IIoT e PLC: coexistência, não confrontação

A Internet Industrial das Coisas promete redesenhar máquinas, reorganizar processos e aproveitar o poder do big data para melhorar a produtividade e a rentabilidade. De acordo com alguns, arquiteturas e dispositivos familiares como controladores lógicos programáveis (PLCs) poderiam ser varridos. Uma visão alternativa é que a explosão na coleta de dados impulsionará um movimento em direção a um número ainda maior de dispositivos menores como micro ou nano PLCs que podem ser implantados em quase qualquer lugar em toda a fábrica.

Big Data; nova idéia?

A Internet Industrial das Coisas está baseada na coleta de grandes quantidades de dados de processos e equipamentos para análise intensiva na Nuvem. O objetivo é melhorar a re-optimização e reorganização dos processos, buscando melhorias como a redução do desperdício e uma resposta mais rápida às demandas dos clientes. As fábricas da quarta revolução industrial (Indústria 4.0) provavelmente conterão muitos milhares de sensores em todos os equipamentos e áreas de trabalho, relatando aspectos tão diversos como correntes e vibrações do motor, temperatura e umidade ambiente, medições de teste e inspeção do produto final, números de série, números de lote e carimbos de data/hora.

O sucesso da Indústria 4.0 requer que esses milhares de canais de dados sejam eficientemente coletados na Nuvem para serem armazenados, priorizados, agrupados e analisados, e finalmente transformados em melhores instruções a serem comunicadas às máquinas, e informações para conduzir decisões comerciais inteligentes. Espera-se que o projeto de máquinas, sistemas de controle e redes de comunicação de fábrica mude significativamente, o que poderia representar uma ameaça aos dispositivos incumbentes, tais como controladores lógicos programáveis (PLCs) que até agora dominaram as tarefas de coleta, processamento e controle de dados na automação convencional.

O desejo de coletar mais dados para melhorar o rendimento de fabricação e auxiliar na tomada de decisões comerciais não teve origem na Indústria 4.0. As empresas têm procurado coletar quantidades crescentes de dados de equipamentos e automatizar as trocas entre os sistemas analíticos do chão de fábrica e das operações internas desde muito antes da Nuvem. O PC Industrial (IPC) é um exemplo de um conceito que surgiu para permitir a automação baseada em PC com os benefícios de um fluxo de dados contínuo de e para os tomadores de decisão na LAN corporativa. O PLC, entretanto, retém várias vantagens, incluindo longos ciclos de vida e alta confiabilidade, e também evoluiu para atender às necessidades do mercado, aumentando a capacidade de processamento, fornecendo funcionalidade extra e incorporando padrões baseados em PC.

Confrontação

A proliferação de sensores e outras atividades de coleta de dados em todas as fábricas da próxima era industrial pode potencialmente sobrecarregar as capacidades dos atuais PLCs. Alguns sugerem que os dados dos sensores serão coletados diretamente na nuvem usando um protocolo leve como o MQTT (Message Queuing Telemetry Transport). Uma grande vantagem para o atual ambiente de fabricação rico em dados é que o MQTT pode contornar grandes quantidades de dados imutáveis, o que pode entupir as redes ao utilizar protocolos convencionais de pesquisa/resposta. O modelo de publicação/assinatura do MQTT permite que os sensores inteligentes publiquem apenas novos dados para os dispositivos configurados para recebê-los. Sabe-se que algumas importantes plataformas sociais e de IoT de consumo estão aproveitando as baixas demandas de largura de banda, baixa latência e baixo consumo de energia do protocolo. O MQTT é bem adequado para uso em sistemas de controle, e os módulos MQTT poderiam fornecer uma rota para o envio de dados IIoT diretamente para a Nuvem. Isto oferece um meio prático de lidar com os dados gerados pelo grande número de sensores distribuídos por toda a fábrica conectada.

Coexistência

Alternativamente, o PLC convencional centralizado poderia ser substituído por vários PLCs menores que são colocados mais perto dos sensores que eles estão monitorando e dos mecanismos que eles estão controlando. Micro ou nano PLCs projetados para se comunicar como parte do IIoT estão surgindo para cumprir este tipo de papel, fornecendo canais de E/S em uma pequena área com opções de expansão modular.

A Crouzet está aproveitando esta oportunidade com sua família em4 de PLCs nano, como a em4 Ethernet. O em4 mede 124,6 x 90 mm e fornece uma seleção de E/S analógicas e digitais e saídas de relé. Também estão disponíveis módulos de expansão de E/S digitais e analógicos, dando flexibilidade para atender a grandes ou pequenas instalações. Ele pode ser programado ou depurado de qualquer lugar na rede local, e pode ser conectado à Internet sob demanda sem módulos adicionais (Figura 1). Como um meio conveniente de coleta de dados de sensores, o em4 pode enviar registros de dados programados simples por e-mail ou FTP, ou enviar alertas de e-mail sob o controle do programa de aplicação. Pode comunicar-se com até dezesseis outros dispositivos da rede e detectar automaticamente até oito unidades em4 conectadas. Um display monocromático de 18 x 4 e um teclado de 6 botões proporcionam a opção de gerenciar o PLC diretamente de seu painel frontal.

Figura 1: O PLC nano em4 Ethernet se conecta facilmente a outros equipamentos na LAN ou na Internet.

A Panasonic tem um PLC ultra-compacto com eficiência de espaço adequado para monitoramento e controle distribuído, ou para miniaturização de equipamentos. A série FP0R tem 90 mm de altura e 25 mm de largura, e fornece E/S incluindo saídas de pulso que permitem o controle de motores com vários eixos. Podem ser adicionados até três módulos de expansão. O FeRAM embutido fornece backup automático de dados sem bateria, permitindo que o equipamento seja desligado sem perda de dados. O PLC pode compartilhar informações com até dezesseis dispositivos similares através de um PLC-Link conectado a uma rede Ethernet através de um módulo FP Web Server 2. Outras características para o controle de motores incluem contadores e saídas PWM. Módulos CC_LINK e IO/LINK conectáveis usando protocolos populares dão flexibilidade extra para o monitoramento de redes e sensores. O Crouzet em4 e o Panasonic FPOR são programados usando o software de programação padrão do fabricante.

AMaxim Integrated se propôs a fornecer mais desempenho dentro de um volume muito menor do que o PLC tradicional com sua plataforma Micro PLC (Figura 2). Os módulos de E/S digitais e analógicos micro PLC como o módulo de saída analógica MAXREFDES60 de 0 - 10 volts se encaixam em um espaço do tamanho aproximado de um cartão de crédito. Este fator de forma permite aos desenvolvedores obter conectividade comparável a um PLC padrão em cerca de 10% do espaço com metade da potência. Outros módulos Micro PLC estão disponíveis, incluindo um módulo de entrada analógica de 4 canais, módulos de entrada e saída digital de 8 canais, e uma placa de comunicação RS-485. Todos vêm com exemplo de código fonte C e dados de teste para ajudar a acelerar a implementação de PLCs compactos da próxima geração prontos para a indústria 4.0.

Figura 2: O Micro PLC da Maxim Integrated é uma plataforma modular compacta que permite ao usuário selecionar a partir de uma gama de placas de E/S do tamanho de um cartão de crédito.

Conclusão

Os PLCs evoluíram ao longo da história da automação industrial para fornecer um meio confiável e robusto de monitoramento e controle de processos e equipamentos. Ao adaptar-se às exigências do mercado e aos padrões emergentes de conectividade e comunicação, o PLC continua a ser amplamente utilizado por equipamentos industriais e projetistas de fábrica. Os últimos fatores de forma micro e nano devem assegurar a posição do PLC no IIoT e no coração da Indústria 4.0.