A importância de utilizar dados em tempo real para controlar aplicações industriais modernas

Por que os dados em tempo real se tornaram essenciais nas fábricas modernas

A automação industrial não se limita mais a controladores isolados que operam máquinas individuais. As instalações modernas agora dependem de sistemas interconectados que trocam continuamente dados operacionais entre PLCs, dispositivos de borda, controladores distribuídos, sensores e plataformas corporativas.

À medida que os ambientes industriais adotam computação de borda e arquiteturas da Internet Industrial das Coisas (IIoT), a capacidade de processar dados em tempo real com temporização determinística tornou-se um requisito fundamental, e não apenas uma vantagem competitiva.

Figura 1. Os sistemas operacionais industriais modernos devem gerenciar a execução determinística e a comunicação sincronizada entre ativos de automação conectados.

Ao contrário dos sistemas tradicionais de computação corporativa, que priorizam a eficiência da CPU e a multitarefa, os sistemas de controle industrial devem garantir que as operações críticas sejam executadas dentro de janelas de tempo precisas. Mesmo variações de latência de milissegundos podem afetar a coordenação das máquinas, a estabilidade do processo ou a segurança do pessoal.

As redes industriais transportam dois tipos muito diferentes de tráfego

Um dos maiores desafios arquitetônicos da automação industrial é a convergência entre tecnologia operacional (OT) e tecnologia da informação (TI). Embora ambos os ambientes compartilhem a infraestrutura, suas prioridades de comunicação diferem significativamente.

O tráfego de OT exige temporização determinística

As redes de tecnologia operacional lidam com funções de controle críticas em termos de tempo. Sistemas de movimento, braços robóticos, controles de turbinas e a sincronização de E/S de alta velocidade dependem de latência previsível e jitter extremamente baixo.

Por exemplo, quando um manipulador robótico recebe um comando de coleta de um sistema de rastreamento de esteira transportadora, o atraso de comunicação deve permanecer consistente. Qualquer desvio imprevisível de temporização pode interromper a sequência de produção ou danificar o equipamento.

As instalações que implementam proteção avançada de máquinas frequentemente combinam comunicação determinística com plataformas de monitoramento de condições, como os sistemas de proteção de máquinas Bently Nevada 3500, para melhorar a confiabilidade dos ativos e a visibilidade operacional.

Figura 2. A infraestrutura de comunicação industrial deve oferecer suporte tanto ao tráfego de controle determinístico quanto aos dados corporativos de alto volume.

O tráfego de TI prioriza capacidade de transmissão e escalabilidade

Os sistemas de tecnologia da informação concentram-se na transferência de grandes volumes de dados operacionais entre ambientes corporativos. Fluxos de vídeo, análises em nuvem, bancos de dados de manutenção e sistemas de geração de relatórios priorizam largura de banda e escalabilidade, em vez de temporização determinística.

Historicamente, os sistemas de OT e TI operavam de forma independente porque seus requisitos de comunicação eram incompatíveis. No entanto, as instalações industriais modernas exigem cada vez mais que ambos os tipos de tráfego coexistam em uma infraestrutura de rede unificada.

A comunicação sensível ao tempo está transformando a Ethernet industrial

A comunicação sensível ao tempo (TSN) está surgindo como uma das tecnologias mais importantes para apoiar a convergência entre OT e TI. A TSN aprimora a Ethernet padrão ao introduzir um comportamento de comunicação determinístico para o tráfego industrial.

Com a TSN, os pacotes de controle críticos recebem janelas de transmissão garantidas, enquanto o tráfego não crítico continua compartilhando a mesma rede física. Essa arquitetura reduz a complexidade do hardware e diminui os custos de implementação em comparação com a manutenção de redes de controle isoladas.

Os fabricantes industriais que implementam arquiteturas distribuídas escaláveis frequentemente integram controladores compatíveis com TSN a plataformas de sistemas Siemens SIMATIC S7 e à infraestrutura de automação conectada à borda.

Latência e jitter são mais importantes que velocidade bruta

Muitos engenheiros associam equivocadamente o desempenho das redes industriais apenas à capacidade de transmissão. Na realidade, a temporização determinística costuma ser mais importante que a largura de banda absoluta.

A latência define a rapidez com que os dados chegam ao destino. O jitter mede a variação de temporização entre as transmissões. No controle de movimento, na proteção de turbinas e nos processos de fabricação sincronizados, controlar o jitter é essencial para a estabilidade operacional.

Uma rede capaz de transmitir grandes volumes de dados torna-se pouco confiável para o controle industrial se a temporização da comunicação variar de forma imprevisível.

As usinas de energia demonstram por que as arquiteturas em tempo real são importantes

Grandes instalações de geração de energia são um exemplo claro de por que a comunicação em tempo real se tornou indispensável na automação industrial.

Dentro de uma usina moderna, centenas de sensores distribuídos transmitem continuamente dados operacionais, incluindo leituras de pressão, valores de vibração, concentrações de gases e medições de temperatura.

Figura 3. O monitoramento industrial em tempo real depende da aquisição sincronizada de dados dos sensores e de uma infraestrutura de comunicação determinística.

Grande parte desses dados permanece útil por apenas um período muito curto. Se forem atrasadas além de sua janela operacional, as informações podem deixar de apoiar decisões seguras ou eficazes de controle do processo.

Por isso, gateways de borda, sistemas distribuídos de E/S e PLCs precisam de recursos de comunicação determinística para processar dados dos sensores em tempo real. Esses sistemas frequentemente combinam Ethernet industrial cabeada com redes de comunicação industrial sem fio que operam sob rigorosas restrições de temporização.

O software está se tornando tão importante quanto o hardware

Tradicionalmente, os engenheiros de automação industrial concentravam-se principalmente na seleção do hardware dos controladores. Hoje, a pilha de software é igualmente crítica.

Os processadores industriais modernos consolidam cada vez mais cargas de trabalho em tempo real e fora de tempo real em uma única plataforma. Isso reduz o custo da infraestrutura e simplifica a manutenção, mas também exige ambientes operacionais altamente otimizados.

Sistemas operacionais em tempo real e distribuições industriais do Linux agora oferecem suporte à comunicação determinística, ao agendamento sincronizado e ao processamento seguro na borda dentro da mesma plataforma de hardware.

Figura 4. O software de borda em tempo real combina comunicação determinística, segurança e gerenciamento escalável de aplicações industriais.

O próximo gargalo industrial será a temporização dos dados

Durante muitos anos, a digitalização industrial concentrou-se principalmente no aumento da conectividade. O próximo desafio é garantir a precisão da temporização dessa conectividade.

As fábricas estão adicionando mais sensores, sistemas de visão de máquina, robôs autônomos, plataformas de manutenção preditiva e ferramentas de análise orientadas por IA. Essas tecnologias aumentam continuamente o volume do tráfego de rede e a complexidade da sincronização.

As instalações incapazes de manter o desempenho da comunicação determinística enfrentarão problemas crescentes de confiabilidade à medida que as cargas de trabalho operacionais aumentarem.

Opinião do autor

Muitos operadores industriais ainda subestimam o quanto as redes determinísticas se tornarão críticas na próxima década. Simplesmente adicionar dispositivos conectados sem reprojetar a infraestrutura de comunicação cria ambientes de automação instáveis e difíceis de solucionar.

As instalações industriais que alcançarão resiliência operacional de longo prazo serão aquelas que investirem antecipadamente em arquiteturas TSN, computação de borda em tempo real e estratégias integradas de comunicação entre OT e TI. Os dados em tempo real não são mais apenas uma ferramenta de otimização — estão se tornando a base de uma produção industrial segura e escalável.

Escrito por Daniel Mercer, repórter sênior de sistemas industriais com 14 anos de experiência na cobertura de redes industriais, sistemas de controle de turbinas e plataformas de automação em tempo real. Sua experiência inclui projetos de integração em campo envolvendo infraestrutura da Siemens, Emerson, Honeywell e Bently Nevada em instalações de geração de energia e manufatura de processos.