02 - I1PIS - Aula 02 - Arquiteturas de referência 4 0-v3

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Arquitetura de automação industrial: Fundamentos e 
adequações para a Indústria 4.0
Prof. Reinaldo Squillante Junior
2022
I1PIS - Programação e Integração de Sistemas
Tópicos
• A Pirâmide de Automação (norma ISA-95)
• Arquiteturas de referência para a indústria 4.0
• Proposta da Industrie 4.0 – RAMI 4.0
• Proposta da Industrial Internet Consortium - IIRA
• Comparativo das características das arquiteturas RAMI 4.0 e IIRA
• Proposta de atividades
A automação industrial exige a
realização de muitas funções dentro
de uma organização, desde o “chão-
de-fábrica” até o nível corporativo.
A representação das diferentes
funções da automação industrial em
uma organização é denominada de
“Pirâmide de Automação” (Fig.1).
Figura 1 – Pirâmide tradicional de Automação
(NAKAGAWA et al, 2021)
Arquitetura da Automação Industrial
A Pirâmide de Automação
A Pirâmide de automação foi
construída com base na norma
ANSI/ISA 95 onde ISA é o acrônimo de
International Society of Automation.
A norma ISA 95 prescreve as
orientações para o desenvolvimento
de uma interface automatizada entre
sistemas corporativos e de controle.
Figura 1 – Pirâmide tradicional de Automação
(NAKAGAWA et al, 2021)
Arquitetura da Automação Industrial
A Pirâmide de Automação
Os objetivos da ISA-95 são:
• fornecer terminologia consistente que
é uma base para comunicações entre
usuários, fornecedores e fabricantes,
• fornecer modelos de informações
consistentes, e
• fornecer modelos de operações
consistentes. Figura 1 – Pirâmide tradicional de Automação
(NAKAGAWA et al, 2021)
Arquitetura da Automação Industrial
A Pirâmide de Automação
A Pirâmide de automação usa uma
estrutura hierárquica formada por
cinco camadas ou níveis de
automação.
As setas verticais bidirecionais
ilustradas na Fig.1 representam o
fluxo de dados entre as camadas,
desde a planta ou “chão-de-fábrica”
até o nível corporativo da indústria. Figura 1 – Pirâmide tradicional de Automação
(NAKAGAWA et al, 2021)
Arquitetura da Automação Industrial
A Pirâmide de Automação
A camada 1 – Field: corresponde ao
nível das entidades físicas incluindo
as máquinas, os dispositivos, os
sensores e atuadores, localizados no
“chão-de-fábrica”;
Figura 1 – Pirâmide tradicional de Automação
(NAKAGAWA et al, 2021)
Arquitetura da Automação Industrial
A Pirâmide de Automação
A camada 2 – Control: corresponde ao
nível onde se encontram os
controladores lógicos programáveis
(CLP/PLC) e algum tipo de supervisão
associada ao processo.
Os CLPs são responsáveis pela
execução do controle automático das
atividades da planta.
Figura 1 – Pirâmide tradicional de Automação
(NAKAGAWA et al, 2021)
Arquitetura da Automação Industrial
A Pirâmide de Automação
Arquitetura da Automação Industrial
A Pirâmide de Automação - Camada 2 - Control
Controladores Lógicos Programáveis
A camada 3 – Process: nível da
supervisão e controle do processo.
Normalmente constituído por
computadores e bancos de dados
com informações relativas ao
processo. Este nível contém o sistema
SCADA (Supervisory Control and Data
Acquisition).
Figura 1 – Pirâmide tradicional de Automação
(NAKAGAWA et al, 2021)
Arquitetura da Automação Industrial
A Pirâmide de Automação
Arquitetura da Automação Industrial
A Pirâmide de Automação - Camada 3 - Process
Sistemas Supervisórios (SCADA)
Figura 1 – Pirâmide tradicional de Automação
(NAKAGAWA et al, 2021)
Arquitetura da Automação Industrial
A Pirâmide de Automação
Figura 2 – MES
(stock.adobe.com acesso em 03/07/22)
A camada 4 – MES: Manufacturing Execution
System é o nível responsável pela programação e
planejamento da produção, realizando o controle
de alocação de recursos e a logística de
suprimentos.
A camada 5 – ERP: Enterprise Resource Planning é
o nível responsável pela administração dos
recursos das empresas, em que se encontram os
softwares de gestão de vendas e gestão financeira;
é também onde ocorrem as decisões e o
gerenciamento de todo o sistema.
Figura 1 – Pirâmide tradicional de Automação
(NAKAGAWA et al, 2021)
Arquitetura da Automação Industrial
A Pirâmide de Automação
Figura 3 – ERP
(stock.adobe.com acesso em 03/07/22)
O conceito da Indústria 4.0 está provocando mudanças drásticas nos
processos de fabricação, quebrando o paradigma de estruturas
hierárquicas e troca de informações entre camadas adjacentes
propostas pela Pirâmide tradicional de Automação.
Arquitetura da Automação Industrial
Arquiteturas de referência para a Indústria 4.0
Figura 4 – Transição da Pirâmide tradicional de Automação para comunicação entre entidades
(NAKAGAWA et al, 2021)
Uma grande preocupação em torno deste conceito é a
interoperabilidade entre dispositivos e máquinas que usam
diferentes protocolos e possuem arquiteturas diferentes.
Para minimizar os problemas decorrentes dessa diversidade,
a adoção de padrões promove a interoperabilidade aberta e o
desenvolvimento de arquiteturas comuns.
Arquitetura da Automação Industrial
Arquiteturas de referência para a Indústria 4.0
Embora o conceito de Indústria 4.0 ainda seja um grande desafio para
muitas indústrias de manufatura, arquiteturas de referência têm sido propostas e
adotadas em diferentes domínios para nortear a implementação de sistemas com
foco na estruturação e interoperabilidade entre os seus componentes no contexto
da Indústria 4.0.
Antes da apresentação de algumas arquiteturas de referência, é
importante discutirmos os termos “arquiteturas” e “modelos de arquiteturas de
referência” no contexto de software, haja visto que, na Ind.4.0 a integração dos
mundos virtual e real envolve recursos de software para automação dos processos
produtivos.
Arquitetura da Automação Industrial
Arquiteturas de referência para a Indústria 4.0
Na literatura, existem diferentes definições sobre “arquitetura”, como por
exemplo:
“Arquitetura é geralmente definida como a estrutura organizacional de
um sistema ou componente, seus relacionamentos , princípios e orientações que
servem para controlar seu projeto e evolução ao longo do tempo” (GERACI et al,
1991; ISSO/IEC/IEEE42010:2011, 2011).
Do ponto de vista de sistema, uma arquitetura deve abordar a estrutura
fundamental do sistema definido a partir da perspectiva de componentes,
propósitos, relacionamentos, interfaces, processos, restrições, comportamentos,
princípios e regras, características e propriedades físicas e lógicas (PISCHING,
2018).
Arquitetura da Automação Industrial
Arquiteturas de referência para a Indústria 4.0
Por outro lado, uma “arquitetura de referência” na área de software se
trata de um modelo estável comumente utilizado e recomendado a partir do qual
são derivadas arquiteturas concretas e específicas para um determinado domínio
de aplicação (BANGEMANN et al, 2016).
“Um modelo de arquitetura de referência tem como objetivo a descrição
da estrutura do sistema de acordo com o tipo de aplicação. Trata do ponto de
partida para o desenvolvimento de ferramentas necessárias para a implantação de
um sistema” (ADOLPH et al, 2016).
“Um modelo de arquitetura de referência significa um esquema abstrato
(abstract framework) que contém um conjunto mínimo de conceitos, axiomas e
relacionamentos que proveem um entendimento comum das interações entre as
entidades de um determinado ambiente” (BASSI et al, 2013).
Arquitetura da Automação Industrial
Arquiteturas de referência para a Indústria 4.0
Nesse contexto, torna-se importante a investigação de modelos de
arquiteturas de referência que foram propostas com foco na IoT e na Indústria 4.0
Entre 2015 e 2016, houve duas iniciativas para propor padrões de
desenvolvimento para a Indústria 4.0 e IIoT.
Na Alemanha, em decorrência do programa Industrie 4.0 surgiu o RAMI 4.0
(Modelo de Arquitetura de Referência Industrie 4.0).
Nos Estados Unidos surgiu o consórcio de Internet Industrial denominado IIC –
Industrial Internet Consortium, composto por 180 membros de 26 países, sem fins
lucrativos. Como resultado, surgiu a IIRA (Arquitetura de Referência de Internet
Industrial).
Arquitetura da AutomaçãoIndustrial
Arquiteturas de referência para a Indústria 4.0
O RAMI 4.0 (Reference Architectural Model for
Industry 4.0), ilustrado na Figura 5, é um
modelo de arquitetura de referência para a
Indústria 4.0 (ADOLPHS et al, 2015) que foi
apresentado na feira industrial de Hannover
na Alemanha em abril de 2015.
O RAMI 4.0 foi concebido a partir de normas
vigentes do setor produtivo visando
concentrar diferentes especificações em um
único modelo tridimensional para atender a
integração vertical e horizontal.
Arquitetura da Automação Industrial
Industrie 4.0 e o modelo de arquitetura de referência RAMI 4.0
Figura 5 – RAMI 4.0
(Marcos, A.P. et al, 2018)
Camadas
(Layers)
Dentre as normas utilizadas no RAMI 4.0
destacam-se:
• ISO/IEC62264 – Enterprise-control system
integration;
• IEC 62541 – OPC Unified Architecture;
• IEC 61512 – Batch Control Part 1: Models
and Terminology); e
• IEC 62890 – Product and Equipment Life-
cycle management
Arquitetura da Automação Industrial
Industrie 4.0 e o modelo de arquitetura de referência RAMI 4.0
Figura 5 – RAMI 4.0
(Marcos, A.P. et al, 2018)
Camadas
(Layers)
A adoção do RAMI 4.0 facilita a
implementação de sistemas e arquiteturas
para a Indústria 4.0 por meio de soluções não
proprietárias de sistemas existentes,
permitindo que as indústrias possam
acompanhar a transição dos sistemas legados
para sistemas com foco na Indústria 4.0
Trata da flexibilidade para a descrição e
implementação da Indústria 4.0 levando em
conta a migração dos sistemas atuais para
sistemas da Indústria 4.0
Arquitetura da Automação Industrial
Industrie 4.0 e o modelo de arquitetura de referência RAMI 4.0
Figura 5 – RAMI 4.0
(Marcos, A.P. et al, 2018)
Camadas
(Layers)
• Níveis Hierárquicos – Hierarchy Levels – É
o eixo horizontal à direita da Figura 5. Essa
estrutura foi elaborada com base na norma
IEC 62264 estabelecida para a integração
de sistemas de controle a nível empresarial.
Para dar cobertura a todos os setores
possíveis, e considerando os processos
industriais, a automação e a gestão da
indústria, são adotados os seguintes níveis
hierárquicos:
“Empresa” (Enterprise), “Centro de Trabalho”
(Work Unit), “Estação” (Station) e “Dispositivo
de Controle” (Control Device) da IEC 62264.
Arquitetura da Automação Industrial
Industrie 4.0 e o modelo de arquitetura de referência RAMI 4.0
Figura 5 – RAMI 4.0
(Marcos, A.P. et al, 2018)
Camadas
(Layers)
Além desses 4 níveis funcionais foram
adicionados mais três na composição
hierárquica do RAMI 4.0 para dar suporte à
fábrica inteligente.
Mais próximos ao nível de produção foram
adicionados os níveis “Field Device” – inserido
para tratar do controle de uma máquina de
modo inteligente, por exemplo, os sensores
inteligentes e “Product” – que leva em
consideração a homogeneidade do produto a
ser manufaturado e as instalações de
produção com suas interdependências.
Arquitetura da Automação Industrial
Industrie 4.0 e o modelo de arquitetura de referência RAMI 4.0
Figura 5 – RAMI 4.0
(Marcos, A.P. et al, 2018)
Camadas
(Layers)
Por outro lado, mais próximo ao nível de
gestão, foi adicionado o nível “Connected
World”, pois a fábrica vai além das suas
fronteiras individuais e alcança parceiros
externos por meio de uma rede colaborativa
de serviços.
Arquitetura da Automação Industrial
Industrie 4.0 e o modelo de arquitetura de referência RAMI 4.0
Figura 5 – RAMI 4.0
(Marcos, A.P. et al, 2018)
Camadas
(Layers)
• Ciclo de Vida e Cadeia de valor – Life Cycle
& Value Stream – É o eixo horizontal à
esquerda da Figura 5. Representa o ciclo de
vida de entidades, tais como: peças,
produtos e instalações físicas da indústria,
todos baseados na norma IEC 62890 que
trata de instruções referentes ao
gerenciamento de ciclo de vida de produtos
e equipamentos.
Arquitetura da Automação Industrial
Industrie 4.0 e o modelo de arquitetura de referência RAMI 4.0
Figura 5 – RAMI 4.0
(Marcos, A.P. et al, 2018)
Camadas
(Layers)
• Camadas – Layers – É o eixo vertical da
Figura 5. Dividido em seis camadas,
descrevem a decomposição de máquinas e
entidades físicas de tal forma que possam
ser mapeadas para suas respectivas
representações virtuais sob a forma de
componentes da Indústria 4.0 (I4.0C –
Industry 4.0 Components).
As camadas são usadas para representar um
panorama relacionado à mapas de dados,
descrições funcionais, comportamentos de
comunicação, hardware/ativos técnicos ou
processos de negócios.
Arquitetura da Automação Industrial
Industrie 4.0 e o modelo de arquitetura de referência RAMI 4.0
Figura 5 – RAMI 4.0
(Marcos, A.P. et al, 2018)
Camadas
(Layers)
Elas definem a estrutura da representação das
tecnologias de informação e comunicação
(TIC) de I4.0C.
As camadas desse eixo são:
“Ativo Técnico” (Asset), “Integração”
(Integration), “Comunicação” 
(Communication), “Informação” 
(Information), “Funcional” (Functional) e 
“Regra de Negócio” (Business).
Uma descrição mais detalhada destas camadas 
é ilustrada na Tabela 1 a seguir.
Arquitetura da Automação Industrial
Industrie 4.0 e o modelo de arquitetura de referência RAMI 4.0
Figura 5 – RAMI 4.0
(Marcos, A.P. et al, 2018)
Camadas
(Layers)
Tabela 1 – Descrição do eixo vertical “Camadas” do RAMI 4.0 
O RAMI 4.0 combina os elementos do ciclo de
vida e cadeia de valores com uma abordagem
estruturada hierarquicamente para a definição
de um I4.0C.
As relações de um I4.0C com os eixos do RAMi
4.0 são estabelecidos da seguinte forma: eles
estão localizados ao longo do eixo “Camadas”
do RAMI 4.0 (Figura 6) e adotam várias
posições no ciclo de vida e cadeia de valores
(eixo “Ciclo de Vida e Cadeia de Valor”) e
ocupam vários níveis hierárquicos (eixo:
“Níveis Hierárquicos”).
Arquitetura da Automação Industrial
Industrie 4.0 e o modelo de arquitetura de referência RAMI 4.0
Figura 6 – Relação I4.0C com o eixo “Camadas” do RAMI 4.0
(Marcos, A.P. et al, 2018)
• Ciclo de vida e cadeia de valor – Life Cycle
& Value Stream - O eixo de ciclo de vida
do produto foi pensado com base na
norma IEC 62890, sobre gestão do ciclo de
vida de sistemas e produtos utilizados na
medição, controle e automação de
processos industriais.
Nele, existe a divisão de dois conceitos:
Tipo (que se refere à fase inicial de
desenvolvimento e prototipagem) e
Instância (que se refere ao projeto
finalizado e em fase de produção).
Arquitetura da Automação Industrial
Industrie 4.0 e o modelo de arquitetura de referência RAMI 4.0
Figura 5 – RAMI 4.0
(Marcos, A.P. et al, 2018)
Camadas
(Layers)
Nos Estados Unidos, o Consórcio de Internet Industrial,
com base na evolução da IoT, foi responsável pelo
desenvolvimento de uma proposta de Arquitetura de
Referência de Internet Industrial (IIRA) que, baseada nos
conceitos da norma ISO/IEC/IEEE 42010:2011, idealizou
um documento com orientações para alinhar o
desenvolvimento da indústria por meio de uma
arquitetura de referência que garantisse a
interoperabilidade de todos os componentes
constituintes. Deste modo, os diferentes fornecedores
poderiam produzir componentes intercambiáveis
(compatíveis) entre si e clientes poderiam usar a
arquitetura de referência como um modelo de
orientação para construir e/ou selecionar tecnologias e
soluções para a implementação da IoT na indústria.
Arquitetura da Automação Industrial
Industrial Internet Consortium (IIC) e o IIRA
Figura 7 – Arquitetura IIRA
(Stevan Junior, S.L., 2018)
A arquitetura IIRA pode ser resumida em quatro
pontos de vista da IIoT: negócio, utilização, funcional
e de implementação.
a) Ponto de vista de negócios: procura atender as
preocupações dos gestores sob o ponto de vista dos
negócios, dos valores, dos objetivos e dos resultados
da criação de ambientes com IIoT. É este ponto de
vista que determina se uma empresa investirá na
adaptação de seus componentes para IoT de forma
parcial ou integral.
Arquitetura da Automação Industrial
Industrial Internet Consortium (IIC) e o IIRA
Figura 7 – Arquitetura IIRA
(Stevan Junior, S.L., 2018)
b) Ponto de vista de utilização: envolve quem vai
desenvolvere quem utilizará o sistema em IoT,
avaliando-se funcionalidades e requisitos
necessários para sua operacionalização.
c) Ponto de vista funcional: consiste na avaliação da
solução em termos dos componentes funcionais
de um sistema IIoT, de sua estrutura e relações,
das interfaces e interações entre elas, e a relação
e interações do sistema com elementos externos
no ambiente, para apoiar os usos e atividades do
sistema global.
Arquitetura da Automação Industrial
Industrial Internet Consortium (IIC) e o IIRA
Figura 7 – Arquitetura IIRA
(Stevan Junior, S.L., 2018)
d) Ponto de vista de implementação: trata das
tecnologias necessárias para implementar
componentes funcionais (ponto de vista
funcional), seus esquemas de comunicação e seus
procedimentos de ciclo de vida. Esses elementos
são coordenados por atividades (ponto de vista
de utilização) e apoiam as capacidades do sistema
(ponto de vista de negócios).
Estes pontos de vista devem ser avaliados em relação
ao tempo de vida de cada processo e de sua
aplicação nos diferentes setores industriais, conforme
Figura 7.
Arquitetura da Automação Industrial
Industrial Internet Consortium (IIC) e o IIRA
Figura 7 – Arquitetura IIRA
(Stevan Junior, S.L., 2018)
A IIRA é um modelo baseado em camadas que leva em consideração
quatro pontos de vista diferentes (negócios, utilização, funcional e
implementação). Ela se concentra nas capacidades da perspectiva do software e
em seus processos de negócios.
Cada um dos quatro pontos de vista descritos na IIRA pode ser comparado
com as camadas no eixo vertical do RAMI 4.0.
Por outro lado, o RAMI 4.0 complementa o modelo de camadas com os
eixos de Ciclo de Vida (com tipos e instâncias) e fluxo de valor e Níveis
Hierárquicos. Assim, apresenta-se como um componente da Industrie 4.0, com
uma organização que vai desde o nível de produto, passando pela ligação à
Internet das Coisas (IoT) e Serviços chegando ao usuário final, externo à indústria.
Arquitetura da Automação Industrial
Comparativo entre Industrial Internet Consortium e Industrie 4.0
Para confrontar, de forma resumida, os dois grupos de trabalho (Industrie 4.0 e IIC) e as
diferenças entre as propostas de arquiteturas de referência RAMI 4.0 e IIRA, e assim salientar as
características fundamentais de cada um, é apresentada a Tabela 2 que ilustra a comparação das
características entre os dois grupos de trabalho.
Arquitetura da Automação Industrial
Comparativo entre Industrial Internet Consortium e Industrie 4.0
Industrie 4.0 IIC
Autores Governo alemão Grandes empresas multinacionais
Ordem de interessados Governo
Academia
Indústria
Indústria
Academia
Governo
Foco setorial Indústria Manufatura
Energia
Transporte e logística
Saúde
Utilidades
Cidades inteligentes
Agricultura
Tabela 2 – Comparativo entre os modelos de arquitetura da Industrie 4.0 e do IIC
(Stevan Junior, S.L., 2018) 
Arquitetura da Automação Industrial
Comparativo entre Industrial Internet Consortium e Industrie 4.0
Industrie 4.0 IIC
Foco tecnológico Cadeia de suprimentos
Sistemas embarcados
Automação e robotização
Sistemas de comunicação
Dispositivos de controle e integração
Automação Industrial
Sistemas preditivos
Foco holístico/geral hardware Software, hardware e integração
Foco geográfico Alemanha e suas companhias Indústria global
Foco corporativo Pequenas e médias empresas Companhias de todos os tamanhos
Foco organizacional Otimização de produção Otimização de ativos
Foco de padronização Utiliza implementação sobre agenda Utiliza recomendações para elaboradores 
de normas
Abordagem geral de negócios Reativa Proativa
Tabela 2 – Comparativo entre os modelos de arquitetura da Industrie 4.0 e do IIC
(Stevan Junior, S.L., 2018) 
As arquiteturas de referência apresentadas são preliminares,
porque ainda são necessários alguns anos para consolidar o uso
destas arquiteturas na Indústria.
Arquitetura da Automação Industrial
Arquiteturas de referência para a Indústria 4.0
Como os conceitos envolvidos nas arquiteturas são ainda
abstratos, frameworks devem ser desenvolvidos numa tentativa de
adequar as recomendações das arquiteturas para cada tipo de setor
industrial e aplicação.
MORAES, C.C.; CASTRUCCI, P.L. Engenharia de automação industrial. 2.ed.
Rio de Janeiro, Editora LTC, 2007.
STEVAN JUNIOR, S.L. Internet das Coisas: fundamentos e aplicações em
arduino e NodeMCU. São Paulo, Érica, 2018.
MARCOS, A.P.; PESSOA, M.A.O.; JUNQUEIRA, F.; FILHO, D.J.S.; MIYAGI, P. E. An
architecture based on RAMI 4.0 to discover equipment to process
operations required by produts. Computers & Industrial Engineering. Vol.
125, pp574-591, 2018.
Referências bibliográficas
1) Ler o artigo descrito abaixo e escrever uma resenha deste artigo:
NAKAGAWA, E.Y.; ANTONINO, P.OL.; SCHNICKE, F.; CAPILLA, R.; KUHN, T.;
LIGGESMEYER, P. Industry 4.0 reference architectures: State of the art and
future trends. Computers & Industrial Engineering, Vol.156, 2021.
Nota: O artigo foi publicado no moodle.
Atividade Avaliativa 2