Industria 4.0, uma visão pragmática de sua aplicação Parte I

1.      Contexto da gênese da Indústria 4.0

            Em 2008, a economia mundial experimentou uma crise econômica da qual se pode extrair algumas lições importantes, principalmente pelos países desenvolvidos economicamente como os EUA, Alemanha, Inglaterra, Japão, Coréia do Sul. Uma análise sucinta de uma dessas lições foi o exemplo da Alemanha na Europa, que rapidamente emergiu da crise sem maiores danos a sua economia, diferentemente dos demais países do continente europeu. Um dos fatores importantes que se constatou sobre este fato, foi que a economia da Alemanha tem uma forte base na industrialização interna do país, com manufatura de produtos de alto valor agregado e empregando tecnologias avançadas e inovadoras, em particular na indústria automobilística. Esta constatação levou o governo alemão a colocar em prática algumas ações estratégicas para fortalecer e expandir o seu parque industrial, que se definiram como sendo Projetos Estratégicos de Alta Tecnologia (ex: Sustentabilidade, Mobilidade, Serviços baseados em Internet para a economia, reaproveitamento inteligente de insumos para fornecimento de energia). Entre estas ações, se destaca o que se convencionou chamar de uma nova revolução industrial, denominada de Indústria 4.0, que busca na utilização da tecnologia da informação uma estratégia e tática que a torna competitiva frente as desvantagens do custo de mão de obra mais barato dos países emergentes, e de uma competitividade cada vez mais complexa e caótica no mercado globalizado, com muitos competidores e mudanças imprevisíveis de comportamento do mercado.

            Essa nova percepção fez com que a União Europeia, no outono de 2012, estabelecesse o projeto ´Europa 2020`, que visa aumentar a participação da produção industrial interna no consumo total da Europa, de 16% para 20% até o ano de 2020. Nos EUA, o presidente Barack Obama lançou um programa denominado de ´Renascimento da Manufatura` (Manufacturing Renaissance), para assegurar trabalhos nos EUA com programas auxiliares como o de Parcerias Avançadas de Manufatura, AMP (Advanced Manufacturing Partnership) e a Rede Nacional para Inovação da Manufatura, NNMI (National Network for Manufacturing Innovation).  Mais informações podem ser consultadas no site: http://www.japanmarkt.de/2014/05/12/wirtschaft/industrie-4-0-deutschland-als-vorbild-fuer-japan/).

            Um fator importante a ser considerado para o entendimento da necessidade da Indústria 4.0, é a crescente complexidade da competitividade da manufatura num mercado globalizado. Essa complexidade se origina de vários fatores, entre os principais podemos citar: inovações tecnológicas constantes e desordenadoras de produtos e processos, que fazem com que o ciclo de vida dos produtos se tornem cada vez mais curto; as mudanças constantes de demandas de quantidade e diversidade de produtos para atender os clientes; margens de rentabilidade diminutas que exigem altos volumes de produções com grande diversidade de modelos em quantidades individuais pequenas, o que torna a operação financeira de alto risco. Nesse contexto, podemos definir esta complexidade crescente do ambiente da manufatura, em quatro tipos básicos:

Complexidade Estrutural, devido a globalização da economia com o crescimento exponencial de competidores, fornecedores, parceiros comerciais e clientes.

Complexidade de Dados, devido ao aumento da coleta de dados das operações produtivas em função do crescimento da variabilidade dos planos de produção e de sua respectiva logística.

Complexidade do Produto, devido as crescentes customizações individualizadas por clientes, com demandas de quantidades variadas, para entregas em curtos prazos de tempo, e cada vez mais, o tempo do ciclo de vida de um produto se torna menor.

Complexidade da Virtualização, devido a integração das diversas tecnologias que irão permitir a virtualização digital da produção.

Todavia, preferimos considerar como um fator preponderante no aumento desta complexidade, o fato da crescente evolução das tecnologias de informação, que vem transformando o mundo, ao aproximar e aprofundar as interações dos indivíduos e suas organizações em todas as regiões do planeta, tendo como principal meio o uso da internet.

 Segundo Melanie Mitchell, muitos cientistas que estudam os sistemas complexos usam o conceito de informação para caracterizar e medir a ordem e a desordem, complexidade e simplicidade. O prêmio Nobel em física Murray Gell -Mann, disse sobre os sistemas complexos adaptativos: "Embora eles difiram muito em seus atributos físicos, eles se assemelham na forma como eles lidam com as informações. Essa característica comum, é talvez, o melhor ponto de partida para explorar como eles funcionam".

Em relação as organizações produtivas, a aproximação das interações com os fornecedores e clientes, tem expandido esta complexidade, dada a diversidade de ofertas e demandas geradas pelos mesmos, respectivamente. Parte desta complexidade tem sido tratada com modelos de gestão enxuta, que procura simplifica-la pelo uso de instrumentos e ferramentas de medição e análise respectivamente. Entretanto, o crescimento desta complexidade tende a crescer cada vez mais, e tais práticas começam a se mostrar limitadas. A proposta da Indústria 4.0 vai de encontro aos conceitos de entendimento dos Sistemas Complexos Adaptativos, SCA (ver Instituto Santa Fé nos EUA - http://www.santafe.edu/), que procura fortalecer a identidade da organização, descentralizando o controle e as tomadas de decisões, e com isso proporcionando uma maior capacidade de flexibilidade e adaptação.

Nesta abordagem conceitual das SCA, se busca compreender fenômenos e sistemas na natureza que apresentam um comportamento inderteminístico e caótico. Em geral, a descrição do comportamento desses sistemas se faz pelo padrão das interações de seus agentes entre si, e com o seu meio ambiente interno e externo. Podemos citar como exemplo um sistema como o de um formigueiro, cujos agentes são insetos e que tem pouca diversidade de ação interativa com o ambiente. Entretanto, de forma coletiva apresentam uma estrutura social bastante sofisticada com capacidades de operações complexas, e com um controle descentralizado que lhes permitem se adaptar em relação as mudanças que ocorrem em seu ambiente, de forma autônoma.

Ainda sobre os estudos das SCA, segundo Gell Murray, existe um padrão das interações dos agentes com os seus respectivos meios ambientes, onde estes padrões de interações definem a identidade da organização e o seu comportamento, e é dessa identidade que emerge as adaptações de forma descentralizada. O mesmo Gell Murray salienta que os agentes extraem conhecimentos através das interações e avaliações dos resultados obtidos, e no caso de haver a necessidade de adaptação, há uma escolha de um entre diversos possíveis schematas, que representa o plano de ação de adaptação a ser adotado, e com cujo resultado obtido em relação ao desempenho desejado, é que irá definir por este ou pela tentativa de outro schemata. Além disso, no caso de processos de automatização das atividades de manufatura, se tem observado que os sistemas de produção tendem a se tornarem ainda mais caóticos, por aumentarem sua dependência das condições iniciais da operação produtiva, onde variações destas condições iniciais tendem a levar a uma condição de desalinhamento crescente entre o planejado e o realizado com o decorrer do tempo. Lembrando que num processo complexo e dinâmico, onde são muitas as variáveis sensíveis a determinação do seu comportamento, e que as relações entre as mesmas são diversas e dinâmicas, se torna impraticável em muitos casos, uma definição de causa e efeito para ser analisada diante de um comportamento desordenado.

A proposta fundamental da Indústria 4.0 está na descentralização do controle e decisão das ações na organização produtiva, que possam atender as necessárias adaptações às mudanças do seu ambiente e a crescente complexidade desse comportamento interativo. Atualmente, existem sistemas das tecnologias da informação que podem atender essa necessidade em relação ao ambiente interno e externo da manufatura, através da virtualização dos seus fluxos de processos, tanto produtivo como administrativos. Isso sendo feito através da integração dos sistemas de tecnologia da informação para automação, gerenciamento da produção e gerenciamento administrativo da organização, no que se convencionou denominar de virtualização vertical da organização produtiva.

Esta virtualização expande e aprofunda a capacidade de percepção dos agentes produtivos atuantes no fluxo do processo, humanos ou máquina, em relação ao comportamento do ambiente. Além disso, também auxilia na extração e difusão dos conhecimentos obtidos das ações implantadas pelos agentes, para a escolha e definição dos schematas de adaptação que se fizerem necessários. Importante salientar, a utilização dos recursos da internet na integração desses sistemas de informações, com a máxima transparência e descentralização em relação a forma como são utilizadas pelos agentes.

Cabe ressaltar um fato relevante para a ascensão da Indústria 4.0, que vem ocorrendo nas últimas décadas, que tem sido o desenvolvimento da microeletrônica de forma exponencial, e de sua aplicação como sistemas embarcados (computadores com aplicação funcional especifica) nos mais diversos tipos de máquinas e equipamentos, bem como também em produtos. Tais sistemas embarcados possuem capacidade de comunicação em rede de dados com outros dispositivos computacionais. Esta interface de comunicação em rede de dados, tem migrado recentemente de conexões por fios elétricos para sem fios, por transmissão em rádio frequência, comumente denominada de wireless, ou WiFi. Este fato é relevante para que se possa ampliar a virtualização dos processos produtivos.

A base de dados que irá conter todas as informações relativas às interações dos agentes produtivos da organização produtiva, deverá ser utilizada por ferramentas de extração e análise de dados para identificar padrões que auxiliem na otimização de desvelamento de novos conhecimentos e na compreensão do comportamento adaptativo da organização, ou seja, a identidade da organização. Tal metodologia poderá trazer benefícios como o de melhorar a eficiência na escolha dos schematas de adaptação da organização, e consequentemente na aceleração da sua capacidade competitiva evolutiva.

Outro fator importante a ser observado no ambiente de complexidade do comportamento da economia globalizada, se deve ao fato do crescimento exponencial das inovações tecnológicas, que por sua vez, são desordenadoras do comportamento dos mercados de consumo, destruindo e criando produtos e mercados de uma forma cada vez mais constante, e com isso influenciando na diminuição do ciclo de vida dos produtos e serviços. Em outras palavras, a inovação passou a ser a principal estratégia do crescimento competitivo das organizações de manufatura, seja de produto ou de processos e serviços.

A tática para a realização da estratégia de inovação demanda uma gestão do conhecimento de forma sistêmica, que represente a transformação constante de conhecimentos tácitos em explícitos, e vice-versa, tendo como um exemplo o modelo da espiral do conhecimento, apresentado pelos Professores Nonaka e Takeushi. Por sua vez, a virtualização da organização deverá ser o instrumento de sistematização prática da gestão do conhecimento, e consequentemente o fortalecimento da identidade da organização, de onde emerge as inovações e adaptações necessárias para o seu desenvolvimento competitivo.

Em resumo, a base conceitual da Indústria 4.0 não está apenas no avanço das tecnologias de manufatura e de comunicação, mas fundamentalmente no fenômeno observado em sistemas que apresentam comportamentos adaptativos autônomos, por necessitarem evoluir diante das mudanças de seu ambiente. Lembrando que o determinismo e a centralização do controle comportamental de tais sistemas são necessárias para se obter uma zona de conforto de segurança da organização, mas que não representam necessariamente as únicas prerrogativas evolutivas da mesma, em relação as mudanças dos seus respectivos ambientes, internos e externos.

Portanto, acreditamos que uma forma eficiente de gerenciar o comportamento de um sistema complexo produtivo para sobreviver e crescer num ambiente econômico cada vez mais exigente, remete a necessidade de uma gestão descentralizada com ênfase na cooperação adaptativa de seus agentes em relação a preservação dos seus fundamentos existenciais: lucro e satisfação da interação com seu ambiente interno e externo.

  2.      Histórico das Revoluções Industriais

Um breve histórico das revoluções industriais que tiveram uma enorme influência no comportamento da civilização. A primeira revolução industrial aconteceu no século XIX, com a mecanização do trabalho através das máquinas de tear e das máquinas a vapor. Particularmente, as máquinas de vapor utilizadas em meios de transportes como navios e trens, promoveram a aproximação de grandes distâncias entre fornecedores de matéria prima com os fabricantes de produto final, assim como tambem, com os mercados consumidores.

A segunda revolução surge com a produção em linhas de montagem, que se iniciou com Henry Ford na sua fábrica de automóvel Ford Motor Company. Algumas referências literárias dão conta de que o processo de linha de montagem idealizado por Henry Ford surgiu da sua observação de um abatedouro de frangos, onde o processo de desmembramento de um frango é feito de forma serializada num sentido contrário ao de uma montagem. Importante também salientar a influência significativa que houve com o advento da utilização da eletricidade para geração de energia, na melhoria das comunicações e logísticas de transporte na sociedade, dessa época.

A terceira revolução acontece nas décadas de sessenta e setenta do século XX, com a introdução de sistemas computacionais no controle de máquinas e equipamentos e a consequente automação da produção, que passou a ter suas operações mais mecanizadas, em substituição da mão de obra humana. Nessa revolução surgem equipamentos como o CLP (Controlador Lógico Programável), que se trata de um computador embarcado em máquinas e equipamentos, para o uso especifico no controle digital das operações produtivas, através do uso de sensores e atuadores para a realização da medição e atuação operativa respectivamente.

Um Controlador Lógico Programável, CLP, que controla a operação de uma máquina de usinagem ou de uma máquina injetora termoplástica, através do processamento de algoritmos de controle em malha fechada, e com a utilização de atuadores e sensores.

Na década de oitenta, surgia à popularização das redes de comunicação de dados entre computadores de uso pessoal, e posteriormente de CLPs. Com isso, se iniciou o desenvolvimento de sistemas para controle distribuído, que permitia com que os CLPs das máquinas de produção se comunicassem entre si e com um computador de uso geral, um PC. Neste PC, era processado um software de supervisionamento e controle integrado de todos os equipamentos distribuídos na automação do processo produtivo (CLPs, sensores e atuadores remotos), denominado de SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition). Nascia assim, o que ficou denominado de sistemas de controle e comunicação distribuídos M2M (Machine To Machine), que é o percursor do sistema de IIOT (Industrial Internet Of Things). Além disso, a partir da década de noventa do século XX, também houve a necessidade de integração destes dados de automação com o sistema de gestão administrativo corporativo, denominado de ERP (Enterprise Resource Systems) da empresa.

Com as integrações realizadas entre os sistemas de automação e o ERP, observou-se que havia uma falta de sincronização entre as informações desses sistemas para serem utilizadas pela gestão da produção, pois a automação possui eventos com uma geração de dados e processamento da operação produtiva, em tempo real. Enquanto que os dados referentes ao ERP, no caso do planejamento de produção MRP II (Manufacture Resource Planning II), se referiam a eventos em períodos de meses e ano. Concluiu-se então, que havia a necessidade de uma camada intermediária de software que seria responsável pela estruturação dos dados e informações do processo produtivo para sua utilização pela gestão da manufatura, e que estivesse integrada com a automação, através do SCADA, e com o sistema corporativo ERP através do APS (Advanced Planning System). Esta camada intermediária de software para o gerenciamento da produção se denominou de MES (Manufacture Execution Systems).

A quarta revolução industrial, emerge da necessidade dos países desenvolvidos em recuperarem as suas respectivas capacidades de competitividade industrial para o fortalecimento de suas economias, através da utilização de alta tecnologia como uma forma de compensar as suas diferenças competitivas com os países em desenvolvimento, no que se refere aos custos de mão de obra e energia. Todavia, a globalização da economia com o desenvolvimento da tecnologia da informação, em particular com a internet, proporcionou um significativo aumento do volume de dados e informações que são transacionados durante as vinte quatro horas do dia, em todo o planeta. Este volume de informação e a criação de novos mercados consumidores e produtores, expandiu a complexidade e o indeterminismo do comportamento destes mercados, exigindo novos recursos de tecnologia e uma gestão produtiva descentralizada para atender as demandas cada vez mais dinâmicas e competitivas em relação a preço, qualidade e pronta entrega.

A Indústria 4.0, ou Manufatura Avançada como muitos a denominam, ainda se encontra em seus primórdios de desenvolvimento e definição de padronizações a serem utilizadas pelas indústrias. São muitos os desafios a serem superados, tanto do ponto de vista tecnológico, como do ponto de vista comportamental das organizações produtivas. Sua utilização se baseia na virtualização dos processos produtivos, através da utilização de recursos computacionais embarcados em dispositivos que atuam direta e indiretamente na manufatura, tais como máquinas, equipamentos, operadores e até mesmo os produtos manufaturados, que se interconectam através da rede de comunicação de dados da internet. Estes dispositivos conectados são denominados de CPS (Cyber Physic System), e trocam informações sobre as suas operações, e ocorrências de eventos relacionados a suas respectivas interações com o seu ambiente produtivo, permitindo com isso, o monitoramento em tempo real do fluxo produtivo e a possibilidade de simulação de ocorrências futuras com uma precisão maior no curto prazo.

A integração de sistemas na internet, ocorre com o uso de recursos e serviços, tal como o armazenamento de dados nas nuvens, possibilitando o controle e otimização dos fluxos produtivos de forma descentralizada e em tempo real. Esta integração entre sistemas, pode ser tanto entre os sistemas corporativos de uma mesma empresa, como também entre sistemas corporativos de várias empresas, fornecedor e seus clientes ou cliente com seus fornecedores.

A seguir iremos apresentar um exemplo de como se integram tais sistemas, de forma a caracterizar a gestão descentralizada e autônoma da produção, em que percebemos como o planejamento da produção se define mais próximo dos consumidores finais.

O sistema de gestão corporativo de um entre os vários clientes, controla as vendas e os estoques de reposição dos produtos sendo vendidos nos seus respectivos pontos de vendas, como visto na figura acima. Quando um produto é vendido, além de ser dado baixa no estoque do sistema, entre outras transações internas, publica tal evento numa página nas nuvens, que notifica automaticamente o sistema corporativo do fabricante do referido produto vendido.

A integração entre estes sistemas é feita transparentemente, sem a preocupação dos detalhes de programação e funcionamento de cada um dos sistemas envolvidos. Este e outros recursos e serviços, como o de armazenamento em banco de dados, fazem parte do que conhecemos como sendo o processamento nas nuvens. Lembrando que o meio de comunicação e acesso é a internet.

A seguir, o sistema corporativo administrativo, ERP, estrutura todas confirmações de vendas, em tempo real, e considerando o cálculo do tempo de produção e de logística para a reposição dos estoques dos clientes, de acordo com o que esteja firmado em contrato, irá fazer automaticamente as mudanças no planejamento da produção conforme a necessidade real de seus clientes.

O sistema de planejamento passa a ser feito de forma automática, sem uma participação humana diretamente, no que podemos considerar uma realização da produção por demandas dos clientes, make to order, para assegurar a reposição dos estoques reguladores dos mesmos, baseados em seus consumos reais. Este processo representa o que podemos denominar com sendo a verdadeira produção puxada com entregas em just in time. Em outras palavras, produzir somente o que de fato é demandado, aproximando o plano de produção da manufatura em relação aos pontos de venda do produto final, ou seja, do cliente que consome.

Diante da possibilidade de mudanças do planejamento de produção, se faz necessário o uso de sistemas de simulação do planejamento que levem em consideração as restrições da capacidade produtiva atual, tal como o giro produtivo de cada produto, e o mix de produtos que irão ser produzidos, para que o planejamento proposto apresente uma racionalização do fluxo produtivo como um todo. Tendo um mínimo de: tempos de setup; mínimo da quantidade de estoques intermediários, WIP (Work In Process); um mínimo de perdas produtivas, e um mínimo de tempo de atravessamento no fluxo de produção, de cada produto (Lead Time). A partir da definição do planejamento da produção, que pode variar de acordo com o comportamento de vendas no mercado, o sistema de MES irá assegurar que os CPS possam se comunicar entre si, e durante a execução do roteiro de operações a serem feitas para a execução da produção, com a máxima eficiência. Vale ressaltar que a comunicação e integração entre os CPS, e com o sistema de MES, também deverá ser feito automaticamente nas nuvens.

No caso de haver eventos indesejados, como perdas provocadas por paradas não programada de máquinas, os CPS poderão interagir entre si, para adaptar os seus roteiros de operações automaticamente, e com isso, minimizar os efeitos destas perdas.  Comportamento semelhante aqueles que são observados nas organizações de sistemas da natureza, em que se adaptam às mudanças de forma descentralizada e evolutiva. Interessante ressaltar que os fatores que desencadearam as revoluções industriais têm como um de seus principais pilares o crescimento da capacidade de comunicação que difunde o conhecimento e as transformações que o mesmo promove. No caso da Industria 4.0, seu surgimento ocorre em função dos avanços tecnológicos, principalmente com a tecnologia da informação, e das inovações crescentes nas mais variadas áreas do conhecimento cientifico e tecnológico da computação nas últimas três décadas, que tem promovido mudanças desordenadoras do comportamento dos mercados consumidores globais, destruindo e construindo novos produtos e mercados com uma frequência cada vez maior.

Além disso, o avanço da eletrônica computacional embarcada em máquinas e produtos, com capacidade de comunicação em rede de dados com e sem fio, tem possibilitado avanços tecnológicos de sistemas que virtualizam a produção e a sua execução, de forma autônoma e descentralizada. Possibilitando o surgimento de sistemas de manufaturas inteligentes que possibilitam a extração de conhecimentos das realizações passadas, bem como também, simular situações futuras que lhes permitam obter inovações competitivas sistematicamente, independente cada vez mais da ação humana. Por outro lado, tais avanços tecnológicos têm rompido os paradigmas de gestão administrativa das organizações de manufatura, que em geral, são estruturadas de forma centralizada e hierárquica, mas que não consegue responder de maneira eficiente as necessidades das mudanças de ambiente, cada vez mais frequente. Neste ambiente de mudanças frequentes, que levam o comportamento da organização de uma situação de ordem para o caos, exige que a mesma aprenda a se adaptar rapidamente, com maior eficiência e de forma descentralizada. Estes modos operandis se assemelham cada vez mais ao que se denomina de Sistemas Complexos Adaptativos, SCA, que tem como base analítica, a observação interpretativa das organizações complexas da natureza (ex: um formigueiro), que são eficientes e eficazes na sua capacidade adaptativa, sem um comando centralizado.

Podemos concluir, que a Industria 4.0 se apresenta como um ponto de inflexão na história da capacidade produtiva da sociedade humana, sem precedentes. Onde o consumidor, de forma individual e coletiva, através da sua interação crescente com os mercados globalizados de produtos e serviços, através da internet, se torna o definidor do comportamento destes mercados, e consequentemente do ambiente das organizações produtoras que estão inseridas nos mesmos.

Em outras palavras: ´´A Industria 4.0 é a percepção da representatividade da manufatura como sendo um serviço orientado ao negócio da organização, de forma adaptativa e evolutiva para o seu crescimento sustentável``.

 

 

 

 

Top