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

A IIoT e a Indústria 4.0 são temas omnipresentes nas actuais feiras do sector e nas publicações em blogues. Muitos produtos prometem ajudá-lo a alcançar a integração vertical do fluxo de produção e dos dados e do software empresarial, como o ERP. Mas, normalmente, há também um senão: ou se obtêm produtos muito complexos com uma etiqueta de preço igualmente chocante - ou, apesar da promessa da IIoT de uma interoperabilidade total entre fornecedores, o fornecedor fica bloqueado, especialmente se considerar soluções de software que são vendidas pelos fornecedores de máquinas de produção em conjunto com o seu equipamento.

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 informático do cliente

O panorama informático dos clientes é naturalmente desenvolvido e, por conseguinte, inerentemente complexo. Na sua base, utiliza um sistema ERP antigo que é alargado por aplicações PHP personalizadas baseadas na Web e interfaces com outros produtos de software (por exemplo, CAD, CAM como software de colocação a laser, ...) e sistemas de clientes para troca direta de dados. Tudo isto num ambiente de servidor misto Windows/Linux e num conjunto de clientes quase exclusivamente baseados em Windows num Active Diretory. Os serviços de ficheiros baseiam-se predominantemente em partilhas do Windows e (em menor escala) 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 interligações industriais padrão (IOs digitais, Profinet, EtherCat, ethernet padrão). De acordo com as especificações do fornecedor, apenas uma interface ethernet standard é exposta à infraestrutura de rede do cliente. Esta interface está ligada ao sistema PLC geral do fornecedor da máquina e oferece apenas um acesso muito limitado aos dados e ao sistema de controlo da máquina. Oferece uma interface OPC UA com menos de 10 pontos de dados, que só são preenchidos se a fábrica utilizar o software de planeamento da produção do fornecedor da máquina executado no PLC da máquina. Por conseguinte, esta interface não se revelou muito útil para o meu cliente atualmente, mas a situação pode mudar.

Os primeiros passos

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

O cliente escolheu o protocolo de comunicação OPC UA, que é cada vez mais comum nos PLCs e máquinas actuais. Embora esta norma possa ser utilizada para estabelecer uma comunicação em tempo real e, por conseguinte, substituir as funções atualmente implementadas pelos sistemas de barramento de campo industriais, no nosso caso, não são necessárias capacidades em tempo real. Embora estejam disponíveis SDK para a integração direta da pilha OPC UA na aplicação do meu cliente, estes são normalmente complexos e, por conseguinte, contradizem o objetivo de reduzir a complexidade.

Assim, em vez de codificação personalizada, o cliente opta por uma plataforma de integração que tem um conetor OPC UA pré-construído com uma interface fácil de utilizar e uma possibilidade de ligação a sistemas de back-office como ERP, CRM, vários sistemas de gestão de documentos ou bases de dados - locais e baseados na nuvem, e um 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 robotizada funciona apenas num turno e a máquina não está a funcionar constantemente, mesmo durante as horas de trabalho. Por conseguinte, os dados adquiridos neste momento podem ser úteis, mas também podem não ser fiáveis para utilização futura ou para fins de previsão. Isto baseia-se na experiência do cliente com dados recolhidos de outras máquinas de produção, por exemplo, máquinas de corte a laser. Certos factores - 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 muito precisos podem dar uma imagem errada e que a granularidade fina nem sempre é necessária para avaliar 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 robot,

o sistema de câmaras.

No entanto, neste momento, apenas a fonte laser pode ser ligada. Não é possível integrar outros componentes: o PLC do robô tem apenas a interface OPC Classic e a transição para a Arquitetura Unificada é atualmente um desafio; e o sistema de câmara está ligado ao PLC de toda a máquina e parece não ser acessível a 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 funcionamento, 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 informação valiosa é a compilação das mensagens de registo da máquina. A experiência do meu cliente no passado foi que nem todas as máquinas mantêm os seus ficheiros de registo durante os reinícios. Além disso, os operadores das máquinas nem sempre comunicam corretamente as avarias e os erros aos seus supervisores. Isto pode resultar em tempos de paragem da máquina mais longos do que o necessário quando ocorre uma avaria grave. Se a máquina estava a funcionar nesse dia - é uma questão importante.

Para facilitar o acesso da gestão técnica da empresa, esses relatórios diários são gerados como ficheiros PDF e armazenados numa Dropbox partilhada, para o caso de ser necessário abrir uma chamada de apoio ao fornecedor da máquina.

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:

Ligação ao PLC do robô (através de IOs digitais, se não for possível de outra forma) para obter uma temporização exacta de arranque/paragem dos ciclos de produção.

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

Acesso ao sistema de câmaras: uma vez que a soldadura a laser é um processo de soldadura diferente, os clientes do meu cliente necessitam de certificar este método de produção antes de serem entregues quaisquer produtos reais. Estes processos serão muito mais fáceis de realizar se a documentação completa do processo de soldadura puder ser fornecida 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.

Sobre Richard Majer

Richard Majer, fundador da flupo Systemtechnik e.U., especializada em TI industrial e tecnologia de automação para PMEs. Antes de fundar a sua própria empresa, Richard trabalhou num instituto de I&D para aplicações de laser de alta potência (ganhando experiência em tecnologia laser, simulações FEM, robótica industrial, programação PLC, sistemas de bus de campo industriais), e tem mais de 10 anos de experiência em TI em geral, com foco no desenvolvimento de software em ambientes de PME (principalmente interfaces entre diferentes produtos de software e aplicações de planeamento de produção). Tem um mestrado em Matemática pela Universidade de Viena.