Cloud Computing na Automação Industrial

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

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

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

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

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

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

Tudo isso gerou uma demanda por gestão dos sistemas de informação, que antes era atribuição exclusiva da TI, agora o departamento de TO, também passa a ter os mesmos problemas. Do processamento individual, passamos por redes de dados e compartilhamos informações na planta.

Com toda esta demanda, tecnologias de virtualização, que vamos ver, permitiram escalar soluções a menores custos, também vieram soluções com Cloud Computing, complementando com Fog Computing e Edge Computing, tudo visando soluções de processamento, compartilhamento e armazenagem de dados, um dos pilares da Indústria 4.0.

A automação industrial quando era uma ilha (ou quando muito compartilhava dados locais), tinha uma estrutura de custo que se limitava ao controlador e uma licença de Scada, com seus sensores simples e sinais discretos.

Com a incorporação de redes e ferramentas de software, cada vez mais sofisticadas, os custos de aquisição e gestão destas plataformas, deram um salto, passando a ser um problema de ativos de aquisição de alto custo e manutenção para o parque industrial.

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

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

Quando eu utilizo Cloud Computing na Automação Industrial?

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

Vamos ver alguns cenários principais, lembrando que nosso foco é entender toda esta tecnologia dentro da automação industrial:

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

Características principais do Cloud Computing:

• On-Demand: você só paga pelo que precisa
• Self Service: a contratação é toda dentro da plataforma que escolher, sem burocracia, só escolher os serviços
• Automatização: a infraestrutura é automatizada, com scripts quanto por interface, gestão completa a distância.

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

Plataformas Cloud Computing para uso geral

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

Plataformas Cloud Computing para automação Industrial

• MindSphere, da Siemens
• Predix Platform, da GE
• Scio, da Rockwell

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

• IaaS (Infrastructure-as-a-Service): maquinas virtuais, processamento, backup
• PaaS (Platform-as-a-Service): soluções, aplicativos de ferramentas, criação de soluções;
• SaaS (Software-as-a-Service): usuários, utilizar a ferramenta direto, um aplicativo.

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

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

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

Este conceito de aplicação vem evoluindo em diversos tipos de equipamentos, máquinas e sistemas.

Por exemplo: a indústria que já tem sua Cloud, já se comunica com uma máquina comprada e instalada em seu próprio parque industrial. Um compressor, por exemplo, onde o fabricante monitora toda a manutenção e os dados de sua Cloud própria, podendo ser compartilhados na Cloud da empresa cliente.

Vantagens do uso de Cloud Computing na Automação Industrial

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

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

Desvantagens do uso de Cloud Computing na Automação Industrial

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

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

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

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

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

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

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

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

Fog Computing e Edge Computing

A Fog Computing (Computação em Névoa) e a Edge Computing (Computação de Borda), são arquiteturas de rede em Cloud Computing, que tem o objetivo de:

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

Edge Computing

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

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

Fog Computing

Tem objetivo de processar os dados de análise mais próximo da camada Cloud, integrando processos de gestão e tomada de decisões locais.

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

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

Todos os meus dados e informações vão para o Cloud Computing?

Não. Vamos ver algumas considerações em relação a isto:

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

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

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

Leia este artigo: Cibersegurança na Indústria 4.0

Implementação de Cloud Computing na Automação Industrial

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

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

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

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

Conclusão

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