Yokogawa e DOCOMO realizam com sucesso o teste da tecnologia de controle remoto usando 5G, nuvem e IA

Tóquio, Japão - 30 de maio de 2022

Yokogawa Electric Corporation
NTT DOCOMO INC.

Yokogawa Electric Corporation (TOKYO: 6841) e a NTT DOCOMO, INC. (DOCOMO) anunciaram hoje que realizaram um teste de prova de conceito (PoC) de uma tecnologia de controle remoto para processamento industrial. O teste de PoC envolveu o uso em um ambiente de nuvem de uma IA de controle autônomo, o algoritmo Factorial Kernel Dynamic Policy Programming (FKDPP^)*1 desenvolvido pela Yokogawa e pelo Instituto de Ciência e Tecnologia de Nara, e uma rede de comunicações móveis de quinta geração (5G) fornecida pela DOCOMO. O teste, que controlou com sucesso uma operação de processamento de planta simulada, demonstrou que o 5G é adequado para o controle remoto de processos reais da planta.

A tendência de localizar instalações de produção em áreas remotas e/ou perigosas nos últimos anos está alimentando uma demanda crescente por operações industriais remotas e transformando a forma como as pessoas trabalham. Enquanto isso, os equipamentos usados nas fábricas para purificar e refinar recursos e materiais para produtos essenciais podem se deteriorar após muitos anos de uso, de modo que a regulação e o controle remotos e autônomos seriam extremamente benéficos. Uma possível solução é instalar dispositivos de borda equipados para comunicações sem fio de alta velocidade nas fábricas e empregar IA de controle autônomo baseado em nuvem para controlar o equipamento dinamicamente. O site Yokogawa já provou que seu algoritmo FKDPP é uma solução de IA de controle autônomo viável. Em um teste de campo em uma ^fábrica de produtos químicos*2 em fevereiro passado, durante 35 dias o FKDPP controlou com sucesso processos conhecidos por serem difíceis de automatizar usando as tecnologias de controle ^PID*3e​ ​^APC*4 existentes e que, portanto, eram executados manualmente. A combinação do FKDPP e da nuvem com o 5G, que oferece baixa latência e a capacidade de conectar um grande número de dispositivos, promete ser uma tecnologia essencial para alcançar a autonomia industrial.

PoC overview
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Após um acordo entre Yokogawa e DOCOMO anunciado em 14 de abril de 2021, o teste de demonstração foi realizado para verificar se um sistema de controle de três nível do tanque ^*5poderia ser controlado usando FKDPP na nuvem por meio de uma rede 5G. Um nível de água alvo foi definido, testes com ciclos de controle de baixa a alta velocidade foram realizados e os efeitos da latência das comunicações móveis no controle do FKDPP foram confirmados. Em comparação com o 4G, o teste demonstrou que, especialmente com o controle de alta velocidade, o 5G oferece 1) menor latência, 2) menos ultrapassagem em relação ao nível de água desejado e 3) é capaz de lidar com um ciclo de controle tão curto quanto 0,2 segundos, obtendo assim um melhor controle para uma qualidade mais estável e maior eficiência energética.

Envisioned future application of 5G, cloud, and AI for industrial autonomy
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Yokogawa A DOCOMO Inc., que vem defendendo o conceito de automação industrial para autonomia industrial (IA2IA) desde 2019, tem como objetivo aplicar a tecnologia 5G para controle remoto de plantas. Em colaboração com a DOCOMO e os clientes, ela continuará realizando iniciativas avançadas destinadas a facilitar a mudança para a autonomia industrial.

A DOCOMO continua aprimorando e evoluindo suas tecnologias de rede, criando redes avançadas adaptadas às necessidades de clientes específicos e desenvolvendo soluções 5G para diversos fins públicos e privados.

Tanto a Yokogawa quanto a DOCOMO, como membros da 5G Alliance for Connected Indústrias and Automation (5G-ACIA), que está buscando aplicações industriais para o 5G, continuarão a avaliar o uso do 5G para operações remotas e autônomas de plantas. Ao realizar demonstrações em uma ampla gama de fábricas de clientes e examinar a confiabilidade das comunicações e os problemas relacionados à latência durante o uso a longo prazo, as empresas se esforçarão para obter o controle autônomo habilitado para 5G e IA. A 5G-ACIA apresentará os resultados desse teste de demonstração na Hannover Messe ^2022*6, entre 30 de maio e 2 de junho.

Comentários das empresas

Kenji Hasegawa, vice-presidente e diretor da sede de produtos Yokogawa em Yokogawa Electric Corporation:
"Nossa IA de controle autônomo pode ser usada não apenas no setor de processos, mas também em determinados processos de automação de fábrica, como processos de aquecimento. Ela pode ser usada em áreas em que as tecnologias de controle existentes não podem ser aplicadas, pode atingir tempos de estabilização mais curtos em comparação com as tecnologias existentes e evitar a ultrapassagem. Em geral, os benefícios tangíveis incluem maior produtividade e contribuição para uma sociedade mais sustentável. Ao vincular informações sobre produção, estoque, demanda e outros assuntos com a IA de controle autônomo baseada em nuvem, será possível alinhar as diretrizes de gerenciamento com o controle real das operações no chão de fábrica. Embora as comunicações sem fio tenham sido usadas em fábricas, essa inovação usa 5G para IA de controle autônomo baseado em nuvem. Ao realizar essa iniciativa de ponta em colaboração com a DOCOMO e nossos clientes, lideraremos a mudança para a autonomia industrial."

Hisakazu Tsuboya, vice-presidente sênior e gerente geral do departamento de negócios 5G e IoT da NTT DOCOMO:
"A DOCOMO está ajudando a transformar o setor industrial com tecnologias de ponta e diversas soluções móveis. A demonstração mostrou que as comunicações 5G de baixa latência ajudam a melhorar a precisão das operações de controle remoto nas fábricas, o que deve contribuir significativamente para a produtividade sustentável do processamento e de outros tipos de fabricação. A DOCOMO, juntamente com Yokogawa e parceiros, continuará a desenvolver o 5G e outros ambientes de comunicação móvel para diversos locais de trabalho em indústrias de processamento, a fim de superar desafios e criar novos valores."

*1 The FKDPP AI algorithm, which uses reinforcement learning technology, can be applied to all kinds of control applications, including those that cannot be automated with existing control methods such as PID control or APC, to achieve conventionally challenging simultaneous goals, such as high quality and energy efficiency (see attachment for details).
*2 See press release (In a World First, Yokogawa and JSR Use AI to Autonomously Control a Chemical Plant for 35 Consecutive Days: https://www.yokogawa.com/news/press-releases/2022/2022-03-22/)
*3 Proportional-Integral-Derivative control, first proposed by Nicolas Minorsky in 1922, is an infrastructure-control technology for processing industries that is used to control items such as quantity, temperature, level, pressure, and ingredients. It implements control aimed at target values based on P, I and D calculations according to deviations between current and set values. In some cases, due to the characteristics of the mathematical expression, a value might exceed (overshoot) the set value or take time to settle to avoid overshoot.
*4 Advanced Process Control uses a mathematical model to predict process responses and supply set values to the PID control loop in real time in order to improve productivity, quality, and controllability. It is easily applied for control to increase production, reduce labor time, and save energy. APC results in smaller deviations in data, making it possible to more closely approach the limits of operating performance (i.e., optimal performance), but it is not adept at responding to the rapid vaporization of fluids, similar chemical reactions, major changes in material composition, and changes in machinery.
*5 A three tank level control system that is used for training and experiments involving the regulation of water flow from one level to the next with the aim of controlling the water level at the lowest tank.
*6 One of the world's largest international manufacturing exhibitions, which attracted some 6,500 companies and 220,000 people in 2019. https://www.hannovermesse.de/en/

 

Sobre a Yokogawa

Yokogawa provides advanced solutions in the areas of measurement, control, and information to customers across a broad range of industries, including energy, chemicals, materials, pharmaceuticals, and food. Yokogawa addresses customer issues regarding the optimization of production, assets, and the supply chain with the effective application of digital technologies, enabling the transition to autonomous operations.
Founded in Tokyo in 1915, Yokogawa continues to work toward a sustainable society through its 17,500 employees in a global network of 119 companies spanning 61 countries.
For more information, visit www.yokogawa.com

Sobre a NTT DOCOMO

NTT DOCOMO, Japan's leading mobile operator with over 83 million subscriptions, is one of the world's foremost contributors to 3G, 4G and 5G mobile network technologies. Beyond core communications services, DOCOMO is challenging new frontiers in collaboration with a growing number of entities ("+d" partners), creating exciting and convenient value-added services that change the way people live and work. Under a medium-term plan toward 2020 and beyond, DOCOMO is pioneering a leading-edge 5G network to facilitate innovative services that will amaze and inspire customers beyond their expectations. https://www.docomo.ne.jp/english/

Os nomes de empresas, organizações, produtos, serviços e logotipos aqui contidos são marcas registradas ou marcas comerciais da Yokogawa Electric Corporation, NTT DOCOMO Inc. ou de seus respectivos proprietários.

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Visão Geral de PoC

1. Objetivo do teste PoC

O teste confirmou a gama de operações que podem ser controladas com uma IA de controle autônomo baseada em nuvem por meio de uma rede móvel 5G. O desempenho do controle usando comunicações 4G e 5G separadas foi comparado em termos de latência e taxa de transferência (quantidade de dados enviados e recebidos em um período fixo).

2. Detalhes

3. Funções de cada empresa

4. Resultados

Foi confirmado que, em comparação com o 4G, o 5G oferece (1) menor latência e (2) permite que as operações de controle sejam realizadas com menos ultrapassagem, especialmente ao usar o controle de alta velocidade. Também foi confirmado que (3) a operação é possível em um ciclo de controle tão curto quanto 0,2 segundo. De modo geral, o 5G pode obter um controle melhor e contribuir para uma qualidade mais estável e maior eficiência energética.

5. Sobre o controle autônomo AI (algoritmo FKDPP)

A IA usada nesse teste de demonstração foi o algoritmo Factorial Kernel Dynamic Policy Programming (FKDPP), desenvolvido em conjunto pelo site Yokogawa Electric Corporation e pelo Nara Institute of Science and Technology (NAIST) em 2018. Ele foi reconhecido pelo IEEE como sendo a primeira IA baseada em aprendizado por reforço do mundo que pode ser utilizada no gerenciamento de ^plantas*1.

O FKDPP oferece os seguintes benefícios principais:

• Pode ser usado para todos os tipos de controle, incluindo aplicações que não podem ser automatizadas com os métodos de controle existentes (controle PID ou APC), permitindo que os engenheiros atinjam metas complicadas que, convencionalmente, eram difíceis de alcançar simultaneamente, como alta qualidade e eficiência energética.
• Melhora a produtividade em termos de maior qualidade, melhor eficiência energética, maior rendimento e menor tempo de assentamento.
• Simples, porque exige menos aprendizado e não requer dados rotulados por carga.
• É relativamente fácil explicar como a IA funciona.
• Alcança o mesmo nível de segurança que os sistemas convencionais (muito robusto e pode ser integrado aos sistemas de controle de produção existentes).

Em abril de 2020, a Yokogawa usou um modelo de simulação*2 ^para confirmar que sua IA de controle autônomo tem o potencial de controlar uma planta inteira. No mesmo ano, em uma exposição na Measurement Exhibition 2020 OSAKA (organizada pela Associação de Fabricantes de Instrumentos de Medição Elétrica do Japão), a empresa demonstrou como essa IA pode controlar de forma autônoma um sistema de controle de três nível do tanque. Embora o sistema possa ser controlado com a tecnologia de controle PID convencional, foi demonstrado que o FKDPP pode reduzir o tempo de estabilização em 30% a 50% e, ao mesmo tempo, evitar o overshoot. Em fevereiro de 2022, a Yokogawa usou com sucesso a tecnologia para controlar uma fábrica de produtos químicos real por 35 dias consecutivos, o que é inédito no mundo.

*1 Factorial Kernel Dynamic Policy Programming for Vinyl Acetate Monomer Plant Model Control (August 2018) https://ieeexplore.ieee.org/document/8560593/ The Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) is an academic research group and technology standardization institution for electric engineering, headquartered in the United States with more than 400,000 members in more than 160 countries.
*2 Scalable Reinforcement Learning for Plant-wide Control of Vinyl Acetate Monomer Process, Control Engineering Practice, Volume 97 (April 2020) https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0967066120300186