Estudo de caso: Primeiros Passos para o IIoT em um Ambiente de PME

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IIoT e Indústria 4.0 são tópicos omnipresentes nas feiras e posts de blogs da indústria atual. Muitos produtos prometem ajudá-lo a alcançar a integração vertical do fluxo de produção e dados e software empresarial como o ERP. Mas geralmente também há um senão: ou você obtém produtos muito complexos com uma etiqueta de preço igualmente chocante - ou apesar da promessa do IIoT de interoperabilidade total entre fornecedores, você vai ficar trancado, especialmente se você considerar as soluções de software que são vendidas por fornecedores de máquinas de produção em conjunto com seus equipamentos.

Para empresas menores com recursos limitados e departamentos de TI pequenos ou unipessoais, este é um dilema. Enquanto tais empresas dependem da flexibilidade para competir com empresas maiores e, portanto, precisam adotar paradigmas como o Industry 4.0, geralmente vem com um enorme investimento e um muro de complexidade técnica aparentemente intransponível.

Neste estudo de caso, em primeiro lugar, vou mostrar como uma plataforma de integração de software com conectores pré-construídos para comunicação de dados de máquinas pode ajudar a superar essas limitações. E, em segundo lugar, quais podem ser as primeiras aplicações práticas para dados de máquinas em tempo real em uma pequena fábrica que inicia sua jornada em direção à Internet Industrial das Coisas.

Sobre o cliente e as suas necessidades

O cliente é um pequeno fornecedor da indústria que fornece principalmente produtos de chapa de aço inoxidável com tamanhos de lotes pequenos e um portfólio de produtos complexo.

Para poder competir com outros fabricantes nesta área, a fábrica necessita de avanço tecnológico e constante evolução do processo de produção. Por isso, o cliente começou a introduzir a solda a laser robótica de última geração no processo de produção.

Além do processo em si, integrar uma solução robótica de soldagem no planejamento da produção, obter os dados necessários para o cálculo de custos, controle de qualidade, etc., é outro desafio.

O ambiente de TI do cliente

O cenário de TI dos clientes é um cenário naturalmente crescido e, portanto, inerentemente complexo. Na sua base, utiliza um sistema ERP antigo que é estendido por aplicações web PHP personalizadas e interfaces para outros produtos de software (por exemplo, CAD, CAM como software de aninhamento a laser, ...) e sistemas de clientes para troca directa de dados. Tudo isso dentro de um ambiente de servidor Windows/Linux misto e um pool de clientes quase exclusivamente baseado em Windows em um Active Directory. Os serviços de arquivo são baseados predominantemente em compartilhamentos do Windows e (em menor extensão) no Dropbox.

Em geral, a estratégia do cliente é reduzir a complexidade da sua infra-estrutura de TI, tentando reduzir a quantidade de diferentes tecnologias utilizadas (pilhas LAMP, AD, Windows, O365, sistemas legados, etc.), aumentando assim a capacidade de gestão e reduzindo os custos de manutenção de todo o ecossistema.

O ambiente de produção

As máquinas de produção têm normalmente um período de utilização intrinsecamente longo. Portanto, nem todas as máquinas estão equipadas para aplicações do Industry 4.0 ou oferecem funcionalidade muito limitada nesta área. Portanto, este artigo concentra-se exclusivamente na aplicação de soldadura robotizada e nas suas necessidades de integração.

O sistema de soldagem é uma solução chave-na-mão de um conhecido fabricante que consiste em uma fonte laser de estado sólido, um robô com mesa rotativa, uma cabeça de usinagem com sistema de câmera, célula de proteção necessária para aplicações com laser de alta potência, sistemas de controle e sistemas auxiliares (sucção, coleta de poeira, resfriamento).

Os componentes deste sistema comunicam através de uma variedade de interconexões industriais padrão (IOs digitais, Profinet, EtherCat, ethernet padrão). Pelas especificações do fornecedor, apenas uma interface ethernet padrão é exposta em relação à infra-estrutura de rede do cliente. Esta interface é conectada ao sistema PLC geral dos fornecedores de máquinas e oferece apenas acesso muito limitado aos dados e ao sistema de controle das máquinas. Ela oferece uma interface OPC UA com menos de 10 datapoints que só são preenchidos se a fábrica usar o software de planejamento de produção do fornecedor da máquina rodando no CLP da máquina. Portanto, esta interface provou não ser muito útil para o meu cliente agora, no entanto a situação pode mudar.

Os primeiros passos

Como primeiro passo, o objetivo era adquirir dados diretamente dos componentes da máquina.

O cliente escolheu the OPC UA communication protocolo que é cada vez mais comum nos PLCs e máquinas actuais. Embora este padrão possa ser usado para estabelecer comunicação em tempo real e, portanto, substituir funções atualmente implementadas por sistemas de bus industriais, em nosso cenário, capacidades em tempo real não são necessárias. Embora os SDKs estejam disponíveis para integração direta da pilha OPC UA na aplicação do meu cliente, eles geralmente são intrincados e, portanto, contradizem o objetivo de reduzir a complexidade.

Assim, em vez de codificação personalizada, o cliente opta por uma plataforma de integração que has a pré-construiu OPC UA connector with uma interface fácil de usar e uma possibilidade de conexão a sistemas de back-office como ERP, CRM, vários sistemas de gestão de documentos ou bases de dados - locais e baseados em nuvem, e uma etiqueta de preço razoável.

O controle direto destes sistemas através da plataforma de integração não é um alvo, pois pode potencialmente violar o princípio do ponto único de controle necessário para a segurança da máquina.

Frequência das pesquisas de dados

Nesta fábrica, a nova tecnologia está a passar pelo processo de adaptação, pelo que o sistema de soldadura robotizado só funciona num único turno e a máquina não funciona constantemente, mesmo durante as horas de trabalho. Portanto, os dados adquiridos neste ponto podem ser úteis, mas também podem não ser confiáveis para uso futuro ou para fins preditivos. Isto é baseado na experiência do cliente com dados colhidos de outras máquinas de produção, por exemplo, máquinas de corte a laser. Certos fatores - se o operador da máquina estava presente quando um ciclo de produção terminou, quando a aquisição de dados foi acionada - provaram que mesmo dados aparentemente altamente precisos poderiam pintar um quadro errado, e que nem sempre é necessária uma granularidade fina para julgar a eficiência do processo de produção.

Assim, uma frequência de sondagem bastante baixa, de 30 segundos, é actualmente utilizada para aquisição de dados.

Neste primeiro passo, o cliente gostaria de pesquisar dados destes 3 componentes principais:

a fonte laser,

o PLC do robô,

o sistema de câmaras.

No entanto, neste momento apenas a fonte laser pode ser ligada. Outros componentes não são possíveis de integrar: o PLC do robô tem apenas a interface OPC Classic, e a transição para a Arquitetura Unificada é um desafio no momento; e o sistema de câmera está ligado a todo o PLC da máquina e parece não ser acessível por clientes externos.

OPC UA para a fonte laser

Isto deixa a fonte laser. Felizmente, este sistema está equipado com um controlador de última geração que incorpora uma sofisticada interface OPC UA com vários níveis de acesso: acesso anônimo com capacidades limitadas de leitura, somente leitura, leitura e escrita. Como mencionado anteriormente, o acesso de leitura-e-escrita estava fora de questão por razões de segurança da máquina. Portanto, optou-se por um acesso somente leitura.

Esta interface oferece uma infinidade de dados:

Estado geral do sistema laser

Períodos de operação, potência utilizada, ...

Mensagens de erro e manutenção

Com a plataforma de integração, o cliente desenvolveu um serviço Windows no C# para pesquisar periodicamente os dados e compilá-los em várias tabelas de banco de dados SQL para uso futuro. As tabelas podem fornecer informações como dados gerais, uso do equipamento, tabelas para manutenção/mensagens de erro produzidas pela fonte laser.

Uma grande questão: como usar os dados desta máquina

A primeira visão valiosa é a compilação de mensagens de registo da máquina. A experiência do meu cliente no passado foi que nem todas as máquinas mantêm os seus ficheiros de registo através de reinícios. Além disso, os operadores de máquinas nem sempre reportam com precisão as avarias e erros aos seus supervisores. Isto pode resultar em tempos de parada de máquina mais longos do que o necessário quando ocorre uma avaria grave. Se a máquina estava funcionando neste dia - é uma questão importante.

Para fácil acesso pela gerência técnica da empresa, tais relatórios diários são gerados como arquivos PDF e armazenados em um Dropbox compartilhado, caso uma chamada de suporte ao fornecedor da máquina precise ser aberta.

Naturalmente, esta é actualmente apenas uma aplicação muito limitada da imensa capacidade do conector OPC UA. Os próximos passos que o cliente está desenvolvendo são:

Conexão ao PLC do robô (via IOs digitais se não for possível de outra forma) para obter o tempo exato de início/parada dos ciclos de produção.

Em conjunto com o sistema de timesheet da empresa, isto permitirá compreender melhor quanto tempo a máquina está realmente em produção e quanto tempo é utilizado para o ensino (programação de robôs) e/ou para a carga/descarga/manutenção;

Acesso ao sistema de câmeras: como a soldagem a laser é um processo de soldagem diferente, os clientes do meu cliente precisam certificar este método de produção antes que qualquer produto real seja entregue. Tais processos serão realizados muito mais facilmente se a documentação completa do processo de soldagem puder ser entregue de forma constante e automática.

Além disso, com a redução prevista da complexidade e dos serviços utilizados, é iminente uma mudança do Dropbox-Shared para o OneDrive, uma vez que esta mudança seja implementada em todos os clientes envolvidos. O cliente também está interessado em possíveis análises de dados para manutenção preditiva.

Conclusão

Como escrito acima, este projecto está na sua fase inicial e ainda muito longe de ser uma solução IIoT totalmente funcional. Ir com uma plataforma de integração com conectores pré-construídos ao invés de programar toda a integração me ajudou, evitando a necessidade de entrar nos detalhes de mais uma pilha de conexão (como OPC UA ou o Dropbox API). E para o meu cliente, ele forneceu uma pilha de comunicação centralizada para futuras aplicações.

About Richard Majer

Richard Majer, Fundador of flupo Systemtechnik e.U. specializing em TI industrial e tecnologia de automação para PMEs. Antes de iniciar sua própria empresa, Richard trabalhou em um instituto de P&D para aplicações laser de alta potência (ganhando experiência em tecnologia laser, simulações FEM, robótica industrial, programação PLC, sistemas de barramento de campo industrial), e tem mais de 10 anos de experiência em TI em geral com foco no desenvolvimento de software em ambientes de PMEs (a maioria interfaces entre diferentes produtos de software e aplicações de planejamento de produção). Possui um mestrado em Matemática pela Universidade de Viena.