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).
