Transformando a Manufatura com IIoT e Soluções em Nuvem

A indústria de manufatura tá mudando rápido por conta das novas tecnologias. Um dos principais motores dessa mudança é a Internet Industrial das Coisas (IIoT). Essa tecnologia permite que máquinas e dispositivos nas fábricas se comuniquem entre si e compartilhem dados. Com a adoção da IIoT, os fabricantes conseguem criar processos de produção mais inteligentes, que são mais eficientes e resilientes.

#Usando Serviços em Nuvem e Edge

Os fabricantes tão cada vez mais confiando em serviços em nuvem e edge. Essas ferramentas ajudam as fábricas a responderem de forma flexível às mudanças no ambiente. Embora a automação seja importante pra gerenciar sistemas complexos, também é essencial incluir os operadores humanos no design e no processo de tomada de decisão.

Os Gêmeos digitais são uma parte chave desse sistema. Eles criam cópias virtuais de ativos físicos, permitindo que os operadores humanos monitorem e inspecionem as operações em tempo real. Isso acrescenta uma camada de segurança e confiabilidade ao processo de manufatura. Conectando a IIoT com o Metaverso, as empresas conseguem ainda mais potencializar suas capacidades, levando a uma eficiência melhor e a um trabalho em equipe mais eficaz.

#Arquitetura em Camadas para Manufatura Inteligente

Esse artigo apresenta uma arquitetura em camadas desenhada especificamente para a manufatura inteligente no Metaverso. O objetivo é permitir a coleta e representação de dados de máquinas e processos de produção em tempo real.

#Tecnologia Middleware

Na base da arquitetura tá a tecnologia middleware que gerencia diferentes necessidades de Qualidade de Serviço (QoS) pra monitorar operações. Esse middleware coleta dados do chão de fábrica e os envia pra uma camada virtual onde podem ser processados.

Nessa camada virtual, os dados são organizados pra representar vários fenômenos ao longo de diferentes períodos. Aplicativos no Metaverso acessam esses dados através de um motor especializado, que dá vida a eles pros usuários.

#Indústria 4.0 e Abordagens Centricas no Humano

Atualmente, estamos em uma fase chamada Indústria 4.0. Essa fase é caracterizada pela mistura de tecnologias de comunicação avançadas, novas técnicas de computação, como computação em nuvem e edge, e aplicações de IoT na manufatura. Como resultado, máquinas e dispositivos se comunicam de forma eficiente com aplicativos hospedados na nuvem e em plataformas locais.

Big data e inteligência artificial (IA) tão sendo usados mais amplamente na manufatura. Essas tecnologias podem ajudar a otimizar vários processos, melhorando o controle e gerenciamento ao longo de todo o ciclo de produção. No entanto, um dos maiores desafios ainda é a separação ultrapassada entre os departamentos de tecnologia que gerenciam os processos de manufatura e aqueles que focam em tarefas de gestão mais gerais.

Na manufatura tradicional, normalmente havia uma divisão clara entre Tecnologia de Operação (OT) e Tecnologia da Informação (IT). Enquanto ambas são necessárias na manufatura moderna, os benefícios completos da manufatura inteligente só podem ser alcançados quando essas duas áreas se convergem totalmente.

#O Papel dos Gêmeos Digitais

Uma parte crítica da manufatura inteligente é o conceito de gêmeo digital. Essa representação virtual de ativos físicos permite monitoramento e otimização em tempo real. Fluxos de dados conectam essas réplicas digitais aos seus equivalentes físicos, atualizando continuamente o modelo digital. Esse setup permite um planejamento e operação melhores.

Integrar o chão de fábrica com o Metaverso expande ainda mais essas capacidades. Réplicas digitais podem ser usadas pra várias aplicações, incluindo testes e monitoramento, através de tecnologias como realidade aumentada e virtual.

#Dados em Tempo Real e Aplicações

A arquitetura em camadas discutida nesse artigo enfatiza um ambiente de manufatura com a participação humana. Os dados são armazenados em diferentes camadas, com cada camada servindo a um propósito único. Representações virtuais de ativos são criadas com base nos dados, dependendo da aplicação específica usada pra acessá-los.

A arquitetura consiste em várias camadas. A camada inferior foca na tecnologia middleware, gerenciando as diversas necessidades de QoS pra monitorar operações. A camada acima é a camada virtual que cria representações dos processos monitorados. Finalmente, a camada de aplicação inclui aplicativos imersivos e colaborativos que utilizam dados da camada virtual.

#A Pirâmide da Automação

A pirâmide da automação é um modelo que ajuda a gerenciar os desafios de sistemas de manufatura complexos. Esse modelo é comumente representado em quatro níveis, cada um representando um estágio diferente de automação.

#Nível 1: Sensoriamento e Atuação

No Nível 1, você encontra unidades de sensoriamento e atuação. Esses componentes controlam processos de manufatura físicos em tempo real, visando atender às demandas de qualidade.

#Nível 2: Monitoramento e Supervisão

O Nível 2 foca em monitoramento e supervisão, normalmente usando sistemas como controladores lógicos programáveis (PLCs). Esses sistemas gerenciam as operações que acontecem em questão de segundos a horas, controlando os atuadores e garantindo que os processos se adaptem às condições em mudança.

#Nível 3: Gestão e Controle

O Nível 3 abrange a gestão e controle das operações de manufatura. Isso inclui agendamento de trabalhos, otimização de processos e distribuição de dados, geralmente geridos por um Sistema de Execução de Manufatura (MES). Esses sistemas reagem a eventos inesperados, como quebras de máquinas, conectando níveis de controle mais baixos e mais altos.

#Nível 4: Planejamento Empresarial

No nível mais alto, o Nível 4 consiste em ferramentas de Planejamento de Recursos Empresariais (ERP). Esses sistemas gerenciam recursos e inventário, guiando estratégias de produção a longo prazo.

#A Mudança para Produção Não Hierárquica

Nos últimos anos, houve uma mudança em direção a Sistemas Ciberfísicos (CPSs) que misturam elementos físicos e virtuais sem estruturas hierárquicas rígidas. Esse desenvolvimento é impulsionado pela necessidade de melhor integração e comunicação dentro dos processos de manufatura.

Novas tecnologias como 5G e Redes Sensíveis ao Tempo (TSN) tornaram mais fácil compartilhar dados e gerenciar processos em todos os níveis. Essa mudança permite mais flexibilidade e eficiência ao possibilitar que os dados sejam compartilhados de forma mais fluida.

#A Importância do Design Centrado no Humano

Enquanto a tecnologia continua evoluindo, o elemento humano continua sendo crucial. Um sistema bem projetado deve incluir operadores humanos no processo, permitindo uma tomada de decisão segura e eficiente. A inteligência dos dados oferece vários benefícios, mas também pode introduzir riscos se não for gerida corretamente.

Uma abordagem equilibrada que combine soluções impulsionadas por IA com design centrado no humano é essencial pra criar um ambiente de manufatura seguro e sustentável. O Metaverso pode desempenhar um papel significativo nisso, aprimorando as capacidades dos operadores e oferecendo novas formas de gerenciar e colaborar em processos de produção.

#Padrões de Comunicação de Dados

Pra facilitar a interoperabilidade entre diferentes tecnologias de manufatura, o padrão OPC Unified Architecture (OPC UA) é amplamente utilizado. Esse padrão oferece uma estrutura unificada que facilita a comunicação entre dispositivos de diferentes marcas.

Originalmente, o OPC UA seguia um modelo Cliente/Servidor, onde servidores ofereciam acesso a dados estruturados de forma orientada a objetos. No entanto, esse modelo tinha limitações pra aplicações em tempo real. Portanto, um novo modelo Publicar/Assinar (Pub/Sub) foi introduzido pra permitir que as aplicações compartilhassem dados de forma mais eficiente.

#Soluções Middleware

Apache Kafka é uma ferramenta open-source que desempenha um papel vital no manejo de transferências de dados em alta volume em ambientes de manufatura. Ele usa um modelo Pub/Sub para comunicação de muitos pra muitos, facilitando a interação entre vários sistemas.

Nessa arquitetura, o Kafka atua como uma ponte entre as camadas de Tecnologia de Operação (OT) e Tecnologia da Informação (IT). Esse setup permite transferências de dados eficientes, especialmente ao lidar com altas cargas de dados.

#Visão Geral Detalhada da Arquitetura

A arquitetura discutida consiste em várias camadas, cada uma projetada pra integrar os aspectos físicos e virtuais da manufatura. Aqui vai um breve resumo de cada camada.

#Camada de Tecnologia Operacional

A camada de Tecnologia Operacional inclui todos os componentes físicos de um setup de manufatura, como máquinas, sensores e controladores, além de operadores humanos. Essa camada também integra diferentes interfaces pra facilitar a interação entre os mundos físico e virtual.

#Camada Virtual

A camada virtual é responsável por criar representações virtuais de ativos físicos através de componentes como gêmeos digitais e repositórios de dados. Essa camada desempenha um papel crucial em fornecer insights sobre o processo de manufatura.

#Camada de Aplicação

Na camada de aplicação, vários aplicativos oferecem acesso aos dados e funções das camadas inferiores. Essa camada é projetada pra ser amigável ao usuário, permitindo que os operadores interajam facilmente com o motor do Metaverso e troquem entre aplicativos conforme necessário.

#Casos de Uso para a Arquitetura

Essa arquitetura suporta várias aplicações na manufatura inteligente. Dois exemplos notáveis incluem uma solução de monitoramento de rede e um aplicativo de manutenção em realidade aumentada (AR).

#Aplicativo de Monitoramento de Rede

O aplicativo de monitoramento de rede visualiza dados em tempo real sobre a rede que suporta os processos de manufatura. Ele fornece uma representação gráfica dos fluxos de dados e ajuda os operadores a entenderem as relações entre diferentes dispositivos.

#Aplicativo de Manutenção em Realidade Aumentada

O aplicativo de manutenção em AR aprimora a capacidade dos operadores de realizar tarefas transmitindo vídeo de alta resolução de câmeras industriais. Os operadores usam headsets de AR que fornecem informações em tempo real sobre as máquinas em que estão trabalhando, melhorando a consciência situacional e reduzindo erros.

#Avaliação Preliminar do Sistema

Na testagem da arquitetura, um ambiente de teste controlado foi montado, incluindo múltiplos nós pra várias funcionalidades. O primeiro cenário observou a transmissão de dados operacionais de uma máquina pra um sistema de monitoramento.

O segundo cenário avaliou o desempenho das capacidades de streaming do motor do Metaverso. Medindo latência e taxas de quadros, a avaliação forneceu insights sobre como o sistema se comporta sob diferentes cargas e condições.

#Conclusão

A arquitetura proposta visa criar um ambiente de manufatura mais imersivo e eficiente. Ao integrar os reinos físico e virtual, a arquitetura oferece ferramentas valiosas pra monitoramento e colaboração em tempo real.

Daqui pra frente, os esforços vão se concentrar em aprimorar o motor do Metaverso e suas aplicações pra suportar ambientes virtuais compartilhados onde múltiplos usuários possam interagir sem problemas. Essa evolução é essencial pra realizar todo o potencial da manufatura inteligente e os benefícios que ela pode trazer pra várias indústrias.