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Indústria 4.0 — A próxima revolução Industrial

Revolução Industrial Imagine uma fábrica onde tudo corre como planejado. Os processos estão sempre operando dentro dos limites controlados, a variação é eliminada, e cada produto final é o mesmo. Nunca ocorrem problemas e o tempo de inatividade não-planejada não acontece. Nenhuma matéria prima é desperdiçada, os rendimentos estão exatamente onde deveriam estar, dia sim, dia não e os custos de energia são minimizados. Então, a camada superior de um mar de dados sobre os processos permite que o departamento de engenharia identifique e priorize as oportunidades de melhoria.

Soa como uma utopia de fabricação, mas não está muito longe da nossa realidade caso a Indústria 4.0 faça jus ao seu potencial. Este artigo técnico da OMEGA Engineering explica os conceitos por trás da Indústria 4.0 e suas implicações para engenheiros e tecnólogos de fabricação e processos industriais. As seções abordam:
  • Origem e o significado da "Indústria 4.0";
  • IIoT e M2M;
  • Aplicações comerciais e industriais;
  • Estado atual;
  • Questões e Preocupações

Origem e Significado da "Indústria 4.0"

Essa mudança chega para a fabricação de modo tão importante quanto foi a chegada do motor de vapor, o interruptor de energia elétrica, a adoção de tratamentos informatizados de dados e a automação de fabricação. Os acadêmicos e industriais alemães denominaram essa mudança "Indústria 4.0", reconhecendo que ela significa uma nova abordagem para a fabricação.

A Indústria 4.0 consolida avanços em sensores e comunicações já em uso. É um programa coordenado, orientado para o desenvolvimento e a implantação de dispositivos “inteligentes”. Engloba conceitos como a “Internet das Coisas” (IoT), a "Internet Industrial das Coisas" (IIoT), a comunicação máquina a máquina (M2M), IPv6, RFID, computação em nuvem e mineração de dados.

IIoT e M2M

A rede Ethernet está bem estabelecida, mas com o encolhimento dos processadores, computador mudaram de desktops para o ambiente fabril e armazéns, e agora estão sendo integrados em sensores e atuadores. A incorporação de recursos de comunicação, como Wi-Fi 802.11, Bluetooth ou ZigBee para estes dispositivos permite enviar e receber mensagens. Então, adicione IPv6, o que aumenta enormemente o número de endereços disponíveis, e cada dispositivo conectado tem uma identidade única. Isso é a IoT.

Historicamente, os sensores utilizados nas indústrias de processo de fabricação somente capturavam dados, como temperatura, umidade e, possivelmente, pressão barométrica, deixando o circuito PID responder ou deixando a apresentação para um gravador de gráfico. Os atuadores tinham recursos restritos de captura de dados, geralmente limitados às saídas do codificador. O advento da IoT estimulou a criação da IIoT, a versão industrial de dispositivos em rede. Eles usam protocolos industriais baseados na Ethernet para enviar e receber informações do processo.

O próximo passo lógico é de fazer esses dispositivos "conversarem" diretamente entre si, eliminando a sala de controle ou o controlador de supervisão, eliminando a equipe de circuito. Esse passo é conhecido como comunicação "de máquina a máquina". Ela possui uma automação descentralizada.

Aplicações Comerciais e Industriais

Existem dispositivos em rede no ambiente do consumidor há vários anos. O termostato Nest foi um dos primeiros dispositivos conectados, seguido por monitores inteligentes de bebês, sistemas de controle de acesso e até mesmo eletrodomésticos inteligentes. Imagine um monitor de bebê que soa um alarme em resposta a alterações na frequência cardíaca ou temperatura da criança e, em seguida, aconselha os pais sobre a localização do Pronto Socorro mais próximo, ou uma geladeira que sabe as datas de validade dos produtos.

Para a fabricação e processos industriais , a promessa da IIoT é dupla:
  1. Os sensores e atuadores em rede serão equipados com controle distribuído, autônomo, que respondem aos eventos conforme necessário. A qualidade de saída melhorará conforme a variação é eliminada e a produtividade aumentará com a redução de resíduos e desperdícios. Por exemplo, o monitoramento dos níveis de luz refletidos pode permitir que um processo de impressão seja adaptado às mudanças em revestimentos de material. Como alternativa, um processo poderá ser adaptado quanto a aquecimento e tempos de secagem para atender o conteúdo variável de umidade dos insumos.

  2. Com o crescimento da capacidade de monitorar ativos físicos, especialmente aqueles amplamente distribuídos, os equipamentos sinalizarão sua "saúde física". As falhas se tornarão uma coisa do passado, já que a manutenção se tornará mais precisa, prolongando a vida útil do ativo e aumentando o retorno sobre o investimento. Por exemplo, uma bomba pode monitorar as pressões, temperaturas e a vibração. Uma mudança na assinatura levaria à identificação das peças que precisam de troca, a verificação se elas já estão em estoque e a criação de um pedido, caso estejam em falta. O ativo então se comunicaria com o sistema de controle de produção para agendar o tempo de inatividade e até mesmo para imprimir uma ordem de trabalho para o técnico, quando for hora de realizar o trabalho.

Status Atual

Alguns desses recursos da IIoT estão ainda em fase de pesquisa, mas muitos estão disponíveis agora. Um número crescente de dispositivos vem com recursos de comunicação e inteligência incorporados. Uma sonda inteligente para medição de temperatura sabe os valores de correção necessários para leituras precisas e podem ser conectados diretamente a um registrador. Os registradores de dados já não gravam apenas propriedades como temperatura e pressão, mas enviam aqueles números pela Ethernet ou sem fio para outros sistemas.

Questões e preocupações.

Sempre que se discute sobre a IIoT, os desafios que podem ser enfrentados são mencionados. Esses desafios incluem:
  • Energia — quando uma fonte de 24V está indisponível, a alternativa são as baterias de longa vida, juntamente com estratégias inovadoras de standby/"Wake-On-LAN" para minimizar o consumo de energia. Além disso, alternativas de Wi-Fi de baixa energia estão surgindo para ampliar ainda mais a vida útil da bateria.
  • De foco no futuro, as técnicas de coleta de energia podem fornecer energia "livre" para a vida do dispositivo.
  • Segurança — os usuários industriais de dispositivos inteligentes reconhecem os riscos de comunicações identificadas e demandarão, cada vez mais, que os fornecedores incorporem garantias adequadas e protocolos de criptografia.
  • Proteção de dados — Todas as transações de medição são reconhecidas com repetições automáticas e recursos à prova de falhas estão em vigor para fornecer registro de dados locais em cada ponto de rede possível.
  • Alcance — protocolos de Bluetooth e Wi-Fi 33 têm um alcance limitado, mas alguns dispositivos funcionam em mais de 1000 m (3280'). Paredes e outros obstáculos reduzirão o alcance.
  • Taxas de dados — quando os dispositivos transmitem uma base de amostra, a taxa de dados raramente é um problema. No entanto, isso poderia se tornar um problema no futuro, com o crescimento da quantidade de dados a ser enviada. As taxas de transmissão de dados adaptativas com base nas alterações do valor medido podem atenuar o congestionamento da rede, conforme a quantidade de dados aumenta.
  • Validade dos dados — monitoramento do sensor de saúde e vida para uma manutenção preditiva.
  • Imunidade de interferência. Os equipamentos elétricos, especialmente motores ou qualquer coisa que crie um arco, podem causar interferência eletromagnética. Isso pode levar à perda de dados ou alcance reduzido. É preciso considerar esses fatores ao localizar emissores e receptores.
 Transmissores de pressão barométrica, temperatura e umidade
Transmissores de pressão barométrica, temperatura e umidade

A Tecnologia da Indústria 4.0 Já Está Aqui

A Indústria 4.0, um termo que engloba a "Internet Industrial das coisas" (IIoT) junto com a comunicação de máquina a máquina (M2M) e IPv6, busca consolidar os avanços em sensores e comunicações já em uso. Embora ainda haja muito trabalho, os dispositivos que incorporam os conceitos de IIoT já estão disponíveis. Transmissores e receptores sem fio, juntamente com a comunicação Ethernet e a tecnologia de servidor de web, significam processos de informações que podem ser acessadas remotamente por alguém com a devida autoridade. Esta maior visibilidade permite melhor monitoramento e resposta mais rápida em caso de problemas, poupando a fabricação e tempo de processo do negócio, além de dinheiro, melhorando a utilização dos ativos.