IIoT e Computação de Borda: do conceito à implementação - WESTCON
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Autor: Oriol Filló Claret
Product Marketing Manager IoT at Softing Industrial Automation GmbH
As empresas estão, cada vez mais, explorando o poder da IIoT (Industrial Internet of Things) para transferir para a nuvem os dados de processos e de dispositivos de automação e usá-los para otimizar suas operações, aumentar a eficiência e reduzir custos.
A borda industrial (Industrial Edge), geralmente, é a espinha dorsal para as soluções de IIoT, pois oferece conectividade, integração de TI com OT e gerenciamento de dados, ao mesmo tempo em que leva os recursos da nuvem até o local (a planta industrial). Essas funcionalidades de borda complementam os recursos de nuvem da Amazon Web Services (AWS) e do Microsoft Azure, que são pioneiras no fornecimento de componentes e serviços para o desenvolvimento de soluções IIoT de ponta a ponta. Além disso, o uso de ferramentas de contêiner de código aberto, como o Kubernetes, está se tornando cada vez mais frequente na camada da borda.
Neste artigo, explicamos a borda industrial e a arquitetura de IIoT e apresentamos três projetos que aproveitam as plataformas AWS, Microsoft Azure e Kubernetes e já estão implantados ou em fase inicial de implantação.
O que significa borda industrial (Industrial Edge)?
A borda industrial facilita a conectividade entre máquinas e dispositivos existentes nas plantas de produção e a nuvem ou plataformas centralizadas. Isso permite que os dados do chão de fábrica sejam usados por outros aplicativos para facilitar o gerenciamento, melhorar a eficiência e a produtividade, bem como reduzir custos. Em poucas palavras, a borda industrial estende as funcionalidades de uma plataforma centralizada (na nuvem ou não) até os locais de produção ou processo.
As características básicas de um sistema de borda industrial são:
Processamento e/ou gerenciamento de dados próximo ao local onde ficam as máquinas e equipamentos da planta industrial/ processo;
Gerenciamento centralizado da infraestrutura necessária de software;
Se você quiser se aprofundar no tema Edge Computing, leia este artigo.
Como a camada de borda é usada em uma arquitetura industrial de IoT (ou stack de IoT) e como isso ajuda a conectar a camada do chão de fábrica à nuvem?
Conectando ativos de produção à nuvem em uma arquitetura de IIoT
Uma arquitetura de IIoT (ou stack de IIoT) pode ser descrita em sua forma básica como um modelo de três camadas, conectando o nível de chão de fábrica à nuvem.
Camada inferior de ativos de produção: compreende a área de tecnologia operacional (OT), que inclui máquinas de produção, controladores e sensores, entre outros componentes de automação;
Camada da borda: ela preenche a lacuna entre a fábrica/processo e a infraestrutura e serviços centralizados (remotos ou não) que estão na camada superior. A borda coleta e consolida dados de várias fontes na camada inferior;
Camada superior: sistema central que recebe as informações dos ativos e processos da planta, e pode enviar informações de feedback aos sistemas de controle na camada inferior, além de gerenciar e "orquestrar" a borda.
Fig 1 – Camadas de nuvem, de borda e de ativos de produção, conforme definido pela Open Manufacturing Platform (OMP) como parte da arquitetura IoT.
Com base nessa definição teórica, é possível implementar uma infinidade de aplicações, incorporando uma grande variedade de componentes dentro dessas camadas. Não existe uma solução única para se implementar um stack IIoT. A escolha da solução é determinada com base em "ecossistemas", parcerias e integrações.
E tudo isso está sendo desenvolvido agora. Ainda não há um status-quo, um modelo definido, para essas implantações, o que representa um desafio e, ao mesmo tempo, abre um grande campo de oportunidades.
Um ponto central em todas as implementações é a necessidade da conectividade e da troca de informações entre os ativos de produção e processo (OT) e as camadas de borda e nuvem (TI).
Estes são dois mundos diferentes, que não falam a mesma língua. Essa conversão pode já ocorrer no nível de produção ou processo, mas, geralmente, está disponível apenas na borda. Além disso, a borda também agrega, filtra e gerencia as informações conforme necessário e incorpora outras funcionalidades indispensáveis, como segurança cibernética.
Uma tecnologia-chave para operar e gerenciar tais funcionalidades são os Docker Containers. Esses componentes de software autocontidos e modularizados podem ser implantados, configurados e gerenciados remotamente e com facilidade. Eles são um bloco de construção fundamental para arquiteturas de soluções de IIoT.
Como explorar as arquiteturas IIoT com AWS e Microsoft Azure
AWS e Microsoft Azure oferecem a gama mais abrangente de serviços de infraestrutura em nuvem e IoT (IaaS), bem como plataformas como serviço (PaaS) e software como serviço (SaaS). Essas ofertas podem ser usadas para criar soluções personalizadas (partindo do zero) ou semiprontas, a partir de modelos de aplicativos já existentes, que aceleram o desenvolvimento, a implantação e o tempo de retorno.
Ambas as empresas são provedores nativos da nuvem. Seus serviços são abertos e permitem integrações com aplicativos de terceiros. Eles fornecem a capacidade de adaptar e personalizar soluções individuais de IoT. Empresas em todo o mundo estão utilizando a AWS, o Microsoft Azure e a arquitetura de stack IIoT descrita como um meio para explorar o poder da IIoT e usar os dados de produção para aumentar a produtividade, melhorar a tomada de decisões e reduzir custos.
Confira três exemplos de projetos recentes criados na AWS e no Microsoft Azure:
Fig 2 – Stack de IIoT com o AWS IoT Greengrass e edgeAggregator da Softing, para gerenciamento e integração de dados via OPC UA.
1. Agregação e filtro de dados OPC UA na camada de borda em uma indústria de processos
Esta arquitetura é baseada no AWS IoT Greengrass – ambiente de borda da AWS, que simplifica a implantação, operação e gerenciamento de módulos de contêiner, além de disponibilizar blocos funcionais essenciais. O AWS IoT Greengrass fornece, ainda, as ferramentas para criar uma integração com a nuvem AWS.
Contêineres de terceiros, como edgeConnector ou o novo edgeAggregator da Softing, podem ser usados para prover e gerenciar a conectividade com a camada do chão de fábrica e com os dados coletados.
Neste exemplo, uma indústria do segmento de processos desenvolveu uma plataforma de IoT centralizada com a AWS que conecta e monitora diferentes locais em todo o mundo, com planos de implantação em mais de 200 pontos. A conversão de dados de máquina para OPC UA é feita no chão de fábrica com uma frota de gateways gerenciada localmente e, portanto, não faz parte da borda. O principal requisito funcional para o nível de borda aqui é consolidar dados das dezenas OPC UA Server nos gateways e harmonizar, filtrar e organizar as informações antes que eles entrem na plataforma de nuvem central, por meio de um endpoint personalizável.
Uma solução para a empresa seria usar o contêiner edgeAggregator para filtrar e agregar os dados. Este módulo de software proporciona a integração necessária, com flexibilidade de configuração e funcionalidades de segurança cibernética, atendendo às necessidades atuais e com a capacidade de se adaptar aos requisitos futuros.
Fig 3 – Camada de borda com dois níveis, utilizando AWS IoT Greengrass e Kubernetes.
2. Duas camadas de borda em fabricante (OEM) do setor automotivo
Uma variante da arquitetura de stack de IIoT cada vez mais discutida é a que oferece dois níveis na borda.
Na parte superior, o AWS IoT Greengrass executa o agente MQTT, que envia dados para a AWS.
Na parte inferior, o Kubernetes, um sistema de gerenciamento de contêineres de código aberto, amplamente usado, opera as diferentes instâncias de contêiner que fornecem a conectividade com camada inferior, onde estão os ativos de produção.
O Kubernetes, assim como ferramentas semelhantes, permite um alto nível de personalização e sistemas de gerenciamento de contêiner customizados. A desvantagem é o esforço extra necessário para implantar e operar os contêineres, que soluções como o AWS IoT Greengrass não possuem. O Kubernetes também pode ser usado em uma arquitetura de camada de borda única, que inclui contêineres para conectividade em nuvem. Essa abordagem proporciona maior flexibilidade ao usuário, que fica menos dependente do fornecedor dos serviços de nuvem na borda.
Neste caso, um OEM automotivo usa a família edgeConnector da Softing, gerenciada por meio do Kubernetes, para coletar dados de CLPs e máquinas CNC e encaminhá-los via protocolo MQTT. Esse esquema de borda de duas camadas oferece ao cliente versatilidade extra em relação à integração OT/TI (camada inferior), simplificando o esforço e a sobrecarga para uma transferência de dados confiável e segura para a nuvem (camada superior).
Fig 4 – Conexão de um compressor aos serviços em nuvem Microsoft Azure, por meio do edgeConnector da Softing.
3. Integração segura das camadas de rede em um fornecedor de compressores
Nosso terceiro caso apresenta uma arquitetura implementada por um fornecedor de compressores usando o Azure IoT Edge como ambiente para a camada de borda.
Os dados dos CLPs da Siemens são coletados pelo edgeConnector Siemens da Softing, mapeados em uma estrutura OPC UA e transferidos para o Azure OPC Publisher. Os dados podem ser transferidos da borda para a nuvem de forma simples e segura, sendo o Hub IoT do Azure o endpoint de recebimento, que os disponibilizará para os aplicativos específicos ou armazenamento.
Operar ou solucionar problemas da rede de automação de compressores em campo não é uma opção na maioria das instalações e, portanto, a questão de como gerenciar a camada de borda, incluindo conectividade, é fundamental para o fornecedor do compressor.
Com o edgeConnector, a empresa coleta e converte dados no local. Pode, também, configurar remotamente como isso é feito e adaptar outras funcionalidades, como recursos de segurança.
A implantação e gerenciamento do edgeConnector Siemens são facilitados pelo Azure IoT Edge, simplificando o esforço de configuração de contêineres. Essa implementação se beneficia dos recursos do Azure e da solução da Softing para criar o stack IIoT completo com o mínimo de esforço, utilizando as ferramentas já disponíveis e prontas.
Flexibilidade e liberdade total para integração de IoT
Concluindo, as plataformas AWS e o Azure fornecem ferramentas flexíveis para integrações completas de IoT adaptáveis às mais diversas aplicações e aos requisitos criados pela transformação digital.
A estrutura aberta dessas plataformas e a facilidade de integração com terceiros são fundamentais para enfrentar os desafios de entregar sistemas completos. O Kubernetes e outros sistemas de gerenciamento de contêineres também desempenharão um papel central em projetos onde é necessário um alto nível de personalização das funções de operação de borda.
A Softing, como parceira estratégica da AWS e do Azure para conectividade e gerenciamento de dados na borda, explora a fundo os benefícios dessas plataformas de nuvem e integra-se perfeitamente a elas em diferentes cenários, seja em implantações diretamente com seus serviços de infraestrutura de borda, ou em sistemas de gerenciamento, por meio de contêineres de código aberto.
Os produtos da Softing proporcionam uma base sólida e segura para conectividade de máquina, conversão de dados e funções de gerenciamento de dados quando usados em conjunto com AWS, Azure e Kubernetes.
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