1 Indústria 4.0 By Prof. Dr. Cesar da Costa INSTITUTO FEDERAL DEEDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA SÃO PAULO Indústria 4.0 By Prof. Dr. Cesar da Costa

2 Automação da ManufaturaINSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA SÃO PAULO Indústria 4.0 Automação da Manufatura Prof. Dr. Cesar da Costa

3 INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA SÃO PAULO A Industria 4.0 é um projeto do governo alemão que visa promover a informatização da Manufatura; A Smart Manufacturing Leadership Coalition (SMLC) é uma iniciativa similar dos Estados Unidos (Vale do Silício).

4 Eficiência de recursos; Ergonomia; Integração.INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA SÃO PAULO A fábrica, baseada nestes conceitos, caracterizam-se pela capacidade de: Adaptação; Eficiência de recursos; Ergonomia; Integração. Entre clientes e parceiros em processos de negócios e de valor.

5 INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA SÃO PAULO O termo Industria 4.0 tornou-se publicamente conhecido em 2011, quando uma iniciativa com o mesmo nome (uma associação de representantes do setor produtivo, político e acadêmico) promoveram a ideia com uma abordagem para o fortalecimento da competitividade da indústria manufatureira alemã (Kagermann et al, 2011).

6 INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA SÃO PAULO O governo federal alemão apoiou a ideia anunciando que a Indústria 4.0 faria parte do projeto “High-Tech Strategy 2020 for Germany”, que levaria o país `a liderança na inovação tecnológica; Como consequência, foi criado um grupo de trabalho para a Indústria 4.0. A primeira recomendação desenvolvida para a implementação da Indústria 4.0, foi publicada em abril de 2013, Kagermann et al. (2013) descreveram sua visão para a Indústria 4.0.

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9 CIM – Computer Integrated ManufacturingINSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA SÃO PAULO CIM – Computer Integrated Manufacturing Conceito dos anos 80/90

10 Nível 2 Nível 1 Conceito dos anos 90/20002.5 CIM – Computer Integrated Manufacturing INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA SÃO PAULO Nível 3 Gerenciamento da Produção Engenharia Planejamento Operacional Nível 2 Controle do Processo: Sistemas de Supervisão Nível 1 Chão de fábrica : Máquinas e processos Conceito dos anos 90/2000

11 Visão da Industria 4.0 na Manufatura2.5 CIM – Computer Integrated Manufacturing INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA SÃO PAULO Visão da Industria 4.0 na Manufatura

12 2.5 CIM – Computer Integrated ManufacturingINSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA SÃO PAULO A Industria 4.0 centra-se na produção de produtos inteligentes, métodos e processos; Sistemas cibernéticos físicos para a produção (CPPS) que permitem a “fábrica inteligente”;

13 A produção é adaptada ao ritmo humano.2.5 CIM – Computer Integrated Manufacturing INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA SÃO PAULO Os produtos são inteligentes e apoiam ativamente o processo de produção; Em suas interfaces, a fábrica torna-se parte de uma infra-estrutura inteligente; A produção é adaptada ao ritmo humano.

14 Na Industria 4.0: O produto, as máquinas e os processos devem ser:2.5 CIM – Computer Integrated Manufacturing INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA SÃO PAULO Na Industria 4.0: O produto, as máquinas e os processos devem ser:

15 2.5 CIM – Computer Integrated ManufacturingINSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA SÃO PAULO

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18 1. Cyber-Physical Systems (CPS)2.5 CIM – Computer Integrated Manufacturing INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA SÃO PAULO 1. Cyber-Physical Systems (CPS) É um ambiente de sistemas interconectados em que sensores inteligentes podem automaticamente configurar uma máquina e também auto ajustar os processos de produção de forma descentralizada de acordo com dados coletados e analisados em tempo real.

19 1. Cyber-Physical Systems (CPS)2.5 CIM – Computer Integrated Manufacturing INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA SÃO PAULO 1. Cyber-Physical Systems (CPS) É a fusão do mundo físico e do mundo virtual. Os CPS são “integrações de cálculos e processos físicos, e de computadores e redes de monitoramento e controle físico dos processos. Em geral, com sistemas fechados de feedback, onde os processos físicos afetam os cálculos e vice-versa.

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21 2. Internet das Coisas (IoT)2.5 CIM – Computer Integrated Manufacturing INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA SÃO PAULO 2. Internet das Coisas (IoT) Disponibilização de dados em tempo real, por meio de dispositivos móveis utilizando-se de: Conexão dos dispositivos móveis a grandes bancos de dados, através da Internet; Identificação de alterações na capacidade física das coisas, por meio de sensores inteligentes; Sendo capaz de interagir e conectar-se com diversos objetos de forma sensorial e inteligente;

22 INTERNET DAS COISAS (IOT)2.5 CIM – Computer Integrated Manufacturing INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA SÃO PAULO INTERNET DAS COISAS (IOT)

23 2.5 CIM – Computer Integrated ManufacturingINSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA SÃO PAULO 3. Analytics Por meio da aplicação de conceitos e modelos matemáticos de planejamento preditivo integrados ao chão de fábrica. 4. Big Data Capacidade de processamento de grandes volumes de dados, calculando em tempo-real as programações de máquinas e ajustes nos processos produtivos de forma integrada na cadeia produtiva.

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25 5. Fábrica Inteligente (Smart Factory)2.5 CIM – Computer Integrated Manufacturing INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA SÃO PAULO 5. Fábrica Inteligente (Smart Factory) A fábrica inteligente é definida como uma fábrica que compreende o contexto e ajuda pessoas e máquinas na execução de suas respectivas tarefas. Isto é obtido mediante sistemas de trabalho em segundo plano, e meios sensíveis ao contexto, nos quais o sistema pode levar em consideração informações de contexto como a posição e o status de um objeto.

26 5. Fábrica Inteligente (Smart Factory)2.5 CIM – Computer Integrated Manufacturing INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA SÃO PAULO 5. Fábrica Inteligente (Smart Factory) Estes sistemas cumprem suas tarefas tendo como base a informação procedente do mundo físico e do virtual. Em uma fábrica inteligente os CPS comunicam-se por meio da Internet das coisas e auxiliam pessoas e máquinas na execução de suas tarefas.

27 5. Fábrica Inteligente (Smart Factory)2.5 CIM – Computer Integrated Manufacturing INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA SÃO PAULO 5. Fábrica Inteligente (Smart Factory) Integração da Manufatura com Ambientes Inteligentes

28 Interoperabilidade (Interoperability)INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA SÃO PAULO Interoperabilidade (Interoperability) É um elemento muito importante da Industria 4.0; Na Industria 4.0 a empresa, os CPS e os seres humanos estarão conectados por meio da Internet das Coisas (IoT) e a Internet dos Servicos (IoS); Os padrões serão um fator chave de sucesso para a comunicação em CPS de diversos fabricantes.

29 2.5 CIM – Computer Integrated ManufacturingINSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA SÃO PAULO

30 Virtualização (Virtualization)2.5 CIM – Computer Integrated Manufacturing INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA SÃO PAULO INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA SÃO PAULO Virtualização (Virtualization) Significa que os CPS são capazes de monitorar processos físicos; Estes dados de sensors estão ligados a modelos de plantas virtuais e modelos de simulação, isto significa dizer que existe uma cópia virtual do mundo físico e do criado. 30

31 2.5 CIM – Computer Integrated ManufacturingINSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA SÃO PAULO

32 Descentralização (Descentralization)2.5 CIM – Computer Integrated Manufacturing INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA SÃO PAULO Descentralização (Descentralization) A crescente demanda por produtos customizados torna cada vez mais difícil o controle central dos sistemas; Os computadores embarcados permitemos CPS tomar decisões por conta própria; Somente os casos de falhas de tarefas são delegados a um nível mais elevado.

33 2.5 CIM – Computer Integrated ManufacturingINSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA SÃO PAULO

34 Capacidade em Tempo-Real (Real-Time capability)2.5 CIM – Computer Integrated Manufacturing INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA SÃO PAULO Capacidade em Tempo-Real (Real-Time capability) Para tarefas organizacionais é necessário que os dados sejam coletados e analisados em tempo real; O estado da planta deverá estar permanentemente rastreado e analisado; Assim, a planta pode reagir à falha de uma máquina e reencaminhar para outra máquina.

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36 Orientação por serviço (Service Orientation)2.5 CIM – Computer Integrated Manufacturing INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA SÃO PAULO Orientação por serviço (Service Orientation) As informações sobre os serviços das empresas, os CPS, e as pessoas estão disponíveis na IoS e podem ser utilizados por outros participantes; Eles podem ser oferecidos tanto internamente quanto externamente à empresa via Cloud, por exemplo.

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38 Modularidade (Modularity)2.5 CIM – Computer Integrated Manufacturing INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA SÃO PAULO Modularidade (Modularity) Os sistemas modulares são capazes de se adaptarem (flexibilidade) às mudanças das necessidades, por meio da substituição ou ampliação dos módulos individuais; Portanto, os sistemas modulares podem ser facilmente ajustados, no caso de flutuações sazonais ou mudanças nas características do produto.

39 2.5 CIM – Computer Integrated ManufacturingINSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA SÃO PAULO

40 Produção Enxuta (Lean Manufacturing)2.5 CIM – Computer Integrated Manufacturing INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA SÃO PAULO Produção Enxuta (Lean Manufacturing) Os fluxos de valor e processos produtivos devem estar ajustados. Redução das perdas ao longo do fluxo de valor precisam ser estendidas para melhor aproveitamento das tecnologias.

41 2.5 CIM – Computer Integrated ManufacturingINSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA SÃO PAULO Hoje, a Alemanha conta com alguns exemplos de fábrica inteligentes. Por exemplo, a unidade de equipamentos eletroeletrônicos da Siemens, em Amberg; As linhas de produção não lembram em nada as tradicionais, que repetem continuamente a manufatura da mesma peça.

42 2.5 CIM – Computer Integrated ManufacturingINSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA SÃO PAULO Sem a interferência de funcionários, as máquinas operam 24 horas por dia fabricando 950 diferentes componentes, que são encomendados pelo sistema. A automação extrema leva a um baixíssimo índice de defeitos: 15 peças com defeito a cada 1 milhão produzida.

43 2.5 CIM – Computer Integrated ManufacturingINSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA SÃO PAULO Enquanto o mundo prepara-se para a 4.a Revolução Industrial, o Brasil parece não ter se dado conta dos imensos desafios que o cercam. Em 2013, o Brasil comprou menos de 1300 robôs industriais, enquanto a Coréia do Sul adquiriu , e a China

44 2.5 CIM – Computer Integrated ManufacturingINSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA SÃO PAULO No Brasil, a idade média de uma máquina e equipamento é de 17 anos, ante sete anos nos Estados Unidos e cinco na Alemanha. Numa era de imensos ganhos tecnológicos, as empresas e as Universidades brasileiras estão presas a tecnologias ultrapassadas, o que afeta a produtividade do país.

45 2.5 CIM – Computer Integrated ManufacturingINSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA SÃO PAULO A Industria 4.0 no IFSP (Campus São Paulo). Iniciação Científica e Mestrado Profissional

46 Objetivo Desenvolver um sistema de supervisão e aquisição de dados (Cyber-Physical) em uma célula de manufatura, no nível de chão de fábrica, armazenando seus dados em uma nuvem.

47 Metodologia

48 Fluxograma esquemático da pesquisa.Metodologia Fluxograma esquemático da pesquisa.

49 Resultados Planejamento da programação do PLC: Layout da célula;Diagrama eletropneumático; Mapeamento das entradas e saídas; Condições de funcionamento do sistema; Programação na linguagem Grafcet.

50 Desenvolvido no AUTOCAD.Layout da célula Desenvolvido no AUTOCAD.

51 Foto da célula de manufatura.Layout da célula Foto da célula de manufatura.

52 Sistema supervisório Sistema supervisório para monitorar a célula de manufatura através do software Elipse SCADA. Configuração da rede de comunicação industrial Ethernet conectando o PLC ao sistema supervisório.

53 Internet das Coisas (IoT)Infraestrutura de rede global dinâmica Comunicação entre elementos do sistema Ação e reação Automática/Sob intervenção A Internet das Coisas é, de acordo com CERP 2009 (Cluster of European Research Projects on the Internet of Things), uma infraestrutura de rede global dinâmica, baseada em protocolos de comunicação em que “coisas” físicas e virtuais têm identidades, atributos físicos e personalidades virtuais, utilizando interfaces inteligentes e integradas às redes telemáticas. As coisas/objetos tornam-se capazes de interagir e de comunicar entre si e com o meio ambiente por meio do intercâmbio de dados. As coisas reagem de forma autônoma aos eventos do “mundo real / físico” e podem influenciá-los por processos sem intervenção humana direta. O que é uma “coisa”? Qualquer elemento capaz de agir, sentir, interpretar, reagir

54 Internet das Coisas

55 Indústria 4.0 – Arquitetura Básica

56 Proposta UPC-UA - ExemploCLPs e controladores iniciam comunicação em sentido horizontal e vertical através de funções e linguagem normalizadas padrão IEC de modo que os controladores podem assumir um papel mais ativo no processo. Os CLPs poderão trocar horizontalmente estruturas de dados complexas com outros controladores ou verticalmente buscar programas em um servidor ou em um sistema ERP/MES para recuperar novas ordens de produção ou para armazenar dados em nuvem. Isto habilita uma linha de produção a se tornar ativa e de forma autônoma e em combinação integrada com a segurança (o PLC está no controle), um aspecto fundamental para Industria 4.0.

57 MES no cenário 4.0 Sistema de Execução de ManufaturaConecta pessoas, processos e automação Orientação da Produção Gestão da Manutenção Produção sob demanda

58 ERP no cenário 4.0 Sistema de Gestão Empresarial Troca de dadosTomada de decisão Troca de dados Vertical e Horizontal Integração de sistemas Uso dos dados Diferentes fontes + criação de informação https://www.financedigest.com/is-your-erp-system-industry-4-0-compatible.html Trata-se de uma ferramenta corporativa capaz de controlar todas as informações de uma empresa, integrando e gerenciando dados, recursos e processos, aumentando seu poder de tomada de decisão. TR1 Data storage Simplification of data model: • Simple table structures for the logical data model of ERP systems • Goal: abandonment of intermediate results (timeliness of data) Decentralized data management: • Distributed storage of data in different systems • Goal: dynamic, bi-directional (ERP-MES-PLC) loading of data to control processes flexibly TR2 Data exchange Connection to legacy systems: • Exchange (vertical and horizontal) and processing of data with and from different hardware-software systems • Goal: integration of systems for a flexible planning, control and execution Speed of data access: • ERP system should deliver requested data within short response times • Goal: fast reaction to changes which are on short notice TR3 Data use Visualization: • The user interface of the ERP systems should display information adequately (i.a. display on different devices), understandingly und intuitively • Goal: improvement of human-machine interaction Integration and Intelligence: • ERP system should connect data from different sources and hence create new information • Goal: generation of new information Automation: • ERP system should use the data to trigger automated processes • Goal: reduction of errors and increase in efficiency

59 Utilização dos dados Monitoramento completo Nível de relevânciaMáquinário, pessoal, logística.. Nível de relevância Estratégico, tático, operacional Como reagir Planejamento estratégico – visão futura da empresa Planejamento tático – elaboração do ato Planejamento operacional – formalização da ação

60 Integração ERP com MES Ajustes de produção em tempo realPrevisões precisas de demanda Entrega Just-in-Time Alterações Dinâmicas de Pedidos Aumento da eficiência

61 Como definir seu ERP O seu ERP é flexível?O seu MES é compatível com o seu ERP e trabalha em rede? O ERP é capaz de centralizar o gerenciamento de dados?

62 Dados em Nuvem Banco de dados Pública Privada Aquisição e envioDropbox, Microsoft Azure, Google Drive Privada Openstack https://www.ibm.com/developerworks/br/cloud/library/cl-openstack-cloud/index.html Nuvem pública Nuvens públicas são de propriedade de um provedor de serviços de nuvem de terceiros e operadas por ele, que por sua vez fornece recursos de computação, como servidores e armazenamento pela Internet. O Microsoft Azure é um exemplo de nuvem pública. Com uma nuvem pública, todo o hardware, software e outras infraestruturas de suporte são de propriedade e gerenciadas pelo provedor de nuvem. Você acessa esses serviços e gerencia sua conta usando um navegador da Web. Nuvem privada Uma nuvem privada se refere aos recursos de computação em nuvem usados exclusivamente por uma única empresa ou organização. Uma nuvem privada pode estar localizada fisicamente no datacenter local da empresa. Algumas empresas também pagam provedores de serviço de terceiros para hospedar sua nuvem privada. Uma nuvem privada é aquela em que os serviços e a infraestrutura são mantidos em uma rede privada. Nuvem híbrida Nuvens híbridas combinam nuvens públicas e privadas ligadas por uma tecnologia que permite que dados e aplicativos sejam compartilhados entre elas. Ao permitir que dados e aplicativos sejam movidos entre nuvens públicas e privadas, a nuvem híbrida dá aos negócios mais flexibilidade e mais opções de implantação.

63 Configuração Openstackhttps://www.ibm.com/developerworks/br/cloud/library/cl-openstack-cloud/index.html o OpenStack foi criado a partir de um núcleo de tecnologias (mais do que é mostrado aqui, mas estes representam os aspectos principais). À esquerda está o painel Horizon, que mostra a interface com o usuário para gerenciar serviços do OpenStack para ambos usuários e administradores. A Nova fornece uma plataforma de cálculo escalável, suportando o fornecimento e gerenciamento de grandes quantidades de servidores e máquinas virtuais (VMs, de maneira hypervisor-agnóstico). O Swift implementa um sistema de armazenamento de objetos escalável e massivo com redundância interna. Na parte inferior estão o Quantum e o Melange, que implementam a conectividade de rede como serviço. Finalmente, o projeto Glance implementa um repositório para imagens de disco virtuais (imagem como serviço).

64 Como implementar Entender se a sua indústria está preparada para o setor 4.0 Delimitar o escopo da implementação Capacitação profissional O ARQUITETO DE DADOS/ ENGENHEIRO/ RESPONSÁVEL DA SOLUÇÃO DEVE PARTICIPAR DA IMPLANTAÇÃO EM CHÃO DE FÁBRICA!

65 Agradecimentos Aos alunos participantes deste Projeto:Cleiton R. Mendes – Mestrado Automacao e Controle (IFSP); Frans B. Siemon - Mestrado Automacao e Controle (IFSP); Raphael Y. Osaki – Graduando em Engenharia de Controle e Automacao. O ARQUITETO DE DADOS/ ENGENHEIRO/ RESPONSÁVEL DA SOLUÇÃO DEVE PARTICIPAR DA IMPLANTAÇÃO EM CHÃO DE FÁBRICA!