CPPS retrofitting no contexto da indústria 4.0.

(1)

CPPS Retrofitting no Contexto da

Ind´

ustria 4.0

Theo Silva Lins

Orientador: Ricardo A. R. Oliveira

Universidade Federal de Ouro Preto

Tese submetida ao Programa de Pós Gradua¸cão em Ciência da Computa¸cão da Universidade Federal de Ouro Preto como requisito para a obten¸c˜_{ao do t´ıtulo de} Doutor em Ciência da Computa¸cão.

(2)

Lins, Theo Silva.

CPPS retrofitting no contexto da indústria 4.0. [manuscrito] / Theo Silva Lins. - 2020.

107 f.

Orientador: Prof. Dr. Ricardo Augusto Rabelo Oliveira. Tese (Doutorado). Universidade Federal de Ouro Preto.

Departamento de Computação. Programa de Ciência da Computação. Área de Concentração: Ciência da Computação.

1. Computadores - Indústria. 2. Indústria de transformação. 3. Cibernética. 4. Arquitetura industrial. I. Oliveira, Ricardo Augusto Rabelo. II. Universidade Federal de Ouro Preto. III. Título.

Bibliotecário(a) Responsável: Celina Brasil Luiz - CRB6 - 1589 L759c

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(4)

(5)

iii

CPPS Retrofitting no Contexto da Ind´

ustria 4.0

Resumo

A Indústria 4.0 é a nova revolu¸cão industrial, que envolve a introdu¸cão de novas tecno-logias no âmbito industrial. No entanto, mudar o patamar tecnológico de uma indústria desatualizada não é uma tarefa simples. Ao invés de trocar todos equipamentos antigos por equipamentos novos nas ind´ustrias, o conceito retrofitting surge como uma solu¸cão rápida e de baixo custo, que visa ao reaproveitamento do equipamento existente, com adi¸cão de novas tecnologias. Todavia, o retrofitting sofre varia¸cão de acordo com o tipo e modelo do equipamento industrial, dificultando a atualiza¸cão de um equipamento in-dustrial para um Sistema de Produ¸cão Ciber-f´ısico ou Cyber-Physical Production System (CPPS). Nesta pesquisa, propomos métodos para utiliza¸cão do retrofitting para trans-forma¸cão de um equipamento industrial ultrapassado tecnologicamente em um CPPS. A moderniza¸cão é feita com o suporte de uma plataforma que possui recursos para integrar o equipamento industrial com a Indústria 4.0. Para implementar a plataforma, defini-mos os requisitos, componentes e tecnologias necessários para realiza¸cão do retrofitting. Todo o procedimento é realizado com base no Modelo Arquitetural de Referência para Ind´ustria 4.0 - Reference Architectural Model for Industrie 4.0 (RAMI 4.0), uma arqui-tetura já difundida da Indústria 4.0. Para validar o funcionamento da plataforma, foram realizados estudos de casos com um bra¸co robótico muito comum em uma indústria au-tomatizada e com uma planta didática auau-tomatizada. Como resultado, mostramos o impacto após o processo que chamamos de CPPS Retrofitting.

(6)

(7)

v

CPPS Retrofitting no Contexto da Ind´

ustria 4.0

Abstract

Industry 4.0 is the new industrial revolution involving the introduction of new techno-logies in the industrial field. However, changing the technological level of an outdated industry is not a simple task. By retrofitting all old equipment into new equipment in industries, the retrofitting concept emerges as a rapid and low-cost solution, aimed at reusing existing equipment, with the addition of new technologies. However, retrofitting changes according to the type and model of industrial equipment, making it challenging to upgrade industrial equipment to Cyber-Physical Production System (CPPS). In this research, we propose methods to use retrofitting to transform old industrial equipment into a CPPS. The modernization is done with the support of a platform that has resour-ces to integrate industrial equipment with Industry 4.0. To implement the platform, we define the requirements, components, and technologies necessary to retrofit industrial equipment. The entire process is based on Reference Architectural Model for Industrie 4.0 (RAMI 4.0) a widespread architecture of Industry 4.0. With the retrofitting platform based on RAMI 4.0, makes consistent the process of upgrading industrial equipment, providing Industry 4.0 functionality. To validate the operation of the platform, case studies were made with a typical robotic arm in an automated industry and with an automated didactic plant. As a result, the impact of the CPPS Retrofitting is shown.

(8)

(9)

vii

Declara¸

c˜

ao

Esta tese é resultado de meu próprio trabalho, exceto onde referência expl´ıcita é feita ao trabalho de outros, e não foi submetida para outra tese nesta nem em outra universidade.

(10)

(11)

Sum´

ario

Lista de Figuras xiii

Lista de Tabelas xv Nomenclatura 2 1 Introdu¸cão 5 1.1 Investiga¸cão do Problema . . . 7 1.2 Problema de Pesquisa . . . 8 1.3 Objetivos . . . 10 1.4 Justificativa . . . 10 1.5 Contribui¸cões . . . 11 1.6 Organiza¸cão do Texto . . . 12

2 Referencial Teórico 13 2.1 Histórico Tecnológico na Revolu¸cão Industrial . . . 13

2.1.1 Primeira Revolu¸c˜ao Industrial . . . 14

2.1.2 Segunda Revolu¸c˜ao Industrial . . . 16

2.1.3 Terceira Revolu¸c˜ao Industrial . . . 17

2.1.4 Quarta Revolu¸c˜ao Industrial . . . 18

(12)

2.1.5 Quarta Revolu¸c˜ao Industrial no Contexto do Brasil . . . 19

2.1.6 Tecnologias da Ind´ustria 4.0 . . . 20

2.2 CPPS . . . 24

2.3 Estruturamento CPPS Retrofitting . . . 25

2.4 RAMI 4.0 . . . 27

2.4.1 Arquiteturas de Sistemas . . . 29

2.5 Tecnologias de Comunica¸c˜ao e Integra¸c˜ao . . . 32

2.5.1 OPC-UA . . . 32 2.5.2 SDN . . . 33 3 Trabalhos Relacionados 35 3.1 Retrofitting . . . 35 3.2 Moderniza¸cão Convencional . . . 38 3.3 RAMI 4.0 . . . 40 4 Metodologia 43 4.1 Design da Pequisa . . . 43 4.2 Design da Solu¸cão . . . 44 4.3 Implementa¸cão da Solu¸cão . . . 45 4.4 Valida¸cão da Solu¸cão . . . 45 4.5 Avalia¸cão da Solu¸cão . . . 46 5 CPPS Retrofitting 49 5.1 Requisitos do Retrofitting . . . 52

5.2 Recursos, Tecnologias e Componentes Funcionais . . . 54

(13)

SUM ´ARIO xi

5.2.2 Comunica¸c˜ao . . . 55

5.2.3 Aplica¸c˜ao . . . 56

5.3 Integra¸c˜ao com Arquitetura RAMI 4.0 . . . 57

5.4 Intera¸c˜ao Humano-CPPS . . . 59

5.5 Plataforma Proposta . . . 60

6 Estudo de Casos 67 6.1 Estudo de Caso - Bra¸co Rob´otico . . . 67

6.1.1 Bra¸co Rob´otico . . . 67

6.1.2 Placa Embarcada . . . 69

6.1.3 Dispositivos IoT . . . 70

6.1.4 Servi¸cos e Pacotes . . . 71

6.1.5 Componentes Auxiliares . . . 72

6.1.6 Recursos externos da Ind´ustria 4.0 . . . 73

6.1.7 Experimentos e Resultados . . . 74

6.2 Estudo de Caso - Planta Did´atica . . . 79

6.2.1 Planta Did´atica Industrial . . . 79

6.2.2 Placa Embarcada - Beagle Bone Black . . . 82

6.2.3 Dispositivos IoT . . . 83

6.2.4 Servi¸cos e Pacotes . . . 84

6.2.5 Recursos externos da Ind´ustria 4.0 . . . 84

6.2.6 Experimentos e Resultados . . . 85

7 Conclus˜ao 91

(14)

(15)

Lista de Figuras

2.1 Revolu¸c˜ao Industrial (Fonte: https://sotes.com.br/tag/industry-4-0/) . . 14

2.2 Tecnologias da Ind´ustria 4.0 (Fonte: https://endeavor.org.br/industria-4-0) . . . 21

2.3 Arquitetura 5C para Implementa¸c˜ao do CPS e do CPPS . . . 26

2.4 Estruturamento CPPS Retrofitting . . . 27

2.5 Arquitetura RAMI 4.0 . . . 28

2.6 Shell de Administra¸c˜ao no RAMI 4.0 . . . . 30

5.1 Compara¸c˜ao dos Diferentes Equipamentos em Sistemas Industriais . . . . 50

5.2 Fluxograma do CPPS Retrofitting . . . 51

5.3 Integra¸c˜ao do CPPS Retrofitting com o RAMI . . . 59

5.4 Visualiza¸c˜ao Funcional da Plataforma CPPS Retrofitting . . . 61

6.1 Bra¸co Rob´otico - Controlador MK4 - Teaching Pedant . . . 68

6.2 Protótipo com Bra¸co Robótico - Após Retrofitting . . . . 69

6.3 CDF - Latˆencia da Aplica¸c˜ao de Monitoramento - Requisito de Primeira Classe . . . 77

6.4 CDF - Latˆencia Antes e Depois do retrofitting - Requisito de Segunda Classe . . . 78 6.5 CDF - Latˆencia Antes e Depois do retrofitting - Requisito de Terceira Classe 79

(16)

6.6 Consumo de Energia do Bra¸co Robótico . . . 80 6.7 Planta Didática Smar . . . 81 6.8 Protótipo com a Planta Didática . . . 81 6.9 CDF - Latência Antes e Depois do Retrofitting - Requisito de Primeira

Classe . . . 88 6.10 CDF - Latˆencia - Escrita OPC - Antes e Depois do Retrofitting - Requisito

de Segunda Classe . . . 89 6.11 CDF - Latˆencia - Leitura OPC - Antes e Depois do Retrofitting - Requisito

de Segunda Classe . . . 90 6.12 Consumo de Energia da Planta Did´atica . . . 90

(17)

Lista de Tabelas

3.1 Compara¸c˜ao das caracter´ısticas entre os trabalhos relacionados e o CPPS

Retrofitting . . . 36

5.1 Requisitos do CPPS Retrofitting . . . 53

5.2 M´etodos Utilizados na Plataforma CPPS Retrofitting . . . 65

6.1 Resultados do CPPS Retrofitting . . . 75

6.2 Resultados do CPPS Retrofitting . . . 86

(18)

(19)

(20)

Nomenclatura

BBB Beagle Bone Black

BBBlue Beagle Bone Blue

BMM Business Motivation Model

BPMN Business Process Modeling and Notation

CNC Controle Num´erico Computadorizado CDF Cumulative Distribution Function

CPS Cyber Physical Systems

CPPS Cyber-Physical Production Systems

DCS Distributed Control Systems

DH Denavit-Hartenberg

DOF Degree Of Freedom

ERP Enterprise Resource Planning

ESB Enterprise Service Bus

GPIO General Purpose Input/Output

IoT Internet Of Things

IIoT Industrial Internet of Things

IIRA Industrial Internet Reference Architecture

IHM Interface Homem M´aquina

LISA Line Information System Architecture MBSE Model-Based Systems Engineering

MES Manufacturing Execution System

OPC UA Open Communication Platform - Unified Architecture PC Personal Computer

(21)

Nomenclatura 3

PLC Programmable Logic Controller

PWM Pulse Width Modulation

RAMI 4.0 Reference Architectural Model for Industrie 4.0

RDP Remote Desktop Protocol

SBC Sociedade Brasileira de Computa¸c˜ao SCADA Supervisory Control and Data Acquisition

SDN Software Defined Networks

SOA Service-Oriented Architecture

SSH Secure Shell

TI Tecnologia da Informa¸c˜ao

TIC Tecnologia da Informa¸c˜ao e Comunica¸c˜ao UML Unified Modeling Language

USB Universal Serial Bus

(22)

(23)

Cap´ıtulo 1

Introdu¸

c˜

ao

A Indústria 4.0, também chamada de quarta revolu¸cão industrial, é uma nova era in-dustrial que envolve novos conceitos nos processos industriais. A partir da utiliza¸cão de tecnologias como Internet das Coisas - Internet Of Things (IoT), Sistemas Ciber-F´ısicos - Cyber Physical System (CPS) e computa¸cão em nuvem, as ind´ustrias tendem a se tor-nar mais eficientes, autônomas e customizáveis (Lee et al. 2015, Lee & Lee 2015, Molano et al. 2017).

O objetivo do CPS na Indústria 4.0 é fornecer recursos para permitir a integra¸cão do mundo f´ısico com o mundo virtual, em que sistemas embarcados conectados em rede, monitoram e controlam processos f´ısicos, influenciando os processos de informa¸cão. O CPS visa à integra¸cão entre sistemas embarcados, dispositivos de controle, computa¸cão, comunica¸cão e rede. Nesse contexto, a CPS considera uma rede de recursos e processos f´ısicos para viabilizar a fusão entre objetos f´ısicos e virtuais (MacDougall 2014).

O termo CPS é geralmente usado como referência para qualquer área de aplica¸cão, enquanto o termo Sistemas de Produ¸cão Ciber-f´ısico - Cyber-Physical Production

Sys-tems (CPPS) é utilizado no contexto de sistemas de produ¸cão (Upasani et al. 2017, Pérez

et al. 2015). O CPPS consiste em elementos e subsistemas autônomos e cooperativos que se conectam entre si por maneira dependente da situa¸cão, em todos os n´ıveis de produ¸cão, de processos a máquinas e redes de produ¸cão e log´ıstica, aprimorando os pro-cessos de tomada de decisão em tempo real, respostas a condi¸cões imprevistas e evolu¸cão ao longo do tempo. (Monostori et al. 2016). Ao transformar os sistemas tradicionais de produ¸cão em CPPS, a coleta de dados é personalizada e enviada ao Big Data, tornando-se acess´ıvel via computa¸cão em nuvem. Assim, o conceito CPPS aumenta a autonomia

(24)

e a flexibilidade no ambiente industrial, permitindo um maior n´ıvel de integra¸cão e interoperabilidade dos aplicativos e sistemas de fabrica¸cão (Pérez et al. 2015).

Os desafios existentes para acadêmicos e profissionais são: (i) como implementar o CPPS e (ii) como melhorá-lo para se tornar mais confiável, estável e capaz (Da Xu et al. 2014). (Monostori et al. 2016) observam que os CPPS na Indústria 4.0 serão ati-vados e aplicados pelo desenvolvimento de entidades computacionais, de procedimentos relacionados a dados, automa¸cão, tecnologia de fabrica¸cão e tecnologias de informa¸cão e comunica¸cão. Os autores também apontam que o CPPS dominará os sistemas de manufatura ao integrar-se aos equipamentos como uma nova gera¸cão da indústria.

No entanto para atender as demandas do CPPS e da Indústria 4.0, diversos estudos (Hermann et al. 2016, Lasi et al. 2014, Adolph et al. 2016, Hankel & Rexroth 2015) apresentam a necessidade de uma arquitetura industrial padronizada que suporte dife-rentes aspectos, que abordem desde a instala¸cão de equipamentos até o gerenciamento dos dispositivos em uma rede distribu´ıda.

Visando à padroniza¸cão da Indústria 4.0, colaboradores de diferentes empresas euro-peias e institui¸cões de pesquisa e desenvolvimento sugeriram o Modelo Arquitetural de Referência para Ind´ustria 4.0 - Reference Architectural Model for Industrie 4.0 (RAMI 4.0), cujo objetivo é agrupar e representar os diferentes aspectos do projeto da indústria em um modelo comum, isto é, integra¸cão vertical, engenharia fim-a-fim e integra¸cão horizontal (Adolphs et al. 2015). O RAMI 4.0 descreve os aspectos fundamentais da Indústria 4.0 e visa a alcan¸car um entendimento comum de quais padrões e casos de uso são necessários para a Indústria 4.0, ou seja, o RAMI 4.0 fornece uma arquitetura de referência básica para a Indústria 4.0 (Bangemann et al. 2016).

Com a arquitetura da Indústria 4.0 definida, o desafio de um sistema de produ¸cão existente é atingir o próximo passo na revolu¸cão industrial, que passa pela implementa¸cão do CPPS nas indústrias. Embora o RAMI 4.0 apresente uma camada de integra¸cão com conceitos e padrões para a implanta¸cão da Indústria 4.0, a reutiliza¸cão dos equipamentos antigos não é detalhada, assim como não se sugere uma maneira de preparar esses equipamentos para receber os aspectos oferecidos pelo RAMI 4.0.

Modernizar uma indústria, contudo, não é algo trivial, e regularmente equipamentos antigos são substitu´ıdos por novos. Na maioria dos casos, os novos equipamentos são mais eficientes que os antigos, devido à inova¸cão cont´ınua na tecnologia de processos (De Beer 2013). É comum que o equipamento industrial também passe por adapta¸cões durante a vida útil para melhorar sua eficiência e produtividade (Worrell & Biermans

(25)

Introdu¸c˜ao 7

2005).

Em contrapartida, o retrofitting é um processo no qual as funcionalidades existen-tes de um equipamento são atualizadas com a implementa¸cão de novas tecnologias. O processo de atualiza¸cão é importante para entender a dinâmica da melhoria dos equipa-mentos (Jacoby & Wing 1999). Então, podemos definir o retrofitting como um processo de revitaliza¸cão e moderniza¸cão, que substitui a necessidade de comprar ou construir equipamentos inteiramente novos.

Diante disso, a migra¸cão de um equipamento para a Indústria 4.0 pode ser menos custosa e mais incisiva com a utiliza¸cão do conceito retrofitting, que é a atualiza¸cão e adapta¸cão de equipamentos industriais a novas tecnologias. Retrofitting é a forma mais rápida e de baixo custo para alcan¸car a Indústria 4.0, aumentar a eficiência dos equipamentos, reduzir o custo de produ¸cão e aumentar a conectividade da indústria.

Os resultados após o retrofitting são mensuráveis e envolvem, inclusive, a vida ´util do equipamento e sua inser¸cão no primeiro estágio da Indústria 4.0, caracterizado pela conectividade e consequente utiliza¸cão dos dados captados em benef´ıcio da produtivi-dade. Mais do que atualizar o equipamento, o retrofitting pode revigorar todo o parque industrial instalado, permitindo, além da inclusão de modelos de gestão mais avan¸cados, o conhecimento continuamente atualizado do papel de cada ativo no processo.

1.1 Investiga¸

c˜

ao do Problema

As principais fontes de pesquisa foram repositórios digitais relacionados a artigos ci-ent´ıficos, entre os repositórios podemos citar: Google Acadêmico, Scopus, Scielo, IEEE Xplore, Science direct. Para compor a referência bibliográfica, foram feitas coleta de artigos, documentos, referências, manuais e discussões.

Com as pesquisas voltadas para o retrofitting em equipamentos industriais visando `a transforma¸c˜ao em CPPS, foram identificados os principais problemas nas pesquisas existentes.

Após realiza¸cão da pesquisa, foi identificada a falta de padroniza¸cão e metodologia no processo de moderniza¸cão dos equipamentos, o que gera dificuldade de reaproveitamento do processo em questão até mesmo em equipamentos similares, e impossibilitando a reutiliza¸cão em equipamentos de tipos diferentes.

(26)

1.2 Problema de Pesquisa

Com base na investiga¸cão do problema e seguindo os grandes desafios da computa¸cão propostos pela Sociedade Brasileira de Computa¸cão (SBC) (SBC 2006, SBC 2009, SBC 2015), o problema de pesquisa envolve as necessidades de moderniza¸cão de um equipa-mento industrial para se tornar um CPPS pertencente a Indústria 4.0.

Mesmo o retrofitting, que apresenta eficiência e baixo custo, não foi encontrada, até o momento, uma padroniza¸cão ou metodologia que ajude na aplica¸cão do retrofitting em diferentes equipamentos industriais. Portanto, o problema endere¸cado por este trabalho é a falta de uma especifica¸cão que padronize o retrofitting que envolvem os equipamentos industriais. A identifica¸cão dos pontos comuns no retrofitting, como adapta¸cões, tecno-logias e recursos são meios de facilitar, agilizar e aumentar a quantidade de migra¸cões para a Indústria 4.0.

Portanto, estruturar o retrofitting facilita o entendimento da aplica¸cão, a defini¸cão dos requisitos e as funcionalidades abordadas para o CPPS. A defini¸cão de requisitos para realizar o retrofitting de um equipamento industrial é um aspecto essencial para atingir o CPPS, dado que os trabalhos existentes sobre moderniza¸cão para Indústria 4.0 carecem de metodologias e de organiza¸cão estrutural para realiza¸cão do retrofitting.

Como o CPPS envolve a conex˜ao do mundo real com o mundo virtual, seus desafios envolvem a parte de hardware e a parte de software na implanta¸c˜ao do CPPS. Dentre esses desafios, podemos citar (SBC 2015, Sanislav & Miclea 2012):

• Abstra¸cões e arquiteturas - É necessário desenvolver abordagens inovadoras para abstra¸cões e arquiteturas que permitam a integra¸cão de controle, comunica¸cão e computa¸cão para o rápido design e implementa¸cão do CPPS. Em nosso trabalho, abordamos esse desafio através do RAMI 4.0, que permite a abstra¸cão em camadas através da integra¸cão dos componentes responsáveis pelo controle, comunica¸cão e computa¸cão.

• Compreender os requisitos das aplica¸cões - Componentes f´ısicos de sistemas CPPS introduzem requisitos de desenvolvimento qualitativamente diferentes daqueles da computa¸cão de uso geral. Além disso, componentes f´ısicos são qualitativamente diferentes dos componentes de software. Para atender a esse desafio, foram defi-nidos requisitos que abordam todo processo de implementa¸cão e implanta¸cão do CPPS, abordando tanto a infraestrutura e as aplica¸cões, como também a parte de

(27)

Introdu¸c˜ao 9

comunica¸c˜ao.

• Integra¸cão de hardware e software em sistemas embarcados - Infraestrutura com-putacional embarcada não é trivial, pois as aplica¸cões embarcadas e pervasivas rodam sobre plataformas restritas e de inteligência fortemente distribu´ıda, sendo necessário ao CPPS integrar diversas tecnologias em sistemas embarcados. Em nosso trabalho, através do retrofitting é realizada a integra¸cão de diferentes tecno-logias convencionais e IoT, implementando-se componentes funcionais altamente conectados voltados para diferentes tipos de sistemas embarcadas.

• Falta da ado¸cão de padrões - Como desenvolver métodos, processos e ferramentas aderentes a normas e padrões? Muitas tecnologias, ferramentas e técnicas são desenvolvidas, mas sem obediência normas e padrões existentes, inviabilizando os avan¸cos do CPPS. Na abordagem desse desafio, utilizamos tecnologias bem difundidas na computa¸cão. Para padroniza¸cão da Indústria 4.0 foi utilizado o RAMI 4.0 e para o desenvolvimento do retrofitting foram definidos os requisitos e um estruturamento padronizado de acordo com o CPPS.

• Computa¸cões distribu´ıdas e controle em rede - refere-se a novas estruturas, algo-ritmos, métodos e ferramentas relacionadas à computa¸cão orientada por tempo e evento, software, atrasos variáveis no tempo, falhas, reconfigura¸cão e sistemas de suporte à decisão distribu´ıdos para satisfazer os requisitos de alta confiabilidade e seguran¸ca para componentes cooperativos heterogêneos que interagem através de um ambiente f´ısico. Para atender a esse desafio usamos a rede SDN, que utiliza im-plementa¸cões em um controlador centralizado para gerenciar redes heterogêneas e recursos na rede, favorecendo a utiliza¸cão de componentes que trabalham em conjunto na Indústria 4.0.

• Verifica¸cão e valida¸cão - Os componentes de hardware e software, bem como os sistemas que eles formam, precisam alcan¸car um alto grau de confiabilidade, re-configura¸cão e necessidade de certifica¸cão. Novos modelos, algoritmos, métodos e ferramentas para verificar e validar componentes de software e também todo o sistema do estágio inicial de design, precisam ser propostos. Neste caso, fo-ram desenvolvidos protótipos com equipamentos industriais para verificar e va-lidar os componentes tanto de hardware como de software. Métricas utilizadas na computa¸cão e a compara¸cão com tecnologias anteriores também ajudaram na valida¸cão.

(28)

Além dos desafios presentes na implanta¸cão do CPPS, o alto custo com a moder-niza¸cão dos equipamentos também é um dos fatores que ampliam o atraso para a im-planta¸cão da Indústria 4.0. Outro fator determinante é a dificuldade de integrar dife-rentes tecnologias industriais de maneira eficiente e precisa.

1.3 Objetivos

O objetivo geral da pesquisa é propor metodologias no retrofitting que facilite a trans-forma¸cão de equipamentos industriais tecnologicamente ultrapassados em um CPPS, através do uso tecnologias existentes no mercado, de modo que o equipamento possa integrar a Indústria 4.0.

Os objetivos espec´ıficos s˜ao:

• Definir tecnologias e requisitos para padronizar o retrofitting, atendendo a falta de padr˜oes e compreendendo os requisitos necess´arios para implantar o CPPS. • Integrar o retrofitting com a arquitetura RAMI 4.0, para ter uma arquitetura

padrão da Indústria 4.0, permitindo o controle, a comunica¸cão e a integra¸cão do CPPS.

• Implementar uma plataforma que utilize o conceito retrofitting para modernizar equipamentos industriais. A plataforma deve integrar todos os componentes e funcionalidades presentes no equipamento industrial e na Ind´ustria 4.0.

• Verificar e validar a implanta¸cão do CPPS através do desenvolvimento de protótipos utilizando equipamentos da indústria automatizada.

• Validar os resultados do impacto do retrofitting em um equipamento industrial.

1.4 _{Justificativa}

A chegada da Indústria 4.0 promete tornar os modelos convencionais de produ¸cão gra-dualmente ineficientes. Entretanto, a moderniza¸cão das indústrias oferece diversos be-nef´ıcios, e os ganhos existentes na quarta revolu¸cão industrial são os incentivos para re-alizar esta transi¸cão. Melhorias e o reaproveitamento dos equipamentos antigos podem trazer redu¸cão de custo com a implanta¸cão e o aumento da vida útil do equipamento.

(29)

Introdu¸c˜ao 11

Por isso, o surgimento de um conceito de moderniza¸cão faz com que todo o setor industrial acompanhe essa revolu¸cão. Entretanto, cada indústria tem sua forma de pen-sar e reagir aos novos acontecimentos, e a indústria que não estiver preparada para acompanhar a evolu¸cão industrial aumenta muito suas chances de desaparecer do mer-cado. A não moderniza¸cão, de uma indústria acarreta em menor produtividade, custos desnecessários e perda de eficiência.

Então, qual o melhor caminho para modernizar as indústrias existentes e levá-las a um outro patamar tecnológico? Para que isso aconte¸ca, o processo de moderniza¸cão requer o entendimento das tecnologias envolvidas, implanta¸cão de novas tecnologias, integra¸cão de diferentes tecnologias e a comunica¸cão entre os equipamentos.

Outra razão determinante para as indústrias se modernizarem são as novas exigências mundiais, como a consciência ecológica, que favorece o uso de novas tecnologias e tem mudado o comportamento do funcionamento das indústrias, incentivando a utiliza¸cão de produtos verdes e a eficiência energética. O aumento da eficiência energética vem sendo um dos principais objetivos nas indústrias, por ser uma das maneiras mais eficazes para se conseguir melhorias na presta¸cão de servi¸co e redu¸cão nos custos.

Além disso, a identifica¸cão dos pontos comuns no retrofitting, como adapta¸cões, tec-nologias e recursos, é um meio de facilitar, agilizar e aumentar a quantidade de migra¸cões para a Indústria 4.0.

1.5 Contribui¸

c˜

oes

Nesta se¸c˜ao, s˜ao apresentados os artigos resultantes desta pesquisa.

O artigo (Lins et al. 2016) foi um trabalho envolvendo os conceitos CPS, Indústria 4.0 e SDN, para analisar a comunica¸cão da Indústria 4.0 e a viabilidade do uso de redes definidas por software - Software Defined Networks (SDN). Para validar os resultados, foram feitas diversas simula¸cões em cenários da Indústria 4.0. A principal contribui¸cão deste trabalho foi a utiliza¸cão de redes SDN na Indústria 4.0, em que foi poss´ıvel aten-der à interoperabilidade de diferentes redes de comunica¸cão, uma caracter´ıstica muito importante da Indústria 4.0.

O trabalho (Lins & Oliveira 2017), seguindo a tendência mundial nas indústrias, apresenta o uso de eficiência energética através de redes SDN. Foram feitas simula¸cões utilizando aplica¸cões SDN que reduziram o gasto energético da Indústria 4.0. A principal

(30)

contribui¸cão deste trabalho foi a utiliza¸cão da eficiência energética na Indústria 4.0, viabilizando metodologias e ferramentas para analises energéticas, além da sincroniza¸cão do uso de aplica¸cões SDN com a Indústria 4.0

O artigo (Lins et al. 2018) foi o trabalho inicial envolvendo o conceito retrofitting, que serviu como base para o desenvolvimento desta pesquisa. Com abordagem mais ampla, foram apresentadas solu¸cões para realiza¸cão do retrofitting na Ind´ustria 4.0. As principais contribui¸cões deste trabalho foram a introdu¸cão ao retrofitting, a defini¸cão de metodologias e análises dos trabalhos relacionados.

Em (Lins & Oliveira 2020) é apresentado o resultado final da pesquisa. Com uma abordagem mais espec´ıfica voltada para o CPPS, foram apresentados a plataforma CPPS Retrofitting, a integra¸cão com o RAMI 4.0, a participa¸cão humana, assim como os im-pactos após a realiza¸cão do retrofitting em equipamentos industriais. Este trabalho é o principal resultado desta pesquisa, com métodos, requerimentos, arquitetura e compo-nentes funcionais voltados para a implanta¸cão do CPPS na Indústria 4.0.

1.6 Organiza¸

c˜

ao do Texto

O restante do trabalho está organizado do seguinte modo: no Cap´ıtulo 2 é apresen-tado o referencial teórico. No Cap´ıtulo 3 apresentamos os trabalhos relacionados. No Cap´ıtulo 4 é apresentada a metodologia utilizada nesta pesquisa. No Cap´ıtulo 5 é apre-sentado o CPPS Retrofitting para a Indústria 4.0. Nos Cap´ıtulos 6 são detalhados os protótipos baseados em equipamentos industriais, usados para valida¸cão da plataforma CPPS Retrofitting. Finalmente, no Cap´ıtulo 7 temos as conclusões da pesquisa.

(31)

Cap´ıtulo 2

Referencial Te´

orico

Em um retrofitting, é comum o uso de diferentes tecnologias e arquiteturas, que devem ser identificadas e especificadas ao longo da execu¸cão. Portanto, neste cap´ıtulo é apresentada uma revisão sobre os conceitos tecnológicos e arquiteturas que envolvem o retrofitting em equipamentos industriais.

2.1 Hist´

por-Referencial Te´orico 19

tanto, um n´ıvel de valor sem precedentes em todo o ecossistema. As fábricas inteligentes, que estarão no cora¸cão da Indústria 4.0, incorporarão a tecnologia da informa¸cão e co-munica¸cão para uma evolu¸cão na cadeia de suprimentos e na linha de produ¸cão que trará um n´ıvel muito mais alto de automa¸cão e digitaliza¸cão. Isso significa que os equipamen-tos possuem auto-otimiza¸cão, auto-configura¸cão e até mesmo inteligência artificial para concluir tarefas complexas, a fim de oferecer eficiência, baixo custo, melhores servi¸cos e bens de qualidade (Xu et al. 2018, Tao et al. 2016).

2.1.5 Quarta Revolu¸

c˜

ao Industrial no Contexto do Brasil

A Indústria 4.0 nasceu em pa´ıses desenvolvidos, onde os estágios industriais anteriores já estão maduros em rela¸cão à automa¸cão e uso das TI, dois conceitos da terceira revolu¸cão industrial que convergem na Indústria 4.0 (Kagermann et al. 2013). Nesse sentido, os pa´ıses emergentes podem enfrentar uma lacuna importante para a ado¸cão da Indústria 4.0 devido à baixa maturidade dos estágios industriais anteriores (Krawczyński et al. 2016, Guan et al. 2006).

A ado¸cão de tecnologias avan¸cadas pode ser mais desafiadora para os pa´ıses emergen-tes (Hall & Maffioli 2008, Kumar & Siddharthan 2013). Como as economias dos pa´ıses emergentes têm se concentrado historicamente mais na extra¸cão e comercializa¸cão de commodities, as indústrias nesses pa´ıses estão frequentemente atrasadas em termos de ado¸cão de tecnologia, quando comparadas às suas contrapartes nos pa´ıses desenvolvidos (Castellacci 2008). Outros fatores como infraestrutura de TI, cultura, n´ıvel de educa¸cão e instabilidade econômica e pol´ıtica também podem interferir na percep¸cão de valor e no consequente n´ıvel de investimentos em tecnologias avan¸cadas (Frank et al. 2016).

No caso do Brasil, em rela¸cão às tecnologias de fabrica¸cão, o trabalho de (Frank et al. 2016) mostra que a estratégia de aquisi¸cão de equipamentos obteve maus resultados para inova¸cão, quando comparada a outras atividades de inova¸cão de indústrias no Brasil. A indústria brasileira ainda demonstra relutância em inserir novas tecnologias, esbarrando em barreiras burocráticas, falta de informa¸cão e receio de mudan¸cas (Dalenogare et al. 2018).

Atualmente no Brasil, apesar de algumas exce¸cões, não existem grandes investimen-tos, consequentemente estamos dando os primeiros passos para as ado¸cões de tecnologias da Indústria 4.0. Um caso mais espec´ıfico podemos citar Minas Gerais que possui entre as principais atividades industriais a extra¸cão e comercializa¸cão de materiais metálicos

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e a metalurgia, que representam juntas 25,7% do PIB industrial do estado, que foi de 128,4 bilh˜oes em 2019 (PORTAL 2020).

Minas Gerais é o mais importante estado minerador do pa´ıs e é o responsável 53% da produ¸cão brasileira de minerais metálicos e 29% de minérios em geral (IBRAM 2020), mesmo com produ¸cões expressivas, os investimentos tecnológicos não são no mesmo pa-tamar, pois as grandes indústrias mineiras ainda sofrem com a desconfian¸ca de mudan¸ca e continuam trabalhando com plantas industriais com tecnologias de décadas atrás.

Diante desta situa¸cão, o retrofitting surge como um caminho para atender o cenário industrial brasileiro. Portanto, a nossa pesquisa é valida na questão de demonstrar os métodos para transformar equipamentos industriais em CPPS. Métodos que foram validados através do uso de protótipos utilizando equipamentos didáticos e que são similares aos utilizados nas indústrias brasileiras.

2.1.6 Tecnologias da Ind´

ustria 4.0

Diferentemente dos equipamentos das indústrias automatizadas e não automatizadas, a Indústria 4.0 pode possuir um conjunto de tecnologias com grande relevância como IoT, computa¸cão em nuvem, sistemas integrados, manufatura aditiva, simula¸cões, bigdata, realidade aumentada, robôs autônomos e seguran¸ca da informa¸cão, que trabalham em conjunto, melhorando o sistema de produ¸cão, como pode ser visto na Figura 2.2.

IoT

A IoT é a tendência e a dire¸cão da nova revolu¸cão industrial (Roblek et al. 2016). Ao conectar humanos e máquinas, a IoT transfere e integra conhecimento entre os dispo-sitivos nas organiza¸cões. Ao facilitar a informa¸cão e o conhecimento, a IoT melhora a eficiência no desenvolvimento e gerenciamento da Indústria 4.0. Especificamente, a IoT e a Indústria 4.0 mudarão o relacionamento entre clientes, produtores e fornecedores. As decisões de produ¸cão não serão dominadas pelos fabricantes e varejistas. Em vez disso, a IoT e a Indústria 4.0 envolvem os clientes principalmente nas decisões sobre qualidade e personaliza¸cão dos produtos.

A IoT na indústria também enriquecerá mais os dispositivos com a computa¸cão embarcada e será interconectada usando tecnologias padrão. Isso permite que os dispo-sitivos de campo se comuniquem e interajam entre si e com um controlador central se

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Figura 2.2: Tecnologias da Ind´ustria 4.0 (Fonte: https://endeavor.org.br/industria-4-0)

necessário. Também descentraliza a análise e a tomada de decisões, permitindo respostas em tempo real (Bahrin et al. 2016).

Computa¸c˜ao em Nuvem `

A medida que o desempenho das tecnologias melhora, os dados e a funcionalidade dos equipamentos serão cada vez mais integrados na nuvem, permitindo mais servi¸cos ori-entados a dados para o sistema de produ¸cão. Mais empreendimentos relacionados à produ¸cão na Indústria 4.0 exigirão maior compartilhamento de dados entre sites e limi-tes da empresa (Bahrin et al. 2016).

Portanto, a computa¸cão em nuvem se concentra em ajustar e melhorar os aspectos operacionais da arquitetura e a eficácia combinada com agilidade, interoperabilidade, configurabilidade, capacidade de programa¸cão e integra¸cão (Thames & Schaefer 2016).

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Manufatura Aditiva

Na Indústria 4.0, os métodos de manufatura aditiva também serão amplamente utiliza-dos para produzir pequenos lotes de produtos personalizautiliza-dos que oferecem vantagens de constru¸cão, como projetos complexos e leves. Sistemas de manufatura aditiva descentra-lizada e de alto desempenho reduzirão as distâncias de transporte e o estoque dispon´ıvel (Rüßmann et al. 2015).

A diminui¸cão dos ciclos de vida do produto, combinada com a crescente demanda de produtos personalizados, requer uma maior transforma¸cão em dire¸cão às estruturas da organiza¸cão que levam a uma maior complexidade (Brettel et al. 2014). Essa flexibilidade também incentiva a inova¸cão, pois protótipos ou novos produtos podem ser produzidos rapidamente, sem necessidade de reformula¸cão ou configura¸cão complicada de novas linhas de produ¸cão. Assim, é poss´ıvel produzir um produto e muitas variantes, com uma diminui¸cão no estoque usando as tecnologias da Indústria 4.0 (Bahrin et al. 2016).

Sistemas Integrados

A integra¸cão e auto-otimiza¸cão são os dois principais mecanismos usados na organiza¸cão industrial (Schuh et al. 2014). O paradigma da Indústria 4.0 é essencialmente delineado por três dimensões da integra¸cão: (a) integra¸cão horizontal em toda a rede de cria¸cão de valor, (b) integra¸cão vertical e sistemas de fabrica¸cão em rede e (c) engenharia fim-a-fim em todo o ciclo de vida do produto (Stock & Seliger 2016). A total integra¸cão e a automa¸cão digital dos processos de fabrica¸cão na dimensão vertical e horizontal implica também uma automa¸cão da comunica¸cão e coopera¸cão, especialmente ao longo de processos padronizados (Erol et al. 2016).

Sendo assim, na Indústria 4.0, a integra¸cão de sistemas horizontal e vertical entre empresas, departamentos, fun¸cões e recursos se tornará muito mais coesa, à medida que as redes universais de integra¸cão de dados entre empresas evolu´ırem e permitirem cadeias de valor verdadeiramente automatizadas (Bahrin et al. 2016).

Simula¸c˜oes

As simula¸cões aproveitam os dados em tempo real para espelhar o mundo f´ısico em um modelo virtual, que podem incluir equipamentos, produtos e humanos. Isso permite que os operadores testem e otimizem as configura¸cões do equipamento para o próximo

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produto em linha no mundo virtual antes da produ¸cão f´ısica, reduzindo assim os tempos de configura¸cão do equipamento e aumentando a qualidade (Rüßmann et al. 2015).

Simula¸cões 2D e 3D podem ser criadas para comissionamento virtual e simula¸cão de tempos de ciclo, consumo de energia ou aspectos ergonômicos de uma instala¸cão de produ¸cão. O uso de simula¸cões de processos de produ¸cão pode não apenas reduzir os tempos de inatividade e alterá-los, mas também reduzir as falhas de produ¸cão durante a fase de inicializa¸cão (Simons et al. 2017). A qualidade da tomada de decisão pode ser melhorada de maneira fácil e rápida com a ajuda de simula¸cões (Schuh et al. 2014).

Robˆos Autˆonomos

Os robôs estão se tornando mais autônomos, flex´ıveis e cooperativos. Eventualmente, eles irão interagir uns com os outros e trabalharão em seguran¸ca lado a lado com os humanos e aprenderão com eles (Rüßmann et al. 2015). Esses robôs custam menos e têm uma gama maior de recursos do que os usados atualmente na fabrica¸cão.

Um robô autônomo é usado para executar o método de produ¸cão autônomo com mais precisão e também trabalhar nos locais onde os trabalhadores humanos estão res-tritos ao acesso. Os robôs autônomos podem concluir determinada tarefa de maneira precisa e inteligente dentro do prazo determinado e também se concentrar na seguran¸ca, flexibilidade, versatilidade e colabora¸cão (Bahrin et al. 2016).

Big Data

De acordo com a defini¸cão da Forrester, o Big Data consiste em quatro dimensões: volume de dados, variedade de dados, velocidade de gera¸cão de novos dados e análises, e valor dos dados (Witkowski 2017). A análise dos dados armazenados pode ser usada para descobrir as amea¸cas ocorridas em diferentes processos de produ¸cão, no in´ıcio da fabrica¸cão e também prever os novos problemas que podem ocorrer, bem como as várias solu¸cões para impedir que tais problemas ocorram novamente na indústria (Bagheri et al. 2015).

Com o Big Data, a coleta e a avalia¸cão abrangente de dados de muitas fontes di-ferentes de equipamentos e sistemas de produ¸cão, bem como sistemas corporativos e de gerenciamento de clientes, se tornarão padrão para apoiar a tomada de decisões em tempo real (Rüßmann et al. 2015).

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Realidade Aumentada

Os sistemas baseados em realidade aumentada suportam uma variedade de servi¸cos, como selecionar pe¸cas em um armazém e enviar instru¸cões de reparo por dispositivos móveis. A indústria pode usar a realidade aumentada para fornecer aos trabalhadores informa¸cões em tempo real para melhorar a tomada de decisão e os procedimentos de trabalho. Os trabalhadores podem receber instru¸cões de reparo sobre como substituir uma pe¸ca espec´ıfica, enquanto observam o sistema real que precisa de reparo (Rüßmann et al. 2015).

Seguran¸ca da Informa¸c˜ao

Comunica¸cões confiáveis, o gerenciamento moderno de identidade e acesso de dispositivos e usuários são importantes na Indústria 4.0 para resolver o problema de amea¸cas à seguran¸ca cibernética, que cresce drasticamente com o aumento da conectividade e uso de padrões de protocolos de comunica¸cão convencionais (Rüßmann et al. 2015).

No entanto, é um desafio construir um alto n´ıvel de estrutura de ciberseguran¸ca base-ada em IoT para a Indústria 4.0, devido à complexidade e ao processo de gerenciamento dinâmico em torno da colabora¸cão máquina-para-humano (Thames & Schaefer 2016).

2.2 CPPS

O conceito de CPS foi definido pela primeira vez em 2006 pelo Dr. James Truchard, que introduz o conceito de que o mundo virtual e o mundo f´ısico podem ser mesclados pelo CPS. De fato, um CPS é um sistema integrado de computa¸cão, comunica¸cão e controle (Lee 2008, Shi et al. 2011). A aplica¸cão do CPS no campo do gerenciamento da produ¸cão foi formalizada nos últimos anos (Monostori 2014), sob o termo de CPPS. Na Indústria 4.0, o conceito CPS também é tratado como CPPS (Vogel-Heuser et al. 2014, Strang & Anderl 2014), permitindo que equipamentos da indústria sejam mais inteligentes, criando assim uma melhor produ¸cão e condi¸cões para uma produ¸cão inteligente (Zhou et al. 2015).

Dessa forma, o CPPS envolve humanos, máquinas e produtos, e combina computa¸cão, rede e processos f´ısicos juntos no processo de produ¸cão, com o objetivo de tornar a produ¸cão economicamente viável com produtos altamente qualificados (Albers et al.

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2016, Lasi et al. 2014). Os computadores e redes incorporados no CPPS servem como base para monitorar e controlar os processos f´ısicos, ciclos de feedback e avalia¸c˜oes de desempenho no processo de produ¸c˜ao.

De acordo com (Rudtsch et al. 2014), os principais benef´ıcios do CPPS que diferem do CPS são: (i) otimiza¸cão dos processos de produ¸cão; (ii) customiza¸cão otimizada do produto; (iii) produ¸cão eficiente de recursos; (iv) processos de produ¸cão centrados no ser humano.

A arquitetura 5C introduzida em (Lee et al. 2015) consiste em 5 n´ıveis de maneira sequencial do fluxo de trabalho e demonstra como construir um CPS a partir da aquisi¸cão inicial dos dados, passando pelas análises, até a cria¸cão final do valor. Na Figura 2.3 apresentamos a compara¸cão entre CPS e CPPS nas atribui¸cões da arquitetura 5C. No lado direito temos as atribui¸cões originais do CPS citadas por (Lee et al. 2015), em que por exemplo, temos a realiza¸cão, a aquisi¸cão de dados de máquinas e seus componentes. Os atributos do CPS abordam de forma geral sem especificar uma determinada área de atua¸cão. A esquerda da figura, destacamos alguns exemplos citados por (Monostori et al. 2016), como a aquisi¸cão de dados para processo e monitoramento de equipamentos ou sistemas. Ao contrário do CPS, na abordagem do CPPS, os atributos são espec´ıficos para uma área de sistemas de produ¸cão.

A arquitetura 5C apresenta diretrizes para o desenvolvimento de um CPS, mas contém algumas incoerências na comunica¸cão entre as camadas e deixa de lado fato-res importantes para uma Indústria 4.0. A arquitetura é um manual para implanta¸cão de um CPS, por direcionar a forma de desenvolver o sistema e ter pontos relevantes para implementa¸cão. Apesar disso, a arquitetura precisaria de ajustes para conseguir aten-der a Indústria 4.0, como por exemplo existem dois processos trabalhosos (elabora¸cão do modelo virtual e análise de dados) em uma camada, enquanto a camada cognitiva apenas formata resultados da camada inferior (PISCHING et al. 2017).

2.3 _{Estruturamento CPPS Retrofitting}

O CPPS Retrofitting é uma metodologia elaborada nesta pesquisa para modernizar um equipamento industrial para um CPPS através do método retrofitting.

Para estruturar o CPPS Retrofitting foram analisados os conceitos e componentes existentes por tr´as dos equipamentos industriais, do retrofitting, do CPPS e da Ind´ustria

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Figura 2.3: Arquitetura 5C para Implementa¸c˜ao do CPS e do CPPS (Lee et al. 2015, Monostori et al. 2016)

4.0. O equipamento industrial e suas tecnologias devem integrar com as novas tecnologias a ponto de fazer parte da Ind´ustria 4.0.

Como pode ser visto na Figura 2.4, a estrutura do CPPS Retrofitting é dividida em três partes: infraestrutura, comunica¸cão e aplica¸cão, as quais são compostas pelos componentes já existentes no equipamento e os componentes adicionais que ajudaram na migra¸cão para a Indústria 4.0. No caso dos equipamentos não automatizados, os equipamentos antes do retrofitting não possuem as partes de comunica¸cão e/ou aplica¸cão, ou não podem ser reaproveitados por serem ultrapassados. Contudo, podem passam a funcionar após o retrofitting, devido à integra¸cão dos componentes com a Ind´ustria 4.0. A infraestrutura do CPPS é composta por diversas tecnologias. Para os equipamentos industriais automatizados e não automatizados atingirem determinado n´ıvel tecnológico, é preciso integra¸cão com dispositivos IoT. Estes dispositivos integram os equipamentos industriais com o mundo digital, transformando-os em CPPS e trazendo melhorias aos processos dos equipamentos. Os dispositivos IoT também podem ser implantados de forma independente do equipamento e trazer melhorias para o processo industrial que envolve o equipamento, como seguran¸ca, precisão de dados e vida útil.

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Figura 2.4: Estruturamento CPPS Retrofitting

Na parte de comunica¸cão do retrofitting, é necessário identificar e integrar os dife-rentes tipos de protocolos das redes industriais presente nos equipamentos com as redes IoT. O funcionamento em conjunto dessas tecnologias de comunica¸cão possibilita a co-munica¸cão de todos os componentes da indústria, parte fundamental da comunica¸cão da Indústria 4.0.

As aplica¸cões para o CPPS incorporadas no retrofitting possuem abordagem mais genérica para atender a diversos tipos de equipamentos, como, por exemplo, nuvem de dados e servi¸cos web. O retrofitting também precisa dar suporte às aplica¸cões industriais nativas que gerenciam os equipamentos.

2.4 RAMI 4.0

Nesta se¸cão são apresentadas as informa¸cões contidas no RAMI 4.0 que foram impor-tantes para o desenvolvimento desta pesquisa e a compara¸cão com outras arquiteturas existentes.

O modelo RAMI 4.0 integra diferentes perspectivas do usuário e fornece um enten-dimento comum das tecnologias da Indústria 4.0. Com o RAMI 4.0, os requisitos dos setores - da automa¸cão de manufatura e engenharia mecânica à engenharia de proces-sos - podem ser atendidos em associa¸cões do setor e comitês de padroniza¸cão. Assim, o RAMI 4.0 fornece um entendimento comum para padrões e casos de uso (Hankel & Rexroth 2015).

O RAMI 4.0 como pode ser visto na Figura 2.5, é considerado como uma espécie de mapa 3D das solu¸cões Indústria 4.0, fornecendo uma orienta¸cão para a plotagem dos

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requisitos dos setores, juntamente com os padrões nacionais e internacionais, a fim de definir e desenvolver a Indústria 4.0. Padrões e lacunas sobrepostos podem, assim, ser identificados e resolvidos (Hankel & Rexroth 2015).

Figura 2.5: Arquitetura RAMI 4.0 (Hankel & Rexroth 2015)

Além disso, o RAMI 4.0 fornece diretrizes gerais e visões relevantes que devem ser levadas em considera¸cão na organiza¸cão geral do dom´ınio, mas não prescreve uma abor-dagem de modelagem espec´ıfica. As seis camadas do eixo vertical definem a estrutura da representa¸cão Tecnologia da Informa¸cão e Comunica¸cão (TIC) para um componente Indústria 4.0. O eixo vertical representa várias perspectivas de TIC, como aplicativos de negócios, aspectos funcionais, manipula¸cão de informa¸cões, capacidade de comunica¸cão e integra¸cão e, finalmente, o hardware/ativos envolvidos em um CPPS. Os ciclos de vida de produtos, máquinas e fábricas são capturados ao longo do eixo de ciclo de vida e fluxo de valor. O terceiro eixo da RAMI 4.0 descreve a classifica¸cão funcional de várias circunstâncias na Indústria 4.0, do produto no n´ıvel de fábrica até o mundo conectado (Heidel et al. 2017).

Portanto, o RAMI 4.0 fornece a base para as seguintes etapas (Hankel & Rexroth 2015):

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• Identifica¸cão: A identifica¸cão é o pré-requisito necessário para que as coisas se encontrem autonomamente na produ¸cão em rede. Atualmente existem padrões diferentes para isso. Uma solu¸cão unificada deve ser desenvolvida.

• Semântica: Uma troca de dados entre fornecedores é necessária para a comunica¸cão entre máquinas ou entre máquinas e pe¸cas de trabalho. Isso requer semântica unificada, incluindo uma sintaxe comum para dados.

• Qualidade de servi¸co para componentes da Indústria 4.0: Servi¸cos de missão cr´ıtica, como sincroniza¸cão de tempo, capacidade em tempo real ou confiabilidade dos componentes da Indústria 4.0 devem ser definidos.

• Comunica¸cão: Existem abundantes conexões e protocolos de comunica¸cão. Os exemplos mais comuns são barramentos de campo baseados em Ethernet ou OPC UA. Sua adequa¸cão às comunica¸cões da Indústria 4.0 deve ser examinada. Isso permite identificar sobreposi¸cões, definir protocolos preferenciais e fechar lacunas.

Com o RAMI 4.0, podemos evidenciar a Shell de Administra¸cão, que é a interface que conecta o objeto f´ısico à Indústria 4.0 e fica responsável por armazenar todos os dados e informa¸cões sobre o ativo, além de funcionar como uma interface padronizada de comunica¸cão da rede e ter a capacidade de integrar objetos passivos.

Cada objeto f´ısico tem sua Shell de Administra¸cão e a conexão ocorre através da comunica¸cão oferecida pela Ind´ustria 4.0, com a Shell de Administra¸cão formando a parte digital e o objeto f´ısico formando a parte real. Como pode ser visto na Figura 2.6, o objeto no RAMI 4.0 é representado no retrofitting como o equipamento industrial, enquanto a Shell de Administra¸cão consiste de recursos adicionados ao equipamento industrial após o retrofitting.

2.4.1 Arquiteturas de Sistemas

Várias organiza¸cões de padroniza¸cão, consórcios industriais e grupos de pesquisa tra-balham ativamente no campo das arquiteturas de sistemas para a Indústria 4.0 para fornecer poss´ıveis solu¸cões para superar a estrutura em camadas com o objetivo de tor-nar a intera¸cão do sistema mais dinâmica e flex´ıvel. Além do RAMI 4.0, outro modelo de referência abstrato é a Arquitetura de Referência Industrial da Internet - Industrial Internet Reference Architecture (IIRA) (Lin et al. 2015).

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Figura 2.6: Shell de Administra¸c˜ao no RAMI 4.0 (Schweichhart 2016)

O IIRA é uma padrão baseado em arquitetura aberta, que possui ampla aplicabili-dade do setor para impulsionar a interoperabiliaplicabili-dade, mapear as tecnologias aplicáveis e orientar a tecnologia e o desenvolvimento de padrões. A descri¸cão e representa¸cão da arquitetura são genéricas e com um alto n´ıvel de abstra¸cão para suportar a ampla aplica-bilidade necessária do setor. O IIRA abstrai caracter´ısticas comuns, recursos e padrões de casos de uso bem compreendidos no momento. O design do IIRA pretende trans-cender as tecnologias dispon´ıveis atualmente e, ao fazê-lo, capaz de identificar lacunas tecnológicas com base nos requisitos de arquitetura. Isso, por sua vez, impulsionará os esfor¸cos de desenvolvimento de novas tecnologias pela comunidade industrial da Internet (Consortium et al. 2015).

Os dois modelos foram apresentados na mesma ´epoca, mas o RAMI 4.0 foi mais difun-dido, tendo mais pesquisas envolvidas, por ser voltado exclusivamente para a Ind´ustria 4.0

Esses modelos fornecem um ponto de partida neutro em tecnologia para arquiteturas industriais e CPPS; no entanto, eles não têm uma recomenda¸cão sobre como realizar essa arquitetura. Além disso, o suporte necessário para sistemas legados é apenas parci-almente considerado. Paralelamente, vários pesquisadores publicaram arquiteturas que fornecem ideias mais concretas sobre as realiza¸cões técnicas.

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O projeto ARUM (Leitão et al. 2013) propõe uma arquitetura baseada em agente com um Barramento de Servi¸co Corporativo - Enterprise Service Bus (ESB) atuando como middleware entre os diferentes sistemas. Os dispositivos herdados são incorpo-rados usando gateways. Uma ontologia incorporada no middleware contribui para um entendimento comum das informa¸cões.

(Hufnagel & Vogel-Heuser 2015) capturam a integra¸cão de dados de várias fontes heterogêneas usando uma arquitetura baseada em ESB. A arquitetura usa adaptadores para converter entre formatos de dados, permitindo assim a incorpora¸cão de dispositivos legados. Um modelo de informa¸cões comum com regras de mapeamento que parametri-zam os adaptadores de dados serve para criar um entendimento comum.

A arquitetura LISA (Theorin et al. 2017) usa um ESB para a implementa¸cão de um protótipo. O objetivo da abordagem é permitir uma integra¸cão de dados flex´ıvel nas fábricas. Um modelo de informa¸cão comum e adaptadores de dados são traduzidos entre os diferentes sistemas.

A arquitetura SOCRADES (Karnouskos et al. 2009) utiliza gateways e mediadores para a integra¸cão de dispositivos legados. Os servi¸cos da Web facilitam a interoperabi-lidade e acoplamento fraco entre os sistemas. Além disso, a descoberta de servi¸cos e sua orquestra¸cão desempenham um papel importante.

O projeto Arrowhead (Delsing et al. 2017) fornece uma estrutura para a intera¸cão de sistemas baseada em nuvem. Ele segue de perto os princ´ıpios da SOA e considera a troca de dados através das fronteiras organizacionais. Além disso, permite a comunica¸cão em tempo real, se necessário.

A maioria desses projetos desenvolveram aspectos de uma arquitetura da Indústria 4.0, mas não possui uma visão global. Portanto, existe a necessidade de integra¸cão desses aspectos separados. Além disso, as estratégias de migra¸cão são consideradas essenciais para a ado¸cão industrial dessas tecnologias (Foehr et al. 2017). Resumindo, existem várias arquiteturas espec´ıficas para diferentes aplica¸cões. Por outro lado, as arquiteturas de referência fornecem um ponto de partida neutro em tecnologia para as arquiteturas da Indústria 4.0 (Trunzer et al. 2019).