Tudo sobre a NOVA e antiga pirâmide da automação industrial!

O que é a pirâmide da automação industrial?

Provavelmente você já ouviu falar sobre a pirâmide da automação industrial. Este tópico é de certa forma um assunto mais básico quando falamos de automação, mas existem discussões atuais sobre o tema.

Caso você já tenha experiência com automação industrial, garanto que vai encontrar pontos interessantes sobre a “nova pirâmide da automação industrial”. 

Já existem algumas discussões sobre uma possível mudança, por conta dos novos conceitos envolvendo soluções IIoT (Industrial internet of things) e a indústria 4.0.

No entanto, antes de entrarmos nesses assuntos mais atuais, gostaria de falar sobre o conceito base e assim, manter todos na mesma página.

Tópicos discutidos neste artigo:

• Falando sobre automação industrial
• A pirâmide da automação industrial
• Níveis na pirâmide da automação industrial
• Nível 01 – Sensores, instrumentos de medição e atuadores
• Nível 02 – Controle de processo
• Nível 03 – Supervisão
• Nível 04 – Gerenciamento da planta industrial
• Nível 05 – Gerenciamento corporativo
• ANSI/ISA-95
• Pirâmide da automação industrial e o IIoT

Falando sobre automação industrial

Quando falamos sobre automação industrial, sua definição contempla diferentes soluções, conceitos e níveis de informação.

Quando alguém diz que trabalha com automação, normalmente perguntamos – “Mas que tipo de automação?” Pois é,  temos automação residencial, automação de processos, automação de manufatura e a instrumentação que é parte da automação.

Uma forma simples para definir automação industrial é:

“Automação industrial é quando o controle de processos industriais e máquinas é realizado de forma automática em sensores, redes de comunicação e controladores, sem o envolvimento direto do ser humano! Desta forma é possível manter um padrão uniforme, alta qualidade e segurança na produção industrial”.

Dentro da automação industrial, nós temos diversos tipos de sensores de campo para fazer a medição e detecção de determinado variável de processo. Esses sensores de campo enviam as informações de processo utilizando protocolos industriais ou padrões de comunicação.

Tudo isso é concentrado em um sistema responsável por controlar e atuar nos elementos finais de controle. Todo controle tem como intuito manter a produção dentro do que é determinado, ou seja, manter a qualidade e segurança do processo.

A pirâmide da automação industrial

Para uma fácil compreensão de toda essa estrutura de comunicação e instrumentos de medição, nós temos a pirâmide da automação industrial.

Basicamente, esta pirâmide nos dá um entendimento mais simplificado de de todos os níveis de comunicação em uma solução completa de automação industrial. Além disso, temos todos os equipamentos, instrumentos de medição e controladores que fazem parte da pirâmide da automação industrial.

Vamos entrar no detalhe de cada nível da pirâmide e exemplificar os dispositivos utilizados em cada nível. Desta forma, temos uma visão clara de todos os níveis da pirâmide.

Níveis na pirâmide da automação industrial:

Primeiramente, a pirâmide da automação industrial é dividida em 5 níveis, que conectados, utilizam  diferentes tipos de protocolos de comunicação.

Nível 01 – Dispositivos de campo, instrumentos de medição e atuadores

Este nível é a base na pirâmide da automação industrial, antes de fazer o controle do processo é necessário fazer as medições de processo.

Dispositivos e instrumentos de medição

Os instrumentos de campo ou dispositivos de campo podem ser simples não exigindo muita configuração e ainda, fornecendo uma saída de comunicação sem diagnósticos ou configurações sofisticadas.

Hoje em dia, temos os instrumentos inteligentes ou “SMART Devices“. Tais instrumentos de medição tem uma configuração sofisticada e uma maior flexibilidade de aplicação.

Além disso, você tem diagnósticos e a possibilidade de integração utilizando protocolos digitais.

Atuadores ou elementos finais de controle

Outro item importante no nível 01 são os atuadores ou elementos finais de controle. Assim que a informação de processo é enviada para os controladores, eles devem atuar nos elementos finais de controle mantendo o setpoint da malha de controle.

Os elementos finais de controle podem ser válvulas de controle com posicionadores digitais ou analógicos, inversores de frequência para atuação em um motor ou bomba, etc.

Protocolos de comunicação

Toda informação no campo é enviada utilizando protocolos de comunicação digitais ou analógicos. A comunicação 4-20mA é mais comum mesmo nos dias atuais, pois é simples e bem robusta.

Todavia, temos outros protocolos que reduzem custos de implementação, além de dar acesso a diagnóstico e acesso remoto dos equipamentos. Por exemplo, posso utilizar protocolos como, PROFIBUS DP/PA, FOUNDATION Fieldbus, HART, WirelessHART, Ethernet-IP, PROFINET, entre outros.

Nível 02 – Controle de processo

Aqui encontramos o que gosto de definir como o “cérebro da planta”.

Todo os controles de processos são feitos neste nível utilizando equipamentos sofisticados para realizar as estratégias de controle.

O CLP (Controlador lógico programável) está localizado neste nível, além do SDCD (Sistema Digital de Controle Distribuído), entre outros.

Uma caraterística neste nível é que o volume de informação trocada entre outros sistemas de controle é muito maior do que no campo. Por conta disso, temos alguns protocolos diferenciados para aplicação neste nível, como PROFIBUS DP, FOUNDATION Fieldbus HSE, EtherNet-IP, PROFINET, etc.

Como o crescimento de protocolos baseados em ethernet, uma das principais vantagens é que o campo utiliza do mesmo padrão de comunicação utilizado no nível de controle.

Nível 03 – Supervisão

Como o nome já diz, neste nível nos temos soluções para realizar a supervisão do processo industrial.

Existem diversas formas de supervisionar o que está acontecendo no campo, como também fazer o controle remoto. Uma outra função realizada nesta camada é de bancos de dados, onde é feito o armazenamento das informações de processo, para uma análise futura do comportamento da malha de controle.

Além disso, você tem todos histórico da planta, caso algo aconteça é possível realizar uma análise para identificar o problema.

Soluções como SCADA, IHM e Workstation estão localizadas na camada nível 03. Toda conexão entre o sistema de controle e o sistema de supervisão é feita utilizando conversores ou protocolos aberta na grande maioria, como OPC, OPC UA, Modbus, etc.

Nível 04 – Gerenciamento da planta industrial

Antes do quarto nível, temos que ter em mente que todo controle de processos está sendo feito nos níveis anteriores, certo? 😉 Como já comentado, você vai encontrar os instrumentos de medição, controladores e sistema de supervisão nos primeiros níveis.

Na produção, é necessário ter um controle e gestão das matéria prima, quantidade que deve ser produzida e demais recursos. O nível 4 é responsável pelo planejamento, controle e logística dos suprimentos.

Para realizar a gestão dos suprimentos, ferramentas como MES e PIMS utilizam como base o banco de dados e relatórios gerados no nível 03, utilizando os sistemas de supervisão.

A troca de informação neste nível é feita baseada em Ethernet. Além de utilizar banco de dados para armazenamento das informações e gerar relatórios.

Nível 05 – Gerenciamento corporativo

Finalmente estamos no último nível da pirâmide da automação industrial. Aqui saímos da visão de produção, controle de processos, etc.

O nível da informação neste nível é corporativo, focado na área de vendas e gestão do recursos. Essas informações tem como intuito gerar melhores resultados financeiros para a empresa.

No nível 05, toda troca de informações é baseada também em Ethernet, onde podemos encontrar soluções ERP no geral.

Dependendo da arquitetura, é possível encontrar relatórios de níveis anteriores, mas isso não é muito comum.

ANSI/ISA-95 – Integração do sistema corporativo com controle

Você já ouviu falar sobre a ISA? Dando uma breve explicação sobre esta organização, ISA quer dizer “Sociedade Internacional da Automação”. A ISA possui diversas normas e materiais técnicos sobre o mundo da Automação.

A ANSI/ISA-95 é uma norma técnica que visa criar modelos abstratos e terminologias padrões para fazer a conexão e troca de informação entre sistemas empresariais e sistemas de operação da planta.

Para isso, foi criado um comitê em 1995 (após a copa do mundo) chamado de “SP95” com diversos especialistas.

Essa necessidade surgiu quando os computadores começaram a ter mais espaço no ambiente industrial. Sério, não tinha computador antigamente! Mas isso você já deve saber! 😉

O comitê trabalhou para criar padrões na troca de informações de forma transparente e eficiente entre ERP e MES (Falamos sobre eles anteriormente, lembra?)

Essa norma é responsável por definir uma melhor interface entre funções de controle e funções corporativas. O ISA-95 utiliza como base o Purdue Reference Model, focando na troca de informação entre os níveis 3 e 4.

A norma ISA-95 é composta por 6 partes, citadas abaixo:

• Parte 01 da ISA-95 – Modelos e terminologias
• Parte 02 da ISA-95 – Atributos do modelo de objeto
• Parte 03 da ISA-95 – Modelos de atividade de gerenciamento da operações de fabricação
• Parte 04 da ISA-95 –  Modelos e atributos do objeto MOM
• Parte 05 da ISA-95 – Transações de negócios para fabricação
• Parte 06 da ISA-95 – Modelo de serviço de mensagens

Este assunto é bem complexo, não vou entrar nos detalhes neste artigo. Podemos falar mais sobre ele em outra oportunidade, mas é importante pelo menos saber sobre sua existência.

A ISA-95 é um norma de grande relevância pois pode ser aplicada em diferentes tipos de industria. A norma cria uma base consistente para troca de informação entre fornecedores e fabricantes.

Pirâmide da Automação industrial e o IIoT (Internet industrial das coisas)

Estamos na era digital e as soluções IIoT estão em destaque em diversos fabricantes. Cada um deles tem apresentado diferentes formas de implementação da solução,  pois ainda não existe um padrão utilizado.

Por exemplo, existem soluções onde toda inteligência é feita utilizando gateways para coleta dos dados e depois envio para soluções na nuvem.Outras soluções estão rodando dentro da arquitetura convencional, utilizando DCS, instrumentos e redes convencionais.

Baseado nisso, algumas arquiteturas de como é feita a coleta das informação e a conexão entre a rede da instrumentação e a rede TI são simplificadas, criando novas denominações baseado na necessidade.

Antes de dar uma exemplo de arquitetura promovida hoje no mercado, precisamos entender que o conceito IIoT é interpretado diferentemente também.

Para alguns fabricantes, IIoT é coleta da inteligência dos instrumentos no campo para tomadas de decisão antecipadas.

Por exemplo, temos soluções onde medidores de vazão enviam diagnósticos e com base nele você consegue analisar se é necessário uma intervenção, calibração ou troca. (Na muito diferente da solução PAM (Plant Asset Management), certo?)

Algumas empresas trazem soluções pontuais, que rodam independente do sistema de controle, um exemplo seria o monitoramento de energia. Tal solução adiciona instrumentos para medição de consumo de vapor, ar comprimido, água, etc.

Depois utiliza softwares ou os atuais Apps para análise de dados e criação dos relatórios.

Abaixo, faço uma descrição resumida de uma solução IIoT disponível no mercado.

• Rede digital de sensores – Neste nível encontramos os instrumentos de campo inteligentes utilizando protocolos digitais de comunicação. Neste nível é essencial utilizar apenas um tipo de padrão de comunicação para coleta dos dados, tais como uma rede WirelessHART ou PROFIBUS PA.
• Gateway/ Link devices – Todos os instrumentos de campo inteligentes são conectados aos Gateways ou algum outro tipo de link. Basicamente, aqui temos a conversão dos sinais vindo quando em um diferente padrão de comunicação baseado em Ethernet.
• Rede Backbone –  Nada mais é do que o protocolo baseado em Ethernet, responsável por fazer a comunicação entre as gateways com softwares ou sistema de controle.
• Cyber Security – Este nível é relevante para manter a segurança dos dados no campo. Muita vezes rodando soluções independentes para evitar qualquer ação nos instrumentos de campo, podemos citar como alternativas a conexão na nuvem com historiador, rede fisicamente privada (PPN), zona desmilitarizada (DMZ) entre outros.
• Rede Backhaul  – Neste nível temos a conexão das informações da planta com uma solução na nuvem. Pode ser utilizado uma conexão via internet ou conexões do tipo de celular. Aqui, um IP é utilizado para fazer essa conexão externa com os dados.
• Solução na nuvem –  Solução remota que é responsável por salvar os dados em uma máquina virtual ou sistema de armazenamento. Um exemplo para solução cloud seria o Microsoft Azure.
• Plataforma –  Podemos também chamar de historiador, onde pode ser também utilizado na planta, mas com soluções recentes isto pode ser feito na nuvem.
• Aplicativos de análise – Soluções dedicadas para analisar performance de algum equipamento ou processo. Uma solução neste nível seria análise dos dados dos equipamentos implementados para monitoramento de energia da planta. Aqui temos todos cálculos, gráficos e insights necessários com uma interface simple para interpretação dos dados.

Esse é um exemplo de como os dados são coletados e conectados em soluções na nuvem para IIoT.

Podem existir diferentes formas para este tipo de conexão, utilizei como base um grande fornecedor de automação no mercado e a sua solução para descrever seus níveis e o que tem em cada um deles.

O que achou? Fale de sobre sua experiência! 🙂

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Fabrício Andrade

Tenho 12 anos de experiência no mundo da Automação industrial, comecei minha carreira na JAT Instrumentação, depois trabalhei na Emerson Automation Solutions e Endress+Hauser. Tive a chance de implementar projetos, ministrar treinamentos e resolver problemas em diversas empresas no Brasil e Latina América. Trabalhei por 3 anos na Alemanha em um e-commerce de automação industrial e hoje sou gerente de marketing digital global na Endress+Hauser Suiça focado em IIoT. Além disso, sou cartunista e baterista nas minhas horas de folga.

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