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Infraestrutura e Conectividade de Redes na Indústria 4.0

Como vimos nos artigos anteriores, a Indústria 4.0 é um ecossistema cibernético onde informações, pessoas e máquinas trocam informações. Para que isso seja possível, precisamos interconectar todos estes elementos em uma rede, de forma que os dados possam trafegar de forma vertical e horizontal em todo o sistema automatizado, permitindo a interoperabilidade do processo.

Vamos comparar a criação de um sistema para a Indústria 4.0, como uma rodovia, primeiro vamos construir as vias (infraestrutura), depois vamos sinalizá-la (Cibersegurança), logo faremos as interconexões (IoT Internet das Coisas) e ligamos tudo isso a um sistema inteligente que “aprende” (Big Data), assim vamos traçar nossos textos, explicando estes passos.

Para delimitar nosso tema de infraestrutura de redes para a Indústria 4.0, lembrando que nosso foco é a automação industrial, vamos falar de:

  • Como construir uma infraestrutura de conectividade industrial de modo a unir as informações de produção
  • Quais tecnologias disponíveis para montar uma infraestrutura de redes industriais
  • Entendendo a convergência de informações da TO Tecnologia da Operação e TI Tecnologia da Informação

Os cenários na indústria são diversos, mas podemos pontuar alguns principais abaixo para permitir a construção desta infraestrutura, que remetem as seguintes questões:

  • Projetar e construir um sistema de automação que tenha informações de ativos, para operação e manutenção
  • Interconectar dispositivos e sistemas na indústria de modo que haja troca de dados entre si
  • Convergir informações de toda a cadeia produtiva, laboratórios, logística, planejamento, operação e manutenção

Quando pensamos em redes industriais e agora orientada a Indústria 4.0, esta evolução ocorre desde quando as informações eram isoladas nos próprios controle locais, não havia envio de informações, depois temos o advento das redes locais, permitindo uma primeira convergência, mesmo que na planta local, trocando informações no ambiente industrial e administrativo, e, agora temos um nível hierárquico para a Indústria 4.0, convergindo todas as redes da cadeia produtiva, vimos isso no RAMI 4.0, que é a padronização da Indústria 4.0.

Para projetar e implantar esta infraestrutura, de modo que tenha interoperabilidade e atenda os níveis hierárquicos, temos diversos desafios, podemos pontuar alguns mais comuns:

  • Como obter o máximo de dados de ativos e sistemas para criar um ecossistema de informações na indústria
  • Como conectar redes com diversos padrões e protocolos, além de sistemas legados
  • Como montar uma infraestrutura de redes que permita escalabilidade e simplicidade de acréscimo e crescimento

Qual rede utilizar para a Indústria 4.0?

Então, perante estes desafios e tantas tecnologias existentes, a pergunta mais comum é: qual rede usar? Podemos comentar um alinhamento atual de aplicação, não único, mas mais usual atualmente, lembrando que a tecnologia não para de evoluir.

Qual a rede “ideal” para a Indústria 4.0?

  • A Rede Ethernet é o padrão da Internet
  • Podemos usar todos os modelos (Cabo, FO, WiFi e Rádios)
  • Pode servir de Backbone para conexão ao Cloud

Qual a rede “local” interna (máquina ou processo)?

  • Uso de protocolos industriais (Ethernet ou Seriais)
  • Usar mídias que simplificam a conexão (Wireless, FO)
  • Usar Gateways ou Proxy para Convergência

A aplicação da Ethernet na indústria é a grande evolução e tende a ser totalmente adotada, uma vez que já está consolidada, todavia é importante entender que a Ethernet Industrial, tem característica para o chão-de-fábrica, alguns principais que devem ser levados em consideração:

  • Aplicação em ambientes severos (hardware)
  • Temperatura 75º c a -35º c (exemplo)
  • Proteção mecânica especial
  • IP (grau de proteção alto)
  • Suportar vibração e impacto
  • Alta imunidade a ruídos (EMI)
  • Arranjos de alta disponibilidade (redundâncias)
  • Uso de protocolos industriais

Rede Ethernet na Indústria

A rede Ethernet na indústria, permite a interconexão de todos os dispositivos de automação e controle, trocando informações no ambiente local e agora já trabalhando com Cloud Computing (computação nas nuvens), sendo que as arquiteturas para Indústria 4.0, devem levar em consideração a interoperabilidade da planta, sua flexibilidade e sua modularização, permitindo uma produção customizada e personalizada.

Uma rede Ethernet é composta de diversos dispositivos, que formam a nossa via, os principais e suas funções, relacionamos abaixo:

  • Switches não gerenciáveis – controlam o tráfego de dados na rede (MAC/IP)
  • Switch Gerenciável – controlam o tráfego de dados na rede com funções administrativas (ex. VLAN)
  • Switch Layer 2 – controla o tráfego de rede na camada de IP
  • Switch Layer 3 (Roteador) – controla o tráfego de rede permitindo rotear (trocar dados) entre redes diferentes
  • Firewall – dispositivo de segurança de acesso – bloqueando usuários e informações não permitidas na rede
  • Gateway – dispositivo que converte um padrão / protocolo para um outro formato (ex. Profinet / Profibus PA)
  • Proxy – dispositivo igual ao Gateway, porém é transparente para o controlador na rede (ponte direta)

Lembrando os benefícios do uso da Ethernet na indústria:

  • Rede simples de projetar e implantar
  • Componentes de baixo custo, comparados a outras redes
  • Permite diversos Protocolos dentro do Padrão
  • Rede padronizada por normas em constante evolução
  • Pode ser aplicada desde ambientes domésticos até industriais (componentes especiais)
  • Rede interoperável e escalar

Nem todos os equipamentos ou sistemas estão preparados para entrar nesta via, o sistema de rede deve ter capacidade de se comunicar em diversos padrões e protocolos, além de suportar sistemas legados (antigos).

Para que isso seja possível, é necessário utilizar Gateways, que são equipamentos que fazem a conversão de um padrão de rede e/ou protocolo, desta forma é necessário no projeto de convergência prever o uso destes dispositivos.

Além do entendimento da conexão física, os dados devem ser entendíveis entre si, dentro do RAMI 4.0, que é a padronização como dissemos, trabalhamos com o SOA, Arquitetura Orientada a Serviços, isto é, todos equipamentos e dispositivos são objetivos que produzem e consomem informações dentro da rede.

Desta forma, através desta padronização, eu posso trocar informações diretamente, interoperar, por exemplo, um caminhão se comunicando na fazenda em tempo real via GPS com a fábrica, controlando a produção, através de uma informação logística, atuando na velocidade dos controladores de uma esteira, em tempo real.

Com isso vemos que as redes, para nossa infraestrutura, permitem a convergência da planta industrial e toda a cadeia produtiva envolvida, este entendimento é fundamental, pois a Indústria 4.0, trabalha orientada a informações do processo como um todo, logo é necessário, tudo que faz parte deste ecossistema, que esteja disponível nesta grande via.

Dicas para o planejamento de redes para a Indústria 4.0

Podemos sugerir abaixo uma visão geral para implantação das redes, de forma a construir esta infraestrutura de convergência na indústria:

  • Desenhe todos os fluxos de negócios e suas inter-relações com todas as redes (Workflow com proposição de Valor)
  • Prepare todas as redes de forma a serem produtoras e consumidoras de informações (padrão)
  • Faça um projeto de conexão física, lógica, de segurança e de interligação das redes
  • Programe os Webservices de acordo com as regras de negócio (troca de dados)
  • Treine as pessoas para trabalhar em novos formatos de tomada de decisões, demonstrando o caminho da Indústria 4.0

Conclusão

Concluímos que a primeira fase física da implantação da Indústria 4.0 é a conectividade, devemos pensar em unir todos os dados para cadeira produtiva para troca de informações, o uso de redes é o primeiro passo para permitir atender esta necessidade, as redes Ethernet são uma ótima opção pela sua maturidade, conceitos de SOA associados a convergência de dados, complementam este objetivo.