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Whitepaper: Indústria 4.0
Author: Advantech IIoT Team
E-mail: [email protected]
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Sumário
Introdução ............................................................................................................................................... 1
1. O caminho para a Indústria 4.0 ......................................................................................................... 1
1.1 Revoluções Indústriais mudam as noções básicas de produção ........................................................ 1
1.2 Indústria 4.0, uma estratégia de alta tecnologia ....................................................................................... 2
2. Sistemas Físicos-cibernéticos (CPS) e da Internet das Coisas (IoT) ...................................................... 4
2.1 Sistemas Físicos Cibernéticos (CPS) ........................................................................................................ 4
2.2 A Internet das Coisas (IoT) ........................................................................................................................... 5
3 Conectividade e Fábricas Inteligentes ....................................................................................................... 6
3.1 Dispositivos conectados .............................................................................................................................. 7
3.2 Utilização..................................... .................................................................................................................... 7
3.3 Processos e negócios conectados ............................................................................................................ 8
3.4 Fábrica Inteligente ...................... .................................................................................................................. 9
4 Abordagem Advantech à Indústria 4.0 ....................................................................................................... 9
4.1 Capacitação de máquinas e robôs inteligentes (camada 1) ................................................................. 10
4.2 Soluções iFactory (camada 2) ................................................................................................................... 10
4.3 Internet dos Serviços (Camada 3) ............................................................................................................. 10
4.4 Inovação do modelo de negócios para à Indústria 4.0 ......................................................................... 11
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Introdução
Há alguns anos as aplicações da Internet das Coisas (IoT), do Big Data e das tecnologias
de análise na automação industrial são cada vez mais discutida em todo o mundo. O objetivo
geral é melhorar o desempenho da linha de produção, reduzir custos operacionais e permitir
um curto tempo de resposta para cada exigência do cliente. Esta será uma mudança
irreversível do paradigma de produção em massa centralizada, apresentada por Henry Ford (e
atual ainda hoje), que reduziu o preço dos carros de forma significativa, permitiu que mais
pessoas comprassem e que o mercado se expandisse. Mas agora, com as novas tecnologias
baseadas nas informações como o IoT, o Big Data e as tecnologias de análise que estão sendo
disponibilizadas para tornar possível a fabricação de produtos unitários de baixo custo.
O início da era da manufatura com base no IoT é apoiado por diversos grupos industriais
(como a Indústria 4.0 originada na Alemanha) e muitas empresas de automação oferecem
produtos e soluções para possibilitar um planeta inteligente. As primeiras aplicações são
suplementos para máquinas e sistemas de automação existentes. Isso será, no entanto,
apenas um primeiro e pequeno passo comparado àquilo que é discutido como sendo o
conceito de produção final baseado no IoT”. Tanto os fornecedores já existentes como aqueles
novos na indústria de automação precisam trabalhar muito para entender o novo paradigma
da manufatura em todos os detalhes e oferecer os produtos de hardware e software adequados
que permitirão tudo isso.
1. O caminho para a Indústria 4.0
1.1 Revoluções Indústriais mudam as noções básicas de produção
O mundo de hoje foi formado por diversas grandes revoluções tecnológicas (industriais) ao
longo dos últimos 200 anos:
A primeira Revolução Industrial, que começou na Grã-Bretanha no fim do século 18 e
chegou até a metade do século 19 foi impulsionada pela invenção do motor a vapor e pela
mecanização. Com a ajuda da água e da energia a vapor, ela criou um deslocamento da
economia agrária para a produção mecânica. E ficou conhecida como a Revolução Mecânica.
A segunda Revolução Industrial começou no fim do século 19 e foi caracterizada pela
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introdução da produção em massa com base na divisão do trabalho (a linha de produção de
Henry Ford) e pelo aumento da utilização da energia elétrica. Dando início à era dos produtos
de consumo acessíveis e ficou conhecida como Revolução Elétrica.
A terceira Revolução Industrial teve início no final dos anos 1960 através do uso de
eletrônicos e de TI em processos industriais. Abrindo as portas para uma nova era de produção
otimizada e automatizada e ficou conhecida como Revolução Digital.
A quarta revolução industrial começou recentemente e pretende conectar os dois mundos
da manufatura e da conectividade em rede através da utilização de sistemas físicos cibernéticos
(CPS), sistemas de produção físicos cibernéticos (CPPS) e a internet das coisas (IoT). Esta
revolução caracterizada hoje pelas mídias sociais e pela comunicação direta máquina a máquina
continuará com produtos inteligentes e com sistemas de transporte autônomo e finalmente resultará
em fabricas totalmente integradas e o conceito Plug & Produce.
Figura 1 - O caminho para a Indústria 4.0 (Fonte: DFKI (2011))
1.2 Indústria 4.0, uma estratégia de alta tecnologia
O termo “Indústria 4.0” foi apresentado pela primeira vez em 2011 na Feira de Hanover, na Alemanha,
como estratégia altamente tecnológica do governo alemão. O princípio da Indústria 4.0 é que ao conectar
máquinas, peças a trabalhar e sistemas, redes inteligentes que podem controlar umas às outras de forma
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autônoma são criadas junto a toda uma cadeia de valor. Isso pode causar um deslocamento da tradicional
pirâmide de automação industrial de 5 níveis (que consiste em CNC, PLC, SCADA, MES e ERP) para uma
fábrica inteligente, baseada na nuvem, conectada e altamente flexível (fig. 2).
Figura 2 - De estrutura centralizada para estrutura em rede
Máquinas em rede e sistemas de manufatura são, portanto, capazes de trocar informações e
responder de forma autônoma para o gerenciamento de processos de produção industrial. A Indústria
4.0 representa um deslocamento de paradigma que leva a produção “centralizada” para
“descentralizada” - isso só foi possível devido aos avanços tecnológicos que constituem uma reversão
da lógica de processo de produção convencional. As máquinas de produção industrial não mais apenas
“processam” o produto, mas agora o produto se comunica com a máquina para dizer a ela exatamente
o que deve fazer.
Isso pode levar as fábricas a operar de forma semelhante com uma só máquina complexa.
Dispositivos automatizados independentes de fabricação serão conectados como parte de um processo
completo de fabricação. Este processo usará sistemas de produção físico-cibernéticos (CPPS,
sensores em tempo real, atuadores e máquinas) que operam juntamente com um processo
automatizado negócios, que controla o fluxo e a logística de materiais. A conexão destas iFactories
(fábricas inteligentes) a aplicativos de projeto em computadores finalmente permitirá que o processo
de manufatura mude conforme novos produtos forem introduzidos.
Embora ainda esteja em um estágio inicial, a Indústria 4.0 depende de softwares e máquinas
sofisticados que se comunicam entre si para otimizar a produção. Máquinas inteligentes conectadas
trabalharão juntas e interpretarão dados, dependendo menos da inteligência humana. A informatização dos
processos de fabricação, os altos níveis de conectividade, as fábricas mais inteligentes e a comunicação
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entre equipamentos criam uma nova era do desenvolvimento da automação, da tecnologia de manufatura e
da cadeia de suprimentos: “Indústria 4.0”.
2. Sistemas Físicos-cibernéticos (CPS) e da Internet das Coisas (IoT)
2.1 Sistemas Físicos Cibernéticos (CPS)
De acordo com Edward A. Lee (2008), os sistemas físico-cibernéticos são integrações de
computação com processos físicos. Computadores e redes integrados monitoram e controlam
os processos físicos, normalmente com loops de feedback onde os processos físicos afetam
a computação e vice-versa. Sistemas físico-cibernéticos estão possibilitando a criação de
tecnologias que unem os mundos virtual e físico de forma a criar um mundo realmente em rede,
no qual objetos inteligentes se comunicam e interagem entre si. Na indústria de manufatura, o
CPS inclui, por exemplo, todos os tipos de sensores, atuadores, dispositivos e máquinas que
se tornam interativos através de softwares integrados e conectividade em rede para monitorar
e controlar processos físicos com loops de feedback. O CPS coleta, armazena e analisa dados
de sensores através de sua lógica de negócios local para fornecer e usar dados e serviços.
Este tipo de inteligência descentralizada cria uma rede de objetos inteligentes e uma gestão
de processos independente, com a interação dos mundos real e virtual. Isso representa um
novo aspecto dos processos de manufatura e processos de produção.
Os CPS não se baseiam em uma nova tecnologia, mas sim usam e combinam de forma
inteligente tecnologias existentes e tendências já estabelecidas:
- Movidas pela indústria de TI, altamente inovadora, as tecnologias de comunicação e seus
hardwares e softwares correspondentes continuarão a ficar mais baratos e mais poderosos a
cada ano. Isso será muito bem-vindo pelos usuários de diversos setores, uma vez que permite
que tenham maiores e valiosas informações sobre seus dispositivos e máquinas e sobre os
processos relevantes, como o estado, diagnóstico, parâmetros de processo etc.
- Dado o exposto acima, dispositivos, sistemas e máquinas - como objetos físicos no mundo
real - estarão cada vez mais ligados uns aos outros em redes de fábricas e também na internet.
Uma vez existente em uma rede como “pontos de dados”, dispositivos e máquinas
armazenarão cada vez mais dados específicos próprios para criar um “objeto de dados” na
rede que crescerá ao longo do tempo até chegar a uma segunda identidade cibernética, como
“objetos cibernéticos”, além da existência física do dispositivo no mundo real.
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- Os objetos físicos continuarão armazenando dados que podem incluir conhecimento,
experiências etc. Isso fará com que sua identidade cibernética fique cada mais inteligente
(smart) a cada etapa e até mesmo autônoma.
- Serviços de software estarão cada vez mais disponíveis para conectar objetos cibernéticos a
“sistemas físicos cibernéticos” com o objetivo de otimizar certos processos. Um exemplo
simples, mas famoso, é a melhoria do tráfego de veículos pela conexão dos objetos
cibernéticos tanto dos veículos como dos sistemas de semáforos a um sistema físico-
cibernético que, então, é capaz de otimizar o fluxo do tráfego criando “ondas verdes”.
Na fabricação, o CPS de uma máquina pode ser considerado uma imagem espelhada da
máquina real, sendo capaz de registrar e rastrear de forma contínua a condição da máquina
durante sua utilização. Com a alta conectividade oferecida pela tecnologia de computação em
nuvem, o modelo espelhado pode oferecer, por exemplo, dados para otimizar a fabricação
melhores do que aqueles oferecidos pela máquina real.
2.2 A Internet das Coisas (IoT)
Sistemas físico-cibernéticos precisam estar conectados a uma rede para permitir o fluxo
de informações pretendido. Esta rede não se limita a uma fábrica ou planta, mas também pode
ser a internet que faz um CPS parte da Internet das Coisas (IoT). Esta é uma rede de objetos
físicos ou “coisas” integradas com eletrônicos, softwares, sensores e conectividade para
permitir que ela troque dados com pessoas (fabricante, operador, especialista em manutenção)
e/ou outros dispositivos conectados para conseguir maior valor e suporte instantâneo. “Cada
“coisa” pode ser identificada na rede através de seu sistema de computação integrado e é
capaz de interoperar dentro de toda a infraestrutura da internet. Devido à sua conectividade
com todas as coisas na internet, a IoT oferece mais do que a comunicação máquina a máquina
(M2M) estabelecida. Espera-se que a interconexão destes dispositivos integrados, que inclui
objetos inteligentes (smart), dê suporte à automação em muitos campos com aplicações
versáteis.
A Internet das Coisas é a denominação que os profissionais de automação dão hoje às
comunicações máquina a máquina. A SAP AG, a empresa fabricante de softwares líder
mundial de mercado, define a Internet das Coisas como “um mundo onde os objetos físicos
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são perfeitamente integrados à rede de informações e onde os objetos físicos podem se tornar
participantes ativos nos processos da empresa. Os serviços estão disponíveis para interagir
com estes “objetos inteligentes” na internet, consultar e alterar seu estado e qualquer
informação associada a ele, levando em consideração os problemas de segurança e
privacidade.”
A Internet das Coisas (IoT) está reformulando profundamente os negócios e as exigências
tecnológicas dentro do cenário dos negócios. Soluções inovadoras que monitoram e controlam
de forma inteligente sensores remotos e dispositivos estão revolucionando a computação
empresarial. Os sistemas inteligentes de última geração estão coletando, analisando e
permitindo que empresas atuem sobre volumes enormes de dados de negócios não tratados
gerados por um vasto número de terminais para melhorar a inteligência dos negócios e
automatizar seus processos. Os arquitetos de rede e de sistema precisarão reorganizar sua
infraestrutura de dados para acomodar e dar suporte à Internet das Coisas.
Ao usar a IoT, os dispositivos de manufatura física se tornam uma parte ativa do processo
de manufatura e o mundo real da manufatura mudará para um tipo de sistema de informações.
Com sensores e atuadores integrados em objetos físicos e ligados através de redes com e
sem fio, as fábricas começarão a produzir objetos físicos a partir de comandos e informações.
Estes novos sistemas físico-cibernéticos precisam de tecnologias e softwares de
processadores integrados avançados que possam dar suporte às novas demandas de
conectividade em tempo real e de controle de distribuição.
3 Conectividade e Fábricas Inteligentes
A conectividade é um desenvolvimento conceitual para a internet, que permitiria que os
consumidores, bem como os objetos industriais, tenham ou obtenham conectividade,
permitindo que eles enviem ou recebam dados através de uma rede. Na verdade, todo e
qualquer objeto que possa ser equipado com um transponder pode ser atribuído a um
endereço IP e conectado a uma rede. Disso implica que todos os dispositivos precisarão de
um endereço IP como identificador único. Devido ao novo protocolo de internet IPv6, com um
comprimento do endereço de 128 bits, estarão disponíveis 3,4 x 1038 endereços de internet. A
conectividade une pessoas, coisas, processos e dados para agregar mais valor às conexões
em rede e ajustar informações na direção de ações que criam novas capacidades e
oportunidades para o estilo de vida de empresas e de pessoas.
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3.1 Dispositivos conectados
A conectividade, no contexto deste documento, compreende todos os tipos de dispositivos
inteligentes que compartilham dados relevantes. A internet existente dos humanos conectados
(pela mídia social) está se estendendo rapidamente até chegar a uma internet de coisas e
processos conectados (IoT). Fontes preveem cerca de 30 bilhões de dispositivos conectados em
2020, assim, superando de longe a população da terra. Desta forma, a internet do futuro será
primariamente a Internet das Coisas - ou mais provavelmente a Internet de Tudo (IoE). A tecnologia
da conectividade está mais estreitamente associada à tecnologia “inteligente” estabelecida
máquina a máquina (M2M). Os dispositivos conectados possuem inteligência integrada que
permite que monitorem e analisem dados e ajam sem intervenção humana, embora humanos
monitorem e controlem estas redes. A inteligência da máquina deixa os sistemas conectados muito
mais inteligentes, ao realizar operações que podem ser conduzidas de forma mais rápida,
consistente e confiável do que os sistemas que dependem de humanos para coletar e analisar
informações e agir.
Implementações normalmente são baseadas em redes com sensores sem fio que se
conectam à internet e no envio para análise. Com a crescente inteligência e poder de
processamento, os sensores serão capazes de realizar coletas de dados, processamento e
comunicação de alta velocidade, o que traz a computação baseada na nuvem para a IoT. A
nuvem oferece armazenamento escalável para as enormes quantidades de dados fornecidas
pelos nós de sensores, bem como as ferramentas analíticas exigidas pelos usuários para que
todos estes dados façam sentido. A nuvem pode oferecer os recursos e serviços
computacionais necessários para gerenciar grandes redes de IoT. O Software como serviço
(SaaS) baseado na nuvem é fundamental para dar escala às aplicações da IoT.
3.2 Utilização
A utilização varia desde o transporte urbano até o monitoramento médico, de aparelhos
domésticos até a indústria de fabricação, do fornecimento de energia até o controle de tráfego e
muito mais. As aplicações são classificadas em categorias como casa inteligente, cidade inteligente,
fábrica inteligente, ambiente inteligente e empresa inteligente, e lidarão principalmente com o
gerenciamento de aquecimento, eletricidade, energia, manufatura e transporte. Com relação à
segurança, os sistemas de alarme residencial poderiam ter maior capacidade para notificar os
proprietários das residências quando houver uma suspeita de violação, enquanto simultaneamente
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entram em contato com as autoridades e permite que o proprietário da residência controle os
diversos aspectos de seu sistema a partir de um smartphone.
Em empresas e na indústria, existem diversas aplicações diferentes possíveis, inclusive o
rastreador de ativo melhorado, controle de inventário, manufatura otimizada, etc.
3.3 Processos e negócios conectados
Uma cidade conectada (“inteligente”) é um sistema de processos interconectados,
inclusive emprego, cuidados da saúde, varejo e entretenimento, serviços públicos, distribuição
de energia e transportes. Um sistema de sistemas, como este, é agregado a tecnologias de
informação e comunicação que transmitem dados de processos de quase todos os tipos de
atividades que ocorrem dentro da cidade. Todo o transporte que faz uma cidade inteligente é
“transporte conectado”, onde veículos, viajantes e infraestrutura se comunicam uns aos outros
através de diversos fluxos de dados. Estes dados podem otimizar os processos da cidade e
melhorar o fornecimento de serviços urbanos e o gerenciamento da infraestrutura.
Se uma empresa está empregando um grande número de ativos, eles precisam estar bem
integrados com os processos de negócios da empresa. Isso começa com a produção de ativos
específicos, vendas e com o comissionamento de processos, portanto, o ativo precisa se registrar
na IoT. Durante a operação, os ativos precisam conseguir interagir com uma variedade de
processos de backend, como por exemplo, para gerenciar mudanças de condição, manusear
eventos de alerta etc. Grandes quantidades de dados vindas dos ativos devem ser analisadas de
forma eficiente, sendo essencial oferecer o mapeamento para processos de backend que podem
reagir aos resultados de tais análises. De forma similar, os processos de negócios devem ser
capazes de alcançar dispositivos, por exemplo, para reconfigurar um dispositivo com base nos
resultados de um processo.
Para formar um Negócio Conectado, é necessário um ambiente integrado que acelere as
interações dentro e fora da organização, que reduza o atrito da interação e aumente a
produtividade. Um Negócio Integrado precisa de dados integrados da empresa, processos,
regras, serviços e capacidades entre ativos internos e externos de TI em um ambiente que
otimize as interações da empresa dentro, fora e para além dos limites organizacionais.
Aplicações de autosserviço precisam permitir que os clientes conectem e visualizem produtos,
inventários e estados de transações disponíveis. APIs publicados expõem dados e habilitam a
conexão, oferecem notificações automatizadas com base nas atividades da empresa.
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3.4 Fábrica Inteligente
A fusão dos mundos virtual e físico através do CPS e a fusão resultante dos processos
técnicos e empresariais levam a um novo conceito de fabricação, denominado “fábrica
inteligente”. Produtos, recursos e processos de fábricas inteligentes oferecem - em
comparação a métodos anteriores de produção - significante qualidade em tempo real com
vantagens de tempo e custo. A fábrica inteligente é projetada de acordo com práticas de
negócios sustentáveis e orientadas para serviços. Entre elas estão características de
flexibilidade, auto adaptação e aprendizado, tolerância a falhas e gestão de riscos.
Na fábrica inteligente altos níveis de automação são estabelecidos como padrão por uma
rede flexível de sistemas de produção baseadas em CPS que, em grande parte, vigia
processos de produção automaticamente. Os sistemas de produção flexíveis que são capazes
de responder quase como em condições em tempo real permitem que processos de produção
internos sejam radicalmente otimizados. As vantagens da produção não se limitam apenas a
condições de produção únicas, mas também podem ser otimizadas de acordo com uma rede
global de unidades de produção adaptativas e de auto-organização que pertençam a mais de
um operador.
4 Abordagem Advantech à Indústria 4.0
O grupo de automação industrial Advantech declarou 2015 como o “Ano da Indústria 4.0”.
Fundada em 1983, a Advantech, cuja sede fica localizada em Taiwan, é uma empresa líder
global no fornecimento de produtos de hardware e software integrados de automação e de
soluções que incluem integração de sistemas, serviços de projetos centrados no cliente e
suporte logístico global. A atual missão da empresa é capacitar um planeta inteligente com
produtos e soluções de automação e computação incorporados, que fomentem o
desenvolvimento de empresas e residências mais inteligentes.
A abordagem da Advantech com relação à Indústria 4.0 está estruturada como uma arquitetura
de 3 camadas que capacita máquinas e robôs inteligentes (camada 1), soluções conectadas de
iFactory (camada 2) e a “Internet dos Serviços” (camada 3). Através da integração de informações,
respostas rápidas e fabricação flexível, a efetividade e eficiência gerais dos processos serão
melhorados de forma exponencial. Este conceito de 3 camadas é combinado com um cultivo
intensivo de mercados verticais.
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4.1 Capacitação de máquinas e robôs inteligentes (camada 1)
Para máquinas e robôs inteligentes, a Advantech oferece uma gama completa de produtos e
tecnologias que inclui controlador, controle de movimento, visão da máquina, computação de
automação e controlador de máquina-ferramenta e robô integrado. Com esta instrumentação e
tecnologias avançadas, as máquinas tradicionais se tornarão equipamentos mais inteligentes. O
objetivo da Advantech é fazer com que as máquinas se tornem sistemas físicos-cibernéticos.
Figura 3 - Gama completa de produtos
4.2 Soluções iFactory (camada 2)
Em um ambiente de Indústria 4.0 todas as máquinas e equipamentos ficam em rede e
fornecem o estado da máquina e informações de produção de forma contínua ao sistema de
controle de processo. Desta forma, o sistema pode realizar a análise imediata e rapidamente tomar
as medidas necessárias. Além disso, as informações podem ser integradas a grandes sistemas
empresariais como os sistemas de execução de manufatura (MES) e o sistema de planejamento
de recursos empresariais (ERP). Para atingir estes objetivos, a Advantech oferece soluções que
capacitam iFactories totalmente conectadas em rede. A plataforma de soluções e os conjuntos de
softwares integrados de IoT de acesso à internet da Advantech, juntamente com produtos como
gateways, podem conectar máquinas, robôs e equipamentos à rede da fábrica e integrá-los a
sistemas como os sistemas MES e ERP.
Figura 4 - Ampla gama de análises
4.3 Internet dos Serviços (Camada 3)
Outro objetivo é capacitar a Internet dos Serviços. O setor de serviços se tornou um dos
maiores setores de negócios do mundo, e com mais rápido crescimento. Os serviços devem ficar
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cada vez mais ampla e facilmente disponíveis e devem também render uma maior produtividade.
Esta nova visão de serviços de próxima geração oferecidos pela internet é conhecida como Internet
dos Serviços. Aqui, desenvolvimentos tecnológicos inovadores permitem novos canais de
fornecimento para serviços e modelos de negócios completamente novos. A criação destes
serviços é facilitada pelas arquiteturas de plataformas e interfaces abertas.
O estado produzido continuamente das informações de equipamentos de fábricas de
informações de produção pode ser usado através de análises de Big Data e do desenvolvimento
da internet dos serviços. O fluxo interminável de informações é uma excelente fonte para o
desenvolvimento de novas aplicações e de serviços criativos. Por exemplo, a manutenção de uma
máquina tradicional depende do julgamento humano, que não é muito preciso. Com a análise de
big data das informações, como as informações da vibração dos rolamentos da máquina, podemos
configurar o modelo para a ocorrência de falhas e, desta forma, desenvolver um sistema de
manutenção preditiva. Ao fazer isso, a ação de manutenção pode ser realizada durante os períodos
em que a máquina não está em operação e isso não afetará a operação regular e a eficiência
operacional também é melhorada de forma efetiva. Entre os demais serviços também estão a
serialização de produtos, a execução de fabricação ou a customização em massa.
Figura 5 - Soluções da Indústria 4.0 (Serviços de Internet)
4.4 Inovação do modelo de negócios para à Indústria 4.0
Para cultivar diferentes mercados verticais, a Advantech promove de forma intensa o programa
WebAccess+ Iot Solution Alliance. O WebAccess+ é um conjunto de softwares da IoT e de
plataforma de solução integrado que é a principal plataforma de software de soluções da Internet
das Coisas.
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Figura 6 - WebAccess+ Alliance Program for Industry 4.0 solutions
Como fornecedora de equipamentos, a Advantech desenvolveu sua plataforma aberta de
software para dar suporte a parceiros de integradores de sistemas para integrar diversas aplicações.
A plataforma (1) combina o software HMI/SCADA inteligente, software de gestão de dispositivos
remotos, software de vídeo inteligente, (2) conecta a plataforma de nuvem da indústria e (3) analisa
e gerencia grandes quantidades de dados, vídeos e dados de voz. Assim, a plataforma oferece
informações críticas a qualquer momento e em qualquer lugar, para o gerenciamento de decisões
de clientes da indústria percebendo de forma eficaz a visão da Indústria 4.0.
