Como as indústrias de processo batelada podem evoluir para a Indústria 4.0?

As indústrias são divididas em três tipos: manufatura discreta, processo batelada e processo contínuo. Cada um desses tipos possui características específicas que influenciam na forma como os processos industriais são gerenciados e automatizados.

Indústrias de processo batelada são aquelas que produzem produtos em lotes (batches), onde cada lote é único e segue uma receita específica. 

Para exemplificar, podemos citar indústrias de alimentos e bebidas, cosméticos e farmacêuticos, produtos de higiene e limpeza e indústrias químicas.

Essas características das indústrias de processo batelada trazem desafios em comum para a sua automação e a aplicação das tecnologias da Indústria 4.0.

Saiba como os sistemas de automação baseados em CLPs e Supervisórios (SCADA), as redes e protocolos industriais, os sistemas MES e ERP, o IoT e a Inteligência Artificial, vêm evoluindo para apoiar as jornadas de Digitalização e da Excelência Operacional das indústrias de processo batelada. Continue a leitura!

Conhecendo os sistemas de automação e informação das indústrias de processo batelada

As indústrias de processo batelada possuem processos industriais similares para etapas como:

• o recebimento e armazenagem de materiais; 
• a separação, fracionamento, pesagem e adição de micro ingredientes no processo; 
• a dosagem e adição de macro ingredientes no processo; 
• a fabricação da receita e armazenagem de produtos semiacabados; 
• o envase, embalagem, paletização, identificação, armazenagem e expedição de produtos acabados. 

A seguir descrevemos os sistemas tipicamente utilizados para a automação e digitalização desses processos industriais. Os principais sistemas são:

CLPs (Controladores Lógicos Programáveis)

Controladores Lógicos Programáveis, também conhecidos como PLCs da sigla em inglês, são dispositivos eletrônicos programáveis utilizados para controlar máquinas e processos industriais. 

Eles são capazes de monitorar sensores de pressão, vazão, temperatura e nível, balanças, transmissores de temperatura, entre outros e acionar atuadores, como bombas, válvulas, roscas, esteiras, trocadores de calor, etc. para controlar o processo com base em operações matemáticas e lógicas. 

Os CLPs são programados por meio de linguagens de programação específicas, como Ladder, Diagrama de Blocos, Texto Estruturado e Codesys.

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SCADA (Supervisão, Controle e Aquisição de Dados)

Também chamados de sistemas Supervisórios, são softwares capazes de realizar operações de leitura e escrita nos CLPs e são utilizados para enviar os parâmetros das receitas, coletar dados, monitorar, controlar e operar máquinas e processos industriais em tempo real. 

O SCADA é composto por diversos componentes, como drivers de comunicação com os CLPs utilizando protocolos industriais, e IHMs (Interfaces Homem-Máquina) com telas para a operação do processo e o monitoramento e visualização das variáveis e alarmes do processo produtivo.

Redes e protocolos industriais

São responsáveis pela comunicação entre os dispositivos de automação. Cada protocolo é projetado para atender a requisitos específicos de comunicação, como velocidade, confiabilidade e segurança. Alguns dos protocolos mais utilizados incluem Modbus, Profibus, DeviceNet e Ethernet/IP. 

Já o OPC (OLE for Process Control) é amplamente utilizado para a integração de CLPs com sistemas SCADA e MES. O MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) é um protocolo de comunicação leve e eficiente utilizado para a troca de dados em tempo real entre dispositivos de IoT e sistemas de automação, SCADA, MES e Plataformas IoT.

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MES (Sistemas de Execução de Manufatura) 

O MES é capaz de integrar dados de diversos sistemas, como o SCADA e o ERP, por exemplo. 

É responsável pela gestão dos processos de produção em tempo real, incluindo o monitoramento de indicadores de desempenho como o OEE, MTBF e MTTR, a rastreabilidade de materiais e produtos acabados, o controle da qualidade no processo, o gerenciamento de receitas de produção, incluindo os consumos de energia, materiais e embalagens e a gestão de ordens de produção. 

ERP (Enterprise Resource Planning)

Responsáveis pelo gerenciamento dos recursos empresariais, ou seja, integram os diversos setores da empresa em um único sistema, incluindo finanças, recursos humanos, compras, vendas e produção. 

Nas indústrias de processo batelada, o ERP é responsável pelo planejamento dos estoques, das compras de matérias-primas e embalagens, e pelo planejamento da produção, incluindo os recursos necessários como máquinas e mão de obra, de acordo com as receitas dos itens produzidos.

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Padronizando a automação e a integração de sistemas com as normas ISA88 e ISA95

É muito importante padronizar a aplicação e integrações dessas tecnologias com base nas melhores práticas do mercado e, para isso, a International Society of Automation (ISA), desenvolveu as normas ISA88 e a ISA95. 

As normas possuem objetivos diferentes, mas são complementares em termos de sua aplicação. Saiba detalhes sobre cada uma delas a seguir:

Norma ISA88: Controle de lote

A ISA88 fornece uma estrutura para a automação dos processos. Foi desenvolvida com objetivo de padronizar a criação de receitas e a automação de processos bateladas. 

A norma estabelece um modelo de referência para a automação, definindo os elementos-chave do processo e as interfaces entre eles. Os principais elementos-chave definidos na norma ISA88 são:

Modelo de Terminologia

Define uma terminologia padrão para a descrição dos elementos do processo, como fases, unidades, equipamentos, materiais, receitas, entre outros.

Modelo de Procedimento

Define uma estrutura hierárquica de procedimentos para a automação de processos batelada, que inclui os seguintes níveis:

A. Nível 0 – Processo: Representa a visão geral do processo, incluindo equipamentos e áreas.

B. Nível 1 – Unidades de Produção: Representa as unidades do processo, que contêm os equipamentos necessários para executar as operações.

C. Nível 2 – Controle: Representa o controle das operações nas unidades de produção, incluindo a definição de fases e receitas.

D. Nível 3 – Sequência: Representa a definição da sequência de operações e das transições entre as fases.

E. Nível 4 – Receitas: Representa a definição das receitas e das variações possíveis.

Modelo de Estado

Define um modelo de estado para os equipamentos, unidades e processos, que permite monitorar e controlar o processo em tempo real.

Modelo de Interação

Define as interfaces entre os equipamentos, unidades e processos, permitindo a comunicação e troca de dados entre eles.

Modelo de Lote

Define a estrutura de lotes para a produção em batelada, que inclui o controle de qualidade, rastreabilidade e histórico do processo.

Com a adoção da norma ISA88, os fabricantes e integradores de CLPs e SCADAs puderam desenvolver soluções dedicadas para a automação, controle e gestão dos processos batelada. 

Isso permitiu que as empresas ganhassem mais flexibilidade e segurança na criação e execução das receitas, otimizassem seus processos de produção, envase e embalagem, reduzissem custos e melhorassem a qualidade do produto acabado.

Norma ISA95: Integração do sistema de controle corporativo

A norma ISA95, por sua vez, define padrões e diretrizes para a integração dos sistemas da camada de automação industrial como os CLPs e SCADA, com os sistemas de TI da camada MES e da camada de gestão empresarial, como o ERP.

Além dos modelos de integração, a ISA95 trata das atividades de produção, descritas a seguir:

Planejamento da Produção

Engloba o planejamento de recursos, incluindo materiais, mão de obra e equipamentos, para atender à demanda de produção.

Gerenciamento de Produção

Trata da execução dos planos de produção, monitorando e controlando as operações, para garantir a conformidade com as especificações e os padrões de qualidade.

Rastreabilidade

Envolve a captura e registro de informações sobre os produtos em todas as fases do processo, permitindo a rastreabilidade e a identificação de qualquer problema ou não conformidade.

Manutenção de Equipamentos

Organiza a manutenção preventiva e corretiva dos equipamentos utilizados na produção, visando maximizar a eficiência e a disponibilidade dos mesmos.

Gestão da Qualidade

Esta atividade envolve o controle e monitoramento da qualidade do produto em todas as fases do processo, garantindo que as especificações e padrões de qualidade sejam atendidos.

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Gerenciamento de Recursos Humanos

Faz a gestão de recursos humanos, incluindo a gestão de habilidades e competências, treinamentos e certificações, visando garantir que a equipe de produção esteja adequadamente capacitada e habilitada para executar as atividades necessárias.

Gestão de Materiais

Diz respeito à gestão de materiais, desde a aquisição até a entrega ao cliente, incluindo o controle de estoques, a movimentação de materiais e o gerenciamento de pedidos e entregas.

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Como se vê, a ISA95 e os sistemas MES (Manufacturing Execution Systems) estão intimamente relacionados, pois os sistemas MES fornecem uma camada de software que implementa a norma ISA95. 

Eles atuam como uma ponte entre os sistemas de chão de fábrica, como os sistemas automação de controle de processos (PLC/SCADA) e os sistemas empresariais (ERP).

Indústrias de processo batelada e a Indústria 4.0

Na prática, a Indústria 4.0 é uma evolução na forma como a produção industrial é feita e gerenciada, complementando os sistemas de automação e informação com a utilização de tecnologias como a Internet das Coisas (IoT), Big Data, Inteligência Artificial, entre outras. 

Na automação de processos batelada, a Indústria 4.0 pode ser aplicada para otimizar processos produtivos, reduzir o tempo de produção, diminuir o custo de produção, entre outros benefícios. Algumas das principais implementações incluem ações como:

Conectividade e integração

A Indústria 4.0 exige a conectividade e a integração dos sistemas de automação com outras áreas da empresa, incluindo cadeia de suprimentos, logística e manutenção. 

Isso é possível graças às tecnologias de Internet das Coisas (IoT) e nuvem, que permitem a coleta, processamento e compartilhamento de dados em tempo real.

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Análise de dados

A análise de dados é uma parte fundamental da Indústria 4.0. Os sistemas industriais estão sendo projetados para coletar e analisar dados em tempo real, permitindo a tomada de decisões mais precisas e informadas. 

Além disso, a análise de dados pode ser usada para prever falhas em equipamentos e evitar interrupções na produção.

Automação inteligente

A Indústria 4.0 está impulsionando a automação inteligente, que é capaz de adaptar e ajustar automaticamente as operações de produção para atender às mudanças na demanda ou nas condições do processo. 

A automação inteligente usa tecnologias como Inteligência Artificial (IA), aprendizado de máquina e robótica colaborativa.

Customização em massa

Com a Indústria 4.0, a produção em massa está dando lugar à customização em massa. Os sistemas industriais estão sendo projetados para permitir a produção de pequenos lotes de produtos personalizados.

Cibersegurança

Com a conectividade aumentada entre os sistemas, a cibersegurança se torna um aspecto crítico na automação industrial. Os sistemas de automação estão sendo projetados com recursos de segurança cibernética para proteger contra ameaças internas e externas.

Essas tendências estão permitindo uma produção mais eficiente, flexível e adaptável, ajudando as empresas a se manterem competitivas em um mercado em constante mudança.

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A PPI-Multitask é uma empresa do Grupo WEG com mais de 25 anos de experiência, com foco em automação industrial e MES aplicando as normas ISA88 e ISA95, e que hoje também integra soluções de IoT e Inteligência Artificial da WEG Digital. 

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