Edição 258 - Controle & Instrumentação

Revista Controle & Instrumentação – Edição nº 258 – 2020

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Os sistemas embarcados estão enraizados no nosso dia-a-dia. O primeiro sistema embarcado reconhecido foi o Apollo Guidance Computer, desenvolvido por Charles Stark Draper, no MIT, para a NASA, que operava em tempo real, era considerado o item eletrônico mais arriscado do projeto Apollo, e que usou circuitos integrados monolíticos para reduzir o tamanho e o peso do equipamento. Pode-se considerar que o primeiro sistema de computação embarcada foi construído em 1961, para o Minuteman, míssil balístico intercontinental da Força Aérea dos EUA, que foi construído com transistores discretos e portas lógicas, uma arquitetura inovadora na época, anterior à revolução do circuito integrado.

O primeiro sistema embarcado baseado em microprocessador foi o Air Data Computer Central, incorporado ao F -14A Tomcat. Lançado em 1970, o sistema lidou com as variáveis aviônicas e de tratamento de vôo, cálculo de balanço de configuração de asa do F -14, além de fornecer informações sobre a velocidade e altitude – era de oito processadores, e 19 chips de memória. O projeto começou em 1968, e representou o primeiro sistema de controle totalmente digital para orientar as aeronaves – antes tudo era controlado por motores elétricos e sistemas hidráulicos. E a existência desse projeto foi mantida em segredo, até os anos 1990, ainda que – ou talvez porque – os sistemas embarcados tenham tomado o mercado na década de 1980 , com a integração sistemas-on-a-chip, que combinam um microprocessador, RAM , controladores de entrada /saída, e quaisquer outros sistemas de controles em um pacote de circuito integrado. Os sistemas embarcados são mais baratos, mas menos flexíveis que os convencionais.

Pequena e com muitas funções, a Certi desenvolveu, em 2017, a primeira placa na América Latina a rodar Linux – ideal para desenvolver protótipos, pois, há compatibilidade com a IDE do Arduino e MicroPython.

O Polo de Inovação Fortaleza, do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Ceará, desde 2013, atua em Mobilidade Digital e Sistemas Embarcados, e define um sistema embarcado (ou sistema embutido) como um sistema microprocessado, no qual o computador é completamente encapsulado, ou dedicado ao dispositivo ou sistema que ele controla.

Gustavo Henrique Nihei, Coordenador de Sistemas Embarcados da Fundação CERTI, ressalta que os sistemas embarcados, diferentemente de computadores de propósito geral, são sistemas computacionais desenvolvidos para atender um propósito específico. Além disso, geralmente precisam atender a algumas restrições, impostas pelo tipo de aplicação a ser desempenhada, como executar computações garantindo um tempo de resposta (restrições de tempo real), ou baixo consumo de energia, quando são operados por bateria.

Uma tecnologia de automação, geralmente, é composta por sistemas de sensoriamento e atuação. Em sistemas MES (Manufacturing Execution Systems), por exemplo, é crescente o emprego de sistemas embarcados para auxiliar na rastreabilidade de recursos, durante as etapas do processo produtivo. De modo similar, o uso de sistemas embarcados em aplicações de tecnologia de informação contribui, não somente para a geração de grande volume de dados para computação em nuvem, viabilizando análises cada vez mais precisas, como também para o aumento da eficiência no processamento e refinamento dos dados através de computação na borda (do inglês edge computing).

Ronaldo Ribeiro, gerente do departamento de TI e Telecom da Cenibra – Celulose Nipo-Brasileira S.A. – lembra que, diferentemente de computadores de propósito geral, como o computador pessoal, um sistema embarcado realiza um conjunto de tarefas predefinidas, geralmente com requisitos específicos. “Já que o sistema é dedicado a tarefas específicas, através de engenharia, pode-se otimizar o projeto, reduzindo tamanho, recursos computacionais e custo do produto. Como suas funções são dedicadas a tarefas específicas, podem-se otimizar os recursos computacionais, seu tamanho físico e o custo do produto. Como possuem uma engenharia própria e são bem específicos, não podem ser reprogramados para outras funções, que não as projetadas. E os conceitos tecnológicos mais recentes têm defendido que os próprios dispositivos que geram os dados façam seu tratamento; dados brutos gerados, por exemplo, pelos IoTs, seriam tratados pelos dispositivos que os geraram, então, eles devem fazer uma análise criteriosa em quais dados deverão trafegar para a rede. Se os dispositivos puderem executar mais processamento nos dados brutos localmente, no nó de extremidade (no próprio hardware local), menos dados brutos deverão ser transmitidos. Esse conceito é conhecido como computação de borda (Edge Computing). Desta forma, há uma tendência para este encapsulamento e para transformar os sistemas tradicionais em equipamentos um pouco mais inteligentes, embarcando algumas tecnologias, que antes somente eram vistas nos sistemas de controles mais avançados da TI e OT”.

Marco Milan, especialista em PLM (Precision Land Manager), da New Holland Agriculture, destaca que os sistemas embarcados estão muito presentes na agroindústria. “São todos os componentes e tecnologias disponibilizados de fábrica em máquinas agrícolas. E aí podemos encaixar tecnologias, como o piloto automático, telemetria, módulos de controle de aplicação, mapeamento de colheita, etc... E, neste cenário, podemos considerar sistemas de pulverização, que controlam a taxa de aplicação, de acordo com a oscilação de velocidade ou mapas de prescrição pré-definidos em software, bem como o desligamento de seções na barra de pulverização, quando o sistema reconhece, por GPS, as áreas já aplicadas – garantindo redução de uso de defensivos, e do risco de perda de produção por questões de sobretaxa aplicada. No caso da TI, também na telemetria, que, no campo, consiste em coletar estas informações da máquina, e disponibilizá- las em um portal, para que o cliente ou gestor da frota monitore as operações remotamente, identificando falhas, alertas ou gargalos operacionais”.

O especialista de produto de IPC da Beckhoff, Marcos José de Souza Rodrigues, pontua que sistemas embarcados na automação industrial “têm por definição alta robustez, alto desempenho, softwares compactos, custo acessível, e facilidade na integração com o usuário. São basicamente hardwares compactos, com um alto poder de processamento e integração entre sistemas (TI + TA). Mas, nem toda a automação e TI pode ser considerada como sistema embarcado. Alguns sistemas de automação são baseados em CLPs, e não controles embarcados, da mesma forma que sistemas de TI, que são aplicados em hardwares grandes e compatíveis, com a aplicação. Os sistemas embarcados da Beckhoff (PCs Industriais) são altamente confiáveis, seguros e robustos, além de possuírem baixo consumo de energia, e baixa dissipação de calor, com alimentação principal 24Vdc. Os PCs Embarcados são tecnologias em conceito aberto, com hardwares e software dedicados e otimizados, para o maior desempenho do sistema de automação”.

O engenheiro Clodoaldo Cabral Arruda Neto, da Yokogawa, resume um sistema embarcado como “aquele que possui uma função dedicada, dentro de um sistema mecânico, elétrico, hidráulico, etc.; é um conjunto de hardware e software dedicado ao sistema que ele controla, desempenhando apenas tarefas específicas e, desta forma, os custos com hardware e software para sua implementação são reduzidos. Mas, nem todo o sistema de automação e TI pode ser considerado um sistema embarcado. E existem normas específicas para sistemas embarcados, em alguns setores como, por exemplo, em sistemas embarcados voltados para equipamentos médicos, a Anvisa regulamenta uma série de critérios, aos quais o equipamento é submetido. A Yokogawa oferece o e-RT3 como um sistema embarcado, baseado em Linux, e que também permite a programação em Python. Seu sistema foi criado com inúmeras bibliotecas, que permitem redução de tempo de desenvolvimento, e o hardware, sem ventilador, possibilita um baixo consumo de energia, além de possibilitar a instalação em ambientes agressivos”.

Cada vez mais presentes em nosso dia-a-dia, é fundamental que qualquer sistema embarcado esteja em constante operação, minimizando a ocorrência de falhas e, mesmo na ocorrência destas, mantenha-se disponível. “Dependendo do ambiente onde o sistema embarcado está empregado, uma eventual indisponibilidade pode trazer desconfortos ou pequenos prejuízos para seus usuários, como um sistema de aquecimento, ou até mesmo resultar em uma catástrofe, como no caso de sistemas aviônicos. Com o objetivo de maximizar a confiabilidade (dependability) e a segurança dos sistemas embarcados, estes são desenvolvidos seguindo normas específicas para cada tipo de aplicação. A norma RTCA/DO-178C, por exemplo, determina uma série de considerações para o desenvolvimento de software embarcado em sistemas aviônicos. Dispositivos médicos e sistemas automotivos são outros exemplos de sistemas críticos”, afirma Gustavo Nihei.

O setor automotivo vem recebendo novos sistemas, e estimulando outros setores a incorporarem novas tecnologias, veículos cada vez mais inteligentes e sustentáveis, que esperam as cidades inteligentes se tornarem realidade. Como resume a FCA, é uma revolução de conceitos, que trazem embutidos sistemas embarcados, conjunto de centrais eletrônicas e suas respectivas tecnologias, que são desenvolvidas no automóvel com os respectivos softwares que, por sua vez, conectam estas centrais eletrônicas, permitindo a troca de informações entre elas. Os sistemas embarcados são aptos a interagir com equipamentos externos, isto é, no processo de manufatura, nas concessionárias, em comunicações “over the air”, com os equipamentos de entidades governamentais, etc. Quanto aos veículos elétricos, essas centrais eletrônicas são diferentes e adaptadas ao sistema elétrico propulsor e, na medida em que o usuário escolhe os conteúdos do automóvel que quer comprar, ele está determinando a tecnologia, ou mesmo quais centrais eletrônicas irão compor o carro que ele irá comprar.

Quando a FCA desenvolve sistemas embarcados (arquiteturas eletroeletrônicas) de um automóvel, integra as necessidades do que o mercado pede no momento, mas também integra uma visão do futuro, isto é, aquilo que estará no mercado, no arco de aproximadamente quatro anos. Portanto, as arquiteturas eletroeletrônicas de um automóvel, via-de-regra, conseguem absorver novas tecnologias nesse período.

Sistemas embarcados já são realidade no setor automotivo, e devem aumentar sua presença e relevância, porque os carros autônomos estão chegando, e uma área onde eles precisam ser melhorados é na navegação e segurança. Com as tecnologias atuais, existem limitações às funções de navegação e segurança – atualmente, os veículos usam RaDAR ou LiDAR, com sistemas LiDAR de Tempo de Voo (ToF) sendo predominantes, mas essas tecnologias têm suas limitações. LiDAR e RaDAR trabalham com o mesmo princípio, enviando uma onda, e usando os reflexos para determinar a distância, localização e velocidade dos objetos ao redor; LiDAR utiliza laser ou feixes de luz, RaDAR utiliza ondas de rádio. Os sistemas de visão embarcados, que utilizam LiDAR, permitem que os veículos autônomos determinem, não apenas a distância e a velocidade dos objetos ao redor, mas também a forma para o reconhecimento potencial do objeto. Embora o LiDAR seja preferencial ao RaDAR, a atual tecnologia LiDAR Time of Flight tem suas limitações, pois, a capacidade de detecção é baseada na intensidade de saída, e ele é suscetível à interferência de outros sistemas LiDAR, e até mesmo da luz solar.

Para resolver isso, a Frequency Modulated Continuous Wave LiDAR, ou FMCW LiDAR utiliza conhecimento do RaDAR, mudou a operação do LIDAR de tempo de vôo para operação de deslocamento de frequência. As próximas melhorias tecnológicas tornarão possível ver objetos tão pequenos quanto 1,5” a 200 m. Apesar de tamanha presença e importância, pouco se pode escolher: podem-se acrescentar funções, mas raramente determinar o fornecedor delas. Dependendo do produto a ser adquirido, o usuário tem a opção de acrescentar funcionalidades extras a uma configuração básica, por exemplo, ao adquirir um carro com sensor de estacionamento. Pode-se dizer que é uma relação direta, a quantidade de funcionalidades agregadas a um produto, e a quantidade de sistemas embarcados nele.

O usuário pode escolher se a tecnologia embarcada vai conversar com outro dispositivo ou não. Daí a importância de escolher um bom parceiro. A pesquisa do Polo de Inovação vai até a TRL 6, que é a demonstração em ambiente relevante. Neste estágio, a tecnologia está pronta para a realização dos testes finais, visando à aplicação final e comercialização, por exemplo, uma cinta médica que mede os batimentos cardíacos do paciente, o protótipo já foi testado em ambiente relevante, porém, a empresa precisa escalar a produção e comercialização, assim como realizar testes em ambientes operacionais. Após isso, a tecnologia é transferida para a empresa que pode utilizar de forma imediata.

“De fato, em geral, o usuário não determina o que está em um sistema embarcado, sua tecnologia e parametrizações são aquelas que o fazem funcionar adequadamente; a alternativa para o usuário é escolher um fornecedor que possui maior compatibilidade com aquelas tecnologias presentes em seu parque industrial. Mas, atualmente, já existem empresas no mercado, atendendo com excelência especificações técnicas e escopos variados, o que permite uma maior interação entre as demandas dos usuários com os sistemas embarcados”, comenta Ronaldo Ribeiro.

“Hoje, existe, disponível ao cliente, um portfólio bastante completo de opções, cabendo a ele escolher as tecnologias que melhor atendem à sua necessidade. O avanço no desenvolvimento de novas tecnologias nos leva a aprimorar e agregar cada vez mais soluções, do ponto de vista de fábrica, uma vez que cada uma delas visa a atender uma necessidade diferente. Quando levamos esta análise ao nível de dados, há uma grande oportunidade para compartilhamento de informações entre o cliente e demais prestadores de serviços ou fornecedores de soluções – aumentando a assertividade no atendimento ao cliente e à sua atividade,” corrobora Marco Milan.

“O que vai embarcado dependerá muito do sistema em que o usuário deseja controlar, incluindo critérios de espaço, consumo de energia e processamento requerido. No mundo da automação, o usuário deve escolher um sistema que possibilite detecção de sinais anormais para prever várias falhas de equipamentos; análise da Causa Raiz; possibilidade de atribuição de índices para controle da qualidade, etc.” ressalta Clodoaldo Neto.

“Quando os sistemas embarcados são PCs Industriais, a escolha deve ser baseada na configuração do hardware e do software, como, por exemplo, a versão de sistema operacional, ou tamanho de HDD (Hard Disk Drive), memória RAM, entre outras coisas. Por se tratar de uma tecnologia em conceito aberto, é possível embarcar diversos softwares ou interfaces, de acordo com a necessidade do usuário. Tudo depende da configuração base, escolhida pelo usuário. Os sistemas embarcados da Beckhoff são preparados para as novas tecnologias disruptivas, desde sua concepção no ano de 2001: por se tratar de um PC Industrial Embarcado e, devido a possuir um sistema operacional, é facilmente relacionável a estas novas tecnologias. Com essas tecnologias, é possível aplicar qualquer conceito de tecnologia disruptiva facilmente, como Edge Computing, IoT, Machine Learning, entre outras,” diz Marcos José.

O conceito de Edge Computing tem agregado valor aos equipamentos existentes, e possibilitam melhor rendimento das máquinas e equipamentos, também é possível inserir estes equipamentos nos novos conceitos, que proporcionem a integração a sistemas inteligentes, ou que permitam uma ampliação dos conceitos de predição de falhas e prescrição de atividades de manutenção.

Gustavo Nihei lembra que, em algum nível, as novas tecnologias, hoje consideradas disruptivas, contam com a contribuição de sistemas embarcados: carros conectados em cidades inteligentes, assistentes de voz para automação residencial, câmeras inteligentes para aplicações de realidade aumentada são alguns exemplos. “No âmbito da Indústria 4.0, o grande desafio enfrentado pela indústria é a modernização da infraestrutura de sistemas produtivos legados. É necessário que essa transição seja realizada de forma gradual, e o ponto chave é a adição de conectividade à infraestrutura, possibilitando o compartilhamento de dados e, consequentemente, contribuindo para a modernização da gestão dos sistemas produtivos. A grande variedade de redes de comunicação sem fio, somada ao advento de redes neurais artificiais em sistemas embarcados, é um fator catalisador para a transição de sistemas produtivos legados à Indústria 4.0”.

Algumas empresas já se apresentam para automatizar equipamentos no chão-de-fábrica, usando sistemas embarcados inteligentes e de alta complexidade. Novas tecnologias disruptivas, trazidas pela Indústria 4.0, como Internet das Coisas (IoT), Inteligência artificial, processamento digital de sinais, algoritmos de controle e armazenamento, conectividade, cibersegurança, computação em nuvem, M2M, biometria, CFTV, dentre outras tecnologias, já podem ser observadas no portfólio de empresas que oferecem estes sistemas.

“Todo este movimento aproxima os dispositivos – agora mais inteligentes – dos conceitos de Big Data e da possibilidade de aplicação de algoritmos inteligentes com Inteligência Artificial (IA), já que estão conectados pela IoT. Entendo que, como nós humanos estamos sempre nos aprimorando, os dispositivos também, por meio da computação de borda/ tecnologias embarcadas, terão possibilidade de oferecer maior disponibilidade operacional, e de tomarem sugestões de decisões mais inteligentes”, comenta Ronaldo Ribeiro.

O time da FCA Latam (Fiat Chrysler Automobiles) esteve diretamente envolvido no desenvolvimento de soluções globais, dedicadas a melhorar a experiência dos clientes, e um dos resultados mais recentes desse excelente trabalho é a nova central multimídia UConnect, a primeira no mercado brasileiro a oferecer conexão sem fio para Apple Carplay e Android Auto, além de conectar dois celulares simultaneamente, via Bluetooth. Esta inovação feita no Brasil será aplicada em todos os veículos da FCA globalmente, em diferentes marcas do grupo. O trabalho integrado dos talentos nas áreas de Produto, Engenharia, Qualidade, Design, Análise Competitiva, Pesquisa de Mercado e User Experience, Compras e fornecedores estratégicos, foi fundamental para que a empresa entendesse o comportamento do cliente, e oferecesse tecnologias para ganhar o mundo.

Toda essa expertise e conhecimento não surgiram do nada: o Polo Automotivo Fiat, localizado em Betim (MG), completa 44 anos de atividades no Brasil, já produziu 15,9 milhões de veículos, e passou por muitas transformações, com incorporação de novas tecnologias, para otimizar os processos de desenvolvimento de novos produtos e capacidade de adaptação.

E o Centro de Pesquisa & Desenvolvimento da FCA é capilarizado geograficamente, e conta com mais de 50 laboratórios instalados nas plantas de Betim e Pernambuco, no Brasil, além de Córdoba, na Argentina. O time Latam tem 100% de autonomia na América Latina para o desenvolvimento de novos veículos, com grande nível de qualidade e excelência. As tecnologias utilizadas estão alinhadas com as melhores práticas globais, e vêm possibilitando, não somente o desenvolvimento de produtos de classe mundial, mas de pessoas, também.

O carro nasce inicialmente no ambiente digital: no Virtual Center, as ferramentas de Realidade Virtual (VA) e Realidade Aumentada (AR) possibilitam que as equipes proponham e compartilhem modificações com os parceiros de trabalho com mais agilidade, viabilizando novas experimentações, até alcançar a excelência. Somente após as complexas análises em 3D e 4D, e as certificações digitais, são construídos os primeiros modelos físicos para testes. Os primeiros testes físicos acontecem nos mais diversos Laboratórios de Experimentação, com o objetivo de certificar sistemas e componentes, desenvolvidos durante a fase virtual – a estrutura da FCA é a mais completa da América Latina, com laboratórios de compatibilidade eletromagnética, eletroacústica, fotometria, câmara climática, entre tantos outros. Daí, o veículo segue para as pistas de teste, com avaliações em ambiente controlado, para certificação do veículo completo – tudo dentro do Centro de P&D.

O combate ao Covid-19 exigiu transformações no Polo Automotivo Fiat, que se adaptou para tornar segura a jornada para todos os colaboradores, e para se tornar centro de referência na manutenção de respiradores pulmonares, fora de operação nas unidades de Saúde, e ainda converteu impressoras 3D para produção de protetores faciais plásticos, os chamados face shields, utilizados pelos profissionais da saúde que estão na linha de frente no combate à pandemia.