Como foi abordado nos capítulos anteriores desta dissertação, o conceito de indústria 4.0 é norteado na estuturação e conectividade. A célula automatizada disponível para o nosso estudo foi idealizada com uma arquitetura inicial de supervisão e controle baseada no conceito de indústria 3.0, e a mesma se encontra totalmente operacional, constituida de diferentes postos de trabalhos embarcados. Neste trabalho é proposto a sua interatividade com o mundo exterior através do retrofitting da Unidade Central de Processamento (CPU), responsável pela conversão de protocolos.
No capítulo anterior deste trabalho foi mostrado que este dispositivo é constituido de diversos microcontroladores trabalhando em conjunto com um microcontrolador central utilizando rede PROFIBUS e ETHERNET, constituida de entradas e saídas. Consequentemente, através de uma saída para ETHERNET podemos conectar um Roteador “N” G, e assim ter acesso a Internet com um banco de dados iniciais hospedado em uma nuvem.
5.1 – CPU Conversora de Protocolos
A CPU responsável pela conversão de protocolos de comunicação PROFIBUS para ETHERNET possui a função de disponibilizar o pacotes de dados provenientes dos processos gerados e/ou a serem inseridos na planta de manufatura de modo bidirecional.
A interface de comunicação utilizada pelo microprocessador para conversão de protocolos, é uma matriz, onde os bits são inseridos indexados à máscara de memória do programa do monitor do CLP utilizado, estabelecendo assim um protocolo de comunicação.
Os principais fabricantes de CPUs conversoras existentes no mercado, de respectivo modelo, são apresentados na Tabela 5-1.
Tabela 5-1 – Principais fabricantes de CPUs conversoras.
FABRICANTE MODELO
SIEMENS IE\PB LINK
PHOENIX-CONTACT AXC 1050
MITSUBISHI QJ71MES96
ADF Web MN67575
BECKHHOFF CX8030 | Embedded PC for PROFIBUS
FESTO CPX-CEC-C1/S1/M1-V3
Para deixar mais claro este conceito, apresentaremos a seguir um exemplo de carregamento de dados da CPU conversora, disponibilizado no site da empresa ADF Web – Produto HD67575, que utiliza um procedimento aberto e direto, e de fácil compreensão. (http://www.adfweb.com/?Product=HD67575).
5.1.1 – Carregar de dados da CPU conversora
As particularidades de software para carregar os dados na matriz da CPU conversora são inerentes a cada fabricante, porém todos seguem uma base comum.
Exemplificaremos a seguir o seu princípio de funcionamento, utilizando o conversor SW67575, da empresa ADF, disponibilizado no site www.adfweb.com, que funciona em ambiente Windows.
Considerando a importância e relativo grau de dificuldade que exige a sua implementação. A Tabela 5-2 apresenta um breve descritivo de suas principais telas de interação com o usuário e figura associada, que serão apresentadas a seguir.
Tabela 5-2 – Telas de Visualização e Configuração do Sistema ADFweb.
Tela Explicativo Figura
Janela Principal Tela de inicio de execução do programa ADFweb Compositor
5.1A New Projet Criação de um novo Projeto – criação de uma pasta
que contêm toda a configuração do dispositivo
5.1B Select Directory
of Project
Seleção do Diretorio do Projeto, podendo importar ou exportar configurações de um servidor Ethernet programavel do/para o Profibus Master
5.2
Set Communication Definição de parâmetros de Conunicação entre barramento PROFIBUS e ETHERNET. A janela é dividida em duas sessões para configuração de cada um desses barramentos de comunicação.
5.3
PROFIBUS Network
Configuração do barramento de rede PROFIBUS. Podendo adicionar/remover os arquivos GSD dos dispositivos escravos
5.4A
PROFIBUS ID Slave
Permite escrever o endereço PROFIBUS (módulo escravo), onde aparece nesta tela os módulos disponíveis (available modules) aparece todos os módulos possíveis de serem selecionados como escravo.
5.4B
Figura 5-1A e 5-1B – Janela principal e Criação de Novo Projeto SW67575.
Figura 5-2 – Para copiar outro projeto e atualizar a versão existente.
PROFIBUS: ID Dev.: definição do endereço Baud rate: taxa de transmissão
ETHERNET:
IP Address: Endereço IP
SUBNET Mask: mascara SUBNET GATEWAY: endereço IP para sair da rede Port: numero da Porta
.
Figura 5-4A– PROFIBUS Network ; Figura 5-4B – PROFIBUS ID Slave.
5.1.2 – Aplicação do Roteador
O roteador que se comunicara com a CPU conversora através de uma rede ETHERNET pode exigir uma grande quantidade de dados para aplicações de plantas maiores com maior quantidade de informações, sendo importante definir corretamente a geração do roteador utilizado (N° de “G”), em função da quantidade de dados da planta.
Os pacotes de dados são disponibilizados tanto para escrita como para a leitura de a uma ação na planta junto a CPU conversora (Figura 5-5).
Figura 5-5 – Proposta de rede de comunicação da planta de manufatura 3.0 com a rede Web.
5.1.3 – Aplicação do Sensor Inteligente
Como descrito no capítulo anterior, após acionamento da estação de seleção, e estando o corpo do cilindro na posição de teste, é desligado o vácuo, e um sensor de cores “inteligente” inspeciona a cor da peça. Neste instante, o programa implementado compara o valor binário enviado pelo sensor de cor com o valor binário gerado no site pela escolha da cor do produto, e se a sequência de bits for a mesma a peça é aceita, seguindo o ciclo descrito na descrição funcional apresentada no capítulo anterior, através da movimentação do elevador e ejeção para o pallet transportador, conforme mostra a Figura 5-6.
Figura 5-6 – Posicionamento do sensor de cores na estação de seleção e teste.
Se a leitura de cor da peça for de valor diferente do solicitado, o elevador não será acionado, permanecendo a peça na posição baixa, sendo acionado o ejetor de peças com o elevador na posição baixa, fazendo a peça ser ejetada para fora sistema de inspeção. O sensor de peça presente no berço é desacionado, retornando o cilindro a sua posição inicial, fazendo o ciclo de seleção reiniciar o processo. A gravação da cor correspondente deverá ser realizada seguindo o procedimento do fabricante do sensor utilizado (Balluf), mostrado na Figura 5-7.
5.2 – Etapas da Evolução do Sistema I3.0 para I4.0
Na evolução do Sistema utilizando o conceito I3.0 para o I4.0 propõe-se analisar a CPU conversora que será utilizada, e os protocolos de comunicação em rede industrial aceitáveis pela mesma. Importante ressaltar que o nível de segurança em sistemas cyber-físicos deve ser considerado em todas as circunstâncias com a instalação de Firewall e bloqueadores de programas mal intencionados.
A Tabela 5-3 apresenta as Fases de Processos de evolução do conceito I3.0 para I4.0, utilizando a visão que as estações mestre e escravo deverão ser adequadas a conversão, prevalecendo como mestre a CPU que contém o programa supervisório do sistema de manufatura. As fases apresentadas poderão ser acrescidas e expandidas, e o foco do trabalho é a base da conversão dos dados para a rede Internet.
Tabela 5-3 – Fases da evolução da I3.0 para I4.0. FASES PROCESSOS 1º 2° 3° 4° 5° Levantamento do ambiente de segurança do processo Nível de permissão de acesso aos dados da planta. Seleção dos dados que serão modificados remotamente pela Web. Criação de um banco de dados para fins de back- up. Monitorar Retorno de não invasão Monitorar Aplicação da CPU Conversora na captação dos dados do sistema I3.0 Adaptação do hardware necessário à CPU conversora Definição mestre / escravo Monitorar Os dados de reposta inerentes ao mestre e ao escravo Atrelar os bits ao programa de cada estação. Interlocá-los na matriz da CPU conversora. Carregamento de dados na matriz de leitura da CPU conversora Monitorar Aplicação do protocolo de conversão ambiente ETHENET para INTERNET Nomeação dos dados relevantes de entrada e saída Criação de um banco de dados de captura e leitura Criação do arquivo GSD Apartir do arquivo GSD elaborar a criação da página Web HTML Monitorar
5.3 – Descrição das Fases da Evolução I3.0 para I4.0
Como foi descrito nos capítulos anteriores desta dissertação, o conceito de I4.0, esta direcionado aos seguintes elementos: produto inteligente, máquinas inteligentes, realidade aumentada. Isto caminha para o conceito de “Smart Factory” em que a realização dos processos apoia-se nas informações recolhidas tanto no mundo virtual como no mundo físico.
Para que uma determinada planta alcance este conceito, como primeira etapa, é preciso adequar a planta com tecnologia I3.0, interligando suas estações à Internet, aplicando o retrofiting necessário ao funcionamento pleno da célula de manufatura nesta nova realidade da I4.0. As seguintes fases deverão ser realizadas:
• Levantamento do ambiente de segurança do proceso: a partir do desenvolvímento de softwares para proteção e preservação dos dados do proceso, que é essencial em sistemas cyber-físicos. A interação entre rede Web e planta fabril deve preservar os dados, a fim de evitar o acionamento indevido das estações durante o processo de manufatura. Um trabalho de pesquisa sobre tipos de Firewalls e bloqueadores de softwares maliciosos deverá ser realizada. • Aplicação da CPU Conversora na captação dos dados do sistema I3.0: foram
pesquisados alguns produtos mostrados na tabela 5-1 que utilizam a conversão PROFIBUS para ETHERNET através de matrizes de dados que são inerentes ao software, coletando os dados na máscara de cross reference das entradas e saídas provenientes do programa monitor de cada estação de trabalho.
• Aplicação do protocolo de conversão ETHERNET para INTERNET: A tendência atual é ter protocolos abertos para a interconectividade entre redes industriais de chão de fábrica e Internet, devendo sempre se preocupar com aspectos de segurança. Nos dias atuais, os fabricantes de protocolos trabalham em parceria com os fabricantes das CPUs conversoras, e por isso sugerem plataformas de atuação onde o software pode preservar os dados com firewalls aliados e processos de criptografía. Independente do fabricante da CPU utilizada, deve-se atualizar sempre o protocolo de conversão respeitando o constante dinamismo que rege o mercado, sujeito sempre as mudanças rápidas.
A conversão do PROFIBUS para a matriz escrita na ETHERNET segue a linha de endereçamento PROFIBUS relativo a cada estação de trabalho.
A Tabela 5-4, apresentada a seguir, mostra os endereços PROFIBUS relativos as estações de trabalho da planta de manufatura em estudo.
Tabela 5-4 – Endereços PROFIBUS das estações de trabalho na planta de manufatura.
NOME DA ESTAÇÃO ENDEREÇO PROFIBUS
DISTRIBUIÇÃO 2
TESTE 4
MONTAGEM - ROBÔ (PLC, CONTROLADOR) 12
ARMAZENAGEM SISTEMA AR\AS 14
MANIPULAÇÃO – (Pick and place) - para SAÍDA 16
SAÍDA 22
TRANSPORTADOR 20
A Figura 5-8 mostra a configuração das estações de trabalho da planta automatizada conectadas a uma rede PROFIBUS.
Figura 5-8 – Estações de Trabalho interligadas a Sistema PROFIBUS.
Visando sempre a conectivade exigida pela I4.0, cada estação de trabalho deverá possuir um endereço de IP (ETHERNET) para indexar na CPU conversora sua matriz de dados e permitir a construção dos elementos do site indexados a estes endereços.
Deve ser observado que o número de componentes e seus respectivos endereços de /IP devem ser provenientes do formato das estações na I3.0.
Os endereços ETHERNET/IP da planta de manufatura MPS 500 são apresentados na Tabela 5-5.
Tabela 5-5 – Endereços ETHERNET/IP das estações de trabalho na planta.
NOME DA ESTAÇÃO ENDEREÇO /IP
DISTRIBUIÇÃO 10.1.1.2
TESTE 10.1.1.4
MONTAGEM - ROBÔ (PLC) 10.1.1.12
MONTAGEM - ROBÔ (CONTROLADOR) 10.1.1.120
ARMAZENAGEM AR\AS 10.1.1.14
MANIPULAÇÃO (Pick and place) – PARA A SAÍDA 10.1.1.16
SAÍDA 10.1.1.18
TRANSPORTADOR 10.1.1.20
MÁSCARA SUBNET 255.255.0.0
Para coletar os dados e trabalhá-los com as diversos dispositivos na I4.0 é necessário um ambiente para interfacear os dados, e este é realizado através de softwares de conversão inerentes a cada fabricante com a sua respectiva CPU.
5.4 – Custos envolvidos : Sensor, C.P.U. , Roteador, Protocolos de Comunicação
Para análise de viabilidade de retrofitting de um Sistema Automatizado para a indústria 4.0, é imprescindivel realizar um levantamento junto aos principais fabricantes, de custos envolvidos em nivel de hardware-software. Devido a constante expansão no mercado do uso de equipamentos voltados a indústria 4.0 tornou-se possivel realizar o levantamento de custos destes equipamentos:
• CPUs conversora na Tabela 5-6. • Roteadores na Tabela 5-7.
• Sensores de Cores na Tabela 5-8.
• Protocolos de software de comunicação naTabela 5-9. As planilhas completas são apresentadas nos Anexos 7 e 8.
Tabela 5-6 – Comparativo de preços CPUs conversora.
Fabricante Modelo Conexões Preço US$
Siemens Ie/Pb Link RS232 (serial); RS 485 (PROFIBUS)
e ETHERNET 1.730,00 Phoenix - Contact AXC 1050 RS 485 (PROFIBUS) - ETHERNET
746,96 Mitsubishi QJ71MES96 MODBUS - ETHERNET 4.420,00
ADFWeb MN67575 RS 485 (PROFIBUS) – ETHERNET 342,79
Beckhhoff CX8030 | Embedded PC for PROFIBUS RS485 (PROFIBUS-DP MASTER) ETHERNET 753,75 Festo CPX-CEC- C1/S1/M1-V3 RS 485 (PROFIBUS DP Master) ETHERNET 914,75
Tabela 5-7 – Comparativo de preços Roteadores.
Fabricante Modelo Conexões Preço US$
Phoenix Contact TC MGUARD RS2000 4G VPN ETHERNET / VPN 4G
1.590,00 Weidmuller EG 2ET LAN FN ETHERNET /
VPN 2G
866,55
Weidmuller IE-SR-2GT-UMTS/3G ETHERNET / VPN 3G
1.137,81 Siemens M876-3 3G-ROUTER ROCK FOR ETHERNET /
VPN 3G
Tabela 5-8 – Comparativo de preços Sensores Inteligentes de Cores.
Fabricante Modelo Conexões Preço US$
Baluff BFS 26K-OS -L01-S115 24 Vdc; Saída digital PNP; 618.95 Omrom E3x-dac41-s 2m-nd 24 Vdc; Saída digital PNP 462,13
Leuze CRT 448.L3/222-M12 24Vdc ; Saída digital NPN 690,00 Sick CS84-P1112 | CS8 24 Vdc; Saída digital PNP 1.157,13
Tabela 5-9 – Comparativo de softwares de protocolos de comunicação entre CPU conversora.
Fabricante Modelo Conexões Preço US$
Mitsubishi MX-MESIF-STD-C1 O.S. de 64 bits 420,75 Siemens SIMATIC OPC UA S7-
1500
O.S. de 64 bits 0,00 download free Bekchoff Twin-CAT3 O.S. de 64 bits 0,00 download free
Festo CODESYS O.S. de 64 bits 0,00 download free
Phoenix Contact PC WORX - 2985259 Phoenix Contact PC WORX BASIC-PRO LIC O.S. de 64 bits 1.503,35
Importante ressaltar que os sensores inteligentes de cores comparados na Tabela 5-8, há diferenças entre as saídas digitais de cada um deles, e deve ser analisado o tratamento do bit gerado, onde um circuito adicional pode ser necessário dependendo do modelo escolhido.
No que concerne aos softwares de protocolos de comunicação, existem diversos produtos, num mercado em franca expansão, com novos modelos de negócios e oportunidades sempre surgindo.
A tendência é que esses softwares sejam livres de custos, com protocolos e interfaces abertos com diversos fabricantes de produtos.
5.5 – Conclusões do Capítulo
A conectividade entre sistemas de redes industriais, imprescíndivel na indústria 4.0, é garantida pelos protocolos de conversão. Cada fabricante desenvolveu o seu protocolo de maneira a garantir uma ponte de comunicação entre a sua CPU e a Internet. Particularidades de acesso e requisitos de ferramentas de software para afinar o tratamentos dos dados na aplicação final devem ser testados e levantados na prática.
Por se tratar de um conceito relativamente novo, somente em novembro de 2017 foi publicado pela fundação OPC UA um documento sugerindo a união dos fabricantes, o que ainda se encontra em processo de conversação.
Portanto este trabalho mostra uma parte do caminho a ser seguido para uma conversão da I3.0 para a I4.0, através de um retrofitting tecnológico, onde os processos de ajuste e otimização foram elucidados e sanados no decorrer de uma pequena aplicação prática, sendo importante observar que sempre devemos ter o cuidado de preservar os dados e escolher uma plataforma que ofereça segurança em dispor os dados da planta industrial na rede mundial de computadores.
6 CONCLUSÕES E PERPECTIVAS FUTURAS
6.1 – Conclusões
Em 1998 a Kodak tinha 170 mil funcionários e vendia 85% de todo o papel fotográfico vendido no mundo. No curso de poucos anos o modelo de negócios dela desapareceu e esta empresa entrou em processo de falência, o mesmo acontecendo com várias outras empresas, pois no início dos anos 90 viviámos um boom nas tecnologias de informação e comunicação, e estas empresas não se preparam para isto, e o modelo de negócios das mesmas já não se adaptava mais à realidade de mercado, e devido ao conceito de indústria 4.0, este efeito de transformação na concepção de um produto está para acontecer com muitas indústrias nos próximos dez anos.
Apesar das câmaras digitais terem sido inventadas em 1975, e assim como acontece com outras tecnologias exponenciais, elas foram decepcionantes ao longo das primeiras tentativas de otimizá-las, até se tornarem totalmente dominantes e superiores. Em poucos anos, o mesmo acontecerá com a inteligência artificial, saúde, veículos elétricos e autônomos, agricultura, impressão 3D e empregos.
Assim a adaptação, reformulação, reaprendizado, revisão de de conceitos e plasticidade devem ser uma constante na nova ordem mundial que está se formando, em todas as cadeias produtivas. As mudanças culturais alicerçadas em novos modelos de negócios são eminentes na atualidade, uma nova forma de girar a economia está presente, e é necessário adaptar-se. Dentro desse contexto, podemos afirmar que o papel dos funcionários nas fábricas inteligentes mudará significativamente, através de um controle orientado do tempo real no conteúdo do trabalho, processos desencadeados e meio ambiente, implementando a abordagem da organização de uma dimensão sócio-tecnologico aplicada ao trabalho, oferecendo assim a oportunidade aos colaboradores de desfrutarem de uma maior responsabilidade e melhorar seu desenvolvimento pessoal. Para que isso seja possível, será necessário implementar mecanismos participativos e novas concepções de aprendizagem ao longo do trabalho.
O conceito de Indústria 4.0 aportara profundas mudanças no modelo de produção industrial e nos modelos de negócios, o que é de suma importância para tornar as empresas nacionais mais competitivas, entretanto esse novo conceito acarretará em desafios, e estes não
devem ser tratados como impedimentos, no incentivo do desenvolvimento das tecnologias que a compõem, e tampouco serem ignorados em face aos seus efeitos no mercado de trabalho.
Os pilares aqui expostos vão reger as diretrizes da nova Indústria 4.0, e estas mudanças, podem apresentar ter alguns efeitos colaterais como a concentração de mais renda para poucos, inserida em um espectro de longa duração, ou somente curtos lapsos de imenso crescimento econômico. Uma outra consideração seria as mudanças serem absorvidas com competência e destreza, revolucionando de forma significativa e permanente toda a base da pirâmide social, aonde todos ganham e a divisão de renda será uma das mais significativas da história.
As informações apresentadas nesta Dissertação de Mestrado convergem para a idéia central que células de manufatura automatizadas, incluindo equipamentos educacionais produzidos nas décadas de 1990 e 2000 podem ser adaptados para trabalho através de seu retrofitting tecnologico, começando no campo pedagógico com a formação de alunos de cursos tecnológicos para que possam adquirir conhecimento do conceito de indústria 4.0, e possam ter capacitação para através de pequenas modificações na estrutura de comunicação dos dados utilizando redes, adequar células e equipamentos industriais para que se tornem inteligentes e integrados.
Para estudo e implementação do conceito de indústria 4.0, através de retrofitting, neste trabalho foi utilizado uma célula industrial desenvolvida para a formação tecnológica composta por atuadores, sensores, redes de comunicação de CLPs trabalhando mestre-mestre ou mestre- escravo, elementos base para a aplicação da Indústria 4.0.
Estes sistemas já prontos e formatados em padrão de indústria 3.0 permitiu uma integração eficiente com a Internet através da utilização de ferramentas de TI, através da integração dos protocolos de comunicação com as tecnologias envolvidas, de modo a fornecer o correto fluxo de dados para as camadas de rede de mais alto nível como a Internet aonde os dados podem ser trabalhados em sua plenitude.
Do ponto de vista de formação profissional, podemos constatar que estes novos conceitos foram muito bem aceitos pelos formadores e alunos, destacando uma alta forma de interatividade entre os envolvidos com a planta industrial de manufatura avançada MPS 500 conectada a com a rede Ethernet/IP.
Este trabalho abre um leque muito vasto de perspectivas futuras sempre integrando as novas tecnologias à estrutura já construída. Apesar de não fazer parte da planta de manufatura avançada mostrada, a robótica colaborativa deve ser integrada ao robô da planta. A integridade física dos alunos nos trabalhos com a planta, deve seguir procedimentos precisos de segurança.
Mais do que apenas um desenvolvimento tecnológico a abordagem da Indústria 4.0 é a própria mudança de cenários de produção e tecnologia de automação e mostram um efeito tão grande sobre as pessoas, a cultura, a educação, quanto nas estruturas dos processos corporativos em que estas serão exigidas e rapidamente colocadas em prática.
O avanço da Web integrara as pessoas e serviços, e através da Internet das coisas (IoT) objetos e máquinas atuando sobre cada estação individual de trabalho, e abrindo a possibilidade das comunicação através de nuvem de dados entre as estações de trabalho (M2M comunicação máquina a máquina) .
Os futuros sistemas de produção serão baseados em inteligência descentralizada, autonômamente com módulos mecatrônicos de automatização contínua nos processos será possibilitada pela digitalização e networking.
A partir da utilização de técnicas de Realidade Misturada (RV e RA) para o treinamento de mão de obra especializada em manutenção, fornecido por pessoal especializado em conferências virtuais com a visão clara do local, dimensão, tecnologias envolvidas e necessidades de integração ao ambiente, sera possível ter uma programação mais eficiente do tempo, custos e utilização racionalizada dos materiais e serviços necessários a tarefa.
Como exemplo ilustrativo desta situação, podemos citar o caso do Departamento de