Autor Original: Clive “Max” Maxfield
Contribuição: Editores da DigiKey da América do Norte
Data de Publicação: 4 de dezembro de 2019

Com o aumento na adoção da Internet das Coisas (IoT), também cresce a demanda por tecnologias avançadas, como inteligência artificial (IA) e aprendizado de máquina (ML). Tanto que o próprio significado do termo “IoT” está evoluindo e se expandindo para abranger o Industrial IoT (IIoT), a Inteligência Artificial das Coisas (AIoT) e até mesmo a Internet das Coisas Pesadas.

No caso das implementações industriais, a conectividade e a inteligência proporcionadas pelo IIoT oferecem benefícios em produtividade, eficiência e economia. No entanto, além de novos equipamentos prontos para o IIoT, existe uma grande quantidade de infraestrutura e máquinas “antigas” e “não inteligentes” (legado).

Em vez de permitir que esse equipamento caia em desuso à margem da inovação tecnológica, este artigo mostra como os gerentes de instalações têm os incentivos e os meios para incorporar esses equipamentos legados à era do IIoT, utilizando soluções de empresas como Molex, TE Connectivity, STMicroelectronics, Delta e Weidmuller.

Definição de Termos

O termo “Internet das Coisas” (IoT) foi criado pelo pioneiro britânico da tecnologia Kevin Ashton durante uma apresentação feita na Procter & Gamble (P&G) em 1999. Kevin usou a expressão para descrever um sistema em que a internet se conecta ao mundo físico por meio de sensores onipresentes. Não demorou muito para que o termo IoT e sua abreviação se tornassem amplamente conhecidos.

O IoT

O entendimento do termo “Internet das Coisas (IoT)” evoluiu ao longo do tempo. A definição amplamente aceita atualmente é:

“Um sistema de dispositivos computacionais inter-relacionados, máquinas mecânicas e digitais, objetos, animais ou pessoas, que possuem identificadores únicos e a capacidade de transferir dados por meio de uma rede sem a necessidade de interação humana direta com humanos ou computadores.”

O termo “dispositivo IoT” refere-se a qualquer dispositivo conectado à internet de forma independente, que pode ser monitorado e/ou controlado remotamente. De acordo com o Statista, esperava-se que em 2020 existissem cerca de 30 bilhões de dispositivos IoT instalados em todo o mundo, com previsão de aumento para 75 bilhões em 2025.

O IIoT e o AIoT

O Industrial Internet of Things (IIoT) se refere a sensores interconectados, instrumentos e outros dispositivos em rede com aplicações industriais, como manufatura e gerenciamento de energia. Essa conectividade possibilita a coleta, troca e análise de dados, potencialmente facilitando melhorias na produtividade, eficiência e benefícios econômicos.
O IIoT é uma evolução do sistema de controle distribuído (DCS), permitindo maior automação por meio de computação em nuvem para refinar e otimizar os controles de processo. O IIoT atual é sustentado por tecnologias como:

• Cibersegurança
• Computação em nuvem e de borda
• Tecnologias móveis
• Comunicação máquina a máquina (M2M)
• Impressão 3D
• Robótica avançada
• Big Data
• RFID
• Computação cognitiva

O AIoT combina dispositivos IoT e sua infraestrutura com tecnologias de inteligência artificial. A IA enriquece o IoT com aprendizado de máquina (ML) e capacidades cognitivas.

O Despertar Industrial e a Internet das Coisas Pesadas

De acordo com uma previsão de 2017 feita pela Gartner, os gastos globais com IoT deveriam alcançar US$ 772,5 bilhões em 2018. Enquanto isso, de acordo com a IDC, os gastos globais dos consumidores com IoT em 2018 foram cerca de US$ 62 bilhões. Em contrapartida, o setor de manufatura gastou US$ 189 bilhões, superando transporte (US$ 85 bilhões) e serviços públicos (US$ 73 bilhões) combinados. Além disso, a Bain & Company previa que as aplicações de IIoT gerariam mais de US$ 300 bilhões em 2020, o dobro do segmento de IoT voltado ao consumidor (US$ 150 bilhões).

O termo “Indústria Pesada” refere-se a atividades que envolvem uma ou mais das seguintes características:

• Produtos grandes e pesados
• Equipamentos e instalações volumosos (ex.: ferramentas de grande porte, máquinas pesadas, infraestrutura de larga escala)
• Processos complexos ou numerosos

Antes do IoT, os sistemas industriais que utilizavam motores, geradores e maquinário pesado eram, em grande parte, desconectados e operavam de forma isolada. No entanto, conectar esses sistemas à internet e torná-los parte do IoT pode trazer vantagens significativas em termos de:

• Eficiência
• Produtividade
• Confiabilidade

Essas vantagens incluem recursos como monitoramento remoto, controle, detecção de falhas e manutenção preditiva. Isso explica por que novos equipamentos industriais já vêm equipados com uma ampla gama de sensores e funções de comunicação.

O problema está na grande quantidade de infraestrutura existente e equipamentos “legados”, que não possuem conectividade nem inteligência integrada. Estima-se que apenas nos Estados Unidos, o valor desse equipamento ultrapasse US$ 6,8 trilhões. As opções são:

1. Permanecer como está.
2. Substituir o equipamento existente por equivalentes modernos, a um custo altíssimo.
3. Aumentar e modernizar o equipamento existente com sensores, sistemas de controle e comunicação modernos, trazendo-o para o século XXI.

A empresa americana de capital de risco Kleiner Perkins designou essa modernização de sistemas industriais com capacidades de IIoT e AIoT como o “Despertar Industrial”. Em um artigo publicado em 2015, intitulado The Industrial Awakening: The Internet of Heavier Things, a Kleiner Perkins fez referência a um relatório do Fórum Econômico Mundial, que previu que esse “Despertar Industrial” geraria US$ 14,2 trilhões de produção global até 2030.

Modernizando Equipamentos Legados com Capacidades de IIoT e AIoT

Os motores elétricos são os maiores consumidores de eletricidade no mundo, representando cerca de 2/3 do consumo industrial e aproximadamente 50% do consumo global de energia. Isso significa que metade da energia gerada por usinas ou outras fontes é usada exclusivamente para alimentar motores.

No entanto, o problema é que a eficiência média dos motores industriais gira em torno de 88% (motores comerciais podem ter eficiências ainda menores). Essa eficiência pode ser drasticamente melhorada por meio da instalação de sensores e sistemas de controle apropriados.

Além da eficiência energética, um dos maiores riscos para qualquer operação industrial é o tempo de inatividade causado por falhas inesperadas nos equipamentos. Uma forma eficaz de mitigar esse problema é por meio de práticas de manutenção preditiva. Esse tipo de manutenção envolve o uso de sensores para monitorar o desempenho dos equipamentos, enquanto as capacidades de IIoT e AIoT analisam o comportamento dos sistemas e detectam desvios em relação ao funcionamento normal. Com isso, é possível prever possíveis modos de falha e o tempo estimado para que essas falhas ocorram, como no exemplo:

“O segundo rotor desta máquina está operando atualmente com 95% de eficiência, diminuindo em 0,9% por dia, e espera-se que falhe catastróficamente em 6 dias, com uma margem de erro de +/- 1 dia.”

A grande vantagem de utilizar sistemas IIoT e AIoT é que eles conseguem identificar padrões e tendências a partir de grandes volumes de dados históricos, algo muito mais difícil de ser realizado por seres humanos.

Os seres humanos, por exemplo, encontram dificuldades em detectar padrões e anomalias quando são apresentados a grandes quantidades de dados numéricos. No entanto, quando esses mesmos dados são apresentados em formato gráfico, identificar padrões se torna uma tarefa muito mais fácil.

Veja os exemplos abaixo:

• A Figura 1 apresenta dados numéricos brutos coletados de um sistema IoT, tornando difícil para um humano detectar qualquer irregularidade.
• Já a Figura 2, que apresenta os mesmos dados em formato gráfico, permite que uma pessoa identifique rapidamente a anomalia.

Figura 2

O ponto central é que os sistemas IIoT e AIoT conseguem identificar padrões e anomalias independentemente da maneira como os dados são apresentados. Além disso, quando vários sistemas idênticos — localizados em diferentes partes do mundo — estão sendo monitorados, os sistemas IIoT e AIoT podem aprender com todos eles e aplicar o conhecimento adquirido em um local para prever problemas em outro.

Tudo Gira em Torno dos Sensores (e do Processamento e da Conectividade e…)

O primeiro passo para modernizar equipamentos industriais legados é adicionar sensores. Existe uma enorme variedade de tipos de sensores disponíveis, além de inúmeras opções para cada tipo. As propriedades que os sensores podem medir incluem, mas não se limitam a:

• Posição
• Movimento
• Velocidade e aceleração
• Força (tátil e de limite)
• Pressão (força por unidade de área)
• Fluxo (taxa e volume)
• Som
• Luz
• Radiação
• Umidade (absoluta e relativa)
• Temperatura
• Propriedades químicas (tipo, concentração, etc.)

Há literalmente dezenas de milhares de combinações de tipos e opções de sensores. Por exemplo, a série 120254 de sensores fotoelétricos da Contrinex, distribuída pela Molex, e o M3041-000006-250PG, um sensor de pressão de medição direta da TE Connectivity (Figura 3). O M3041-000006-250PG faz parte da linha Microfused da TE Connectivity e é adequado para medir a pressão de líquidos ou gases, incluindo meios difíceis, como água contaminada, vapor e fluidos levemente corrosivos.

Kits de Desenvolvimento e Placas de Avaliação

Alguns exemplos de kits de desenvolvimento e placas de avaliação para sensores incluem:

• IoT Studio Platforms
• STEVAL-STLCS02V1 SensorTile
• STEVAL-MKSBOX1V1 SensorTile.box Development Kit
• X-NUCLEO-IKS01A3 Motion MEMS Evaluation Board
  (Todos da STMicroelectronics)

O sistema de avaliação de sensores de movimento MEMS e ambientais X-NUCLEO-IKS01A3 é compatível com o conector Arduino UNO R3 (Figura 4). Ele inclui os seguintes sensores:

• LSM6DSO: Acelerômetro e giroscópio de 3 eixos
• LIS2MDL: Magnetômetro de 3 eixos
• LIS2DW12: Acelerômetro de 3 eixos
• HTS221: Sensor de umidade e temperatura
• LPS22HH: Sensor de pressão
• STTS751: Sensor de temperatura

Além dos sensores, são necessários componentes para condicionamento, processamento e controle de dados localmente. Essas funções podem ser realizadas por Controladores Lógicos Programáveis (PLCs), como a série AS de PLCs compactos modulares de médio alcance da Delta Industrial Automation (Figura 5).

A série AS é um controlador de alto desempenho, projetado para diversos tipos de equipamentos automatizados. Ele utiliza um sistema desenvolvido pela própria Delta, baseado em CPUs de 32 bits, para uma velocidade de execução aprimorada de até 40 mil etapas por milissegundo. Essa série suporta até 32 módulos de extensão ou 1.024 entradas/saídas.

Enquanto isso, análises avançadas baseadas em AIoT ocorrem na borda e na nuvem, requerendo conectividade e redes robustas, como a Solução Completa para Conectividade Ethernet Industrial oferecida pelo Weidmuller Group.

Conclusão

Com o aumento da adoção da Internet das Coisas (IoT), aliado à integração de Machine Learning (ML) e Inteligência Artificial (IA), os gestores de instalações industriais precisam encontrar maneiras de modernizar os equipamentos legados para aprimorar a produtividade e a eficiência.

Felizmente, existem soluções prontamente disponíveis de diversos fornecedores que podem adicionar inteligência e conectividade a sistemas legados, tornando-os parte da revolução do IIoT. Isso não apenas prolonga a vida útil do equipamento existente, mas também o transforma em um ativo mais eficiente, produtivo e conectado à era moderna.

Aviso de Tradução e Referências

Este artigo é uma tradução do texto original escrito por Clive “Max” Maxfield, publicado pela DigiKey sob o título “Fundamentals: The IoT, IIoT, AIoT, and Why They’re the Future of Industrial Automation”. O artigo original pode ser acessado pelo link que será adicionado posteriormente.

Referências do artigo original:

• The Industrial Awakening: The Internet of Heavier Things, Kleiner Perkins, 2015.
• Dados e insights mencionados no artigo foram coletados de fontes como Gartner, IDC, Bain & Company e o Fórum Econômico Mundial.
• https://www.digikey.com.br/pt/articles/fundamentals-the-iot-iiot-aiot

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