APLICAÇÃO DA INTERNET DAS COISAS NA INDÚSTRIA-1

A evolução das redes industriais para a Internet das Coisas (IIoT) aplicada a gestão dos processos na indústria 4.0.

Parte 1.

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PARTE  1       –     PARTE  2      –    PARTE 3

Temas semelhantes: Computação na Nuvem; a Tecnologia nos Esportes; Tecnologias Emergentes em 2016; A Inteligencias artificial é Perigosa?  Encontro Técnico Estudantil ISA-ES – Tema: Robótica 2013.

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Este artigo, dividido em 3 partes, traz uma visão geral da aplicação da Internet das Coisas na indústria (IIoT), num cenário de aprofundamento no uso da automação e da tecnologia da informação para obter resultados econômicos e de produtividade. Reúne comentários e informações sobre a comunicação de dispositivos em redes industriais, sobre a IIoT e sobre a indústria 4.0, onde as máquinas se comunicam entre si com uso intensivo de tecnologia da informação.

Nesse novo contexto, os dispositivos e sistemas se interligam em rede e os dados corporativos são processados dados na nuvem.

Sobre a Internet das Coisas na indústria, como explica Márcio Venturelii, “A Internet das Coisas é a conexão lógica de todos os dispositivos e meios relacionados ao ambiente produtivo em questão, os sensores, transmissores, computadores, células de produção, sistema de planejamento produtivo, diretrizes estratégicas da indústria, informações de governo, clima, fornecedores, tudo sendo gravado e analisado em um banco de dados”.

SISTEMAS EM REDE

O que chamamos de indústria 4.0 é uma proposta de integração e do uso de sistemas digitais em larga escala na indústria com o propósito de estabelecer comunicação entre máquina-máquina (M2M), redução de custos e otimização dos sistemas instalados.

De acordo com artigo publicado pela NetService, a internet das coisas é o assunto do momento entre gestores de grandes multinacionais, pesquisadores, especialistas em TI e até sociólogos. Uma erupção tecnológica que irá mudar o rumo da sociedade moderna e de sua maneira de lidar com as suas relações, a sua gestão de recursos, bem como com as suas relações de trabalho. Segundo a publicação, duas gigantes do mercado mundial, Mitsubishi Electric Corporation e Intel, estão trabalhando em conjunto para desenvolver um complexo sistema de automação industrial totalmente baseado nesse novo conceito. Ele seria capaz de reduzir sensivelmente os custos dos processos produtivos, em todas as suas etapas, permitir a correçãoo de processos repetitivos ou falhos, além de garantir muito mais rapidez na fabricação de produtos ou oferecimento de serviços.

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A figura acima mostra o conceito nuvem usado na internet das coisas voltado para a indústria, onde se usa uma área privada da rede (nuvem) para armazenamento e troca remota de dados entre dispositivos conectados à internet, dentro e fora da planta.

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Bill Lydon em artigo recente na revista Intech de 11/2016, afirma que as mudanças tecnológicas e a IoT estão criando grande interessa na indústria e tem implicações em todo mundo, permitindo maior competitividade entre fabricantes. Ele afirma que a indústria está iniciando tardiamente essa migração, ao contrário de outros setores como produtos de consumo, médicos e do setor de automóveis.

Conceitos e tecnologias da Internet das Coisas, só recentemente começaram a ser considerados e aprovados para aplicações de automação industrial. Da mesma forma, os sistemas de automação industrial são projetados de forma conservadora e só adotam uma nova tecnologia quando é ela se mostra estável.

A grande jogada da Internet das Coisas na indústria não é simplesmente inserir inteligência em objetos comuns, mas sim interligar todos os maquinários que compõem um parque industrial e reconfigurar por completo suas funções, permitindo aos gestores enxergarem de forma antecipada o mínimo sinal de perda de produtividade ou falhas nos processos operacionais.

Considerando que estamos numa etapa de transição, pode-se afirmar que o uso da Internet das Coisas (IIoT) na Indústria 4.0 os objetivos gerais são pretensiosos, promissores e extensos, podendo se resumir à aplicar a tecnologia para modernizar, baixando os custos, aumentando a produtividade, melhorando a qualidade, a gestão, o monitoramento e otimizando os processos internos como: compras, produção, manutenção, capacitação e vendas.

O vídeo abaixo mostra é um Hangout do CPQD, o palestrante Vinicius de Oliveira fala sobre a Internet das Coisas o conceito de comunicação maquina-maquina (M2M).

A indústria 4.0 traz para a gestão das plantas industriais conceitos como: a integração total de dispositivos com o uso de novos protocolos de comunicação; o uso de sensores e instrumentos inteligentes; a convergência das tecnologias da informação (TI) , automação (TA) e operação (TO); o aprofundamento do modelamento e controle digital; a internet das coisas na versão industrial (IIoT); a tecnologia da impressão 3D; uma nova versão de Robôs Colaborativos mais leves, sensitivos, seguros e flexíveis; a mineração e o processamento de dados em alta escala (Big Data) e da Inteligência Artificial (IA)  para tomada de decisão, correlações e previsão de eventos e variáveis; a gestão de ativos de automação; o uso intensivo de comunicação via redes digitais, físicas e wireless e outras tecnologias atuais.

Na internet das coisas, com a comunicação maquina-máquina (B2B), nasce então a necessidade de protocolos mais robustos que possam e estabelecer troca de um grande volume de informações, em alta velocidade com alta confiabilidade, entre um número enorme de dispositivos de natureza e aplicação completamente diferentes. O fato é que a Internet das Coisas não tem – ainda – é um padrão unificador que permita a interoperabilidade entre os sensores, computadores e atuadores.

Para que a introdução de toda essa tecnologia seja bem-sucedida e sustentada, torna-se necessário, a implementação de alguns pré-requisitos, de forma a tornar possível a integração utilizando as funcionalidades necessárias aos mais variados sistemas. Haverá necessidade de que o desenvolvimento tecnológico estrutural como de automação, acompanhe e seja incorporado ao desenvolvimento tecnológico dos produtos e serviços resultantes do investimento em inovação e disponibilizados ao mercado. De um modo geral podemos resumir na integração e interação de dispositivos inteligentes, redes inteligentes, tecnologia da informação integrando todos os sistemas industriais, de engenharia e administrativos (vertical e horizontalmente) ponta-a-ponta e serviços inteligentes.

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PROTOCOLOS DE REDES INDUSTRIAIS

A Wikipédia define computação na nuvem como a utilização da memória e da capacidade de armazenamento e cálculo em computadores e servidores compartilhados e interligados por meio da Internet, seguindo o princípio da computação em grade. Nesse conceito o armazenamento de dados é feito em serviços que poderão ser acessados de qualquer lugar do mundo, a qualquer hora, não havendo necessidade de instalação de programas ou de armazenar dados.

Para a nova geração dos sistemas de comunicação poder interagir com o sistema de nuvem, terá de ter a capacidade e autonomia de assegurar uma operacionalidade independente alocada nos subsistemas autônomos, assim como uma capacidade operacional de gestão de componentes alocados e distribuídos nos mais variados locais da rede através de um comportamento baseado nas suas propriedades físicas e digitais, adaptando-se numa forma evolucionária e flexível a eventos externos e internos, gerados pelo ambiente que os rodeia ou pelas partes interessadas.

Quando se deseja conectar todos os sistemas e equipamentos numa rede universal, agora denominada de nuvem, um dos problemas que encontramos nos remete ao mito da Babel, isto porque cada tipo de equipamento, cada tipo de indústria (manufatura, mineração, siderúrgico, óleo e gás, celulose, serviços públicos e etc.), cada fabricante de sistemas, trabalha tradicionalmente com um tipo de protocolo específico construído para satisfazer as necessidades locais do referido sistema. Além disso haverá necessidade de interconexão com dispositivos móveis (carros e caminhões), edifícios inteligentes, departamento de compras, vendas, logística, marketing e outros.

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A figura acima mostra alguns tipos de protocolos mais comuns, distribuídos por camada em que eles atuam.

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Na indústria 4.0, as grandes máquinas, ferramentas, produtos e meios de transporte, estarão interligados em um permanente estado de interconexão durante todas as etapas do processo produtivo. Além das variáveis de processo como temperatura, nível, vazão, pressão e analisadores, sensores estarão presentes, monitorando o fluxo de toda a operação, a velocidade de integração entre ferramentas, insumos e máquinas, vibração, aquecimento de máquinas, estado de filtros, desgaste dos materiais, analisando a necessidade de manutenção e validando as matérias-primas utilizadas e produtos finais.

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A figura acima mostra o modelo de protocolos de redes OSI e TCP/IP, em camadas.

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O modelo de rede OSI foi criado em 1970 e é visto como um modelo padrão para protocolos de comunicação de redes.

O modelo OSI propõe estruturar a comunicação em sete camadas de funcionalidade:

  1. Física (especificações elétricas e físicas: Modem, portas, DSL, etc);
  2. Enlace (ligação de dados: Ethernet, HDLC, Switc, etc);
  3. Rede ( meios funcionais e de procedimento de transferência: IP, ARP, etc);
  4. Transporte ( recebe os dados enviados pela camada de sessão e segmenta-os: TCP, UDP, SSL, TLS etc);
  5. Sessão (troca de dados e a comunicação entre hosts: NetBIOS, etc);
  6. Apresentação ( converte o formato do dado recebido pela camada de Aplicação em um formato comum: XDR, TLS, etc);
  7. Aplicação (programas especialistas no topo da camada: HTTP, FTP, POP3, Fieldbus, Profibus, etc).

O video abaixo mostra neste webinar do CPDQ sobre IoT, o palestrante Vinicius de Oliveira fala sobre as extensões para a camada de rede, segurança e gerenciamento, em especial sobre o impacto da IoT na rede, porque utilizar o TCP/IP nos dispositivos finais, as novas extensões e exemplos de cidades inteligentes.

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Com a IIoT e o uso intensivo de redes na indústria 4.0, muitos processos da empresa são alterados, incluindo: o projeto e comissionamento da planta, paradas e partidas, o planejamento e gestão da manutenção, a gestão de competências de pessoal especializado, a gestão de materiais, a demanda, produção e ajustes do processo dentre outras.

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A figura acima mostra a evolução que a indústria desde o início da industrialização que ocorreu no final do século IXX, passando por diversas etapas: mecânica, elétrica, computador e internet. Fonte: Intech 05/2016.

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Protocolo IPv6

O vídeo abaixo fala sobre o protocolo IPv6.

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Outros protocolos de comunicação:

  • HART(Highway Addressable Remote Transducer): Usado na indústria, a variável primária trabalha dentro de uma banda que começa em 0 Hz e tem como frequência de corte 25 Hz. Além do valor da PV outros valores são transmitidos como parâmetros para o instrumento, dados de configuração do dispositivo, dados de calibração e diagnóstico.
  • MODBUS: Um dos mais antigos e muito utilizado em redes de Controladores Lógicos Programáveis (PLC)  e analisadores industriais, para aquisição de sinais digitais e analógicos de instrumentos e comandar atuadores. Equivale a uma camada de aplicação e pode utilizar o RS-232, RS-485 ou Ethernet como meios físicos – equivalentes camada de enlace (ou link) e camada física do modelo.
  • FOUDATION FIELDBUS: É um padrão aberto, baseado no OSI, que engloba diversas tecnologias aplicadas no controle de processos e automação industrial. Os dispositivos de campo são endereçados numa via única de comunicação e dados
  • PROFIBUS DP: é um padrão de rede ponto a ponto especializada (determinística) de campo, caracterizado pela velocidade, eficiência e baixo custo de conexão. Foi projetado especialmente para comunicação entre sistemas de automação e periféricos distribuídos.
  • PROFINET: Baseada em um padrão de comunicação Ethernet Industrial compatível com a tecnologia Ethernet ( IEEE 802.3 ) adotada pela associação PI – PROFIBUS & PROFINET International. Utilizada principalmente em aplicações de automação industrial.
  • OPC (Object Linking and Embedding for Process Control): É uma interface padronizada de comunicação que foi criada na tentativa de minimizar os problemas relacionados à inconsistência dos “drivers” de equipamentos industriais de diferentes fabricantes. Os equipamentos dotados de comunicação via OPC disponibilizam dados internos em uma interface simplificada, onde aplicações externas podem interagir com a leitura e/ou escrita de valores em parâmetros, registradores de programas, resultados, etc.
  • Zigbee: O protocolo ZigBee usa o padrão IEEE 802.15.4 e opera na faixa de frequência de 2,4 GHz com 250 kbps. O número máximo de nós na rede é de 1024 com um intervalo de até 200 metros. ZigBee pode usar a criptografia AES de 128 bits. É muito utilizado em automação predial e residencial.
  • CoAP(Constrained Application Protocol): Inspirado no HTTP, este protocolo B2B fornece uma forma de transporte de mensagens sem estado e com pequena sobrecarga para dispositivos móveis.
  • UPnP+: Uma extensão do padrão UPnP, a iniciativa UPnP+ especifica o uso de protocolos como o XMPP (Extensible Messaging and Presence Protocol) para permitir a descoberta e controle de uma nuvem de dispositivos.
  • AllJoyn: Uma alternativa ao UPnP+, esta iniciativa de diversas empresas (LG, Sharp, Cisco, TP-Link, Microsoft…) provê a descoberta e controle de dispositivos em uma nuvem.
  • MQTT(MQ Telemetry Transport): Sendo um dos protocolos mais usados hoje, o MQTT é uma alternativa escalável para comunicação “Device-to-Server focada na coleta de dados.

Bill Lydon afirma que a última grande adoção de tecnologia aberta comercial com um ecossistema aberto em automação industrial foi quando substituíram os sistemas de software proprietário pelo sistema Microsoft Windows. A conectividade com bancos de dados abertos, planilhas e planejamento de recursos empresariais mudou de interfaces proprietárias únicas para padrões abertos, incluindo o “Open Database Connectivity”, troca de dados dinâmica, e OPC, criando um ecossistema de desenvolvedores criativos criam aplicativos inovadores e úteis para uma variedade de indústrias.

No vídeo abaixo gravado na Olimpíada do Conhecimento numa entrevista com o avaliador Luis Fernando, onde é abordado o tema tecnologia da informação e como o estudante descobre a importância de sua função na indústria.

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Com a implantação da IIoT, aumenta-se o do uso das redes de transmissão industriais para dados não relacionados a variáveis de processo em si, mas também e em grande quantidade, para a transmissão de dados de status e configuração de dispositivos de automação e de máquinas.

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A figura acima mostra uma rede do tipo Profibus, interligando vários tipos de instrumentos, equipamentos, com o protocolo TCP/IP.

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Uma outra geração de “coisas” que irão em breve integrar a Internet das Coisas são os veículos elétricos e veículos autônomos, com alto grau de automação. Para Vermesan Ovidiu, as futuras gerações de veículos elétricos vão requerer uma arquitetura escalável, em camadas abordando aspectos diferentes do sistema, tais como módulos escaláveis, comunicação uniforme entre hardware (HW) e arquiteturas de software (SW). Segundo ele, isto irá reduzir o número de unidades eletrônicas de controle, bem como da variedade de comunicação, os dados do sensor integrando e carregando as interfaces.

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A figura acima mostra duas versões para a pirâmide da automação, onde os sistemas são distribuídos e se integram verticalmente, numa hierarquia de níveis, na esquerda dividida em 4 níveis e na direita dividida em 3 níveis.

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Em artigo da revista Intech de março de 2016, sobre novas arquiteturas para integração de sistemas corporativos, Dennis Drandi diz que a produção eficiente requer dispositivos e software trabalhando juntos. Segundo ele o antigo modelo da pirâmide de controle está sendo substituído por um novo modelo de zonas e “condutos” entre zonas com base nas normas ISA e IEC.

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A figura acima mostra um novo modelo de arquitetura para distribuição do controle industrial para a IIoT. Fonte Intech 03/2016.

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O novo modelo usa dois modelos de comunicação principais, com base em OPC UA para sistemas de alta velocidade fortemente acoplados e trocas de mensagens B2MML para sistemas de baixa velocidade fracamente acoplados. Os usuários devem se concentrar em zonas e condutos para desenvolver uma nova arquitetura de sistema corporativo. Ele afirma que felizmente, um conjunto de normas para Sistemas Corporativos está tornando a prática da integração mais fácil. O uso de OPC UA (Unified Architecture), o ISA-95, de controle empresarial padrão Integração de Sistemas , a MESA B2MML (Business to Manufacturing Markup Language), e modelos de troca de mensagens tornam a integração mais fácil e também mudar a arquitetura de integração usado em ambientes de produção.

A tecnologia OPC UA fornece uma, arquitetura de comunicação orientada para o serviço, independente de plataforma ser Ethernet industrial, TCP / IP, ou protocolo User Datagram (UDP) / baseada em IP. Ela inclui a funcionalidade do padrão OPC original, mas usa a tecnologia padrão da Internet, segurança e capacidade de lidar com dados complexos. OPC UA foi internacionalizado através das normas IEC 62542. Quando as normas ISA, Fundação OPC, IEC, e Mesa são combinados, eles fornecem um novo recurso para integração do sistema federado e uma nova arquitetura de integração.

Concluindo Dennis Drandi afirma que: “Limitações no desempenho da rede, a capacidade de CPU, e tamanho da memória em dispositivos, controladores e servidores têm forçado a arquitetura de controle tipo pirâmide tradicional em muitas instalações. No entanto, redes mais rápidas, processadores mais poderosos e baratos, e memória abundante permitem uma arquitetura mais flexível para instalações de fabricação. A nova arquitetura, com base nos ISA / IEC 62443 padrões de zonas e condutos, se fundiu com o OPC UA (IEC 62541), as normas ISA-95 (IEC 62264) e MESA B2MML, fornecem arquiteturas com aumento de flexibilidade e um sistema robusto.”

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Não perca na próxima semana a PARTE 2 deste artigo, onde vamos falar sobre: dispositivos inteligentes, sistemas RFID e ON-A-CHIP,  a nova geração da manutenção, sistemas de TI para gestão industrial, automação de sistemas elétricos.

PARTE  1       –     PARTE  2      –    PARTE 3

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