UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
Faculdade de Engenharia Mecânica
FERNANDO BIANCHI
Apresentação de Metodologias para Retrofitting
de Células Automatizadas de Manufatura para
o Conceito de Indústria 4.0.
CAMPINAS 2018
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
Faculdade de Engenharia Mecânica
FERNANDO BIANCHI
Apresentação de Metodologias para
Retrofitting de Células Automatizadas de
Manufatura para o Conceito de Indústria 4.0.
Orientador: Prof. Dr. João Maurício Rosário
CAMPINAS 2018
Dissertação de Mestrado apresentada à Faculdade de Engenharia Mecânica da Universidade Estadual de Campinas como parte dos requisitos exigidos para obtenção do título de Mestre em Engenharia Mecânica, na Área de concentração Mecânica dos Sólidos e Projeto Mecânico.
ESTE EXEMPLAR CORRESPONDE À VERSÃO FINAL DA DISSERTAÇÃO DEFENDIDA PELO ALUNO FERNANDO BIANCHI, E ORIENTADA PELO PROF. DR JOÃO MAURÍCIO ROSÁRIO. ___________________________________ ASSINATURA DO ORIENTADOR
FICHA CATALOGRÁFICA ELABORADA PELA BIBLIOTECA DA ÁREA DE ENGENHARIA
Agência(s) de fomento e nº(s) de processo(s): Não se aplica.
Ficha catalográfica
Universidade Estadual de Campinas Biblioteca da Área de Engenharia e Arquitetura
Informações para Biblioteca Digital
Título em outro idioma: Presentation of methodologies for retrofitting automated manufacturing cells to the industry concept 4.0 Palavras-chave em inglês: Industry 4.0
Manufacturing
Área de concentração: Mecânica dos Sólidos e Projeto Mecânico Titulação: Mestre em Engenharia Mecânica Banca examinadora: João Mauricio Rosário [Orientador]
Helder Anibal Hermini
Marcos Antonio Porta Saramago Data de defesa: 27-07-2018
Programa de Pós-Graduação: Engenharia MecânicaPowered by TC PDF ( www.tc pdf. org)
Luciana Pietrosanto Milla - CRB 8/8129
Bianchi, Fernando, 1971-
B47a Bia Apresentação de metodologias para retrofitting de células automatizadas de manufatura para o conceito de indústria 4.0 / Fernando Bianchi. – Campinas, SP : [s.n.], 2018.
Bia Orientador: João Mauricio Rosário.
Bia Dissertação (mestrado) – Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica.
Bia 1 . Indústria 4.0. 2. Manufatura. I. Rosário, João Mauricio, 1959-. II.
Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia Mecânica. III. Título.
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA
COMISSÃO DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
DEPARTAMENTO DE PROJETO MECÂNICO
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO ACADÊMICO
Apresentação de Metodologias para Retrofitting
de Células Automatizadas de Manufatura para o
Conceito de Indústria 4.0.
Autor: Fernando BianchiOrientador: Prof. Dr. João Mauricio Rosário
A Banca Examinadora composta pelos membros abaixo aprovou esta Dissertação:
______________________________________________________ Prof. Dr. João Mauricio Rosário
Faculdade de Engenharia Mecânica – FEM/UNICAMP
______________________________________________________ Prof. Dr. Helder Anibal Hermini
Faculdade de Tecnologia – FATEC “Arthur de Azevedo”
______________________________________________________ Prof. Dr. Marcos Antônio Porta Saramago
Faculdade de Engenharia Mecânica – FEM/UNICAMP
A Ata da defesa com as respectivas assinaturas dos membros encontra-se no processo de vida acadêmica do aluno.
Dedicatória
Dedico este trabalho à minha querida e amada esposa Fátima, à nossa amada filha que está a chegar e ao meu amado filho Vinícius, a elas e a ele que com amor e eterna compreensão, me forneceram forças para realização deste trabalho.
Agradecimentos
Este trabalho não seria possível sem a ajuda e motivação de várias pessoas as quais presto aqui minha homenagem:
A Deus, por tudo que tem me dado até hoje.
Aos meus pais, Sr. Pedro e Sra. Maria de Lourdes (ambos in memoriam), que me forneceram todos os alicerces necessários para toda a minha vida.
Ao meu orientador por ter me dado esta grande oportunidade de crescimento; pelo auxílio e orientação, pela paciência e, principalmente pela amizade, e também, por acreditar em mim.
A todos os colegas e professores do F.E.M.e da ETEC, que ajudaram de forma direta ou indireta para a conclusão deste trabalho.
“Ela estende o seu vigor de uma extremidade a outra e governa todas as coisas com suavidade.
Eu a amei e busquei desde minha juventude, procurei tomá-la como esposa e enamorei-me dos seus encantos.
Ela mostra a nobreza da sua origem em conviver com Deus, foi ela que escolheu as suas obras.
Se as riquezas são um bem apetecível na vida, que coisa mais rica que a sabedoria, que tudo dinamiza ? Se é a inteligência do homen que opera, quem melhor que a sabedoria, é artífice de todos os seres ?”
Livro da Sabedoria 8:1-6 “Tudo que fizer faça-o para honra e glória de DEUS” 1º Coríntios 10:31
Resumo
Os fatos emergentes da última década como o aumento vertiginoso da competitividade no mercado globalizado, o envelhecimento da população em países ícones em serem geradores de tecnologia e a busca incessante da eficiência para o cliente, em todos os níveis de relacionamento dos meios produtivos. Estes conceitos focam em se buscar a satisfação plena destes clientes, cativando-os com produtos cada vez mais customizados e colocar como um modelo de negócios a elaboração de atualizações e retrofittings em plantas já montadas. A partir da integração com sistemas cyber fisicos, gerar o lote de uma peça customizada nos desejos do cliente, a um preço acessível se comparado a uma linha de produção em massa. Este novo modelo de negócios está associado às novas tecnologias: da informação e comunicação, da engenharia aditiva, da grande base de dados, da Internet presente em cada dispositivo eletrônico, da utilização da nuvem como rede matriarcal de informação e todo este conjunto aliado ao uso de robôs colaborativos em uma linha de produção flexível e dinâmica. Concatenam em uma natural adaptabilidade a todos os setores satélite da linha produtiva industrial e às estruturas da sociedade humana, se ajustando à nova realidade de como a economia será alicerçada e como a divisão de renda será efetiva para os colaboradores. Ante o exposto, o presente trabalho propõe uma análise das revoluções industriais, suas consequências e influências na nova ordem mundial chamada de Indústria 4.0, cita também alguns pilares básicos desta nova ordem e suas tecnologias, aborda o foco do futuro do emprego e o perfil do novo profissional que está hoje dinâmicamente surgindo. Para tal, é tomado um estudo de caso em uma linha de manufatura de uma planta didática, aonde um produto é seletado em um site na Internet via dados coletados da rede Ethernet e Profibus DP diretamente no sistema de comando da célula automatizada, regendo o funcionamento do maquinário específico para atender ao pedido do cliente finalizando a montagem final.
Abstract
The emerging facts of the last decade, such as the rapid increase in competitiveness in the globalized market, the aging of the population in iconic countries as generators of technology and the constant pursuit of customer efficiency at all levels of productive media relations. These concepts focus on seeking the full satisfaction of these customers, captivating them with increasingly customized products and putting as a business model the preparation of upgrades and retrofittings in plants already assembled. From integration with physical cyber systems generate the one-piece batch customized to the customer's desires, at an affordable price compared to a mass production line. This new business model is associated with the new technologies: information and communication, additive engineering, the large database, the Internet present in each electronic device, the use of the cloud as a matriarchal network of information and all this set together with the use of collaborative robots in a flexible and dynamic production line. They are in a natural adaptability to all the satellite sectors of the industrial production line and the structures of human society, adjusting to the new reality of how the economy will be based and how the income division will be effective for the employees. The present paper proposes an analysis of the industrial revolutions, their consequences and influences in the new world order called Industry 4.0, it also cites some basic pillars of this new order and its technologies, it addresses the future focus of the job and the profile of the new professional that is today dynamically emerging. A case study is taken on a manufacturing line of a didactic plant, where a product is sealed on an Internet site via data collected from the Ethernet and Profibus DP network directly in the automated cell control system, governing the operation of the specific machinery to fulfill the customer's request, finishing the final assembly.
Lista de Ilustrações
Figura 2-1 – Abstração do Conceito de Antopocêntricos ... 30
Figura 2-2 – Queda do muro de Berlim 1989. ... 32
Figura 2-3 – Arquitetura CIM. ... 38
Figura 2-4 – Um exemplo de FMC. ... 39
Figura 2-5 – Arquitetura FMS ... 40
Figura 2-6 – Esquemário de um ERP básico. ... 41
Figura 2-7– Ciclo de aprendizado. ... 44
Figura 2-8 – Etapas de Produção do Projeto PIPEFA. ... 45
Figura 2-9 – PIPEFA – Local LAIR – Unicamp. ... 46
Figura 2-10 – Exemplo de linha didática automatizada baseada em CIM. ... 46
Figura 2-11 – Kit didático De Lorenzo. ... 47
Figura 2-12 – Banco de ensaio didático para processos de manufatura. ... 47
Figura 2-13 – Graus de evolução dos sistemas cyber-fisicos. ... 49
Figura 2-14 – Pirâmide da Automação. ... 51
Figura 2-15– Arquitetura básica de um sistema RFID. ... 55
Figura 2-16 – Chip DSP. ... 56
Figura 2-17 – Sequência de fluxo de dados em RFID para a Web. ... 58
Figura 2-18 – Conexão da CPU conversora com lado PROFIBUS mestre, no exemplo MN67575 da ADFWeb. ... 61
Figura 2-19 – CPU conversora com lado PROFIBUS escravo. ... 62
Figura 2-20 – Modelo de instalação da filosofia com a CPU conversora Phoenix ... 62
Figura 2-21 – Interconexão CPU conversora da Siemens com PROFIBUS DP e PA. ... 64
Figura 2-22 – Conexão CPU Simens via PROFIBUS DP. ... 64
Figura 2-23 – Encapsulamento dos dados UDP. ... 66
Figura 2-24 – Evolução das gerações das bandas ... 67
Figura 2-25 – O conceito Internet (a) a ilusão de rede única fornecida aos usuários e às aplicações e (b) a estrutura física com roteadores interconectados às redes. ... 70
Figura 2-26 – Organização global de um site Web tradicional. ... 71
Figura 2-27 – Abstração do modelo de computação em nuvem. ... 73
Figura 2-28 – Abstração da representação do nível de consciência da Internet dos objetos. .. 78
Figura 2-30 – Exemplos de Ambientes de R.V ... 80
Figura 2-31 – Exemplos de Ambientes de R.A. ... 80
Figura 2-32 – (a) Marcador real. (b) Região identificada. (c) Renderização Modelo virtual. . 81
Figura 2-33 – a) Estrutura do Marcador. (b) Codificação de Dados. (c) QR Code. ... 82
Figura 2-34 – Representação dos diversos dispositivos de realidade aumentada. ... 82
Figura 2-35 – Representação esquemática de RSSF. ... 83
Figura 2-36 – Utilização do celular para receber dados de uma RSSF. ... 84
Figura 2-37 – Módulos de acesso, fontes : adaptado de Roca (2008). ... 84
Figura 2-38 – Aplicação da RA nos estudos de Medicina. ... 85
Figura 2-39 – Aplicações da RA em uso na Engenharia. ... 86
Figura 2-40 – Aplicações na Simulação do Projeto de Automóveis. ... 86
Figura 2-41 – Módulos da planta de aprendizado didático e-factory da FESTO. ... 88
Figura 2-42 – Esquema de aplicação de Lab Factory. ... 88
Figura 2-43 – Hierarquia e-f@ctory Mitsubishi. ... 89
Figura 2-44 – Pirâmide e-F@ctory Mitsubishi adaptada e traduzida pelo autor. ... 90
Figura 3-1 – Principais Tecnologias da Indústria 4.0. ... 93
Figura 3-2 – Aplicação da interação Homem–Máquina. ... 97
Figura 3-3 – Elementos de um Sistema Embarcado. ... 98
Figura 3-4 – Visão planisférica de um sistema embarcado. ... 98
Figura 3-5 – PROFInet e os três modelos distintos de operação. ... 100
Figura 3-6 – As cinco camadas de referência do modelo TCP/IP. ... 100
Figura 3-7 – O acesso às informações de dados do PROFInet é possível via serviços padrões da WEB. ... 101
Figura 3-8 – Sistema de Arquitetura OPC. ... 103
Figura 3-9 – OPC UA - Arquitetura do servidor. ... 103
Figura 3-10 – Servidores Integrados de Cliente e Modelos Editor e assinante. ... 104
Figura 3-11 – Robô colaborativo em linha de produção. ... 106
Figura 3-12 – Cabeçote de leitura / gravação de RFID. ... 108
Figura 3-13 – Visão geral do sistema, com os dispositivos de escrita / leitura e sua interconexão à rede industrial. ... 109
Figura 3-14 – Interface BL ident ® para interligação em rede industrial FieldBus, de 2 canais para RFID conectável em PROFIBUS DP. ... 109
Figura 3-15 – Disposição das chaves de endereçamento para a rede. ... 110
Figuras: 3-16A – RA da FESTO. 3-16B – Computação Holográfica Microsoft. ... 111
Figura 4-1 – Vista geral da Planta de Manufatura FESTO MPS 500. ... 114
Figura 4-2 – Vista superior da disposição das estações na planta de manufatura didática. ... 115
Figura 4-3 – Corpo do cilindro de montagem e suas partes internas e tampa. ... 116
Figura 4-4 – Conjunto de válvulas inteligentes do Sistema AS-i. ... 118
Figura 4-5 – Conexão de I/Os entre as estações, seus botões e chaves. ... 119
Figura 4-6 – Exemplo de interconexão de intertravamento sequencial entre as estações. ... 119
Figura 4-7 – Mapeamento de conexão - Rede PROFIBUS da planta didática. ... 122
Figura 4-8A – Estação deTransferência: Estações de Trabalho ; Figura 4-8B – Modelo Representativo. ... 123
Figura 4-9 – Pallet transportador de corpos de cilindros. ... 124
Figura 4-10 – Disposição do sensor indutivo e micro-cilindro de parada de pallet. ... 124
Figura 4-11 – Botão “START” - Painel de controle da estação de armazenamento de corpos dos cilindros. ... 126
Figura 4-12 – Cilindro para armazenagem de corpos e atuador pneumático rotativo (0° a 180°). ... 126
Figura 4-13 – Vista da Estação de Teste. ... 128
Figura 4-14 – O Robô RV2-AJ Mitsubishi e seus respectivos graus de liberdade. ... 130
Figura 4-15A – Sistema de suprimento à montagem dos cilindros. Figura 4-15B Vista do local de assentamento do Robô. ... 131
Figura 4-16 – Estação de Armazenagem AR\RS dos cilindros prontos montados. ... 133
Figura 4-17 – Vista da estação de Pick and Place. ... 134
Figura 4-18 – Estação de Saida: Esteira de saída acoplada ao sistema Pick and Place. ... 135
Figura 5-1A e 5-1B – Janela principal e Criação de Novo Projeto SW67575. ... 139
Figura 5-2 – Para copiar outro projeto e atualizar a versão existente. ... 140
Figura 5-3 – Definição de Protocolo de comunicação (Set Communication). ... 140
Figura 5-4A– PROFIBUS Network ; Figura 5-4B – PROFIBUS ID Slave. ... 141
Figura 5-5 – Proposta de rede de comunicação da planta de manufatura 3.0 com a rede Web.142 Figura 5-6 – Posicionamento do sensor de cores na estação de seleção e teste. ... 143
Figura 5-7 – Procedimento de calibração do sensor de cores pela cor do produto. ... 143
Lista de Tabelas
Tabela 2-1 – Comparativo indústria hoje e indústria 4.0. ... 50
Tabela 2-2 – Elementos fundamentais da rede EPC Global. ... 57
Tabela 2-3 – Comparativo entre 3G e 4G. ... 68
Tabela 2-4 – Tipos de Mime de alto nível e alguns subtipos comuns. ... 72
Tabela 4-1 – Mapeamento dos bits de comunicação das estações. ... 120
Tabela 4-2 – Identificação das cores e ou rejeito nas peças ... 120
Tabela 5-1 – Principais fabricantes de CPUs conversoras. ... 138
Tabela 5-2 – Telas de Visualização e Configuração do Sistema ADFweb. ... 139
Tabela 5-3 – Fases da evolução da I3.0 para I4.0. ... 144
Tabela 5-4 – Endereços PROFIBUS das estações de trabalho na planta de manufatura. ... 146
Tabela 5-5 – Endereços ETHERNET/IP das estações de trabalho na planta. ... 147
Tabela 5-6 – Comparativo de preços CPUs conversora. ... 148
Tabela 5-7 – Comparativo de preços Roteadores. ... 148
Tabela 5-8 – Comparativo de preços Sensores Inteligentes de Cores. ... 149
Tabela 5-9 – Comparativo de softwares de protocolos de comunicação entre CPU conversora. ... 149
Lista de Gráficos
Gráfico 2-1 – Visão geral do impacto da digitalização dos processos industriais. ... 75Lista de Abreviaturas e Siglas
ACATECH – Academia Nacional de Ciência e Engenharia da Alemanha (National Academy of Science and Engineering von Deutschland).
API – Interface de Programação de Aplicativos ( Application Programming Interface). AV – Ambiente Virtual.
A&E – Alarmes e Eventos (Alarms & Events).
BRINCS – Bloco dos países emergentes Brasil, Rússia , India, China e África do Sul. CAD – Design assistido por computador (Computer Aided Design).
CAE – Engenharia Assistida por Computador (Computer Aided Engineering). CAM – Manufatura Assistida por Computador (Computer Aided Manufacturing). CDMA – Acesso Múltiplo por divisão de código (Code Division Multiple Access). CEETPS – Centro Estadual de Educação Tecnológica Paula Souza.
CESTI – Centro de Estudos Superiores em Tecnologia Industrial (Centre d'études avancées en
technologie industrielle).
CIM – Manufatura Integrada por Computador (Computer Integrated Manufacturing) CIP – Protocolo de Informação Comum (Common Information Protocol)
COM – Modelo de Componente Objeto (Component Object Model). CPS – Sisytema Ciber Físico (Cyber – Physical System).
CPU – Unidade Central de Processamento (Central Processing Unit). CLP – Controlador Lógico ProgramáveL (Controlled Logical Programmer).
CMM – Gestão da Manufatura Colaborativa (Collaborative Manufacturing Management). CSAP – Sistemas Automatizados de Produção Colaborativo (Collaborative Systems Automated of Production).
CSMA/CD – Sentido do Portador com Acesso Múltiplo e Detecção de Colisão (Carrier Sense With-Multiple Acess and Collision Detect).
DCOM – Modelo Distribuido de Objeto Componente (Distributed Component Object Model). DS-CDMA – acesso múltiplo de sequência direta (Direct Sequence Multiple Access).
DNS – Sistema de Nomeação do Domínio (Domain Naming System).
DPM – Mestre da Periferia Descentralizada (Decentralized Periphery Master). DP - Periferia Descentralizada (Decentralized Periphery).
DSP – Processador de Sinal Digital (Digital Signal Processor). E/S – Entradas e saídas .
EIA – Associação das Indústrias Eletrônicas (Electronic Industries Association).
EPA - Arquitetura de desempenho aprimorada (Enhanced Performance Architecture). EPC – Código Eletrônico do Produto (Electronic Product Code).
EPCIS – Sistema de informações do Código Eletrônico do Produto (Electronic Product Code Information System).
EPL – Ligação de Força da Ethernet (Ethernet Power link.) ETEC – Escola Técnica.
EU – União Européia (European Union).
FIESC – Federação das Indústrias do Estado de Santa Catarina.
FPGA – Matriz de Portas Programável em Campo (Field Programmable Gate Array). FMC – Célula Flexível de Manufatura (Flexible Manufacturing Cell).
FMS – Sistema Flexível de Manufatura (Flexible Manufacturing System). G7 ou GRAFCET – Grafo de Comando Etapa e Transição.
GL – Biblioteca Gráfica ( Grafics Library).
GPS – Sistema de Posicionamento Global (Global Positioning System).
GSD – Arquivos de Descrição de Equipamentos (Generic Station Description Files).
GSM – Sistema Global para Comunicação Móvel (Global System for Mobile Communication). GUI – Interface Gráfica de usuário (Graphical User Interface).
HDA – Acesso Histórico de Dados (Historical Data Access) HMD – Exibição Montada na cabeça (Head Mounted Display). HSE – Ethernet de alta Velocidade (Hight Speed Ethernet). I3.0 – Indústria 3.0 (indústria da 3º Revolução industrial) I4.0 – Indústria 4.0 (indústria da 4º Revolução industrial)
ICT – Tecnologia da Informação e Comunicação (Information and Communication Technology). I/O – Entradas e saídas (Input/Output).
IEC – Conselho Internacional de Elétrica (International Electrical Council).
IEEE – Instituto de Engenharia Elétrica e Eletrônica (Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc).
IIoT – Internet Industrial das coisas (Industrial Internet of Things). IHM – Interface Homem Máquina.
IMS – Sistema Inteligente de Manufatura (Intelligent Manufacturing System). IoT – Internet das coisas (Internet of Things).
IP – Protolo da Internet (Internet Protocol). /IP – Protocolo da Indústria (Industrial Protocolo).
IRT – Tempo real de mesma duração (isócrono) (Isochronous Real Time). ISA – Arquitetura definida de Instruções ( Instruction Set Architecture).
ISMCM – Instituto Superior de Engenharia de Materiais e Mecânica (Institut Supérieur des Matériaux et Génie Mécanique).
ISO – Organização Internacional de Padrões (International Standards Organization). JNI – Inteface Java Nativa (Java Native Interface).
JSON – Notação de Objeto de JavaScript (JavaScript Object Notation).
LAS-CDMA – Acesso múltiplo por divisão de código síncrono de área grande (Large Area
Synchronous Code Division Multiple Access).
LAIR – Laboratório de Automação Integrada e Robótica. LAN – Rede de Área local (Local Area Network).
LIISI - Laboratório de Engenharia Integrada de Sistemas Industriais (Laboratoire d’Ingénierie Integrée des Systèmes Industriels).
LTE Advanced - Long Term Evolution Advanced - Evolução de Longo Prazo Avançada. MES – Sistema de Execução de Manufatura (Manufacturing Execution System).
Mime – Trocas Multiuso do Correio da Internet (Multipurpose Internet Mail Exchange).
MMFMS – Sistema de fabricação flexível Multi Máquina (Multi Machine Flexible Manufacturing System).
MBP – Bus de código Manchester Habilitado (Manchester code Bus Powered).
MC-CDMA – Acesso Múltiplo por Divisão de Código Múltiplo (Multicarrier code-division multiple access).
Network DS – Trabalho em Rede de Serviço Distribuído ( Net work Distribution Service). Network LB – Balanceamento de Carga no Trabalho em Rede (Network Load Balancing). Network - LMDS – Trabalho em Rede do Serviço Local de Distribuição Multiponto (Net work Local Multipoint Distribution Service).
NIST – Instituto Americano de Padrões e Tecnologia (National Institute of Standards and Technology).
NRZ – Não Retorno a Zero (Non-return-to-zero).
ODVA – Associação Aberta em Venda de Dispositivos (Open DeviceNet Vendor Association). OFDM – Multiplexação de Divisão de Frequência Ortogonal (Orthogonal Frequency Division Multiplexing ).
OLE – Vinculação e Incorporação de Objetos (Object Linking and Embedding). ONS – Serviço do Nome do Objeto (Object Name Service).
OPC COM – Vinculação e Incorporação de Objetos para Controle de Processo com Modelo de Objeto Componente (OLE for Process Control Component Object Model).
OPC DA – Vinculação e Incorporação de Objetos para Controle de Processo de Arquitetura Descentralizada (Object Linking and Embedding for Process Control Decentralized Architecture). OPC UA – Vinculação e Incorporação de Objetos para Controle de Processo de Arquitetura Unificada ( Object Linking and Embedding for Process Control Unified Architecture).
OSI - Interconexão de Sistemas Abertos (Open System Interconnection). PoE – Ethernet sem Energia (Power over Ethernet).
PLC – Programador Lógico Controlado.
PAC – Controlador de Automação Programável (Programmable Automation Controller). PCI – Interconectador de Componentes Periféricos (Peripheral Component Interconnect). PIPEFA – Plataforma de Pesquisa e Ensino de Fabricação em Automação.
PMC – Preço Médio ao Consumidor. PME – Pequenas e Médias Empresas.
PML – Linguagem de Marcação Física (Physical Markup Language). POE – Energia sobre a Eternet (Power over Ethernet).
RISC – Computador com um Conjunto Reduzido de Instruções (Reduced Instruction Set
Computer).
RM – Realidade Misturada. RV – Realidade Virtual. RA – Realidade Aumentada. RF – Rádio Frequência.
RFID – Identificação por Rádio Frequência (Radio Frequency Identification).
RDF – Recurso da Descrição do Quadro de Trabalho (Resource Description of Framework). RSSF – Rede de Sensores Sem Fio.
SA – Sistema Automatizado.
SAP – Sistema Automatizado de Processo.
SAR - Realidade Aumentada Espacial (Spatial Augmented Reality). SCADA – Supervisório de Controle e Aquisição de Dados.
SCF – Sistemas Ciber Físicos (Systens Cyber – Phisical). SDCD – Sistema Digital Centralizado e Distribuído.
SFM – Máquina de Fabricação Única (Single Manufacturing Machine). SPC – Sistema Produtivo Colaborativo.
SRT – Tempo Real Macio (Soft Real Time).
TCP – Protocolo de Controle de Transmissão (Transmission Control Protocol). TI – Tecnologia da Informação.
TIDIA – Tecnologia de Informação no Desenvolvimento da Internet Avançada (Information Technology in Advanced Internet Development).
TCO – Custo Total de Propriedade (Total Cost of Ownership ).
UART - Transmissor de Receptor Assíncrono Universal (Universal Asynchronous Receiver Transmitter).
UDP – Protocolo de Datagrama Universal (Universal Datagram Protocol). USA – Estados Unidos da América (United States of America).
USART – Transmissor/Receptor Universal Síncrono e Assíncrono (Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitte).
USB – Barramento Serial Universal (Universal Serial Bus). UWB – Banda Ultra larga (Ultra wide band ).
VI – Interface Virtual (Virtual Interface).
VRML - Linguagem de Modelagem de Realidade Virtual (Virtual Reality Modeling Language). XML – Linguagem Extensível de Marcação (Extensible Markup Language).
3GPP – Projeto de Parceria de 3ª Geração (relativo à Organização Internacional de Telecomunicações) (3rd Generation Partnership Project).
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO E POSICIONAMENTO DO PROBLEMA ... 22
1.1 - Introdução ... 22
1.2 – Justificativas ... 22
1.3 – Objetivos ... 24
1.4 – Metodologia Proposta e Descrição das Etapas de Desenvolvimento do Trabalho . 25 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA – ESTADO DA ARTE ... 27
2.1 – Conceito e Histórico de Indústria 4.0 ... 27
2.1.1 – A Transformação da Sociedade a partir das Revoluções Industriais ... 27
2.1.2 – Sistemas Antropocêntricos ... 29
2.1.3 – Motivos que levaram à Indústria 4.0 ... 31
2.2 – Tecnologia Aliada à Gestão na Indústria ... 35
2.2.1 – CIM ... 37
2.2.2 – FMC e FMS ... 38
2.2.3 – ERP ... 40
2.2.4 – MRP ... 41
2.3 – Células de Manufatura ... 42
2.3.1– Células Didáticas de Manufatura : Modelo Conceitual ... 43
2.4 – Conceito de Manufatura I4.0 ... 48
2.4.1 – Sistemas Cyber – Fisícos Aplicados a Automação ... 48
2.4.2 – Elementos de Redes Industriais na Indústria 4.0 ... 51
2.4.2.1 – Protocolos ... 53
2.4.2.2 – RFID ... 54
2.4.2.3 – Sensores discretos inteligentes ... 59
2.4.2.4 – Unidade Central de Processamento Conversora ... 60
2.4.2.5 – Roteador... 64
2.4.2.6 – Rede Internet ... 69
2.4.3 – Internet das Coisas (IoT e IIoT) ... 74
2.4.4 – Internet dos Objetos ... 77
2.5 – Realidade Virtual e Aumentada ... 79
2.6 – Conceito de Lab Factory e e-F@ctory ... 86
2.7 – Conclusões do Capítulo e visão dos próximos Capítulos ... 91
3.1 – Introdução ... 93
3.2 – Sistemas Antropocêntricos aplicados à I4.0 – Capital Humano ... 96
3.2 – Sistemas Embarcados ... 97
3.2.1 – Dispositivos Discretos Inteligentes ... 98
3.3 – O uso das Redes Industriais no Estudo de Caso ... 99
3.4 – Migração para a Indústria 4.0 ... 101
3.5 – Integração das Redes de Comunicações ... 104
3.6 – A Robótica na Indústria 4.0 ... 105
3.7 – Utilização de R.F.ID. ... 108
3.8 – Realidade Virtual e Aumentada aplicada na Indústria 4.0 ... 110
3.9 – Conclusões e Próximas Etapas ... 111
4 CÉLULA DE MANUFATURA AVANÇADA ... 113
4.1 – Descrição da Célula Didática Educacional ... 113
4.3 – Descrição de Funcionamento da Célula Didática ... 116
4.4 – Arquitetura Operativa e de Comando ... 117
4.5 – Descrição da Arquitetura Manufatura 3.0 ... 121
4.5.1 – Sistema de Transferência ... 122
4.5.2 – Estação de Armazenagem do corpo do cilindro ... 125
4.5.3 – Estação de Teste do corpo do cilindro ... 127
4.5.4 – Estação de Montagem ... 129
4.5.5 – Estação de Armazenamento do Sistema AS/RS ... 132
4.5.6 – Estação de Saída ... 134
4.6 – Conclusões e Próximas Etapas ... 135
5 RETROFITTING DE UMA CÉLULA AUTOMATIZADA DE MANUFATURA UTILIZANDO O CONCEITO DE INDÚSTRIA 4.0 ... 137
5.1 – CPU Conversora de Protocolos ... 137
5.1.1 – Carregar de dados da CPU conversora ... 138
5.1.2 – Aplicação do Roteador ... 141
5.1.3 – Aplicação do Sensor Inteligente ... 142
5.2 – Etapas da Evolução do Sistema I3.0 para I4.0 ... 144
5.3 – Descrição das Fases da Evolução I3.0 para I4.0 ... 145
5.4 – Custos envolvidos : Sensor, C.P.U. , Roteador, Protocolos de Comunicação ... 147
5.5 – Conclusões do Capítulo ... 150
6 CONCLUSÕES E PERPECTIVAS FUTURAS ... 151
6.2 – Perpectivas Futuras ... 152
Referências ... 155
ANEXO 1 – ESTAÇÃO DE ARMAZENAMENTO DE CORPOS - GRAFCET ... 168
ANEXO 2 – ESTAÇÃO DE TESTE - GRAFCET ... 171
ANEXO 3 – ESTAÇÃO DE MONTAGEM – ROBÔ – PROGRAMA ... 174
ANEXO 4 – AS/RS ARMAZENADOR - GRAFCET ... 177
ANEXO 5 - SISTEMA DE COLETA – (PICK AND PLACE) - GRAFCETs ... 187
ANEXO 6 - ESTEIRA DE SAÍDA - GRAFCETs ... 190
ANEXO 7- COMPARATIVO DE PREÇOS DE CPU ADAPTADORA ... 193
ANEXO 8 - COMPARATIVO DE PREÇOS DE ROTEADORES. ... 195
ANEXO 9 – Revoluções Industriais ... 196
ANEXO 10 – Sistemas Automatizados e GRAFCET ... 204
ANEXO 11 – Programadores Lógicos Controlados ... 213
ANEXO 12 – Dados complementares sobre aplicação do RFID ... 222
1 INTRODUÇÃO E POSICIONAMENTO DO PROBLEMA
1.1 - Introdução
No decorrer dos últimos 250 anos a sociedade humana experimentou um arcabouço de situações aonde a produtividade dos bens de consumo, aliado à constante demanda cresceu em escala vertiginosa (PELLEGRINI, 2013). Sempre na procura incessante de produtos, que manipulados ou criados em destras mãos artesanais, conseguissem oferecer conforto e bem estar de uma maneira ou outra de tornar o dia-a-dia do ser humano mais fácil e prazeroso.
Nos primórdios da produção industrial, havia a necessidade de se produzir mais e melhor a uniformidade dos produtos pecava nas tolerâncias das medidas, horas a fio de trabalho muitas vezes não eram suficientes para dar a uniformidade nos tamanhos certos. Além disso a energia desprendida pelos artesãos necessitava ser suprida, ou com pessoas mais novas que demoravam muito para aprender o novo oficio, ou através de dispositivos que emanavam muita força para serem conformados nas prensas primitivas.
Assim necessitava-se de novas formas de energia independentes de elementos orgânicos, e sim de sistemas construídos a partir de peças inanimadas que pudessem trabalhar sem descanso com a mesma força sempre conformando o mesmo padrão inerente ao produto.
Esta necessidade de produtos confiáveis em sua construção original, levou a sociedade durante todo esse periódo a aplicar nos meios produtivos os diferentes desenvolvimentos das formas de energias: força humana, força de cavalos, queda d’agua, vapor d’agua, petróleo, eletricidade, nuclear, eólica, solar, marés, térmica e outras. Cada técnica aperfeiçoada no controle da energia foi sendo registrada e transmitida à geração seguinte, isso levou ao aperfeiçoamento e criação de dispositivos adaptados para garantir o padrão original dos produtos e assim atender à sociedade em conforto e bem estar, e vir a conquistar o que viria a ser chamado de mercado consumidor.
A deficiência de literatura específica sobre este assunto emergente é um dos principais motivos a impulsionar a aspiração de elaborar este trabalho.
Além disso, o deslumbramento em vislumbrar uma metodologia que mudará efetivamente toda a estrutura da sociedade comercial, motiva o desejo de pesquisa científica na aludida temática.
Segundo o Departamento de Estudos Econômicos (2010), observou-se aum intenso crescimento na diversificação e consolidação da estrutura industrial brasileira no período de 1950 a 1985, e desde 1986 uma expressiva perda de participação da indústria na produção agregada do país, configurando um processo de desindustrialização.
Este processo de desindustrialização foi decorente do crescimento da produtividade industrial nos países desenvolvidos apontam Rowthorn e Rasmaswamy (1999), que suscitou a transferência de trabalhadores para outros setores da economia. Além disso no Brasil, de acordo com Cano (2012), este processo se associa à perda de competividade das exportações e aumento das importações.
Os atrasos tecnológicos no Brasil, com a mudança do cenário da indústria mundial através da indústria 4.0, devem ficar mais evidentes ocasionando uma perda de competividade ainda maior.
A defesa do setor produtivo para a retomada do crescimento econômico foi um dos assuntos principais no 33° encontro Econômico Brasil-Alemanha (2015), promovido pela FIESC e pela CNI, os fortes incentivos das parcerias entre os dois países foram abordados. De acordo com a associação alemã VDE (Association for Eletrical,Eletronic & Information Technologies) (2014), o projeto da Indústria 4.0 apresentado pelo Governo federal da Alemanha se justifica devido às rápidas mudanças em produtos e sistemas de produção da manufatura aplicados em conjunto com os sistemas tecnológicos da informação e comunicação (ICT). Assim sendo, os estudantes precisam ser introduzidos muito mais rapidamente aos métodos existentes e futuros, de uma forma muito mai rápida e eficaz através de uma “fábrica de ensino”, fábricas reais podem ser trazidas para a sala de aula de acordo com (MATT, RAUCH, DALLASEGA, 2014).
A Indústria 4.0 não é só uma nova maneira de projetar uma planta Industrial, podemos afirmar que a Indústria 4.0 se trata uma forte mudança em antigos paradigmas que afetam todas
as atividades humanas, com as pesadas engrenagens na base da pirâmide social se deslocando e adaptando uma realidade contínua da necessidade de sobrevivência, e consequentemente tornando-a mais dinâmica e atuante em toda a cadeia produtiva seja horizontal ou vertical.
1.3 – Objetivos
O objetivo deste trabalho é apresentar de forma clara os princípios da Indústria 4.0, os motivos e fundamentos que induziram sua criação, os prováveis impactos sobre o tecido social presente e as modificações necessárias para a migração da indústria 3.0 para a 4.0, a nova realidade que está se formando.
Para tal, a aplicação de modificações com a eletrônica hoje disponível no mercado em um estudo de caso focado em uma planta industrial didática montada na ETEC “Pedro Ferreira Alves”, afim de se consolidar a possibilidade real de treinamento de mão de obra especializada que aplique adequadamente os conceitos da indústria 4.0 em plantas industriais de manufatura avançada operantes.
Com descrição dos custos de diversos fabricantes e suas soluções tecnológicas aplicadas a pequenos up-grades e retrofittings em lugares corretos, corroboram com a missão de integrar a Tecnologia da Informação e a Automação Industrial.
Em uma reforma avançada (Retrofitting) de máquinas ou sistemas, sempre é apresentado um custo inferior em comparação a adquirir-se um equipamento novo.
As vantagens no Retrofitting da I3.0 para a I4.0 são:
• Representadas pela rápida interconectividade de sistemas e agilidade na tomada de decisões nos processos fabris.
• O atendimento às diversas demandas de produtos diferentes efetuados ao mesmo tempo por máquinas em diferentes células, proporciona diferentes ganhos de tempo e produção, com um aproveitamento máximo do tempo de Hora-Máquina ligada.
• O tempo inicial despendido em capacitação técnica tende a ser compensado pelo carácter antropocêntrico desenvolvido pelo operador com o equipamento.
• A valorização do trabalho intelectual da operação torna o colaborador fortemente ligado ao desenvolvimento e aperfeiçoamento do trabalho procurando aperfeiçoar-se mais, inconscientemente o próprio colaborador fornece o máximo da sua Hora-Homem.
As desvantagens podem ser expressas em Inconvenientes, estes podem ser:
• Tempo de retorno do custo benefício relativo ao processo aonde pode vir a ser inserido este retrofitting.
• O tempo de capacitação e o investimento em equipamentos e softwares de segurança e proteção de dados, deve ser ponderado nas aplicações de pequenas e médias Empresas (PME).
• O que é o grande desafio da I4.0 lote de uma peça altamente customizado, a preço próximo de lote de mil peças sem customização única a cada cliente.
• Se o parque fabril precisa ser muito reestruturado, deve-se chegar primeiro na I3.0 para depois adentrar com interconectividade na I4.0. è necessário sequências precisas e ordeiras em um cronograma seguido a risca para não haver perda de capital.
• Com isso, o retrofitting não deve haver aumento no preço médio ao consumidor (PMC) e implicar em uma concorrência maior e perda do campo de abrangência do mercado. Deve agregar um valor ao produto final com melhor fluxo no processo produtivo, conectividade com o cliente em toda a cadeia de produção.
1.4 – Metodologia Proposta e Descrição das Etapas de Desenvolvimento do Trabalho
Para o desenvolvimento deste trabalho serão desenvolvidos os seguinte assuntos através dos capítulos abaixo citados:
No Capítulo 1, refere-se a introdução desta Dissertação de Mestrado, as justificativas e objetivos do trabalho, inseridos sob o ponto de vista das Pequenas e Médias Empresas - PME com relação às vantagens e desvantagens da migração da I 3.0 para a I.4.0.
No Capítulo 2 é apresentada uma revisão bibliográfica que descreve as origens da primeira a terceira revolução industriail, e como e porquê o termo quarta revolução industrial é aplicada à I4.0, de forma objetiva.
No Capítulo 3 versa sobre os elementos da indústria 4.0, sua definição conceitual, seus elementos chave, e a cognação entre as cadeias produtivas Vertical e Horizontal e as principais tecnologias aplicadas.
O Capítulo 4 descreve uma célula de manufatura didática da I3.0, sua parte operativa e de comando, seu enquadramento no sistema de redes industriais e seus elementos chave de comunicação, como conceitos de funcionamento de protocolos.
No Capítulo 5 é colocada uma proposta de evolução para a I4.0: uma planilha de evolução, as fases da evolução, a aplicação da CPU conversora e um exemplo prático de carregar os dados nela. A integração entre ETHERNET e PROFInet com uma análise no funcionamento da CPU conversora de protocolos. Além disso a atuação destes protocolos na plataforma OPC UA (Fundação OPC, 2017), e como estes elementos podem interagir no estudo de caso. Fazem parte a aplicação do sensor inteligente e do roteador para acessar a WEB. As plataformas agregadas às CPUs conversoras e planilha de custos dos diversos fabricantes destas CPUs conversoras em dólares americanos (USA).
No Capítulo 6 conclui-se que este pequeno trabalho é apenas um ponto no universo de possibilidades que se abre na integração das redes indústria de Tecnologia da Automação (TA) com a tecnologia da Informação (TI), e aonde o desafio se torna uma constante. As perspectivas futuras são vastas e se abre um novo leque de possibilidades.
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA – ESTADO DA ARTE
Neste capítulo é desenvolvida um estudo na área da Automação Industrial, envolvendo uma abordagem histórica sobre o tema, relevando as transformações ocorridas na sociedade desde os primórdios da revolução industrial até os dias atuais, enfatizando o conceito de indústria 4.0 que está sendo considerada uma nova revolução industrial, devido a estar efetivamente gerando mudanças de hábitos, e quebra dos paradigmas incrustados.
Ante o exposto, são descritas tecnologias, pertinentes à terceira revolução industrial, que fornece subsídios de análise para a compreensão do que levou a convergir esta nova revolução Industrial.
Com uma análise social integrada à técnica dos sistemas automatizados, é mostrado um novo fenômeno presente em toda a cadeia produtiva da sociedade, que se trata da automação presente em todos os ramos da atividade humana.
2.1 – Conceito e Histórico de Indústria 4.0
Desde a pré-história, o grande desígnio da humanidade foi o de garantir a sobrevivência da espécie, e para tal se iniciaram práticas de diversos costumes, buscando aprimorar as condições na qualidade de vida em geral.
Para isso, o “Homo Sapiens“ se tornou artesão e dispôs-se, à partir da matéria prima, a fabricar e manusear ferramentas para criar e resolver situações problema, como fazer machados melhores ou específicos para partir ou talhar madeira, ou roupas com qualidade de trançamento dos fios de maneira mais fina para um isolamento melhor do frio, ou condicionar alimentos em grandes quantidades para suprir durante o inverno.
A partir do século XV na Europa as atividades comerciais estavam em expansão, mas a produção era insuficiente para suprir a demanda. Assim sendo, surgiu a figura do empresário que se alocava entre o artesão e os consumidores, fornecendo a matéria prima ao artesão que confeccionava o produto final e recebia um pagamento pelo trabalho desenvolvido. Tal prática levou mais e mais artesãos se agruparem, com o intuito de produzir em larga escala produtos encomendados, porém, a tecnologia ainda era a mesma das corporações de óficio (PELLEGRINI, 2013).
Segundo Pellegrini (2013), a reforma protestante iniciada na Europa no século XVI por Lutero e por Calvino levou comerciantes, empresários e artesãos da Eutopa central a emigrarem para a Inglaterra, a fim de fugir da perseguição da igreja católica. A monarquia da Inglaterra se opunha a subversão de valores morais e sociais imposta pelo Vaticano em toda a Europa, fato comprovado por Eduardo VIII que criou a igreja Anglicana em 1533.
Pellegrini (2013), cita ainda que no século XVI o financiamento da colonização da América do Norte partiu destes comerciantes. O acúmulo de capitais por alguns membros da burguesia inglesa foi originado da exploração dos recursos naturais destas colônias durante os séculos XVI e XVII. Além desse fato, a lei do cercamento de terras na Inglaterra em 1760 provocou o êxodo das pessoas do campo para as cidades, formando a base da mão de obra para o pioneirismo Inglês na primeira revolução industrial.
A mecanização e o vapor como forma de energia veio a impulsionar a primeira revolução Industrial, denominada atualmente como Indústria 1.0. Os automatismos eram deficitários e o volume de consumo energético era muito grande. Esta precariedade se extendeu até meados do século XIX quando se iniciaram estudos na área da eletricidade e a partir disso começaram a ser aplicados estes novos conceitos visando a geração e transmissão desta nova forma de energia A evolução científica e tecnológica nesta área teve como por resultado impactante a concepção do motor elétrico no final do mesmo século (PELLEGRINI, 2013).
Concomitantemente, surge o motor a explosão de Otto, e seu acoplamento aos primeiros geradores elétricos se tornou uma realidade, permitindo a geração de energia elétrica em qualquer lugar.
Com a necessidade de um menor tempo para iniciar um processo de produção e com o aumento da velocidade das máquinas, houve por decorência o aumento de volume de produção, desencadeando o desejo do controle destas novas tecnologias que empregavam esta nova forma
de energia. O domínio da aplicação desta nova forma de produzir, aperfeiçoada na primera década do século XX gerou a segunda revolução industrial, também cognominada atualmente como Indústria 2.0. Com volume maior de produção, e mais empregados, a necessidade de um gerenciamento mais eficiente gerou uma reformulação na administração das empresas. Nesta evolução surgiram os conceitos do “Fordismo” e do “Taylorismo”, suscitando uma nova transformação no rearranjo social. Bases estas que se modificaram e se adequaram a crises como a quebra da bolsa de 1929 e as da primeira e segunda guerras mundiais, contudo a necessidade de resultados ainda mais rápidos são requeridos no final da segunda grande guerra. O sucesso da aplicação do ENIAC, concebido em plena guerra, proposto para ao cálculo de lançamento de mísseis balísticos, induziu o apelo a pesquisa e ao desenvolvimento tecnológico de um novo componente, de menor custo finaceiro e que apresentasse principalmente uma potência elétrica menor do que das válvulas termoiônicas e dos relês, que eram até então empregados no processamento de informação booleana. Tal iniciativa teve como resultado a criação do transistor. Posteriormente surgiu a idéia de se agregarem em uma única pastilha vários transistores, formando circuitos complexos denominados microprocessadores que eram chaveados de forma binária regidos por um programa computacional. Este novo componente capitaneou a terceira revolução Industrial , também chamada de Indústria 3.0.
2.1.2 – Sistemas Antropocêntricos
Segundo Kovac’s (1993), os sistemas antropocêntricos de produção se baseiam em recursos humanos qualificados e de tecnologias flexíveis adaptadas a quadros decentralizados organizacionais e participativos.
Leitão (1997), expõe que se um meio abrange indivíduos com organização e tecnologia, a interação sinérgica entre eles fornece um ambiente antropocêntico, Figura 2-1. Um sistema assim concebido responde melhor às exigências do mercado em qualidade, flexibilidade e orientação para o cliente, em comparação aos sistemas tecnocêntricos cuja principal característica é a tecnologia como definidor do fator de produção.
Matsusaki (1998), aponta que Sistemas Antropocêntricos de produção envolvem todos os sistemas desenvolvidos para atender as necessidades da sociedade, tanto sistemas de
manufatura quanto processos contínuos, incluindo sistemas de transporte, comunicação, computação, sistemas de apoio à atividade do comércio, saúde coletiva entre outros (MATSUSAKI, 1998).
Figura 2-1 – Abstração do Conceito de Antopocêntricos
Segundo Matsusaki (1998), os esforços na pesquisa de novas tecnologias e suas aplicações têm seguido a abordagem tecnocêntrica, e está concentrada nos aspectos técnicos da Automação. Além disso ela expõe: “ A valorização do elemento humano como parte integrante e atuante do sistema de produção na tomada de decisões, permite efetivamente otimizar e flexibilizar a funcionalidade destes sistemas, através da sua capacidade interativa, evolutiva, sinérgica e dinâmica entre o elemento humano como operador e o maquinário automatizado” (MATSUAKI, 1998).
Conforme Leitão (1997), uma descentralização do poder é processada ao se optar por uma organização do trabalho em equipes, revertendo para uma maior flexibilização das estruturas que suportam o grupo.
O desenvolvimento de sistemas antropocêntricos concebidos em novas arquiteturas organizacionais específicas tais como autonomia, criatividade, profissionalidade, descentralização, participação e cooperação valorizam o fator humano e estes novos princípios (KOVAC’S, 1993).
Os ganhos em politicas industriais com a implementação de sistemas antropocêntricos vai além dos níveis de produtividade e qualidade, alcançados na conquista da satisfação plena
do cliente pela aquisição do produto. O simples fato da organização industrial de produção aliar ao seu produto o conceito da valorização dos talentos humanos em seu quadro de colaboradores e adequá-los em sinergia na operação do maquinário para a produção, faz o consumidor perceber todo o organismo vivo de concepção de qualidade aliado à imagem da empresa. Propocionando a esta alta competividade de ganho nas vendas.
Os recursos às novas tecnologias em uma visão tecnocêntrica tem como por solução técnica o investimento em novas tecnologias de informação e comunicação. Entretanto, as deficiências organizacionais existentes na base de uma rigidez operativa com disfuncionamentos não são eliminadas apenas com o acesso aos recursos das novas tecnologias (KOVAC’S, 1993).
Além disso, Kovac’s (1993), aponta que a crise da produção em massa foi capitaneada por fatores como a modificação dos hábitos de consumo, a concorrência intensificada, a estagnação e saturação do mercado e a ruptura da regulação política dos mercados nacionais e mundiais.
Os recursos humanos devem ser adaptáveis às novas situações para apresentar respostas à novas exigências dinâmicas e sinérgicas que o mercado impõem na aceitação dos produtos manufaturados.
Assim, a estratégia antropocêntrica se alicerça nos novos conceitos de gestão e estrutura organizacional dos recursos humanos aplicados na empresa. Esta nova arquitetura se mostra mais adaptável às exigências de um mercado que clama por processos e serviços mais adequados. Exigidos por uma classe produtora e consumidora, mais escolarizada, informada e em sintonia com as mudanças tecnólogicas aplicadas aos processos automatizados, que ocorrem em todos os ramos da atividade humana, prevalecendo a eficiência dos métodos e processos.
2.1.3 – Motivos que levaram à Indústria 4.0
A “Indústria 3.0” permitiu às indústrias aumentar a sua produção com o uso de automatização massiva das linhas produtivas. Neste contexto se tornou mais fácil a aplicação da criatividade na programação das máquinas usando computadores repletos de microprocessadores formando o cérebro de armazenagem e processamento dos dados.
Dispositivos ora custosos para implementação e start-up puderam ser substituídos por programas dedicados em sistemas equivalentes, com objetivos focados e aplicados a tais processos inseridos no interior das máquinas (MARTIN, 2016). Recursos tais como sistemas de controle de tempo de ativação, ação e desativação de atuadores ou tempos de resposta da planta controlada baseados no modelo dinâmico do sistema de produção, permitindo a utilização de controladores com ganhos autoajustáveis e preditivos, que apresentavam portanto mais flexibilidade do que os controladores PID (Proporcional-Integral-Derivativo), antecessores que possuiam seus parâmetros de ganho constante.
Todo este novo universo tecnológico permitiu que empresas multinacionais instalassem suas filiais em diferentes países e continentes do mundo. O acesso às novas tecnologias aplicadas nas plantas industriais permitiu a interconexão de dispositivos de controle aos seus processos industriais em nível mundial.
Devido a grande demanda de mão de obra qualificada, houve a necessidade de treinamento de pessoas para a aquisição de novos conhecimentos e para tal, grandes empresas multinacionais financiaram programas de treinamento a instituições de ensino profissionalizante, gerando assim, a formação de profissionais qualificados nos diversos países do globo.
Figura 2-2 – Queda do muro de Berlim 1989.
No princípio dos anos noventa, devido ao aumento do mercado consumidor, decorrente de fatos históricos tais como a queda do muro de Berlim (Figura 2-2), o fim da guerra fria, e a
abertura ao capitalismo do mercado interno Chinês e dos países do leste europeu, houve um efetivo aumento na demanda da aquisição de mais máquinas e equipamentos automatizados a nível mundial (MARTIN, 2016).
Como principais consequências ocorridas pela Guerra fria, se pode mencionar o uso de computadores em rede para monitoriamento espião ocasionando um ápice da “Indústria 3.0” e uma revolução no processo produtivo de máquinas e plantas industriais. Por consequência, o conceito de fábrica modular começa a surgir, se tornando necessária a rápida instalação de plantas industriais atuantes que permitissem absorver as massas de trabalhadores.
Os detentores da tecnologia de ponta mundial, destacando EUA, Japão e Alemanha, precisariam transformar seus paradigmas para manterem a liderança, e conseguir absorver este mercado ávido por máquinas automatizadas e suprir rapidamente a demanda.
A mudança veio a ser sentida no começo da década de 90 com a popularização dos sistemas operacionais (Windows, Apple) aplicados primeiro nas estações de trabalho das empresas e depois acessíveis ao uso pessoal. As informações e o trabalho são organizadas com mais eficiência e investimento em treinamento de pessoal se torna necessário. O acesso ao conhecimento e a informação rápida levou as pessoas a buscarem mais o senso critíco.
Neste panorama a concorrência e competição global já eram uma realidade emergente, quando de maneira significativa a popularização da Internet difundiu-se na segunda metade da década de 90. Assim o acesso à informação global, antes restrito, foi aberto a milhares de pessoas e países. As oportunidades aliadas aos novos modelos de negócios começaram a surgir. Na borla deste processo, países emergentes como Brasil e India se mostravam propensos a absorver esta tecnologia, com isso o mundo no começo dos anos 90 se transformava em todos os aspectos produtivos, educacionais e governamentais. Além destes fatos, surgiu a intensificação da pesquisa em redes de comunicação industriais e cada vez mais o conceito de fábrica modular e flexível foi sendo inserido como solução rápida às mudanças de hábitos de consumo destas regiões emergentes.
O aumento da competividade global conduzido pelos mercados emergentes como os BRINCs e pela China, principalmente com um potencial gigantesco de consumo, e aliado à crescente taxa de envelhecimento da população em países detentores das formas mais avanças da indústria 3.0 (KAGERMANN, et al. 2013). Geraram a abertura de um amplo e coerente debate visando a conquista do mercado e atrair a simpatia do cliente, assim sendo, foram
repensados diversos modelos de como agir de frente a esses novos paradigmas emergentes. Os países lideres em tecnologia 3.0 começaram a perceber que a agregação de valor customizado ao produto cativaria mais e mais o gosto pessoal do cliente.
Assim, esta clientela, que por décadas e décadas, teve todos os produtos que adquiria em um padrão massificado, procurando preço-qualidade, hoje esta propensa a desembolsar um pouco a mais para ter um produto customizado com suas características pessoais.
Segundo Kagermann, et al. (2013), este conceito permitirá que o cliente diferencie seu produto da massificação, colocando sua marca, seu estilo como único um diferencial em relação aos outros representando uma nova tendência mundial se diferenciar do produto comum e massificado. Isso direciona a um antigo desejo das pessoas, que é a de possuir um produto artesanal feito para si e com qualidade superior.
Kagermann et al. (2013), e a W.E.F. (2016), colocam dois pontos de vista na análise da resposta deste novo conceito dos paises avançados na I3.0: Os E.U.A. consideram apenas a sequência de automação de células de manufatura pertinentes ao seu uso e classificam o fenômeno como “Manufatura Avançada”. Os Alemães propõe um conceito mais abrangente e universal ao fenômeno mudando todos os conceitos da cadeia produtiva, dos hábitos de consumo, dos processos educacionais e da relação de trabalho entre colaboradores e empresas.
Silva (2015), cita Schuh et al. (2015), que apontam quatro facilitadores da Indústria 4.0, responsáveis pelo aumento da produtividade: a globalização da tecnologia de informação, a existência de uma fonte unificada de dados consistentes, a automatização e a cooperação.
A globalização da tecnologia de informação engloba principalmente a capacidade de acessar dados massivos, de qualquer parte do mundo, através de uma nuvem central, resultado do aumento constante de infraestrutura computacional e capacidade de processamento dos computadores. Esses aumentos são também agentes facilitadores de simulações mais eficientes e de processamentos de dados exaustivos das empresas.
Também associado à globalização da tecnologia de informação, a existência de uma fonte única de dados gera informações consistentes, que são armazenadas no ciclo de vida do produto, possibilitando mudanças visíveis e evitando ambiguidades no produto e nos processos.
O terceiro facilitador da Indústria 4.0, a automatização está diretamente ligado às tecnologias facilitadoras. As tecnologias inovadoras de automação, como os Cyber-Physical Systems, tornam possível a manufatura de produtos em operações sem pausa, aumentando a
produtividade. Ao lado disso, encontra-se a necessidade de desenvolvimento de sistemas de produção flexíveis para atender a demanda por produtos variados e com ciclos de vida curtos. A cooperação, identificada como o quarto principal facilitador, estende-se à todos os países, todos os tipos de tecnologia e todas as atividades. Esta pode ser estabelecida pelo cultivo de uma rede de comunicação, que ao mesmo tempo, estimula a troca de experiência dos funcionários e aprova a utilização de aparelhos inteligentes de uso pessoal no trabalho.
Silva (2015), cita que a Indústria 4.0 pode ser tanto uma ameaça quanto uma oportunidade para as indústrias, empresas de manufatura tradicionais certamente se depararão com novas funcionalidades e novos modelos de negócios industriais, que mudarão as regras de produtividade e concorrência neste meio. Segundo Blanchet et al. (2014), a implicação na iniciativa da Indústria 4.0 ocorrerá sob taxas distintas em diferentes indústrias, mas as mudanças, serão equivalentes.
No que se refere aos produtos, a Indústria 4.0 traz mais flexibilidade ao processo de produção, o que resulta, portanto, em produtos criados sob-medida para o cliente, com um custo relativamente baixo.
Na Indústria 4.0, os negócios devem operar de forma dispersa, retirando as barreiras entre informações e estruturas físicas, o que caracteriza o fenômeno chamado por Blanchet et al. (2014) de "democracia industrial". Esta nova abordagem favorece o desenvolvimento e entrada no mercado de empresas pequenas e mais especializadas.
Nestas primeiras décadas do Século XXI, a crescente automatização dos processos conquista mercados alicerçados em produtos diferenciados na qualidade e alto valor agregado. Estes novos modelos produtivos se multiplicam cada vez mais através da Internet das Coisas (Internet of the Things - IoT), se transformando na mola propulsora da nova revolução industrial, a Indústria 4.0.
Essa dispersão dos negócios implica em uma reestruturação dos métodos e papéis dos profissionais na gestão dos novos modelos de negócios emergentes. O pensamento interdisciplinar se torna essencial na áreas técnica e na área social, desencadeando nas empresas um processo contínuo de aprendizagem, colaboração e competências cruzadas.
Na literatura analisada (KAGERMANN et al., 2013) (W.E.F., 2016) (STEMMER, 2009) os autores colocam que a aplicação do conceito da I4.0, promove a interconectividade da WEB aos elementos das células de manufatura flexíveis. Assim todos os ramos da cadeia produtiva serão afetados em seus modelos de negócios. Além disso as escolas e centros de treinamentos serão afetados em sua maneira de capturar valor no modelo atual e entregar aos alunos propostas de ensinamento e aprendizagem coerente com o dinamismo de um mercado mutante e rapidamente adaptativo em uma escala de respostas conectadas diretamente ao mercado.
Em anotações de aula, Battochio (2016) apresenta diversas autores com definições complementares de modelos de negócios:
TIMMERS (1998): trata como uma arquitetura para fluxos de produtos, serviços e informações, os inclui em três níveis: dos atores de negócios, seus papéis e benefícios, e fontes de receitas.
AMIT e ZOTT (2001): um instrumento que descreve o conteúdo a estrutura e governança das operações concebidas e cria valor através das oportunidades de negócio.
MAGRETTA (2002): uma descrição operativa de um equivalente gerencial em um método científico com hipóteses, testadas na prática e revisadas quando necessário.
CHESBROUGH e ROSENBLOOM (2002): um elemento que intermedia o desenvolvimento de tecnologias com a criação de valor econômico de uma organização.
OSTERWALDER (2004): uma representação do modelo abstrato da lógica do negócio em conquistar receitas e suas relações com os elementos que a compõem.
SHAFER, SMITH e Linder (2005): uma representação das escolhas lógicas e estratégias centrais para criar e capturar valor dentro de uma rede de valores.
MINATOGAWA (2013): uma arquitetura que determina a lógica das decisões de uma organização para criação, oferta, entrega e captura de valor.
Além dessa dinâmica, os sistemas e modelos de negócios a eles agregados, irão se tornar sinérgicos, proativos e mutantes, abrangendo todos os conceitos clássicos (Battochio, 2016). Outros modelos serão criados, para preencher as necessidades emergentes.
A evolução dos sistemas gestores é exigida na I4.0, os dados sobre os produtos coletados em redes industriais e estas conectadas a redes administrativas, permitem uma análise direta pelos gestores em tempo real do ambiente fabril possibilitando o controle do desperdício.
A evolução tecnológica, o aquecimento, (ou o desaquecimento) da economia, o aumento da oferta de crédito e o alcance de novos mercados estão entre os fatores que elevam significativamente a competitividade das empresas. Para continuar crescendo, todas as companhias precisam de gerenciamento adequado de recursos, dados e processos.
As ferramentas de gestão administrativa cognadas ao parque fabril são fundamentais para a integração dos sistemas antropocêntricos presentes na otimização das ações de gerenciamento das tarefas. Nos próximos tópicos apresentaremos algumas destas ferramentas.
2.2.1 – CIM
Segundo Groover (2011), a Manufatura Integrada por Computador (ou computer integrated manufacturing — CIM), se trata de um conjunto de Tecnologias que adequam todo o processo produtivo, aliando as ações aos componentes de TI . As tecnologias chaves incluem o projeto auxiliado por computador (computer – aided desegn – CAD) e a manufatura auxiliada por computador (computer – aided manufacturing – CAM). Com o uso abrangente dos sistemas computadorizados nas etapas: projeto do produto, planejamento da produção, controle das operações e execução do processamento das informações em diversas funções da empresa.
Groover (2011), cita que o processamento das informações promovem os dados para o conhecimento em reger a fabricação bem sucedida do projeto do produto. O processamento é concebido para as quatro funções básicas (1) Funções de Negócio; (2) Projeto do Produto; (3) Planejamento da Produção; 4) Controle da Produção.
Essas quatro funções forman um ciclo de eventos que deve acompanhar as atividades físicas de produção. Itens relacionados à Engenharia de manufatura como planejamento de processos da peça no controle númerico, não pertence a esse escopo (GROOVER, 2011).
Vieira (1996) expõe as palavras de James Kellso (1998) “ Para a Intel Corporation, CIM é “a interação entre pessoas e máquinas através do computador e de tecnologia de informação para integrar e, automaticamente, executar desenvolvimentos e tarefas de manufatura”, Figura 2-3.
Figura 2-3 – Arquitetura CIM.
2.2.2 – FMC e FMS
Huang e Chang, (1992), colocam que uma Célula Flexível de Manufatura (FMC) é o módulo do FMS onde há efetivamente manufatura de produtos, é a unidade básica de produção. Ela é o elemento chave na implementação de métodos da manufatura flexível.
Uma FMC, segundo Sellitto et al..(2017), é formada a partir da integração de máquinas, dispositivos de manipulação e movimentação de peças (por exemplo de robôs, esteiras), sistemas de medição (para inspeção/controle da qualidade), magazines ou buffers (onde são armazenados peças ou estoques de peças), e um computador central onde executa o supervisor ou software de gerenciamento da célula (gerente FMC). Um exemplo de FMC está ilustrado na Figura 2-4.
