CONTROLE DE SISTEMAS DE MANUFATURA DISTRIBUÍDOS NO CONTEXTO DA INDÚSTRIA 4.0

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CONTROLE DE SISTEMAS DE MANUFATURA DISTRIBUÍDOS NO 
CONTEXTO DA INDÚSTRIA 4.0 
 
Jackson Tavares Veiga, jackson.veiga@usp.br
1
 
Diolino J. dos Santos Filho, diolinos@usp.br
1
 
Marcosiris A. O. Pessoa, marcosiris@usp.br
1
 
Paulo E. Miyagi, pemiyagi@usp.br
1
 
 
1Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, Av. Prof. Luciano Gualberto, 380 - Butantã, São Paulo - SP, 05508-
010. 
 
 Resumo: As mudanças constantes e as incertezas do mercado discutidas no contexto da Indústria 4.0 exigem sistemas 
de controle produtivos mais flexíveis e modulares, pois os sistemas de controle hierárquicos em camadas isoladas 
usados atualmente já não respondem de forma eficiente, visto que o planejamento de fabricação de um determinado 
produto é feito em função do tempo e as arquiteturas de controle atuais são modeladas em eventos. Além disso, para 
que empresas possam responder prontamente a essas mudanças, os sistemas produtivos distribuídos devem estar 
integrados e adotando modelos que garantam maior cooperação entre si. Para integrar esses ambientes heterogêneos, 
aproximando os sistemas de fabricação real ao plano de fabricação de produtos - os quais orquestram sua produção -, 
este artigo propõe um método de controle de sistemas produtivos usando a arquitetura para Indústria RAMI 4.0 
combinada com arquiteturas de sistemas multiagentes (SMA) baseadas em hôlons (HMS) e orientadas a serviços 
(SOA). Os modelos representarão a estrutura dinâmica de como esses sistemas se integram e serão demonstrados 
através de um exemplo prático de fabricação. 
 
Palavras-chave: Sistemas Multiagentes (SMA), Sistemas produtivos distribuídos, Sistemas de Manufatura Hôlonicos 
(HMS), RAMI 4.0. 
 
 
1. INTRODUÇÃO 
 
 Vivemos no tempo da quarta revolução industrial, que está associada a rápidas mudanças nas operações de produção. 
A abordagem CPS descentraliza a produção, tornando os sistemas de produção autônomos, flexíveis e adaptáveis. 
 Os sistemas de controle de manufatura tradicionais (legados) são concebidos especialmente para atender suas 
necessidades, onde as arquiteturas de sistemas atuais proporcionam uma visão isolada de aplicações especificas e 
estudos de casos. 
 Desta forma este artigo tem como objetivo fornece informações significativas sobre a implementação e integração de 
sistemas reais de manufatura com suas interfaces e protocolos heterogêneos por meio da abordagem de componentes 
I4.0 (Assent Administration Shell -AAS) em um caso de uso real de fabricação. 
 
1.1. Contribuição para Automação Industrial 
 
 Este artigo visa fornecer aos estudantes, engenheros e automatizadores da indústria um melhorar entendimento sobre 
os padrões existentes de arquiteturas de Sistemas Cyber-Fisicos (Cyber-Physical Systems – CPS) e automação usados 
para aplicações reais no que diz respeito a comunicação e integração dos diferentes níveis hierárquicos de automação 
(nível baixo/alto). 
 
1.2. Questões e hipóteses de Pesquisa 
 
Em aspectos reais no universo de controle de sistemas de manufatura, ainda existe uma grande resistência por parte 
das pessoas para mudança e adoção de novos modelos, por esse motivo são predominantes nesta área arquiteturas de 
controle centralizado e hierárquico (classicas) tendo como elemento principal os controladores lógicos programáveis 
(CLPs) e suas respectivas linguagens de programação, seguindo a norma IEC-61131-3 (Trunzer, 2019). 
Acredita-se que para os sistemas de manufatura atuais alcancem os critérios exigidos por este novo cenário da 
indústria, deve-se mudar o conceito de controle tradicional, equipando os equipamentos, máquinas e sistemas com 
ferramentas tecnologias, abilitando assim uma abordagem para digitalização e integração, aproximando estes sistemas 
com uso de arquiteturas orientada a serviços (Service-oriented Architecture - SOA) (Ye, 2018). 
J. Veiga, J. dos Santos Filho e M. Pessoa 
Controle de Sistemas de Manufatura Distribuídos para I4.0. 
 
Sendo assim, este artigo tem por finalidade apresentar os padrões existentes em torno dos novos sistemas de 
controle de sistemas de manufatura para I4.0, usando como pilares os três trabalhos publicados abaixo, integrando 
aspectos positivos de cada um deles para enfim apresentar um estudo de caso que possa ser implementado na indústria 
em sistemas legados (tradicionais) em termos de comunicação e integração: 
 
a) Arquitetura de referencia (Reference Architecture Manufacturing Industry 4.0 - RAMI 4.0): Publicações 
recentes da Associação Alemã de Fabricantes Eletro-eletrônicos de Manufatura (Zentralverband 
Elektrotechnik- und Elektronikindustrie - ZWEI), que traz uma abordagem detalhada sobre a estrutura de 
adiministração dos ativos - AAS, conhecido como a componente da I4.0 (Industry 4.0 Componente – I4.0C) 
(Bader, 2019); 
b) Arquiteturas para aplicações na I4.0: Estudo sobre arquiteturas PERFoRM, IMPROVE, Basy4.0 que introduz 
uma arquiteteura genérica possibilitanto uma mudança gradual nos sistemas de controle de manufatura 
existentes (Trunzer, 2019); 
c) Estado da arte sobre sistemas de controle flexíveis com base em Sistemas Multiagentes (Mult-agent Systens - 
MAS) (Foehr, 2017). 
 
1.3. Metodologia utilizada 
 
Este artigo se baseia em um caso de uso relacionado aos assuntos teóricos que fundamentam a pesquisa. Será 
considerada uma implementação dos métodos utilizados para comunicação de sistemas de controle indústrias de 
manufatura. 
Este trabalho está estruturado em três sessões, além da introdução e metodologia utilizada. Na segunda sessão, são 
apresentado os trabalhos correlatados que serviram de base para realização deste trabalho. Posteriormente a seção três 
apresenta um caso de uso de fabricação com controle de sistemas distribuídos para I4.0 dando enfáse na integração e 
comunicação dos ativos via AAS. Por fim na sessão quatro são apresentados os resultados encontrados neste artigo. 
 
2. TRABALHOS CORRELATOS 
 
2.1. Arquiteturas e tecnologias emergentes para sistemas de automação: 
 
Em Foehr M., et al. (2017)”, são apresentadas comparações entre arquiteturas de sistemas de automação e seus 
principais requisitos para desenvolvimento sistemas de controle distribuidos. Estas arquiteturas possuem como 
referência desde modelos baseados em sistemas multiagentes SMA e arquitetura orientada a serviços SOA (Tab.1). 
 
Tabela 1. Comparação de arquiteturas e tecnologias para sistemas de automação. 
 
Observou-se na Tabela 1 que as arquiteturas SOCRADES e IMC-AESOP apresentam melhor desempenho com 
relação as tecnologias discutidas, sendo estas arquiteturas em camadas orientada a serviços SOA utilizando gatways e 
mediadores para integração de dispositivos legados. 
Estes projetos mostram uma transformação da arquitetura centralizada em um sistema de controle distribuído 
usando diferentes tecnologias. Arquiteturas que consideram sistemas multiagentes, são ideias para controle onde é 
necessário maior autonomia e cooperação dos componentes. 
Os serviços web facilitam a interoperabilidade e o acoplamento flexível entre os sistemas. Além disso, a 
descoberta de serviços e sua orquestração desempenham um papel importante “Trunzer, E., at al. (2018). 
 da Silva, R. M., et al. (2014) apresenta um método para design de sistems flexiveis reconfiguráveis de manufatura 
com base em modelos de controle hôlonicos (HCS) para integração de modelos heterogêneos. Os HCS se unem a uma 
rede inteligente distribuída de componentes (agentes) para reconfiguração automática dos elementos (hólons). Sistemas 
holônicos são utilizados como modelos teóricos para implementeção de MAS. 
XI Congresso Nacional de Engenharia Mecânica 
02 a 06 de Agosto de 2020, Teresina-Pi, Brasil 
 
2.2. Arquiteturas para aplicação da Indústria 4.0: 
 
Em “Trunzer, E., at al. (2018) é apresentado a arquitetura RAMI 4.0 como uma descrição estruturada dos 
requisitos fundamentais do sistema, sendo que a consolidação deste modelo é feita atravésdo componente I4.0C, sendo 
este um caso específico de componente dos CPS no contexto I4.0. O principal recurso do I4.0C é a combinação de 
objetos do mundo físico e da informação, oferencendo funcionalidades dedicadas e serviços flexíveis. O I4.0C deve ser 
único, identificável e apropriado com habilidade de comunicação. Geralmente um I4.0C pode ser um módulo, um 
dispositivo ou mesmo um sistema inteiro. Em termo de estrutura um I4.0C apresenta dois elementos básicos: o ativo e 
o “shell” de adimistração. 
 
Figura 1. (a) Formato troca de dados AAS (RAMI4.0) e (b) Estrutura geral de um AAS. 
 
Trunzer, E., at al. (2018) faz uma comparação entre arquiteturas emergentes para sistemas de manufatura unindo 
os requisitos de três projetos no campo de sistemas técnicos para I4.0 e a partir destes é derivada uma arquitetura 
genérica para sistemas legados combinando os pontos fortes das abordagens: PERFoRM – visa aumentar a 
flexibilidade e reconfigurabilidade de sistemas de fabricação. Seu principal objetivo é transformar os sistemas de 
automação existentes com diferentes setores. IMPROVE- Tem por finalidade a criação da fábrica virtual através do 
desenvolvimento e validação de modelos dos sistemas (APS). BaSys4.0: Este projeto desenvolve uma plataforma 
(middleware) virtual e gêmeos digitais modularizado usados para abstração dos processos para otmização e tomada de 
decisão. 
 
2.3. Implementação de Controle de sistemas de manufatura: 
 
Dias, J., et al. (2017), apresenta em seu trabalho um protótipo industrial com uso de sistema SMA baseado na 
arquitetura PERFoRM, pois estes fornecem recursos adequados para sistemas de controle reconfiguráveis que suporte 
sistemas dinâmicos e reconfiguração “on-the-fly” em uma célula de produção com vários processos modulares 
diferentes. 
 Xun, Ye., et al. (2018), leva em consideração a arquitetura de referência RAMI 4.0 condensada em quatro 
camadas: Real (equipamentos de campo), Digital (Comunicação, Informação e Empresa) para aplicação experimental 
de um sistema de manufatura. O trabalho detalha os componentes de softwares e protocolos utilizados e tem um foco 
na camada de comunicação para integração de sistemas com AML e OPC-UA. 
Xun, Ye., et al. (2018), em seu segundo trabalho implementa um sistema de controle da produção integrando 
AutomationML e OPC-UA. Neste trabalho ele sintetiza a arquitetura RAMI 4.0 em três camadas: camada de campo, 
camada de comunicação e camada empresa. O foco está na demonstração de desempenho do sistema experimental 
mas não demonstra detalhes de aplicação do AAS. 
Pessoa, M., et al. (2018), apresenta em seu trabalho uma caso aplicado para conectar dispositivos legados dispersos 
geograficamente, utilizando aplicações em Nuvem com OPC-UA publicando via MQTT em aplicações Web em tempo 
real entre dois continentes. 
 
3. CASO DE USO DE FABRICAÇÃO 
 
Um sistema composto por estações de trabalho (WSs) será utilizado para aplicação de conceitos relacionados 
discutidos neste trabalho com foco na comunicação e integração dos ativos “Fig.2-a”. Este sistema tem como objetivo 
produzir peças com variações de sub-produtos “Fig. 2-b”: i) corpo do cilindro, ii) pistão, iii) mola e iv) tampa. 
J. Veiga, J. dos Santos Filho e M. Pessoa 
Controle de Sistemas de Manufatura Distribuídos para I4.0. 
 
O sistema é distribuído com controles dedicados em cada uma das WSs, estas através de sua AAS pode ser 
encontrada pelo sistema de controle superior, este estabelece as funcionalidades necessárias de acordo com as receitas 
de produção. As estações de trabalho (WS) disponíveis neste experimento são: distribuição (D-WS), teste (Te-WS), 
manuseio (H-WS), montagem (A-WS) e Robô (R-WS) “Fig.2.a”. 
 
 
Figura 2. a) Estações WS b) Sub-produtos. 
 
No item 2.2 “Fig.1-b” foram mencionados os submodelos que compõem um AAS em específico, para cada caso 
serão desenvolvidos AAS considerando os ativos a seguir do sistema de fabricação para implementação da proposta, 
sendo estes: (AAS - aplicações Web), (AAS – Gateway), (AAS -Raspberry pi), (AAS – Produto) e os (AAS – WS). 
Nota-se que são necessários cinco tipos de AAS para nove componentes I4.0. Essa será a estrutura de rede AAS 
incluindo os ativos e os caminhos de troca de dados definidos para implementação da proposta aplicada a um caso real 
de controle do sistema de manufatura I4.0 “Fig.3”. 
O ativo PC será responsável por alocar o Eclipse BaseX baseado em Java que suportará as regras do sistema 
(MAS) para orquestração dos AAS. O ativo (Gat.ioT) é empregado para conectar os protocolos de campo heterogêneos 
via OPC-UA e conectar todos os ativos a aplicação (AAS – Web). No (Gat.ioT) fica alocado o servidor OPC-UA que 
contém o modelo AutoML. Os demais ativos compõem o sistema real com controles (legados) da indústria, estes 
possuem serviços OPC e comunicam-se com o Gateway via EthernetTCP/IP. Estes ativos são digitalizados através do 
(AAS) das estações de trabalho (WS). Para atender requisitos de reconfigurabilidade foi adicionado ao sistema o ativo 
Produto. A comunicação dos (AAS - Produto) e (AAS – Raspberry) é estabelecida com uso de RFIDs ativos, a 
Raspberry fica responsável por fornecer o serviço OPC-UA e também armazenar as listas de plano de trabalho 
atualizada da aplicação para os Produtos. 
 
 
Figura 3. Rede de comunicação do sistema I4.0. 
XI Congresso Nacional de Engenharia Mecânica 
02 a 06 de Agosto de 2020, Teresina-Pi, Brasil 
 
A “Figura 4” mostra a arquitetura de implantação proposta, referenciada na arquitetura RAMI 4.0 com 
implementação de softwares para sistema de controle (legados) da Indústria integrados com novos sistemas de 
Informação que habilitarão arquiteturas (MAS) na orquestração de novos modelos de controle com integração entre 
sistemas. Nesta nova arquitetura o sistema foi separado em três níveis, sendo de esquerda para direita: 
 
 
Figura 4. Diagrama proposta do sistema. 
 
I) EclipsebaseX é utilizado aqui para definição das regras de controle utilizando as arquiteturas SMA discutidas no 
item 2.1, essas regras são então transferidas via OPC-UA aos AAS correspondentes modelados em AutomationML, 
este escreve as regras atualizadas em seus ativos correspondentes que participam do loop de controle, os parametros 
são então escritos via OPC-UA, para que o sistema existente executem as ações, se necessário ativos retornam com 
informação atualizada para que o sistema redefina as regras (Pessoa, 2018 e Ye, 2018). 
II) Implementação de AAS com base em AutomationML e OPC-UA, na literatura encontram-se vários métodos 
técnicos que podem ser usados para realizar modelos de (AAS) (Bader, 2019; Ye, 2019; Ye,2018). Sendo assim, aqui 
pode-se utilizar AutoML para representar e implementar o modelo de informações UML para cada ativo. O 
AutomationML contém um módulo apropriado para instanciar objetos individuais, podendo ser ativos físicos ou 
virtuais como elementos internos (IEs), assim sendo o AutoML pode ser usado para implementar os submodelos (Ye, 
2018). 
III) A comunicação e troca desses dados entre os Ativos deve ser estabelecida e normalizada, para isso criou-se 
uma interface compatível com I4.0, usando o OPC-UA, que entende-se como um mecânismo máquina-máquina 
(M2M) independente de plataforma que pode fornecer interfaces para troca de dados entre dispositivos e sistemas 
indústriais. O OPC-UA apresenta um padrão cliente-servidor que pode ser usado como uma interface de comunicação 
dos AAS (Ye, 2018). 
Neste caso de uso de fabricação, a iteração dos AAS é mostrada como um diagrama de sequência na “Fig.5”. Este 
diagrama expressa o fluxo dinâmico de informações através da rede digitalizada de AASs. Primeiro, o servidor OPC 
UA relacionado ao AutomationML precisa ser inicializado, então as sessões OPC-UA podem ser criadas com 
diferentes clientes. O Fluxo de Controle é gerado pelo (AAS - Web PC) e são passados então para os AAS dos 
dispositivos de campo.Aqui, as tarefas de produção são executadas de acordo com a estratégia de controle. Os 
paramêtros de feedback são eventualmente carregados de volta no banco de dados do (AAS –Web). Assim o sistema de 
manufatura opera em um loop constante. Importante ressaltar que o sistema de controle (legado) da sistema real de 
manufatura pode utilizar métodos de checagem de determinismo, seguindo modelos de batimento cardiaco (Profanter, 
2019). 
 
 
Figura 5. Diagrama de sequencia de comunicação. 
J. Veiga, J. dos Santos Filho e M. Pessoa 
Controle de Sistemas de Manufatura Distribuídos para I4.0. 
 
O sistema de controle com AAS é adicionado para garantir requisitos de reconfigurabilidade do sistema real, de forma 
a melhorar a eficiência do sistema em aspectos de melhor usabilidade dos recursos físicos em campo, onde foi 
adicionado o (AAS-produto) como um agente do sistema inteligente estabelecido com SMA. Conforme visto em 
Trunzer at. al, (2019) o controle tradicional operará conforme sua programação local em caso de falta de comunicação 
no sistema de administração dos ativos. 
 
4. RESULTADOS 
 
Neste estudo de aplicação foi apresentado meios para comunicação entre estações de trabalho distribuidas com sistema 
legado, onde foram estudadas propostas de modelos de arquiteturas I4.0 para comunicação e integração afim de fazer 
uma abordagem atual para uso das componentes AAS da arquitetura RAMI4.0. 
Levando em conta os sistemas de controle existentes, este estudo de aplicação teve como objetivo fornecer um 
camingo de migração das arquiteturas atuais da Indústria, para isso foram apresentadas tecnologias relacionadas a I4.0 
como OPC-UA e AutomationML que habilitam a aproximação de diferentes componentes, interconectando estes 
sistemas de forma horizontal e vertical, adicionando equipamentos de campo e produto na tomada de decisão de regras 
que venham a ser modeladas em níveis superiores de informação. 
Os diferentes padrões de comunicação existentes na indústria: EthernetTCP/IP, RFID, OPC, foram padronizados por 
meio do protocolo OPC-UA que permite a integração desses ativos. Por fim um diagrama de sequencia de execução 
demonstra como a integração entre camadas e troca de informação entre ativos. 
Em trabalhos futuros pode ser detalhado as regras de controle no nível superior de informação deste sistema com uso 
de SMA e arquiteturas holônicas por exemplo. O modelamento se dará em Eclipse onde este via OPC-UA comunicará 
com os AAS que também devem ser concebidos no AutomationML. 
 
5. REFERÊNCIAS 
 
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Foehr M., Vollmar J., Calà A., Leitão P., Karnouskos S., Colombo A.W., 2017, “Engineering of Next Generation 
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Gosewehr, F., Wermann, J., Borsych, W., and Colombo, A. W., 2017, "Specification and design of an industrial 
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XI Congresso Nacional de Engenharia Mecânica 
02 a 06 de Agosto de 2020, Teresina-Pi, Brasil 
 
6. RESPONSABILIDADE AUTORAL 
 
CONTROL OF DISTRIBUTED MANUFACTURING SYSTEMS IN THE 
CONTEXT OF INDUSTRIE 4.0 
 
Jackson Tavares Veiga, jackson.veiga@usp.br
1
 
Diolino J. dos Santos Filho, diolinos@usp.br
1
 
Marcosiris A. O. Pessoa, marcosiris@usp.br
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Paulo E. Miyagi, pemiyagi@usp.br
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1Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, Av. Prof. Luciano Gualberto, 380 - Butantã, São Paulo - SP, 05508-010. 
 
Abstract. The constant changes and market uncertainties discussed in the context of Industry 4.0 require more flexible 
and modular production control systems, because the hierarchical control systems in isolated layers currently used are 
no longer responding efficiently, since the planning of manufacturing of a particular product is made as a function of 
time and current control architectures are modeled on events. In addition, for companies to be able to respond 
promptly to these changes, distributed production systems must be integrated and adopting models that guarantee 
greater cooperation with each other. To integrate these heterogeneous environments, bringing real manufacturing 
systems closer to the product manufacturing plan - which orchestrate their production -, this article proposes a method 
of controlling productive systems using the architecture for Industry RAMI 4.0 combined with multi-agent systems 
architectures (MAS) based on holons (HMS) and service oriented (SOA). The models will represent the dynamic 
structure of how these systems integrate and will be demonstrated through a practical example of manufacturing. 
 
Keywords: Multi-agent systems (MAS), distributed productive systems, Hôlons (HMS), RAMI 4.0.