Automatizar o Processo de Produção Nunca Foi Tão Fácil

A automação permite que as pessoas trabalhem sem interrupções e permite que a tecnologia opere a uma velocidade muito maior e com muito mais precisão do que um ser humano. A premissa básica para todas as formas de automação é: retirar o humano do processo e colocar a máquina. A monitorização é feita por máquinas, que reagirão a quaisquer problemas, enviando essa informação entre as estações na fábrica sem a necessidade de uma pessoa o fazer.

Um bom exemplo disso aconteceu em 2024. De acordo com o Ministério da Indústria e Comércio, mais de dois terços de todos os fabricantes na Rússia estavam atualmente a usar alguma forma de automação. Quase dois terços dos fabricantes já tinham implementado algum nível de automação. Dessas instalações totalmente automatizadas, apenas cerca de 12% estavam completamente automatizadas. Todos os fabricantes restantes eram considerados como operando a um nível ligeiramente acima do de serem totalmente automatizados.

Um dos grandes avanços tecnológicos que estão a ocorrer agora é a Inteligência Artificial (IA). No passado, os sistemas de automação seguiam protocolos rigorosos, ou seja, "Se a temperatura ultrapassar os 80 graus, ligue o sistema de arrefecimento." Hoje, os sistemas de IA consideram muitas variáveis, além de analisarem dados históricos, e depois tomam decisões sobre as melhores ações a serem tomadas.

As plataformas de IA aumentam muito a flexibilidade das operações de fabrico. Um excelente exemplo disso seria o MindSphere da Siemens, que recolhe dados em tempo real e faz ajustes automaticamente aos equipamentos de fabrico com base nesses dados em tempo real. O resultado do uso de uma plataforma de IA é que o tempo de inatividade é bastante reduzido e o processo de produção produz bens de maior qualidade (Siemens MindSphere, 2022).

História do Fabrico Automatizado

A automação não é um conceito novo no mundo do fabrico. Os primeiros sistemas de automação foram criados no final da década de 1950 na indústria automóvel americana. Esses sistemas de automação foram construídos para permitir que robôs realizassem operações repetitivas seguindo um programa fixo. Quando as empresas japonesas começaram a construir robôs (Fanuc, Yaskawa) na década de 1980, esses robôs foram capazes de produzir peças com uma precisão de centésimos de milímetro e, como resultado, melhoraram significativamente a qualidade.

Com o crescimento da década de 2010, o fabrico na Rússia começou a crescer rapidamente. Os dados da Rosstat indicam que o investimento em equipamentos industriais aumentou 2,5 vezes de 2014 a 2023. No entanto, mais lento do que a China (taxa estimada de implementação atrasada em 3,5 vezes — o governo chinês subsidia 50% da implementação). Hoje, os fabricantes avançados usam Sensores IoT, Computação em Nuvem e manutenção preventiva através de IA. A IA pode prever falhas de equipamento com até três dias de antecedência. Como resultado, reduzimos o risco de falha e aumentamos a eficiência.

Por exemplo, o Siemens MindSphere reduziu o tempo de inatividade em 22% em mais de 1200 fábricas na Europa. Os processos de fabrico automatizados exigem significativamente menos programadores para implementar do que no passado e podem levar semanas para serem implementados. As empresas desenvolveram agora soluções de fabrico automatizadas sem código, como a ASCN.AI, que permitem que as empresas implementem um Agente baseado em IA em menos de duas semanas, sem quaisquer habilidades de programação.

Discutiremos agora os princípios básicos e as etapas da automação do processo de fabrico. Para automatizar um processo de fabrico, começamos com uma análise (auditoria) das suas operações atuais. Uma vez que tenhamos uma análise, identificamos e retificamos tarefas manuais ou tarefas repetitivas onde as pessoas cometem erros desnecessários e má transmissão organizacional de dados. Numa fábrica que analisámos, eles gastavam 40% de todas as horas de trabalho a recolher e introduzir manualmente os indicadores da fábrica, criando uma redução significativa na sua produtividade.

Em seguida, precisa de instalar Sensores que possam enviar dados em tempo real para o sistema de controlo, e o Sistema de Controlo usará então a IA para analisar esses dados à medida que são recebidos e ajustará os parâmetros automaticamente, ou solicitará a intervenção do Operador quando necessário. Por exemplo, substituímos recentemente a Verificação Manual de Peso numa Linha de Embalagem de Laticínios por Verificação Automática de Peso, resultando num aumento da Produtividade de 120 para 180 embalagens por minuto e uma diminuição dos Defeitos de 2,4% para 0,3%. Este processo pagou-se em 7 meses.

Produção Automática

• Automação parcial de operações específicas; por exemplo, máquinas CNC, alimentação manual de peças de trabalho.
• A automação complexa está a controlar uma secção inteira, sincronizando todos os seus processos.
• A automação completa, sem entrada humana efetiva, engloba a fábrica a operar como um todo, por exemplo, a Tesla.

Na Rússia, a automação completa é muito cara (a partir de 500 milhões de rublos) e muito menos comum. A automação complexa é menos dispendiosa (de 3 a 15 milhões de rublos) e, portanto, pode ser obtida por um segmento mais amplo de empresas de médio porte.

Processos de Tecnologia de Fabrico Automatizado

As matérias-primas são recebidas através de sistemas de transporte automático e/ou robôs e os seus componentes processados em máquinas-ferramentas (CNC, etc.), separadamente através de fornos, e/ou separadamente em prensas operadas manualmente. A qualidade dos produtos fabricados é monitorizada através de visão de máquina e outros sistemas baseados em sensores. Os produtos embalados são rotulados e enviados através de robôs, rotuladoras automáticas, ou de sistemas de armazém automatizados e/ou sistemas de transporte.

Todo o processo é controlado por um sistema central integrado que recolhe, analisa e corrige informações de produção sem intervenção ou assistência do operador. Por exemplo, defeitos identificados através do uso de sistemas de visão automatizados modificariam automaticamente o modo de processamento sem que um operador tivesse que modificar o modo.

Etapas na Automação de uma Instalação de Fabrico

1. Auditoria de Processos — criação de um mapa de processos operacionais, identificação de áreas problemáticas;
2. Priorização da Automação — identificação das áreas de maior volume e mais intensivas em recursos;
3. Seleção de Equipamento e Software — desde sensores até à integração com software de Planeamento de Recursos Empresariais (ERP) e Sistema de Execução de Fabrico (MES);
4. Implementação Piloto — implementação de soluções de teste numa subdivisão de fabrico (ou seja, montagem de painéis elétricos) e depois escalonamento para outras divisões de fabrico.

O investimento nas soluções de teste na subdivisão de montagem de painéis elétricos resultou num aumento de 300% na produtividade por unidade, de 8 unidades por turno para 24 unidades por turno, uma diminuição nos erros de produtividade de 12% para 1,5%, um investimento de 2,8 milhões de rublos, e resultou num retorno do investimento em menos de um ano.

Como Configurar Operações de Fabrico Automatizadas

1. O primeiro passo na automação das operações de fabrico é instalar sensores para monitorizar os parâmetros críticos.
2. O segundo passo é conectar os vários departamentos dentro de uma operação de fabrico e permitir a transferência automatizada de dados entre todos os departamentos por meio de uma plataforma de transferência de dados (API) e/ou um fornecedor de soluções sem código.
3. Para melhorar a eficiência geral, em terceiro lugar, instale agentes de IA para ajudar a automatizar a tomada de decisões diárias e fornecer feedback sobre o que correu mal em termos de controlo de processo e qualidade do produto. O agente também notificaria os trabalhadores se fosse necessária uma ação corretiva.
4. Em quarto lugar, a introdução de Robôs Colaborativos melhorará significativamente a capacidade dos fabricantes de realizar tarefas fisicamente exigentes de uma forma mais colaborativa do que tem sido possível com uma força de trabalho tradicional e oferecerá um ambiente de trabalho seguro entre humanos e máquinas.
5. Por último, os Sistemas de Manutenção Preditiva ajudarão a eliminar o tempo de inatividade inesperado da máquina em 30-40% durante um período de 1-2 semanas e permitirão um melhor planeamento de potenciais avarias antes que ocorram.

Uma das principais preocupações com a automação é que muitos fabricantes investem em máquinas de alta tecnologia e depois não conseguem otimizar os processos que envolvem as suas novas máquinas automatizadas. A principal razão para isso deve-se à falta de uma abordagem abrangente para automatizar tanto o fabrico quanto os processos associados às operações de fabrico.

Sistemas de Gestão de Fabrico Automatizado e Sistemas de Controlo de Processos

Gestão de Fabrico Automatizado (AMM)

• Nível de Equipamento (PLC): Um PLC controla a operação das máquinas e equipamentos por meio de um algoritmo fixo, controlando assim as máquinas e equipamentos usando as informações fornecidas pelo Sistema AMM.
• Nível de Oficina (SCADA/MES): O nível de oficina de uma instalação de fabrico fornece uma plataforma a partir da qual se pode monitorizar e controlar a execução dos processos de fabrico, bem como o planeamento de todas as atividades associadas ao nível de oficina.
• Nível Empresarial (ERP): O sistema ERP de nível empresarial fornece uma estrutura para a gestão geral da empresa de fabrico. É usado para identificar e planear todos os processos de negócio (fabrico, aquisição e logística) associados à empresa.

A integração dos Sistemas de Controlo de Processos e Fabrico Automatizados em conjunto proporciona uma redução significativa no prazo desde o recebimento de um pedido até o lançamento da produção, de três dias para o fabrico tradicional para quatro horas para o fabrico automatizado. Esta redução significativa no prazo é crítica para manter a competitividade geral de uma empresa de fabrico.

Sistemas de Controlo de Processos Automatizados (APCS)

Os Sistemas de Controlo de Processos Automatizados (APCS) representam o núcleo das operações de uma empresa de fabrico. O APCS serve para recolher todos os dados produzidos pelos vários sensores usados no processo de fabrico, monitorizar esses dados para conformidade com os parâmetros operacionais especificados ou predeterminados para as várias operações de fabrico, e operar (controlar) as diferentes peças de equipamento (mecanismos) para realizar as operações especificadas. Um exemplo do uso de um APCS é a operação do processo de pasteurização numa instalação de processamento de laticínios. O APCS monitoriza o processo de pasteurização para manter a temperatura de pasteurização (conforme especificado) e para ativar o encerramento de emergência conforme necessário ou exigido durante uma emergência.

Além de monitorizar e controlar a temperatura para o processo de pasteurização, o APCS moderno também inclui tecnologia de IA que permite a gestão preditiva. A introdução da tecnologia de IA permite que o APCS faça correções ao processo de pasteurização antes que este cause qualquer impacto adverso no produto final devido a alterações nas matérias-primas ou condições do processo de pasteurização.

Gestão Automatizada de Operações e Processos de Fabrico

O Sistema de Gestão Automatizada (AMS) permite que os utilizadores dividam as funções entre os sistemas de gestão de manutenção:

• APCS — parâmetros tecnológicos, ou seja, temperatura e pressão, para controlar o processo de pasteurização;
• MES — tarefa de produção e controlo de qualidade;
• ERP — processos de negócio e planeamento de recursos.

Os esforços coordenados dos vários tipos de sistema de fabrico ajudam a eliminar qualquer oportunidade de atrasos e lacunas entre os processos, ao mesmo tempo que promovem mais transparência e capacidade de resposta na gestão.

Existem cinco tipos principais de sistemas usados em diferentes níveis de fabrico:

1. SCADA: O Controlo Supervisório e Aquisição de Dados (SCADA) é usado para monitorizar e controlar o equipamento que está a ser fabricado.
2. MES: Os Sistemas de Execução de Fabrico (MES) são usados para gerir tarefas e garantir que a qualidade é devidamente mantida.
3. ERP: Os sistemas ERP permitem a gestão de todos os recursos empresariais, como produção, vendas, marketing e inventário.
4. PLM: Os sistemas de Gestão do Ciclo de Vida do Produto (PLM) ajudam os fabricantes a supervisionar todo o ciclo de vida do produto, desde a conceção até à eliminação.
5. WMS: Os Sistemas de Gestão de Armazém (WMS) são usados para gerir o movimento e armazenamento de produtos e stocks.

Para empresas de pequeno porte, o SCADA combinado com uma integração com o 1C fornece um nível adequado de gestão de sistema. Para fabricantes de médio porte, são necessários os sistemas MES e ERP. Grandes empresas de fabrico ou empresas com várias instalações terão uma solução completa de automação de fabrico configurada com uma única base de dados que gere todas as operações da empresa.

Controlo e Software

Os desenvolvimentos recentes nas tecnologias de visão de máquina permitiram aos fabricantes reduzir os defeitos de produção de 4% (taxa média de defeitos) para 0,1% (produção sem defeitos). Essas tecnologias também permitem a redução do tempo de controlo de 30 minutos (no caso de controlo manual) para segundos (usando visão de máquina). (Fanuc Robotics, 2023).

As tecnologias de aprendizagem de máquina permitem que a inteligência artificial analise muitas variáveis simultaneamente para ajudar a identificar as causas-raiz de quaisquer falhas de produção e fornecer aos fabricantes recomendações para melhorar a produtividade e a eficiência, economizando assim tempo e dinheiro.

Linhas de Produção e Soluções de Linha de Produção Automatizada

Uma variedade de equipamentos de Linha de Produção Automatizada está disponível para fabrico:

1. Alimentação de Matéria-Prima: Carregadores automáticos e robôs para a alimentação de matérias-primas.
2. Processamento: Máquinas de Controlo Numérico Computorizado (CNC), prensas hidráulicas e máquinas de moldagem por injeção para o processamento de matérias-primas.
3. Transporte: Transportadores e veículos guiados autónomos para o transporte de materiais em toda a instalação.
4. Controlo de Qualidade: Sistemas de visão de máquina automatizados para a inspeção automática de qualidade de produtos fabricados.
5. Descarga: Robôs automatizados para a descarga de produtos fabricados e paletes.

As linhas de produção automatizadas geralmente têm uma taxa de produtividade mais alta do que os processos de produção convencionais, proporcionando maior consistência no processo de produção e custos médios de produção e tempos de mudança mais baixos, mas representam um alto investimento de capital, exigem pessoal altamente qualificado, e uma falha de qualquer componente numa linha automatizada pode resultar na paralisação de toda a linha.

Outra tendência interessante é o desenvolvimento de uma linha de produção automatizada para a gestão da própria automação da produção. Um fabricante de móveis desenvolveu um sistema de Gestão de Produção Automatizada que gera automaticamente os programas necessários para a operação de máquinas CNC e reduziu a quantidade de tempo necessária para gerar esses ficheiros de programação de várias horas para 15 minutos, resultando num aumento de 35% na eficiência da produção.

Custos de Equipamento

• Máquinas CNC — a partir de 1,5 milhões de rublos;
• Robôs Industriais — a partir de 2 milhões de rublos;
• Sensores e Sistemas de Controlo — de 5k a 500k rublos;
• Controladores PLC — de 30k a 1,5 milhões de rublos;
• Sistemas de Transporte / AGVs — de dezenas de milhares a 1 milhão de rublos;
• Sistemas de Armazenamento Automatizados — a partir de 5 milhões de rublos.

Soluções Técnicas Automatizadas Modernas

• Robôs Colaborativos — Cobots;
• Sistemas de Visão de Máquina — IA;
• Manutenção Preditiva;
• Gémeos Digitais;
• Plataformas Sem Código para Automatizar Processos de Negócio, por exemplo, ASCN.AI.

As plataformas sem código que automatizam a gestão de inventário em armazéns automatizados e minimizam a escassez de materiais eliminaram o tempo de inatividade devido à escassez de materiais.

Especializações em Automação de Processos de Fabrico

Código de Especialização em Automação de Processos de Fabrico = 15.03.04. Os estudantes estudarão os conceitos associados à Teoria de Controlo Automático, Programação PLC, Redes Industriais, Visão de Máquina e Design APCS. Os graduados podem seguir carreiras desde Engenheiros de Automação até Gestores de Projeto ou Empreendedores.

Salário inicial aproximadamente 60k e até 250k para Gestores de Projeto. A procura por Engenheiros de Automação continua a aumentar (de acordo com dados de 2023, houve um aumento de 34% ano a ano nas vagas de emprego).

Deveres Comuns do Especialista

• Design, implementação e manutenção de sistemas de produção automatizados;
• Garantir o funcionamento contínuo das máquinas de produção;
• Otimizar processos tecnológicos;
• Manter e apoiar os sistemas existentes.

Áreas Comuns de Emprego

• Petróleo/Gás, Metalúrgica, Indústria Alimentar, Química, Fabrico de Máquinas, Energia/Potência;
• Gestão Técnica/Engenharia;
• Integração e Suporte/Manutenção de Sistemas;
• Desenvolvimento de Soluções Proprietárias e Serviços de Consultoria.

Que Setores de Fabrico Têm Automação? Indústrias / Exemplos de Automação

Setores Industriais / de Fabrico

• Alta Automação (70–95%): Automóvel, Eletrónica, Refinação de Petróleo, Farmacêutica;
• Média Automação (40–70%): Indústria Alimentar, Metalurgia, Fabrico de Móveis;
• Baixa Automação (10–40%): Fábricas de Costura, Produção de Materiais de Construção, Pequenas Empresas.

Exemplos de Implementação de Automação de Fabrico

• Fábrica de Vidro Duplo: aumento da produtividade x3, redução de defeitos de 7% para 1,2%;
• Fábrica de Processamento de Carne: aumento da produtividade x3, bem como aumento da vida útil do produto em 30%;
• Produção de Fundição: aumento da produção em x2, redução de defeitos de 15% para 3%.

Etapas e Formas de Implementar a Automação de Fabrico

1. Análise do processo atual e recolha de dados;
2. Definição de objetivos claros de automação;
3. Seleção de equipamentos e software;
4. Design e desenvolvimento do sistema;
5. Instalação e comissionamento de equipamentos;
6. Formação de pessoal;
7. Arranque e monitorização;
8. Escalonamento e otimização contínua.

Soluções Típicas de Automação de Fabrico

Erros típicos cometidos durante a automação de processos de fabrico são: automatizar um processo que não é operado eficientemente, falta de envolvimento dos operadores, formação insuficiente e falta de equipamento redundante.

Controlo e Gestão de Processos de Automação Industrial

Analisar processos e gerir a sua qualidade continuamente ajuda a manter o controlo e a gestão de processos usando novos sistemas e métodos.

Equipamento / Técnicas de Automação de Fabrico

Equipamento Chave de Automação de Fabrico

• Máquinas CNC;
• Robôs Industriais e Robôs Colaborativos;
• Sensores de Controlo e Medição;
• PLCs;
• Transportadores e AGVs;
• Sistemas Automáticos de Armazenamento e Recuperação.

Ferramentas Técnicas Modernas

• Sistemas de Visão de Máquina com IA;
• Manutenção Preditiva;
• Gémeos Digitais;
• Plataformas Sem Código para implementar facilmente a automação.

Soluções Industriais

O objetivo da automação de fabrico é aumentar a produção, aumentar a qualidade e reduzir os custos. Além disso, contribuiremos para aumentar a flexibilidade da produção e acelerar as mudanças entre produtos.

Contribuição Humana e Responsabilidade no Fabrico Automatizado

A presença humana é crucial para o sucesso futuro da automação. À medida que a automação cresce, os humanos continuarão a desempenhar o papel de monitorizar o desempenho e o estado dos sistemas automatizados, apoiar a tomada de decisões em ambientes operacionais não padronizados e fornecer capacidades técnicas para manter os sistemas automatizados.

Deveres e Supervisão do Processo de Fabrico

Os humanos terão um papel vital na monitorização do desempenho e condição das máquinas e sistemas automatizados, interpretando e usando dados para implementar melhorias no sistema, para produzir um processo de fabrico fiável e flexível.

Automação e Processos de Negócio

A automação reduz o potencial de erro humano através da otimização do uso de recursos. Além disso, permite que as empresas lancem novos produtos no mercado rapidamente.

O Futuro do Software e Sistemas de Controlo Usados para Automatizar o Fabrico

Ferramentas de Software

• SCADA (WinCC, Trace Mode, Ignition);
• MES (1C:MES, Phobos, Siemens Opcenter);
• ERP (1C:Enterprise, SAP, Microsoft Dynamics);
• Plataformas Sem Código (ASCN.AI, Zapier, Make).

Sistemas de Controlo

A tecnologia de visão de máquina, controlo de processo, monitorização de recursos energéticos e manutenção preditiva são usadas para melhorar a qualidade do produto e reduzir defeitos.

Estudos de Caso sobre a Aplicação de Tecnologia de Automação e Controlo

• O sistema de visão de máquina usado numa operação de fabrico de cabos reduziu a taxa de defeitos de 5% para 0,2% com um retorno em 6 meses.
• A automação de relatórios na fábrica de móveis reduziu o período de preparação de relatórios de 4 horas para 0 horas.
• Um sistema automatizado de relatórios e controlo de manutenção num fabricante de materiais de construção reduziu o tempo de inatividade inesperado da máquina, resultando numa poupança de mão de obra de 1,5 milhões de rublos, com um período médio de retorno de 4 meses.

Níveis de Automação de Operações de Fabrico e Direção Futura

Níveis de Automação

• 0 — Fabrico Manual;
• 1 — Automação Parcial;
• 2 — Automação Seccional Complexa;
• 3 — Automação ao Nível da Oficina;
• 4 — Automação ao Nível da Fábrica;
• 5 — Fabrico Digital (Indústria 4.0) com integração de sistemas e IA.

Principais Direções de Desenvolvimento

• Integração e digitalização;
• Robotização;
• Análise preditiva;
• Transporte industrial autónomo;
• Personalização da produção;
• Automação sem código;
• Cibersegurança e automação ecológica;
• Tecnologias inovadoras: algoritmos quânticos, biomimética e planeamento autónomo.

Perguntas Frequentes

1. Que tipos de sistemas automatizados estão disponíveis?

SCADA, MES, ERP, PLM, WMS e APCS são todos sistemas integrados para uma gestão empresarial abrangente.

2. Que funções de trabalho estão relacionadas com a automação de processos de fabrico?

Um Engenheiro de Automação estará envolvido, assim como um Programador PLC, Especialista SCADA, Engenheiro de Robótica, Especialista em Visão de Máquina, Especialista em Manutenção Preditiva e Consultor de Automação.

3. Quais são os benefícios de automatizar os processos de fabrico?

Aumento da produção, redução de defeitos, melhoria da qualidade, poupança de mão de obra, processos de fabrico previsíveis e flexíveis, redução de custos, aumento da segurança. O seu investimento será tipicamente reembolsado em 6 a 24 meses.

Conclusão

Os sistemas de automação de fabrico atuais tornar-se-ão mais sofisticados; o futuro da automação incluirá o uso de agentes de IA que substituirão os algoritmos rígidos de ontem. Teremos plataformas sem código que permitirão aos fabricantes projetar e desenvolver as soluções de que precisam de forma eficiente por conta própria.

As principais áreas para o futuro da automação de fabrico serão a IA, fábricas de fabrico autónomas, automação ecológica, produção personalizada e integração global de sistemas.

A combinação de uma abordagem de sistemas integrados, formação de funcionários e otimização contínua dos sistemas alcançará maior eficiência e competitividade nas operações de fabrico.