aplicaÇÃo do conceito de cyber-physical systems...
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APLICAÇÃO DO CONCEITO DE
CYBER-PHYSICAL SYSTEMS EM
MANUFACTURING EXECUTION
SYSTEM
Enzo Morosini Frazzon (UFSC)
Lucas de Souza Silva (UFSC)
Paula Andrea Hurtado (UFSC)
Helen Fernandes Borges (UFSC)
O crescente desenvolvimento de tecnologias de gerenciamento e
controle da informação nos processos de manufatura tem-se mostrado
ferramentas potenciais para o surgimento de cadeias de suprimento
mais adaptáveis. No entanto, o planejamento, controle e
gerenciamento de sistemas distribuídos mediante ao suporte de Cyber-
physical Systems (CPS) são um desafio a ser resolvido, uma vez que se
verifica a necessidade da integração e sincronização das informações
ao longo da cadeia. Este artigo propõe um modelo conceitual
desenvolvido a partir de uma empresa Alfa - usada como estudo de
caso único - com sedes no Brasil e em outros dois países, em processo
de implementação do MES (Manufacturing Execution System), um
sistema de informação usado para visualizar dados e status do sistema
produtivo global. Constatou-se, em um primeiro país, que a
implementação atinge 3% da planta atual enquanto este índice chega a
20% na sede de um segundo país. A empresa projeta a implementação
na planta do Brasil, mas se depara com a quebra do fluxo de
informações na manutenção preventiva de máquinas como principal
barreira.
Palavras-chave: Cyber-Physical Systems, Manufacturing Execution
Systems, Job Shop, Planejamento
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1. Introdução
A aplicação de novas tecnologias de informação, comunicação, sensoramento, captura e
análise de dados, bem como o uso adequado dos resultados que essas informações geram
podem contribuir para o surgimento de cadeias de suprimentos mais adaptáveis. Para
consolidar esse potencial faz-se necessário a concatenação de todas as tecnologias envolvidas
na cadeia, bem como métodos de planejamento e controle, e aprimoramento da interação
homem-máquina. Na verdade, a disponibilidade de informação adequada no local, hora e
formato é fundamental para a tomada de decisão com objetivo de melhorar a eficiência dos
processos de produção distribuídos fisicamente.
O planejamento, controle e gerenciamento de sistemas distribuídos, tais como uma cadeia de
suprimentos, com o apoio de tecnologias forncedidas por Cyber-physical Systems (CPS)
torna-se um desafio interessante a ser alcançado, do ponto de vista teórico e prático. Tais
sistemas necessitam uma integração que permite a sincronização e coordenação das atividades
realizadas por diversos componentes da cadeia, promovendo desta maneira uma adaptação
rápida e inteligente em relação a pertubações internas e externas.
Um CPS combina as capacidades dos sistemas embarcados e a capacidade comunicação
através de uma ampla gama de tecnologias. Essa adaptação possibilita a aplicação de sistemas
ciberfísicos, por exemplo, em sistemas de produção, transporte e logística. CPS compreende a
integração de tecnologias de processamento, informação e comunicação; bem como de
tecnologias de processamento com métodos de planejamento e controle inteligentes. Em
particular, CPS combinam os aspectos cibernéticos de processamento e comunicação com os
aspectos dinâmicos e materiais de sistemas físicos (RAJKUMAR, 2012). A capacidade de
estar atento ao ambiente, por exemplo, seu contexto, é um dos fundamentos dos sistemas
ciberfísicos (KANNENGIESSER e MÜLLER, 2013). Para este propósito, adquirir dados
objetivos acerca do ambiente no qual o sistema está inserido, através do uso de sensores, já é
parte integrante do conceito e da implantação de sistemas ciberfísicos.
Somado a estes conceitos, inclui-se o fato de que sistemas de manufatura hoje em dia são
constantemente desafiados por rápidas mudanças nos ambientes que os envolvem. As
empresas industriais necessitam implementar políticas de controle e adaptar seu sistema de
fabricação de modo a maximizar a produção, considerando como questão principal a
responsabilidade para com o cliente (MCFARLANE et al., 2003). Frente a este ambiente de
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constantes mudanças, os sistemas de produção são submetidos não só a pequenas mudanças
imediatas, mas necessitam possuir a capacidade de co-evoluir por meio de significativas
transformações. Desta forma, características como reação, adaptação e flexibilidade de
produção tornam-se requisitos obrigatórios na cadeia de suprimentos, forçando a
implementação e reavaliação, dos atuais, Manufacturing Execution Systems (MES) em nível
de chão de fábrica. Em termos gerais, um sistema MES deve apresentar dados relativos aos
processos em curso no chão de fábrica, bem como sobre o estado das ordens de produção em
andamento e recursos de produção disponíveis.
O presente artigo tem o objetivo de propor um modelo conceitual para a implementação do
conceito de Cyber-Physical Systems em Manufacturing Execution System. O modelo
conceitual possui a finalidade de listar variáveis chaves e identificar suas inter-relações. Na
sequência, a avaliação da aderência do referido modelo às práticas empresariais será
operacionalizada através da descrição detalhada de um estudo de caso.
O artigo inicialmente abordará uma fundamentação teórica sobre os temas Cyber-physical
Systems, Manufacturing Execution Systems e Job Shop. Na sequência será descrito a
metodologia adotada na pesquisa, seguido da apresentação do Modelo Conceitual, a avaliação
de sua aderência com a prática empresarial e, por fim, considerações finais.
2. Fundamentação teórica
Esta seção apresentará a fundamentação teórica do presente estudo, a qual é resultado de uma
extensa revisão de literatura dos seguintes temas de pesquisa e suas interfaces: Cyber-physical
Systems; Manufacturing Executions Systems; Job Shop.
2.1 Cyber-physical systems
Cyber-physical Systems integram a dinâmica de processos físicos, com softwares e
ferramentas de comunicação, fornecendo assim, técnicas de design e análise de dados numa
escala integrada. A dinâmica entre computadores, redes e sistemas físicos, interage de forma a
exigir novas tecnologias. Zhong et al. (2011) menciona que estas tecnologias dependem
principalmente de sistemas embarcados e de comunicação, permitindo, desta maneira, que o
software esteja presente em dispositivos cujo princípio não é somente computacional, como
por exemplo, carros, dispositivos médicos, instrumentos científicos e sistemas inteligentes de
transporte.
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Numa perspectiva técnica, a disponibilidade de um Cyber-physical System permitem o
compartilhamento de processos em sistemas autônomos e modulares, capazes de se
comunicar, reconhecer o contexto no qual estão e de tomar decisões. A estrutura genérica de
um CPS é constituída por um sistema embarcado, uma interface homem-máquina e uma
conexão a outros sistemas. Desta forma, esta tecnologia procura combinar aspectos
cibernéticos de processamento e comunicação com os aspectos dinâmicos de sistemas físicos
(RAJKUMAR, 2012).
Em geral, Cyber-physical Systems possuem o potencial para atuar de forma autônoma,
formando um sistema heterogêneo. A interface de comunicação entre o CPS e o homem
requer intensos esforços em pesquisa científica, de modo a prover a total compreensão sobre o
uso de tecnologias de informação e comunicação, incluindo sensores e atuadores na relação
“homem-máquina”, bem como as formas e métodos para lidar e interpretar com dados.
Baseado-se na literatura, de acordo com Hans et al. (2008), a coleta e uso de grandes
quantidades de dados em cadeias de suprimentos é possível através de sistemas e
combinações padronizadas. CPS, portanto, permitem uma nova dimensão para a total
transparência do fluxo de materiais na cadeia de suprimentos. Assim, a tecnologia CPS
possibilita, por exemplo, que produtos sejam rastreados, garantindo segurança à todos os
elementos da cadeia, acesso a uma plataforma de comunicação de dados, facilitando
conhecimento sobre a demanda, estoque, e vendas, ferramentas sensoriais para a predição de
eventuais anomalias durante a produção, entre outros fatores.
Em relação ao hardware necessário para disponibilizar abordagens mais aprofundadas em
CPS, podemos mencionar aplicações de novas tecnologias de comunicação e de sistemas
distribuídos de informação e posicionamento. Em paralelo, a adoção destas tecnologias e a
implementação de novas abordagens para programação e controle, influencia de forma
positiva na competitividade das organizações industriais e de serviços. Dentro dessas novas
perspectivas tecnológicas é interessante destacarmos o conceito de Big Data. Múltiplas
definições de Big Data vêm sendo apresentadas, fazendo referência ao armazenamento e
análise de dados, considerando alta velocidade e/ou complexidade e técnicas de
processamento (KHOURI, 2014). Somado aos benefícios da aplicação de CPSs, a análise e
manipulação correta de grande volume de dados possibilita, portanto, avanços significativos
em setores como Gestão de Estoque, Gestão de Transportes, Gestão de Relacionamento com o
Cliente e Fornecedor, entre outros.
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2.2 Manufacturing execution systems
Antes de discutirmos o conceito e as aplicações de Manufacturing Execution Systems (MES),
faz-se necessário a explanação sobre algumas tecnologias e métodos atrelados ao assunto. Na
dimensão estratégica da empresa podemos situar as chamadas soluções em Enterprise
Resource Planning (ERP).
ERPs podem ser definidos como um sistema de informação que integra todos os dados e
processos de uma organização. Essa integração pode ser vista sob a perspectiva funcional
(sistemas de finanças, contabilidade, recursos humanos, marketing, vendas, compras, etc) e
sob a perspectiva sistêmica (sistema de processamento de transações, sistemas de informações
gerenciais, sistemas de apoio a decisão, etc).
A cadeia de suprimentos associada à ERPs permite um alto nível de integração, melhorando a
comunicação dentro de redes comerciais internas e externas e aprimorando o processo de
tomada de decisão. No entanto, pouco mudou desde a década de 1970 em termos de lógica
associada a aplicações como previsão, lógica de reabastecimento, programação de produção,
etc. Os sistemas atuais apenas diferenciam por executar essa lógica de maneira mais rápida e
em tempo real, porém o método em geral ainda continua o mesmo (JACOBS; WESTON,
2007).
Particularmente na indústria de manufatura, as soluções atuais em ERPs parecem insuficientes
em termos de suportar diversas plantas, múltiplos fornecedores e funções, tais como a falta de
controle de estoque, planejamento de gestão e processamento de ordem de produção.
Portanto, para gerenciar as fábricas, Manufacturing Execution Systems são projetados para
executar funções como controle de produção, maximização da carga de trabalho de
determinado equipamento, identificação de máquinas e ferramentas desnecessárias, entre
outros fatores.
A utilização de tecnologias da informação impactou a vida humana ao longo da história em
vários aspectos e a indústria não seria uma exceção. No início da decáda de 1980
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computadores e softwares começaram a ser capazes de coletar dados a partir de diferentes
processos. Mais tarde, fora possível, portanto, o apoio ao planejamento de produção e garantia
de qualidade com estes dados informatizados. Desta maneira, as informações
interrelacionadas permitiam, por exemplo, uma execução da manufatura muito mais eficiente
nas fábricas. O conceito de Manufacturing Execution Systems (MES) acompanhou essa
ascenção. Nesse sentido, podemos definir MES como um pacote de softwares usado para
gerenciar o controle de materiais no chão de fábrica, mão de obra e capacidades de máquinas,
controlar e rastrear componentes e ordens, gerenciar inventários, otimizar atividades
produtivas, etc. Atualmente, algumas das maiores soluções ERPs têm incorporado as
capacidades do MES para oferecer estas funcionalidades especializadas de modo a preencher
lacunas das tradições soluções (CROWLEY, 2009).
MES destinam-se a fornecer uma visão de toda a planta no processo de produção, informando
sobre o estado da produção, o desempenho da produção, emergências e alocação de produção
e custos de produtos. Desta maneira, MESs podem aprimorar o planejamento e alocação de
recursos na organização, permitindo supervisionar a execução do processo e
consequentemente possibilitando a identificação e reação rápida à anomalias. Rastreamento
de produtos, atuando como o núcleo de um sistema MES, tem como principal objetivo
acompanhar e supervisionar o processo de fabricação. Sendo assim, com base em ordens
gerenciais de produção ou de sistemas ERP, as informações de feedback em baixo nível,
como Controle de Supervisão e Sistemas de Aquisição de Dados (SCADA), servem não só
para conhecer o estado atual da produção e dos produtos, mas também para reconhecer
estados anormais, desviantes ou críticos do processo de produção (FÜRICHT et al., 2002).
A organização internacional Manufacturing Enterprise Solutions Association (MESA)
identifica áreas funcionais em que um sistema MES deve atuar. Tais áreas serão explicadas
juntamente com a elaboração do Modelo Conceitual.
2.3 Job shop
Um Job Shop, ou chão de fábrica, é a uma organização da manufatura que consiste no
agrupamento das máquinas baseado nas operações que elas executam para o tratamento de
sistemas produtivos que envolvam uma grande variação de um mix de produtos em pequenos
lotes (CHRYSSOLOURIS, 2006). Um job pode ser definido por um certo tamanho de lote de
um produto específico a ser feito (STOCK; SELIGER, 2015), sendo que este lote está
relacionado com os pedidos do consumidor.
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As manufaturas em Job Shop podem se tornar voláteis com o aumento da variabilidade de
produção, o que demanda cada vez mais combinações de ordens de processos. Logo, ainda
que os tempos de operação de cada máquina ou célula produtiva sejam conhecidos com
precisão, conforme aumentamos a variabilidade dos jobs, torna-se cada vez mais complexo
prever a taxa instantânea de ocupação de cada elemento produtivo do shop floor.
Para evitar imprevistos, Stock e Seliger (2015) sugerem a ideia de Shop Floor Scheduling
(SFS), uma programação em flow shop, como parte do Planejamento e Controle da Produção
(PCP), a fim de encontrar um algoritmo que garanta que todas as tarefas são atribuídas aos
equipamentos de fabricação em uma dada sequência em que as durações dos processos
estejam relacionadas. Já Apostu et al. (2014) abordam uma previsão de indicadores críticos
para manutenção preventiva do Job Shop, obtidos por meio de programação sobre uma
conceitualização e modelagem do sistema produtivo tratado, respectivamente.
3. Metodologia
O estudo de caso é um trabalho de caráter empírico que investiga um dado fenômeno dentro
de um contexto real contemporâneo por meio de análise aprofundada de um ou mais objetos
(casos). Para a condução de um estudo de caso existem 6 etapas principais, sendo elas: A
definição de uma estrutura conceitual-teórica, planejamento do caso, condução do teste piloto,
coleta de dados, análise dos dados e geração de relatórios. O resultado do presente estudo será
a validação do teste piloto.
Tal estudo possui a finalidade de construir e fomentar uma discussão a cerca de variáveis
chave, suas relações e motivos de existência, no contexto abordado. Posteriormente, é
realizado a validação do Modelo Conceitual proposto em um estudo empresarial, que ao
mesmo tempo será o teste piloto para futuras pesquisas nesta direção.
Este estudo de caso pode ser classificado ainda como longitudinal, pois estuda uma realidade
presente e futura.
4. Modelo conceitual e sua validação
Nesta seção será proposto um modelo conceitual para a aplicação do conceito de Cyber-
physical Systems através do Manufacturing Execution Systems no chão de fábrica (Job Shop).
Posteriormente será realizada a validação deste modelo no cenário de uma empresa Alfa,
como caso único, que ao mesmo tempo será o teste piloto para futuras pesquisas.
4.1 Modelo conceitual
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No desenvolvimento do Modelo Conceitual fora idealizado um chão de fábrica genérico com i
níveis e j atividades, como observado na Figura 1.
Figura 1 – Modelo conceitual do Manufacturing Execution Systems com i níveis e j atividades
Fonte: Elaborado pelos autores, 2015
As atividades foram clasificadas de acordo com a natureza da execução das mesmas e com a
forma como são capturados os dados. A atividade “A” é executada exclusivamente de forma
manual e também reporta as informações de manualmente. É o caso, por exemplo, de uma
oficina de costura, onde diversos operários, confeccionando roupas, possuem um supervisor
tomando anotações que posteriormente alimentará o sistema de informações, caso ele exista.
A atividade “B” é executada de forma manual, mas conta com tecnologias e sistemas que
fornecem os dados de forma automática. Voltando ao caso da oficina de costura, seria, por
exemplo, ferramentas para registrar horas de entrada e saída de funcionários, sensores
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registrando o peso das peças que cada operário confeccionou, etc. Posteriormente, tais dados
seriam armazenandos em um determinado sistema. A atividade “C” é executada de forma
mista: uma máquina ou tecnologia operada por humanos cujas informações são capturadas e
registradas de forma manual no sistema. A atividade “D” também pode ser considerada mista:
uma máquina ou tecnologia operada por um humano cujas informações são capturadas e
registradas atrabés do uso de outras tecnologias. A atividade “E”, por sua vez, é caracterizada
por ser uma máquina autônoma, fazendo registros manualmente, como por exemplo máquinas
que realizam atividades que são facilmente verificáveis, onde um investimento para
sensoramento e coleta de resultados se torna injustificado. Finalmente, a atividade “F” é
representada por uma máquina autônoma com captura online de dados. O resumo dessas
atividades pode ser encontrado na Tabela 1, abaixo.
Tabela 1 – Identificação, natureza e classificação da captura de dados das diferentes
atividades
Fonte: Elaborado pelos autores, 2015
As atividades em uma linha de produção no chão de fábrica podem estar organizadas de
múltiplas formas, conectando diferentes tipos de atividades. Basicamente, isto irá variar de
acordo com o produto, processo produtivo, estratégia e capacidade de investimento da
empresa. Idealmente, ao implementar o sistema MES no chão de fábrica apresentado
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anteriormente, um único sistema de armazenamento irá capturar e salvar as informações de
cada atividade, permitindo posteriormente a geração de relatórios para as seguintes áreas,
também mencionadas pela organização internacional MESA: Planejamento detalhado das
atividades, Gestão de pessoal, Avaliação de recursos e seus respectivos estados, Gestão de
manutenção, Gestão de processos, Gestão da qualidade, Despacho de unidades de produção,
Controle de documentos, e indicadores para análises de desempenho.
O Planejamento detalhado das atividades possibilita a sequenciação de tarefas com base em
prioridades, atributos e características. A Gestão de pessoal, por sua vez, atua permitindo o
gerenciamento de tempo e frequência do trabalho dos funcionários, criação de relatórios,
acompanhamento de certificações, rastreamento de atividades indiretas, etc., interagindo
diretamente com a alocação de recursos de modo a determinar as atribuições ideais para as
operações. A avaliação de recursos e produtos, assim como seus respectivos estados, deve
garantir que todos os elementos envolvidos no processo de manufatura, incluindo máquinas,
habilidades e ferramentas de trabalho, materiais e documentos, estejam disponíveis para cada
operação, assegurando uma prévia configuração para estes equipamentos utilizados no
processamento e fornecimento de informações ao sistema. Da mesma forma, o sistema deve
possibilitar a visibilidade da localização do produto (em processo ou finalizado) em
determinado momento, incluindo dados como qual operador está realizando a atividade,
componentes e materias sendo utilizados, lote, números de série, condições atuais de
produção, alarmes em geral, exceções relacionadas ao protudo, entre outros fatores.
A Gestão de manutenção tem a finalidade de controlar e manter os equipamentos de tal
maneira que estejam sempre disponíveis na manufatura, além de garantir o agendamento das
manutenções periódicas/preventivas, bem como a emissão de respostas rápidas à problemas
imediatos. A Gestão de processos tem como função o monitoramento da produção de modo a
corrigir ou prestar apoio às atividades em processo. Por sua vez, a Gestão da qualidade
trabalha com medições coletadas a partir da manufatura com o objetivo de assegurar um
controle de qualidade adequado, identificando problemas que requerem atenção.
O Despacho de unidades de produção permite o gerenciamento do fluxo de unidades de
produção em forma de lotes, encomendas, etc. O Controle de documentos atua possibilitando
o controle de fichas e formulários que devem ser mantidos com a unidade de produção,
incluindo instruções de trabalho, receitas, desenhos, procedimentos de operação padrão,
registros de lotes, entre outros. Por fim, os Indicadores para análises de desempenho devem
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fornecer relatórios com os resultados das operações na fábrica, comparando-os com um
histórico e com o objetivo a ser almejado.
O próximo nível é ainda mais desafiador: que as informações sejam aproveitadas
adequadamente. Um Cyber-physical System deve ser capaz de manter em harmonia o meio
físico e cibernético (digital). Isto implica em tanto os humanos que fazem parte do sistema,
assim como aqueles que interagem com ele, devem compreender como este funciona,
principalmente no que diz respeito as suas vantagens. No cenário empresarial, essa interação
entre as informações obtidas no MES e as áreas vizinhas ainda possui algumas barreiras
provenientes sistemas intermediários responsáveis pela apuração de resultados. No entanto, as
vantagens em capacidade de lidar com a incerteza representan uma grande oportunidade para
as organizações e isto justifica os esforços que sejam necessários.
5. Validação do modelo
A empresa Alfa é uma empresa brasileira, com operações no Brasil e em outros dois países,
possuindo como principal atividade a manufatura de produtos intermediários, que serão
posteriormente utilizados na produção de um produto final de outra empresa. Mediante uma
entrevista, foram reconhecidos alguns aspectos importantes na implatação do MES, a qual há
cinco anos foi inicializada nesta organização.
Dados fornecidos pela empresa, informam que a implementação só foi realizada parcialmente
nas plantas de manufatura nos outros dois países em que a organização possui atividades. No
primeiro país, a implementação atinge atualmente 3% de toda a planta. Em contra partida, no
segundo país, o MES atinge cerca de 20% da planta. As principais tecnologias empregadas
são: Controladores Lógicos Programáveis, Servidores de ethernet, Coleta em Webservice e
software de MES tercerizado.
Uma questão importante surge em torno da necessidade de flexibilidade da configuração da
planta de esta empresa, pois Cyber-physical Systems devem ser altamente flexíveis na sua
configuração, e neste sentido, outras tecnologias,como dispositivos de micro webservices em
cada operação seriam mais adequados.
Atualmente a empresa planeja uma implementação piloto no Brasil. Neste sentido, a principal
recomendação é a confecção de um sistema que realize tarefas de “cima para baixo”, em
outras palavras, que o sistema dê ordens para determinada máquina. Além disso, atualmente a
empresa identifica como principal dificuldade o fato das informações ainda não serem
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utilizadas para a manutenção preventiva das máquinas, bem como baixos resultados em
relação a divulgação interna dos resultados. De acordo com a empresa Alfa, é necessário que
outras áreas da organização entendam a interface do MES com o chão de fábrica, e deste
modo usufruam de todos os benefícios da implementação. Deste modo, a prioridade neste
teste piloto no Brasil vai em direção a estratégia da empresa. Como a organização possui
margem de lucro baixa por produto, a produção deve ser realizada em massa e livre de erros,
com o fim de garantir a lucratividade.
A empresa Alfa ainda possui um grande caminho a percorrer em direção as tecnologias
provenientes do Cyber-physical Systems, pois um dos elementos principais ainda é
desconsiderado: o aspecto social na relação homem-máquina. Embora o estado atual da
implementação permita a obtenção de informações e tomada decisões sobre índices de
produtividade, e no caso do segundo país na gestão da qualidade, as outras funções do MES
estão sendo subaproveitadas, e consequentemente uma interface cibernética possibilitando
uma nova dimensão para a total transparência do fluxo de materiais na cadeia e o
gerenciamento de grandes volumes de dados, é limitada.
Uma vez que o sistema funcione em direção ao chão de fábrica para a gestão efetiva, a função
reversa será o passo a seguir. Contudo, com a compreensão das necesidades e condiçoes
internas, conseguir programar o sistema para dar respostas alinhadas neste sentido é um
desafio menor.
6. Considerações finais
Cyber-physical Systems são considerados a próxima evolução na concepção de processos de
produção e de transportes nas cadeias de suprimento. Através do uso de CPS em redes locais e
globais de comunicação, uma fronteira na interação entre sistemas físicos e cibernéticos é
cruzada. Com a combinação de objetos físicos à inteligência cibernética, os CPS passam a
também serem interessantes para as áreas de pesquisa associadas à engenharia de produção e
transportes, e apresentarem potencial relevante para melhorias da eficiência, sustentabilidade
e escalabilidade de sistemas produtivos e logísticos.
Dada as funções que um Manufacturing Execution Systems fornece a uma organização a nível
de chão de fábrica, o caminho para a integração com tecnologias de CPS, apesar de
trabalhoso, resulta em uma nova dimensão para a total transparência do fluxo de materiais na
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cadeia de suprimentos, possibilitando uma visão integrada de toda a planta fabril no que diz
respeito aos processos de produção.
Para trabalhos futuros sugere-se a simulação em softwares especializados de um chão de
fábrica, alinhado com dados fornecidos pelo MES e novas tecnologias CPS.
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