A introdução do setor 4.0 em 2011 trouxe desafios específicos. Em primeiro lugar, o equipamento proprietário usado em uma instalação industrial média precisava de unificação para implementar estratégias orientadas por dados, o que exigia uma solução. Em segundo lugar, um meio confiável de comunicação e transferência de dados era necessário para permitir o intercâmbio de dados e, por fim, uma rede determinística era necessária para implementar as transferências de dados em tempo real para aplicativos inteligentes.
A solução dos desafios exigia avanços na tecnologia de comunicação e um padrão de unificação que os OEMs e os proprietários de instalações pudessem aproveitar para alcançar a transformação digital e os modelos de negócios da Indústria 4.0. O 5G e o OPC UA oferecem soluções que resolvem os desafios de comunicação e unificação no setor industrial.
Apresentando os padrões da Arquitetura Unificada OPC (UA)
Há uma ou duas décadas, os ativos no chão de fábrica médio consistiam em equipamentos de vários OEMs que desenvolveram softwares e ferramentas proprietários para gerenciar os equipamentos que produziam. Esses equipamentos proprietários eram usados juntamente com equipamentos antigos, que ainda representam 40% dos equipamentos no chão de fábrica médio, e esses ativos funcionavam em seus silos individuais. Assim, os ciclos de produção consistiam em equipamentos que não podiam se comunicar ou trabalhar em ambientes inter-relacionados.
Por exemplo, as máquinas de corte ou retificação que alimentam as máquinas CNC com matérias-primas não podiam se comunicar ou compartilhar dados de requisitos de estoque, a menos que essas máquinas fossem de um único fornecedor. Isso leva a situações em que uma máquina CNC pode ter menos matérias-primas do que o necessário para atender à demanda. O resultado é o tempo de inatividade ou o baixo nível de satisfação do cliente devido a pedidos não atendidos. A solução do Industry 4.0 para o desafio da comunicação foi a comunicação máquina a máquina, e é isso que o OPC UA resolve.
O OPC UA fornece aos fabricantes os padrões para implementar uma plataforma independente orientada a serviços que atende aos equipamentos proprietários e legados usados no chão de fábrica. Desde a sua criação em 2008, a OPC Foundation recebeu a parceria de partes interessadas de OEMs, como Siemens, Rockwell, Schneider, Bosch etc., em seu grupo. A participação dessas potências significa que os fabricantes podem aproveitar um protocolo de comunicação aberto para dar suporte à comunicação entre equipamentos proprietários.
A OPC Foundation também fornece uma estrutura que responde à questão do determinismo. As transferências de pacotes de dados anteriores eram feitas por meio da transmissão em massa de pacotes de dados para os equipamentos no chão de fábrica. Isso significava que um equipamento individual teria acesso a vários pacotes de dados até receber as informações exatas enviadas a ele. A técnica de transmissão de dados em massa não era confiável e os fabricantes não podiam fornecer prazos específicos para quando cada equipamento receberia pacotes de dados específicos, portanto, era necessária uma abordagem determinística.
Em cenários em que os processos industriais críticos devem ocorrer em tempo real, é necessária uma rede determinística. O OPC UA over Time Sensitive Networking (TSN) foi iniciado para resolver os desafios de determinismo que o setor industrial enfrentava com redes e comunicação. O OPC UA sobre TSN aprimora as redes Ethernet com fio por meio do fornecimento de informações em tempo previsível. Assim, os fabricantes podem priorizar o fornecimento de pacotes de dados específicos em redes abertas para obter comunicação em tempo real entre os ativos no chão de fábrica.
A utilização de redes com fio no chão de fábrica tem diversas limitações. Essas limitações incluem o custo de expandir as redes com fio para atender à adição de novos ativos ao chão de fábrica e utilizar a Ethernet para dar suporte à IoT em grande escala, às implementações de borda ou às plataformas de transformação digital. Para contornar essas limitações, você precisa de uma rede sem fio confiável que possa ser dimensionada para atender a requisitos cada vez maiores e que ofereça uma rede confiável de baixa latência no ambiente hostil das instalações industriais – é aqui que o 5G tem um papel importante a desempenhar.
Rede 5G e a instalação industrial inteligente
A rede sem fio não é novidade para o setor industrial, mas as iterações mais antigas, como as redes 3G e 4G, não oferecem a latência e a largura de banda de rede confiáveis para transferências de dados em tempo real. Por exemplo, a transferência de informações com uso intensivo de dados em formato de vídeo 4K ou a troca de dados em tempo real de vários dispositivos de IoT para um gêmeo digital exige uma estabilidade de rede de alto desempenho que o 4G não pode oferecer.
A necessidade de confiabilidade e velocidade da rede tornou-se o principal problema abordado pelo 5G. É fato que a rede 5G é a primeira iteração de comunicação sem fio criada para o setor industrial. Em sua capacidade total, as redes 5G serão cinco vezes mais rápidas que as redes 4G e suportarão mais de um milhão de dispositivos implantados em um metro quadrado. A implantação do 5G também adota uma abordagem modular usando caixas 5G, ao contrário da necessidade de realizar atualizações extensas ao expandir as redes com fio. Isso significa que as redes 5G oferecerão a confiabilidade que o 4G não pode oferecer e a escalabilidade, bem como a acessibilidade que as redes com fio não podem oferecer.
As redes 5G também darão suporte à adoção generalizada de soluções de transformação digital, como hardware inteligente e software analítico no chão de fábrica. Aproveitando o 5G, os fabricantes podem adicionar facilmente novos dispositivos de IoT ao chão de fábrica, transferir grandes conjuntos de dados para soluções de gêmeos digitais e ampliar os casos de uso do Industry 4.0 com facilidade.
As redes 5G também oferecerão uma rede determinística por meio do uso de SLAs determinísticos e divisão inteligente da rede para garantir que os fabricantes possam priorizar as transferências de dados e a comunicação em tempo real. A adoção de redes 5G fornecerá amplo suporte para aplicativos de computação em nuvem e de borda no setor de manufatura. Os exemplos incluem o uso de aplicativos de gêmeos digitais para monitoramento remoto e a habilitação da comunicação entre dispositivos de borda e ecossistemas de nuvem centralizados.
Conclusão
A comunicação máquina-máquina e máquina-nuvem são aspectos fundamentais para alcançar a fábrica inteligente definida pelo Industry 4.0. Os avanços feitos pela OPC Foundation e os avanços nas tecnologias sem fio fornecerão a rede determinística necessária para automatizar os fluxos de trabalho industriais e fornecer a fábrica “lights out”.