Relatório O Poder do Futuro: Como a Internet das Coisas revolucionará a produção industrial

2015 Fevereiro 04, 08:50 CEST

AUTORES: Professor Dr. Detlef Zühlke Dominic Gorecky e Stefanie Fischer, departamento de Sistemas de fábrica Inovadores do Centro de Pesquisa Alemão

Sob a pressão da globalização, a nossa indústria passará por um período de grandes desafios, entre eles ciclos de vida mais curtos, produtos altamente personalizados e forte competição de vários mercados no mundo todo. Esses desafios já estão evidentes no mercado de telefonia celular atualmente. Os ciclos de vida útil do produto caíram para aproximadamente 6-9 meses, enquanto as funcionalidades e também a complexidade dos produtos aumentaram continuamente.

Um desenvolvimento comparável está ocorrendo em outros setores, como a indústria automotiva. Com os produtos se tornando mais complexos e seu ciclo de vida mais limitado, as tecnologias auxiliadas por computador (CAX) continuam crescendo em importância durante a otimização do aumento na produção e período de aceleração. Embora o avanço das CAX nos últimos dez anos tenha proporcionado maior flexibilidade nas fases de projeto e planejamento, uma inovação semelhante ainda está prevista para a fase de produção atual. Uma grande variação de produtos, alinhada a ciclos de vida de produto mais curtos, requer uma estrutura de produção ágil e flexível, que pode ser rapidamente reconfigurada para novas exigências de produtos. Esse grau de flexibilidade não pode ser alcançado pela automação tradicional. Em vez disso, estruturas de fábrica modulares compostas de dispositivos inteligentes – os chamados "Sistemas Ciberfísicos" (Cyber-Physical Systems, CPS) – que fazem parte da rede "Internet das Coisas”, são elementos importantes para permitir cenários de produção adaptáveis que podem tanto lidar quanto superar os desafios atuais.

Nos últimos dez anos, temos testemunhado uma transformação fundamental em nosso dia a dia com o aparecimento e o crescimento das Tecnologias de Informação e Comunicação (Information and Communication Technologies, ICT). Os computadores estão se tornando tão pequenos que eles parecem sumir dentro de quase todos os nossos dispositivos técnicos. Além disso, as coisas se comunicam em uma rede mundial: A internet.


Quando olhamos para onde este caminho levará, no futuro, descobrimos que praticamente todas as coisas rotineiras se tornarão nós inteligentes em uma rede global. Esse fenômeno é chamado de "Internet das Coisas” (Internet of Things, IoT); uma tendência que quase certamente encontrará seu caminho para a produção industrial. A forte tendência do mundo eletrotécnico e hierárquico de automação fabril mudará para redes de fábrica inteligentes, que cada vez mais serão beneficiadas com os avanços em ICT e ciências computacionais. Na Alemanha, deu-se início a um grande debate sobre a quarta Revolução Industrial ou, de forma abreviada, "Indústria 4.0".

O interesse tem crescido continuamente desde a introdução deste termo em abril de 2011 por Kagermann/Lukas/Wahlster (2011 – Referência 1). Sob o incentivo de um grupo de trabalho formado por especialistas nas comunidades científicas e de negócios, foi desenvolvida uma visão para o setor alemão, fornecida na forma de recomendações ao governo federal. Como resultado, um programa de pesquisa foi estabelecido, com o investimento de aproximadamente 200 milhões de euros nos próximos anos. Além disso, as três principais associações do setor alemão (VDMA, ZVEI e BitKom) uniram forças para criar uma plataforma compartilhada que facilitasse a coordenação de todas as atividades da Indústria 4.0.

Essas ações contribuíram para um alarde geral, promovido principalmente através de canais de mídia. No entanto, também há um interesse genuíno na parte das indústrias de fabricação para obter o sucesso sustentável dessa visão. A Alemanha é um país de alta tecnologia, e grande parte de seu Produto Interno Bruto (PIB) é gerado pela fabricação de bens, bem como dos equipamentos de produção necessários. A seção a seguir descreve os desafios e alterações fundamentais previstos na visão da Indústria 4.0.

A visão da Indústria 4.0

Um recurso diferenciado do novo ambiente tecnológico é a transição para sistemas mecatrônicos. A eletrônica será um componente fundamental dos produtos futuros, enquanto o hardware será cada vez mais padronizado. As principais características que determinarão as funcionalidades serão criadas pelo software. Dessa forma, elementos da máquina tradicionais serão transformados em sistemas mecatrônicos. A função pode ser implementada por mecânica, eletrônica ou software. O desenvolvimento e a produção, bem como a manutenção, portanto, exigem uma equipe interdisciplinar, que reúne as competências em engenharia mecânica, elétrica e de software em uma engenharia universal.

Objetos inteligentes 

O principal fator para a visão da Indústria 4.0 é a "Internet das Coisas” (IoT). Nessa visão, todos os "objetos" de fábrica terão um endereço IP exclusivo e serão integrados em redes. O termo técnico criado para tal objeto é um "Sistema Ciberfísico" (CPS) (2012 – Referência 2). A hierarquia de produção tradicional será substituída por uma auto-organização descentralizada, ativada por CPS nas fábricas do futuro. As seções da fábrica e seus processos de produção serão tão independentes e flexíveis que até mesmo o lote com o menor tamanho poderá ser produzido sob condições de mudança rápida de produtos e qualquer número de opcionais.

A comunicação de máquina a máquina permite que comandos sejam emitidos por máquinas individuais, por exemplo, para transportar um produto bruto ou utilizar um serviço específico de fabricação. A memória semântica do produto controla, de modo dinâmico, seus processos de fabricação e, portanto, permite a produção em massa descentralizada em um lote de tamanho "1".

Muitos desses elementos inteligentes serão móveis e unidos por redes sem fio, o que implica perder dados de posicionamento essenciais que nos foram entregues implicitamente no "fim do cabo" nos velhos sistemas de conexão (compare com a Figura 1). Isso é particularmente crítico na área de operações da fábrica. Um funcionário que utiliza um dispositivo operacional móvel, como um smartphone, não pode mais ser localizado em uma posição específica. O usuário pode estar em algum lugar no chão da fábrica, mas também pode estar no refeitório. O aplicativo deve levar em consideração a posição atual do funcionário para decifrar se a funcionalidade é atualmente aceita ou não. Para resolver esse dilema, serão necessários não só sistemas de local fechado com recursos comparáveis a GPS, mas devem ser encontradas novas regras e métodos para o projeto de interfaces homem-máquina que permitam a desconexão do hardware e software operacional atualmente em uso.

Figura 1: Objetos inteligentes – móveis, modulares e descentralizados.

Novas arquiteturas de comunicação

Hoje em dia, as fábricas seguem uma estrutura hierárquica e rígida de informações. Nos níveis superiores, encontramos o sistema de ERP (planejamento de recursos empresariais), instalado acima dos sistemas de controle de fábrica (MES e NC/PLC) e, no nível mais baixo, os sistemas de sensor e atuador da fábrica, os chamados dispositivos de campo. Embora, nos últimos anos, esses níveis tenham sido cada vez mais integrados um com o outro, uma importante integração de sistemas ocorreu na direção horizontal, não na posição vertical. Uma rede de CPS exigirá, necessariamente, uma nova abordagem às arquiteturas. As estruturas comuns estilo pirâmide caracterizadas pela forte rede horizontal, bem como por fraca comunicação vertical, serão substituídas por uma estrutura de rede orientada por domínios, que, em princípio, permitirão qualquer número de caminhos em todos os níveis de informações da fábrica.

Os sistemas de fábrica construídos sobre os princípios de IoT e os CPS deixarão os atuais sistemas de PLC supérfluos, pois cada dispositivo final se comunicará com o outro, mesmo se estiver localizado em um nível diferente. A especificação da lógica de processo (também conhecida como orquestração) ocorrerá na rede, não em um elemento de controle dedicado.

Novos paradigmas de programação

Atualmente, os controles de programa voltam-se para a maior parte das estruturas de hardware que são geralmente baseadas em regras e normas que têm 20 anos ou mais. No mundo futuro de CPS auto-organizáveis e em rede, o hardware e a lógica de controle devem ser estritamente separados. Já existem vários paradigmas neste quesito. Por exemplo, as arquiteturas orientadas a serviços (Service-Oriented Architectures, SoA) ou as arquiteturas de múltiplos agentes (Multi-Agent Architectures, MAS).

As duas abordagens resumem e simplificam a funcionalidade do hardware e contêm mecanismos para sistemas auto-organizáveis. Além disso, já existe uma série de modelos de programação que permitem a especificação da lógica de controle ou orquestração. No entanto, essas abordagens requerem um alto grau de conhecimento em ciências computacionais, o que complica a implementação no chão da fábrica por pessoas sem treinamento nessa área. A esse respeito, a migração de tais paradigmas de arquitetura a partir do nível superior da fábrica, onde eles já foram parcialmente implantados, o caminho mais promissor é através de sistemas MES de nível intermediário, que também leva em consideração as experiências técnicas do pessoal envolvido.

No processo atual de planejamento e controle da produção, o projeto do sistema de controle surge no final da fase de planejamento, pois conta com os resultados dos projetos mecânicos e elétricos. A programação dos controles de lógica não começa, até que os terminais de controle sejam selecionados e seja decidido como eles devem ser conectados. Conceitos de resumo, como SoA, podem ser úteis em desfazer o relacionamento com o hardware de implementação e para criar componentes de software reutilizáveis.

O estabelecimento de um novo fluxo de trabalho de engenharia é necessário para fornecer a abordagem necessária de planejamento independente, funcional e de cima para baixo do hardware. Os domínios tradicionais de planejamento têm que ser integrados mais estreitamente, especialmente nas fases iniciais de planejamento, para proporcionar um alinhamento superior no processo de planejamento. As abordagens da engenharia de sistemas podem ajudar a apoiar as tarefas interdisciplinares, conforme demonstrado com êxito no setor de tecnologia aeroespacial.

A criação de uma apresentação transparente, portanto, é um desafio devido à complexidade dos resultados de planejamento e das inter-relações entre as disciplinas associadas. Isso exigirá procedimentos práticos para que seja atingida uma estratégia de engenharia incremental baseada em modelo, bem como linguagens, formatos de dados e cadeias de ferramentas de modelagem.

A meta para futuras fábricas inteligentes deve ser a remoção da lacuna de meios entre os ambientes CAX/PLM e a fábrica real em funcionamento. A ferramenta PLM precisa ter a capacidade de gerar descrições completas do sistema, que podem se converter diretamente em serviços de controle executáveis. O código deve permitir a simulação de uma fábrica virtual, bem como a configuração e a operação da fábrica real.

Padrões

Conforme descrito no modelo básico, a separação estrita de hardware e funcionalidade só pode ser realizada se baseada em padrões. Um elemento de CPS deve ser montado em um estilo semelhante, pelo menos em termos de tecnologia da informação, como um bloco de construção LEGO. Em outras palavras, o elemento precisa se comunicar na base de padrões em todos os níveis do modelo ISO/OSI de sete níveis. Pelo menos os níveis de transporte 1 a 4 já contam com vários padrões estabelecidos, como os vários padrões IEEE 802.xx ou IP (Protocolo de Internet); os respectivos padrões de níveis 5-7 baseados em aplicativos só serão obtidos sob grande pressão em massa do mercado. É evidente que o fabricante é atraído pela ideia de transformar seus produtos em blocos LEGO intercambiáveis. O debate atual sobre um processo padrão na área de redes sem fio industriais (por exemplo, ISA100) ou a linguagem de especificação de descrição do dispositivo (por exemplo, FDT) indica resistência e conflito de interesses. Pelo menos parece haver uma abordagem de implementação promissora com OPC UA para os níveis 5-6 que cada vez mais fabricantes e usuários desejam aderir.

Segurança

Um recurso diferenciado de sistemas futuros de controle de fábrica é o uso de redes baseadas em IP em todos os níveis. Isso facilita a importação de dados a partir de um dispositivo de campo para um sistema ERP de nível mais alto, sem qualquer problema. No entanto, isso pode impor à fábrica o risco de sofrer ataques cibernéticos ainda mais potentes através do uso de protocolos abertos. O STUXNET e outros softwares maliciosos (malware) deixam bem claro que a ameaça é real. Um ambiente de produção baseado em CPS pode, em última instância, ser implementado com êxito somente se o alto padrão de segurança e confiança nessa tecnologia vier de dentro do negócio. Isso exige não só soluções tecnológicas, mas talvez, o que é mais importante, medidas organizacionais. Uma resposta definitiva à questão de segurança será um assunto importante ao longo do tempo e exigirá propostas do setor, da pesquisa e do governo.

Como será o futuro imediato?

Está previsto que essa versão da visão de Indústria 4.0 encontrará seu caminho para os futuros ambientes de produção em aproximadamente 10 a 15 anos. Em relação a todas as perguntas que precisam ser respondidas e todo o trabalho de pesquisa que precisa ser feito, ainda levará tempo até que esses cenários holísticos de fabricação sejam implementados e aceitos universalmente em nossas indústrias.

Consequentemente, os primeiros elementos e primeiros objetos, adequados à visão, percorrerão uma estrada evolucionária, antes de encontrar seu caminho para o uso prático. A disponibilidade das informações em alta resolução e a redução de lacunas de meios constituem a base para permitir ambientes de produção versáteis e transparentes. As tecnologias de ID automático já disponíveis podem ajudar a rastrear elementos e representá-los no mundo digital. Dispositivos móveis, como notebooks, tablets ou SmartGlasses proporcionam acesso imediato ao conhecimento empresarial de praticamente qualquer lugar – dentro do negócio e além dele. Da mesma forma, decisões e ações podem ser baseadas em informações precisas e abrangentes e as reações acontecerão mais rápido, respaldadas por sistemas de assistência inteligente, conforme mostrado na figura 2.

Figura 2: Dispositivos móveis e sistemas de assistência inteligentes no futuro imediato da produção.

A iniciativa de tecnologia SmartFactory KL – como uma plataforma de pesquisa e demonstração independente de fabricante – já deu um grande passo na direção da visão de Indústria 4.0, desenvolvendo e implantando soluções que permitem estruturas de produção flexíveis, resolvendo os desafios industriais correntes. Em sua rede de mais de 30 parceiros industriais, o SmartFactory KL testa e desenvolve tecnologias inovadoras de informação e comunicação e sua aplicação em um ambiente de produção industrial realista. No projeto mais recente, uma linha de produção inovadora foi desenvolvida em um esforço conjunto com parceiros industriais importantes (consulte a Figura 3). A linha de produção é totalmente modular e permite uma integração plug-and-play de novos módulos de fabricação. A funcionalidade plug-and-play é obtida com base em um conjunto de padrões técnicos mecânicos, eletrônicos e de informação definidos pelo SmartFactoryKL e seus parceiros.

Figura 3: Demonstração de fábrica para futura produção no SmartFactoryKL.

Perspectivas

Nenhuma revolução tecnológica jamais foi iniciada na pressa. Normalmente, as revoltas ocorriam, respectivamente, em um período de várias décadas em uma transição evolucionária acionada por avanços em várias áreas técnicas (technology-push), mas também como resultado de novas exigências do mercado (market-pull). É muito provável que o movimento atual em relação à Indústria 4.0 terá um aspecto evolucionário semelhante que irá durar várias décadas. Um aspecto positivo é que a Indústria 4.0 está proporcionando uma visão clara sobre quais fabricantes e usuários finais poderão se adaptar com êxito. As ideias científicas do ambiente de TI estão sendo intimamente ligadas aos requisitos do ambiente de produção. Isso exige a cooperação interdisciplinar das disciplinas tradicionalmente separadas.

Os seres humanos, no entanto, serão o fator mais importante nesse processo de transição. Se forem analisadas as três últimas revoluções são analisados, será evidente que os padrões de vida e necessidades humanas foram a principal força propulsora por trás das mudanças. Quando esses requisitos atendem às condições-limite tecnológicas, parece resultar em campos férteis para mudanças inovadoras. Desde a terceira Revolução Industrial, conhecida mais comumente como a Revolução Digital, várias tecnologias inovadoras, bem como mudanças políticas, influenciaram a maneira como as pessoas vivem umas com as outras. Exemplos característicos incluem o fim da Guerra Fria, a abertura dos mercados globais – especialmente na China – juntamente com o avanço tecnológico (por exemplo, a internet e os vários dispositivos inteligentes).

Os seres humanos não só apresentam o papel importante de acionador de tecnologia, mas também o papel do acionado. As ICT modernas levam a uma forte aceleração em todos os processos de negócios e fazem isso em um contexto global. Ofertas para fornecer unidades de produção e serviços podem ser enviadas ao redor do mundo em segundos, enquanto associações globais podem ser formadas instantaneamente para fornecer soluções. Sistemas de logística em terra, mar e ar, mais eficientes e integrados, podem fornecer bens para clientes em tempos muito mais curtos. Para ter êxito na competição global, os sistemas de produção precisam de agilidade e a capacidade de fazer a transição rapidamente. Isso será possibilitado com os avanços em ICT. As pessoas precisarão planejar, implementar e operar mais rapidamente neste novo ambiente de sistemas. Apenas aqueles países que conseguem adaptar o treinamento e a educação de seus cidadãos de maneira oportuna às novas realidades serão bem-sucedidos no mercado global.

A Europa está em boa posição neste quesito. A UE é um dos líderes mundiais no campo de pesquisa sobre sistemas incorporados em rede, tecnologias semânticas e projeto de sistemas ciberfísicos complexos. Eis aqui uma grande oportunidade para as indústrias europeias darem um grande salto tecnológico e dominar os desafios do mercado global.

Referências

1. Kagermann, H., Lukas, W., Wahlster, W. (2011). Industrie 4.0: Mit dem Internet der Dinge auf dem Weg zur 4. industriellen Revolution, VDI-Nachrichten.
2. Geisberger, E., Broy, M. (2012). Integrierte Forschungsagenda Cyber-Physical Systems, Acatech Studie, Berlim.
3. Zuehlke, D. (2010). SmartFactory – Towards a Factory-of-Things, Em: IFAC Annual Reviews in Control, Volume 34, Edição 1, ISSN 1367-5788


[FIM]


Eng. Dr. h.c. Detlef Zühlke

Detlef Zühlke é diretor do departamento de Sistemas Inovadores de Fábrica no Centro de Pesquisa Alemão (DFKI-IFS) para inteligência artificial em Kaiserslautern. Ele também é o fundador e presidente do conselho executivo da SmartFactoryKL e mantém o cargo de automação de produção na Universidade de Kaiserslautern.

Engenheiro Dominic Gorecky
Dominic Gorecky é pesquisador sênior e diretor adjunto da DFKI-IFS. Em seu cargo, ele é responsável pela gestão científica e coordenação estratégica do departamento.

Mestre Stefanie Fischer
Stefanie Fischer é pesquisador e diretor de comunicação da SmartFactory. Em seu cargo, ela trabalha em diferentes projetos e é responsável pelo marketing e pela comunicação.

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