À medida que a produção se torna cada vez mais flexível e adaptativa, é hora de defini-la por meio de software
(Crédito da imagem: Siemens)
Por Jan Bajorat, Diretor Sênior de Automação Definida por Software na Siemens Digital Industries
A automação industrial tem uma longa e rica história. Ao longo desse tempo, foi impulsionada por dois pilares de sucesso – confiabilidade e eficiência. Isso funcionou bem para empresas em todo o mundo, já que o principal objetivo do setor é automatizar a produção. No entanto, a mudança nas demandas dos consumidores em direção a uma maior personalização está testando os limites dos sistemas de automação e controle implantados. A crescente necessidade de adaptabilidade está levando a complexidade de produção, já elevada e baseada em soluções de automação centradas em dispositivos, aos seus limites. Para lidar com isso, não podemos continuar da mesma forma; precisamos mudar nossa perspectiva sobre a produção e definir os processos de maneira diferente – a partir do software.
Abordagens definidas por software já foram estabelecidas em muitos setores, pois o desenvolvimento de software demonstrou ter respostas para trabalhar em ambientes onde a mudança é constante. Métodos como DevOps (operações de desenvolvimento) permitem iteração rápida, otimização e reutilização, mesmo durante as operações, além de colaboração entre diferentes locais. Em ambientes de produção, isso pode inicialmente parecer contraditório, já que a estabilidade é a principal prioridade. No entanto, implementar hoje uma abordagem de automação definida por software (SDA) pode combinar o conhecimento acumulado ao longo de décadas de automação com ferramentas e métodos pioneiros no mundo da tecnologia da informação (TI), ampliando o setor industrial como um todo. Não existe uma solução única que os fabricantes devam adotar ao levar a TI para o domínio da tecnologia operacional (OT); trata-se de uma mentalidade, um conjunto de princípios compartilhados para trazer adaptabilidade e escalabilidade à produção – uma mudança de paradigma.
O objetivo central da SDA é permitir mais flexibilidade e adaptabilidade, aumentando o nível de abstração e o potencial de automatizar tanto os processos de execução (runtime) quanto os de engenharia. Do lado da execução, isso significa desacoplar aplicações de automação do hardware embarcado e operá-las em ambientes conteinerizados, ao lado de outras aplicações de dados e IA. Combinado com o gerenciamento centralizado e versionamento de aplicações em uma infraestrutura de software padronizada, o potencial de escalabilidade passa a ser limitado apenas pelos recursos computacionais disponíveis.
Do lado da engenharia, a SDA promove o uso de componentes de software modulares, reutilizáveis e padronizados, bem como práticas modernas de desenvolvimento. Isso permite que engenheiros adaptem suas ferramentas às necessidades do fluxo de trabalho e possibilita a modularização e até a implantação remota de programas. Quando controladores virtualizados podem ser configurados rapidamente e módulos de engenharia podem ser reutilizados em toda a organização, a verdadeira adaptabilidade e flexibilidade tornam-se alcançáveis – mesmo em ambientes de produção altamente complexos.
Uma previsão recente da empresa global de inteligência tecnológica ABI Research mostra que o mercado de controladores virtuais – um elemento-chave da SDA – pode crescer para cerca de US$ 4,5 bilhões até 2035. Isso sugere que a SDA será amplamente adotada em um futuro próximo, especialmente onde modernização e flexibilidade são necessárias.
Mesmo ambiente de execução, estrutura diferente
O controlador lógico programável (PLC) foi uma revolução para a automação industrial. Engenheiros passaram a poder “reprogramar” plantas via software, em vez de refazer fisicamente circuitos de controle para alterar a sequência e operação de máquinas. Os PLCs e o desenvolvimento de chipsets cada vez mais poderosos permitiram algoritmos de controle muito mais avançados do que antes. Eles são um elemento essencial no chão de fábrica há décadas, mas estão começando a atingir os limites do que é possível dentro de suas arquiteturas. Muitas empresas adicionaram capacidade computacional com PCs industriais e sensores para monitorar a saúde das máquinas e a qualidade da produção. O desafio surge quando uma empresa deseja escalar ou ajustar ainda mais a produção.
Ainda precisamos controlar máquinas, linhas e fábricas, mas onde e como isso ocorre pode mudar
(Crédito da imagem: Siemens)
Os PLCs foram projetados com foco na confiabilidade. E os mais confiáveis muitas vezes são aqueles que permanecem inalterados. Paradas para otimização podem rapidamente consumir os ganhos esperados. É aqui que a OT pode aprender com a TI, por meio da virtualização. Ao mover a pilha de execução de um PLC para um sistema virtualizado ou conteinerizado, a execução da aplicação se desacopla do hardware embarcado. Um exemplo são os PLCs virtualizados (vPLC), que funcionam como PLCs tradicionais, mas podem rodar em infraestrutura de software padronizada, com maior variedade de recursos computacionais. Isso facilita a comunicação entre aplicações, o controle de versões e a gestão centralizada.
Há também vantagens de longo prazo. Como a execução já ocorre em ambiente digital, especialistas podem implantar novas instâncias rapidamente, sem depender de hardware físico. PLCs virtuais são um primeiro passo para decisões baseadas em dados e novas arquiteturas na automação. Combinados com ferramentas de simulação, novos esquemas podem ser definidos, testados e monitorados após a implementação. Usar dados reais para validar mudanças simuladas ajuda a conectar os mundos físico e digital. Como tudo está conteinerizado, mudanças podem ser feitas com menor risco, com possibilidade de rollback em caso de erro.
Developer Operations (DevOps) para automação industrial
Embora as fábricas utilizem metodologias de data centers para controle por meio da virtualização, os engenheiros de automação passarão a usar metodologias de desenvolvimento de software em seu trabalho, a fim de promover flexibilidade e escala. O desenvolvimento da lógica de automação tem sido tipicamente baseado em padrões de engenharia elétrica para sua estrutura. Isso fazia sentido inicialmente, já que a lógica de controle é uma abstração de processos elétricos dentro de um PLC a ser controlado. Um diagrama de blocos de sistema armazenado como binário para programação pode ser aceitável hoje. Porém, isso limita a escalabilidade desse trabalho e sua integração em cadeias de ferramentas existentes.
Uma mudança central herdada do desenvolvimento moderno de software é combinar código-fonte baseado em documentos, legível por humanos e em texto simples — como os desenvolvedores de software utilizam — com a lógica de automação. Dessa forma, os engenheiros passam a ter muito mais flexibilidade em seus programas.
Essa mudança na abordagem ao código de aplicação e às linguagens de programação é apenas uma peça do quebra-cabeça na mudança de paradigma. A engenharia no estilo de TI trata de mudar a forma como abordamos o desenvolvimento de soluções de automação em geral. As empresas não devem pensar na programação como algo pontual, que ficará sem documentação, intocado e não otimizado até que um problema surja. Em vez disso, assim como no desenvolvimento de software, o código precisa ser mantido, adaptado e otimizado ao longo do tempo.
Existem dois desenvolvimentos principais que tornam essa mudança possível: novas ferramentas combinadas com soluções de automação industrial e uma mudança de mentalidade. Isso pode ser resumido pelo conceito de DevOps para automação industrial. Ferramentas de desenvolvimento de software podem ajudar na adaptabilidade tanto durante a engenharia quanto nas operações por meio da padronização — porque, quanto mais facilmente o código puder ser escrito, versionado, compartilhado e desenvolvido de forma colaborativa, mais facilmente ele poderá ser otimizado.
Isso ajuda a promover a mudança de mentalidade. Remover a complexidade logística do desenvolvimento do caminho dos engenheiros permite que os usuários pensem no longo prazo sobre o que estão implementando. Uma abordagem pode ser rápida no curto prazo, mas investir mais esforço no início pode evitar problemas no futuro. Além disso, a adoção dessas novas tecnologias aumenta o potencial de talentos qualificados, já que eles passam a contar com um ambiente de desenvolvimento familiar e podem se concentrar em compreender os aspectos físicos e mecânicos da engenharia de automação.
A engenharia está passando de uma abordagem centrada em “heróis da solução” para um processo colaborativo, onde a
cooperação traz vantagem competitiva (Crédito da imagem: Siemens)
O objetivo final de fazer as máquinas funcionarem permanece o mesmo, mas a forma de chegar lá muda. A transição para um modo de trabalho mais próximo ao de um desenvolvedor de software abre benefícios contínuos a partir do vasto trabalho já realizado na engenharia de automação.
Por exemplo, a programação orientada a objetos permite uma padronização e modularização muito superiores dos projetos. Uma rotina de movimento escrita para uma válvula base pode ser adaptada para necessidades específicas sem alterar a estrutura inicial, utilizando o recurso de herança. Além disso, testes unitários permitem a validação rápida de alterações por meio de testes que verificam a lógica da aplicação sem a necessidade de qualquer PLC.
Por fim, uma abordagem baseada em texto, combinada com uma estratégia API-first e integração nativa com GIT, permite que inúmeros avanços de programação sejam compartilhados continuamente entre engenheiros de automação. O compartilhamento de trabalho e de melhores práticas pode ir além das portas da fábrica, inspirando abordagens completamente novas que um “herói da solução” individual não teria identificado.
Conectado, mas desacoplado
É importante observar que esses dois pilares da SDA não precisam ser implementados simultaneamente. Isso pode representar uma carga grande de mudanças de uma só vez. A boa notícia é que não precisa ser assim. Algumas empresas podem já estar adotando vPLCs e implementar posteriormente uma engenharia mais alinhada à TI. Outras podem estar adotando hoje práticas de engenharia no estilo TI e migrar gradualmente para vPLCs conforme expandem suas operações.
A capacidade de trabalhar em um desses aspectos enquanto o outro continua operando reduz riscos nas otimizações e diminui o tempo de inatividade necessário para mudanças — especialmente também do ponto de vista de mentalidade.
Existem ótimos exemplos de empresas implementando SDA em sua produção. Por exemplo, na indústria automotiva, a SDA facilita significativamente atender às necessidades de escalabilidade da produção e à convergência entre aplicações de controle, dados e inteligência artificial. Mas também facilita o crescimento. Em vez de investir em todo o hardware necessário de uma só vez, uma empresa pode expandir gradualmente sua capacidade produtiva, garantindo que novos equipamentos se integrem às linhas existentes.
Algumas instalações de manufatura também estão percebendo o valor de contratar um novo tipo de profissional — engenheiros de automação com foco em software — trazendo novas habilidades e abordagens, como o reaproveitamento de código open source ou o uso de inteligência artificial.
Um novo ecossistema de engenharia de automação está surgindo, oferecendo mais caminhos para o sucesso além do modelo de um único “herói da solução” ou de uma única fábrica. Algumas organizações estão adotando a mentalidade colaborativa do desenvolvimento de software por meio de projetos open source, enquanto outras estão colhendo os benefícios de pipelines e testes mais eficientes para otimizar sistemas de controle completos. Há inúmeras possibilidades emergindo com a transição para SDA.
Conclusão
A automação definida por software representa uma mudança de paradigma para o mundo industrial. Enquanto abordagens tradicionais de execução e engenharia dependem de lógica centrada em dispositivos, ferramentas proprietárias com fluxos de trabalho predefinidos e longos ciclos de desenvolvimento, a metodologia definida por software permite um novo nível de agilidade e flexibilidade.
A SDA torna-se a camada de conexão entre gêmeos digitais, modelos de decisão baseados em IA e o nível físico de controle. Ela utiliza tanto a execução quanto a engenharia como alavancas estratégicas para criar fábricas mais adaptáveis.
Olhando para o futuro, a jornada em direção à SDA oferece uma ampla gama de benefícios. Alguns podem surgir imediatamente; outros podem se desenvolver ao longo do tempo, à medida que a experiência é construída em torno de uma nova mentalidade e arquitetura de sistemas. Os produtos fabricados não existem isoladamente, e os mercados podem mudar rapidamente. Porém, ao se tornarem definidos por software e ao possibilitar colaboração mais fácil além das fronteiras existentes do chão de fábrica, as empresas podem se posicionar de forma mais favorável.
Eventualmente, o design de um produto ou uma receita, ao entrar no ambiente de produção, poderá iniciar e ajustar automaticamente o processo no chão de fábrica. Isso pode ainda estar distante, mas a SDA estabelece as bases para esse e muitos outros futuros possíveis. Ela promove flexibilidade desde o núcleo.
Para saber mais sobre o que já é possível hoje e o que está sendo desenvolvido para o amanhã, é possível acessar o site da Siemens em Siemens.com/sda.