Automatização na Indústria 4.0

Em tempos em que os mercados estão voláteis e os produtos são personalizados até uma unidade, as alterações rápidas de lotes tornaram-se um fator crucial. A inteligência de fabrico modular diretamente ao nível de campo fornece a flexibilidade necessária, como no design dos terminais de válvulas ou nos sistemas de transportadores com controladores integrados.

No projeto de pesquisa da SmartFactory Indústria 4.0, a Festo representou um papel muito importante ao tornar realidade as células de máquinas flexíveis, modulares e interconectadas e de vários fabricantes. A Festo já colocou isto em prática nas suas Instalações Tecnológicas de Scharnhausen. Ali, a empresa mostra, entre outras coisas, que os tempos de configuração das linhas de montagem interligadas podem diminuir de várias horas para apenas 13 segundos. Isto significa que também pode implementar de forma fácil novas tecnologias ou métodos de produção numa só tarde. E, inclusive, a reatribuição de um sistema inteiro já não demora três semanas, mas três dias.

É importante notar que na Indústria 4.0, os sistemas existentes também podem ser mantidos a baixo custo com os componentes adequados instalados. Por enquanto, os fabricantes ou utilizadores terão de definir as especificações das interfaces da máquina para os seus próprios processos; as normas relevantes ou as recomendações de VDMA ainda serão lançadas.

Os custos energéticos não irão diminuir por si mesmos. A chave para a produção eficiente recai nos seus próprios recursos e na gestão energética que só é possível nos sistemas conectados. O edifício de produção da Festo, as Instalações Tecnológicas de Scharnhausen, são o principal exemplo. Com características compostas pelo excelente isolamento, recuperação de calor e geração de ar comprimido personalizado sob pedido, as instalações cumprem com as maiores normas energéticas.

No entanto, acima de tudo, os sensores conectados monitorizam o consumo de todas as máquinas. As aplicações M2M (máquina-máquina) comunicam-se autonomamente através do OPC UA com o sistema de execução de produção (MES), que está configurado para realizar uma ótima sincronização e evitar picos energéticos. Os sistemas existentes foram instalados com os sensores necessários e com os mini-sistemas de controlo, incluindo o terminal elétrico CPX e o módulo de eficiência energética MSE6-E2M. Isto exigiu um investimento de aproximadamente 3.000 a 5.000 euros por máquina. Em termos de benefícios, poupará a fábrica de um gasto de energia de cerca de 3 GWh e o investimento estará pago em menos de três anos. Noutros projetos para o cliente, o suporte dado pelos Festo Energy Saving Services resultou em poupanças até 60%. Para novos sistemas, o grande potencial reside no desenho de baixo custo.

O maior benefício da Indústria 4.0 é a manutenção preditiva, que minimiza o tempo de inatividade não planeado. Os iPads foram uma parte essencial do projeto piloto na Festo, por terem permitido que o pessoal não apenas visualizasse mensagens de erro do sistema nos tablets, como também todas as instruções de reparação, planos, listas de materiais e listas de peças sobresselentes. Se necessário, podem consultar especialistas pelo chat, carregar pedidos de reparação anteriores e ver o armazém de peças sobresselentes online. Isto esclarece de imediato que mensagens de erro continuam por resolver e que funcionário e prioridade lhes foi atribuída.

No futuro, as atividades de manutenção poderiam ser ainda mais expandidas para incluir a conexão em tempo real à lista de pedidos e ao suporte de AR (realidade aumentada) O projeto piloto foi tão bem sucedido que estamos a executar este sistema em todas as fábricas da Festo. A OEE (eficácia geral do equipamento) dos sistemas de produção aumentou significativamente, os funcionários estão mais motivados e o investimento foi pago em menos de seis meses.

Também pode usar a aplicação móvel de manutenção AX Smartenance (manutenção inteligente) na sua fábrica como gestora de manutenção digital.

A Indústria 4.0 é toda sobre aplicações práticas. Na nossa Instalações Tecnológicas de Scharnhausen produzimos as nossas válvulas, terminais de válvulas, circuitos impressos e módulos nas linhas de montagem de rede no processo flexível, energeticamente eficiente e altamente produtivo.

De acordo com a Theory of Constraints (TOC) de E. M. Goldratt, todos os processos de criação de valor estão sujeitos a restrições. A montante da restrição, tudo fica congestionado; a jusante, a produção é executa normalmente a vazio. O objetivo é localizar e eliminar este estrangulamento para que o próximo fique visível e possa ser resolvido.

Expandimos esta TOC contínua nas Instalações Tecnológicas de Scharnhausen e acabamos por desenvolvê-la numa organização direcionada ao estrangulamento. O foco encontra-se, especificamente, nos prazos e no desempenho da entrega. Os indicadores-chave de desempenho (ICD) são os custos da produção, do inventário e da operação. Na prática, isto significa que todas as máquinas estão sistematicamente conectadas a uma rede da Indústria 4.0, para que todos os envolvidos recebam os dados necessários do MES online no ecrã, quer usem um PC, um tablet ou um smartphone.

Isto funciona muito bem para nós e para os nossos parceiros do projeto. Na indústria metalúrgica, por exemplo, os pedidos de acordo com a demanda da organização orientada pelo estrangulamento diminuíram os tempos de produção em 56% nas instalações e em 90% em unidades de desempenho individuais.

Em comparação à produção de lotes, a produção do fluxo é muito mais flexível. Os tempos de produção são curtos, a qualidade é excelente e os requisitos para o espaço também são poucos. Particularmente, os processos de fluxo com peça única podem ser concebidos para que os depósitos reguladores sejam eliminados em grande escala e a produção possa ser gerida com muito maior flexibilidade.

Um exemplo prático é a implementação dos sistemas Heijunka como parte da organização orientada pelo estrangulamento, envolvendo a cadeia de processos completa desde a costura à chanfragem, da perfuração à trituração, à usinagem fina e ao tratamento de superfícies. Tecnicamente, também inclui o uso de soluções inteligentes de manuseio da Festo e da comunicação M2M (máquina-máquina) através do OPC UA, o que mantém os dados operacionais das máquinas e os ICD sempre sincronizados. Em caso de avaria, toda a linha pode ser ajustada, para que não impulsione os fluxos de material que precisam ser processados ao fim de semana ou durante turnos noturnos dispendiosos.

Em cenários gémeos digitais da Indústria 4.0, é absolutamente essencial a identificação legível e única da máquina. Isto já está a ser implementado na Festo: a chave do produto é um QR ou um código de matriz de dados, ou um código alfanumérico de onze dígitos que identifica cada produto de forma clara. O que significa que terá sempre acesso seguro aos dados, tais como o código de tipo, o número de série e a versão. Pode soar-lhe familiar, mas a chave do produto faz ainda mais. Por exemplo, pode abrir automaticamente a documentação correta do utilizador e os dados CAD. E simplifica enormemente o processo de solicitação de componentes e peças sobresselentes. O código de identificação integrado permite que o pessoal destinado à manutenção ou os engenheiros submetam pedidos enquanto trabalham, completamente sem erros, mesmo no caso de terminais de válvulas complexos e subsistemas com centenas de peças individuais.

A chave de produtos da Festo também está preparada para a nuvem, já que pode ser usada como código de acesso para os sistemas que configurar (ou reconfigurar) usando uma aplicação e gerir através das plataformas IIoT. Como resultado, pode obter facilmente o firmware, atualizações e serviços mais recentes da Festo App World e ficar sempre do lado seguro.

Os sistemas Ticket são muito úteis, mas as soluções inteligentes concebidas para os processos de produção de fluxo e para a organização orientada ao estrangulamento são ainda melhores.

Em primeiro lugar, isto significa que o pessoal da manutenção é verdadeiramente móvel e tem todos os dados da aplicação e da máquina necessários disponíveis online e em tempo real nos tablets enquanto estão no terreno. Uma aplicação direciona-os para a próxima instalação antes de se tornar um estrangulamento, o que elimina a necessidade de viajar de uma sede de manutenção central para trabalhar na máquina, poupando várias horas de trabalho por semana em empresas maiores. Em segundo lugar, os pedidos têm prioridade segundo os critérios de eficiência, como a utilização da capacidade, o estado do pedido e o valor de saída da máquina. Em terceiro lugar, a manutenção móvel é o que de fato dá poder ao pessoal de manutenção para agir; numa situação ideal, pode pedir imediata e automaticamente as peças sobresselentes online usando a chave do produto.

Um exemplo de HMI (interface homem-máquina) que tem como base as pessoas é ProGlove , que parece uma luva de trabalho normal, mas tem um digitalizador de código de barras integrado nas costas da mão. Os funcionários da logística ativam-no através de sensores no polegar, permitindo-lhes criar automaticamente o registo digital do produto que estão a manusear durante a carga e a descarga. Para além disso, têm ambas as mãos livres. Isto é mais rápido e também funciona de forma perfeita nas estações de trabalho de montagem e manuais.

Nas Instalações Tecnológicas de Scharnhausen, já implementamos esta abordagem da indústria inteligente e marcamos e codificamos o equipamento de montagem, para que os funcionários recolham de forma automática as peças corretas, garantindo que o trabalho é simples, rápido e sem erros. Criamos então um verdadeiro "gémeo digital" dos nossos processos de produção ao mesmo tempo. Por sua vez, isto permite que os volumes de produção e os fluxos de material sejam controlados de forma flexível e eficiente, de acordo com a demanda existente.

Para que os dados da máquina e da produção sejam úteis na indústria conectada, eles precisam ser agrupados, consolidados e fáceis de gerir. É esta a função da porta de ligação CPX IoT. Dependendo da complexidade, entre 10 e 31 componentes e módulos ao nível da planta podem comunicar em tempo real através da interface OPC UA segura. A porta de ligação traduz as transmissões de dados para AMQP (MQTT e outros sob pedido), garantindo que ambos estão seguros e preparados para a nuvem. Isto abre a totalidade das opções da Indústria 4.0 da análise de dados modernos, desde a manutenção inteligente até aos gémeos digitais completos.

A porta de ligação IoT já possui painéis de instrumentos pré-configurados que podem ser configurados no ecrã e incluem widgets com indicadores e diagramas de sinais de tráfego destinados à manutenção preventiva e ao controlo da carga de trabalho. Ela está preparada para ser usada imediatamente, por exemplo, em sistemas ciberfísicos, como o módulo de eficiência energética MSE6-E2M, o sistema de manuseio YXMx ou o Motion Terminal VTEM.

Na prática, tem dois resultados: a monitorização da condição integral com alertas automáticos e diagnóstico seguro de falhas em tempo real, como também, opções dispendiosas para a análise de dados comerciais na Festo Cloud, com análises de tendências, sistemas de avisos atempados e opções de controlo para melhorar a eficácia geral do sistema com base nos dados de desempenho confiáveis.

Os ICD confiáveis são a base para todos os sistemas perigos em suporte, para todas as decisões bem fundamentadas da empresa e para a otimização da eficácia do processo. Portanto, todos os dados das portas de ligação IoT são recolhidos e processados na Festo Cloud para a realização da análise de dados inteligente, se estiverem bem apresentados na forma de painéis de instrumentos intuitivos ou como análises complexas a longo-prazo.

No futuro, a forma como as empresas industriais gerem os seus volumes de dados será um fator de sucesso crítico. A capacidade de controlo e de otimização extensa da Indústria 4.0 já está disponível na nuvem. Até agora, a Festo Cloud está a ajudar de forma direta na redução dos tempos de inatividade, no aumento da utilização da capacidade e no melhoramento geral da produtividade. Para além disso, as empresas de produção, e também os construtores de máquinas e de sistemas, já estão a trabalhar em novos modelos de negócio e receitas, como resultado da refinação e do processamento dos dados da máquina na nuvem.

A Indústria 4.0 é muito mais do que apenas uma tecnologia de sensores que transfere dados da máquina para a nuvem. Os sistemas ciberfísicos originais também funcionam ao contrário, ao trazerem a inteligência de controlo para o nível do terreno, e a digitalizarem a pneumática. O Motion Terminal VTEM proporciona uma forma simples de adicionar as funções da Indústria 4.0 aos sistemas existentes. As válvulas individuais são controladas por aplicações e livremente programáveis através de WebConfig, por ex. o nível da pressão, o controlo do fluxo, a função da válvula de controlo direcional e o diagnóstico de fuga. O Motion Terminal VTEM dá aos construtores da máquina e do sistema muito mais liberdade e simplifica o design do circuito pneumático. Ele desempenha funções que solicitaram anteriormente mais de 50 produtos ou posições diferentes. No entanto e acima de tudo, significa que o ar comprimido é digitalizado. Com o Motion Terminal VTEM, apenas altera as funções da válvula através do software em vez de modificar o hardware.

A Linguagem de Marcação da Automatização (AML) estabeleceu-se como um formato de troca de dados concebido especificamente para diversos ambientes de desenvolvimento e para a engenharia independente do fabricante. Apesar da linguagem baseada em XML historicamente originada na indústria automóvel, o consórcio desenvolvedor criou-a como um "ativador digital". A Festo é membro do Conselho de Administração da Associação AutomationML e, em conjunto com outros renomados especialistas e instituições de pesquisa, está envolvida no desenvolvimento, padronização e distribuição da norma, em especial, para a implementação de ferramentas inteligentes no projeto AutomationML (Engineering Tool Chain for Efficient and Iterative Development of Smart Factories).

A AutomationML não é um formato proprietário, foi concebida para ser neutra e extensível. Na verdade, a AML facilita muito mais o trabalho dos engenheiros na construção de máquinas do que, por exemplo, na automatização doméstica, onde os desenvolvedores enfrentam grandes problemas com a interface e vários sistemas incompatíveis diferentes. A AML permite a troca de dados de planificação do sistema e o acesso a documentação confiável, mas também cobre, por exemplo, a implementação de simulações do sistema em sistemas vivos.

Um consórcio aberto dirigido pela Associação dos Fabricantes Elétricos e Eletrónicos da Alemanha (ZVEI) já apresentou um modelo arquitetónico de referência para a Indústria 4.0 (RAMI 4.0) como parte da rede Plattform Industrie 4.0 com o apoio do Ministério Federal da Alemanha para os Negócios Estrangeiros e Energia, e definiu as características essenciais de um componente da Indústria 4.0. O projeto cooperativo de fonte aberta openAAS (Administração Aberta de Bens) está a focar-se na administração aberta desses componentes. Neste contexto, o protocolo baseia-se no OPC UA (arquitetura unificada), que já está a ser usado em todos os produtos Festo compatíveis com a Indústria 4.0.

Na prática, o objetivo é descrever um componente da Indústria 4.0 como o sistema de encapsulamento com interfaces, e criar uma cópia digital: a base de todos os conceitos gémeos digitais e a base de todas as colaborações M2M (máquina-máquina). A Festo está a ter um papel principal neste desenvolvimento e as primeiras implementações piloto já foram bem sucedidas.

Os megadados são o foco de um projeto de pesquisa colaborativa fundado pelo Ministério Federal da Alemanha para a Educação e Pesquisa que estará em execução até meio de 2019. O objetivo é desenvolver métodos que permitam que as empresas construam novos modelos comerciais com base nos volumes de dados gerados no contexto da Indústria 4.0

Como parte de BigDieMo, a Festo é responsável pelo desenvolvimento de um sistema modular com métodos e ferramentas que podem ser usados para criar serviços baseados em dados de forma estruturada. No processo, podemos conceber a nossa própria experiência nas Instalações Tecnológicas de Scharnhausen, como também os resultados dos sistemas piloto nas instalações do cliente. A manutenção tem sido sempre o fator central da engenharia para todos os componentes industriais da Festo, e este é o motivo pelo qual tem sido uma prioridade de topo desde muito antes do surgimento das oportunidades oferecidas pela manutenção preditiva.