IIoT: A internet das coisas chega à indústria
A Internet das Coisas (IoT), já descrita num post anterior desse blog, é um conceito de arquitetura de redes que surge no início dos anos 1980. A saber, visa a conexão de equipamentos entre si e com um sistema supervisório. Mas, o tema ganhou corpo a partir dos anos 2000 com a popularização da internet e a proliferação de aplicações automação industrial.
Assim, a Internet das Coisas é, em essência, um conjunto objetos físicos, com software e sensores incorporados, que são conectados à internet ou a outras redes proprietárias. Sobretudo, têm como objetivo captar dados do ambiente e enviar tais dados a outros nós da rede. Bem como, eventualmente, atuar no ambiente como resposta a comandos remotos.
Como funciona a Internet das Coisas
Dispositivos dotados de sensores (que traduzem os dados analógicos do ambiente em dados digitais) e atuadores (que transformam informações digitais em ações concretas) são conectados a uma plataforma de Internet das Coisas. Assim, essa plataforma integra os dados e aplica inteligência sobre eles, tomando decisões autônomas. Por exemplo, elaborando relatórios, gerando insights ou emitindo alarmes para atuação de operadores humanos.
Aliás, é crescente o número de sensores que são utilizados não mais por máquinas, mas por indivíduos. Principalmente para facilitar tarefas cotidianas e para monitorar a saúde e bem estar (relógios, pulseiras, óculos, fones de ouvido sem fio, roupas e até implantes subcutâneos).
Mas, apesar da conexão entre objetos, a Internet das Coisas nasce com o propósito centrado no humano (‘machine to user’). Hoje estima-se que haja cerca de 30 bilhões de dispositivos conectados à internet, tais como:
- computadores,
- celulares,
- televisores,
- automóveis,
- sistemas de segurança
- até maçanetas e cortinas.
Assim, esses dispositivos conectados são geralmente chamados de “inteligentes”. Inclusive, a Samsung tem um app nativo em vários de seus modelos de celular que visa oferecer uma solução de gerenciamento desses dispositivos, chamado sem muita surpresa de Samsung Smart Things. Em geral, a conexão entre os dispositivos conectados e a rede é feita por Bluetooth ou Wi-Fi, com implementações de protocolos proprietários em casos particulares.
A indústria 4.0 e a Internet das Coisas
Sem dúvida, um locus importante da Internet das Coisas é a Indústria 4.0, ela própria orientada por seis princípios:
- Interoperabilidade
- Modularidade
- Acompanhamentos e decisões em tempo real
- Descentralização
- Virtualização
- Orientação por serviço
Assim, a rede industrial de objetos conectados (IIoT) implementa uma nova fronteira de competitividade para a manufatura moderna e gerenciada por dados, fundamento da Indústria 4.0.
Internet das coisas na indústria: os benefícios da IIot
A IIoT é orientada à comunicação entre dispositivos e equipamentos em ambiente de operações industriais. Isto é, tem como objetivo conectar dispositivos, sensores e atuadores a um sistema gerencial de controle.
Dessa forma, a busca é por capturar dados da operação em base contínua e elaborar insights. Consequentemente, aumenta a segurança operacional, qualidade e flexibilidade. Principalmente, diminui o custo e o tempo de ciclo da produção.
Então, a IIoT não é uma revolução, mas sim uma evolução do paradigma da automação industrial. Para isso, emprega tecnologias existentes, como sensores, aplicativos, plataformas baseadas em nuvem e digitalização para ajudar a transformar dados em conhecimento acionável. Por exemplo, no centro dessa abordagem estão vários elementos-chave, dentre os quais:
- Colaboração inteligente e segura entre equipamentos conectados;
- Análise preditiva com base em dados reais da operação;
- Controle minucioso da operação em tempo real;
- Inventário dinâmico de ativos do parque industrial e operativo.
O ambiente da Internet das Coisas na Indústria
A IIoT é por essência uma agregadora de protocolos ponto-a-ponto e de dispositivos de fabricantes distintos e quase sempre não padronizados. Inclusive, os equipamentos que compõem uma solução IIoT operam normalmente no parque industrial em campo aberto. Isto é, sob condições ambientais severas. Por exemplo, amplas variações de temperatura, chuva, neve, poeira e variações de tensão, para citar alguns condicionantes típicos da operação.
Além disso, os arquitetos de soluções IIoT atuam em um teatro de operações totalmente distinto daquele da tecnologia da informação. Aqui, basta pensar em como se parece um data center, ambiente por essência da Tecnologia da Informação: temperatura estável, acesso restrito, limpo, organizado, a prova de incêndio, sem trepidação nem poeira, fornecimento de energia estável e contínuo.
A saber, uma estratégia de IIoT depende da consolidação na nuvem de dados gerados por diversos sistemas diferentes. Então, aproveitando especialistas que geralmente estão fisicamente distantes do site industrial no qual os dados foram gerados. Por isso, é comum que o Núcleo de Operação da Rede seja centralizado no headquarter da corporação.
Arquitetura da rede
Os sensores
Em primeiro lugar, os sensores são os pontos da rede que capturam os dados do mundo e os traduzem para o idioma digital, falado por sistemas de supervisão e controle. Então, podemos dizer que, se os dados são o novo petróleo, os sensores são as plataformas que flutuam no mar.
A saber, esses minúsculos dispositivos são sensíveis às variações de luz, pressão, temperatura, poeira e fumaça. Normalmente são conectados a dispositivos ou dispostos no ambiente de operação. Além disso, são alimentados por baterias, cuja expectativa é de duração de até 10 anos. Mas, também podem ser alimentados pelos circuitos dos sistemas que monitoram.
Seja como for, precisam ser robustos para acomodar variações bruscas de temperatura, ter baixa sensibilidade à umidade, poeira e vibração. Por fim, possuem baixa capacidade de processamento e memória e são a cada dia mais baratos.
Troca de dados
Em geral, a quantidade de dados trocada entre os sensores e a plataforma de controle de gerenciamento é muito baixa – porta aberta ou fechada, presença ou não de um indivíduo em determinado ambiente, leitura de pressão ou temperatura em uma válvula. Bem como a taxa de amostragem dos sensores é normalmente muito baixa (de segundos a horas, tipicamente), quando comparada a outros sistemas digitais (da ordem de mili ou nanossegundos).
Variações ambientais
As variações ambientais nos processos industriais operam em uma escala de tempo muito diferente da computação. Dessa forma, implica dizer que é tipicamente baixa a necessidade de banda para a conectividade de cada equipamento. No entanto, há exceções importantes. Por exemplo, as soluções para atuação médica remota e para direção autônoma, onde um atraso mínimo pode ter grandes consequências.
Características da rede
É importante considerar, por outro lado, que uma planta industrial possui muitos equipamentos e se espera que possam ser conectados à rede. Embora seja pequena a troca de informações entre eles, a quantidade total de dados que circula na rede tende a ser considerável. Assim, são características importantes da rede:
- ser escalável (característica por meio da qual se aumenta a capacidade de modo tecnicamente simples e a baixo custo),
- ter baixa latência (lapso de tempo curto entre o envio e recepção de dados e comandos entre nós da rede)
- ter alta taxa de disponibilidade (em estado operacional em parte expressiva do tempo), além da evidente robustez sob o ponto de vista de segurança contra acessos maliciosos.
De fato, a confiabilidade da rede no ambiente IIoT é uma questão crítica. Tanto para a captura de dados, quanto para envio de comandos remotos para os dispositivos em campo. A saber, uma das variáveis centrais da arquitetura da rede é o “determinismo”, que torna a rede “previsível”, razão pela qual se pode ter garantia da chegada dos dados em cada ponto no tempo previsto (ALBUQUERQUE & ALEXANDRIA, 2009).
Em geral, o determinismo de uma rede IIoT fica entre 99% a 99,99% – um valor elevado quando comparado à internet regular e decorre da criticidade da operação. Por meio de uma arquitetura com essa disponibilidade, é possível elaborar modelos operacionais robustos e seguros para atuação remota de dispositivos em ambiente críticos, nos quais o custo da falha pode ser catastrófico.
IIoT na prática: exemplos de casos de uso da Internet das coisas em duas áreas
Internet das coisas no gerenciamento de edifícios
Sem dúvida, a IIoT pode tornar o gerenciamento de edifícios comerciais mais simples e seguro. Em primeiro lugar, com o controle climático automatizado, a dificuldade de se encontrar o melhor compromisso entre o conforto e o consumo de energia pode ser virtualmente eliminada. Então, a partir dos parâmetros de ajuste personalizados pelos usuários, dados do próprio edifício e outros captados por sensores (quantidade de pessoas no ambiente, temperatura externa, preço da energia elétrica ao longo do dia, área a ser refrigerada, dentre outros dados) são utilizados para que a central de controle possa responder continuamente às variações de temperatura ao longo do dia.
Da mesma forma, câmeras inteligentes e sensores de presença fazem frente a possíveis ameaças. Assim, aumentam a segurança do prédio e de seu entorno.
Internet das Coisas na saúde
Hoje existem dispositivos que monitoram pacientes remotamente e notificam os profissionais de saúde assim que o status dos pacientes muda. Assim, a IIoT pode fazer com que a gestão da saúde se torne mais precisa e responsiva.
Eventualmente, a IA poderá até ser capaz de assumir o diagnóstico do paciente. Ou seja, isso significa que os médicos podem intervir mais cedo e com maior eficácia.
Internet das coisas na manutenção preditiva: nem tudo são flores
De fato, a manutenção preditiva sempre foi vista como um dos usos mais promissores IIoT. Sobretudo, para determinar com maior precisão quando um equipamento estará operando sob risco severo e sinalizar esse risco a um sistema. Dessa forma, uma equipe de manutenção pode atuar de modo preciso e pouco tempo antes do risco se materializar. Sem dúvida, isso faz parecer que estamos chegando ao mundo retratado em Minority Report.
Hoje, sensores e inteligência artificial mostram que esse caminho não somente é factível, como muitos recursos foram empenhados na sua consecução. Mas, ocorre que, em conversas com nossos clientes, é comum ouvir que a implementação de soluções de manutenção preditiva tem sido mais difícil do que o previsto. Em particular pela complexidade operacional de captura e tratamento em massa dos dados da operação.
Em geral, os clientes se mostram preocupados com:
- a segurança,
- a falta de padronização dos protocolos de comunicação,
- o retorno sobre o investimento em equipamentos e sistemas,
- a integração com os sistemas legados,
- a complexidade técnica da solução IIoT propriamente dita.
Por isso, esse tema em particular merece destaque. Tendo em vista que o novo modelo operacional implementado pela IIoT demanda conhecimentos técnicos não triviais para o ambiente industrial típico. Por exemplo, machine learning, real-time analytics, data science e conhecimentos avançados sobre redes de computadores. Bem como a capacidade de desenvolvimento de interfaces de software para integração das soluções de IIoT com a tecnologia legada.
A questão da segurança
À medida em que uma organização se torna tecnologicamente mais madura, as preocupações com a segurança aumentam. Isto é, o desafio da segurança cibernética continua a crescer no tempo.
Afinal, os ataques que pode sofrer uma rede industrial densamente conectada têm potencial de comprometimento importante. Ou seja, colocam em risco o patrimônio da organização, a qualidade e disponibilidade de seus serviços e sobretudo e mais importante, a segurança dos operadores. Aliás, no ambiente IIoT os ataques podem iniciar a partir de qualquer lugar do mundo. Por exemplo, uma tipologia simples inclui:
- Roubo de dados ou de propriedade intelectual (espionagem industrial);
- Sequestro das bases de dados ou do sistema supervisório (ransomware);
- Injeção de códigos maliciosos na rede (sabotagem).
Assim, a prova de conceito continua sendo uma ótima estratégia para identificar de forma mais clara os desafios de escalar a solução. Aliás, um capítulo especificamente dedicado à segurança da informação deve ser elaborado, na medida em que se avança na integração do parque industrial.
O futuro da Internet das Coisas na Indústria
Sem dúvida, o futuro aponta para a fábrica inteiramente conectada. Não só olhando para os ativos do parque industrial, mas também chegando a outros elementos da cadeia de valor, como fornecedores e clientes. Assim, numa busca incessante de diminuir tempos de ciclo, desperdícios e customização.
Logo, os protocolos de comunicação deixam de ser Bluetooth e Wi-Fi e migram para o 5G, com latência menor que 1ms entre comando e resposta dos elementos de rede. Além disso, com a disponibilidade da rede chegando a números superiores a 99,999%.
Dessa forma, muito em breve as soluções passarão a ser interoperáveis, em contrapartida a proprietárias. Por sua vez, os sensores continuarão tendo baixo consumo de energia e a coletarão do ambiente (energy harvesting), funcionando indefinitivamente.
Com certeza, no futuro próximo há uma grande oportunidade para empresas de consultoria implementarem um retrofit do parque legado de máquinas para operação em rede. Isto é, via troca de controladores e inclusão de sensores.
Referências bibliográfica
- Journal acadêmico mais importante da área: IEEE Transactions on Industrial Informatics
- Fonte de informação técnica e de novidades do setor: IIC (Industry IoT Consortium)
- ALBUQUERQUE, P. U. & ALEXANDRIA, A. R. (2009). Redes Industriais – Aplicação em Sistema Digitais de Controle Distribuído. São Paulo: Ecograf.
- Livros
- The Fourth Industrial Revolution (Klaus Schwab)
- The Second Machine Age: Work, Progress and Prosperity in a Time of Brilliant Technologies (Erik Brynjolfsson e Andrew McAfee)
- IIoT for Management Consultants (Praveen Gupta)
- The Internet of Things, revised and updated edition (The MIT Press Essential Knowledge series) Kindle Edition (Samuel Greengard)
