A evolução da Automação Industrial no contexto da Digitalização 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.)

Conclusão

Concluímos que os sistemas de automação industrial são a estrutura de comando e controle do setor produtivo, projetar sistemas para a indústria digital, atendendo a Indústria 4.0, é um caminho de novos desenvolvimentos, conceitos e modelos, exigindo novos pensamentos e quebra de paradigmas.