decisões em formato de prognósticos e de com possibilidade de ações autônomas.

Sobre os protocolos que são usados, é importante saber que a IoT, como dissemos, normalmente somente produz dados e envia, o protocolo MQTT, é bem aceito para esta aplicação, todavia, para IIoT, é necessário unir dados críticos de ação em processo, com protocolos existentes, e na ponta, comunicando em OPC-UA, que é a tecnologia mais atual para atender as premissas da Indústria 4.0.

Os sistemas de IoT e IIoT, devem ser projetados e ter ferramentas de segurança de dados, com as seguintes camadas, que permitam trafegar do dado a informação dentro do sistema:

  • Dado;
  • Token (gerador randômico);
  • Zona de conexão;
  • Chave de acesso;
  • Encriptografia;
  • Autenticação;
  • Antivírus;
  • Firewall da rede.

Para implantar a camada digital de IoT e/ou IIoT na indústria, sugerimos as seguintes observações, que são comuns em projetos de digitalização para tomada de decisões:

  • Separar camada de automação (comando e controle) – tabela de informações;
  • Digitalizar sinais das “COISAS” para completar tabela de dados IoT;
  • Conectar outras redes (Gestão, Manutenção, Planejamento, Qualidade, Laboratório) tabela de dados;
  • Conectar mundo externo (Logística, Fornecedores, Clima…) IIoT;
  • Quais conjuntos de informações “formam” cenários para tomada de decisões?

Concluímos que a digitalização dos processos e toda a cadeia produtiva da indústria é a base da Indústria 4.0, com as camadas de IoT e IIoT é possível planejar, controlar e rastrear a produção, tanto por simulação digital, quanto por virtualização, ganhando tempo de tomada de decisões e redução de custos.