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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.

 

CLOUD COMPUTING NA AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL

Integrando Sistemas de Operação e Manutenção Industrial na Nuvem

A convergência da TO Tecnologia da Operação, que envolve a automação industrial e a gestão de planta, juntamente com a TI Tecnologia da Informação, estão permitindo a interconexão de toda Cadeia de Valor das unidades de negócio industrial, premissa da Indústria 4.0.

Com a evolução de automação, herdando as tecnologias da informática ao longo dos anos, vieram desafios que não existiam até pouco tempo atrás, tanto em projetos de controle, quanto em manutenção de ativos, podemos listar alguns destes desafios nas plantas:

  • Alta demanda por ferramentas de produtividade;
  • Ampla utilização de redes (dados) em todos os níveis;
  • Aumento dos custos de aquisição e manutenção de sistemas;
  • Convergência da TO com TI unindo ativos e gestão;
  • Dificuldades de manter sistemas atualizados.

A automação industrial, utilizando os primeiros sistemas supervisórios Scada, comunicavam em formato ponto a ponto com os controladores, chamados de arquitetura Stand-Alone, por vezes com comunicação serial e não haviam interligações entre as estações.

Com a incorporação de redes Ethernet nos controladores, pudemos fazer arranjos de PLC e Scada com arquiteturas de dados compartilhados entre estações, montar sistemas em anéis e em redundância, além de poder trabalhar no conceito de cliente-servidor.

A convergência dos dados, trouxe para a automação, o atributo da gestão industrial, ferramentas de gestão de ativos, gestão de alarmes, gestão de malhas, controle avançado, PIMS, MES e MOM, entre outros, compõem uma nova gama de apoio, tanto para o controle operacional, quanto para a manutenção, elevando a quantidade de dados e usuários em uma planta industrial toda em rede.

Tudo isso gerou uma demanda por gestão dos sistemas de informação, que antes era atribuição exclusiva da TI, agora o departamento de TO, também passa a ter os mesmos problemas.

Do processamento individual, passamos por rede de dados, e compartilhamos informações na planta, com toda esta demanda, tecnologias de virtualização, que vamos ver, permitiram escalar soluções a menores custos, também vieram soluções com Cloud Computing, objeto de nosso texto, complementando com Fog Computing e Edge Computing, tudo visando soluções de processamento, compartilhamento e armazenagem de dados, um dos pilares da Indústria 4.0.

A automação quando era uma ilha, ou quando muito compartilhava dados locais, sua estrutura de custo se limitava ao controlador e uma licença de Scada, com seus sensores simples e sinais discretos, com a incorporação de redes e ferramentas de software, cada vez mais sofisticadas, os custos de aquisição e gestão destas plataformas, deram um salto, passando a ser um problema de ativos de aquisição de alto custo e manutenção para o parque industrial.

A solução para esta expansão de custo e gestão de plataforma, vieram basicamente de duas formas, a Virtualização e o uso de Cloud Computing, com principal objetivo de simplificar as soluções e reduzir custos.

A virtualização de plataformas é técnica de criar e utilizar uma plataforma computacional (não física), de hardware ou software, onde se pode distribuir e gerenciar recursos de um único ponto, podendo ser Local (On-Premisse) ou via Cloud Computing.

Quando eu uso a virtualização? Vamos ver alguns cenários principais, lembrando que nosso foco é entender toda esta tecnologia dentro da automação industrial:

  • Cenário 1: Reduzir custos de infraestrutura e processamento na plataforma local (on-premisse) – processamento crítico;
  • Cenários 2: Usar processamento remoto (não crítico) para aumento de capacidade e uso de ferramentas em forma de serviço, sem infraestrutura, direto no Cloud.

O Cloud Computing ou Computação na Nuvem, é um conceito computacional, que se refere a utilizar processamento, armazenamento, compartilhamento e gestão de dados, utilizando a Internet como meio, onde Infraestrutura, Plataforma e Softwares são adquiridos como serviços.

Características principais do Cloud Computing:

  • On-Demand – Serviço sob Demanda – Você só paga pelo que precisa;
  • Paga pelo uso – somente paga quando o serviço configurado inicializa;
  • Self Service – a contratação é toda dentro da plataforma que escolher, sem burocracia, só escolher os serviços;
  • Automatização – a infraestrutura é automatizada, com scripts quanto por interface, gestão completa a distância.

Para que tudo isso possa ser aplicado na prática, já temos diversos provedores de serviços de Cloud Computing, onde podemos listar abaixo os principais, não são únicos, são os mais conhecidos:

Plataformas Cloud Computing de uso geral:

  • Microsoft Azure
  • IBM Blue Mix (Watson)
  • Amazon Web Services AWS
  • Google Cloud Platform

Plataformas Cloud Computing para automação Industrial:

  • Siemens – Mind Sphere
  • GE – Predix
  • Rockwell – Scio

O conceito de uso de Cloud Computing é baseado em Serviço, isto é, eu não adquiro licenças, softwares, aplicativos, hardware ou algo do gênero, eu uso a solução, podendo ser desde uma infraestrutura, uma plataforma de desenvolvimento ou um serviço de aplicação, apenas pagando pelo uso, veja abaixo os principais modelos:

  • IaaS – Infrastructure-as-a-Service – Infraestrutura com Serviço – Maquinas virtuais, processamento, backup;
  • PaaS – Platform-as-a-Service – Plataforma como Serviço – Soluções, aplicativos de ferramentas, criação de soluções;
  • SaaS – Software-as-a-Service – Software como Serviço – Usuários, utilizar a ferramenta direto, um aplicativo.

Para entender o grau de evolução que a automação está chegando, tudo o que se passa na TI é esperado que venhamos a ter na TO em pouco tempo, por exemplo, hoje uma automação convencional (On-Premisse) eu compro tudo para implantar, do hardware ao software e também, tenho que desenvolver tudo, além de fazer a gestão.

Com os modelos de Serviços, eu posso ter um novo formato, por exemplo, usuários que ao invés de comprar sensores, controladores e atuadores, alugam de algumas empresas com este perfil, sendo responsável por toda infraestrutura, na mesma linha eu posso alugar também a plataforma, não preciso comprar softwares de desenvolvimento, podendo chegar a adquirir toda a automação, controle operacional e manutenção do sistema em forma de serviço.

O princípio básico de conexão de dados de planta no Cloud é a utilização de gateways, com se comunicam por rede na unidade industrial, enviando para o provedor de serviços, utilizando a Internet como meio, este é o princípio de processamento como serviço.

Este conceito de aplicação, vem evoluindo em diversos tipos de equipamentos, máquinas e sistemas, por exemplo, a indústria que já tem o seu Cloud, já se comunica com uma máquina comprada e instalada em seu próprio parque industrial, um compressor, por exemplo, onde o fabricante monitora toda a manutenção e os dados de sua Cloud própria, podendo ser compartilhados no Cloud da empresa cliente, estes são subsistemas em Cloud, tudo interligado e compartilhando informações.

Podemos descrever abaixo as principais vantagens de uso do Cloud Computing:

  • Não tem preocupação com infraestrutura – hardware e se for contratado plataforma, não precisa de licenças de aplicativos;
  • O compartilhamento de serviços é fácil, já está na nuvem, pode-se trocar dados;
  • Gerenciamento de versões, patch´s, atualizações, não é necessário se preocupar;
  • Não existe a gestão do Ativo, a gestão é do consumo, melhor relação investimento x custo;
  • Manutenção é de responsabilidade do provedor de serviços.

Nesta mesma linha, podemos descrever abaixo algumas desvantagens de uso do Cloud Computing:

  • É imperativo – Infraestrutura de comunicação eficiente, link de internet de alta disponibilidade e de banda de dados de acordo com seu projeto;
  • Risco de desconexão de serviços e perda de processamento, controle operacional não deve ser em Cloud;
  • Preocupação com a segurança de dados, invasão externa, roubo de dados ou hackeamento do sistema.

Principais pontos a serem observados na aplicação de Cloud Computing na automação industrial:

  • Sistemas de apoio a tomada de decisões podem ser utilizados em Cloud, por exemplo, gestão de ativos, gestão de alarmes, otimização de processos, entre outros;
  • Sistema de controle do processo, controle crítico e segurança, Scada, não se usa Cloud, o processamento é local, no máximo envia-se informações para análise e apoio a tomada de decisões.

As plataformas de Cloud Computing, tem características técnicas que deve ser levada em consideração em projetos e aplicações de soluções, as principais abaixo relacionadas:

  • Conectividade – equipamentos e dispositivos devem suportar uma conexão via internet, para enviar ou receber dados, de forma segura;
  • Latência – o tempo da troca de dados entre os clientes e o servidor, equipamentos e operações críticas, não podem permitir espera para processamento;
  • Processamento – capacidade de entregar o resultado, no tempo esperado, baseado na quantidade entradas de dados;
  • Gravação – uso de um banco de dados, relacional, temporal ou não estruturado, para análise e tomada de decisões na planta, esta função é base para os sistemas de inteligência.

Levar dados da planta industrial (sensores, controladores e sistemas), para o Cloud, necessita de um arranjo complexo, com diversas interfaces, ocasionando latência de rede, limitação de processamento e gravação, além da dificuldade da interconexão de dispositivos.

Para ajudar a minimizar estas dificuldades técnicas, nas tecnologias que temos hoje, foram criados dois conceitos que trabalham com o Cloud Computing.

O FOG Computing – Computação em Névoa ou Neblina e EDGE Computing – Computação de Borda, são arquiteturas de rede em CLOUD Computing, que tem o objetivo de:

  • Reduzir quantidade de dados para enviar ao Cloud;
  • Diminuir a latência da rede e da Internet;
  • Melhorar o tempo de processamento e resposta do sistema.

EDGE Computing – Computação de Borda, tem objetivo de processar os dados de análise mais próximo dos dispositivos de campo (controle).

Pode ser processado diretamente no sensor inteligente, no controlador que suporte esta função ou em um processador local, que permita conexão, processamento e gravação desta camada, somente enviar para o Cloud o que for necessário.

FOG Computing – Computação em Névoa ou Neblina, tem objetivo de processar os dados de análise mais próximo da camada Cloud, integrando processos de gestão e tomada de decisões locais.

Pode integrar a camada de EDGE, ou comunicar diretamente nos processadores (SCADA, MES) e gerar uma camada intermediária, antes de enviar para o Cloud.

Essas tecnologias podem trabalhar em arranjos separados, de acordo com a necessidade de cada projeto, onde a borda de processamento é mais necessária, lembrando que não é uma regra, são arranjos que ajudam a ganhar performance para uso do Cloud Computing.

Todos os meus dados e informações vão para o Cloud Computing? Não! Vamos ver algumas considerações em relação a isto:

  • Somente vai para Cloud informações que devem ser relacionadas com outros dados fora da célula local;
  • Informações que devem ter backup e rastreio;
  • Informações que rodam em aplicativos para o Cloud;
  • Quando parte do processamento é transferido para o Cloud.

Enviar dados para o Cloud Computing, tem a premissa de comunicação externa como meio a Internet, remetendo a preocupações com a segurança de dados, exigindo projetos de Cibersegurança, abaixo relacionamos os principais pontos a serem observados:

  • Treine pessoas;
  • Todas as redes devem ser segmentadas;
  • Utilizar DMZ (redes desmilitarizadas) para criar células de segurança;
  • Para conectar a célula no Cloud, utilize Firewall e limite as regras (mais simples é melhor);
  • Somente use conexão bidirecional em casos de M2M;
  • Limite conexões físicas e espaços de acesso;
  • Monitore a rede com Sistemas de Cibersegurança;

Veja artigo específico: CIBERSEGURANÇA NA AUTOMAÇÃO

Quanto à implantação, há diversas premissas de projeto de infraestrutura e conectividade que devem ser levando em consideração, abaixo listamos os principais pontos que devem ser observados:

  • Justifique as questões que te levam a enviar informações para Cloud;
  • Faça um projeto para eliminar infraestrutura e leva-la para o Cloud;
  • Use as ferramentas de Infraestrutura, Plataforma e Serviços de Automação (vincule soluções);
  • Integre e faça convergência de dados, analise se é necessário e possível aplicações EDGE e FOG;
  • Entenda o valor da Informação no Cloud, use ferramentas de Data Science;
  • Foque na segurança;
  • Escale as soluções e evolua os modelos de controle e decisões.

A tecnologia do Cloud Computing é relativamente nova, todavia, a evolução continua e podemos apontar algumas tendências para o aprimoramento do uso destes recursos:

  • Equipamentos de automação com canal direto para conexão em Cloud (TSN) Time-Sensitive Networking – dispensando uso de Gateways;
  • Equipamento se automação com OPC-UA incorporado, facilitando a criação de células de FOG ou EDGE para envio ao Cloud – interconexão e segurança simplificada;
  • Ferramentas de automação cada vez mais em Cloud, vinculando controle operacional com Deep Learning, Realidade Aumentada e Decisões Autônomas.

Concluímos que Cloud Computing é a ponte para a Indústria 4.0, pois a interconexão da Cadeia de Valor da Indústria na Internet, permitirá escala, eliminação de erro e operação em tempo real das plantas produtivas, reduzindo custos de produtos e processos.

EMPREGO TECNOLÓGICO

O Futuro do Emprego na Indústria 4.0

O Homem como ser social, acostumou-se a pronunciar palavras como revolução, mudança, impactos e tantas outras, principalmente no que se refere ao futuro, faz parte da natureza social humana.

Quando pensamos em desemprego, o termo toma um aspecto de grande importância, visto estar ligado diretamente a aspectos econômicos de qualquer região ou país, demandando ações políticas, que são esperadas, portanto, muitas vezes, sem efetividade, por diversas razões, mas a questão tecnológica quase sempre, foge ao controle de diretrizes políticas, que por tendência são reativas, apenas aguardando o próximo impacto econômico.

Isso sempre aconteceu ao longo da sociedade industrial, na pós primeira revolução, grandes mudanças no cenário das relações de emprego, desde a automatização do semáforos que ocorreu em Nova Iorque em 1992, desempregando 5500 policiais de trânsito, até nos dias atuais, onde tratores agrícolas já não tem motoristas, são autônomos, controlados por tecnológicas, desde visão artificial até comandos via GPS.

O mundo está em crise, não que seja uma grande novidade, pois é natural as mudanças para saltos sociais, econômico e políticos em todas as épocas da humanidade, a crise da atualidade, é o fim de um modelo que não atende mais a sociedade, porém, com ausência de um modelo que pudesse substituir a uma nova ordem, há um hiato de necessidade e atendimento social, que será solucionado somente com o tempo.

No final da década de 60 e início de 70, foram proclamados por diversos meios, desde acadêmicos até nos cinemas, cenários em que após o ano 2000 (muito distante na época), viveríamos entre robôs, estas previsões estavam corretas, se não fosse a forma, não temos robôs físicos, (salvo modelos industrias), convivendo conosco, todavia o robô de hoje é a Inteligência Artificial, que estão em todos os sistemas, deste redes sociais, sistemas de compra on-line, receita federal, previsão de tempo, bolsa de valores, gestão bancária, veículos autônomos, mostrando o quão já vivemos junto a estes “robôs” lógicos.

A evolução tecnológica na linha do tempo, proporciona através da sua adoção, uma redução de custos, fazendo o uso ser popular, exemplo disto, robôs industriais em 2007 custavam US$ 550.000 e em 2014, custam US$ 20.000, também os celulares em 2007, custavam US$ 499 e em 2005 US$10, em processamento e custo (similar), isso permite a massificação tecnológica, mudando o formato nas relações da sociedade, seguramente, abrindo uma fronteira para uma nova revolução tecnológica, a 4ª que estamos vivendo.

A tecnológica impulsiona o PIB, de acordo com um estudo da Accenture, países que adotam tecnologias de ponta, podem incrementar 0,9 pontos percentuais em seus PIB até o ano de 2035, gerando uma nova onda de empregos e uma nova ordem econômica, a despeito de que a automação desemprega, o mundo pós industrial, nunca contratou tanto, todavia o perfil do empregado é que muda ao longo do tempo.

Com a internet, hoje conectada na indústria, com processos colaborativos, fazendo toda a cadeia produtiva se comunicar dentro de um ecossistema cibernético, temos a pavimentação da 4ª revolução industrial, onde o maior impacto social, será a alteração das estruturas de tempo e erro, como conhecemos hoje, tudo será em tempo real, podendo haver o controle no ponto ocorrido, inclusive por prognósticos inteligentes e mudando o que entendemos por erros, uma vez que a tendência é que não haja mais a correção, uma vez que os sistema atuam de forma interconectada, organizada e interoperável, a isso estamos chamando de Indústria 4.0.

Tecnologias tais como, internet das coisas, big data, computação nas nuvens, drones, aprendizado de máquina, inteligência artificial, gêmeos digitais, virtualização, realidade aumentada e tantas outras, permeiam a Indústria 4.0, que ainda está em transição, mas o movimento é sem volta, impactando nas econômicas globais, alterando sobremaneira a forma de produzir e consumir bens e serviços.

Quando pensamos em impactos práticos na indústria, as funções de gestão sofrerão uma grande mudança que será o fim dos meios, isto é, o declínio da gestão intermediaria para tomada de decisões, uma vez que “a máquina” consolidará e tomará as decisões, na pior das hipóteses, entregará ao dirigente todos os cenários já pré formatados, no campo das operações, a figura do operador não tomará mais ações no processo, ele supervisionará, na melhor das hipóteses, eliminando erros, antecipando tempos e eliminando etapas de verificação da qualidade, com perfil produtivo de customização e personalização, nunca antes vistos, e, na manutenção, temos o prognóstico como maior ferramenta e impacto nas ações frente aos ativos, uma vez que os equipamentos cada vez mais são inteligentes e através de inteligência artificial, haverá a interferência somente quando a máquina solicitar, quando não, o próprio sistema poderá interagir.

Como estes cenários tecnológicos, descortinando uma Sociedade 4.0, o que então é o desemprego tecnológico? Podemos conceituar abaixo uma breve definição:

  • Substituição de mão de obra por máquinas ou sistemas;
  • Substituição de operação intelectual conhecida por máquinas ou sistemas;
  • Dispensa de trabalhado por novos modelos e padrões que evoluíram ou não existiam.

As máquinas estão aprendendo, isso já está acontecendo desde a adoção em massa da internet e agora, aplicada a indústria, ocorre que temos visto isso com mais impactos, mas já é de tempos, que há uma substituição do conhecimento humano (do que já se sabe), sendo executado por sistemas inteligentes.

Tarefas conhecidas, repetitivas, tendem a ser executadas por máquinas, por exemplo, motoristas, operadores de caixa, contadores, operadores industriais, médicos de atendimento, professores de conteúdo, jornalistas, atendimento comercial intermediário, sendo que estas informações sobre profissões que tendem a desaparecer, foram expostas no Fórum Econômico Mundial 2016 em Davos.

Profissões que requeiram criação, abstração, desenvolvimento, que tenham que lidar com situações novas e serviços para pessoas, tendem a ser as mais crescentes e mudarão o perfil do trabalhador do século XXI, tais como, engenharias, ciência de dados, computação, matemática, gestão estratégica, vendas, nesta mesma linha, também estes dados foram apresentados no Fórum Econômico Mundial 2016 em Davos, importante saber, que é esperado, que estas profissões ser correlacionarão como nunca antes visto, sobreviverão profissionais com formações específicas, mas que tenha habilidades em lidar com ciência de dados e alto grau de abstração numérica, ademais, o ser humano como prestador de serviços ganhará espaço em um mercado crescente, isso formará uma nova base de trabalhadores.

A solução para o desemprego tecnológico, amplamente discutido no Fórum Econômico Mundial 2017, ainda com a preocupação dos mesmos temas, uma vez que é uma revolução e não simplesmente uma mudança local ou regional, os líderes mundiais sabem o que é básico em qualquer econômica, a educação é a solução.

A solução está nas pessoas, afinal a tecnologia foi criada por elas e para elas, então esta tecnologia tem que servir a estas mesmas pessoas, deve haver um preparo tecnológico na base educacional, também a questão de servir as pessoas, um novo perfil, muito mais expandido de lidar com atendimentos de toda ordem para serviços, enfim, entender como será viver em um mundo pós 4ª revolução industrial, está tão conflitante e tenso, quanto foi nos pós sociedade da 1ª revolução industrial.

A indústria será muito diferente, ainda somos uma sociedade industrial, mas a rigor vemos que a indústria empregará cada vez menos com toda esta revolução tecnológica, é muito provável que o futuro do emprego não estará nas indústrias, não seremos mais uma sociedade industrial, mas sim, uma sociedade de serviços.

Os governos e lideranças, precisariam repensar de forma ativa e não reativa a tantas mudanças, haveremos de ter um novo formato de consumo, não mais de aquisição, mais de uso, isso deve mudar toda a cadeia econômica, o que existe, já está dando sinais de fadiga, governos e líderes de primeiro mundo, já estão repensando uma nova ordem, ou pelo mesmos estão buscando exercitar estes novos modelos, o poder econômico deve “ver” a base da pirâmide, para que esta população possa consumir estes novos serviços e que a tecnologia possa ser promovida em massa, distribuindo mais qualidade de vida, sem concentração extremada de renda, com foco na qualidade de vida e trabalho social para todos.

Neste futuro que se descortina, o poder das nações estará na Inteligência, não mais no conhecimento, com isso, devemos buscar a forma de como vamos lidar com toda esta tecnologia, que já está aí e gerar valor e poder competir num mundo cada vez mais com ciclos menores de economia, frente a volatilidade que a própria tecnologia provoca.

Por fim, esperamos que a tecnologia trabalhe para o Homem, que o Homem sirva na sociedade ao seu semelhante de forma mais equitativa e que a riqueza sirva o Homem em seus interesses reais de uma vida mais feliz, sem demagogia, mas talvez estejamos frente a uma grade oportunidade de um mundo melhor.

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.

BIG DATA NA INDÚSTRIA 4.0

Banco de Dados em Cloud para Tomada de Decisões na Automação Industrial

As principais caracterizações da Indústria 4.0, isto é, a Manufatura e Processo Digital, é permitir a Customização em Massa e a Massificação da Personalização na linha de produção, e, para que isso seja possível, um novo modelo de tomada de decisões entra em cena, a conexão completa e total do Processo Produtivo, através da IoT Internet das Coisas e a IIoT Internet Industrial das Coisas, permitindo a aquisição de dados de uma forma nunca antes visto, com dados em alto Volume, alta Velocidade e grade Variedade, devendo neste caso, serem analisados através de um Big Data, entregando uma estrutura de Tomada de Decisões, em tempo real e sem intermediários, além de possibilitar ações autônomas no processo, sem interferência humana, através do aprendizado de máquina.

Por analogia, nossos textos anteriores, explicamos que a construção das rodovias (redes), colocação de sinalização (cibersegurança), interconexão de elementos e serviços (IoT), levarão estas informações a um grande sistema de análise de dados (Big Data), onde o resultado final, é apontar os melhores caminhos, dentro deste ecossistema produtivo.

Desta forma, vamos delimitar nosso tema, dentro da visão da automação industrial, e escrever sobre:

  • Como unir das informações da produção e cadeia logística para tomada de decisões;
  • Como funcionam os sistemas de armazenagem e tomada de decisões em Cloud;
  • Qual o conceito de Mineração de Dados e Aprendizagem de Máquina (Machine Learning).

Em relação aos cenários encontrados para utilização do Big Data na Indústria 4.0, podemos deparar com as seguintes situações comuns, que nos levam aos seguintes questionamentos:

  • Como entender melhor minha produção e cadeia de fornecimento e melhorar meu planejamento e controle produtivo;
  • Como entender o funcionamento da planta no aspecto manutenção de modo a estruturar um sistema de prognóstico industrial;
  • Como utilizar recursos de Machine Learning para servir de apoio a tomada de decisões na operação.

A evolução nas tomadas de decisões na indústria, mostram que no início, os primeiros controles apenas apoiavam a tomada de decisões do operador, uma vez que ele é quem tinha o conhecimento do processo e atuava diretamente, todo o conhecimento era dele, com a evolução das redes, podemos agora gravar estes dados, analisá-los, e tomar decisões baseado em informações e análise local do processo, ainda é necessário o conhecimento do operador e sua experiência no processo, todavia, as indústrias estão vivendo uma grande questão que é a grade capacidade de aquisição e armazenamento de dados, que há existe, mas não sabem o que fazer com todas estas informações, agora, com a Indústria 4.0, o Big Data dá um novo formato a estas informações através das redes convergentes, o sistema aprende conforme o processo ocorre, não há o meio da informação e o resultado é a tomada de decisões em tempo real, com dados relacionados fora no processo local, enxergando toda a cadeia de produção e do negócio.

Quando pensamos na colocação destes dados no Big Data, muitos são os desafios, podemos eleger alguns que são comuns neste tipo de projeto e implantação, que nos fazem questionar:

  • Como levar dados da unidade produtiva para um sistema de Cloud Computing e usar um Big Data;
  • Como criar modelos de Big Data para apoio em tomada de decisões, tanto em planejamento, como em Operação e Manutenção;
  • Como repensar a unidade produtiva a partir de dados e decisões que são aprendidas de acordo com as operações reais.

O objetivo de toda esta tecnologia e sua evolução é a tomada de decisões na planta produtiva, mas, isso já é existente, mas como ocorre hoje de forma geral?

  • A todo momento, tomamos decisões;
  • Os gestores têm a função de tomar decisões;
  • Os gestores intermediários, consolidam dados para outros gestores tomarem decisões;
  • As vezes estas decisões são programadas a partir de ferramentas de gestão;
  • Outra vezes ocorrem de situações não previstas, baseado em dados existente e expertise.

A estrutura decisória de uma indústria hoje, segue uma regra muito parecida, nos setores há os procedimentos de produção e os líderes de processo, os supervisores de produção, consolidam dados destes setores, analisam de forma intermediária de acordo com o planejado e enviam informações em forma de desvios, ações ou tarefas para os seus gerentes, que por sua vez, entregam estas informações aos diretores, em forma de metas, resultados ou soluções de problemas encontrados durante a produção.

Vamos entender então, como seria uma estrutura decisória da Indústria 4.0, para isso, vamos conceituar o Big Data, que nada mais é, do que um sistema de armazenamento de dados, estruturados ou não, que tenham (necessariamente os três), Volume, Velocidade e Variedade destas informações, que permitam, através de modelagem, entregar resultados, baseado em estatística, mineração e aprendizado, de acordo com as ferramentas disponíveis na sua plataforma, interagindo com o homem ou com a máquina.

Desta forma, podemos entender uma nova forma de estrutura decisória na indústria, onde os setores, subsetores, departamentos e toda a cadeia produtiva, esteja conectada a um Cloud de serviços, isto é, na Internet, dentro de uma plataforma, onde este sistema grava todos os dados e, dentro deste Big Data, podemos fazer todas as ações intermediárias, análise de dados, cenários, projeções, planejamento, análise de qualidade, prognóstico, tudo que permita, na ponta, para a direção, tomar decisões, e, até mesmo, permitir as ações automáticas no processo, utilizando o aprendizado de máquina.

O Big Data então, é um serviço dentro da Indústria 4.0, compondo um cibersistema, onde é necessário a aquisição de todos os dados da indústria e serem levados a esta plataforma em Cloud, utilizar ferramentas mineração de dados, aprendizado de máquinas e outras e criar um framework de resultados, com KPI, sistemas de decisões e M2M.

Na utilização do Big Data na indústria, como um novo modelo de tomada de decisões, são esperados diversos benefícios, entre eles, podemos destacar:

  • Diminuição de operadores – o sistema tomará decisões – operações de melhor desempenho, segurança de planta e economia de energia;
  • Fim do planejamento reativo – o sistema que será virtualizado, realimentará o processo que sempre estará em tempo real dos indicadores para tomada de decisões (mineração);
  • Todo o sistema será preditivo – manutenção, risco e aproveitamento (mineração) e atuará no processo como conhecimento (Machine Learning).

Apesar de estarmos falando em Indústria 4.0, algumas indústrias ainda tomam decisões baseadas em informações empíricas e de experiencia operacional, porém é de grande importância entender o valor de um sistema de apoio a tomada de decisões, pois este sistema permitirá saber:

  • Quando ocorre algo na planta diferente do esperado ou planejado – então eu tenho um problema e preciso fazer uma correção (decidir);
  • Quando há uma circunstância na planta que me permite ter uma oportunidade de ultrapassar meu objetivo planejado, elevando uma meta de produção ou redução de custos.

O Big Data pode ser programado para diversas funções de análise de dados, na indústria podemos usá-lo para as principais funções:

  • Tomada de decisões – as informações analisadas, darão um resultado baseado em cenários e do comportamento de toda a cadeia produtiva, apoiando diretamente os gestores da planta;
  • Aprendizado de máquina – as informações do processo são aprendidas, e levam a atuação diretamente nas ações de planta, por exemplo, através de M2M;
  • Prognóstico – as informações analisam todos o comportamento causal das variáveis, deixamos de tomar ações baseado em diagnóstico que emite o efeito, e o sistema faz uma análise de cenários e comportamentos.

Dentro de uma plataforma de Big Data há diversos serviços disponíveis para análise de dados para tomada de decisões, os princípios fundamentais são:

  • Mineração de Dados – são modelos de análise de alto nível de abstração de dados, onde a informação não é conhecida, o sistema retorna por cenários e probabilidades, apoiando o tomador de decisões, sendo:
    • Quando você quer uma informação, mas ela é desconhecida, alto nível de abstração;
    • São usados ferramentas de estatística dentro do banco de dados, pela dinâmica da informação o sistema propõe um resultado;
    • Exemplo de uso, identificação de rosto, elementos na produção, probabilidade de decisões.
  • Aprendizado de Máquina – (Machine Learning) – são modelos que se baseiam em informações conhecida ou processo definido, o sistema aquisita e acumula dados analisando o comportamento, com isso aprende dentro de uma curva de tempo, entregando resultados de forma automática e replicante, sendo:
    • Quando você tem uma informação conhecida, isto é, você sabe o comportamento do resultado;
    • O sistema é programado e grava as informações (acumula aprendizado), analisa o comportamento e vai criando resultados típico;
    • A expertise é transferida para o sistema, ele aprende e melhora a tomada de decisões, pode replicar e tomar ação autônoma;
    • Exemplo, carros autônomos, controle de produção automático e flexível com rearranjo.

O Big Data é um serviço, normalmente uma plataforma que permite, desde a conexão das informações com o mundo físico, até toda a modelagem, exemplos de serviços, IBM BlueMix, Google Cloud Plataform, Microsoft Azure, Amazon Web Service, que tem as seguintes características:

  • Paga-se pelo “consumo” do processamento;
  • Não tem infraestrutura local;
  • Inicia com dispositivos iniciais e escala a aplicação, crescendo de acordo com necessidade;
  • Não interfere na operação local, apenas acrescenta funções;
  • Tecnologia que agrega a decisão (humana ou de máquina);
  • Pode ser criado na infraestrutura da própria empresa com seus próprios modelos.

Uma arquitetura hoje, para automação industrial, que tenha aderência a Indústria 4.0, é a gravação de dados no Big Data, que permita o apoio a tomada de decisões para gestão da produção, gerenciamento de manutenção, gerenciamento de ativos, gerenciamento de alarmes, assistência técnica no consumidor final, gestão logística, entre outros.

Uma dúvida que ocorre normalmente nas aplicações atuais, sobre sempre usar Cloud e Big Data, podemos comentar as principais, quando se questiona a necessidade de seu uso:

  • Enviar dados para Cloud facilita uso de ferramentas disponíveis para análise de dados e criação de indicadores para acesso remoto;
  • Caso os seus dados não tenham juntos (volume, velocidade e variedade) que caracteriza um Big Data, não é necessário adotar este modelo, um sistema em Cloud de armazenamento e modelagem atende o projeto;
  • Usar infraestrutura e plataformas de serviços (Azure, AWS, BlueMix) simplificam aplicação e seus custos são baseados em serviços, mas não impede que uma empresa “monte” seu próprio sistema de análise.

Concluímos que o Big Data na Indústria 4.0 gera o principal impacto esperado com esta revolução, que é o tempo e o erro, mudando a forma de lidar com as tomadas de decisões, desde situações de exploração na produção, com vistas a melhorias, até o controle do processo via função de Machine Learning de forma autônoma.

INTEGRADORES DE SISTEMAS DE AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL

A Evolução na Prestação de Serviços e Entrega de Soluções e os Desafios da Indústria 4.0

Todos sabemos que a tecnologia na sociedade moderna que vivemos, altera-se de tempos em tempos os modelos econômicos, deixando velhos conceitos e abrindo oportunidades para novos tempos, é sabido, no mínimo sentido, que estamos em uma grande transição no mundo.

O tema aqui exposto é sobre as empresas e profissionais que prestam serviços de entrega de soluções em automação industrial, é claro e evidente que neste mercado, muita coisa mudou, desde estruturas de negócios, lucratividade, tecnologias e procedimentos de projetos.

Para tanto o momento é de reflexão, pois a transição ocorre e, não sabemos como será o futuro, não temos pretensão de escrever sobre isso, é muito arriscado, todavia nos propomos a apresentar fatos, estudos e experiência nesta área, com o principal objetivo, de apoiar estas empresas e profissionais de serviços, que se deparam dia a dia com dificuldades, muitas vezes sem um entendimento mais claro, dando margens a explicações que levam normalmente a justificativa da crise que hora vivemos, todavia, esta mesma crise, apenas acelerou as mudanças nas relações de mercado, que nos propomos a expor aqui.

Quando pensamos em mudança de mundo, mercado, produção e consumo, podemos pensar que a escassez aumenta em função do aumento da população, que quer consumir cada vez mais, o custo aumenta, pois, a oferta e demanda ainda é nosso modelo econômico vigente, agora o componente conhecimento, individual e em grupo, passa a ser mais um elemento de análise, pois as pessoas tem mais acesso a informações, conhecimento e transforma o mercado que atuam.

Em nosso mercado de uma forma geral, em função das mudanças, podemos pontuar o passado e o futuro, de forma a criar uma delimitação para nosso tema:

PASSADO

  • O valor da venda do que se produzia remunerava toda a cadeia produtiva, mesmo com baixa eficiência na produção;
  • A competição praticamente não existia, pois, as barreiras de entrada eram muito grandes e havia baixa tecnologia;
  • As referências de consumo eram locais;

HOJE

  • Sem escala, não se consegue remunerar toda a cadeia que é muito maior e o custo altera a eficiência diretamente;
  • As barreiras de entrada diminuíram, aumentando muito a competição entre empresa devido a tecnologia;
  • O mercado é global – mesmo que o consumo seja local pensamos na globalização.

Em relação a área de Automação Industrial, que vamos tratar aqui somente por automação, uma vez que nosso foco é falar da indústria, podemos pontuar os seguintes fatos que estão ocorrendo:

  • As empresas de integração de automação cada vez têm menos lucratividade, assumindo mais riscos;
  • O conhecimento tecnológico cada vez é mais democrático, fácil e barato;
  • A sensação de falta de entrega de valor na automação é cada vez maior no cliente final.

Mas o que aconteceu com a automação? Essa é a grande pergunta. Não queremos esgotar o assunto e nem definir uma regra, apenas mostrar uma visão geral.

Tanto a sociedade, a economia e a política, vivem Ciclos de Vida, em nosso caso vamos pontuar a 3ª Revolução Industrial, ocorrida próximo de 1969, que foi a incorporação da eletrônica no meio produtivo, alterando totalmente a produção industrial, neste momento houve o rompimento do velho modelo de produção, dando lugar há uma nova tecnologia.

Quando ocorre uma grade mudança, ou uma revolução desta envergadura, cria-se um novo modelo de mercado, onde no seu início, a chamada Barreira de Entrada, isto é, a dificuldade que se impõe a novos entrantes no mercado é muito grande, haja vista, poucas empresas conhecerem este novo mundo que se descortina, todavia, inicia-se uma “corrida” para poder participar deste novo mercado.

Como o tempo, a tecnologia não para e o conhecimento vai se disseminando, se pensarmos nesta 3ª revolução, temos algo como 40 anos ocorridos, nesta linha do tempo, a barreira diminui, aumentando a participação de novas empresas no mercado, aumento de concorrência, chegando a um ponto de muita facilidade de participar deste negócio.

O problema é que quando a barreira de entrada é muito pequena e a concorrência cresce muito, o Valor de entrega individual das empresas, cai na mesma proporção, interferindo diretamente no lucro das mesmas, chegando a um ponto, que tende a ser insustentável o próprio negócio, no modelo atual.

E é isso que está ocorrendo, haja vista, que estamos em mais um final de ciclo econômico, abrindo um novo formado, para nós da automação isso estamos chamando de Indústria 4.0, que podemos apontar seu início em 2011, ainda em transição, todavia já incomodando empresas e profissionais que atuam nesta área.

Para quem usa ou compra automação, há uma visão ou até mesmo uma busca, onde podemos mostrar as principais abaixo:

  • Automação é cara e é um commodities;
  • Buscam segurança na operação e alta disponibilidade;
  • A operação não deve pensar em tecnologia;
  • A tecnologia deve ser alinhada ao negócio (estratégica), agregar valor;
  • Projetos internos com falta de mão de obra, prazo e orçamento apertado;
  • Espera uma automação modular, replicante, amigável e fácil de customizar;
  • Que a automação conecte gestão industrial;
  • Que a automação tenha manutenção de ativos e diagnósticos fácil.

A automação vem mudando e dando nova forma enxergar soluções:

  • De hardware e software para sistemas integrados
  • De algoritmos para aplicações
  • De malhas e lógica para integração da informação
  • De centrado na tecnologia para centrado no negócio
  • De melhores tecnologias para melhores parceiros

Há em automação um conflito “trade off”, que gera dificuldades para equilibrar a viabilidade de negócios e tecnologia:

  • Na engenharia, cada cliente quer um projeto especial e os custos de profissionais são muitos altos;
  • Na tecnologia, busca-se padrões e modelos (pré-formatados) e produtos de baixo custo.

Vamos entender um pouco da história da automação, na visão de integração, onde no início:

  • A automação (conhecimento) “pertencia” ao profissional;
  • A solução era regionalizada;
  • A entrega era um fragmento (ou parte).

Hoje temos uma outra realidade:

  • A automação (necessidade) é de cada pelo cliente;
  • A solução é global;
  • A entrega é do pacote (solução);

Também, em função da aplicação comum da automação, gerou-se alguns mitos:

  • A Automação desemprega – Não, automação mantém a empresa empregando;
  • A Automação é cara – Não, sem automação não há indústria viável;
  • A Automação é diferencial – Não, automação só viabiliza o negócio e equaliza o mercado.

Mas então, o que mudou? Podemos ver abaixo os principais fatores:

  • A automação deixou de ser conhecimento especializado de poucos;
  • A Automação se tornou uma commodities de solução através de Especificação Técnica, gerida por Suprimentos (compras);
  • A Automação (hoje) deixou de entregar Vantagem Competitiva nos processos.

Mas porque isto aconteceu? Vamos ver os principais pontos:

  • Está acontecendo com a Automação hoje o que aconteceu com a Informática em meados dos anos 90;
  • A automação é comprada como solução pronta, sem entrega de valor agregado ou aumento de vantagem competitiva;
  • O conhecimento de automação cada vez é orientado mais em produtos não em resultados.

Com todos estes acontecimentos, vamos ver os novos direcionadores tecnológicos e de mercado que apontam para um novo horizonte, para isso, vamos entender o que é Valor:

  • Valor = Percepção de que você recebe mais e a mais do que compra/contrata;
  • Automação Industrial como solução de controle operacional NÃO entrega Valor;
  • Automação Industrial como automação da produção entrega Valor!

Uma pergunta que é muito recorrente no meio, é questionar se a automação é um commodities ou entrega Valor, para isso é necessário fazer as perguntas no formato abaixo:

  • Commodities = mercadoria global sem diferenciação (foco preço);
  • A Automação é contratada para controle operacional?
  • A Automação é contratada para gestão da produção? Valor!

O profissional de automação hoje deve trabalhar em um novo formato, em uma postura que leve o Valor da automação para a produção, consequentemente para o produto final, logo ele deve:

  • Ter conceitos multidisciplinares;
  • Quem projeta deve saber porque fazer e o que fazer como foco;
  • Quem executa deve utilizar ferramentas baseado em escala;
  • Quem integra deve ter foco em produção industrial;
  • Quem vende deve mostrar valor agregado, ROI e TOC.

Agora vamos falar um pouco sobre os integradores em si, tanto os prestadores de serviços quanto ao modelo de empresas de integração de automação, para isso vamos traçar as principais mudanças que ocorreram ao longo do tempo:

ANTES

  • Entregavam a solução completa com conceitual;
  • Detinham o Know-how (tecnologia e processos) mas não assumiam o risco;
  • Não se responsabiliza pela produtividade;

HOJE

  • Entregam a execução com conceitual do Cliente;
  • Detém o Know-how (somente tecnologia) e assumem o risco;
  • Se responsabiliza pela produtividade (tendência).

Nesta mesma linha, vamos comentar a mudança que ocorreu na concorrência, lembra-se de quando entendemos sobre as barreiras de entrada, que foram diminuindo com o tempo, a concorrência aumentou muito, então vemos:

ANTES

  • Baixa concorrência;
  • Conhecimento especialista;
  • Alto índice de lucratividade;
  • Baixo risco;

HOJE

  • Alta concorrência;
  • Conhecimento generalizado;
  • Baixo índice de lucratividade;
  • Alto risco.

Podemos pontuar os maiores desafios que os integradores enfrentam hoje, sem pensar em tecnologias novas, apenas desafios comuns, que se não forem administrados e negócio normalmente não se torna viável:

  • Reduzir tempo de engenharia;
  • Reduzir configuração de controle;
  • Simplificar interfaces de redes e I/O;
  • Simplificar interfaces softwares de gestão;
  • Interfaces com sistemas de fácil conexão com legados/nativos.

Também do lado de quem é usuário e contrata automação, tem expectativas muito atuais, podemos listar as principais, a origem desta informação é de pesquisa de grandes players de automação, com foco no cliente e usuário:

  • Gerenciamento do ciclo de vida dos ativos;
  • Justificar e qualificar valor da automação;
  • Metodologia avançada de integração;
  • Reduzir complexidade de implantação com aumento da complexidade tecnológica;
  • Ferramentas de fluxo de dados para integração de IHM e PLC;
  • Justificar e implantar migração e atualização de sistemas;
  • Gerenciamento da informação e conhecimento operacional;
  • Interoperação e comunicação de sistemas;
  • Simulação de máquinas e processos – OTS;
  • Diagnóstico Built-in – integrado/embarcado;
  • Melhorando e gerenciando documentação técnica.

De face a tudo isso, podemos falar um pouco nas tendências, uma vez que há uma mudança ocorrendo, as principais diretrizes de mudança:

  • A automação industrial caminha para a Informática e Gestão Industrial;
  • O controle de processos caminha para Automação da Produção;
  • Os processos cada vez mais serão embedded, como as máquinas;
  • Produção Digitalizada (Indústria 4.0) – Cloud, IoT, Big Data.

Com isso, podemos traçar uma visão de futuro, uma vez que o mercado “fala” e já estão ocorrendo uma série de alterações neste formato, sendo as principais:

  • O mercado tende a dividir-se em Grandes Players e Integradores Superespecializados (o meio tende a acabar);
  • O cliente cada vez comprará menos produtos, Consumirá Serviços baseado em resultados;
  • A transferência de risco dará o tom dos negócios de tecnologia.

Com isso, podemos entender que há uma mudança de filosofia de mercado, no que se refere a implantação de sistemas de automação, eis as principais:

  • Como é: compro hardware e software – Como tende a ser: alugo e uso em forma de serviços;
  • Como é: contrato baseado em entrega física – Como tende a ser: contrato baseado em performance;
  • Como é: contratação de gestores para tomada de decisões intermediárias – Como tende a ser: uso do Big Data – modelos (Mineração de Dados e Machine Learging).

A evolução da TI nas empresas a tornaram estratégicas, isto é, a TI está dentro do negócio da empresa, com a automação não deveria ser diferente, empresas que viram isto há algum tempo, estão obtendo melhores margens de lucratividades, entendendo que a automação industrial é estratégica, isto é, está no negócio produtivo da indústria, para isso, devemos entender a TO Tecnologia da Operação de forma estratégica, pois vemos Estratégia:

  • A Automação como responsável pela transformação na planta (produção, custo e segurança);
  • Implantar a tecnologia que permita a transformação da planta (customizado para o negócio);
  • Integrar a plataforma de automação com a de negócios da empresa;
  • O ciclo de vida da Automação será o mesmo do negócio, exige rapidez e inovação;
  • Prepare-se para digitalização da planta, informações em tempo real de comando, controle, operação, manutenção e segurança a Era da Indústria 4.0.

A tecnologia está mudando dentro da automação, em relação aos sistemas de hardware e software, impactando em projetos de integração, podemos dizer que já temos uma tendência de mudança real nos integradores, sendo estas tecnologias a saber:

  • A Cibersegurança será foco nos projetos de sistemas;
  • O controle estará nos dispositivos;
  • A inteligência estará nas redes;
  • A CPU principal terá função de “tomada de decisões”;
  • Os sistemas de segurança serão independentes e autônomos;
  • As redes serão autoconfiguradas bem como os dispositivos;
  • Os protocolos se convergirão (ou serão transparentes);

A TI já é grande usuária de consumo de tecnologia na forma de serviços, isto é, não se compra mais hardware e software, com isso não se tem estruturas de operação e manutenção destes sistemas, na automação, podemos dizer que também é uma tendência, mesmo que seja muito novo o conceito de Outsourcing dento da área, mas podemos sim, já pensar num futuro próximo, empresas de automação implantando hardware e softwares, cobrando por serviços consumidos e entrega de performance.

Seria a era das Infraestruturas, Plataformas e Softwares como Serviço, trazendo os conceitos para automação, teríamos:

  • AIaaS – Automation Infrastructure as a Service
  • APaaS Automation Plataform as a Service
  • ASaaS Automation Software as a Service

Para os integradores então, o que podem esperar frente a todas estas mudanças, uma vez que já estão ocorrendo, observem as principais tendências:

  • As empresas de integração terão perfil de TI e Produção Industrial;
  • Os contratos serão baseados na “entrega” de resultados;
  • A infraestrutura (hardware e software) serão locados (Outsourcing), sem custos de propriedade.

Quanto a Indústria 4.0, não podíamos deixar de falar, uma vez que é a 4ª Revolução Industrial e já está impactando nos modelos de especificação de sistemas de automação, daí a importância dos integradores se prepararem.

Não temos a intenção de falar sobre Indústria 4.0, caso tenha dúvidas, sugiro que leia o artigo de igual nome no site.

A grande questão que precisamos entender são os passos que levam a Indústria 4.0, daí vamos saber porque a automação é a base do controle produtivo.

As etapas a saber:

  • Automação – Viabiliza o negócio sendo a base
  • Otimização – Onde se tem a lucratividade, produção e custos
  • Convergência – Aumenta a agilidade na tomada de decisões
  • Redefinir o Propósito – A permanência no mercado
  • Indústria 4.0 – Um Novo Mercado

Ao integradores e empresas vejam o quadro da apresentação de Projetos, para se preparar para a prestação de serviços para a Indústria 4.0, as diretivas de projetos.

Podemos descrever os principais pontos a serem observados na Indústria 4.0, que impactarão na integração de demandas por projetos tecnológicos:

  • Convergência da TI, TO e IIoT;
  • A Internet das Coisas estará na Indústria (IIoT), as máquinas “conversarão” entre si;
  • O Big Data mudará as decisões de reativas para proativas;
  • As informações das pessoas, máquinas e processos serão onipresentes pelo Cloud;
  • A Cibersegurança sustentará os limites da operação automatizada;
  • A Inteligência Artificial apoiará tomada de decisões, eliminando erros e desperdícios.

Com isso, devemos pensar nos novos direcionadores da Indústria 4.0, isto é, como será esta nova produção, lembrando que as principais diretrizes da Automação 4.0, é entregar para a planta industrial, capacidade de elaborar novas formas de fazer negócios, eliminar o desperdício e o erro, produzir de forma customizada e personalizada, para isso, a indústria do futuro será:

  • Interoperável
  • Virtualizada
  • Flexível
  • Uso do Big Data e Cloud
  • Usa Inteligência Artificial
  • Descentralizada

A busca para atender este novo mercado deve estar centrada nas pessoas, isto é, o profissional que irá lidar com projetos, implantação e operação destas novas tecnologias, como isso, podemos pensar que, devemos entender a realidade, frente aos desafios:

  • Faltam profissionais no mercado com conhecimento específico;
  • Caminhamos para era das superespecializações;
  • O modelo de Emprego mudará para o formato de Trabalho;
  • A educação continuada é o único sustentáculo dos profissionais de tecnologia;
  • Os alunos de escolas técnicas em geral devem sair com formação conceitual e base científica.

Na contratação, arguimos um novo pensamento, uma nova forma de desenvolver negócios, para isso, podemos pensar:

  • Automação “Comoditizada”, não Gera Valor na Produção (Não tem diferencial);
  • Evoluir de, contratar Sistemas com ET (Especificação Técnica) para contratar a Empresa que tem a melhor solução;
  • Evoluir de, contratar custo, para contratar o melhor Retorno sobre o Investimento;

Para concluir, gostaria de finalizar com algumas perguntas, que gerem inquietação e motivação para a busca de um novo horizonte, entendendo que os desafios existem e podem se tornar grandes oportunidades:

  • Como você se preparando para ser o Integrador do Futuro?
  • Como estamos desenhando nossos processos, liderando as pessoas e orientando nossos resultados para isso?
  • O quanto estamos acreditando na Mudança?

 

REDES WI-FI NA AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL

Aplicação das Redes Sem Fio no Chão-de-Fábrica (WIRELESS – Padrão IEEE 802.11)

Com o crescente uso da TI Tecnologia da Informação unida a TO Tecnologia da Operação, onde chamamos de Convergência Industrial, as Redes de Comunicação Sem Fio, também vem ganhando espaço no ambiente industrial de fábrica.

Usaremos o termo TO ao invés de TA Tecnologia da Automação, que é a própria evolução da tecnologia, que significa TO=TA+MES ou MOM, ou seja, é a união da Automação Industrial com a Gestão Industrial (Sistema de Gerenciamento de Produção ou Operação).

Todos nós conhecemos as Redes WI-FI normalmente em nosso dia-a-dia, em nossas casas, em um aeroporto ou shopping, onde conectamos nosso smartphone para acesso a serviços de internet, dado a facilidade de uso e grande padronização da comunicação em geral.

Com a popularização, padronização e novas demandas na indústria, a Rede WI-FI, passou também a ser aplicada no chão-de-fábrica, logo temos a intenção neste texto, ainda que de forma simples e rápida, passar uma visão geral de como esta tecnologia vem evoluindo, para isso vamos ver:
• O que é uma Rede WI-FI e sua Tecnologia;
• Como a Rede WI-FI está sendo Aplicada no Chão de Fábrica;
• Quais das Diretrizes para PROJETOS e IMPLANTAÇÃO de Redes WI-FI na Indústria.

Para delimitar nosso tema, vamos analisar esta tecnologia dentro de alguns cenários comuns de aplicação das Redes WI-FI:
• Preciso interconectar dispositivos de automação da fábrica para troca de informações e análise de dados;
• Como especificar equipamentos WI-FI para aplicações no Chão-de-Fábrica, o que devo saber;
• Como analisar os Protocolos, Segurança e Disponibilidade na Rede Industrial WI-FI.

Como dissemos as Redes Sem Fio é a própria evolução tecnológica do meio, agora sendo aplicados no chão-de-fábrica, principalmente quando pensamos na adoção das Redes Ethernet na Automação Industrial, também a evolução de protocolos industriais, desde o advento do sinal analógico 4-20mA.

As Redes WI-FI estão posicionadas no mundo das redes WLAN, que são as Wireless Local Area Network, estas redes são projetadas para pequenas áreas, algo em torno de 50 metros na unidade transmissora, fora os arranjos, com um bom tráfego de dados disponível no meio.

As Redes WI-FI são fáceis de usar, todavia é importante entender o que se justifica para sua aplicação, podemos abaixo eleger algumas características, que por si só encaixam as aplicações na fábrica:
• Interconexão Ethernet convencional (fiação) quando não é possível;
• Segregação de uma rede de comando e controle com uma de informação para gestão;
• Facilidade de manutenção e monitoramento (acesso remoto);
• Disponibilidade da informação em múltiplos locais;
• Baixo Investimento em Infraestrutura para informações de planta.

No uso das Redes WI-FI também temos diversos benefícios, podemos listar alguns principais abaixo:
• Baixo Custo;
• Aplicações Especiais;
• Mobilidade;
• Alcance;
• Flexibilidade;
• Confiabilidade;
• Implantação Rápida;
• Custo de Manutenção;
• Imunidade a Ruído;
• Custo Projeto / Instalação (viabilidade);
• Diagnóstico de Operação, Manutenção e Segurança.

Conhecendo estes elementos da rede, podemos então pontuar as principais características das Redes WI-FI, lembrando mais uma vez que nosso texto é voltado para aplicação na indústria:
• É uma Rede de Classificação WLAN (Local);
• WI-FI é Marca Registrada da Alliance;
• Está baseada no Padrão IEEE 802.11;
• Protocolos Industriais baseado em Ethernet são Aderentes a Tecnologia.

Por princípio de funcionamento da comunicação WI-FI, é através da propagação das ondas eletromagnéticas, há um arranjo eletrônico nos dispositivos, onde as informações são trocadas através das antenas dos equipamentos, por esta propagação eletromagnética, originada pela onda elétrica (movimento dos elétrons), trafegam informações devidamente codificadas e interpretadas entre os dispositivos, formando a rede de comunicação, através de seus protocolos e serviços.

A comunicação das redes WI-FI, é padronizada pelo IEEE 802, especificamente pela parte 11, que trata das redes LAN, redes Locais.

O padrão em evoluindo desde sua criação e é identificado por letras após a parte, por exemplo, IEEE 802.11a,b,g.

Normalmente os padrões identificam a frequências de trabalho, a modulação e a velocidade dos dados da tecnologia suportada, já temos cinco gerações de padrões e é constante a evolução, na apresentação mostramos os gráficos e tabelas, onde dispensam nossos comentários textuais.

Para conhecimento a respeito de aplicações industriais, normalmente os padrões de aplicação são (a,b,g,n), vamos descrever o que significa brevemente cada um:

IEEE 802.11a
• Foi definido após os padrões 802.11 e 802.11b.
• Chega a alcançar velocidades de 54 Mbps dentro dos padrões da IEEE e de 72 a 108 Mbps por fabricantes não padronizados.
• Esta rede opera na frequência de 5,8GHz e inicialmente suporta 64 utilizadores por Ponto de Acesso (PA) .
• As suas principais vantagens são a velocidade, a gratuidade da frequência que é usada e a ausência de interferências.
• A maior desvantagem é a incompatibilidade com os padrões no que diz respeito a Access Points 802.11 b e g, quanto a clientes, o padrão 802.11a é compatível tanto com 802.11b e 802.11g na maioria dos casos, já se tornando padrão na fabricação.

IEEE 802.11b
• Ele alcança uma taxa de transmissão de 11 Mbps padronizada pelo IEEE e uma velocidade de 22 Mbps, oferecida por alguns fabricantes.
• Opera na frequência de 2.4GHz. Inicialmente suporta 32 utilizadores por ponto de acesso.
• Um ponto negativo neste padrão é a alta interferência tanto na transmissão como na recepção de sinais, porque funcionam a 2,4GHz equivalentes aos telefones móveis, fornos micro ondas e dispositivo Bluetooth.
• O aspecto positivo é o baixo preço dos seus dispositivos, a largura de banda gratuita bem como a disponibilidade gratuita em todo mundo.
• O 802.11b é amplamente utilizados por provedores de internet sem fio.

IEEE 802.11g
• Baseado na compatibilidade com os dispositivos 802.11b e oferece uma velocidade de até 54 Mbps.
• Funciona dentro da frequência de 2,4GHz.
• Tem os mesmos inconvenientes do padrão 802.11b (incompatibilidades com dispositivos de diferentes fabricantes).
• As vantagens também são as velocidades.
• Usa autenticação WEP estática já aceitando outros tipos de autenticação como WPA (Wireless Protect Access) com criptografia (método de criptografia TKIP e AES).
• Torna-se por vezes difícil de configurar, como Home Gateway devido à sua frequência de rádio e outros sinais que podem interferir na transmissão da rede sem fio.

IEEE 802.11n
• O IEEE aprovou oficialmente a versão final do padrão para redes sem fio 802.11n.
• Vários produtos 802.11n foram lançados no mercado antes de o padrão IEEE 802.11n ser oficialmente lançado, e estes foram projetados com base em um rascunho (draft) deste padrão.
• Tiveram alterações significativas nas 2 camadas de rede (PHY e MAC), permitindo a este padrão chegar até os 600 Mbps, quando operando com 4 antenas no transmissor e no receptor, e utilizando a modulação 64-QAM (Quadrature Amplitude Modulation).
• As principais especificações técnicas do padrão 802.11n incluem: – Taxas de transferências disponíveis: de 65 Mbps a 450 Mbps.
• Método de transmissão: MIMO-OFDM – Faixa de frequência: 2,4GHz e/ou 5GHz.

Nas aplicações de Rede WI-FI alguns desafios devem ser entendidos para que possa ser mitigada em projetos, através de boas práticas a implantação de dispositivos e acessórios para uma perfeita comunicação, sendo os principais abaixo:
• Entender a propagação do sinal no ambiente;
• Que tipos de antenas utilizarem;
• Quais são os obstáculos no local;
• Onde será aplicação, ambiente interno e/ou externo;
• O que se espera da rede e seu desempenho (criticidade).

Podemos observar acima que se não forem dadas devidas atenções a questões de ambiente e obstáculos, a comunicação se tornará instável, sendo que a tecnologia que permite a MODULAÇÃO, das ondas magnéticas é crítica, quanto ao funcionamento do dispositivo WI-FI, esta mesma tecnologia também evoluiu e consta no catálogo de aplicações dos equipamentos.

Vamos mostrar abaixo as três principais tecnologias aplicadas para modulação de sinais.

FHSS – Espalhamento Espectral por Salto de Frequências
• Usa uma portadora de banda estreita única;
• Transmissor e recepto usam canal único para se conectarem;
• Mudam (saltam) a frequência entre si (400ms);
• A comunicação é vista por um invasor como um ruído, dificultando a leitura;
• Utiliza toda a banda, perde-se velocidade de transmissão.

DSSS – Espalhamento Espectral com Sequenciamento Direto
• Espalha a informação ao longo de sua faixa de frequência;
• Usa codificação e decodificação (chipping code), uma função XOR de resultado 0= entrada iguais e 1= entradas diferentes;
• Suporta taxa de dados variados;
• Resistentes da multi-rotas e interferências;
• Muito sensível a sinais de ruído;
• Número limitado de acesso a um mesmo canal.

OFDM – Multiplexação por Divisão de Frequência
• Divide o sinal em diversas sub portadoras, cada um possui um trecho de informação;
• Utiliza largura de banda maior que as outras;
• Usa multiplexação por divisão de frequência;
• Elevada eficiência do espectro do campo de comunicação;
• Imunidade contra multi-rotas e filtragem de ruído simples;
• Dificuldade de sincronismo das portadoras e sensibilidade a desvios de frequência.

A tecnologia Dual Band é a capacidade dos dispositivos WI-FI trabalharem em frequências distintas, por exemplo, a comunicação está operando em 2,4 GHz, porém começa-se a identificar perda da qualidade do sinal, então o sistema passa a operar, por exemplo, em 5 Ghz, com isso pode-se continuar a comunicação com a mesma qualidade, pode ocorrer o inverso.

Dispositivos que operam em 5 GHz normalmente são Dual Band automáticos.
Os dispositivos que operam em 2,4 GHz operam com 3 canais, enquanto os que operam em 5GHz operam com 23 canais em sobreposição. As frequências de 2,4 GHz chegam com o sinal mais longe, obtendo melhor cobertura.

Quais as principais diferenças do WI-FI convencional do Industrial?

Abaixo listamos o que realmente é importante, uma vez que a tecnologia da comunicação é a mesma, todavia aplicações no campo requerem características de equipamentos diferenciados:
• Aplicação em Ambientes Severos (Hardware);
• Temperatura 75º C a -35º C (exemplo);
• Proteção Mecânica Especial;
• IP (Grau de Proteção Alto);
• Suportar Vibração e Impacto;
• Alta Imunidade a Ruídos (EMI);
• Arranjos de Alta Disponibilidade (Redundâncias);

Os equipamentos que estabelecem comunicação no ambiente WI-FI são chamados de AP Access Point, eles tem características de configuração e serviços que permitem uma série de arranjos e funcionalidades.

Abaixo listamos as principais, sugerimos que vejam o vídeo e a apresentação, pois facilitará o entendimento, uma vez que seria desnecessário descrever em texto, onde o vídeo facilita o entendimento.
• AP – Access Point – Ponto do Acesso ao WI-FI;
• Roteador – Conecta o Ambiente Wireless a Serviços (Ex. Internet);
• AP Client – Ponto que Recebe o WI-FI e converte em Cabo RJ;
• Gateway – Distribui em Sinais Secundários – Diversos Pontos WI-FI
• Repeter – É um repetidor da rede WI-FI, amplificando o Sinal;
• Bridge – é uma Ponte, passa de uma Entrada para uma Saída de forma Transparente;
• WDS – função que coloca um conjunto de AP em uma única rede;
• Roaming – Função de conectar um AP de forma móvel em outras conexões;
• Mesh – Protocolo que dá capacidade de elaborar arranjos móveis e dinâmicos, onde o módulo AP recebe e transmite sinais.

As Redes WI-FI são de fácil detecção no ambiente, logo estão sujeitas a ataques de intrusão ou até mesmo perda de integridade de informação, para isso é importante o entendimento que é necessário uma criptografia e autenticação de dados que trafegam pelo sistema.

De acordo com a segurança da rede industrial, existem três aspectos que devem ser considerados: confidencialidade, integridade e disponibilidade.
• Confidencialidade: Garantia da informação somente para usuário autorizado;
• Integridade: Informação somente pode ser modificada por usuário autorizado;
• Disponibilidade: Acesso permanente as informação pelos usuários autorizados.

As tecnologias de Segurança para redes WI-FI são listadas abaixo, com suas principais características:
• WEP – Wired Equivalent Privacy
• 1999
• Primeiro Protocolo de Segurança
• 128 bits
• Não é Considerado Padrão desde 2004
• Fácil de ser Quebrado

• WPA – Wi-Fi Protected Access
• 2003
• Evolução do WEP
• 256 bits
• Tinha Compatibilidade com WEP
• Ataques feitos em Sistemas Suplementares

• WPA2 – Wi-Fi Protected Access II
• 2006
• Sistema Padrão Atualmente
• Função: AES (Advanced Encryption Standard)
• Função: CCMP (Counter Cipher Mode)
• Necessita Alto Poder Processamento
• Muito Avançado – Alguns Dispositivos não Suportam

Mas, qual arranjo e configuração executar, em face de tantos recursos, a resposta é, quanto mais recursos, melhor e para um entendimento fácil, podemos pontuar das melhores configurações de segurança, até a rede aberta abaixo:

1. WPA 2 com AES habilitado;
2. WPA com AES habilitado;
3. WPA com AES e TKIP * habilitado;
4. WPA apenas com TKIP habilitado;
5. WEP;
6. Rede aberta.

TKIP (abreviatura para Temporal Key Integrity Protocol) é um método de encriptação. O TKIP disponibiliza uma chave “per-packet” que junta a integridade da messagem e um mecanismo de reenvio de chave.

AES (abreviatura para Advanced Encryption Standard) é um standard autorizado de encriptação forte para WI-FI.
WPA-PSK/ WPA2-PSK e TKIP ou AES usam uma “Pre-Shared Key” (PSK) que possui 8 ou mais caracteres de extensão, até um máximo de 63 caracteres.

WPA2-PSK é um dos sistemas recomendados para autenticação de dados e AES é um dos sistemas recomendados para criptografia dos dados.

Quando pensamos em aplicações sem fio, os dispositivos estão conectados trocando informações e serviços entre si através de endereços, normalmente por IP, na camada 3 de dados, é usual e via de regra não há muito problema de perda de conexão.

Mas e quando é necessário fazer a troca de informações pelo Acesso do Meio, na camada 2 no MAC, alguns protocolos industriais trabalham neste formato, por exemplo , PROFINET.

Para isso há um recurso chamado de Coordenação, onde através de funções de sincronismo e coordenada, estabelece-se conexão controlada dos pontos MAC.
Existem dois tipos de controle de acesso ao meio e é baseado em funções de coordenação:

• DCF – Distributed Coordination Function ou Função de Coordenação Distribuída

• PCF – Point Coordination Function ou Função de Coordenação Pontual

DCF – apresenta dois métodos de acesso:
• DCF básico utilizando CSMA/CA – Carrier sense multiple access with collision avoidance – (Tenta Evitar Colisão);
• DCF com extensão RTS/CTS – Request to Send / Clear to Send (Tenta Sincronizar a Rede por um Tempo Conhecido);
• Para aplicações simples.

PCF – Point Coordination Function:
• Cada estação Cliente possui um Slot Time
• Melhora o Determinismo da Rede
• Não Prioriza Mensagens

Para a implantação de sistemas de Rede WI-FI, podemos pontuar algumas boas práticas abaixo, lembrando que é necessário um bom projeto de rede:
• Esteja certo do propósito da rede Wireless WI-FI, o que se espera e principalmente porque substituiu o cabo;
• Analise o a Visada do Ambiente, se possível contrate um serviço de Site Survey;
• Contrate uma empresa especialista para elaborar a especificação de acordo com sua necessidade;
• Configure os Client´s e suba os serviços conectados aos AP´s, analise a intensidade e qualidade do sinal;
• Implante os periféricos e configure, repetidores, roteadores, teste as desconexões lógicas;
• Faça teste de tráfego e broadcast, analise de preferência baseado no protocolo de trabalho;
• Faça cenários de desconexão, libere para trabalho.
Com a tecnologia de redes evoluindo constantemente, podemos descrever algumas tendências na indústria, que despontam como próximas tecnologias:
• Ampla utilização das redes WI-FI para distribuir informação na Planta;
• Entrega de Informações no Cloud e Big Data, para armazenamento e análise de dados da Operação e Manutenção via WI-FI;
• Convergência das Redes Industriais e Protocolos para Ethernet, facilitando a disseminação da informação via WI-FI.

Concluímos que as redes WI-FI na indústria são a próxima fronteira, uma vez que a ethernet industrial se consolida como padrão, as redes WI-FI aderem a tendência da entrega de informações com baixo custo, de forma rápida e segura, atendendo aos requisitos da indústria 4.0.