Momento crucial para o desenvolvimento da automação industrial: como o PLC virtual vai transformar a automação?

Desde o surgimento da Indústria 4.0 há mais de uma década, a tecnologia da informação (TI) tem influenciado os sistemas de automação industrial. Essa iniciativa fez com que os participantes industriais avessos ao risco reconhecessem o valor e os benefícios de usar uma arquitetura "TI-izada", por exemplo, alcançando otimização contínua por meio da obtenção de dados brutos do processo. Também criou uma visão futura orientada por dados, modelando e testando produtos e processos de produção por meio de gêmeos digitais.

　　A "TI-ização" da arquitetura de automação começou com redes industriais baseadas em Ethernet e deu origem à criação da borda industrial, o espaço onde a automação tradicional da oficina da fábrica encontra o mundo da TI. Com a continuação dessa tendência, agora estamos testemunhando a migração do controle em tempo real de hardware dedicado para ambientes de TI hospedados.

　　 Começando pelo centro de dados

　　O centro de dados é uma das áreas de aplicação da tecnologia de virtualização. Antes da virtualização, os centros de dados eram compostos por servidores dedicados que executavam um único aplicativo (banco de dados, e-mail, compartilhamento de arquivos, CRM, ERP). Cada servidor precisava ser gerenciado, configurado e dimensionado individualmente para atender às necessidades de seu aplicativo ou serviço. A virtualização reduziu drasticamente o número de servidores físicos necessários, diminuiu o consumo de energia e proporcionou melhor visibilidade e gerenciabilidade para as operações de TI. A virtualização de servidores foi um passo rumo aos atuais data centers definidos por software e infraestruturas de computação em nuvem.

　　A tecnologia de automação industrial parece estar seguindo um caminho semelhante. Fábrica de Instrumentação de Automação de Xangai, Terceira Fábrica Para soluções de automação, essa transformação significa integrar várias funções de automação, como visualização, gerenciamento de produção ou controle de lotes, em máquinas virtuais que operam em plataformas de hardware e software genéricos (servidores de fábrica). Embora dispositivos eletromecânicos como sensores, atuadores e motores ainda permaneçam nas máquinas, as funções tradicionais dos controladores lógicos programáveis (CLPs) instalados nos painéis elétricos agora podem ser virtualizadas em contêineres e implantadas nos servidores da fábrica, lado a lado com outros softwares. Para os operadores de máquinas, as funções diárias do sistema de automação devem permanecer inalteradas, mas os técnicos de manutenção podem precisar aprender novas habilidades para lidar com problemas operacionais.

　　 Como o PLC virtual mudará a automação?

O surgimento do PLC virtual (vPLC) levanta muitas questões. O PLC virtual pode substituir diretamente o PLC tradicional? Como é o desempenho em comparação? Quais aplicações ainda serão domínio do PLC tradicional? Que novas oportunidades o PLC virtual cria? A seguir, algumas vantagens potenciais e considerações do PLC virtual em aplicações industriais.

　　 Implantação virtual

　　Ao contrário de alguns softPLCs, o PLC virtual pode ser comprado e baixado como um aplicativo, depois instalado e integrado em ambientes de borda industrial, sem a necessidade de estar vinculado a um PC industrial. Plataformas de borda geralmente suportam aplicativos e dispositivos de um ecossistema em expansão de produtos e soluções (incluindo de terceiros). Por exemplo, plataformas dedicadas como o Siemens Industrial Edge oferecem ferramentas para implantar e monitorar ativos de automação e desempenho de serviços, permitindo que aplicativos e dispositivos se comuniquem facilmente entre si, ocupando pouco espaço.

　　 Implantação para o usuário final

　　Os PLCs tradicionais geralmente são implantados manualmente, e seus parâmetros também precisam ser configurados manualmente, enquanto o PLC virtual é implantado como um ativo de TI por meio de "orquestração" — o processo de configurar, provisionar e gerenciar ativos automaticamente usando ferramentas de TI genéricas. Com habilidades de TI adequadas, engenheiros de automação podem implantar e monitorar um conjunto completo de controladores em máquinas, linhas de produção e fábricas configuradas com dispositivos definidos por software e físicos. Hoje, uma grande fábrica pode conter centenas ou milhares de PLCs, portanto, o potencial para economizar custos por meio da gestão centralizada de ativos de automação é enorme.
 

　　 Implantação para fabricantes de máquinas

　Embora a maioria dos fabricantes de máquinas prefira entregar máquinas com configurações e programas de PLC idênticos, na prática, mesmo máquinas padrão frequentemente precisam ser modificadas para atender às necessidades e exigências dos clientes. O PLC virtual oferece vantagens significativas para os fabricantes de máquinas: o hardware tradicional do PLC vem em diferentes tamanhos e especificações de capacidade, enquanto o PLC virtual tem apenas um "modelo" que pode ser expandido ou reduzido conforme a necessidade de cada máquina.
 

　　 Redução do custo de capital

　　O PLC virtual roda em servidores e, se vários PLCs virtuais forem instalados em um único dispositivo hospedado, os usuários podem reduzir os custos de capital. Então, quantos PLCs virtuais podem ser instalados em um servidor e quais são as limitações? Geralmente, clusters computacionais com 10 a 20 PLCs virtuais por servidor são viáveis, mas isso depende das tarefas específicas do PLC virtual. O controle de movimento rígido com desempenho determinístico é um teste crucial para PLCs. Alguns PLCs virtuais podem executar tarefas padrão de controle de movimento tão bem quanto seus equivalentes baseados em hardware, mas para controle de movimento (coordenando vários eixos servo), especialistas técnicos recomendam usar PLCs tradicionais e módulos técnicos dedicados para maior segurança.

　　 Separação (embalagem primária)

　　Robôs de alta velocidade para pegar e colocar podem lidar com produtos que precisam ser embalados. Esses robôs podem carregar unidades de embalagem termoformada ou outros materiais de embalagem, gerenciar a alimentação de máquinas de embalagem tipo travesseiro e formar matrizes na esteira de saída. Usando software proprietário de separação integrado a sistemas visuais, esses robôs podem identificar a posição, orientação e tipo das peças e atribuir tarefas ao robô correspondente para processamento.

　　 Escalabilidade e flexibilidade

　　O PLC virtual torna os sistemas de automação mais flexíveis e escaláveis. O tamanho do sistema pode ser facilmente aumentado ou reduzido alterando o número de instâncias de PLC virtual em uso, sem necessidade de instalar ou remover hardware. Os usuários pagam apenas pelos controladores que estão usando — um modelo atraente para fabricantes de máquinas que produzem e transportam máquinas regularmente. Devido ao seu tamanho e espaço disponível, os PLCs tradicionais apresentam desafios para fábricas que desejam expandir rapidamente. A virtualização permite desenvolver e testar novas estratégias de controle antes de implementá-las em PLCs físicos, facilitando a expansão flexível das linhas de automação da fábrica. Isso reduz significativamente custos e riscos de erros durante a expansão.

　　 Gerenciamento de dispositivos e aplicativos

　　Sistemas virtualizados são "orquestrados", o que significa que aplicativos e dispositivos podem ser implantados rapidamente por meio de tarefas automáticas, provisionados e configurados. Assim, todo o sistema de automação definido por software, dispositivos inteligentes e aplicativos podem ser implantados, monitorados e gerenciados usando ferramentas genéricas.

　　 Suporte ao sistema

　　Fabricantes de máquinas geralmente investem muito no desenvolvimento de código para PLCs, portanto, não é surpreendente que PLCs virtuais geralmente suportem código e estruturas de dados, permitindo que os usuários aproveitem sua propriedade intelectual existente e ferramentas de engenharia familiares. Por exemplo, o controlador virtual Simatic S7-1500V da Siemens é configurado da mesma forma que o PLC tradicional usando o software TIA Portal, permitindo que os usuários continuem usando o código existente desenvolvido para várias gerações de PLCs Siemens. Isso também se aplica à operação reversa: se necessário, os usuários podem facilmente voltar ao PLC tradicional para reduzir riscos de mudanças e apoiar uma transição gradual.

　　 Maior eficiência

　　O PLC virtual é implantado na borda industrial, que é o campo onde os sistemas de automação antigos e novos são integrados no ambiente de TI. Por exemplo, o Simatic S7-1500V opera na plataforma Siemens Industrial Edge, onde aplicativos e dispositivos podem ser monitorados centralmente neste ambiente universal, que promove abertura e compartilhamento de dados, trazendo uma série de benefícios. Os usuários podem operar e manter equipamentos de fabricação com base em insights orientados por dados, o que ajuda a otimizar processos e até prever falhas e paradas inesperadas. Essas funcionalidades podem ser ainda mais aprimoradas por outros aplicativos que rodam na mesma plataforma de borda, como o monitoramento Profinet.

　　 Custos de aquisição e ciclo de vida

　　Os sistemas de automação que utilizam PLC virtual têm custos de aquisição mais baixos do que os sistemas de automação tradicionais? E quanto ao custo do ciclo de vida em comparação com sistemas PLC tradicionais? Ainda não há um consenso sobre a comparação de custos entre PLC virtual e PLC tradicional. Embora o PLC virtual ainda precise de hardware para funcionar, os usuários podem implantar vários PLCs virtuais em um único servidor, o que reduz o número total de dispositivos e economiza espaço no painel de controle. No entanto, o PLC virtual apenas substitui a unidade central de processamento (CPU) do sistema de automação. Módulos de entrada/saída (E/S), sensores, atuadores e painéis operacionais ainda são necessários, e esses podem representar uma grande parte do custo total do sistema de controle.

　　Reduzir os custos de engenharia adotando métodos DevOps para desenvolvimento enxuto de software, encurtando o tempo de desenvolvimento enquanto garante a qualidade e consistência do código, além de possibilitar economias adicionais.

　　O lançamento do PLC virtual representa um momento crucial no desenvolvimento da automação industrial. Ao combinar a robustez das funções tradicionais do PLC com a agilidade da tecnologia de virtualização, o PLC virtual oferece flexibilidade, escalabilidade e funcionalidades integradas. À medida que diversos setores continuam a adotar a transformação digital, espera-se que o uso do PLC virtual aumente a eficiência, reduza custos e traga novas oportunidades de inovação para a indústria manufatureira.

　　O significado do PLC virtual não está em substituir o PLC tradicional, Shanghai Automation Instrumentation Co., Ltd.   mas sim em implantar e gerenciar funções de PLC em um ambiente centrado em dados, aproveitando ao máximo todas as vantagens trazidas pelas modernas ferramentas e avanços de TI. Compreender as sutilezas da virtualização e seu impacto na arquitetura de automação será fundamental. Abraçar esses avanços não só possibilita operações industriais voltadas para o futuro, mas também pavimenta o caminho para um ambiente industrial mais conectado e inteligente.