Industria 4.0 e IoT – Internet das Coisas e Automação

On 22 de setembro de 2015 by Theo Lins

No post anterior abordamos Indústria 4.0, suas características e o CPS (Sistemas Físicos Cibernéticos), agora abordaremos a Internet da coisas, e os desafios da conexão sem fio na Indústria 4.0

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Industria 4.0 e IoT (Internet das Coisas)

A Internet das coisas se refere à rede que conecta as coisas, a fim de realizar a gestão de identificação inteligente das coisas. Num sentido mais amplo, a Internet das coisas pode ser vista como a integração do espaço de informação e espaço físico, e todas as coisas são digitalizadas e em rede para que as pessoas podem interagir e acessar as informações de forma mais eficiente entre as coisas e as coisas, as coisas e as pessoas, as pessoas e ambiente de realidade. Além disso, a Internet das coisas adota todos os tipos de tecnologia da informação e novos modelos de serviços, assim integrar a aplicação de informatização na sociedade humana.
As três camadas de estrutura IoT está representado na figura 3.

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Figura 3 – As três camadas de estrutura IoT [5]

A camada percepção resolve o problema da coleta dos dados do mundo humano e do mundo físico, e é considerado como uma camada de núcleo da Internet das coisas. Suas principais funções são a identificação coisas e aquisição inteligente. A camada percepção é composto de dispositivo de detecção de base (tais como dispositivos de etiquetas RFID e leitor-gravador, todos os tipos de sensores, câmeras, GPS, etc.) e da rede de percepção (como rede RFID, redes de sensores, etc.).
Também conhecida como a camada de rede, camada de transporte é para resolver o transporte de longa distância de dados que foi adquirida pela camada de percepção. Dentro de um determinado intervalo, ele completa, principalmente o acesso e função de transmissão. É a forma de intercâmbio de informações e transferência de dados. Camada de aplicação é também conhecida como camada de processamento, que resolve os problemas de processamento de informações e interface homem-máquina. Os dados de camada de rede processa em todos os tipos de sistemas de informação. E os sistemas interagem com as pessoas através de uma variedade de dispositivos. Atualmente, M2M é o metodo mais utilizada na Internet das coisas. A indústria concentra-se em M2M, pois coloca ênfase na aplicação prática.

Uma Arquitetura de Referência para IOT – Baseada na fábrica Inteligente [3]

A Figura 4 apresenta uma arquitetura de referência para baseada em IoT fábrica inteligente na indústria 4.0.

 

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Figura 4 – Arquitetura baseada em IoT para fábrica inteligente [3]

Essa arquitetura inclui vários conjuntos de tecnologia e várias perspectivas:

  • Máquinas Inteligentes: incluem comunicação M2M, máquinas se comunicam com outros dispositivos e com humanos.
  • Dispositivos inteligentes: inclui dispositivos conectados na fábrica, tais como dispositivos de campo, dispositivos móveis, dispositivos operacionais, etc.
  • Processos de fábrica inteligentes incluem: Processos de comunicação dinâmicos, eficientes, automatizados e em tempo real para a gestão e controle de um ambiente de produção altamente dinâmico ativado por IoT.
  • Engenharia Inteligente: inclui a concepção e desenvolvimento de produtos, engenharia de produto, produção e serviço pós-venda. Isso pode exigir o uso de dados coletados a partir do processo de fabricação, no processo de planejamento, e otimizar máquinas (mecânica, elétrica, etc.).
  • Fabricação de TI: inclui primeiro, aplicativos de software utilizados por uma ou mais empresas que suportam redes de dados; segundo, monitoramento inteligente e controle por meio de sensores, medidores inteligentes e dispositivos móveis inteligentes; terceiro, gestão da produção inteligente, que integrar dados de IoT na lógica de gestão da produção.
  • Logística inteligentes: incluem ferramentas e processos logísticos inteligentes. Logística auto-gerenciáveis é um exemplo de logística interna inteligentes que reagem a mudanças inesperadas na produção, tais como os gargalo e escassez de materiais.
  • Big Data e Cloud computing: inclui algoritmos de análise, aplicativos, etc, análise de Big Data trará grandes oportunidades para melhorar futuras fábricas, processos de fabricação, e permitir fábrica para fornecer novos produtos.
  • Fornecedores inteligentes: inclui a construção de relações duradouras com os fornecedores. Por exemplo, pelo aumento compartilhamento de informações em tempo real; da mesma forma, aumentar a flexibilidade ao selecionar o melhor fornecedor com base nas necessidades de fábrica.
  • Rede inteligente: inclui as infra-estruturas inteligentes de fábrica inteligente no campo de fornecimento de energia. Em particular, é essencial para reagir às mudanças nos preços de energia

 

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Desafio Wireless [2]

A comunicação desempenha um papel fundamental para permitir que os sistemas e as tecnologias da Indústria 4.0. Semelhante a Indústria 4.0, a quinta geração (5G) da norma rede celular ultimamente tem ganhado um grande interesse tanto no meio acadêmico como na comunidade de pesquisa. O 5G pretende abordar Indústria 4.0 como uma parte dos requisitos de M2M para além dos humanos gerando requisitos de dados. 5G está atualmente em seus primórdios, e requisitos de sistema e tecnologias potenciais que podem enfrentar os futuros requisitos. A padronização deve ser esperado em algum lugar entre 2015 e 2020 com implantações iniciais em todo o ano de 2020. A definição padrão oficial ainda não foi iniciado no entanto os principais requisitos que serão considerados como parte do padrão são como mostrado na Figura~\ref{fig:req}.

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Figura 5 – Requisitos para 5G [2]

A figura mostra que a 5G visa uma baixa latência dos links de comunicação. Links de baixa latência irá desempenhar um papel fundamental em aplicações de controle e segurança para a indústria. A conectividade M2M maciça vai exigir um ponto de acesso para suportar centenas de milhares de dispositivos de campo. Manutenção da conectividade deve ser muito baixa, assim, um período muito longo de bateria para tais dispositivos vão ser uma necessidade. A vida útil da bateria para interfaces sem fio sendo maior que 10 anos vai significar que apesar difíceis de alcançarem sensores e atuadores com baixa taxa de dados e baixa necessidade de manutenção poderão continuar conectados.

Confiabilidade irá desempenhar um papel muito importante em requisitos industriais com aplicações de segurança e controle. Sistemas de elevada taxa de dados será necessário, por exemplo, para uma fábrica que tem as suas operações totalmente mantida e controlada através de uma presença virtual. Além de todos esses requisitos, 5G também deve ser capaz de proporcionar uma experiência de conectividade pervasiva para os dispositivos que podem transitar a partir de local aberto para um local fechado em um cenário móvel. Um protocolo de comunicação único não será capaz de resolver todos os requisitos, assim, na prática, o padrão irá envolver várias tecnologias de acesso de rádio, a fim de proporcionar uma experiência de conectividade sem emendas.

Alguns dos ingredientes tecnológicos que estão a ser considerados como fatores para atingir os requisitos acima em 5G são representados na Figura 5. 5G terá várias tecnologias de acesso que deve ser altamente coordenada e integrada a fim de proporcionar uma experiência perfeita, ao contrário da experiência fragmentada de hoje. A figura acima mostra que um dispositivo em um cenário fechado que pode utilizar mmwaveform (60 GHz), padrão WiFi, comunicação luz visível para comunicação de alta velocidade de dados. No entanto, a célula interior, juntamente com várias células femto exigirá coordenação com a rede macro e estação base celular. Em local externo, a estação base irá implantar multiantennas maciças (MIMO), a fim de abordar as aplicações de alta taxa de dados. Em certas áreas, tecnologias cognitivas também pode ser considerada sempre que o espaço de espectro licenciado não está completamente utilizada pelos licenciados.

 

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Figura 6 – Tecnologias para Indústria 4.0[2]


O padrão 5G é esperado para abordar tanto a comunicação centrada no humano como máquina para máquina (M2M). Alguns dos objetivos principais do padrão de comunicação de próxima geração aborda a exigência industrial que será reduzir a latência da comunicação; aumentando a longevidade da vida da bateria do dispositivo e, ao mesmo tempo, aumentando a confiabilidade de comunicação. A maioria dos aplicativos irão exigir uma compensação entre esses critérios.

  • Latência: Comunicação M2M na Indústria 4.0, muitas vezes, exigem redes de latência muito baixa. 5G está a ser proposto para proporcionar uma latência de menos de 5 ms. A latência pode ser melhorada se o requisito de estabelecimento de conexão for significativamente reduzido.
  • Longevidade: Pesquisa sobre a minimização do consumo de energia em protocolos sem fio é fundamental para a produção de dispositivos para a Indústria 4.0. Alguns autores discutem que a técnica é financeiramente inviável para prestar serviços M2M em uma escala muito grande, com sistemas celulares atuais como os seus protocolos exigem muita sobrecarga de comunicações para a sincronização, alocação de canal, e mobilidade/gerenciamento de conectividade.
    Como resultado, eles estão longe de cumprir os requisitos de energia para um sistema de detecção de M2M com escala celular ampla. O padrão 5G tem como alvo uma autonomia de mais de 10 anos para diversas taxas baixas, sensores de baixa potência e atuadores. No cenário externo, sub-base Ghz de longo alcance e soluções de baixa taxa de dados pode ser a resposta para o aumento da longevidade dos sensores e atuadores. Em ambientes fechados, 802.15.4 é a base para a solução, tais como Zigbee promete baixo consumo de energia, soluções de longa duração. No entanto, devido à grande disponibilidade de Wi-Fi, ultimamente muitos produtos de baixo poder WiFi com vários anos de vida têm de sair no mercado.
  • Confiabilidade: Comunicação industrial exige muito alta confiabilidade, especialmente para controle e aplicações de segurança. 5G considera várias técnicas de acesso por rádio a fim de proporcionar uma adequada confiabilidade em ambientes fechados como ao ar livre. Embora redes celulares públicas baseadas 5G irá fornecer uma disponibilidade muito alta, em alguns casos, eles podiam ainda não ser suficiente, especialmente no caso de aplicações de missão crítica. A exigência de 5G para suportar centenas de milhares de sensores e atuadores de um ponto de acesso pode ser uma tarefa desafiadora em termos de requisitos de confiabilidade adequadas. As redes privadas podem fornecer a solução de cortesia para esses requisitos. Eles podem ser projetados para arquiteturas com alta capacidade de sobrevivência e opções de tecnologia, e podem ser projetados para alta disponibilidade de cobertura em áreas de interesse. Embora as redes públicas podem oferecer a segurança adequada para comunicações M2M, redes privadas podem ser projetados para uma melhor segurança. As redes privadas também podem proporcionar um melhor controle sobre o tempo de vida das redes, em comparação com as redes públicas. Em ambiente interno rede privada sem licença com base em Wi-Fi, ZigBee, WirelessHART, etc continuará a existir.

Uma solução confiável adequada na Indústria 4.0 irá envolver a combinação de várias tecnologias de dentro 5G, bem como as redes públicas e privadas. Algumas das tecnologias de comunicação que estão sendo consideradas atualmente vai amadurecer e será viável na era da Indústria 4.0, enquanto que outros não podem fazê-lo.[2]

 

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No próximo post iremos abordar o uso da comunicação M2M dentro da industria 4.0

Referências

[1] Hung-An Kao Jay Lee, Behrad Bagheri. A cyber-physical systems architecture for industry 4.0-based manufacturing systems. ScienceDirect, 2015.
[2] Anitha Varghese and Deepaknath Tandur. Wireless requirements and challenges in industry 4.0. In Contemporary Computing and Informatics (IC3I), 2014 International Conference on, pages 634–638. IEEE, 2014.
[3] F Shrouf, J Ordieres, and G Miragliotta. Smart factories in industry 4.0: A review of the concept and of energy management approached in production based on the internet of things paradigm. In Industrial Engineering and Engineering Management (IEEM), 2014 IEEE International Conference on, pages 697–701. IEEE, 2014.
[4] Nasser Jazdi. Cyber physical systems in the context of industry 4.0. In Automation, Quality and Testing, Robotics, 2014 IEEE International Conference on, pages 1–4. IEEE, 2014.
[5] Hai Huang, Jiping Zhu, and Lei Zhang. An sdn based management framework for iot devices. 2014.
[6] Shanhu Yang Jay Lee, Hung-An Kao. Service innovation and smart analytics for industry 4.0 and big data environment. ScienceDirect, 2014.
[7] Jaewoo Kim, Jaiyong Lee, Jaeho Kim, and Jaeseok Yun. M2m service platforms: survey, issues, and enabling technologies. Communications Surveys & Tutorials, IEEE, 16(1):61–76, 2014.
[8] Michael Keller Marius Rosenberg Malte Brettel, Niklas Friederichsen. How virtualization, decentralization and network building change the manufacturing landscape: An industry 4.0 perspective. International Journal of Mechanical, Aerospace, Industrial, Mechatronic and Manufacturing Engineering, 2014.

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Industria 4.0 e IOT. How IoT contributes to Industry 4.0
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