Mesa Redonda Executiva: Avançando Indústria 4.0 com Sensores Inteligentes e IIoT

Indústrias de manufatura estão passando por uma transformação digital mundial, impulsionada pela pandemia de COVID-19, que está acelerando a adoção da Indústria 4.0. Esta mudança para o digital está alimentando avanços em sensores inteligentes que não apenas capturam dados de sensoriamento, mas também interpretam esses dados em insights acionáveis para uma variedade de aplicações no espaço da Internet Industrial das Coisas (IIoT).

O mercado de sensores inteligentes deve crescer a uma CAGR de 19% no período de previsão (2021-2026), segundo Market Research Future. O que está impulsionando a demanda crescente por sensores inteligentes e quais indústrias esperarão ver a maior demanda por tecnologia de sensores nos próximos anos? Tech Briefs fez perguntas a quatro especialistas da indústria para obter suas visões sobre o futuro para sensores inteligentes e IIoT.

Nossos participantes da mesa redonda incluem Dean Bartles, CEO e Presidente, Manufacturing Technology Deployment Group , Jeffrey Case, Diretor de Engenharia de Design e NPD, PCB Piezotronics, Inc. , Brad Walters, Fundador e CEO, Monnit , Aric Prost, Diretor Global Sênior, OEM, Stratus Technologies .

Tech Briefs: O uso de sensores "inteligentes" está se tornando mais prevalente à medida que IIoT e Indústria 4.0 são mais comuns na manufatura. Como sensores inteligentes estão sendo usados para melhorar a manufatura?

Dean Bartles: Um ótimo exemplo de como sensores inteligentes estão sendo usados para melhorar a manufatura é um programa que minha empresa tem com o Departamento de Defesa para estabelecer uma cadeia de suprimentos de manufatura aditiva protótipo. Há um enorme desejo de adotar peças manufaturadas aditivamente em metal nos mercados aeroespacial e de defesa. Vantagens incluem complexidade de design, velocidade na produção, leveza, etc. No entanto, a variabilidade atualmente encontrada em peças produzidas aditivamente em metal de máquina para máquina e até de peça para peça ainda é um grande impedimento para adoção. Usando sensores e um dispositivo IoT de borda, estamos coletando dados de processo em tempo real durante o processo de impressão, como energia do laser, velocidade de varredura, espaçamento de hachura, umidade da câmara, etc. e então fornecendo esses dados ao cliente junto com as peças produzidas. O cliente então pode interrogar o arquivo de dados para garantir que todos os parâmetros foram mantidos dentro de uma faixa especificada durante todo o processo de construção, fornecendo um nível mais alto de confiança na integridade das peças.

Jeffrey Case: Sensores inteligentes estão sendo implantados em instalações de manufatura em todas as indústrias para coletar informações críticas que, com a análise correta, podem criar soluções que reduzem ou eliminam tempo de inatividade não planejado (custos de substituição de peças, mão de obra e custos de oportunidade perdida); aumentam segurança substituindo sensores permanentemente montados para medições que requerem intervenção humana; e melhoram produtividade através de controle de feedback preciso e monitoramento de variações no processo de produção, garantindo estabilidade de manufatura.

Brad Walters: Impulsionar maior eficiência é um benefício principal de integrar uma plataforma de sensores inteligentes em ambientes de manufatura. Sensores inteligentes criam fábricas mais inteligentes onde você pode monitorar, controlar e melhorar virtualmente todos os aspectos das operações com insights baseados em dados em tempo real; prever manutenção de equipamentos e acionar protocolos rapidamente antes de mau funcionamento ou falha; automatizar registro de dados para análise de tendências simplificada, manutenção de registros e conformidade regulatória; e ser alertado sobre problemas ambientais e de equipamentos. Sensores que conectam pessoas, máquinas, equipamentos e inventário às capacidades capacitadoras do IIoT permitem que fabricantes produzam com maior transparência, eficiência e qualidade geral.

Aric Prost: A considerável redução no custo de sensores e transmissores acoplada a melhorias em tecnologia sem fio tornou viável para OEMs, construtores de máquinas e equipes de operações instalarem sensores e coletarem dados anteriormente inacessíveis. Esta é a borda industrial onde dados estão sendo gerados, e a capacidade de medir mais variáveis de processo com mais precisão concede melhor insight e alcança a promessa de IIoT e Indústria 4.0. A oportunidade é um salto adiante em monitoramento e controle para impulsionar resultados desejados como produtos de maior qualidade, menos tempo de inatividade ou melhoria de rendimento.

Tech Briefs: Fusão de dados de sensores fornece a capacidade de combinar diferentes tecnologias de sensores em uma aplicação. Quais são os desafios que fabricantes enfrentam no gerenciamento — e uso eficaz — do volume aumentado de dados coletados?

Dean Bartles: A proliferação de sensores na manufatura é crítica para aproveitar totalmente a eficiência que a Indústria 4.0 promete. No entanto, à medida que a tecnologia de sensores se torna ubíqua em oficinas de manufatura em todo lugar, a capacidade de fazer uso ótimo dos dados gerados pode ser severamente prejudicada a menos que dados de vários sensores possam ser harmonizados em um formato de linguagem comum. Padrões serão a chave para tornar tal harmonização possível. Um padrão que já se tornou amplamente adotado é MTConnect. Com dados uniformes, desenvolvedores e integradores podem focar em aplicações de manufatura úteis e produtivas em vez de tradução, o que será chave para fusão bem-sucedida de dados de sensores no futuro.

Jeffrey Case: Desafios para fusão de sensores incluem sincronizar diferentes tipos de sensores e sistemas de sensores, especialmente quando há dependência de tempo, e garantir redes de comunicação compatíveis. Além disso, computação de borda está se tornando cada vez mais crítica no nível do sensor para minimizar a quantidade de dados coletados e analisados, afetando tanto requisitos de poder de processamento quanto armazenamento de dados.

Brad Walters: Fusão de dados de sensores é um benefício chave do IIoT porque decisões feitas a partir de múltiplos pontos de dados são decisões de maior valor. Mas pode ser um desafio quando fabricantes adquirem diferentes sistemas de sensores de vários fornecedores e agregam todos os dados eles mesmos. Você pode gerenciar volume de dados efetivamente tendo uma única plataforma de sensores que incorpora tipos de sensores combinados com agregação de dados, filtragem, algoritmos de fusão e desduplicação de dados redundantes na borda. O redutor de volume de dados mais valioso que você pode ter é processamento e filtragem de borda via gateway no nível do sensor. É ideal que sensores relatem imediatamente eventos e violações de limite quando detectam condições pré-configuradas, em vez de relatar constantemente dados triviais em intervalos frequentes. Dessa forma, um sistema de sensores com gateway de borda pode fundir rapidamente dados relevantes de todos os tipos de sensores e usar um conjunto robusto de APIs para simultaneamente misturar e combinar dados de outros sistemas analíticos.

Aric Prost: Fabricantes enfrentam alguns desafios devido ao volume de dados de borda sendo criados. Primeiro, dados em uma planta ou instalação típica vêm de sensores fabricados por múltiplos fornecedores que usam diferentes protocolos de comunicação. Esses dados devem ser coletados e integrados. Segundo, locais de borda — até mesmo o chão de fábrica — enfrentam problemas de largura de banda e latência quando transmitidos para a sala de controle, muito menos para a nuvem. A capacidade de analisar esses dados de borda e traduzi-los em insight é preditada em sua disponibilidade e confiabilidade. Análises preditivas ou aplicações de IA dependem desses conjuntos de dados completos. Quaisquer lacunas de comunicação em dados ou tempo de inatividade de equipamentos podem interromper aqueles modelos avançados. Para enfrentar esses desafios, incluindo fusão de dados de sensores, organizações implantam computação de borda para coletar informações perto do equipamento, fornecer processamento e historização para evitar tempo de inatividade e perda de dados.

Tech Briefs: Se instalações estão utilizando múltiplos sensores e sistemas conectados, como elas garantem que estão devidamente seguras para proteger contra acesso externo indesejado?

Dean Bartles: A maneira mais segura de proteger contra acesso externo indesejado é fazer "airgap" de tudo. Em outras palavras, evitar o uso de sensores Wi-Fi e em vez disso implantar sensores com fio e dispositivos IoT de borda com fio e ter todos os dados roteados através de um appliance de cibersegurança que tanto criptografa quanto tokeniza tudo que sai da instalação. À medida que OEMs continuam a impulsionar "transparência" nas operações de manufatura de seus fornecedores, soluções tecnológicas serão primordiais.

Jeffrey Case: Embora não haja bala de prata quando se trata de cibersegurança industrial, segmentação de rede é uma pedra angular para proteger redes privadas de vulnerabilidades potenciais. Sistemas de sensores devem ser configurados em uma rede isolada de sistemas internos, e acesso às redes de sistemas de sensores deve ser limitado ao mínimo necessário. Encorajamos todos nossos clientes IIoT a seguir práticas recomendadas de cibersegurança em suas redes internas de sistemas de sensores e/ou nossos sistemas de sensores, aproveitando tecnologias padrão da indústria.

Brad Walters: Segurança deve ser sustentada em todos os pontos de comunicação entre sensor, gateway, rede, controlador de rede e nuvem. Uma iniciativa robusta de governança de segurança de dispositivos e dados IoT para impor políticas pode ajudar a proteger a rede de sensores e dados de uma empresa. Você também não pode colocar todas suas salvaguardas em fortalezas como firewalls, mas deixar o sensor de temperatura no aquário do lobby vulnerável. Se você usa um sistema de gerenciamento de sensores, limita pontos de entrada externos. Independentemente, cada sistema precisa ser verificado para segurança individualmente, então como um sistema completo.

Aric Prost: Cibersegurança é prioridade para tecnologia operacional, e a noção de ativos com airgap é cada vez menos realista à medida que mais equipamentos são conectados. Ao implantar plataformas de computação de borda com virtualização embutida, equipes OT e TI têm os meios para rodar software de cibersegurança perto de equipamentos críticos junto com outras aplicações de software industrial. Neste caso, a plataforma de computação de borda rodando software de segurança fica entre os sensores ou CLPs e o resto da rede.

Tech Briefs: Em quais indústrias você espera ver a maior demanda por tecnologia de sensores nos próximos cinco anos?

Dean Bartles: Progresso significativo já foi feito por grandes corporações em aeroespacial, defesa, automotivo, alimentos, médico, processamento químico, etc. Então, não acho que a pergunta deva ser "quais indústrias" tanto quanto "quem" dentro das várias indústrias onde veremos a maior demanda. Claramente, pequenos e médios fabricantes ("PMEs") têm mais a ganhar adotando tecnologia de sensores em suas operações de manufatura. Uma pesquisa recente conduzida pelo Manufacturing Leadership Council da National Association of Manufacturers classificou "Levar visibilidade, transparência e previsibilidade de cadeia de suprimentos ponta a ponta para o próximo nível" como a segunda coisa mais importante para 2022. Para fornecer aos OEMs a transparência, visibilidade e previsibilidade em sua cadeia de suprimentos que desejam, PMEs precisarão implantar tecnologia de sensores muito maior do que têm até hoje.

Jeffrey Case: À medida que sensores se tornam mais mainstream com melhorias em tecnologia de sensoriamento, computação de borda, inteligência artificial e proliferação de redes de comunicação Industrial 4.0, a maior demanda por tecnologia de sensores será em todas as operações de manufatura em quase todos os mercados/indústrias. Tanto aplicações de manutenção preventiva quanto automação de processo estão impulsionando esta demanda sem precedentes em manufatura industrial. Uma ampla variedade de tecnologias de sensoriamento estão sendo implantadas no mercado de automação de processo para facilitar controle mais apertado em processos de manufatura. Embora sensores tenham sido tradicionalmente implantados nestas aplicações, Indústria 4.0 está fornecendo sensores conectados à internet que são capazes de coletar, transferir e exibir dados via rodovias digitais estabelecidas com intervenção humana mínima. Esta infraestrutura pode facilmente satisfazer o ROI de uma empresa e impulsionará significativamente vendas de sensores nos próximos cinco anos e além.

Brad Walters: É fácil ver que manutenção preditiva, monitoramento e controle remoto, e sistemas autônomos em virtualmente toda indústria continuarão a depender fortemente de avanços em tecnologia de sensores inteligentes. Por exemplo, inovadores em petróleo e gás, agricultura, energia e produção de energia, químico e mineração, e transporte apoiam-se nas capacidades de longo alcance de sensores sem fio que entregam longo alcance, baixa potência e longa vida de bateria. À medida que fabricantes, saúde e cidades inteligentes buscam ser mais eficientes, soluções de sensoriamento que expeditam funcionalidade 4G LTE e 5G, eliminam interferência de frequência e permitem computação de borda multi-acesso serão altamente valiosas. Indústrias que integram efetivamente sensores inteligentes ajudarão a impulsionar a evolução do IIoT para a próxima revolução industrial.

Aric Prost: Vemos a maior demanda por tecnologia de sensores vindo não de indústrias específicas, mas de casos de uso específicos dentro de indústrias onde ativos e processos são remotos ou inacessíveis, críticos para medir, alta velocidade, e onde segurança é um fator significativo. Tecnologia de sensores será essencial para escalar automação e gerenciamento remoto nestes casos. Há uma gama de exemplos que cortam através incluindo Manufatura Discreta — máquinas de embalagem complexas, robótica, fabricação de metal; Água e Esgoto — estações de bombeamento remotas e não tripuladas, medidores de vazão; Geração de Energia — arrays solares, parques eólicos, e subestações; Petróleo e Gás — estações de bombeamento, estações de medição de fluxo, plataformas de produção, e muitos outros. Para estes ativos e casos de uso, a abundância de tecnologia de sensores e conectividade limitada requer um "cérebro" no local para processar e armazenar dados, garantir disponibilidade de uptime, rodar agentes de cibersegurança, e potencialmente fornecer monitoramento e controle sem intervenção humana. Plataformas de computação de borda fornecem estas capacidades e, portanto, os meios para aproveitar dados de sensores para realizar capacidades da Indústria 4.0.

O que você acha? Compartilhe suas perguntas e comentários abaixo.