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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.

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10 Comentários
  1. Paulo Diz

    Olá Márcio, peço desculpas por comentar um pequeno detalhe no seu trabalho, o qual gostei muito. É que vc divide as redes em ethernet e seriais, porém, eletronicamente não temos redes paralelas, ou seja, todas são seriais, inclusive a ethernet ! Obrigado pela atenção!

    1. Marcio Venturelli Diz

      Olá Paulo, muito obrigado pelo seu comentários, são sempre bem vindos. As participações, observações e correções, ajudam a enriquecer nossos leitores. Abraço

  2. Teixeira Diz

    Mutio bom! Esclarecedor!

  3. Pablo Diz

    Oi Marcio,

    Também tomaria cuidado com a afirmação “A Rede Ethernet é o padrão da Internet”. Ethernet se tornou praticamente um padrão para LAN e é largamente utilizada, mas não há nenhuma obrigação (ou relação) de que se faça parte de uma rede Ethernet para que se “esteja” na Internet. Um host pode fazer parte de qualquer LAN diferente da Ethernet (Como ATM por exemplo) e ainda assim “estar” na Internet.

    1. Pablo Diz

      O comentário é porque um leitor desavisado pode fazer essa relação “Ethernet X Internet” e achar que sempre que um host “estiver” na Internet tem que estar em uma Ethernet, o que não ocorre.

      1. Marcio Venturelli Diz

        Olá Pablo, muito obrigado pela leitura do texto e o esclarecimento.

  4. Marcio Venturelli Diz

    Baixe as apresentações e o e-Paper completo: https://mhventurelli.wordpress.com/2017/07/21/redes-na-industria-4-0/

  5. Marcio Eugenio Diz

    Muito bom o post!!!

  6. Fabrício Andrade Diz

    Muito bom artigo, Márcio. Na minha opinião e dentro do que tenho visto, até momento tanto IIoT quanto Indústria 4.0 ainda estão na região de Buzzword, nenhuma solução “inovadora” foi realmente implementada. Além disso, não acho que tenha protocolos ideais, acredito que depende muito do segmento. Existe uma grande possibilidade de tudo virar Ethernet baseado nas soluções já no mercado e grande sucesso e fácil implementação como EtherNet/IP, PROFINET, HART-IP e o novo conceito EPA (Ethernet for Process Automation). No entanto, redes como wireless, profibus, FF ainda sim tem muitas informações que ainda hoje são mal aproveitadas. Pra mim, essa é uma das realidades no campo, será que estamos prontos para tudo em Ethernet? > https://goo.gl/vNq82Z

    1. Marcio Venturelli Diz

      Olá Fabrício, concordo com seus comentários, ainda há muito que se fazer, Ethernet tem se desenvolvido bem como convergência, mas protocolos ainda tem que evoluir para IIoT e Cibersegurança, vamos aguardar e acompanhar. Obrigado