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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.

REDES ETHERNET INDUSTRIAL

Conceito e Aplicação da Rede Ethernet na Automação e Controle Industrial

As Redes Ethernet se consolidaram como padrão de comunicação entre computadores desde sua invenção, como a Automação Industrial se convergiu ao longo dos últimos anos com a TI Tecnologia da Informação, as Redes Ethernet se desenvolveram dentro do universo da TA Tecnologia da Automação, ganhando características que delinearam um cenário de total aderência aos novos projetos e atualização de sistemas legados de rede para automação e controle.

Em nosso texto, temos a intenção de descrever esta tecnologia, que cresceu no meio da TA, o assunto é muito extenso e observamos grande dificuldade em encontrar materiais que pudessem expor de forma simples, com termos de pesquisa, para que o leitor pudesse continuar seus estudos, uma vez que não temos a pretensão de esgotar o assunto, dado a quantidade de informações necessária para o desenvolvimento de projetos de infraestrutura de automação.

Para isso, vamos delimitar nosso estudo, onde teremos três diretrizes, que se refere ao que vamos falar:

  • O que é uma Rede Ethernet;
  • Como a Rede Ethernet está sendo Aplicada no Chão de Fábrica;
  • Quais das Diretrizes para Projetos e Implantação de Redes Ethernet na Indústria.

Para âmbito de aplicações, também vamos desenhar três cenários, normalmente comuns em projetos de rede Ethernet na indústria:

  • Preciso elaborar um Projeto de Automação na Planta, mas tenho dúvidas quanto ao funcionamento da Ethernet Industrial;
  • No Projeto do COI Centro de Operações Integradas, há uma Infraestrutura de Rede Ethernet, o que preciso levar em consideração de maior relevância;
  • Quais os Protocolos Industriais principais que funcionam no Padrão Ethernet e o que devo entender para Conceituar uma Solução.

As Redes Ethernet foram inventadas em 1973, por Robert Metcalfe em um projeto atribuído a Xerox Palo Alto, hoje sendo o padrão mais aceito no mundo para intercomunicação de dados em rede.

O Padrão Ethernet define o meio físico de conexão do cabeamento, define o controle de acesso do dado na rede e define o quadro (frame) de informação, tudo isso baseado na norma IEEE 802-2 e IEEE 802-3, que em suas subdivisões, estabelece características técnicas dos padrões de rede, não é nosso foco entender a IEEE 802-2 e 3, sugerimos que pesquisem sobre tal modelo.

As Redes Ethernet oferecem diversos benefícios em suas aplicações, podemos descrever abaixo alguns principais:

  • Rede simples de projetar e implantar;
  • Componentes de baixo custo, comparados a outras redes;
  • Permite diversos Protocolos dentro do Padrão;
  • Rede padronizada por normas em constante evolução;
  • Pode ser aplicada desde ambientes domésticos até industriais (componentes especiais);
  • Rede interoperável e escalar.

Para entender e até relembrar como estas redes evoluíram, podemos descrever desde seu surgimento as mídias de conexão que permitem acesso ao meio, por exemplo:

  • No início, cabo coaxial;
  • Conexão de cabo RJ-45;
  • Fibra Óptica;
  • E as redes Sem Fio Wi-Fi.

Nosso foco de entendimento e a aplicação da Rede Ethernet são no ambiente industrial, isto é, no chão-de-fábrica, pois seu invento foi utilizado em níveis administrativos de dados e até então, não se pensava na aplicação em máquinas e equipamentos, pois havia limites técnicos e já existiam redes industriais para estas funções.

Para aplicações na indústria, foi necessário um desenho da rede que pudessem atender esta nova realidade, todavia, não poderiam mudar o padrão de acordo com a IEEE 802-3, sendo estas características abaixo, necessárias para esta realidade na indústria:

  • Aplicação em Ambientes Severos (Hardware);
  • Temperatura 75º C a -35º C (exemplo);
  • Proteção Mecânica Especial;
  • IP (Grau de Proteção Alto);
  • Suportar Vibração e Impacto;
  • Alta Imunidade a Ruídos (EMI);
  • Arranjos de Alta Disponibilidade (Redundâncias);
  • Uso de Protocolos Industriais.

As Redes Ethernet, se baseiam no princípio de funcionamento do CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection ), na prática, o padrão trabalha enviando dados na rede e detectando colisões de pacotes, abaixo um descritivo básico do seu funcionamento:

<1> – Se o canal está livre, inicia-se a transmissão, senão vai para o passo <4>;

<2>- [transmissão da informação] se colisão é detectada, a transmissão continua até que o       tempo mínimo para o pacote seja alcançado (para garantir que todos os outros transmissores e receptores detectem a colisão), então segue para o passo <4>;

<3>- [fim de transmissão com sucesso] informa sucesso para as camadas de rede superiores, sai do modo de transmissão;

<4>- [canal está ocupado] espera até que o canal esteja livre;

<5>- [canal se torna livre] espera-se um tempo aleatório, e vai para o passo <1>, a menos que o número máximo de tentativa de transmissão tenha sido excedido;

<6>- [número de tentativa de transmissão excedido] informa falha para as camadas de rede superiores, sai do modo de transmissão.

Entendido que, a rede funciona baseada no envio de pacotes, e estes são tratados através das colisões, temos o conceito de encaminhamento, que demonstra os princípios de envio das informações, sendo abaixo o funcionamento básico:

  • A origem (informação) é sempre UNICAST (Único Ponto);
  • O destino é BROADCAST (Informação em Toda Rede);
  • O destino pode ser MULTCAST (Múltiplos Locais, mas com Informação Dirigida);
  • O destino pode ser UNICAST (Único Local);
  • ANYCAST tem o destino definido em um ROUTER;

Desta forma, podemos entender que é necessário um controle para gerenciar estas informações na Rede Ethernet, sendo o Switch o principal equipamento que tem essa atribuição como componente de rede, onde vamos ver mais a frente, o funcionamento destes.

Uma das maiores questões técnicas que foram barreiras quanto à aplicação da Ethernet na indústria, se refere ao determinismo de rede, pois o principio de colisão de dados não permite a certeza de entrega e recebimento de uma informação em uma base de tempo conhecida, para sistemas de controle, por exemplo, isso é fator fundamental.

Sendo assim, a característica de entrega e recebimento de uma mensagem na rede é baseada no tempo, isto é, a certeza de entrega e no tempo programado.

As Redes Ethernet se baseiam no CSMA/CD e não permite determinismo, pois trabalham com colisão de dados, os switches permitem o gerenciamento Broadcast para Multcast ou Unicast.

Ethernet Industrial para Controle (determinística) utiliza características de controle de sincronismo dentro de seu Protocolo, sem alterar características do Padrão, por exemplo, (Profinet, Ethernet/IP).

Como vimos, Ethernet é um padrão e tem seu principio no envio e recebimento de pacotes de dados, para que tudo isso funcione dentro de um sistema, é necessário uma arquitetura que tenha alguns componentes, tais como, switches, gateways, firewall entre outros, desenhados de forma a obter um arranjo que haja integridade, segurança, disponibilidade e sincronismo.

De acordo com o modelo OSI (Open Systems Interconnect), um sistema de rede de comunicação é dividido em 7 camadas, como vemos abaixo:

  1. Camada Física
  2. Camada de Ligação de Dados ou Enlace de Dados
  3. Camada de Rede
  4. Camada de Transporte
  5. Camada de Sessão
  6. Camada de Apresentação
  7. Camada de Aplicação

Não faz parte nosso escopo estudar as camadas, vamos focar no Padrão Ethernet com visão de infraestrutura, para isso os componentes de rede serão aplicados nas camadas (1) física, (2) enlace, (3) rede e (4) transporte, ainda existindo outras aplicações dentro do contexto, vamos entender estas principais.

Os switches são os principais componentes de uma Rede Ethernet, na prática eles controlam os encaminhamentos de rede, conforme vimos acima, são as chaves de conexão, que controlam o trafego de dados.

Eles podem ser gerenciáveis ou não, sendo que, os nãos gerenciáveis, possuem funções básicas, que controlam o direcionamento dos dados (origem e destino) e gerenciam colisões, de forma a não “travar” a rede.

Os gerenciáveis, além das funções básicas, possuem funções de segurança e gerenciamento individual de portas e informações, por exemplo, criação de VLAN Redes Virtuais.

As principais funções dos switches, podemos destacar abaixo algumas características:

  • Automação das redes;
  • Localização física (porta/segmento);
  • Localização lógica (rede/sub-rede);
  • Priorização de mensagens;
  • Identificação dos tipos de mensagem;
  • Gerenciar a qualidade mensagem QoS;
  • Tratar erros e falhas;
  • Gerenciar tempos e sincronismo.

Vamos descrever abaixo, as principais características dos switches e componentes de uma arquitetura Ethernet para aplicações nos níveis do modelo OSI que vimos anteriormente, dado a extensão do assunto, somente vamos referenciar e apresentar as principais características para entendimento do conceito e sugerimos um estudo aprofundado.

SWITCH LAYER 2

  • Trabalham com Endereçamento MAC (de equipamento);
  • Possuir gerenciamento de VLAN (dentro da rede) – gerenciável;
  • Gerencia pacote de erros, mas não bloqueia Broadcast;
  • Podem possuir funções para Profinet (RT/IRT) e Ethernet/IP (IGMP);

* VLAN Rede Virtual

* RT Real Time

* IRT Isochronous Real-Time

* IGMP Internet Group Management Protocol

SWITCH LAYER 3

  • Todas as funções do L2;
  • Gerenciam rotas de endereços lógicos (IP);
  • Intercomunicam VLAN;
  • Gerenciam banda de comunicação e latência;
  • Gerencia múltiplos serviços na rede (liberação de acesso);

SWITCH LAYER 4

  • Possui todas as funções do L2 e L3;
  • Tem capacidade de distinguir serviços (HTTP, FTP…)
  • Configurável para tomada de decisões pelo UDP (User Datagram Protocol);
  • Gerencia tráfico de rede baseado no QoS (Qualidade do Serviço);
  • Podem-se tomar decisões de rota, baseado em erros, latência e demanda;
  • É a base das SDN (Redes Baseada em Software).

Quando pensamos em redes, devemos entender que é necessário em muitos projetos a segmentação destas, com objetivo de segurança, organização e elevação de desempenho de tráfego, estas sub-redes, podem ser físicas ou lógicas.

Com o advento dos Switches gerenciáveis, podemos criar diversas redes e sub-redes de forma virtual, chamadas de VLAN, e com isso obter algumas funções avançadas para controle e gerenciamento, como vimos abaixo:

  • Controle de Broadcast na rede;
  • Priorização de tráfego de dados (informação e controle);
  • Elevação da segurança de acesso.

Como item da Rede Ethernet, a característica de segurança é fundamental para o funcionamento do sistema, para isso em uma arquitetura, utilizamos os Firewalls, que são equipamentos de hardware e software que tem por objetivo proteger a rede contra acessos não autorizados, ele gerencia permissões de acesso e a origem e destino de dados e permite criptografia de dados para interconexão de serviços entre dispositivos.

A Rede Ethernet é um padrão de comunicação de dados, vamos entender que são as vias de informação, agora vamos aplicar para o uso na automação, para isso precisamos entender o que são os Protocolos de Rede, onde:

  • Um Protocolo de Comunicação são as “regras” que controlam a troca de informações em uma rede;
  • O Protocolo caracteriza a sintaxe, semântica e a sincronização do dado na rede;
  • O Protocolo deve ser igual (inclusive em sua versão), dentro de uma rede, mesma “linguagem”.

Vamos descrever abaixo os principais Protocolos Industriais para o Padrão Ethernet, utilizados no Controle e Automação Industrial, limitamos tanto em quantidade de Protocolos, quanto em sua descrição, uma vez que para isso, merecem um texto focado e completo de cada um, além da descrição de todos no mercado.

Todavia, vamos caracterizar alguns, para efeito de conceito, onde não temos também, a intenção de formar opinião sobre o uso, vantagens e especificidades de cada um deles.

TCP/IP

Conjunto de protocolos de comunicação entre computadores em rede;

TCP (Transmission Control Protocol – Protocolo de Controle de Transmissão) e o IP (Internet Protocol – Protocolo de Internet, ou ainda, protocolo de interconexão);

VANTAGENS:

  • Padronização;
  • Interconectividade;
  • Roteamento;
  • Robustez;
  • Internet.

MODBUS/TCP

Protocolo de comunicação industrial, originalmente desenvolvido para RS-232/485;

Para trabalhar em redes Ethernet, os dados são encapsulados em TCP, trabalha em CSMA-CD e tem modelo Cliente-Servidor;

VANTAGENS:

  • Protocolo consolidado;
  • Simples de configurar;
  • Frame simplificado;
  • Fácil conversão de padrão.

PROFINET

PROFINET é uma rede baseada em um padrão de comunicação Ethernet Industrial padronizado pelas normas IEC 61158-5 e IEC 61158-6;

100% compatível com a tecnologia Ethernet ( IEEE 802.3 ) adotada pela associação PI – PROFIBUS & PROFINET International.

VANTAGENS:

  • Protocolo aberto;
  • Manutenção inteligente;
  • Alta disponibilidade e segurança;
  • Tempo real e Sincronismo.

ETHERNET/IP

É um protocolo industrial baseado em Ethernet que combina a função CIP (Common Industrial Protocol), gerido pela ODVA (Open DeviceNet Vendors Association);

A função CIP trabalha baseado no IGMP (Internet Group Management Protocol), onde a informação da rede e gerenciada em grupos Multcast;

VANTAGENS:

  • Múltiplos serviços TI e TA;
  • Gerenciamento da Rede na TA;
  • Diagnóstico Avançado;
  • Sincronismo e Segurança.

IEC-61850

É um padrão de comunicação para sistemas de automação elétrica;

Os modelos de dados abstratos definidos na norma IEC 61850 pode ser mapeado para um número de protocolos, mapeamentos atuais do padrão devem ser:

  • MMS (Manufacturing Message Specification);
  • GOOSE (Generic Object Oriented Subestação Event);
  • SMV (Amostras de Valores Medidos) e Web Services;

Estes protocolos podem ser executados através de TCP / IP ou redes LANs subestação utilizando alta velocidade Ethernet comutada para obter os tempos de resposta necessários abaixo de milissegundos para sistemas de proteção.

Quando tempos múltiplos protocolos na arquitetura da Rede Ethernet e é necessário fazer tudo se comunicar no único padrão, por exemplo, imagine que você tenha um CCM Centro de Controle de Motores, em uma rede Ethernet/IP e o seu sistema de controle seja um PLC com I/O Controler em Profinet, então se faz necessário a implantação de um Gateway de rede, que na prática converte o Protocolo.

É sabido que muitos Protocolos Industriais já suportam perfis de segurança, para máquinas e processos, mas e o padrão Ethernet? Sim, também suporta perfil de Safety, por exemplo, o Protocolo Profinet suporta o perfil Profisafe para sistemas de segurança, podendo na mesma Rede Ethernet, trafegar dados de informação, controle e segurança.

Para projetos e implantação de Redes Ethernet, devemos seguir boas práticas de redes, existem diversos manuais e guias, que dão muitas ideias e roteiros de sucesso, segue abaixo uma relação de alguns itens de grande importância a se observar em uma implantação, lembrando que questões como Cabeamento Estruturado e Certificação de Redes, fazem parte de um escopo de Projeto de Redes Ethernet:

  • Entenda as necessidades operacionais de sua planta, por exemplo, COI Centro de Operações Integradas e todo fluxo de trabalho;
  • Defina pelo protocolo (principalmente o industrial), que melhor atenda as suas necessidades de serviços de operação e manutenção;
  • Viabilize o projeto baseado em TCO, Custo Total de Propriedade, manutenção e aquisição de hardware e software, durante um período de tempo;
  • Contrate uma empresa especializada em soluções técnicas e discutam juntos cenários de tecnologia e viabilidades técnicas e financeiras;
  • Projete e implante uma infraestrutura de redes que suportem as convergências da Indústria 4.0 e que gere valor para seu negócio.

As Redes Ethernet continuam em evolução desde sua invenção, além das tecnologias que se agregam, com objetivo de formar sistemas de comunicação, com isso descrevemos abaixo as principais tendências na continuidade e evolução desta tecnologia:

  • As redes Ethernet aplicadas na Indústria são uma realidade, ainda que haja muito legado de outros padrões, mas o crescimento é dado pela simplicidade, robustez e baixo custo da rede;
  • Infraestrutura de rede Ethernet, baseado na tecnologia SDN (Redes Definidas por Software), tendem a ser uma nova fronteira, uma vez que é a automação dos dados e serviços dentro da infraestrutura;
  • Convergência de TI e TA é uma realidade, todavia ainda não está amadurecido a questão da segurança e a geração de valor das informações em conjunto para tomada de decisões, somando a este conjunto, temos agora as informações vindas do IIoT (Internet Industrial das Coisas), tendendo a evoluir a necessidade de redes cada vez mais estruturadas.

Concluímos que as redes Ethernet permitem a convergência, simplicidade, rapidez e alta capacidade de informações e alta velocidade na rede, proporcionando tomada de decisões cada vez mais rápidas, do processo, manutenção e segurança funcional da planta.

CONVERGÊNCIA DA AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

 

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

  • Desenhe todos os fluxos de negócios e suas inter-relações com todas as redes (Workflow com proposição de Valor);
  • Prepare todas as redes de forma a serem produtoras e consumidoras de informações (padrão);
  • Faça um projeto de conexão física, lógica, de segurança e de interligação das redes;
  • Programe os Webservices de acordo com as regras de negócio;
  • Treine as pessoas para o uso do Valor do conhecimento da planta que está no Big Data, trazendo os benefícios para o Negócio.

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

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

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

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

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

PROFINET – TECNOLOGIA E APLICAÇÕES

Protocolo de Comunicação Industrial no Padrão Ethernet – A Evolução do Profibus

A evolução dos protocolos de comunicação que se convergem no Padrão Ethernet são uma realidade na indústria.

O Protocolo PROFINET é a própria evolução da comunicação industrial, é a evolução do Protocolo Profibus, mas em um outro formato, bem mais completo, que atende uma gama variada de aplicações que hoje são demandadas pela indústria, numa única solução.

Vocês vão ver nesta apresentação a capacidade de utilização do Protocolo para a Informação de Planta, Controle dos Processos, Sincronismo, Segurança e Alta Disponibilidade, fazendo com que na ponta, tenhamos ganhos de produtividade industrial.

Também mostramos um case de aplicação pontuando as vantagens do uso do Profinet, além de mostrar seu “convívio” com outros Protocolos Industriais.

O Protocolo Profinet é uma das soluções que atendem a demanda por soluções em Ethernet na indústria, além de estar preparado para a nova realidade, num futuro próximo, para a Indústria 4.0.

Disponibilizamos o vídeo que é uma palestra do tema, além de uma apresentação que se refere ao mesmo conteúdo.

DESCRIÇÃO TÉCNICA PROFINET – CONHEÇA A TECNOLOGIA EM DETALHES

 

USINA 4.0 – O Setor Sucroenergético e a Indústria 4.0

A Quarta Revolução Industrial no Setor Bioenergético

Estamos vivendo a transição da 3ª Revolução Industrial para a 4ª Revolução Industrial, a partir da década de 70 a implantação de computadores nas linhas de produção, fazendo o controle dos processos, permitiram ganhos de escala sem precedentes, além padronização e elevada qualidade, reduzindo drasticamente os custos de produção.

A partir da década de 90, a massificação da Internet trouxe um novo conceito de se comunicar, impactando diretamente a vida das pessoas, a ideia básica foi que todos estivessem se comunicando através de uma plataforma única, hoje com redes sociais e, usando dispositivos on-line, os smartphones, permitindo troca de informações, pesquisas, análise de dados, decisões e ações em tempo real e descentralizada.

O Setor Sucroenergético também evoluiu no quesito Automação Industrial, no início da década de 80 os painéis de controle pneumático foram substituídos por eletrônicos, depois por redes industriais na década de 90 e no início do século XXI, vemos as Usinas com Centro de Operações comandando toda a planta, a partir de tecnologias de Controladores Programáveis, todos conectados em redes de informação e controle.

As novas tecnologias que surgem como bandeira desta nova revolução, já são presentes, porém estamos vivendo uma transição, sem estabelecer um limite de implantação, novos conceitos, tais como, Internet das Coisas (IoT) e Banco de Dados (Big Data), permeiam esse novo cenário.

Na prática, as plantas industriais são reativas quanto aos processos produtivos, mudanças de cenário econômico, de consumidores, tendências de manutenção e operação, somente aparecem para o operador ou coordenador quanto de fato ocorrem, na maioria das vezes arrastando prejuízos na produção de toda ordem, custo, segurança e qualidade.

As variáveis do processo são centralizadas nos controladores, com o objetivo final de fazer o controle operacional, porém elas não são interligadas, não se comunicam umas com as outras. Por exemplo, quando há baixa de carga na moenda, os motores continuam recebendo máxima carga, diminuindo a eficiência energética, quando há contaminação no mosto, demora-se chegar no resultado, vindo do laboratório, de quantidade de dosagem química, diminuindo o rendimento produtivo, operações vazias, flutuantes, com alta variabilidade, exigem consumo contínuo de água, ar comprimido, vapor, gases e energia elétrica, impactando em desperdício e alta emissão de CO2.

O conceito da Indústria 4.0, no qual propomos o tema Usina 4.0, é a criação de um ambiente industrial onde as pessoas, equipamentos e informações, trafeguem nesta grande rede, podemos chama-la de Internet Industrial. A usina estará conectada num ambiente de informações dinâmicas, por exemplo, dados meteorológicos, que influenciam o campo e a moagem, no tempo real, permitindo uma tomada de decisões sobre corte e produção, a conexão do estoque de insumos, seu consumo em tempo real e operação com os fornecedores de produtos e serviços, permitindo a entrega e análise do processo no tempo que ocorre, eliminando desperdícios de toda ordem.

A Usina 4.0 terá todo o processo produtivo conectado, todos os instrumentos e equipamentos na planta industrial, no setor agrícola com máquinas e equipamentos conectados no GPS trocando informações com a indústria e os parâmetros dos controladores, isso será permitido através da Internet da Coisas (IoT), a maioria com redes sem fio Wireless, todo o processo produtivo será Simulado através de cenários, tanto de mercado, quanto de consumo, fazendo a Usina produzir sob medida, na melhor relação Insumo x Venda, pois o Banco de Dados (Big Data) receberá todas as informações da cadeia produtiva, tanto interna, dos equipamentos e pessoas que vimos, quanto externa, fornecedores, governos, clima, mercado, entregando informações para tomada de decisões, sendo ainda suportada pela Computação Cognitiva, onde os sistemas “aprenderão” com os cenários, é a evolução do próprio controle operacional que hoje existe na forma de controladores programáveis e supervisórios, ou ainda, os SDCD Sistemas Digitais de Controle Distribuído,  oferecendo aos operadores e coordenadores as melhores opções de tomada de decisões, analisando o ambiente produtivo com variáveis relacionadas, tais como, caso ocorra uma quebra de caminhão, o impacto que sofrerá a moagem e em qual tempo, uma aumento da umidade e o impacto na cogeração e consumo do insumo na Unidade Termoelétrica, uma demanda pontual para produzir etanol anidro, qual o melhor arranjo produtivo e em que momento para obter o melhor aproveitamento.

Os pilares da Usina 4.0, serão baseados nos conceitos desta Indústria 4.0, terão as seguintes características:

  • Interoperabilidade dos sistemas, pessoas e informações, tudo se intercomunica no sistema Ciberfísico da Usina;
  • Virtualização da fábrica, uso de modelos conectados com os sistemas físicos, podendo simular toda a safra, antes mesmo de iniciar, com todos os cenários e pré-setar equipamentos;
  • Descentralização dos sistemas, permitindo que os subsistemas tomem decisões dentro do conjunto, através de modelos de automação avançados;
  • Banco de dados em tempo real, capacidade de coletar, analisar e fornecer conhecimento da cadeia produtiva no instante que ocorre;
  • Orientação a serviços, todos os sistemas, pessoas e informações publicam e consomem informações de acordo com a demanda do modelo produtivo;
  • Modularidade de todo o sistema, permitindo alta flexibilidade de mudanças de requisitos, substituição ou expansão da produção de forma inteligente.

Podemos apontar os principais benefícios de uma planta produtiva com esse novo conceito:

  • Redução de Custos – o processo é rastreado
  • Economia de Energia – equipamentos mais eficientes
  • Aumento da Segurança – as ações são antecipadas e não mais reativas
  • Conservação Ambiental – uso eficiente de energias
  • Redução de Erros – o processo é interconectado (encaixado)
  • Fim do Desperdício – produzir na quantidade certa
  • Transparência nos Negócios – uma rede que permite governança
  • Aumento da Qualidade de Vida – uma planta com pessoas produzindo de forma inteligente
  • Personalização e Escala sem Precedentes – quantidade de acordo com demanda

A Indústria 4.0 é uma proposta, que já é uma realidade, ainda que em fase inicial e experimental em algumas plantas, todavia é um vetor que aponta para uma nova forma de lidar com a produção e em nosso caso, servindo de mais uma ferramenta de eficiência na produção de etanol, açúcar e energia elétrica.

Veja vídeo com enfoque prático das aplicações nas Usinas