Indústria 4.0

Indústria 4.0 ou Quarta Revolução Industrial é uma expressão que engloba algumas tecnologias para automação e troca de dados e utiliza conceitos de Sistemas ciber-físicos, Internet das Coisas e Computação em Nuvem. O foco da Quarta Revolução Industrial é a melhoria da eficiência e produtividade dos processos.

A Indústria 4.0 facilita a visão e execução de "Fábricas Inteligentes" com as suas estruturas modulares, os sistemas ciber-físicos monitoram os processos físicos, criam uma cópia virtual do mundo físico e tomam decisões descentralizadas. Com a internet das coisas, os sistemas ciber-físicos comunicam e cooperam entre si e com os humanos em tempo real, e através da computação em nuvem, ambos os serviços internos e intra-organizacionais são oferecidos e utilizados pelos participantes da cadeia de valor.

Estas novas tecnologias trazem inúmeras oportunidades para a agregação de valor aos clientes e aumento de produtividade de processos, mas sem o enfoque adequado podem desperdiçar grandes investimentos, com poucos resultados.

História das Revoluções industriais antes da 4.0

• Primeira Revolução Industrial: A revolução industrial na antiga Grã-Bretanha entrou para introduzir máquinas em produção no final do século XVIII. Isso incluía sair da produção manual e começar o uso de motores a vapor e água como fonte de energia. Isso ajudou muito a agricultura e o termo "fábrica" ​​se tornou um pouco popular. Uma das indústrias que se beneficiaram com essas mudanças é a indústria têxtil e foi a primeira a adotar esses métodos. Representou também uma grande parte da economia britânica na época.
• Segunda Revolução Industrial: A segunda revolução industrial, datada entre 1870 e 1945, introduzindo sistemas preexistentes, como telégrafos e ferrovias, nas indústrias. Talvez a característica definidora desse período tenha sido a inclusão da produção em massa como principal meio de produção em geral, popularizada por Henry Ford e a eletrificação das fábricas. A produção em massa de aço ajudou a inserir ferrovias no sistema, o que consequentemente contribuiu para a produção em massa. Inovações em química, como a invenção do corante sintético, também marcam um período em que a química estava em um estado bastante primitivo na época. No entanto, essas abordagens revolucionárias da indústria foram encerradas com o início da Primeira Guerra Mundial. A produção em massa, é claro, não foi encerrada, mas apenas desenvolvimentos no mesmo contexto foram feitos.
• Terceira Revolução Industrial: A terceira revolução industrial, datada entre 1950 e 1970. É frequentemente chamada de revolução digital, e surgiu com a automação industrial, que integra os sistemas mecânicos e eletrônicos, e também com a evolução da computação digital. A terceira revolução foi, e ainda é, um resultado direto do enorme desenvolvimento em tecnologia eletrônica, dos semicondutores e equipamentos automatizados, nas telecomunicações e nos processos de fabricação.

Nome

O termo "Indústria 4.0" teve origem de um projeto estratégico de alta tecnologia do Governo Alemão, que promove a informatização da manufatura e a integração de dados. A primeira revolução industrial mobilizou a mecanização da produção utilizando água e energia a vapor. A segunda revolução industrial introduziu a eletrificação da produção em massa, com as novas técnicas de geração de energia elétrica. Em seguida veio a terceira revolução industrial e o uso extensivo da automação industrial, aparelhos e dispositivos automatizados, bem como a eletrônica digital e computadores.

O termo indústria 4.0 foi usado pela primeira vez na Hannover Messe. Em Outubro de 2012, o Grupo de Trabalho da comissão para indústria, presidido por Siegfried Dais (Robert Bosch GmbH) e Henning Kagermann (German Academy of Science and Engineering) apresentaram um conjunto de recomendações para implementação da Indústria 4.0 ao Governo Federal Alemão. Em Abril de 2013, novamente na Feira de Hannover, o relatório final do Grupo de Trabalho da Indústria 4.0 foi apresentado.

Impactos da indústria 4.0

• Postos de Trabalho: O impacto no número de empregos é o que mais gera polêmica na Indústria 4.0. Os debates têm sido polarizados por aqueles que acreditam em oportunidades ilimitadas de novos empregos e aqueles que preveem a substituição direta da mão de obra e o desaparecimento de postos de trabalho (Fórum Econômico Mundial, 2016). A necessidade do aperfeiçoamento de competências e habilidades é uma consequência lógica da geração de empregos que exigem uma maior qualificação.
• Interação homem-máquina: A interação entre o homem e a máquina é um dos impactos a serem provocados pela Indústria 4.0 no trabalho, trazendo, segundo o "BGC" (2015b), significativas mudanças para a natureza do trabalho, utilizando alta tecnologia para a estrutura produtiva das firmas.

Benefícios da empresa ao adotar a indústria 4.0:

• Menos custos: Como a tecnologia é baseada em nuvem, não será necessário muitas pessoas para gerenciar e manter sistemas, o número de funcionários irá diminuir, uma vez que as maquinas irão fazer muitas funções que hoje adotamos pessoas para realizá-las, tendo assim um trabalho mais rápido, e com menor custo.
• Operações em tempo real: Utilizando a tecnologia, será possível a construção de um banco de dados,vindo diretamente dos processos de produção da fábrica, em tempo real. desse modo, operar em tempo real irá auxiliar em grande escala na tomada de novas decisões da empresa.
• Manufatura modular: As máquinas poderão ser alteradas/reprogramadas com facilidade, dessa forma, a flexibilidade nos processos de produção irá ser maior, permitindo a facilidade na criação de novos produtos, alterando algum produto já existente, já que a forma de alterar as máquinas será mais rápida.
• Operações integradas: Com a adoção do Sistemas ciber-físicos, as fábricas ficarão mais inteligentes, dessa forma, a infraestrutura será capaz de estabelecer contato com a cadeia de fornecedores e clientes, tendo assim, uma demanda mais sincronizada, proporcionando mais benefício à empresa.
• Otimização: A otimização é importantíssima para uma empresa, com a otimização da indústria 4.0, a empresa que utiliza os dispositivos inteligentes, terá tempo de inatividade quase zero, já que as máquinas não precisam de descanso como as pessoas, oferecendo maior numero de produção, com menor custo e mais facilidade, não precisando da mão de obra humana.

Princípios de Projeto

• Interoperabilidade: a habilidade dos Sistema ciber-físicos (suporte de peças, estações de montagem e produtos), dos humanos e das Fábricas Inteligentes de se conectarem e se comunicarem entre si através da Internet e da Computação em nuvem.
• Virtualização: uma cópia virtual das Fábricas Inteligentes é criada por sensores de dados interconectados (que monitoram processos físicos) com modelos de plantas virtuais e modelos de simulação.
• Descentralização: a habilidade dos sistemas Sistema ciber-físicos das Fábricas Inteligentes de tomarem decisões sem intervenção humana.
• Capacidade em Tempo-Real: a capacidade de coletar e analisar dados e entregar conhecimento derivado dessas análises imediatamente.
• Orientação a Serviço: oferecimento dos serviços (dos sistemas ciber-físicos, humanos ou das Indústrias Inteligentes) através da Computação em nuvem.
• Modularidade: adaptação flexível das Fábricas Inteligentes para requisitos mutáveis através da reposição ou expansão de módulos individuais.
• maior segurança: a documentação digital constante permite codificar e rastrear todos os processos, aumentando a segurança e a transparência da produção.
• menos custos: devido à autorregulação das máquinas, à automatização dos processos e à diminuição do componente humano, o custo da empresa será reduzido.

Os Princípios e as Tecnologias Essenciais para a Indústria 4.0

A tecnologia tem um papel essencial na vida das pessoas, e sua evolução em velocidade acelerada proporciona mudanças e disrupções nas trajetórias conhecidas e no modo como as pessoas vivem. Desde o início da era digital assistimos a uma evolução rápida e consistente de fatores de desempenho, como poder de processamento, acompanhado da redução de custos e miniaturização de componentes, seguindo o ritmo previsto na Lei de Moore, uma proposição do universo informático segundo a qual a capacidade de processamento computacional derivada dos avanços da Microeletrônica ocorrem numa velocidade que permite duplicar o seu poder em ciclos de 18 meses. Essa evolução promove e possibilita o surgimento de diversas outras tecnologias e aplicações, algumas delas diretamente relacionadas à Indústria 4.0.

Hermann et al. (2015) identifica na literatura os princípios básicos para a aplicação bem sucedida de iniciativas de Indústria 4.0: interoperabilidade, virtualização, descentralização, capacidade de resposta em tempo real, orientação ao serviço e modularidade. Uma breve definição de cada um desses seis princípios é apresentada no item 2.a.i, descrevendo os impactos da aplicação de cada uma das tecnologias base da Indústria 4.0.

Tecnologias da Indústria 4.0

Sistemas Ciber-Físicos: Os CPS (Sistemas ciber-físicos) é a associação entre a computação, rede e processos físicos.É a combinação de vários sistemas de natureza diferente, cujo objetivo principal é administrar um processo físico e, através do seu feedback, adequar-se a novas condições, em tempo real.

Big Data Analytic: O vocábulo "big data" se refere aos gigantescos armazenamentos digitais de informações, velocidade e variedade. A análise de big data é o recurso da utilização de software para descobrir tendências, padrões, correlações ou outras informações úteis nesses enormes armazenamentos de dados.

Computação na nuvem: Computação em nuvem é um vocábulo geral para qualquer coisa que compreenda a transmissão de serviços hospedados pela Internet. Esses serviços fazem com que empresa não necessite mais de uma infraestrutura de TI em sua unidade. A computação na nuvem divididos em três categorias: Infraestrutura como Serviço (IaaS), Plataforma como Serviço (PaaS) e Software como Serviço (SaaS).

Internet das Coisas(IoT): A IoT é o conceito de conectar algum dispositivo à Internet e a outros dispositivos conectados. É uma rede imensa de coisas e pessoas conectadas ,que coletam e compartilham dados sobre a maneira como são utilizadas e sobre o ambiente ao seu redor. Cada vez mais, organizações de diversos setores estão usando a IoT para operar com mais competência, compreender melhor os clientes para oferecer um serviço aperfeiçoado ao cliente, melhorar a tomada de decisões e aumentar o valor dos negócios.

Internet dos Serviços(IoS): A IoS é, fundamentalmente, o acompanhamentos dos serviços da Internet das Coisas ou a produção de serviços profundamente ligados à IoT. Partindo basicamente que a IoT abrange a comunicação constante entre máquinas/máquinas e entre máquinas/homem.

Uma brincadeira com um crânio fazendo alusão a IA

Manufatura aditiva: É um tipo de ideia pelo qual divergentes processos são empregados ​​para replicar fisicamente objetos 3D criados por CAD (desenho auxiliado por computador). A fabricação aditiva pode ser realizada com variados tipos de materiais e não necessita necessariamente de ferramentas ou um bloco de matéria-prima transformando a fabricação muito mais rápida e barata. Esse processo fabrica um artefato adicionando material camada por camada, motivação pela qual também é chamado de fabricação aditiva, adverso a usinagem convencional, fundição e forjamento - procedimentos em que o material é retirado de um item de estoque ou derramado em um molde e modelado por meio de matrizes,

Inteligência Artificia(IA): É a habilidade da máquina para executar tarefas normalmente associadas a seres inteligentes. A IA é frequentemente empregado ao projeto de elaboração de sistemas dotados dos processos intelectuais peculiares aos seres humanos, como a predisposição de raciocinar, descobrir significado, generalizar ou aprender com a experiência passada. Desde a criação do computador digital na década de 1940, foi comprovado que os computadores podem ser programados para efetuar tarefas muito complexas.

A inteligência artificial também pode ser utilizada para uma rápida integração de dados para ler e avaliar dados informáticos não estruturados de sistemas legados de forma estruturada. Desta forma, os dados de toda uma unidade de produção com várias centenas de fontes de dados podem ser analisados em tempo real dentro de algumas semanas.

Sensores Inteligentes: Sensores Inteligentes são dispositivos capazes de providenciar funções além daquelas necessárias para gerar uma correta representação da quantidade medida e/ou controlada. Resumidamente, um sensor inteligente recebe um estímulo externo do ambiente em que se encontra, recebe os dados relacionados com esse estímulo e faz o processamento dos mesmos de forma a gerar informação relevante. Um dos métodos computacionais utilizado para realizar o processamento dos dados são as Redes Neuronais Artificiais, método este relacionado também com o conceito de Machine Learning (Aprendizado de Máquina), que se inspira no neurónio animal. Um exemplo da integração de sensores inteligentes em aparelhos eletrónicos trata-se do caso dos Wearables ou relógios inteligentes, onde estes sensores, através dos dados recebidos do movimento dos utilizadores, fazem o processamento dos mesmo e como resultado contabilizam esses mesmos passos e conseguem converter em número de calorias queimadas e número de quilómetros percorridos. Muitas vezes, os sensores inteligentes são aplicações inseridas no conceito de Internet das Coisas - IoT (Internet of Things).

Exemplos de aplicações gerais dos Sensores Inteligentes:

• Agricultura – a aplicação de sensores inteligentes para a rega de culturas. Estes sensores analisam os dados referentes à temperatura, humidade e humidade do solo, com vista a otimizar o processo da rega, tornando-o num processo automático, sem ser necessário o controlo humano. Além disso, um objetivo adicional é a otimização na produtividade das culturas.
• Medicina / Biomedicina – a aplicação de sensores inteligentes em biomateriais, como é o caso da diabetes, onde muitos pacientes necessitam de uma bomba de insulina automática, a qual liberta uma certa quantidade de insulina quando os níveis de insulina no organismo se encontram inferiores ou superiores a determinado nível. Esta libertação automática de insulina para o organismo do paciente é regulada através de sensores inteligentes que acionam essa reação.

Exemplos de aplicações em Portugal:

• Trânsito em Lisboa – Desde dezembro de 2019, a rede de semáforos de Lisboa começou a sofrer uma modernização pela aplicação de sensores inteligentes. O principal objetivo é otimizar os fluxos de trânsito automóvel pela gestão de interseções de estradas.

Antes da Indústria 4.0

A indústria 1.0 se refere à primeira revolução industrial. É marcado por uma transição dos métodos de produção manual para as máquinas através do uso de energia a vapor e água. A implementação de novas tecnologias levou muito tempo; portanto, o período a que se refere é entre 1760 e 1820, ou 1840 na Europa e nos EUA. Seus efeitos tiveram conseqüências sobre a manufatura têxtil, que foi a primeira a adotar essas mudanças, bem como a indústria siderúrgica, a agricultura e a mineração, embora também tivesse efeitos sociais com uma classe média cada vez mais forte. Também teve um efeito na indústria britânica na época. Indústria 2.0; a segunda revolução industrial ou mais conhecida como revolução tecnológica é o período entre 1870 e 1914. Foi possível com as extensas redes ferroviárias e o telégrafo que permitiam uma transferência mais rápida de pessoas e idéias. Também é marcada pela eletricidade cada vez mais presente, que permitiu a eletrificação da fábrica e a moderna linha de produção. É também um período de grande crescimento econômico, com aumento de produtividade. No entanto, causou um aumento no desemprego, pois muitos trabalhadores foram substituídos por máquinas nas fábricas. A terceira revolução industrial ou Indústria 3.0 ocorreu no final do século 20, após o final das duas grandes guerras, como resultado de uma desaceleração da industrialização e do avanço tecnológico em comparação com os períodos anteriores. É também chamado de revolução digital. A crise global em 1929 foi um dos desenvolvimentos econômicos negativos que surgiram em muitos países industrializados desde as duas primeiras revoluções. A produção do Z1 (calculadora mecânica acionada eletricamente) foi o início de desenvolvimentos digitais mais avançados. Isso continuou com o próximo progresso significativo no desenvolvimento de tecnologias de comunicação com o supercomputador. Nesse processo, onde houve amplo uso de tecnologias de computador e comunicação no processo de produção. Máquinas começaram a anular a necessidade de poder humano na vida.

CPS e a Indústria 4.0

A cada dia é maior o número de dispositivos ou sistemas com algum nível de processamento. Isso contribuiu para que áreas com pouca ou nenhuma afinidade passassem a integrar uma classe emergente de sistemas. Os Sistemas Ciber-físicos (CPS) são caracterizados pela estreita integração e coordenação entre a computação embarcada e as variáveis físicas, que interagem com o sistema por meio de sensores e atuadores.Tais sistemas possuem por uma forte interação entre os dispositivos eletromecânicos,presentes em uma determinada aplicação, e o sistema computacional embarcado. Cyber Physical Systems (CPS) são sistemas automatizados que permitem a conexão das operações da realidade física com infraestruturas de computação e comunicação. Ao contrário dos sistemas embarcados tradicionais,que são projetados como dispositivos autônomos, o foco no CPS está na rede de vários dispositivos. O CPS, acompanha a tendência de ter informações e serviços em todos os lugares. São sistemas conectados em rede que se comunicam entre si e usam sensores para capturar informação sobre o que está acontecendo no mundo físico, interpretam esses dados e os disponibilizam em serviços de rede, ao mesmo tempo que usam atuadores que influenciam diretamente os processos no ambiente físico e controlam o comportamento de dispositivos, objetos e serviços. Os sistemas ciber-físicos estão dando origem à soluções não apenas inovadoras, como também genuinamente revolucionárias. Eles migram a inteligência dos operadores humanos para locais remotos e permitem que eles concentrem os esforços em raciocínio de alto nível e tomadas de decisão. Cabe ressaltar que, e os seres humanos não devem ser desligados dos processos de produção, mas sim devem ter um papel cada vez mais importante, desta maneira, se define uma nova forma de cooperação entre as máquinas e seres humanos. Eles permitem muitas funcionalidades inovadoras através da sua rede e acesso ao mundo cibernético, alterando significativamente o nosso dia a dia. Nesse contexto, novos modelos de negócios, processos de trabalho e métodos de desenvolvimento que atualmente são inimagináveis surgirão. Essas mudanças também influenciarão  fortemente a sociedade e as pessoas. A vida familiar, globalização, mercados, etc. terão que ser redefinidos. No entanto, a Indústria 4.0 mostra simultaneamente características que representam os desafios em relação ao desenvolvimento de sistemas ciber-físicos, tais como: confiabilidade, segurança e proteção de dados. Como um exemplo ilustrativo de um sistema ciber-físico, considere uma equipe de robôs móveis e autônomos, encarregados da identificação e recuperação de um alvo dentro de uma casa com uma planta baixa desconhecida. Para realizar essa tarefa, cada robô deve estar equipado com vários sensores que coletam as informações relevantes sobre o mundo físico. Exemplos de sensores onde incluem um receptor GPS (para rastrear a localização de um robô), uma câmera (para tirar fotos dos arredores) e um sensor térmico infravermelho (para detectar a presença de seres humanos). Um problema computacional chave, então, é construir um mapa global da casa baseado em todos os dados coletados, e isso requer que os robôs troquem informações usando links sem fio de maneira coordenada. O conhecimento atual das posições dos robôs, obstáculos e alvo podem ser usados para determinar um plano de movimento para cada um dos robôs. Esse plano de movimento inclui comandos de alto nível para cada um dos robôs na forma: “se mover na direção noroeste a uma velocidade constante de 5 km/h”. Essa diretiva precisa ser traduzida para entradas de controle de baixo nível para os motores, controlando o movimento do robô. Os objetivos do projeto incluem: operação segura (por exemplo, um robô não deve se deparar com obstáculos ou outros robôs), conclusão da missão (por exemplo, o alvo deve ser encontrado) e estabilidade física (por exemplo, cada robô deve ser estável como um sistema dinâmico). A construção do sistema multi-robôs para atender à esses objetivos, requer o desenho de estratégias para controle, computação e comunicação de maneira sinérgica. Apesar de algumas formas de sistemas ciber-físicos serem usados na indústria desde os anos 80, só recentemente a tecnologia para processadores, comunicação sem fio e sensores amadureceu para permitir a produção de componentes com recursos impressionantes a um baixo custo. Compreender todo o potencial dessas plataformas de computação requer avanços em ferramentas e metodologia para a construção de sistemas ciber-físicos confiáveis. Esse desafio de desenvolver uma abordagem sistêmica para integrar o projeto de controle, computação e comunicação provou ser o catalisador para o surgimento de uma disciplina acadêmica distinta.

Indústria 4.0 no Brasil

A Indústria 4.0 desponta como caminho natural para aumentar a competitividade do setor por meio das tecnologias digitais. No Brasil ainda é pouco utilizada pelas empresas nacionais. O atraso brasileiro diante da integração das tecnologias físicas e digitais em todas as etapas de desenvolvimento de um produto fica evidente porque 43% das empresas não identificam quais tecnologias têm potencial para alavancar a competitividade do setor industrial. Nas pequenas empresas, esse porcentual sobe para 57%. Entre as grandes, a fatia recua para 32%. De acordo com pesquisa nacional sobre adoção de tecnologias digitais relacionadas à era da manufatura avançada, realizada pela Confederação Nacional da Indústria (CNI), a indústria brasileira ainda está se familiarizando com a digitalização e com os impactos que pode ter sobre a competitividade. O desconhecimento é significativamente maior entre as pequenas empresas (57%). Ademais, infere-se que o Brasil esteja pouco preparado para a adoção em larga escala da Indústria 4.0 tendo em vista aspectos estruturais, educacionais e culturais.

Reconhecendo a importância do tema, recentemente o Governo Federal, por meio do Ministério da Indústria, Comércio Exterior e Serviços (MDIC) e da Associação Brasileira de Desenvolvimento Industrial (ABDI), lançou a Agenda Brasil para a Indústria 4.0 , conjunto de iniciativas que visam promover o desenvolvimento da Indústria 4.0 no país.