Sistemas Ciber-Físicos: A Força Motriz por Trás da Indústria 4.0

A ideia principal por trás da implementação de soluções da Indústria 4.0 é capacitar empresas de manufatura a melhorar a colaboração entre vários departamentos, disponibilizando a informação certa para as pessoas certas em tempo real. O objetivo é facilitar a tomada de decisão apropriada no momento certo, aumentando assim eficiência e produtividade.

Sistemas Ciber-Físicos

O elemento-chave na implementação dos conceitos da Indústria 4.0 é a ideia de sistemas ciber-físicos (SCF). O termo "sistemas ciber-físicos" foi cunhado por Helen Gill na Fundação Nacional de Ciência nos Estados Unidos.

Segundo a Publicação Especial NIST 1500-201 Framework for Cyber-Physical Systems: Volume 1, Overview, sistemas ciber-físicos são sistemas inteligentes que incluem redes projetadas de interação de componentes físicos e computacionais. A publicação destaca que esses sistemas altamente interconectados e integrados fornecem novas funcionalidades para melhorar qualidade de vida e permitir avanços tecnológicos em áreas críticas, como saúde personalizada, resposta a emergências, gestão de fluxo de tráfego, manufatura inteligente, defesa e segurança nacional, e suprimento e uso de energia. Assim, SCF têm grande potencial para permitir aplicações inovadoras e impactar múltiplos setores econômicos na economia mundial.

Acatech (Academia Nacional de Ciência e Engenharia, Alemanha), em seu relatório Cyber-Physical Systems, descreve SCF como segue: sistemas ciber-físicos são sistemas com software embarcado (como parte de dispositivos, edifícios, meios de transporte, rotas de transporte, sistemas de produção, processos médicos, processos logísticos, processos de coordenação e processos de gestão). Sistemas ciber-físicos:

• Registram diretamente dados físicos usando sensores e afetam processos físicos usando atuadores

• Avaliam e salvam dados registrados e interagem ativa ou reativamente tanto com o mundo físico quanto digital

• São conectados uns aos outros e em redes globais via facilidades de comunicação digital

• Usam dados e serviços globalmente disponíveis

• Têm uma série de interfaces homem-máquina multimodais dedicadas

O resultado é uma riqueza de soluções e aplicações de longo alcance para todas as áreas de nossa vida cotidiana.

Manufatura e Sistemas Ciber-Físicos

Da perspectiva da indústria de manufatura, um sistema ciber-físico é uma entidade física habilitada para internet, como uma bomba ou compressor, embutida com computadores e componentes de controle consistindo de sensores e atuadores. Tal entidade, que tem endereço IP atribuído, é capaz de auto-monitoramento, geração de informações sobre seu próprio funcionamento, e comunicação com outras entidades associadas ou mesmo externas. É uma operação auto-reguladora e autônoma.

Nos próximos anos, à medida que a Quarta Revolução Industrial evolui, empresas industriais começarão a alavancar os princípios de SCF cada vez mais para ajudar a alcançar excelência operacional através de melhorias de produtividade, implantação eficiente de todos os recursos (incluindo material e humano), satisfação do cliente e aumento de valor para acionistas. Visualizando este desenvolvimento, Klaus Schwab, fundador e presidente executivo do Fórum Econômico Mundial, usou o termo "Quarta Revolução Industrial" para descrever a tendência.

A base para a Indústria 4.0 foi estabelecida durante a Terceira Revolução Industrial, caracterizada pela aplicação extensiva de eletrônica e computadores para automatizar processos de produção industrial. O uso expandido de eletrônica e computadores contribuiu para seus preços decrescentes, miniaturização e robustez de computadores, e aumento massivo em poder de computação e processamento. Tecnologias digitais e de comunicação começaram a convergir. Testemunhamos os primeiros estágios de desenvolvimento de computação de borda/nuvem, Internet Industrial das Coisas (IIoT), inteligência artificial (IA), robôs autônomos, e outros. A integração de tecnologias digitais com tecnologias industriais está destinada a transformar a manufatura e ajudar a realizar a visão da Indústria 4.0.

O princípio da Indústria 4.0 é que uma empresa de manufatura será capaz de alcançar maior eficiência, produtividade e operação autônoma de processos de produção garantindo que máquinas/equipamentos de planta, sistemas logísticos, componentes em processo, e outros elementos (incluindo pessoas) se comuniquem diretamente entre si para alcançar colaboração. Uma empresa de manufatura que queira alinhar sua visão com a da Indústria 4.0 deve tomar medidas para converter entidades físicas existentes em sistemas ciber-físicos.

Baseado em sua própria avaliação, cada empresa deve identificar máquinas, equipamentos ou outros sistemas físicos de sua planta industrial que tenham potencial para entregar valor máximo. A empresa deve prosseguir para integrá-los com sistemas cibernéticos e evoluir para uma rede de sistemas ciber-físicos. Um complexo de refinaria, por exemplo, pode ter tank farms no local e fora do local com dutos, válvulas de controle e estações de bombeamento conectando-os à planta principal. Quanto à manutenção de tank farm, a prática atual tipicamente é inspeção manual e manutenção periódica, que é cara e não eficiente. Convertendo esses ativos em SCF e apoiando-os com software de análise adequado, a refinaria poderá mudar para monitoramento remoto, e manutenção preditiva pode beneficiar.