A evolução da Automação Industrial, Digitalização e Indústria 4.0

Máquina dentro de ambiente industrial

A evolução da Automação Industrial e Indústria 4.0

 

Após percorrer diversos trabalhos em indústrias, que tem o objetivo de trilhar o caminho da Digitalização, e receber diversos comentários sobre nossos artigos, solicitando para demonstrarmos como estruturar um projeto de Automação 4.0, apresentamos este trabalho, para você leitor técnico e estudante.

Não temos a intenção de esgotar o assunto e nem mesmo, postular um modelo, mas sim, demonstrar de forma prática e direta, considerações, que hoje devem ser levadas em conta, nos projetos de automação industrial, que vão permear a Indústria 4.0.

A digitalização na Indústria

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

Com a evolução da escrita, com a prensa que pode disseminar a palavra impressa, temos um novo modelo de comunicação.

Textos, documentos, assinaturas… tudo isso permeia nossa sociedade atualmente, ainda que em fase de transição para a digitalização, mas nosso modelo é baseado no documento, no livro, no impresso e na escrita.

O processamento de dados computacionais criou um novo formato de informação. Os documentos, escritas, palavras e toda forma de comunicação, passaram a ser digitais, criando uma nova sociedade.

Pelo menos estamos nesta fase de transformação e já é possível assinar documentos de forma digital, dispensado a escrita manual ou assinaturas. Governos administram documentos tudo de forma digital e assim caminha nossa sociedade.

Com a Digitalização, temos o nascimento do que estamos chamando de Sociedade 4.0, onde todas as áreas da organização humana, são administradas através de dados digitais. Governos, saúde, educação, segurança, mobilidade e a indústria, passam a relacionar nesta sociedade, utilizando-se de novas tecnologias, que podemos chamar de 4.0, somente como um alusão a Quarta Revolução Industrial.

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

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

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

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

No campo:

Aumento sobremaneira de dispositivo de sinais com a camada de IoT Internet das Coisas.

No controle:

Os controles serão distribuídos nos campos em dispositivos inteligentes e será supervisionado em uma camada de Cloud (nuvem).

Nos sistemas de gestão e controle (IHM, MES, Scada, ERP, BI, PCP):

Tendem a ser integrados, trabalhando em convergência um único ambiente de Cloud, ferramentas interconectadas.

 

Tecnologias para projetos de Automação 4.0

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

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

– Unidades de Controle Distribuído (campo) – módulos de I/O inteligentes (entrada e saída) e controle de baixa densidade de pontos, mas de alto poder de processamento e comunicação, distribuídos e interconectados.

– Segurança (dados e informação) Campo (IoT) – como os módulos de I/O e controladores distribuídos e conectados em rede, normalmente em padrões baseado em Ethernet, o risco de invasão para acesso de dados é permanente, surgindo a necessidade de projetos de Cibersegurança.

– Camada EDGE – camada de campo de Cloud, para tomada de decisões autônomas na célula de produção ou setor produtivo, a análise de dados se dá neste sistema, disponibilizando para o externo, somente o que é necessário para supervisão.

– Conectividade (pilar de comunicação) – a conectividade e a Interface única de dados, deve permitir a interconexão de toda automação de forma vertical e horizontal, não há mais camadas, mas sim um inter-relacionamento de informações, um modelo baseado em RAMI 4.0, é um referencial para isto.

-Unidades de Controle Distribuído (cloud) – as unidades de controle distribuído, também se comunicarão com um Cloud, local, porém com função de supervisão, baseado em dados de planejamento, recursos, qualidade, entre outros, formando um ecossistema único.

Cloud Local – a nova indústria digital, terá seus dados e controle centralizados em seu Cloud próprio, com suas ferramentas e necessidades próprias, podemos dizer que é CPD Centro de Processamento de Dados, para controlar o processo produtivo, somente externando o que é necessário

PLC/DCS (virtual) – na mesma linha de ter o Cloud local, ferramentas de controle e comando, estarão centralizadas, camada de controle distribuído e local formarão um ambiente único digital de prioridades, tanto para controle avançado, quanto para gestão e supervisão de tomada de decisões produtivas

Camada FOG – no mesmo objetivo da camada EDGE, porém agora tratando dados de todo planejamento e interfaces, para tomada de decisões inteligentes, unindo os dados

Backbone de Dados (IIoT) – conectar a cadeia de valor da indústria, da unidade de negócio, é pré-requisitos para atender o conceito da Indústria 4.0, uma rede que tenha capacidade de conectar fornecedores, setores externos, clientes, e a própria indústria é necessário para interconexão, todos os elementos externos são a IIoT (Internet Industrial das Coisas)

Cloud (externo) – o uso de Cloud Computing externo, para aplicação de ferramentas, tais como, I.A. (Inteligência Artificial), para tomada de decisões e uso de Big Data, unido todo o ecossistema do negócio industrial, entregando dinâmica de cenários para tomada de decisões, acelerando o tempo e diminuindo o erro.

Funcionamento básico desta estrutura digital de automação

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

Em relação aos principais pontos de funcionamento, podemos descrever:

– No campo, o controle e o sinal são distribuídos, processamento local e análise de dados local.

– Na conectividade, todos dispositivos devem permitir uma camada horizontal de dados, formando uma conexão interoperável.

– O sistema possui um Cloud Local, com serviços de controle, supervisão e tomada de decisões no local e centralizado.

– Um Backbone conecta toda a cadeia de valor da Indústria.

O Cloud externo, utiliza-se de serviços de I.A. Inteligência Artificial, interagindo na cadeia produtiva.

Benefícios esperados

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

– Flexibilizar a produção, através de controle distribuído e controle centralizado na camada de Cloud

– Simplificação na camada de comunicação, com uso de protocolos e interfaces abertas (OPC-UA e MQTT)

– Tomada de decisões (Mineração de Dados e Aprendizado de Máquina) localmente (EDGE e FOG)

– Utilizar o Cloud Externo somente sob Demanda

– Aplicar I.A. na Operação e Manutenção, com foco em Operador Supervisor e Manutenção por Prognósticos

Desafios atuais

 

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

– Projetar sistemas de automação com controle distribuído

– Projetar uma rede com protocolos e interfaces de dados horizontal

– Criar um sistema de virtualização local, permitindo processamento intermediário de Cloud (EDGE e FOG)

– Interconectar a cadeia de valor através de um Backbone (IIoT Internet Industrial das Coisas)

– Utilizar serviços externos de Cloud (na medida necessária) e aplicar I.A.

Pontos a serem observados

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

– Projete seu processo produtivo em blocos de produção (quantidades) e linha de produtos (variedade).

– Distribua os sinais e o controle pelas linhas ou unidade produtiva.

– Utilize tecnologias de comunicação que necessitem o mínimo de interfaces ou gateways (OPC-UA e MQTT).

– Crie camada de Cloud local (EDGE e FOG) e use análise de dados local (R e Python).

– Crie comando e controles locais para atender produção flexível e centralizados, para supervisão da produção.

– Conecte a cadeia de valor ao Cloud local para análise de dados (Use o RAMI 4.0).

– Use o Cloud externo para utilização de ferramentas avançadas de dados (I.A. e Big Data).

Tendências

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

Equipamentos de controle e I/O de pequeno porte e conectividade (OPC-UA, MQTT, TSN)

Micro PC Industrial distribuído, formando Cloud local em camadas de FOG e EDGE.

Fornecedores da cadeia de valor já terem dados estruturados para conexão padronizada (Cloud) em um Backbone de IIoT.

Serviços de Cloud externo de fabricantes, com soluções prontas para Indústria (SIEMENS, Rockwell, Yokogawa, Emerson, GE, etc.).

Fonte: Automação industrial

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