Historiadores Industriais

Historiadores fornecem dados para obter conhecimento e melhorar a operação

Por Bill Lydon, com tradução livre da Aquarius Software autorizada pela ISA

 

Os Historiadores tornaram-se populares em plantas industriais na década de 1980. Atualmente eles têm sido usados amplamente em toda a indústria para melhorar as operações, identificar problemas e encontrar oportunidades de melhoria. Os primeiros precursores dos Historiadores foram os registradores gráficos eletromecânicos. Eles produziam um gráfico de um ou mais valores medidos durante um período de tempo para análise e serviam como um registro permanente de informações críticas.

Os Historiadores coletam dados em tempo real da automação e de outros sistemas para armazenar dados protocolados em alta velocidade e manter uma cronologia de informações. Estas informações do processo industrial são, então, disponibilizadas para qualquer usuário para consulta e análise, incluindo status de produção, monitoramento de desempenho,  garantia de qualidade, resolução de problemas, rastreamento e genealogia. A grande vantagem dos Historiadores é a capacidade de pesquisar e correlacionar os dados facilmente para identificar tendências e relacionamentos.

Inicialmente os Historiadores eram muito caros, mas eles já ganharam uso mais amplo. Computadores e dispositivos de armazenamento de baixo custo permitem gravar grandes quantidades de dados de plantas obtidas de operadores, sensores e processos, a um custo razoável. Comparado a registros em papel, é muito mais simples gerenciar os dados, analisá-los e arquivá-los eletronicamente.

Big Data

Antes do termo “big data” ser usado como parte da Internet das Coisas, os Historiadores já lidavam com grandes volumes de dados temporais. Considere a amostragem de tempo e o armazenamento do valor de um único sensor de temperatura a cada meio segundo (500 milissegundos) – são geradas mais de 63 milhões de amostras por ano. Rastrear 1.000 sensores de temperatura em uma usina geraria mais de 63 bilhões de amostras armazenadas por ano. Para amostras sequenciais onde os valores não mudam, muitas vezes são utilizadas técnicas de compressão de dados para preservar armazenamento. É também comum filtrar as medições antes de enviar os dados para um Historiador para reduzir a quantidade significativa de “ruído” nos dados. Em um sistema de automação, itens típicos monitorados e armazenados são: temperatura, vazão, pressão, nível, ciclos de máquina, tempo de execução e Eficiência Geral dos Equipamentos (OEE). O reconhecimento de que big data pode ser valioso colocou maior ênfase nos Historiadores para capturar mais dados em plantas do que no passado. Felizmente, a tecnologia permite a coleta e tratamento de big data a custos mais baixos.

Potencializando dados

Cada vez mais informações estão sendo colocadas em uso por grande variedade de pessoas, incluindo gestores da fábrica, engenheiros, operadoras, contadores, analistas de negócios, cientistas, funcionários responsáveis pelo controle de qualidade e especialistas em tecnologia da informação (TI). Os dados por si só não trazem benefícios, são as pessoas que usam as informações para resolver problemas e fazer melhorias que trazem benefícios. O padrão internacional ISA95 para a integração dos dados dos sistemas de controle e da empresa tem sido amplamente adotado para organizar e comunicar a informação histórica. Há vários casos de uso para dados capturados pelos Historiadores:

Verificações legais e de conformidade

Em ambas as manufaturas, de processo e discreta, as empresas precisam manter um registro de genealogia de produção e de testes de qualidade, por razões legais e de conformidade. Os Historiadores tem dados detalhados que podem ser usados na defesa contra processos judiciais e para determinar quais produtos devem ser ter recalls, se necessário. Os requisitos das indústrias alimentícias e farmacêuticas são de manter um longo período de dados. Incidentes recentes de qualidade e recalls na indústria automotiva ilustram bem a necessidade de capturar e manter os dados de produção. A aplicação de Historiadores na indústria farmacêutica deve estar de acordo com o Código Federal de Regulamentação (Code of Federal Regulations) 21, Parte 11 (21 CFR Part 11), também conhecido como registros eletrônicos / assinaturas eletrônicas. Dada a importância dos dados, a FDA (Food and Drug Administration) tem normas rigorosas em matéria de acesso, segurança e permissão de edição de tais registros, conforme documentado no CFR.

Controlar e rastrear serialização

As iniciativas TnT (Track and trace) de serialização para manter o histórico dos produtos nas indústrias alimentícias e farmacêuticas geram maior necessidade de capturar e reter os registros históricos de produção. A indústria farmacêutica está se preparando para o TnT tendo em vista que as agências governamentais e empresas estão tomando medidas para reduzir a falsificação de medicamentos e desvio de produtos e aumentar a segurança do paciente. Há uma série de motivos para isso, incluindo recalls de contaminação, medicamentos falsificados (o Viagra é o medicamento mais falsificado) e os roubos de medicamentos. O valor dos medicamentos no mercado clandestino pode variar de US$15 a US$50 por comprimido ou, no caso de codeína, US$200 a US$300 por litro. Furtos de produtos farmacêuticos em trânsito variam de 2 a 80 milhões de dólares por incidente. Países do mundo todo estão planejando exigir track and trace, aumentando assim a necessidade de informações sobre o histórico da planta.

Análise de causa

Quando ocorrem problemas na produção, os dados históricos são fundamentais para a identificação de fontes de problemas usando análise de causa raiz. Uma causa raiz é algo que impede que o evento final indesejável aconteça novamente quando ele é removido da sequência de falha. Por exemplo, podemos identificar alguns problemas comuns em aplicações de processos: erro do operador, tempos de limpeza inadequados, produtos de limpeza ineficazes, mau funcionamento do dispositivo e temperaturas erradas no processo.

Solução de Problemas

Muitas vezes, ter dados cronológicos é fundamental para delimitar os problemas de automação, controle e equipamentos. Os dados cronológicos dão pistas certeiras sobre o comportamento dos processos em qualquer ponto no tempo.

Otimização

Os dados históricos cronológicos fornecem análise aprofundada de desempenho do sistema que as empresas utilizam quando desenvolvem métodos para aperfeiçoar os processos. Esta informação pode ser a entrada do software de simulação para compreender o processo de produção e simular métodos de otimização. Na Conferência Anual de Automação para a Indústria Farmacêutica (Pharmaceutical Automation Roundtable), uma grande empresa farma­cêutica descreveu como eles utilizam os dados do Historiador para obter novos conheci­mentos e melhorar os métodos de controle dos processos biológicos que são complexos e difíceis de predizer. Usando informações históricas e um software padrão de análise, aprende-se sobre a interação entre processos e dados de equipamentos que antes não era clara. Isso também ajuda a identificar uma série de outros problemas, incluindo questões de manutenção.

Monitoramento de energia

A energia tem sido um “cheque em branco” nas plantas industriais. No entanto, usando um Historiador, juntamente com a medição setorizada e o monitoramento de energia, as plantas podem alocar os custos de energia nas etapas de produção e nos produtos para alcançar melhor distribuição dos custos envolvidos, encontrar problemas e identificar áreas de melhoria.

Análise Preditiva

Capacidades de inteligência avançadas estão sendo aplicadas usando tendências e padrões de dados para prever falhas e eventos. Estas análises preditivas só são possíveis com os dados do Historiador.

Justificativa de Investimentos

A justificativa de investimentos para substituir e modernizar os equipamentos pode ser mais precisa utilizando dados históricos de plantas reais, ao invés de estimativas. Os dados históricos fornecem integridade nas propostas de investimento feitas para a gestão. Recentemente perguntei a um gerente de automação de uma grande empresa farmacêutica sobre o valor dos Historiadores e ele comentou que estes são de valor inestimável para fornecer o armazenamento de dados necessário para o verdadeiro entendimento do processo com base na análise, especialmente para processos em batelada. Ele também observou que muitos gestores pensam nos Historiadores como uma simples ferramenta de armazenamento de dados para garantir a empresa em termos de regulamentação e não vêm claramente o valor da informação inexplorada que pode ser obtida a partir de Historiadores para a melhoria de processos, otimização, ou para ajudar com a análise de causa raiz.

Identificação de dados

Existem diferentes filosofias sobre a quantidade de dados a capturar e armazenar em um Historiador. Uma delas é capturar todos os possíveis pontos de dados, pois você nunca sabe o que você vai precisar no futuro. Isto parece um pouco extremo. O objetivo é determinar em cada processo ou área de produção o que seria necessário para analisar o desempenho em longo prazo e o que seria necessário para a identificação de problemas imediatos e em curto prazo. Provavelmente será mais produtivo discutir ideias sobre quais dados capturar de vários departamentos com base em suas necessidades. A criação de listas de perguntas para as quais as pessoas querem respostas factuais pode ajudar a estimular planos para capturar dados.

A aplicação dos dados é uma atividade contínua a ser explorada e compreendida. Inicialmente os usuários podem não saber o suficiente sobre os dados para colocá-los em uso de forma produtiva e com o tempo eles podem reconhecer a necessidade de capturar mais pontos de dados. Esta é a ideia de “descascar a cebola.” Quanto mais você aprende, normalmente há mais perguntas para a investigação.

O uso de sensores sem fio é mais rentável para monitorar e capturar dados para os Historiadores, uma vez que não precisa de instalação com cabos, o que leva a novos insightsoperacionais.

Historiadores Embarcados

Há uma nova geração de Historiadores embutidos em controladores e dispositivos de campo autônomos que coletam dados históricos remotamente. São dispositivos de hardware de campo robustos, com memória potente, que fazem parte dos controladores, conectados em painéis, ou comunicando-se por meio de redes industriais para capturar dados com registros de tempo (timestamp) e armazená-los. Os dados podem ser imediatamente capturados na fonte e no tempo definido, tornando-o mais preciso. Ele é encaminhado para o banco de dados corporativo ou em nuvem para o armazenamento em longo prazo.

Este método de armazenamento e transmissão permite a agregação de dados, de modo que a transação do banco de dados do Historiador central não precisa ocorrer em sincronismo com a taxa de amostragem. Mecanismos de regras de software embarcados podem ser incorporados nestes dispositivos, que podem ser configurados para realizar a análise para otimizar os processos e a produção.

Ter a relação de tempo absoluto entre os dados é fundamental para as operações ou análises adequadas em algumas aplicações. Para estas aplicações, existem controladores que possuem opções para o registro de tempo (time stamp) mais preciso. Os controladores que suportam o padrão IEEE 1588 (Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems) podem se comunicar com uma referência de precisão de tempo. Outro método é o de utilizar um controlador com um sistema de rádio receptor de posicionamento global para uma referência de tempo de alta precisão.

Usando o padrão aberto OPC UA para Web services na Indústria, as informações podem ser enviadas para os Historiadores, bases de dados de inteligência de negócios e sistemas corporativos e consultadas via Internet ou Intranet.

Interfaces de bancos de dados

Os bancos de dados de Historiadores são de alto desempenho, desenhados especialmente para capturar dados e registros de tempo em alta velocidade. O envio de dados para uma estrutura de banco de dados padrão da indústria de computadores, tais como SQL, permite aos usuários tirar vantagem de uma ampla gama de relatórios comerciais e software de análise. Além disso, colocar informações de Historiadores em servidores na nuvem é uma forma de armazenar uma grande quantidade de dados e reduzir custos, sem precisar ter, manter ou gerenciar mais servidores.

Análise na Nuvem

Uma abordagem interessante é disponibilizar ferramentas de software de análise e plataformas de análise como aplicações na nuvem a custos muito razoáveis. Outra vantagem desta abordagem é que aproveita computadores de alto desempenho para realizar análise de forma mais eficiente.

Inteligência de Negócios e Historiadores

Os Historiadores e os sistemas de business intelligence (BI) foram desenvolvidos de forma independente, mas há um crescente reconhecimento de que eles precisam ser relacionados. Os Historiadores são únicos, uma vez que podem capturar cronologicamente, em alta velocidade, dados em tempo real. No mundo dos negócios, o tempo das transações e eventos são normalmente medidos em minutos, horas ou dias em vez de milissegundos. Os Historiadores e sistemas de BI compartilham o mesmo objetivo de capturar dados para fornecer visualizações históricas, atuais e preditivas das operações para relatórios, processamento analítico online, análises, data mining, process mining, processamento de eventos complexos, gestão de desempenho dos negócios, benchmarking, análise preditiva e análise prescritiva. O objetivo é ter uma fonte de informação que as pessoas possam facilmente ter acesso e usar.

O novo desafio é integrar os silos de dados diferentes para transformá-los em informação útil. Ter um plano para ligar sistemas e fornecer uma estrutura que permita que as equipes combinem “ilhas de informação” isoladas (incluindo gestão predial, utilidades, controle de processos, produção e dados de negócios) permite aos usuários visualizar e analisar dados dispersos de várias formas, aproveitando sua infra-estrutura de automação padrão.

Desenvolvendo um plano mestre com uma forma integrada para que os usuários aproveitem os dados de vários sistemas (ou seja, os Historiadores, business intelligence, MES, LIMS) o objetivo será alcançado. A solução deve se conectar a outros bancos de dados e sistemas para acessar dados em outros lugares sem replicar os dados mestres. Interfaces padrão para outros provedores de dados fornecem a capacidade de trazer dados de outras fontes e ferramentas de monitoramento. Além disso, permitir o acesso a esta informação através da Web usando dispositivos portáteis, bem como laptops e desktops, é extremamente vantajoso.

Um usuário me disse que sua visão é que os usuários precisam estar a “dois cliques de distância” ao usar uma ferramenta para procurar os dados. Ele quer tornar os dados facilmente disponíveis para as pessoas certas, usando navegadores Web com controle de acesso adequado através da intranet da empresa. Isto irá fornecer links para ferramentas de gestão do conhecimento e dados contextualizados a partir de vários aplicativos (ERP, LIMS, QTS, Historiadores, etc.). Dados mais acessíveis serão utilizados para melhorar as operações. Exemplos incluem dados para colegas analistas construírem modelos e dados relevantes para campeões de melhoria contínua. O relatório sob demanda (ad hoc) é uma funcionalidade importante neste sistema para permitir que as pessoas se concentrem em questões e investigações específicas.

A solução deve usar tecnologia comercial existente para se beneficiar de padrões da indústria amplamente aceitos. Isto irá assegurar a migração rápida para a tecnologia mais recente, evitando grandes despesas e os custos de manutenção e codificação personalizada.

Cooperação

Conhecimento é poder se você souber aproveitá-lo e torná-lo disponível para tomar melhores decisões e melhorar a automação. Fazer isso leva à cooperação entre as pessoas nos departamentos de sua organização. A história tem ensinado que o aumento do acesso à informação permite que as pessoas obtenham conhecimento e realizem melhorias. O conhecimento é dinâmico, de modo que os sistemas têm de ser sensíveis aos usuários e extensíveis ao longo do tempo

Ter dados em boas condições é apenas o ponto de partida; é necessário ter pessoas experientes e qualificadas para usá-los. A tecnologia implementada deve ter o objetivo de diminuir o tempo dos usuários para obter conhecimento. A tecnologia por si só tem um valor negativo para a maioria das pessoas. A maioria das pessoas tem medo da mudança e é importante educar os usuários.

O enorme crescimento dos investimentos em TI está acelerando e criando uma gama de software padrão para ligar fontes de dados e analisar big data, fechando o ciclo para melhorar as operações e processos de negócios, incluindo a fabricação. O objetivo geral de fechar todo o ciclo de operações de negócios por meio da fabricação habilitada pela Internet das Coisas pode muito bem ser a próxima força motriz da integração entre TI e automação. O papel do Historiador é ser o único local para capturar e armazenar grandes quantidades de dados em tempo real. Conceitos de Big Data estão tecendo silos de dados de forma mais holística para melhorar as operações de negócios. Nas indústrias de manufatura e de processos, o Historiador é uma importante fonte de dados, juntamente com os dados distribuídos localizados em controladores e dispositivos de automação.

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