Sensores e processadores convergem para aplicações industriais

A indústria 4.0 já percorreu um longo caminho desde que a palavra da moda foi cunhada na Feira de Hannover em 2011. A jornada em direção à manufatura inteligente continua, mas o que realmente fez a diferença nos últimos anos foi a decolagem da Internet das coisas (IoT) e o advento de soluções de inteligência artificial (IA).

Aqui, vale a pena mencionar que, em 2012, a General Electric cunhou o termo internet industrial para uma infinidade de dispositivos industriais conectados de forma inteligente para criar sistemas que pudessem monitorar, coletar, trocar, analisar e fornecer informações valiosas. Eventualmente, as noções de Indústria 4.0 e internet industrial começaram a convergir, culminando na IoT industrial ou IIoT.

Qualquer que seja o nome, Indústria 4.0 ou IIoT, o objetivo subjacente é a realização da quarta revolução industrial após a máquina a vapor, correia transportadora e tecnologia da informação (TI) auxiliada por eletrônicos de ponta. Leva a fabricação e a automação de processos a um nível totalmente novo, no qual as fábricas de amanhã construirão sistemas conectados compreendendo sensores, atuadores e sistemas de controle, todos ligados por meio de diferentes tipos de redes por meio do protocolo da Internet (IP).

Figura 1:Indústria 4.0 marca o próximo nível de transformação digital. (Imagem:Texas Instruments)



O que também está acelerando o movimento da Indústria 4.0 é a integração de aplicativos de IA, como detecção e classificação de falhas. A combinação de tecnologias de IoT e IA está mudando a maneira como os engenheiros podem gerenciar dados, disseminar informações e tomar decisões em tempo real em ambientes de produção. O uso de algoritmos de aprendizado de máquina e manuseio de processo baseado em robô pode otimizar ainda mais a fabricação moderna com grande economia de custos e horas de trabalho.

Uma manifestação prática da Indústria 4.0 pode ser vista na fábrica da General Electric em Schenectady, Nova York. A instalação de fabricação de baterias de sódio-níquel instalou mais de 10.000 sensores espalhados por 180.000 pés quadrados de espaço de fabricação. Todos esses sensores são conectados via Ethernet de alta velocidade.

Isso nos leva a um dos blocos de construção fundamentais dos projetos da Indústria 4.0:sensores conectados.

Internet de sensores

Os sensores conectados por meio de links com ou sem fio formam a espinha dorsal de um sistema Industry 4.0 ou IIoT. Os dados da máquina que os sensores entregam à nuvem podem otimizar a fabricação, prever falhas, programar a manutenção e reabastecer o estoque automaticamente.

O que há de novo em sensores no reino da Indústria 4.0 é a convergência de localização e comunicação para a criação de sistemas de localização internos precisos. Isso permite que as fábricas monitorem as ferramentas em tempo real e gerenciem seu uso pelos trabalhadores para melhorar a eficiência, a segurança e o controle de qualidade nas linhas de montagem.

Esses sistemas de alta precisão e com reconhecimento de localização usam soluções de sensores sem fio inteligentes. Veja o exemplo da Cabine Inteligente, que o fornecedor de sensores Bosch desenvolveu em colaboração com CAB Concept Cluster (CCC) . Ele integra câmeras e drones em veículos agrícolas e os transforma em centros de controle conectados no campo.

Figura 2:Além da manufatura inteligente, a iniciativa Industry 4.0 está se expandindo para outras áreas, como a agricultura conectada. (Imagem:CAB Concept Cluster)



Esta solução fornece aos agricultores fotos detalhadas das condições da colheita, tiradas por drones de câmera e posteriormente processadas na nuvem. Os drones de câmera também podem realizar o reconhecimento de objetos para alertar os fazendeiros sobre obstáculos vivos, como cervos. Além disso, os agricultores podem realizar funções específicas, como ajustar as configurações dos bicos de acordo com as condições do clima ou do solo.

A Bosch também afirma ter melhorado a produtividade de sua fabricação de sistema de freio ABS / ESP em sua fábrica de Blaichach, Alemanha, registrando o movimento dos cilindros, os tempos de ciclo das garras e os níveis de temperatura e pressão no processo de fabricação. Os dados coletados de etiquetas RFID são entregues a bancos de dados massivos que mapeiam digitalmente o fluxo interno de mercadorias.

Chips da Indústria 4.0

Dispositivos semicondutores são outro ingrediente importante nos projetos da Indústria 4.0 e IIoT. Isso inclui processadores para computação de ponta, memória para armazenamento de dados, conversores de dados e chips de conectividade com ou sem fio para sensoriamento remoto e links de plataforma em nuvem.

Um exemplo é o Sitara AM6x família de processadores da Texas Instruments (TI) que habilita subsistemas de comunicação industrial gigabit para automação de fábrica, acionamentos de motor e infraestrutura de rede. Os processadores são construídos em torno da convergência de Ethernet e tráfego de dados em tempo real em uma única rede. E eles suportam vários protocolos, incluindo rede sensível ao tempo (TSN), EtherCAT, Ethernet / IP e PROFINET

Figura 3:Um diagrama de blocos do processador multiprotocolo Sitara AM6548, que oferece taxas de transferência de gigabit para padrões de conectividade industrial como TSN. (Imagem:Texas Instruments)



Este processador habilitado para TSN integra um subsistema de microcontrolador (MCU) baseado em Arm Cortex-R5F dual-core que pode operar em um modo lockstep opcional e oferece suporte a proteção de código de correção de erro (ECC) para memória on-chip e dados duplos externos taxa de memória (DDR). Esses recursos permitem que o processador aumente a segurança e reduza a complexidade no nível do sistema para aplicativos como controladores lógicos programáveis ​​(PLC) e drives de motor multi-eixo.

As plataformas da Indústria 4.0 exigem cada vez mais PLCs de alto desempenho, complementados com conectividade segura e interfaces homem-máquina (IHMs). Também é imperativo que os PLCs diminuam no fator de forma e na cadeia de valor do processo, enquanto aumenta o número de canais de I / O, analógicos e digitais. Esses PLCs precisarão oferecer suporte a novos protocolos de E / S, como IO-Link .

Além disso, o advento de poderosas soluções de sistema em chip (SoC) está permitindo a criação de gêmeos digitais, que emparelham mundos virtuais e físicos e criam pools de dados que mapeiam e conectam todas as etapas da manufatura industrial. Esses sistemas ciberfísicos criam uma cópia virtual do mundo físico e, portanto, tornam o monitoramento dos processos físicos menos dispendioso e mais eficiente.

Fábrica do futuro

A Indústria 4.0 promete um renascimento no chão de fábrica com soluções e serviços de sensores ponta a ponta. Facilita decisões mais inteligentes, aumentando a eficiência operacional, melhorando o rendimento, aumentando a produtividade da engenharia e impulsionando substancialmente o desempenho dos negócios.

A realidade da Indústria 4.0 está finalmente começando a avançar com uma aceleração na disponibilidade de sensores IoT, big data e aplicativos de IA. De acordo com um relatório da Gartner Inc., em 2018, havia mais de 6 bilhões de dispositivos IoT em campo, e os números devem crescer para mais de 20 bilhões até 2022.

A fábrica do futuro está lenta, mas continuamente tomando forma com nós de processamento mais poderosos, processos de produção mais automatizados e ferramentas de análise de dados mais inteligentes, capazes de processar e analisar grandes quantidades de dados de fábrica quase em tempo real. Está se tornando uma realidade, uma solução de sensor IoT por vez.

>> Este artigo foi publicado originalmente em nosso site irmão, Electronic Products:“Sensores de IoT trazem a Indústria 4.0 para o foco comercial.”