Qualidade 4.0:como as redes de sensores IoT sem fio estão remodelando a fabricação

O controle de qualidade é fundamental em todos os setores, mas na fabricação é extremamente crítico. A demanda volátil do mercado, os altos custos de material e produção, juntamente com a natureza de missão crítica dos produtos finais, impelem os fabricantes a buscar nada além de qualidade de primeira linha e uma taxa mínima de rejeição. Com a Internet das Coisas (IoT) avançando gradualmente na indústria de manufatura, a gestão da qualidade é uma área com oportunidades de transformação.

O desafio da gestão da qualidade em resumo

O gerenciamento de qualidade eficaz depende da capacidade de monitorar e controlar constantemente uma série de parâmetros de máquina e processo que afetam a qualidade do produto. Para garantir que as propriedades do produto sejam consistentes e atualizadas, a recalibração do equipamento é realizada constantemente à medida que ocorrem desvios do processo e outras mudanças na linha de produção. No entanto, com a crescente complexidade dos sistemas de ferramentas e processos de fabricação, muitas variáveis ​​do processo são deixadas de lado devido aos limites das redes cabeadas volumosas.

Embora sejam ideais para tarefas de automação urgentes e de alto rendimento, as comunicações com fio não têm a flexibilidade e a acessibilidade necessárias para capturar dados de telemetria em escala e além do nível da máquina. Normalmente, fatores como as condições ambientais, apesar de sua grande influência na variabilidade da qualidade, muitas vezes não são estudados e controlados. Por exemplo, na fabricação de automóveis, a temperatura ambiente desfavoravelmente baixa pode reduzir a qualidade dos componentes impressos em 3D, fazendo com que esfriem muito rapidamente.

Além disso, projetados no século passado, a maioria dos sistemas industriais acionados por fio não se destinam à troca de dados além do chão de fábrica. Isso cria ilhas desconectadas de dados que não estão disponíveis para aumentar a eficiência e o rendimento da produção. Em vez disso, a otimização do processo e o gerenciamento da qualidade geralmente dependem da inspeção manual de pós-produção reativa. Além da dispendiosa intervenção humana, isso introduz significativa variabilidade de qualidade e custos associados, ao mesmo tempo em que dificulta o rastreamento da causa raiz dos problemas de qualidade.

Entre na Indústria 4.0:Gestão Proativa da Qualidade

A busca urgente por melhor visibilidade do processo mostra o tremendo potencial da IoT e sua contraparte, a Indústria 4.0, para gerenciamento de qualidade proativo.

As redes IoT sem fio capturam um grande número de pontos de dados críticos granulares ao longo da linha de produção. Por exemplo, pressão, vibração, temperatura e umidade. Com potencialmente milhares de sensores instalados no local, os dados são coletados com a frequência de 10 a 20 segundos e enviados por meio de uma estação base para o sistema de back-end preferido do usuário, seja no local ou na nuvem. Usando uma plataforma remota de IoT, todos os dados do sensor são consolidados para monitoramento em tempo real, insights acionáveis ​​e automação de processos. Os alertas podem ser acionados imediatamente quando surgem quaisquer condições fora das especificações entre equipamentos e processos em execução. Isso oferece aos fabricantes controle sem precedentes sobre suas operações e saídas de produtos. Além da inspeção de qualidade reativa no final da execução, os dados de IoT capacitam uma abordagem proativa de garantia de qualidade para diagnosticar e prevenir defeitos muito mais cedo no processo para produtividade e repetibilidade de pico. Isso também leva a custos e desperdícios reduzidos. Ao mesmo tempo, fornece informações valiosas para alcançar e manter as melhores práticas.

Cinco principais aplicativos para gerenciamento proativo da qualidade:

1. Monitoramento de condições e manutenção preditiva

Os sensores de IoT capturam e comunicam as principais métricas operacionais e de integridade, como pressão, vibração, temperatura, umidade e tensão de várias máquinas e equipamentos em todo o complexo do setor (monitoramento de condições). Além de gerar uma imagem perspicaz dos processos de produção atuais e do desempenho dos ativos, esses fluxos de dados maciços alimentam os modelos analíticos para prever proativamente um problema iminente e programar a inspeção e o reparo com base na demanda (manutenção preditiva). Por exemplo, a alta umidade na caixa de engrenagens diminui o desempenho dos componentes rotativos, resultando em corrosão, qualidade prejudicada do produto ou até mesmo avaria da máquina. A vibração excessiva de motores e bombas sugere possíveis defeitos de montagem, desalinhamento do eixo e desgaste do rolamento. Com a manutenção preditiva, as falhas podem ser evitadas antecipadamente, maximizando assim a utilização dos ativos e reduzindo as perdas dispendiosas devido ao tempo de inatividade.

2. Monitoramento Ambiental

As condições ambientais podem desempenhar um papel significativo na produção e na gestão da qualidade. Com a ajuda de sensores ambientais que medem temperatura, umidade e qualidade do ar, os operadores da planta podem monitorar e controlar remotamente ambientes ideais para vários processos em toda a fábrica a partir de seu centro de comando. Por exemplo, manter o diferencial de pressão de ar ideal evita a infiltração de poeira na área de fabricação, garantindo assim a qualidade do produto nas indústrias farmacêutica e microeletrônica. Os processos de colagem e pintura na produção automotiva podem ser melhorados com um nível de umidade ideal. Da mesma forma, o monitoramento preciso da temperatura das instalações de processamento e armazenamento pode garantir a segurança do produto na indústria alimentícia.

3. Rastreamento e gerenciamento de ativos

Sensores de IoT anexados a ativos individuais, como ferramentas, máquinas e veículos, capturam e relatam informações detalhadas sobre as condições atuais, bem como onde e como elas estão sendo usadas. Ao ter uma imagem holística e em tempo real dos ativos entre sites, os operadores podem identificar rapidamente equipamentos subutilizados, diagnosticar problemas e gargalos iminentes e mobilizar facilmente ferramentas e peças. Por fim, a aplicação da IoT para gerenciamento de ativos permite que as organizações otimizem as atividades de manutenção e a vida útil dos ativos, eliminando registros manuais propensos a erros e pedidos excessivos.

4. Monitoramento remoto de tubulações e tanques

Tanques e tubulações são ativos críticos em muitas indústrias de processo. O transbordamento ou vazamento de produtos químicos e gases não só provoca perdas na produção, como também causa sérios danos ao meio ambiente e ameaça a segurança pública. Ao implementar sensores de nível, vibração, taxa de fluxo e pressão, as empresas podem ficar de olho na integridade estrutural de seus tanques e tubulações amplamente distribuídos 24 horas por dia, ao mesmo tempo em que reduzem as verificações manuais. Alertas são emitidos sobre possíveis derramamentos, vazamentos ou rupturas que podem levar a desastres. Alertas sobre baixos níveis de material nos tanques também podem ser emitidos para reabastecimento oportuno para melhorar a produtividade.

5. Gerenciamento de instalações

A IoT permite o gerenciamento e a proteção digitalizados de instalações críticas da planta. Elevadores habilitados para IoT, detectores de fumaça, alarmes de incêndio e outros recursos de instalações em toda a fábrica podem enviar periodicamente dados sobre a integridade da bateria ou o status “vivo”. Isso ajuda os fabricantes a reduzirem a demorada inspeção manual, ao mesmo tempo em que podem responder rapidamente a quaisquer problemas que possam interromper a linha de produção.

Conectividade sem fio à prova de futuro para qualidade 4.0

Com a aquisição de dados um desafio inerente na maioria dos ambientes industriais, as implantações de IoT podem parecer extremamente complexas, caras e intimidadoras. Prevê-se que haverá 36,8 bilhões de dispositivos IIoT ativos até 2025, acima dos 17,7 bilhões atuais. À medida que mais empresas procuram capitalizar em novos aplicativos de IoT, é importante considerar a confiabilidade, a integrabilidade e a capacidade de gerenciamento de longo prazo da rede de comunicação à medida que ela é dimensionada para acomodar milhares de terminais conectados. A realidade é que tudo se resume a escolher a conectividade IoT certa para o caso de negócios certo.

A instrumentação sem fio não é necessariamente nova na fabricação, mas os requisitos cruciais em termos de alcance, potência e facilidade de integração limitam as opções viáveis. Por exemplo, aplicativos de monitoramento industrial podem exigir que milhões de mensagens por dia sejam enviadas de milhares de sensores. Isso exige uma solução altamente escalável e eficiente em termos de energia para evitar a substituição e o descarte frequentes da bateria, o que pode aumentar rapidamente o custo total de propriedade. Da mesma forma, instalações industriais vastas e estruturalmente densas exigem comunicação sem fio confiável que possa percorrer longas distâncias e superar obstruções físicas. O design tradicional das instalações de fabricação também cria desafios. As soluções sem fio devem ser capazes de se integrar a equipamentos legados, como PLCs, para quebrar silos de dados e fornecer acesso a informações anteriormente inacessíveis.

As tecnologias sem fio legadas não conseguem acompanhar os requisitos de alcance, energia e custo nas redes de sensores IoT. A conectividade celular tradicional (por exemplo, 3G, LTE, etc.) e as redes locais sem fio (Wi-Fi) são muito caras e consomem muita energia para transmitir pequenas quantidades de dados de um grande número de dispositivos sensores. Outras soluções como Bluetooth, Zigbee e Z-Wave têm alcance físico altamente restrito; e embora muitos deles empreguem uma topologia de malha para estender sua cobertura, a retransmissão multi-hop consome muita energia, ao mesmo tempo em que envolve planejamento e gerenciamento de rede complexos. Como tal, as redes mesh são, na melhor das hipóteses, adequadas para aplicações de médio alcance.

As redes de longa distância de baixa potência (LPWAN) são únicas, pois superam essas armadilhas e fornecem uma solução eficiente, acessível e fácil de implantar para redes IoT de grande escala. O apelo do LPWAN é derivado de seus dois recursos de assinatura:longo alcance e baixo consumo de energia. Enquanto o Wi-Fi e o Bluetooth só podem se comunicar em dezenas ou cem metros, na melhor das hipóteses, um LPWAN é capaz de transmitir sinais de até 15 km em áreas rurais e até 5 km em áreas urbanas e estruturalmente densas. Além disso, protocolos leves e otimizados para energia reduzem os custos do transceptor enquanto permitem uma vida útil da bateria muito longa para os nós sensores.

É importante observar, no entanto, que a qualidade do serviço varia entre as tecnologias LPWAN. Isso se deve principalmente a dois motivos – suas operações no espectro livre de licença e o uso de comunicação assíncrona simples, tipicamente ALOHA puro (um nó acessa o canal e envia uma mensagem sempre que há dados para enviar). Ao trazer benefícios de energia significativos, transmissões descoordenadas em redes assíncronas aumentam muito a chance de colisões de pacotes e perda de dados. À medida que as implantações de IoT sem fio e o tráfego de rádio nas bandas de sub-GHz sem licença crescem rapidamente, as LPWANs herdadas potencialmente vêm com sérios desafios de qualidade de serviço (QoS) e escalabilidade causados ​​pela interferência de co-canal. No mesmo sentido, a padronização e o suporte confiável à mobilidade são outros fatores críticos que não devem ser negligenciados.

Encerrando

A capacidade de identificar padrões ocultos, prever problemas futuros, prever uso e custos e obter insights de dados de sensores de IoT remodelará o processo industrial para sempre. Embora o setor esteja adotando a tecnologia de comunicação há algum tempo, novas conectividades sem fio como LPWAN estão ajudando a trazer muito mais pontos de dados online a um preço muito mais baixo. Em meio aos crescentes desafios do setor, a implementação da IoT pode ser um ponto de virada para levar o gerenciamento de qualidade e a eficiência operacional ao próximo nível e permanecer no topo da concorrência.

Este artigo foi escrito por Wolfgang Thieme, Chief Product Officer, BehrTech (North York, ON, Canada). link externo fa-sm"> .