O Que é uma Fábrica Inteligente e Por Que Você Deveria Considerá-la para Sua Manufatura?

A fábrica inteligente - ou manufatura inteligente - é um conceito relativamente novo na manufatura, e uma parte central da tendência ideologia "Indústria 4.0".

Em resumo, a fábrica inteligente pode ser definida como um sistema dentro de uma planta/fábrica de manufatura que está completamente integrado para permitir uma resposta em tempo real.

A implementação de uma fábrica inteligente permite que o negócio seja mais rápido e flexível ao responder às demandas dos clientes e à situação de mercado em constante mudança. Ela pode beneficiar uma fábrica em praticamente todos os aspectos, desde o planejamento, a velocidade de manufatura, a qualidade do produto final, e o desenvolvimento de produtos.

Vamos aprender mais sobre a fábrica inteligente e como ela pode beneficiar sua planta de manufatura.

O Que é uma Fábrica Inteligente

Não podemos entender adequadamente o conceito e a definição de fábrica inteligente sem primeiro discutir a Indústria 4.0.

Em termos simples, "Indústria 4.0" é um jargão usado para descrever a quarta revolução industrial, que já está acontecendo agora.

No núcleo dessa quarta revolução industrial estão a automação de máquinas/equipamentos (máquinas inteligentes) e até mesmo a automação de fábricas inteiras (as fábricas inteligentes).

Assim, podemos dizer que uma fábrica inteligente é uma fábrica automatizada: uma planta de manufatura que pode operar por conta própria sem nenhuma intervenção humana. No entanto, a automação não é a única característica que torna uma fábrica inteligente.

Em vez disso, uma fábrica pode ser categorizada como inteligente quando exibe as seguintes características:

• Coleta e análise de dados

Uma fábrica inteligente deve ser capaz de coletar e analisar dados automaticamente, por meio da instalação de sensores e dispositivos IoT interconectados.

Com essa análise de dados, a fábrica pode analisar tendências históricas, identificar padrões, e usar as informações para tomar melhores decisões.

As decisões podem ser tomadas manualmente - por exemplo, por operadores - ou o resultado da análise de dados pode ser transmitido a dispositivos e máquinas IIoT (IoT Industrial) para permitir a automação.

• Customização e personalização de produtos

Outra característica fundamental de uma fábrica inteligente é sua capacidade de produzir bens personalizados para atender aos requisitos de cada cliente, em vez de unidades produzidas em massa.

Com a ajuda de tecnologias avançadas, como software de simulação, impressão 3D e outras, agora é viável fabricar produtos personalizados em pequenas quantidades. Antes das fábricas inteligentes e da indústria 4.0, a produção em massa era a única forma econômica de fabricar produtos, mas esse não é mais o caso.

• Interconectividade

As fábricas inteligentes (e as máquinas inteligentes) são todas sobre interconectividade e troca de dados de alta velocidade entre sensores, dispositivos e máquinas industriais.

Isso cria um fenômeno que chamamos de convergência TI/TO: a fusão entre TI (Tecnologia da Informação) e TO (Tecnologia Operacional), permitindo que as máquinas TO do mundo real se comuniquem com uma rede digital.

A aplicação dessa convergência TI/TO é praticamente ilimitada. Para uma empresa com múltiplas plantas, por exemplo, uma máquina na planta A pode ser utilizada pela planta B por meio de comunicações em nuvem em tempo real, aumentando efetivamente o rendimento de cada planta.

• Cadeia de suprimentos orientada por dados

As fábricas inteligentes podem enviar seus dados de produção aos fornecedores em tempo real, para facilitar um cronograma de entrega mais eficiente. Por exemplo, o fornecedor pode saber imediatamente se a fábrica está consumindo materiais mais rápido que o normal (ou seja, devido ao aumento da demanda) e pode decidir enviar o material um dia antes. Por outro lado, quando uma planta está sofrendo interrupções, o fornecedor pode redirecionar a entrega para evitar tempo desperdiçado.

Do outro lado da cadeia de suprimentos, a fábrica também pode usar a análise de dados - por exemplo, dados de tráfego e clima - para planejar o momento mais ideal para enviar produtos acabados, permitindo economizar dinheiro e tempo.

No momento, várias tecnologias baseadas em Blockchain também estão sendo desenvolvidas para melhorar ainda mais a transparência da cadeia de suprimentos nas fábricas inteligentes.

Quais tecnologias estão impulsionando as fábricas inteligentes?

Para alcançar as características "inteligentes" discutidas acima, uma fábrica inteligente deve aproveitar o uso de várias tecnologias:

1. Internet Industrial das Coisas (IIoT)

A IoT Industrial, ou IIoT, é a implementação da IoT na manufatura, incluindo fábricas.

A Internet das Coisas, ou IoT, trata essencialmente de conectar dispositivos que tradicionalmente não são conectados à internet, incluindo máquinas no piso de fábrica.

A implementação básica de IIoT em fábricas inteligentes é equipar as máquinas com sensores conectados à nuvem, permitindo que o sensor transmita os dados de desempenho da máquina para a rede.

A IIoT torna possível que as fábricas coletem e analisem uma quantidade massiva de dados de produção em tempo real, além de facilitar a automação.

2. Inteligência Artificial

A IA e suas extensões, o aprendizado de máquina e o aprendizado profundo, permitem que as plantas de manufatura aproveitem a grande quantidade de dados coletados pelos sensores IoT.

Por exemplo, a IA pode usar os dados coletados das máquinas para analisar qual é o momento mais ideal para os materiais serem entregues pelos fornecedores, ou para realizar manutenção preventiva para evitar quebras.

A IA pode facilitar a automação e melhorar a visibilidade das operações, resultando, em última análise, em maior eficiência e produtividade no processo de manufatura.

3. Computação em nuvem

A computação em nuvem trata de conectividade, e simplesmente não há fábrica inteligente sem conectividade e integração.

Para ser mais exato, uma fábrica inteligente exige computação em nuvem para facilitar a integração da engenharia, do processo de manufatura, da cadeia de suprimentos, da distribuição e do suporte ao cliente.

Uma fábrica inteligente totalmente desenvolvida envolve uma grande quantidade de dados sendo armazenados, transportados e analisados, e a computação em nuvem pode ajudar a facilitar o processamento desses dados de uma forma mais rápida e econômica.

Para fábricas com capital limitado, a computação em nuvem também pode ajudar a reduzir os custos que, de outra forma, seriam gastos em investimento em hardware e outras despesas.

4. Gêmeo digital

O termo "gêmeo digital" se refere a uma réplica virtual (um "gêmeo") de processos de manufatura, linhas de produção e cadeias de suprimentos.

Um gêmeo digital é criado a partir dos dados coletados de sensores IoT, dispositivos e outros objetos conectados, com a ajuda de IA.

A implementação real dos gêmeos digitais pode variar dependendo das necessidades únicas da fábrica inteligente. Por exemplo, as fábricas podem criar um gêmeo exato de suas linhas de produção e usar esse gêmeo para testar novas aplicações e identificar gargalos.

5. Cibersegurança

Os cibercriminosos estão praticamente em todo lugar hoje em dia, e implementar cegamente uma fábrica inteligente sem primeiro estabelecer uma prática robusta de cibersegurança é simplesmente suicida.

Como discutido, uma característica fundamental de uma fábrica inteligente é conectar equipamentos operacionais à nuvem. No entanto, embora a conectividade permita automação e operações mais eficientes, ela também abre novas vulnerabilidades para ciberataques e malware.

Ao projetar e implementar uma fábrica inteligente, é fundamental considerar uma abordagem holística de cibersegurança, para proteger tanto os aspectos de TI quanto de TO da fábrica inteligente.

6. Realidade virtual e aumentada

Nem toda fábrica inteligente implementou AR e VR, mas a adoção da tecnologia tem crescido rapidamente nos últimos anos.

A VR (Realidade Virtual) é uma tecnologia digital que permite que seus usuários vivenciem um mundo virtual imersivo por meio do uso de óculos especiais. A AR (Realidade Aumentada), por outro lado, é a sobreposição de informações digitais sobre a realidade, por meio de uma câmera digital (comumente via a câmera de um smartphone).

As fábricas inteligentes podem integrar AR e VR para fornecer sinalização (fábrica visual), organizar produtos, e auxiliar na manutenção e reparo de equipamentos, entre outras aplicações.

Projetando uma fábrica inteligente: 5 princípios-chave

As fábricas inteligentes podem ser projetadas em vários tamanhos e formatos, em muitos setores diferentes.

No entanto, todas as implementações de fábrica inteligente devem seguir estes princípios:

1. Modularidade

O termo "modularidade" se refere à capacidade dos componentes de um sistema (neste caso, máquinas, ferramentas e soluções em uma fábrica inteligente) de serem separados, recombinados e reconfigurados conforme necessário, de forma rápida e acessível, no método plug-and-play.

Uma fábrica inteligente deve possuir um nível adequado de modularidade, para facilitar a integração entre os componentes e a reconfiguração rápida sempre que necessário. Na prática, a modularidade permite que a fábrica inteligente mude seu processo de manufatura rapidamente, para responder às demandas dos clientes que mudam rapidamente.

A implementação da modularidade em uma fábrica inteligente também deve levar em conta a redundância. Ou seja, a modularidade não deveria ser fornecida por um único fornecedor, mas sim por vários outros fornecedores, para evitar a dependência.

Por exemplo,

2. Interoperabilidade

A interoperabilidade no contexto da manufatura inteligente se refere à capacidade de um sistema de compartilhar informações entre os componentes. Em um contexto mais amplo, também pode se referir à capacidade de compartilhar informações de negócio entre uma planta de manufatura e seus clientes.

No núcleo da interoperabilidade nas fábricas inteligentes está a padronização, especialmente nos sistemas mecânicos, elétricos e de informação. Sistemas padronizados podem se conectar e se comunicar entre si perfeitamente, para facilitar a interoperabilidade

Um exemplo de interoperabilidade em uma fábrica inteligente é como uma máquina é conectada via nuvem a duas fábricas diferentes e pode realizar tarefas diferentes conforme solicitado pelas duas plantas. Isso é possibilitado por tecnologias como a Arquitetura Unificada OPC (Open Platform Communications), uma plataforma desenvolvida pela fundação OPC, que facilita comunicações abertas e padronizadas entre máquinas, bem como entre um computador e uma máquina.

3. Descentralização

A descentralização se refere a como diferentes elementos e componentes na fábrica inteligente (ou seja, módulos, software, etc.) podem tomar decisões por si mesmos de forma automatizada, com base nos dados coletados de sensores e entradas do usuário, sem exigir controle de usuários humanos ou de hardware/software de controle.

Em um sistema de fábrica inteligente verdadeiramente descentralizado, uma máquina pode tomar decisões independentes em tempo real, mas, se necessário, os operadores humanos podem intervir para tomar uma decisão (e ação) diferente, dependendo das necessidades estratégicas ou táticas.

Um exemplo de descentralização em fábricas inteligentes é o uso de sensores e atuadores conectados a um Sistema Ciberfísico (CPS). Um CPS é uma plataforma computacional autônoma que pode tomar decisões e enviar saídas com base nos dados coletados dos sensores conectados a ele. Um sistema de piloto automático em um avião é um exemplo de CPS, e com as tecnologias de hoje, podemos

implementar um sistema de piloto automático semelhante em uma planta de manufatura.

4. Virtualização

A virtualização, no contexto da manufatura inteligente, é a prática de criar um ambiente virtual com a ajuda de um CPS, para monitorar e simular os processos físicos de um processo de manufatura.

Como discutido, em um sistema CPS, os sensores coletam os dados de desempenho de uma máquina. A virtualização pode então usar esses dados para criar um ambiente virtual. Quanto mais abrangentes forem os dados coletados, mais próximo o processo virtual estará do processo de manufatura real virtualizado.

Na prática, os sistemas virtuais podem ser implementados para monitorar e controlar equipamentos físicos dentro do ambiente da fábrica inteligente. A fábrica também pode usar a virtualização para criar protótipos digitais do processo de manufatura, permitindo verificar e modificar o modelo de processo sem interromper o processo real. Isso pode ajudar a empresa a diagnosticar o processo de produção, para prever e prevenir erros.

As fábricas também podem aproveitar a virtualização para treinar funcionários e operadores, permitindo que operadores recém-contratados aprendam o processo de manufatura da planta estudando e vivenciando o modelo virtual.

5. Orientação a serviços

Uma fábrica inteligente deve mudar seu paradigma, da indústria de manufatura tradicional que se concentra exclusivamente em fabricar e vender produtos, para uma que venda e forneça serviços.

Na verdade, há uma tendência em curso para que as empresas de manufatura inteligente vendam seus produtos com margem zero ou até mesmo com prejuízo, para ganhar dinheiro vendendo serviços de assinatura, treinamento, manutenção e outras estratégias orientadas a serviços.

A implementação de práticas de fábrica inteligente, especialmente a manufatura em nuvem, é muito significativa para facilitar essa transformação do modelo de negócio.

6. Resposta em tempo real

A capacidade da fábrica de responder a mudanças - sejam mudanças nas demandas dos clientes ou mudanças devido a mau funcionamento ou falha do sistema - de forma rápida e oportuna.

Para poder responder às demandas dos clientes, o fluxo de informações da fábrica inteligente deve ser acessível e disponível para análise em tempo real. Então, o sistema da fábrica inteligente pode decidir automaticamente se é possível responder a essa demanda no momento, após considerar a disponibilidade de recursos e outros fatores.

Para facilitar a resposta em tempo real, a fábrica inteligente também deve ter um alto nível de modularidade, para que uma reconfiguração rápida possa ser alcançada quando necessário, para responder às demandas únicas de um cliente. A fábrica deve ser capaz de detectar e corrigir quaisquer falhas e erros do sistema o mais rápido possível, para que possa se recuperar rapidamente de qualquer tempo de parada.

Estrutura de dados e fábrica inteligente: níveis de implementação

Agora que aprendemos sobre os princípios-chave do design de fábrica inteligente, podemos ver que a acessibilidade dos dados é o fator mais crítico na implementação de uma fábrica inteligente.

No núcleo da transformação de uma fábrica tradicional em uma fábrica inteligente está a automação da coleta de dados de máquinas, linhas de produção e aplicações, e o aproveitamento desses dados para obter insights valiosos. Isso é possibilitado pela adoção de tecnologias de IoT Industrial (IIoT), como o software LineView Smart Factory.

Uma fábrica que ainda não implementou tecnologias IIoT para coleta e análise de dados normalmente tem seus dados presos em um sistema isolado - ou pior, não tem nenhum dado disponível - o que é muito difícil de analisar e transformar em insights.

Normalmente é necessário um trabalho manual e difícil para traduzir e integrar quaisquer dados disponíveis em informações úteis, frequentemente de múltiplas aplicações ou sistemas desconectados. Podemos chamar essa condição de nível zero, e se uma empresa permanecer neste nível, isso resultará em um desperdício significativo de tempo, recursos e dinheiro.

Abaixo, discutiremos os quatro níveis de transformação da estrutura de dados na implementação de uma fábrica inteligente. Conhecer esses níveis pode ajudá-lo a avaliar onde você está no momento e o que você precisará fazer para chegar ao próximo nível.

Nível 1: Dados conectados e acessíveis

O primeiro nível de transformação da fábrica inteligente é conectar todos os dados úteis, integrando diferentes fontes de dados (atualmente desconectadas) em um sistema centralizado que coleta continuamente os dados e rastreia a produção de dados.

Neste nível, os dados começam a ser organizados estruturalmente em um único local que está sempre disponível, permitindo o monitoramento em tempo real e o monitoramento remoto do piso de fábrica. Com acesso fácil a dados valiosos, tanto a fábrica quanto seus operadores podem obter maior produtividade e agilidade, que podem responder melhor às demandas em constante mudança.

No entanto, nesta etapa, ainda levará à fábrica uma quantidade significativa de tempo e trabalho manual antes que ela possa realizar uma análise preditiva, uma abordagem proativa para transformar dados em insights valiosos que permitem à empresa prever e prevenir problemas antes que ocorram.

Isso significa que, embora a análise de dados esteja disponível em certa medida, na maioria dos casos a fábrica ainda depende da resolução reativa de problemas.

Para avançar deste nível para o próximo, a fábrica deve começar a integrar tecnologias de IA e aprendizado de máquina que permitam uma análise preditiva mais rápida e precisa.

Nível 2: Dados ativos e análise preditiva

Neste segundo nível, a fábrica inteligente integrou IA e aprendizado de máquina para realizar análise preditiva, permitindo que os operadores realizem manutenção preventiva ou tomem outras ações proativas para evitar falhas de qualidade ou tempo de parada.

O principal benefício da análise preditiva é a eliminação da análise de dados manual e demorada, para que os operadores possam concentrar seu tempo e esforços em outras coisas produtivas. Os sistemas automatizados podem detectar anomalias e possíveis problemas, para prever com precisão falhas futuras e tomar as ações necessárias para preveni-las.

Combinada com uma estrutura de dados conectada que centraliza todos os dados de produção da sua fábrica, com o aprendizado de máquina, agora você tem um sistema inteligente que pode identificar e prevenir problemas de forma mais rápida e precisa.

Para avançar para o próximo nível, você precisará que a tecnologia de aprendizado de máquina amadureça, "consumindo" mais dados (pelo menos 3-6 meses de dados) para permitir uma análise prescritiva precisa.

Nível 3: Análise prescritiva orientada à ação

A análise prescritiva leva a otimização um passo além, sugerindo recomendações sobre como otimizar seu processo de manufatura e até mesmo automatizar alguns de seus processos com base em:

• Os lotes mais eficientes da sua fábrica; a IA tentará replicá-los para alcançar mais consistência
• A análise de dados históricos de outras fábricas, permitindo que você use suas configurações de otimização

Na prática, a análise prescritiva identifica variáveis e configurações que contribuem para seus lotes mais e menos eficientes, e enviará recomendações aos seus operadores e engenheiros. Os engenheiros podem então revisar os insights e realizar as mudanças que julgarem apropriadas.

Seguir as recomendações dos resultados da análise prescritiva permite que as fábricas eliminem ineficiências, melhorem a produtividade e, em última análise, melhorem a lucratividade da empresa.

Nível 4: Automação

Neste nível mais avançado, a tecnologia de aprendizado de máquina implanta automaticamente a recomendação da análise prescritiva, analisando os resultados de manufatura.

Um modelo de aprendizado de máquina identificará a possibilidade de otimização, e então enviará as configurações recomendadas em tempo real para a máquina ser otimizada. A máquina executará automaticamente essa configuração recomendada, e o resultado dessa instância de produção será automaticamente enviado de volta ao modelo de aprendizado de máquina para análise posterior.

Para alcançar essa automação de nível quatro, o modelo de aprendizado de máquina requer um conjunto de dados grande o suficiente, com resultados validados adequados, para permitir uma automação precisa e confiável. A quantidade de tempo necessária para uma fábrica inteligente avançar do nível 3 para o nível 4 variará dependendo do tempo necessário para reunir esses conjuntos de dados.

Benefícios da implementação de fábrica inteligente na indústria 4.0

Quais são os benefícios de implementar a manufatura inteligente para as empresas?

1. Processo de manufatura mais rápido e custos operacionais reduzidos

Com a descentralização e a modularidade, a implementação de uma fábrica inteligente permite que seus componentes tenham múltiplas funções (e, às vezes, múltiplas formas).

Com uma solução ou máquina de manufatura inteligente tendo duas ou mais funções, o processo operacional pode ser executado de forma muito mais rápida e eficiente. Em fábricas maiores que fabricam milhares de unidades todos os dias, esse aumento incremental na produtividade pode se somar de forma significativa.

Além de permitir operações mais rápidas, a utilização de tecnologias inteligentes também pode ajudar a minimizar erros, o que, por sua vez, resultará em eficiência aprimorada e custos operacionais reduzidos.

1. Manutenção automatizada e mais eficiente

Não importa o quão cara e aparentemente perfeita seja uma máquina, ela sempre exigirá manutenção, mais cedo ou mais tarde.

As implementações de manufatura inteligente permitem que as fábricas mudem de uma manutenção manual e demorada para uma manutenção automatizada, preventiva e mais eficiente. A manutenção pode ser realizada antes da falha da máquina, para prevenir o tempo de parada, mas, ao mesmo tempo, não deve ser realizada com muita frequência, pois isso resultaria em perdas de eficiência.

1. Treinamento mais eficaz e recursos humanos aprimorados

Embora um dos pilares fundamentais da fábrica inteligente seja a automação, os recursos humanos ainda serão parte integral da maioria das fábricas, pelo menos no futuro próximo.

A virtualização permite programas de treinamento avançados com a ajuda de simulação, que também é mais econômica do que o treinamento no mundo real. Além da economia de custos, o treinamento virtual também pode oferecer outros benefícios, como um cronograma mais flexível, menores riscos de acidentes e perigos, resultados de treinamento mais precisos e rápidos, e assim por diante.

Concluindo

Embora as fábricas inteligentes ou a manufatura inteligente ainda sejam um conceito relativamente novo na manufatura, os benefícios da implementação de uma fábrica inteligente já são muito evidentes.

A fábrica inteligente não apenas permitirá que os processos de manufatura sejam mais produtivos e eficientes, mas também pode ajudar as empresas de manufatura a mudarem seu modelo de negócio de um modelo exclusivamente orientado a produtos para modelos mais lucrativos e sustentáveis, orientados a serviços.

No entanto, a implementação real de uma fábrica inteligente pode ser mais fácil de falar do que de fazer. Você ainda precisará de uma avaliação cuidadosa do seu processo atual e de um planejamento meticuloso. No entanto, apesar da implementação potencialmente desafiadora, os benefícios que ela trará valerão a pena a longo prazo.