A Internet Industrial, como modelo de negócios emergente e paradigma de aplicação formado pela profunda integração da tecnologia da informação da próxima-geração com a economia industrial, serve como base crítica para que as empresas industriais alcancem a transformação digital. Nos últimos anos, surgiram inúmeras soluções integradas através da inovação adaptada às características de produção e aos pontos problemáticos das principais indústrias. Os exemplos incluem colaboração na cadeia de suprimentos na fabricação-de equipamentos de ponta, operação e manutenção remotas de equipamentos importantes, conservação de energia e redução de emissões na indústria siderúrgica e monitoramento da segurança da produção no setor petroquímico. Estas soluções aproveitam totalmente os efeitos de agregação e amplificação da Internet industrial, impulsionando a transformação digital da produção e proporcionando valor fundamental na melhoria da qualidade, redução de custos e ganhos de eficiência.
As plataformas de Internet industrial fornecem recursos para agregar, integrar, armazenar, processar, computar e analisar dados industriais massivos, permitindo que as empresas criem plataformas de dados de controle operacional de ciclo de vida completo e unificadas. Diversas tecnologias{2}}relacionadas à plataforma estão passando por iteração e avanços contínuos (por exemplo, componentes de microsserviços, contêineres, processamento de dados em lote, processamento de fluxo). Essas tecnologias nos capacitam progressivamente a conduzir-análises profundas de dados industriais massivos e heterogêneos, ao mesmo tempo em que aceleram o acúmulo de conhecimento industrial, a dissociação de hardware e software e a rápida implantação de aplicativos inovadores. No entanto, reconhecemos que essas tecnologias avançadas de código aberto-são fundamentalmente ferramentas para ajudar as empresas a alcançar a fabricação inteligente-e não o objetivo final em si. Aproveitando essas plataformas, as grandes empresas podem otimizar a produção em todo o escopo de fabricação, aprimorar toda a cadeia de valor de ativos e operações e, por fim, alcançar a otimização do valor-de todo o ciclo de vida. Por exemplo, o Grupo da Companhia Nacional de Petróleo de Abu Dhabi (ADNOC) aproveita o seu centro de comando digital panorâmico para monitorizar e optimizar centralmente os activos e o desempenho operacional de 14 empresas operacionais a partir da sua sede. Através de soluções como manutenção preditiva e otimização da cadeia de valor, identificou oportunidades potenciais de otimização de valor no valor de US$ 60 milhões a US$ 100 milhões para o grupo (fornecendo soluções de otimização da cadeia de valor de petróleo e gás, integrando cadeias de valor operacionais e de ativos e maximizando a produção e os retornos operacionais).
A Internet Industrial oferece inúmeras soluções em cenários como extensão de serviço, colaboração em rede e personalização personalizada, conectando empresas, usuários e produtos. No entanto, permanece numa fase exploratória para cenários de produção inteligentes e as empresas ainda enfrentam desafios significativos nas operações de produção.
Desafios enfrentados pelas empresas de manufatura atuais
Desafios do mercado: As incertezas econômicas e de mercado globais estão obrigando os fabricantes a ajustar rapidamente as estratégias para se adaptarem às demandas de mercado mais frequentes e{0}}de ritmo mais rápido, enquanto navegam pelas flutuações nos custos de matéria-prima e energia. Essa tendência está forçando as empresas a repensar suas abordagens operacionais: elas devem lançar continuamente novos produtos e, ao mesmo tempo, reduzir os ciclos de aquisição de equipamentos, os prazos de desenvolvimento de novos produtos e o tempo de-colocação-no mercado. Eles precisam estabelecer modelos de negócios de otimização coordenados pela cadeia de suprimentos-orientados pela demanda e sistemas de produção flexíveis, como linhas de produção-mistas em larga escala-particularmente críticas para o setor de manufatura discreta.
Desafios de recursos humanos e retenção de conhecimento: À medida que as gerações mais velhas de trabalhadores se aposentam, a experiência que possuem em sistemas de controlo, operações e manutenção corre o risco de se perder. As empresas industriais enfrentam desafios significativos decorrentes das transições da força de trabalho. A nova geração de nativos digitais espera que o conhecimento da automação industrial seja incorporado nos sistemas que utilizam, enquanto o talento tradicional de TO se torna cada vez mais escasso.
Desafios em Custo Total e Conformidade: Como otimizar e reduzir custos para novos projetos de construção e despesas operacionais, ao mesmo tempo em que cumpre leis e regulamentos nacionais de proteção ambiental cada vez mais rigorosos para permitir o desenvolvimento sustentável.
Os gestores industriais esperam que as tecnologias da Indústria 4.0 e da Internet Industrial os ajudem a enfrentar estes novos desafios. Analistas do setor estimam que tecnologias de produção mais flexíveis e de próxima{2}}geração poderiam aumentar a produtividade da produção em 30%. No entanto, a investigação também indica que 60% das empresas não conseguem avançar os seus projetos para além da fase piloto. Esse resultado decorre de diversos fatores relacionados a pessoal, processos e tecnologia. Na frente tecnológica, a maioria dos fabricantes luta para obter retornos mais elevados destas inovações, principalmente porque os seus sistemas operacionais de fábrica permanecem fechados, configurações proprietárias. Desde a década de 1970, quando os sistemas DCS e PLC entraram na automação industrial, os sistemas proprietários evoluíram. Até o momento, o mercado se desenvolveu em torno de modelos de agrupamento de hardware{11}}de software, com cada fornecedor de sistemas de automação e informações criando seu próprio ecossistema de software. Isso força os usuários a manter vários sistemas de TO e TI, promovendo uma alta dependência de fornecedores de sistemas.
Gargalos Atuais no Limite da Internet Industrial
Arquitetura não{0}}digital-A maioria dos sistemas de automação modernos são altamente otimizados para controle-em tempo real, mas não conseguem aproveitar as tecnologias de rápido avanço que emergem do domínio de TI. Essas-tecnologias digitais de ponta-incluindo análises, inteligência artificial/aprendizado de máquina, abordagens-orientadas a objetos e arquiteturas-orientadas a serviços-são essenciais para alcançar a fabricação inteligente.
-Modelos de negócios centrados em hardware-Embora os aprimoramentos de hardware possam otimizar os ambientes de controle existentes, eles não são o aspecto mais crítico da transformação digital. A verdadeira chave está na inovação-orientada por software que aborda de forma inteligente os desafios tecnológicos operacionais. Conseqüentemente, o valor comercial está mudando constantemente de modelos orientados por hardware para modelos orientados por software.
Limitações de sistemas proprietários-Atualmente, os aplicativos de automação desenvolvidos para um sistema não podem ser executados em outro. No entanto, nas últimas décadas em TI, sistemas operacionais abertos como o Linux promoveram o desenvolvimento-de aplicativos de terceiros, permitindo a rápida expansão do ecossistema e a criação de portfólios de software avançados que atendem às necessidades de negócios em vários setores e segmentos de mercado. Lamentavelmente, os sistemas proprietários no setor industrial criam barreiras à inovação: os usuários não conseguem melhorar os sistemas de produção de forma razoável-eficazmente em termos de custos ou integrar e combinar os melhores-produtos-da classe de diferentes fornecedores. O seu ritmo de inovação é limitado pela dependência de fornecedores de sistemas proprietários. Estas barreiras acabam por aumentar os custos totais da empresa.
Para os fabricantes de equipamentos originais (OEMs), o desafio está em equilibrar duas prioridades: aproveitar os recursos de depuração virtual durante o projeto modular para unir os mundos virtual e físico,-reduzindo assim custos, mitigando riscos e acelerando o tempo de-lançamento-no mercado-e, ao mesmo tempo, aprimorando os serviços-de valor agregado da máquina para expandir os mercados e impulsionar o crescimento dos negócios.
Os integradores de sistemas (SIs) enfrentam uma lacuna crítica: os sistemas de automação carecem de ferramentas que conectem os domínios de TI e TO. Em última análise, vêem-se obrigados a investir recursos humanos significativos no desenvolvimento de soluções personalizadas altamente complexas. Crucialmente, tais serviços personalizados são difíceis de replicar amplamente no mercado. Eles buscam blocos funcionais de software que protejam seu conhecimento industrial e soluções específicas-do setor, reduzindo assim o esforço de engenharia-de baixo valor (reutilizando objetos e algoritmos de processo em vários projetos). Isso permite que seus especialistas técnicos se concentrem mais intensamente na resolução de pontos problemáticos e desafios nos processos de Fabricação, Operações e Manutenção (MOM), criando, em última análise, maior valor.
Do lado do{{0}usuário final (UE), enfrentar esses desafios exige urgentemente um gerenciamento abrangente do sistema para minimizar o tempo de inatividade não planejado, garantindo a entrega de produtos durante os períodos de pico e reduzindo a dependência de suporte técnico externo. Há um desejo por sistemas/linhas de produção flexíveis para garantir agilidade de fabricação, permitindo maior flexibilidade de produção quando a demanda muda ou os cronogramas de manutenção mudam.
A solução eficaz desses problemas e o estabelecimento real de um ecossistema industrial digital "industrial definido por software" exige a abordagem de sistemas de TO fechados, padrões e desafios do ecossistema em sua origem. Isso envolve a adoção de sistemas e padrões de automação abertos e, ao mesmo tempo, a integração de recursos técnicos adicionais para acelerar a convergência de TI-TO.
O futuro dos sistemas de automação abertos
As futuras arquiteturas de sistemas de automação evoluirão inevitavelmente em direção à abertura, à implantação distribuída e à segurança inerente. A tecnologia de automação industrial e a computação de ponta formam a base desses sistemas abertos. Comparadas aos sistemas proprietários tradicionais, as arquiteturas de automação abertas apresentarão as seguintes transformações:
É evidente que as arquiteturas de automação abertas aceleram o desenvolvimento da engenharia, melhoram a agilidade do sistema, a flexibilidade da produção e a eficiência geral. Essa mudança representa mais do que uma atualização técnica-ela redefine fundamentalmente a forma como os processos e as máquinas são projetados. A programação de-valor baixo-de longo prazo para controladores proprietários fará a transição para sistemas de automação plug-and{6}}play. Esses sistemas aproveitarão blocos de funções de software extensos e totalmente validados, desenvolvidos por um vasto ecossistema. Eles serão executados em diversos hardwares de vários fornecedores,-abrangendo sistemas de controle incorporados até poderosos dispositivos de inteligência de ponta.
Os padrões abertos são essenciais para a construção de sistemas de automação abertos, e o IEC 61499 é o padrão chave que abre essa nova fronteira. Ao definir regras de modelagem orientadas a objetos, ele encapsula os modelos de controle e algoritmos de objetos controlados em "caixas pretas" (blocos de funções de software). Esses blocos funcionais verificados podem ser reutilizados em diferentes cenários, reduzindo significativamente os esforços repetitivos de programação. Para os usuários, basta compreender a funcionalidade fornecida sem a necessidade de conhecer os detalhes da implementação, protegendo assim a propriedade intelectual dos desenvolvedores. Ao contrário dos blocos funcionais tradicionais, aqueles definidos por este padrão operam com base no disparo de eventos, em vez de na varredura cíclica. Isso se alinha aos conceitos-orientados a objetos e às abordagens de programação no domínio de TI, tornando-a uma tecnologia de convergência natural de TI/TO. Ele facilita a eficiência aprimorada da CPU do controlador e o balanceamento de carga, é particularmente adequado para sistemas distribuídos e permite a integração perfeita de tecnologias avançadas de TI em sistemas de automação. O padrão define ainda regras para modelos de aplicativos, modelos de sistema e modelos de dispositivos/recursos. Sua integração permite que os usuários projetem aplicações independentemente do hardware de automação subjacente. Essa abordagem de abstração de hardware encurta os prazos dos projetos e reduz a dependência dos fabricantes de equipamentos. Combinado com o desenvolvimento-orientado a objetos de blocos funcionais, ele simplifica significativamente os ajustes on-line para linhas de produção e equipamentos. Naturalmente, o padrão também fornece métodos para compor blocos funcionais básicos em blocos compostos e para conectar rapidamente diferentes blocos funcionais (através de um simples arrastar-e-soltar), reduzindo significativamente a carga de trabalho de depuração de programação de software e as taxas de erro do programa. Em resumo, alcançar a interoperabilidade dos dispositivos, a reconfigurabilidade do sistema e a portabilidade do software são os seus principais objetivos. Organizações como o Open Process Automation Forum (OPAF) e a Associação Internacional de Usuários de Automação da Indústria de Processos (NAMUR), que atualmente são lideradas pela participação-do usuário final, estão defendendo uma mudança nas estruturas de sistema de automação proprietárias existentes baseadas neste padrão-a melhor ilustração dessa busca.
Nos últimos anos, a tecnologia de computação de ponta também experimentou um rápido desenvolvimento. A tecnologia de contêineres fornece métodos eficazes para atualização/atualização em lote de aplicativos para controle de borda e garantia de transmissão e processamento de dados em tempo hábil. As tecnologias de contêineres, principalmente o Docker, e as ferramentas de orquestração de contêineres, como o Kubernetes, estão amadurecendo. A arquitetura de microsserviços melhora continuamente a eficiência da utilização de recursos na borda, promove o desacoplamento funcional e a reutilização, acelera o desenvolvimento de aplicativos e se tornou uma tendência importante na tecnologia de computação de ponta. Padrões como OPC UA e Time{4}}Rede Sensível (TSN) fornecem estruturas internacionais e redes determinísticas para interconectividade de dispositivos de campo, atendendo a diversos requisitos de transmissão e troca de dados em aplicações industriais. A integração dessas tecnologias de informação e comunicação de próxima{6}}geração com tecnologias padrão IEC 61499 acelerará o progresso da automação aberta. Esta abertura estende-se não apenas aos padrões, mas também às redes, ao hardware, ao software e à arquitetura de sistemas, estabelecendo uma base sólida para alcançar a digitalização, a rede e a inteligência em fábricas e oficinas.
A automação aberta impulsionará o rápido desenvolvimento da Internet Industrial, abordando, em última análise, os pontos problemáticos dos usuários finais, integradores de sistemas e OEMs. Essa abordagem proporciona uma produção flexível, reduz o tempo de{1}}lançamento-no mercado, reduz o tempo e os custos de engenharia, melhora a eficiência operacional e de produção e protege a propriedade intelectual. Na verdade, um estudo comparativo recente realizado por uma empresa-terceirizada internacional destaca isso de forma eficaz: para concluir um projeto típico de automação em-escala pequena (tarefas que incluem criação de aplicativos, importação de bancos de dados relevantes, estabelecimento de lógica, configuração de dispositivos, desenvolvimento de IHMs e implantação do projeto), as ferramentas de software de automação tradicionais exigiam 40 horas. Em contrapartida, utilizar um sistema de automação aberto reduziu esse tempo em 68%. Para testar a agilidade do sistema, os controladores foram trocados manualmente entre dispositivos e novos controladores configurados para os dispositivos originais. Essas operações mostraram-se complicadas com sistemas proprietários tradicionais, enquanto os sistemas de automação abertos as executaram de 70% a 80% mais rápido.
Em resumo, se a futura Internet Industrial poderá superar os actuais estrangulamentos e avançar ainda mais a transformação digital das empresas industriais em profundidade e amplitude depende do estabelecimento de um sistema de automação aberto construído sobre novos conceitos, arquitecturas e padrões. Os sistemas proprietários tradicionais-centrados em hardware serão substituídos por sistemas abertos-centrados em software. Mais tecnologias de nuvem serão aplicadas à computação de ponta, permitindo que um grande conjunto de talentos de TI se integrem profundamente ao conhecimento de aplicações industriais dentro desta estrutura aberta. Podemos prever que a Internet Industrial abrirá um caminho saudável e sustentável ao alavancar este ecossistema aberto.