Qualidade 4.0: Aproveitando Sensores IoT Sem Fio para Revolucionar a Excelência na Manufatura

O controle de qualidade é fundamental em todas as indústrias, mas na manufatura é hipercrítico. A demanda volátil do mercado, os altos custos de materiais e produção, juntamente com a natureza crítica dos produtos finais, impulsionam os fabricantes a buscar nada menos que qualidade de primeira classe e uma taxa mínima de rejeição. Com a Internet das Coisas (IoT) ganhando gradualmente força na indústria manufatureira, a gestão da qualidade é uma área com oportunidades transformacionais.

O Desafio da Gestão da Qualidade em Resumo

A gestão eficaz da qualidade depende da capacidade de monitorar e controlar constantemente uma série de parâmetros de máquinas e processos que impactam a qualidade do produto. Para garantir que as propriedades do produto sejam consistentes e adequadas, a recalibração de equipamentos é realizada constantemente conforme desvios de processo e outras mudanças na linha de produção surgem. No entanto, com a crescente complexidade dos sistemas de ferramentas e processos de manufatura, muitas variáveis de processo ficam sem monitoramento devido aos limites das redes cabeadas volumosas.

Embora ideais para tarefas de automação de alto rendimento e sensíveis ao tempo, as comunicações cabeadas carecem da flexibilidade e acessibilidade necessárias para capturar dados de telemetria em escala e além do nível da máquina. Normalmente, fatores como condições ambientais, apesar de sua grande influência na variabilidade da qualidade, muitas vezes não são estudados e controlados. Por exemplo, na fabricação automotiva, a temperatura ambiente desfavoravelmente baixa pode reduzir a qualidade de componentes impressos em 3D, fazendo-os resfriar muito rapidamente.

Além disso, projetados no século passado, a maioria dos sistemas industriais baseados em fios não se destinam à troca de dados além do chão de fábrica. Isso cria ilhas de dados desconectadas que não estão disponíveis para melhorar a eficiência e a produtividade da produção. Em vez disso, a otimização de processos e a gestão da qualidade frequentemente dependem de inspeção manual reativa pós-produção. Além da cara intervenção humana, isso introduz variabilidade significativa de qualidade e custos associados, ao mesmo tempo em que torna desafiador rastrear a causa raiz dos problemas de qualidade.

Chega a Indústria 4.0: Gestão Proativa da Qualidade

A busca premente por maior visibilidade do processo fala do tremendo potencial da IoT e sua contraparte, a Indústria 4.0, para a gestão proativa da qualidade.

Redes IoT sem fio capturam um grande número de pontos de dados granulares e críticos 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 frequência a cada 10 a 20 segundos e enviados via estação base para o sistema backend preferido do usuário, seja on-premises ou na nuvem. Usando uma plataforma IoT remota, todos os dados dos sensores são consolidados para monitoramento em tempo real, insights acionáveis e automação de processos. Alertas podem ser acionados imediatamente quando quaisquer condições fora de especificação entre equipamentos e processos em execução surgem. Isso oferece aos fabricantes controle sem precedentes sobre suas operações e saídas de produtos. Além da inspeção de qualidade reativa de fim de linha, os dados da IoT capacitam uma abordagem proativa de garantia da qualidade para diagnosticar e prevenir defeitos muito antes no processo para máximo rendimento e repetibilidade de produção. Isso também leva a custos e desperdícios reduzidos. Concurrentemente, fornece insights valiosos para alcançar e manter as melhores práticas.

Cinco Aplicações Líderes para Gestão Proativa da Qualidade:

1. Monitoramento de Condição e Manutenção Preditiva

Sensores IoT capturam e comunicam métricas-chave de saúde e operacionais como pressão, vibração, temperatura, umidade e tensão de numerosas máquinas e equipamentos em todo o complexo industrial (monitoramento de condição). Além de gerar um panorama perspicaz dos processos de produção atuais e desempenho de ativos, esses fluxos massivos de dados alimentam modelos analíticos para prever proativamente um problema iminente e agendar inspeção e reparo baseados na demanda (manutenção preditiva). Por exemplo, alta umidade na caixa de engrenagens diminui o desempenho de componentes rotativos, resultando em corrosão, qualidade do produto prejudicada ou até quebra de máquina. Vibração excessiva de motores e bombas sugere possíveis defeitos de montagem, desalinhamento de eixo e desgaste de rolamentos. Com manutenção preditiva, falhas podem ser evitadas antecipadamente, maximizando a utilização de ativos e reduzindo perdas custosas devido a tempo de inatividade.

2. Monitoramento Ambiental

Condições ambientes podem desempenhar um papel significativo na produção e gestão da qualidade. Com a ajuda de sensores ambientais que medem temperatura, umidade e qualidade do ar, operadores de 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 a diferença de pressão de ar ideal evita infiltração de poeira na área de manufatura, garantindo assim a qualidade do produto nas indústrias farmacêutica e microeletrônica. Processos de colagem e pintura na produção automotiva podem ser melhorados com nível ideal de umidade. Da mesma forma, o monitoramento preciso de temperatura de instalações de processamento e armazenamento pode garantir a segurança do produto na indústria alimentícia.

3. Rastreamento e Gestão de Ativos

Sensores IoT anexados a ativos individuais como ferramentas, máquinas e veículos capturam e reportam informações detalhadas sobre condições atuais, bem como onde e como estão sendo usados. Ao ter uma visão holística e em tempo real de ativos entre sites, operadores podem identificar rapidamente equipamentos subutilizados, diagnosticar problemas iminentes e gargalos, e mobilizar facilmente ferramentas e peças. Em última análise, a aplicação de IoT para gestão de ativos permite que organizações otimizem atividades de manutenção e vida útil dos ativos, enquanto eliminam 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. Transbordamento ou vazamento de produtos químicos e gases não apenas leva a perdas de produção, mas também causa danos sérios ao meio ambiente e ameaça a segurança pública. Implementando sensores de nível, vibração, vazão e pressão, empresas podem monitorar a saúde estrutural de seus tanques e tubulações amplamente distribuídos 24/7, enquanto reduzem simultaneamente verificações manuais. Alertas são emitidos sobre potenciais derramamentos, vazamentos ou rupturas que poderiam levar a desastres. Alertas sobre níveis baixos de material em tanques também podem ser emitidos para reabastecimento oportuno e melhoria da produtividade.

5. Gestão de Instalações

IoT permite gestão e proteção digitalizadas de instalações críticas de planta. Elevadores, detectores de fumaça, alarmes de incêndio e outros recursos de instalações habilitados para IoT em toda a fábrica podem enviar periodicamente dados sobre saúde da bateria ou status "vivo". Isso ajuda fabricantes a reduzir inspeções manuais demoradas, enquanto 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 sendo um desafio inerente na maioria dos ambientes industriais, implantações de IoT podem muitas vezes parecer esmagadoramente 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 buscam capitalizar novas aplicações de IoT, é importante considerar a confiabilidade a longo prazo, integrabilidade e gerenciabilidade da rede de comunicação à medida que ela escala para acomodar milhares de endpoints conectados. A realidade é que tudo se resume a escolher a conectividade IoT certa para o caso de negócio certo.

Instrumentação sem fio não é necessariamente nova na manufatura, mas requisitos cruciais em termos de alcance, energia e facilidade de integração limitam as opções viáveis. Por exemplo, aplicações de monitoramento industrial podem exigir milhões de mensagens por dia a serem enviadas de milhares de sensores. Isso demanda uma solução altamente escalável e eficiente em energia para evitar substituição e descarte frequentes de baterias que podem rapidamente inflar o custo total de propriedade. Da mesma forma, vastas instalações industriais estruturalmente densas requerem comunicação sem fio confiável que possa percorrer longas distâncias e negociar obstruções físicas. O design tradicional de instalações de manufatura também cria desafios. Soluções sem fio devem ser capazes de integrar com equipamentos legados como CLPs para quebrar silos de dados e fornecer acesso a informações anteriormente inacessíveis.

Tecnologias sem fio legadas não conseguem acompanhar os requisitos de alcance, energia e custo em redes de sensores IoT. Conectividade celular tradicional (ex: 3G, LTE, etc.) e redes locais sem fio (Wi-Fi) são muito caras e famintas por 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 muitas delas empreguem uma topologia de malha para estender sua cobertura, o relay multi-hop consome energia, enquanto envolve planejamento e gerenciamento complexos de rede. Como tal, redes de malha são adequadas para aplicações de médio alcance na melhor das hipóteses.

Redes de área ampla de baixa potência (LPWAN) são únicas pois superam essas armadilhas e entregam uma solução eficiente, acessível e fácil de implantar para redes IoT em massa. O apelo da LPWAN deriva de suas duas características distintivas: longo alcance e baixo consumo de energia. Enquanto Wi-Fi e Bluetooth só podem comunicar sobre dezenas ou cem metros na melhor das hipóteses, uma LPWAN é capaz de transmitir sinais até 15 km em áreas rurais e até 5 km em áreas urbanas estruturalmente densas. Além disso, protocolos leves e otimizados para energia reduzem custos de transceptores enquanto permitem vida de bateria muito longa para nós sensores.

É importante notar, no entanto, que a qualidade de serviço varia entre tecnologias LPWAN. Isso se deve principalmente a duas razões – 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). Embora tragam benefícios significativos de energia, transmissões não coordenadas em redes assíncronas aumentam muito a chance de colisões de pacotes e perda de dados. À medida que implantações de IoT sem fio e tráfego de rádio nas bandas sub-GHz livres de licença crescem rapidamente, LPWANs legadas potencialmente vêm com sérios desafios de qualidade de serviço (QoS) e escalabilidade causados por interferência de canal compartilhado. No mesmo sentido, padronização e suporte confiável de mobilidade são outros fatores críticos a não serem ignorados.

Conclusão

A capacidade de identificar padrões ocultos, prever problemas futuros, prever uso e custos, e derivar insights de dados de sensores IoT remodelará o processo industrial para sempre. Embora o setor tenha adotado tecnologia de comunicação por algum tempo, nova conectividade sem fio como LPWAN está ajudando a trazer muito mais pontos de dados online a um preço muito menor. Em meio a desafios industriais compostos, a implementação de IoT pode ser um ponto de virada para levar a gestão da qualidade e eficiência operacional ao próximo nível e manter-se no topo da competição.

Este artigo foi escrito por Wolfgang Thieme, Diretor de Produto, BehrTech (North York, ON, Canadá). Para mais informações, contate o Sr. Thieme em wthieme@behrtech.com ou visite aqui .