IIoT – Internet das coisas industrial: Arquitetura, segurança e aplicações

A IoT abre caminho para a criação de infraestruturas conectadas de forma abrangente para oferecer suporte a serviços inovadores e promete maior flexibilidade e eficiência. Tais vantagens são atrativas não apenas para aplicações de consumo, mas também para o domínio industrial.

José Carlos da Silva e Joseval Melo Santana, Universidade Federal de Sergipe

  A IoT – Internet das coisas é um domínio emergente que promete conexão onipresente com a Internet, transformando objetos comuns em dispositivos conectados.

  O paradigma IoT está mudando a maneira como as pessoas interagem com as coisas. Isso abre o caminho para a criação de infraestruturas conectadas de forma abrangente para oferecer suporte a serviços inovadores e promete maior flexibilidade e eficiência. Tais vantagens são atrativas não apenas para aplicações de consumo, mas também para o domínio industrial, dando origem a IIoT – Internet das coisas industrial. Em particular, nos concentramos apenas na arquitetura, segurança e aplicações da IIoT no domínio industrial.

  A iniciativa de embarcar inteligência nos objetos do dia a dia, como, por exemplo, relógios, óculos, geladeiras, sapatos, ferramentas, entre outros, e posteriormente, integrá-los à Internet inaugura uma nova fase da rede mundial de computadores (WWW, do inglês World Wide Web): a realização da ideia de IoT – Internet das coisas (IoT, do inglês Internet of things).

  A expressão “Internet of things” foi usada pela primeira vez por Kevin Ashton, co-fundador e diretor executivo do Centro de Auto – ID do Instituto de Tecnologia de Massachussets (MIT, do inglês Massachusetts Institute of Technology). Na visão de Kevin Ashton, coisas estavam relacionadas com a maneira como interagimos com o mundo físico.

  A Internet das coisas é definida como uma infraestrutura de rede global e dinâmica com capacidade de autoconfiguração baseada em padrões e protocolos de comunicação interoperáveis. Nesse contexto, coisas físicas possuem identidades e atributos e são capazes de usar interfaces inteligentes e serem integradas como uma rede de informação.

  Nos dias atuais, o termo coisas pode ser definido como um conjunto de componentes, por exemplo, sensores, e qualquer outro elemento capaz de se comunicar com outros componentes, acessíveis em qualquer lugar e a qualquer momento. Neste contexto surge a Internet das coisas Industrial.

  A Internet das coisas industrial (do inglês, Industrial Internet of Things – IIoT) é um subconjunto da IoT. A IIoT é composta de sensores, atuadores, controladores e outros dispositivos interconectados em rede.

  Essa conectividade é, geralmente, realizada por meio de um enlace sem fio, permitindo a coleta e análise de dados, possibilitando assim, a otimização dos processos de fabricação e a automação industrial. A IIoT é suportada pelas seguintes tecnologias:

• Sistemas cibernéticos (CPS): a plataforma de tecnologia básica para IoT e IIoT e, portanto, o principal facilitador para conectar máquinas físicas que antes eram desconectadas. O CPS integra a dinâmica do processo físico com as do software e da comunicação, fornecendo abstrações e técnicas de modelagem, projeto e análise.

• Computação em nuvem: Com a computação em nuvem, os serviços e recursos de TI podem ser carregados e recuperados da Internet, em oposição à conexão direta a um servidor. Os arquivos podem ser mantidos em sistemas de armazenamento baseados em nuvem, em vez de em dispositivos de armazenamento local.

• Edge computing: Um paradigma de computação distribuída que aproxima o armazenamento de dados do computador do local onde é necessário. Em contraste com a computação em nuvem, a computação de borda refere-se ao processamento de dados descentralizado na borda da rede. A Internet industrial requer mais uma arquitetura de borda (mais nuvem do que uma baseada em nuvem puramente centralizada) para transformar produtividade, produtos e serviços no mundo industrial.

• Análise de big data: A análise de big data é o processo de examinar grandes e variados conjuntos de dados, ou big data.

• Inteligência artificial e aprendizado de máquina: A IA – inteligência artificial  é um campo da ciência da computação em que são criadas máquinas inteligentes que funcionam e reagem como humanos. O aprendizado de máquina é uma parte essencial da IA permitindo que o software preveja resultados com mais precisão sem ser explicitamente programado. Também é possível combinar inteligência artificial com computação de ponta para fornecer soluções de inteligência de ponta industrial.

  Além das tecnologias descritas, estão integradas nesse domínio: tecnologias móveis, máquina a máquina (M2M), impressão 3D, robótica avançada, tecnologia RFID e computação cognitiva.

 

Arquitetura IIoT

 

  Para a interconexão de milhares de objetos à Internet, deve-se ter uma arquitetura flexível. Na literatura, há uma variedade de propostas de arquiteturas sofisticadas, que se baseiam nas necessidades da academia e indústria.

  O modelo básico de arquitetura apresenta três camadas: camada de percepção, camada de rede e a camada de aplicação. A primeira, denominada camada de percepção, é representada pelos objetos físicos, como, por exemplo, sensores, atuadores, controladores, roteadores IIoT, estações de monitoramento, etiquetas, leitores RFID etc. Dentre as funções executadas por essa camada, destacam-se: a identificação de objetos, a coleta e o processamento das informações.

  Na segunda camada, designada camada de rede, as abstrações das tecnologias de comunicação, serviços de gerenciamento, roteamento e identificação devem ser realizadas. Por último, encontra-se a camada de aplicação, que é responsável por prover serviços para os clientes. Por exemplo, uma aplicação solicita medições de temperatura e umidade para clientes que requisitam essas informações, conforme ilustra a figura abaixo.

Segurança

 

  No tocante a segurança, existem vários requisitos que merecem destaques em uma infraestrutura IIoT. Dentre eles estão:

• Os dispositivos precisam ser invioláveis contra possíveis ataques físicos.

• As informações armazenas devem ser protegidas (criptografadas) para manter sua confidencialidade.

• A comunicação entre os dispositivos deve ter um canal seguro para manter a integridade e a confidencialidade.

• A infraestrutura de comunicação deve oferecer mecanismos de autorização e identificação, para que apenas pessoas autorizadas possam ter acesso aos recursos IIoT.

• O sistema deve ser tolerante a falhas (redundância), mesmo danos físicos possam ocorrer em local da rede. Isso proporciona robustez a rede IIoT.

Normalmente, a criptografia de chave simétrica pode fornecer uma solução para dispositivos IIoT. No entanto, tanto o armazenamento das chaves quanto o seu gerenciamento são desafios, considerando-se a baixa capacidade de memória desses dispositivos.

 

Aplicações Industriais

 

 Industria automotiva

  O uso da IIoT na fabricação de automóveis implica a digitalização dos elementos de produção. Software, máquinas e humanos estão interconectados, permitindo assim, que fornecedores e fabricantes respondam rapidamente às mudanças nos padrões.

  A IIoT permite uma produção eficiente e econômica, movendo dados dos clientes para os sistemas da empresa e, em seguida, para seções individuais do processo de produção. Com a IIoT, novas ferramentas e funcionalidades podem ser incluídas no processo de fabricação. Por exemplo, as impressoras 3D simplificam os moldes de moldar as ferramentas de prensagem, imprimindo a forma do granulo do aço. Essas ferramentas permitem novas possibilidades de projeto (com alta precisão). A personalização de veículos também é possibilitada pela IIoT devido à modularidade e conectividade dessa tecnologia. Enquanto no passado eles trabalhavam separadamente, a IIoT agora permite que humanos e robôs cooperem.

  Os robôs assumem atividades pesadas e repetitivas, fazendo com que os ciclos de fabricação sejam mais rápidos e o veículo chegue ao mercado mais rapidamente. As fábricas podem identificar rapidamente possíveis problemas de manutenção antes que eles causem tempo de inatividade e muitas delas migraram para uma planta de produção 24 horas por dia, devido à maior segurança e eficiência.

  A maioria das empresas fabricantes de automóveis tem fábricas em diferentes países, onde são construídos diferentes componentes de um mesmo veículo. A IIoT possibilita conectar essas plantas de produção umas às outras, criando a possibilidade de movimentação dentro das instalações.

  O big data pode ser monitorada visualmente ou armazenados na nuvem, o que permite que as empresas respondam mais rapidamente às flutuações na produção e na demanda.

 

Industria de petróleo e gás

  Com as tecnologias IIoT, a indústria de petróleo e gás tem a capacidade de conectar máquinas, dispositivos, sensores e pessoas por meio da interconectividade, o que pode ajudar as empresas a lidar melhor com as flutuações de demanda e preços, abordar a segurança cibernética e minimizar o impacto ambiental.

 Em toda a cadeia de suprimentos, a IIoT pode melhorar o processo de manutenção, a segurança geral e a conectividade. Os drones podem ser usados ​​para detectar possíveis vazamentos de petróleo e gás em um estágio inicial e em locais de difícil acesso (por exemplo, offshore), assim como milhares de quilômetros de tubos podem ser monitorados em tempo real.

  O aumento da conectividade (integração de dados e comunicação) pode ajudar as empresas a ajustar os níveis de produção com base em dados em tempo real de estoque, armazenamento, ritmo de distribuição e demanda prevista.

  Os benefícios também se aplicam a processos específicos da indústria de petróleo e gás. O processo de exploração de petróleo e gás pode ser feito de forma mais precisa com modelos 4D construídos por imagens sísmicas. Esses modelos mapeiam as flutuações nas reservas de petróleo e nos níveis de gás, procuram apontar a quantidade exata de recursos necessários e preveem a vida útil dos poços.

  A aplicação de sensores inteligentes e perfuradores automatizados oferece às empresas a oportunidade de monitorar e produzir com mais eficiência. Além disso, o processo de armazenamento também pode ser aprimorado com a implementação da IIoT, coletando e analisando dados em tempo real para monitorar os níveis de estoque e o controle de temperatura.

  A IIoT pode aprimorar o processo de transporte de petróleo e gás implementando sensores inteligentes e detectores térmicos para fornecer dados da localização geográfica em tempo real e monitorar os produtos por motivos de segurança. Esses sensores inteligentes podem monitorar os processos da refinaria e aumentar a segurança. A demanda por produtos pode ser prevista com mais precisão e ser automaticamente comunicada às refinarias e plantas de produção para ajustar os níveis de produção.

 

Conclusão

 

  Como descrito, várias tecnologias são parte integrante do domínio IIoT e o que se propõe como uma revolução para o mercado consumidor pode ser mais um passo da comunicação industrial em constante evolução (indústria 4.0). Neste artigo, fornecemos uma visão geral da IIoT, sua arquitetura, requisitos básicos de segurança e aplicações na indústria.

 

 

Sobre os autores

 

José Carlos da Silva é Bacharel em análise de sistemas, pós-graduado em redes de computadores, mestre em engenharia mecânica com ênfase em Automação e Robótica e Doutorado em Mecatrônica pela Universidade Federal da Bahia. Atualmente é professor efetivo do Departamento de Sistemas de Informação da Universidade Federal de Sergipe. Atua na área de ciência da computação, com ênfase em redes de computadores e comunicação de dados. Experiência em processos de fabricação e robótica industrial. Possui as certificações HCIA-5G Networks, HCIA-Artificial Intelligence e HCIA-Routing and Switching (Huawei Certified Information Communication Technology Associate) (Huawei Certified ICT Associate).

 

Joseval de Melo Santana é doutor em desenvolvimento regional e urbano e mestre na área de informática pela Universidade Salvador UNIFACS. Atualmente, é professor associado da Universidade Federal de Sergipe – UFS. Tem experiência na área de tecnologias em saúde e sistemas de informação. Em seu currículo Lattes os termos mais frequentes na contextualização da produção científica, tecnológica e artístico-cultural são: Avaliação de Tecnologias em Saúde (ATS), Qualidade do Atendimento dos Centros de Saúde, Gestão dos Serviços Públicos, Iridologia Computacional, Localização de Informação e Espectrometria de Documentos Eletrônicos (detecção de plágio).

Nokia e SENAI-SP firmam parceria com foco em indústria 4.0

Redação, Infra News Telecom

  A Nokia e o SENAI-SP anunciaram uma parceria para implementar soluções de conectividade no laboratório da unidade da instituição em São Caetano do Sul, SP. O objetivo é acelerar a adoção de plataformas voltadas para a indústria 4.0 no país.

  O local é considerado uma referência no ensino de mecatrônica e conta com uma planta modelo de indústria 4.0. O espaço capacita de forma prática profissionais nas tecnologias de indústria 4.0, com testes-piloto e demonstrações de novas soluções antes do lançamento no mercado.

  Uma pesquisa realizada pela FIESP – Federação das Indústrias do Estado de São Paulo, em parceria com o SENAI-SP, mostra que 90% das empresas estão familiarizadas com a indústria 4.0 e concordam que ela aumentará a produtividade. O estudo ainda indica que 79% das companhias reconhecem que o conceito vai impactar no modelo de negócio, mas apenas 30% deram início a este processo.

  De acordo com a Nokia, digitalizar os negócios será uma prioridade para que o Brasil se mantenha competitivo e enfrente os desafios da produtividade. Aplicações mais inteligentes de conectividade, IIoT – Internet das coisas industrial e automação aumentarão a eficiência nas operações das empresas, melhorando a taxa geral de produção.

    A parceria permitirá ao SENAI-SP utilizar a capilaridade de suas 166 unidades no estado para trabalhar com a Nokia em atividades de pesquisa e desenvolvimento de tecnologias, treinando e preparando profissionais de todo o Brasil para a era da indústria 4.0, em todos os segmentos que o SENAI-SP atua.

  Entre as soluções implementadas na unidade de São Caetano do Sul estão tecnologias de 4G/ 5G, POL – redes ópticas passivas para LANS e rede privada sem fio para aplicações de missão crítica e edge computing local.

IoT – Internet das coisas na indústria

A IoT – Internet das coisas terá um impacto de US$ 11 bilhões a US$ 25 bilhões apenas na indústria brasileira, até 2025. Na economia do país esses valores poderão representar 10% do PIB – Produto Interno Bruto, alcançando US$ 200 bilhões por ano no mesmo período. 

Simone Rodrigues, Jornalista da Infra News Telecom

   Até 2025, a IoT – Internet das coisas terá um impacto de US$ 11 bilhões a US$ 25 bilhões apenas na indústria brasileira, segundo o Relatório do Plano de Ação – Iniciativas e projetos mobilizadores 2017, um documento do BNDES – Banco Nacional de Desenvolvimento Econômico e Social, em parceria como o MCTIC – Ministério da Ciência, Tecnologia, Inovações e Comunicação. O estudo, apresentando durante o Futurecom 2017, evento de tecnologia da informação e comunicação (TIC), detalha as políticas, planos de ação e estratégias para a implantação da Internet das coisas no país. “A Internet das coisas é uma oportunidade única para o desenvolvimento do Brasil. Poucos países do mundo têm uma política pública estruturada para a tecnologia. Queremos, não só colaborar com o desenvolvimento econômico, mas também melhorar a vida dos brasileiros. Os benefícios para o país poderão chegar a US$ 200 bilhões por ano até 2025, representando 10% do PIB – Produto Interno Bruto atual”, disse o secretário de política de informática do MCTIC, Maximiliano Salvadori Martinhão.

   Um estudo do McKinsey Global Institute, mostra que o impacto da IoT na economia mundial será entre US$ 4 trilhões e US$ 11,1 trilhões por ano até 2025. Embora as atenções do setor estejam mais voltadas para produtos de consumo, grandes inovações ligadas a IoT acontecem na indústria, onde a combinação de dados de sensores e algoritmos analíticos sofisticados permitem que  empresas agilizem os processos de negócios, aumentem a produtividade e desenvolvam produtos de alta qualidade. “A produtividade da indústria brasileira pode aumentar em 40% com a melhoria do controle de estoques e logística. No agronegócio a IoT irá permitir elevar a produção agrícola em 49 milhões de toneladas até 2025, utilizando-se, por exemplo, sensoriamento das lavouras e rebanhos”, completou Martinhão.

   Para Carlos Alexandre Jorge Da Costa, diretor das áreas de crédito, tecnologia da informação e planejamento e pesquisa do BNDES, a Internet das coisas é uma transição para um mundo totalmente conectado.  “Estamos tratando do futuro das telecomunicações e da conectividade. Os diferentes setores econômicos terão a oportunidade de ganharem competitividade e produtividade. No ambiente industrial, o estudo do BNDES propõe transformar os processos fabris mais eficientes com cadeias integradas de fornecimento, gestão inteligente de estoques e modelos de negócios de maior valor agregado”.