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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.

FDI NA AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL

FDI Field Device Integration no Gerenciamento de Ativos 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.

Quanto ao FDI, vamos falar sobre:

  • Conexão de dados de instrumentos de campo;
  • Ferramentas de Engenharia, Manutenção e Diagnóstico;
  • Gerenciamento de dados em rede industrial;
  • Convergência tecnológica de comunicação;
  • Padronização de conexões (solução aberta);
  • Evolução da conexão para IoT e Indústria 4.0.

Com o advento dos protocolos industriais e dispositivos comunicando em redes, o desenvolvimento de tecnologias que permitissem acessar dados, durante o funcionamento, para manutenção, comissionamento e monitoração, se tornaram uma realidade, as primeiras tecnologias foram baseadas em DD/EDDL em 2004, como evolução do conceito de acesso de dados, temos a tecnologia FDT/DTM em 2009 e sua evolução em 2015, com o FDI, esse é o destaque a evolução e vamos falar em mais detalhes de cada tecnologia.

EDDL Eletronic Device Description Language, é uma linguagem baseada em texto, os sistemas de automação acessam estes dados por um interpretador, é usada em forma binária DD Device Description (Hart e FF).

FDT/DTM Field Device Tool / Device Type Manager – é um sistema onde os fabricantes elaboraram os “drives” DTM (compilados) de cada equipamento e são acessados por um FDT (plataforma), o sistema depende de COM/DCOM.

Estas tecnologias têm algumas limitantes e novas demandas técnicas, podemos listar as principais:

  • Limites da EDDL por texto, limitante nas definições de dados e diagnósticos;
  • As DTM variam enormemente de fabricante para fabricante;
  • O FDT tem a dependência da COM/DCOM do Windows;
  • EDDL e FTD/DTM tem o mesmo objetivo, mas são divergentes nas soluções (como decidir?).

O FDI Field Device Integration – é uma tecnologia de comunicação de dispositivos de campo, usando rede de comunicação industrial, onde é utilizado o OPC-UA (Cliente-Servidor) unificando o modelo de informação dos dispositivos industriais.

Seus principais objetivos, como evolução dos sistemas EDDL e FDT/DTM, são:

  • Manter a compatibilidade com os sistemas legados existentes nas plantas industriais;
  • Unificar as especificações EDDL dos protocolos industriais compatíveis;
  • Manter o modelo compatível de acesso de dados via FDT.

As principais características desta tecnologia são:

  • Unificação – todas as informações (vertical e horizontal) se comunicam na rede por um único canal;
  • Padronização – independente do protocolo, o sistema permite troca de dados em diversas aplicações e níveis;
  • Interconexão – troca de dados entre equipamentos e aplicativos, utilizando rede industrial;
  • Interoperável – troca de dados entre fabricantes diferentes, compartilhando recursos;
  • Intercambiável – troca de equipamentos por outro fabricante, sem perder funcionalidade;
  • Extensibilidade – aumento de funções por agregação, sem perder o que já existe
  • Escalar – permite implantações pequenas e crescimento de acordo com a necessidade, com todas funções.

Os principais benefícios do uso do FDI, são:

  • Fácil de usar – ótima experiência para o usuário;
  • Robusto na instalação – a instalação dos drives não provoca alterações nos sistemas de automação;
  • Interoperável e em conformidade – compatível com as EDDL e experiência das DTM padronizadas;
  • Integrável e convergente – fácil trocar informações com níveis ERP e MES, por exemplo, usando o OPC-UA;
  • Manutenção de versões – compatível com versões anteriores de software e suporte as DD e DTM existentes.

O sistema do FDI se destaca por incorporar no em seu aplicativo as DP (Device Package), entenda como elas funcionam no servidor FDI:

  • DD Device Definition – faz a definição das variáveis e blocos funcionais
  • UID User Interface Description – menu dos equipamentos
  • BL Business Logic – organiza os endereçamentos dos equipamentos
  • UIP User Interface Plug-in – interface com o usuário (gráfico)
  • Dentro do DP pode-se anexar documentos dos devices

Quanto ao princípio de funcionamento do sistema do FDI:

  • O servidor FDI é quem concentra a comunicação com a rede, normalmente conectado em um controlador que faz o roteamento de dados;
  • No servidor FDI são instados os Device Package de cada equipamento, com suas definições, modos de acesso e interfaces;
  • A comunicação é feita pelo OPC-UA, permitindo que OPC-Client e FDI-Client acesse dados do servidor, utilizado em aplicativos de manutenção, monitoração, gestão (ERP, MES) e outros.

As arquiteturas dos sistemas de automação em rede, permite a conexão com o FDI, onde instala-se os drives de cada equipamento/fabricante, suportando diversos protocolos, já compatíveis no mercado.

Na operação, temos os servidores FDI, servindo dados para os Clientes, que poderão executar manutenção, operação, monitoração, engenharia, configuração, otimização e comissionamento com os equipamentos do sistema.

A aplicação de destaque do FDI está no Gerenciamento de Ativos, o sistema de automação, montado em uma rede industrial, agora com destaque a diversos padrões e protocolos, utilizando OPC-UA, pode-se executar todas as rotinas já descritas.

Com o FDI e a Indústria 4.0, o Gerenciamento de Ativos passa para um outro patamar de aplicação, incorporando novas ferramentas, podemos destacar as principais funções de um sistema atual e digitalizado:

  • Parametrização de equipamentos e dispositivos;
  • Análise on-line de status de funcionamento;
  • Controle de acesso de usuários;
  • Registro de alterações – rastreabilidade;
  • Avaliação de performance – índice;
  • Otimização de processo;
  • Gerencia dados para Cloud Computing;
  • Emite prognóstico usando Machine Learning.

Como continuidade na evolução da tecnologia, podemos destacar algumas tendências:

  • Serviços gerenciamento de dispositivos via FDI serem via Cloud com suporte do fabricante;
  • Equipamentos com OPC-UA Server incorporados, comunicando diretamente no Cloud FDI;
  • Protocolos e dispositivos de IoT (industrial), incorporarem a tecnologia FDI para gerenciamento.

Concluímos que o gerenciamento de dispositivos industriais (ativos) é uma realidade na indústria moderna, sua evolução está orientada na predição e prognóstico, via Cloud Computing, usando ferramentas de Machine Learning, para isso, a tecnologia FDI permite a interconexão entre dispositivos e sistemas, de forma simples e universal, aderente a Indústria 4.0.

OTIMIZANDO PROCESSOS INDUSTRIAIS

Aumentando a Produção Industrial através do Controle Avançado de Processos

 

Primeiro se automatiza, depois se otimiza, essa é uma premissa utilizada na área de automação industrial, uma vez que o investimento inicial se dá para a implantação da plataforma de controle operacional, visando a produção planejada da indústria.

Otimização de processos é a colocação de instrumentos, equipamentos, limites operacionais e de capacidade em um ponto ótimo de operação, normalmente acima das regiões de conforto operacional, entregando aumento de produção com a mesma plataforma existente, no mesmo nível de segurança.

A utilização de uma plataforma de otimização de processos, como foco no aumento da produção é o primeiro degrau de investimento dentro da área de O&M (Operação e Manutenção), para que se justifique dentro da área de automação industrial, chamamos de Controle Avançado de Processo.

Os primeiros centros de operação de processos tinham o foco na operação e no controle de malhas, normalmente limitados aos controles PID convencionais, formando conjuntos de malhas, comandadas individualmente. Na evolução os centros de operação hoje além desta função de comando e controle dispõem de tecnologia de Controle Avançado, operando com multivariáveis correlacionadas, com algoritmos que aperfeiçoam o controle do processo, utilizando-se de tecnologias de IA (Inteligência Artificial), levando os processos a limites ótimos de operação.

A Variabilidade de Processos é um dos maiores desafios nas operações de plantas, ele se dá por diversos motivos, que ocasionam a dificuldade de colocar o processo num ponto ótimo de operação, provocando perdas e elevação de custos produtivos.

A utilização de malhas de controle com PID convencionais coloca o processo em limites que não deixam subir o nível de operação, dentre os motivos é que as malhas não são interligadas para análise do comportamento do processo em conjunto, com isso, ruídos, variabilidade e sintonia passam a ser dificultadores nestes tipos de malhas.

Mas o que é Controle Avançado?

Na prática podemos definir Controle Avançado como:

  • Uma técnica preditiva, isto é, um sistema capaz de prever por antecipação a variabilidade do processo, através da utilização de modelos;
  • Ser multivariável, o controle passa a ter leitura de duas ou mais variáveis para obter comportamento e promover uma saída de controle;
  • Atuar no nível acima do regulatório, este é um modelo que atua de forma complementar ao Controle Avançado em um nível acima desta camada.

Com estas definições, o Controle Avançado deve pelo menos atender dois destes itens.

Há diversas tecnologias para Controle Avançado, vamos entender como elas atuam no processo, o APC – Advanced Process Control, que é o Controle Avançado de Processo é uma técnica que tem como foco a diminuição da Variabilidade do Processo, comentado anteriormente como um grande desafio na produção.

O RTO – Real Time Optimization, Otimização em Tempo Real, ele atua juntamente com o APC, porém seu objetivo principal é elevar o ponto de operação, com isso se ganha diretamente na produção.

Com o MPC – Model Predictive Control, Controle Preditivo com Modelo, tem-se o Controle, a Predição e a Otimização, onde através do conjunto Operação e Engenharia, consegue-se obter o máximo do ponto ótimo de operação, utilizando-se as técnicas comentadas.

O funcionamento de um sistema de Controle Avançado, por exemplo, do tipo MPC, possui modelos matemático pré-definidos, conhecidos do processo e seu comportamento, para tomada de ações de controle.

Os Controles Avançados atuam de forma inferencial, isto é utilizam-se modelos de conhecimento de processo de cada malha, interessante observar que em sua atuação ele elimina o que não está no modelo, integrando o processo.

Com este modelo o processo é levado a limites antes não explorados, onde o operador não colocar mais o SP (Set Point) e sim os limites de operação, mudando a forma operacional.

Os benefícios na utilização dos controles avançados podem destacar:

  • Aumento da Produção / Rendimento
  • Melhoria na Qualidade dos Produtos
  • Redução dos Custos de Produção
  • Aumento da Eficiência Energética

Para implantar um sistema de Controle Avançado na planta, podemos ter uma visão geral de como deve ser seguido:

  • Planejamento – foco em Rentabilidade, o que quero ganhar?
  • Projeto – foco no que se tem, entender como são as malhas atuais;
  • Implantação – infraestrutura de comunicação, analisar o que se tem e o que se deve ter para colocar em funcionamento;
  • Comissionamento – pré-operação e treinamento, iniciar as operações com cada malha testando os modelos e treinando os operadores para este novo tipo de operação;
  • Partida – liberação no modo Avançado e manutenção, colocar as malhas em operação em modo avançado e iniciar o ciclo de melhorias, que é constante e é a manutenção do sistema, pois não é estático.

Como esta tecnologia é baseada em carga computacional, isto é, necessita de hardware robusto para processamento matemático, houve uma evolução na aplicação das mesmas, visto temos um grande crescimento na potência de processamento nos últimos anos.

Os próprios DCS e PLC são uma tendência em ter os cartões de Controle Avançado já incorporados, visando já uma implantação direta no controlador.

Com estas facilidades e benefícios há uma tendência de cada vez mais as especificações técnicas (ET) de automação ter a premissa da colocação de Controles Avançados já previstos em plantas.

Concluímos que a utilização de Controle Avançado é benefício direto e imediato na produtividade industrial, representando a fronteira da diminuição do custo relacionado com o aumento da produção, utilizando-se a mesma estrutura física de malhas de planta com modelos convencionais.