PMR3507 Fábrica digital

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Maria das Neves Franco Marinho
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1 LSA Laboratório de Sistemas de Automação PMR3507 Fábrica digital Cyber Physical System Escola Politécnica da Universidade de São Paulo Departamento de Engenharia Mecatrônica e de Sistemas Mecânicos Av. Prof. Mello Moraes, São Paulo - SP - Brasil

física Tem capacidade de configuração e automação CPS

2 Definição Não é um PC, nem um sistema embarcado e nem uma rede de sensores Não pode ser separado da parte física Tem capacidade de configuração e automação CPS não é sinônimo é Digital Twin (gêmeo digital) Digital Twin CPS

Definição Um sistema que combina os recursos de computação (distribuída), comunicações e

Interação com o meio físico por meio de sensores e atuadores Interação pode ser ativa ou reativa

fornecidos pelo espaço cibernético precisam ser comunicados ao meio físico Avaliam e armazenam

3 Definição Um sistema que combina os recursos de computação (distribuída), comunicações e armazenamento de dados, a fim de monitorar e/ou controlar as entidades existentes no mundo físico Interação com o meio físico por meio de sensores e atuadores Interação pode ser ativa ou reativa Eventos do meio físico precisam ser refletidos no espaço cibernético e os comandos de produção fornecidos pelo espaço cibernético precisam ser comunicados ao meio físico Avaliam e armazenam dados Podem se conectar com outros CPSs por meio de uma rede de dados Usam dados e serviços disponíveis globalmente

4 Definição Mundo físico Imprevisível Eventos ocorrem em paralelo Heterogêneo A parte cibernética é Sequencial A parte cibernética deve ser Previsível Confiável

5 Exemplo de CPS Mars rover e Curiosity são os exemplos mais próximos No entanto, não são CPS, são sistemas embarcados Não se conectam com outros CPSs Não usam dados e serviços disponíveis globalmente

6 Possíveis aplicações do CPS Agricultura Cidades inteligentes Controles de construção Cuidados de saúde Defesa Fabricação e indústria Geração de energia Sociedade Transporte

Otimização da operação dos equipamentos Condições do equipamento podem ser continuamente monitoradas A operação do

7 Impactos do CPS na indústria Projeto de melhores equipamentos e serviços Os dados dos equipamentos instalados podem ser usados para projetar a versão futura do equipamento Dados podem dar suporte à criação de novos serviços Otimização da operação dos equipamentos Condições do equipamento podem ser continuamente monitoradas A operação do equipamento pode ser otimizada com base em dados operacionais históricos Avarias podem ser evitadas Maximização do tempo em operação

Diagnóstico e manutenção remotas Prever e agendas serviços Baseada na

8 Impactos do CPS na indústria Gerenciamento remoto de equipamentos Monitoramente remoto Controle remoto das operações Reset remoto Diagnóstico e manutenção remotas Prever e agendas serviços Baseada na coleta contínua de dados Manutenção preditiva x manutenção preventiva Paradas programadas

Sistemas abertos x sistemas fechados Sistemas fechados Todo o sistema, incluindo sensores, conectividade,

que apresentam posição dominante no mercado Seguir esta abordagem permite que uma empresa controle e otimize o

controle sobre tecnologia e dados, bem como desenvolvimentos futuros do sistema Produtores de componentes para

9 Sistemas abertos x sistemas fechados Sistemas fechados Todo o sistema, incluindo sensores, conectividade, capacidades analíticas, interfaces para acessar os dados são proprietárias Costuma ser utilizada por empresas que apresentam posição dominante no mercado Seguir esta abordagem permite que uma empresa controle e otimize o projeto de todas as partes (físicas e não físicas) do sistema em relação umas às outras A organização mantém controle sobre tecnologia e dados, bem como desenvolvimentos futuros do sistema Produtores de componentes para o sistema são impedidos de acessar um sistema fechado ou são obrigados a licenciar o direito de integrar seus produtos a ele

10 Sistemas abertos x sistemas fechados Sistemas abertos Permite que os clientes finais montem e personalizem partes dedicadas da solução Fabricantes de equipamentos, organizações terceirizadas ou até mesmo concorrentes são convidados a interagir com o sistema e contribuir para a mudança do sistema APIs padronizadas e interfaces bem documentadas permitem que os principais clientes, usuários-líderes ou fornecedores de software desenvolvam interfaces e aplicativos do sistema para otimizar a operação e a manutenção do equipamento com mais eficiência e gerar recursos funcionais

11 Sistemas abertos x sistemas fechados Sistemas abertos Para os fabricantes de produtos industriais, é altamente relevante Juntar-se a empresas de sensoriamento e conectividade Desenvolver parcerias estratégicas com empresas de software tornam-se fundamental para explorar com eficácia sistemas ciberfísicos

12 O CPS quebra parcialmente com a pirâmide de automação tradicional Ainda existem os níveis típicos de controle e campo, que incluem CLPs Nos níveis mais altos do hierarquia passa a ter uma maior descentralização

13 Máquinas-ferramentas, robôs, Veículos Guiados Automaticamente (AGVs) e equipes constituem os recursos de fabricação (espaço físico) Sensores, dispositivos RFID e dispositivos de medição são adicionados aos recursos de fabricação e distribuídos no ambiente de produção

recursos de fabricação Um grupo de máquinas é conectado entre

14 Frequentemente um canal de comunicação é envolvido para transmitir dados que são usados para monitorar e controlar os recursos de fabricação Um grupo de máquinas é conectado entre si por meio de tecnologias como Fieldbus e / ou Ethernet industrial

15 A camada de Middleware tem como objetivo Atuar como elo entre a camada de conexão física, a camada de computação e os aplicativos externos Transferir os dados coletados para o servidor central para análise Enviar os comandos de produção fornecidos pela camada de computação ou aplicativos externos aos controladores

16 A camada de Middleware tem como funções Gerenciamento de dispositivos Definição de interface Gestão de dados A variedade potencialmente grande de tipos e formatos de dados exige um formato de dados uniforme e padrão

17 Cálculos são realizados com o objetivo de alcançar alta qualidade, produção flexível e custo reduzido Decisões inteligentes são tomadas e os recursos de fabricação são controlados de forma adaptativa Pode-se alcançar autoconsciência e auto-manutenção dos recursos de manufatura e o controle adaptativo inteligente dos processos de fabricação ao se integrar o CPS com a produção, logística e serviços industriais

18 Uma grande quantidade de dados, on-line (em tempo real) ou off-line (histórico) é reunida por vários sensores / dispositivos RFID / dispositivos de medição ou obtida do ERP Modelos específicos, algoritmos e ferramentas devem ser usados para extrair padrões subjacentes que forneçam uma melhor visão sobre as condições de trabalho da máquina, qualidade da peça, processos de fabricação, etc.

19 Componente CPS: sensores, atuadores, controladores, computadores, etc.

20 Nó CPS: refere-se às integrações entre uma máquina e componentes CPS. O nó CPS é a menor estrutura do CPS que possui os recursos de detecção, computação, comunicação, tomada de decisão e controle. Um centro de usinagem CNC pode ser considerado como um nó CPS

21 Unidade CPS: é a combinação de diferentes nós do CPS, física ou logicamente. É usada para finalizar uma tarefa de usinagem específica. Uma célula de fabricação flexível pode ser considerada como uma unidade CPS

22 Sistema CPS: é a coleção de todas as unidades do CPS. Por exemplo, o sistema CPS pode se referir ao chão de fábrica que é equipado com componentes CPS

23 A computação de fluxo: usada para processar os dados em tempo real do site de produção; uma aplicação típica é o monitoramento de condições de máquinas

24 A computação em lotes: processa grandes volumes de dados históricos, pelos quais o conhecimento oculto pode ser descoberto

25 Desafios do CPS Auto-organização, auto-manutenção, autoreparação Cíber segurança Confiabilidade / robustez Controle em tempo real Diagnóstico remoto Economia Eficiência Interoperabilidade Padronização Previsibilidade Privacidade Quantidade de dados gerada

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