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Descreve método AHPTRANSCRIPT
Dissertação apresentada à Pró-Reitoria de Pós-Graduação e Pesquisa do Instituto
Tecnológico de Aeronáutica, como parte dos requisitos para obtenção do título de
Mestre em Ciências no Programa de Pós-Graduação em Engenharia Aeronáutica e
Mecânica, Área de Sistemas Aeroespaciais e Mecatrônica.
Tales Gustavo Vieira
PROPOSTA DE UM MÉTODO PARA APLICAÇÃO DE
COMISSIONAMENTO VIRTUAL EM LINHA DE PRODUÇÃO
AUTOMATIZADA
Dissertação aprovada em sua versão final pelos abaixo assinados:
Anderson V. BorilleOrientador
Luiz Carlos Sandoval GóesPró-Reitor de Pós-Graduação e
Pesquisa
Campo Montenegro São José dos Campos, SP – Brasil
2014
Dados Internacionais de Catalogação-na-Publicação (CIP)Divisão de Informação e Documentação
Vieira, Tales GustavoProposta de método para aplicação de comissionamento virtual, inserido a rotina de simulação/ Tales
Gustavo Vieira. São José dos Campos, 2014.Número de folhas no formato 79f.
Dissertação de mestrado – Curso de Engenharia Aeronáutica e Mecânica. Área de Sistemas Aeroespaciais e Mecatrônica – Instituto Tecnológico de Aeronáutica, 2014. Orientador: PhD Anderson V. Borille.
1. Simulação a eventos discretos. 2. Simulação gráfica de robôs. 3. Comissionamento virtual. I. Comando-Geral de Tecnologia Aeroespacial. Instituto Tecnológico de Aeronáutica. Divisão de Engenharia Mecânica-Aeronáutica. II. Proposta de método para aplicação de comissionamento virtual, inserido a rotina de simulação.
REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA
Vieira, Tales G. Proposta de método para aplicação de comissionamento virtual, inserido a rotina de simulação. 2014. 79f. Dissertação de mestrado em Sistemas Aeroespaciais e Mecatrônica – Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos.
CESSÃO DE DIREITOS
NOME DO AUTOR: Tales Gustavo VieiraTÍTULO DO TRABALHO: Proposta de método para aplicação de comissionamento virtual, inserido a rotina de simulação.TIPO DO TRABALHO/ANO: Dissertação de Mestrado / 2014
É concedida ao Instituto Tecnológico de Aeronáutica permissão para reproduzir cópias desta tese e para emprestar ou vender cópias somente para propósitos acadêmicos e científicos. O autor reserva outros direitos de publicação e nenhuma parte desta tese pode ser reproduzida sem a sua autorização (do autor).
________________________________________Tales Gustavo VieiraPça Mal-do-Ar Eduardo Gomes, 50 - Vl. Acácias12228-900 - São José dos Campos - SP
PROPOSTA DE UM MÉTODO PARA APLICAÇÃO DE
COMISSIONAMENTO VIRTUAL EM LINHA DE PRODUÇÃO
AUTOMATIZADA
Tales Gustavo Vieira
Composição da Banca Examinadora:
Prof. Jefferson Gomes Presidente - ITAProf. Anderson V. Borille Orientador - ITAProf.ª Emilia Villani Membro interno – ITAProf. Cristiano Vansconcellos Ferreira Membro externo – UFSC
ITA
Dedico este trabalho a todos que apoiaram em meus estudos acadêmicos.
Agradecimentos
Aos meus pais, Jeferson e Salete, pelos seus esforços ao apoiarem minha educação e
principalmente pela paciência e amor sob todas as circunstâncias.
Ao meu irmão Igor Vieira, aos meus amigos e amigas Yasmim Guimarães, Bruno Trassati,
Guilherme Coracini, Leonardo Paes, Victor Gomes, Juliano Giordani e Rodrigo Portelinha, pela
amizade, carinho, e ajuda em circunstâncias bem inusitadas.
Ao Prof. Luis Gonzaga Trabasso, que transita fácil e naturalmente por diversas áreas da
engenharia, por compartilhar uma parte de seu conhecimento técnico, pela oportunidade oferecida e
pela confiança demonstrada.
Ao Prof. Jefferson Gomes, por me permitir integrar a equipe qualificada do CCM-ITA.
Agradeço pela significante contribuição no meu processo de formação profissional.
Aos meus colegas e amigos do CCM-ITA pela troca de conhecimentos e pelo ótimo ambiente
de trabalho.
Resumo
O sistema de controle é um componente essencial no ciclo de desenvolvimento de sistemas de
automação industrial, sendo a verificação do programa uma etapa essencial. A detecção de erros
ainda na fase de projeto é muito importante, pois o custo de correção na fase final de
desenvolvimento ou após a implementação do sistema é significativamente mais elevado do que nas
fases iniciais do projeto. As células de Manufatura atuais são constituídas de dispositivos
mecatrônicos de toda ordem como robôs e sistemas de movimentação controlados por um sistema
de controle, usualmente controladores lógicos programáveis (CLP). A maioria das empresas
depende de mais de um fornecedor para desenvolvimento de seus projetos e a concepção de uma
célula de produção. A falta de todos os componentes restringe os testes do sistema de controle para
a etapa final do projeto. Os testes para verificação e a validação de uma célula é o
comissionamento, é nessa fase onde é feito os últimos ajustes do programa de controle da
sequência. Uma alternativa para a validação do sistema de controle é o comissionamento virtual,
onde é possível desenvolver e testar o programa responsável pelo controle de linhas na fase do
planejamento, e assim diminuir o tempo de execução do projeto. O comissionamento virtual exige a
integração de diferentes tecnologias, a exemplo da programação de CLP (Controlador Lógico
Programável), comunicação de dispositivos com o protocolo OPC (OLE for Process Control), a
simulação de uma linha de produção, além do projeto de dispositivos e ferramentas que podem ser
elaborados por meio de aplicativos CAD (Computer Aided Design). O comissionamento virtual
pode avaliar o funcionamento completo de uma linha de montagem, tanto simulando processos em
ambiente digital, quanto testando equipamentos e ferramentas reais, integrados num sistema que
compartilha os sinais dos sensores e atuadores com a simulação no computador de forma a
apresentar os requisitos das tecnologias envolvidas.
Nesse cenário este trabalho apresenta uma proposta de um método para aplicação de
comissionamento virtual em linhas de produção automatizadas, ou seja, um passo a passo de
simulação utilizando o comissionamento virtual (CV) para a antecipação das etapas dos testes do
programa supervisório, com aplicação simultânea entre o sistema de controle e os componentes dos
modelos computacionais. Para isto, inicialmente, será apresentada uma revisão da literatura sobre
temas relativos à comissionamento virtual, na sequência a proposição do método e sua aplicação. E,
finalmente, as conclusões sobre o trabalho.
Abstract
The control system is an essential component in the development of industrial automation
cycle, and the verification program an essential step. The error detection still in the design phase is
very important because of the fact that the cost of correction in the final stage of development or
after deployment of the system is significantly higher than in the early stages the project.
Nowadays, manufacturing cells are consisted of mechatronic devices of all kinds, as robots and
handling systems controlled by a control system, usually programmable logic controller (PLC).
Most companies depends on more than one supplier for the project and conception of a production
cell, which results in a restriction of the tests on control system for the final stage of the project. The
final installation step of a cell is commissioning, and at this step the finals adjustments of the
sequence control program are made. An alternative for the control system validation is the virtual
commissioning, where is possible to develop and test the program responsible for the control lines
in the planning stage, and so reduce the project execution time. Virtual commissioning requires the
integration of different technologies, such as the PLC (Programmable Logic Controller) program,
communication devices with OPC (OLE for Process Control) protocol, the simulation of a
production line, besides the project of devices and tools that can be developed by CAD (Computer
Aided Design) applications. Virtual commissioning can evaluate the complete functioning of an
assembly line, simulating processes in the digital environment as much as testing real equipment
and tools integrated into a system that shares the signals of the sensors and act with computer
simulation, in order to present the requirements of the technologies involved.
In this scenario, this work presents an example of a method for virtual commissioning
applications in automated production lines, that is, step by step simulation using the virtual
commissioning (VC) for the anticipation of the steps of the supervisory program tests with
simultaneous application between the control system and the components of the computer models.
For this, initially, a review of literature on topics related to virtual commissioning, following the
proposition of the method and its application will be displayed. And finally, the conclusions on the
job.
Lista de Figuras
Figura 2.1 Sistema Integrados Fonte: (KLETI, 2007)........................................................................17
Figura 2.2 Comparativo do tempo de planejamento..........................................................................18
Figura 2.3 Manufatura digital inserida no ambiente PLM.................................................................19
Figura 2.4 Modelo de linha de manufatura em U. Fonte: (Gomes, 2010).........................................21
Figura 2.5 Principais atividades a serem cobertas pelos sistemas no ambiente de Manufatura Virtual
(Porto & Souza, 2002)........................................................................................................................22
Figura 2.6 Atividades básicas do Planejamento do Processo. Fonte: Halevi &Weill (1995)............23
Figura 2.7 Demonstração e validação ergométrica............................................................................24
Figura 2.8 Processo de melhoria continua. Fonte (GOMES, 2010)...................................................26
Figura 3.9 Exemplo de Comissionamento virtual. Fonte Siemens PLM Connection 2013...............34
Figura 3.10 Comissionamento virtual acoplada à simulação a eventos discretos. Fonte Siemens... .35
Figura 3.11 Proposta de posicionamento do comissionamento virtual para a programação de
sistemas de controle. Fonseca et al (2008).........................................................................................37
Figura 3.12 Representação do software in the loop (SIL) x hardware in the loop (HIL). Fonte (Liu
Z. et al 2012)......................................................................................................................................39
Figura 3.13 Mapa de configuração OPC. Fonte Bangsow et al. (2012).............................................39
Figura 3.14 Atribuição de sinais lógicos aos componentes virtuais...................................................40
Figura 3.15 Valores lógicos dos sinais dentro do ambiente de simulação virtual..............................41
Figura 4.16 fluxograma proposto para o ciclo de desenvolvimento de sistemas automatizados de
produção.............................................................................................................................................44
Figura 5.17. Manipulador robótico com seis graus de liberdade.......................................................56
Figura 5.18 Projeto conceitual do sistema de retirada da embalagem do magazine..........................57
Figura 5.19 Projeto conceitual do sistema de retirada da embalagem com as tampas.......................58
Figura 5.20 Projeto conceitual do sistema de dobra...........................................................................59
Figura 5.21 Principais posições..........................................................................................................59
Figura 5.22 Exemplo de diagrama de conexões pneumáticas............................................................61
Figura 5.23 Sequência de etapas........................................................................................................62
Figura 5.24 Sequência de etapa 1.......................................................................................................63
Figura 5.25 Sequência de etapa 2.......................................................................................................63
Figura 5.26 Sequência de etapa 3.......................................................................................................64
Figura 5.27 Sequência de etapa 4.......................................................................................................64
Figura 5.28 Sequência de etapa 5.......................................................................................................65
Figura 5.29 Sequência de etapa 6.......................................................................................................65
Figura 5.30 Sequência de etapa 7.......................................................................................................66
Figura 5.31 Comissionamento virtual a nível de linha de produção do projeto de acondicionamento
de tampas............................................................................................................................................67
Figura 5.32 Comissionamento virtual a nível de sistema de produção do projeto de
acondicionamento de tampas..............................................................................................................68
Figura 6.33 Comissionamento virtual e o abastecimento do banco de dados....................................13
Lista de Tabelas
Tabela 2.1 Conceptualização da melhoria continua. Fonte (Gomes, 2010).......................................25
Tabela 3.2 Modelos de comissionamento. Fontes: Auinger et al., 1999; Hoffmann et al., 2010;
Makris et al. 2012...............................................................................................................................31
Tabela 3.3 Vantagens e desvantagens................................................................................................42
Tabela 4.4 Resumo da Etapa 1- Definir o Projeto..............................................................................46
Tabela 4.5 Resumo da Etapa 2- Analisar o Estado Atual..................................................................47
Tabela 4.6 Resumo da Etapa 3- Elaborar o Modelo Computacional/ Elaborar o Sistema de Controle.
............................................................................................................................................................50
Tabela 4.7 Resumo da Etapa 4- Implementar a Solução Otimizada..................................................51
Tabela 5.8 Sinais criados no ferramental modelado...........................................................................60
Lista de Siglas
2D Two – dimensional
3D Three – dimensional
CAD Computer Aided Design (Desenho Assistido por Computador)
CAE Computer Aided Engineering (Engenharia Assistida por Computador)
CAM Computer Aided Design (Manufatura Assistida por Computador)
CCM Centro de Competência em Manufatura
CLP Controlador Lógico Programável
CNC Controle Numérico Computadorizado
DIP Desenvolvimento Integrado de Produtos
HIL Hardware in the Loop
HW Hardware
IHM Interface Homem Máquina
ISO International Organization for Standardization (Organização Internacional para
Padronização)
ITA Instituto Tecnológico de Aeronáutica
LAME Laboratório de Montagem Estrutural de Aeronaves
MD Manufatura Digital
OLE Object Linking and Embedding
OPC OLE for Process Control
PLM Gerenciamento do ciclo de vida do produto
RIL Reality in the Loop
SED Simulação de Eventos Discretos
SIL Software in the Loop
Sistema CAx
Termo que descreve um vasto uso da tecnologia informática para auxiliar na
concepção, análise e fabricação de produtos
STP Sistema Toyota de Produção
SW Software
TCP/IP Conjunto de protocolos de comunicação entre computadores em rede (Transmission
Control Protocol e Internet Protocol)
TI Tecnologia da Informação
VDW Associação Alemã de Fabricantes de Máquinas-Ferramenta
Sumário
1 Introdução...................................................................................................................................12
1.1. Objetivo..................................................................................................................................14
1.2. Proposta Metodológica...........................................................................................................15
1.3. Estrutura do trabalho..............................................................................................................15
2 Revisão Bibliográfica.................................................................................................................17
2.1. Manufatura Digital.................................................................................................................17
2.2. Requisitos para modelos de produção....................................................................................20
2.3. Tipos de Manufatura Digital..................................................................................................22
2.4. Melhoria continua...................................................................................................................25
2.5. Requisitos de simulações........................................................................................................26
3 Processo de Comissionamento...................................................................................................30
3.1. Comissionamento Virtual.......................................................................................................32
3.2. Aplicação do Comissionamento Virtual.................................................................................33
3.2.1. Comissionamento de máquina ou de equipamentos individuais.........................................33
3.2.2. Comissionamento de linha de produção..............................................................................33
3.2.3. Comissionamento de sistema de produção..........................................................................34
3.2.4. Modelagem..........................................................................................................................35
3.2.5. Ambiente de Programação...................................................................................................36
3.2.6. Software in the loop e Hardware in the loop.......................................................................38
3.2.7. OPC......................................................................................................................................39
3.2.8. Conexão entre CLP e planta................................................................................................40
3.3. Vantagens e Desvantagens.....................................................................................................41
3.4. Considerações sobre a revisão da literatura...........................................................................42
4 Método Proposto para Comissionamento de Sistemas Automotizados de Produção................43
4.1. Etapa 1 – Definir o Projeto.....................................................................................................45
4.2. Etapa 2 – Analisar o Estado Atual..........................................................................................46
4.2.1. Mapear o processo...............................................................................................................46
4.2.2. Coletar Dados Operacionais................................................................................................47
4.2.3. Identificar oportunidades de melhoria e elaborar planos de ação........................................47
4.3. Etapa 3 - Elaborar o Modelo Computacional/ Elaborar o Sistema de Controle.....................48
4.3.1. Comissionamento Virtual de máquina.................................................................................48
4.3.2. Comissionamento Virtual da linha de produção..................................................................49
4.3.3. Comissionamento Virtual do sistema de produção.............................................................50
4.4. Etapa 4 – Implementar a Solução Otimizada.........................................................................51
4.5. Considerações sobre o método proposto................................................................................51
5 Aplicação do método proposto...................................................................................................53
5.1. Etapa 1 – Definir o Projeto.....................................................................................................53
5.2. Etapa 2 – Analisar o Estado Atual..........................................................................................54
5.2.1. Mapear o processo analisado...............................................................................................54
5.2.2. Coletar dados operacionais..................................................................................................55
5.2.3. Identificar oportunidades de melhoria e elaborar plano de ação.........................................55
5.3. Etapa 3 - Elaborar o Modelo Computacional/ Elaborar o Sistema de Controle.....................57
5.3.1. Comissionamento Virtual a nível de máquina.....................................................................57
5.3.1.1. Sinais de comunicação.....................................................................................................60
5.3.2. Comissionamento Virtual a nível de linha de produção......................................................61
5.3.3. Comissionamento Virtual a nível de sistema de produção..................................................68
5.1. Considerações sobre o estudo de caso....................................................................................69
6 Conclusão...................................................................................................................................12
6.1. Trabalhos futuros....................................................................................................................14
12
1 Introdução
Devido à forte concorrência nos diversos setores da economia, as empresas devem buscar o
aumento contínuo de sua eficiência, para que permaneçam competitivas (Gomes, 2010). Para
garantir essa competitividade, é necessário um grande investimento em novas tecnologias. Nesse
sentido, a automação de processos produtivos tem se mostrado bem útil às empresas na busca por
melhor eficiência a baixo custo (Aguiar, 2009). Essa mudança de cenário nos sistemas de fabricação
tem gerado linhas cada vez mais complexas que consistem em diferentes elementos, tais como:
armazenamento, magazines, transportadores, sistemas de manuseio e de transporte, usinagem e
montagem de ferramentas, robôs, sistemas de controle e de IHM (Interface Homem Máquina)
(Gomes, 2010).
Para adquirir melhor performance do sistema de fabricação faz-se necessário o uso de algumas
ferramentas. A manufatura digital se destaca por ser o uso de um integrado de instrumentos de
apoio à concepção de ferramentas, desenho de processos de fabricação, visualização, simulação e
outras análises necessárias para otimizar o processo de fabricação (Gomes, 2010). Segundo Aguiar
(2009) a manufatura digital pode ser definida como a utilização de plataformas computacionais para
descrever e analisar cada aspecto do processo de projeto e de manufatura, incluindo ferramentas de
CAD (Desenho Assistido por Computador), CAM (Manufatura Assistida por Computador),
simulação discreta e simulação 3D. A manufatura digital tornou-se uma filosofia que abrange toda a
cadeia produtiva, ou seja, é utilizada para aumentar a qualidade dos produtos e diminuir o ciclo de
vida (Aguiar, 2009).
Apesar da manufatura digital já ser uma ferramenta consolidada, ainda há uma fronteira na
forma de se transportar com eficiência os estudos e as análises dos processos de produção no
ambiente virtual para o ambiente real. Para a verificação do projeto mecânico, da geometria e da
cinemática uma simulação 3D é o suficiente. Nesse cenário, os programas de CAD passaram a
incorporar ferramentas de simulação de tarefas e sistemas produtivos. Carlsson et al. (2012) observa
que uma das funcionalidades das ferramentas da manufatura digital é o comissionamento virtual,
que consiste na integração da simulação do processo com o sistema de controle real ou um
simulador com o objetivo de verificar o funcionamento da lógica de controle antes da instalação da
célula de manufatura com seus diversos componentes. É possível aplicar o comissionamento virtual
na especificação de um mecanismo automatizado, mas a principal aplicação da técnica é executada
em células de manufatura.
13
Segundo Hoffmann et al (2010) o desenvolvimento de um sistema de produção, em geral,
compreende várias fases: Projeto de instalações, engenharia mecânica, engenharia elétrica e
engenharia de automação (programação de robôs, Controlador Lógico Programável e Interface
Homem Máquina), e que são muitas vezes executadas sequencialmente. Existem diferentes
ferramentas para desenvolvimento e engenharia, muitas vezes com simulação integrada, no entanto,
há grandes problemas em relação à troca de dados entre as diferentes fases de engenharia e as
diferentes ferramentas associadas.
Convencionalmente os testes de integração do sistema de fabricação só podem ser feitos após
comissionamento estar pronto, ou seja, somente depois que todos os equipamentos estarem
devidamente instalados e funcionando. Consequentemente um número considerável de problemas
de projeto e falhas não podem ser detectados antes da primeira inicialização do sistema. Em geral,
isso leva a medidas corretivas, que consomem tempo e dinheiro, e que resultam em atrasos e
aumento de custos para todas as partes envolvidas, Hoffmann et al (2010).
Segundo Hossain e Semere (2013), a maioria das companhias depende de vários fornecedores
para o projeto e da concepção de uma célula automatizada de produção. 70% do tempo do
comissionamento de uma célula é gasto com correção de erros do programa de controle. Outro
agravante é que a maioria desses erros só aprece na etapa final de comissionamento dos
automatismos com o sistema de controle, fase em que normalmente os prazos e orçamentos estão no
limite.
Hoffmann et al. (2012) posiciona o comissionamento virtual dentro do fluxo de
desenvolvimento de uma célula automatizada após a programação off-line dos robôs e antes da
instalação física da célula. O comissionamento virtual é uma etapa posterior e dependente da
especificação dos equipamentos que compõem a célula de manufatura.
Para Bangsow et al. (2012) entre a prontidão para o funcionamento das máquinas individuais e
os testes funcionais dos segmentos da linha, necessita-se geralmente de uma grande quantidade de
tempo pelas seguintes razões:
A integração de automação normalmente só começa após todos os componentes do
sistema e as máquinas estarem configuradas e funcionando. Normalmente, a construção
de automação só começa quando as máquinas individuais são instaladas.
14
A programação/personalização do controle iniciará somente após o término da
construção do hardware de automação.
Programas mal elaborados que levam a um longo período de tentativa e erro.
1.1. Objetivo
O objetivo desta dissertação é propor um método para realizar o comissionamento virtual em
sistemas de produção automatizados. Este método integra técnicas de modelagem, simulação
gráfica 3D de robôs e simulação a eventos discretos alinhados com um sistema de controle.
Para a consecução do objetivo geral, são definidos os seguintes objetivos específicos:
Obter um embasamento teórico sobre processo de manufatura e simulação de leiautes
fabris, por meio de uma ampla revisão bibliográfica que contemple os aspectos
envolvidos nestes processos;
Analisar os trabalhos realizados na área de simulação, relacionados às atividades
inerentes à manufatura;
Modelar e simular uma célula de manufatura de uma empresa e analisar os resultados
apresentados pela simulação;
Evidenciar a importância da utilização de técnicas de simulação e comissionamento
virtual em projetos de implementação da automação em processos de manufatura, como
base para a tomada de decisão.
Como resultado, espera-se que o método permita diminuir o tempo de mudança ou
implementação de uma nova linha, verificação de falhas no sistema de controle, validação dos
controladores e checagem dos sistemas de segurança. Muitos erros no projeto ocorrem durante a
fase de implantação da linha devido a divergências com o planejado e o executado. Esses erros
agregam gastos desnecessários ao projeto, podendo assim torna-lo inviável.
15
1.2. Proposta Metodológica
Este trabalho trata da formalização de um método de simulação voltada ao comissionamento
virtual aplicado a uma abordagem de automação industrial. Para isto, inicialmente, será realizada
uma revisão da literatura, onde serão abordados os conceitos de:
Modelagem de Produto;
Modelagem de Processos;
Simulação a eventos discretos;
Programação;
Comissionamento virtual.
Para relacionar esses conceitos é realizada uma pesquisa sobre diversas referências (livros,
artigos técnicos e informações disponíveis na internet) onde é possível fundamentar a teoria e
analisar aplicações de métodos de simulação e comissionamento virtual.
Na sequência, com base nas informações levantadas será proposto um método para realizar o
comissionamento virtual. E, finalmente, será realizada a aplicação em um caso real, visando a
avaliação do método proposto.
1.3. Estrutura do trabalho
Este trabalho é constituído de seis capítulos, que são brevemente descritos a seguir, com
exceção deste primeiro que constitui a introdução.
Capítulo 2 – Revisão bibliográfica - Apresenta a revisão sobre o processo de simulação,
abordando aspectos sobre aplicação na indústria, terminologia da área e classificação de modelos
computacionais.
Capítulo 3 – Processo de comissionamento - Apresenta a revisão sobre o processo de
comissionamento, abordando as diferentes formas de comissionar um sistema, e os requisitos para
aplicação.
16
Capítulo 4 – Método proposto - Descreve o método elaborado para a aplicação de simulação
com o comissionamento virtual em projetos de automação de sistemas de manufatura.
Capítulo 5 – Aplicação do Método - Apresenta a aplicação do método, por meio de um estudo
de caso realizado em uma empresa de manufatura, e apresenta os resultados obtidos.
Capítulo 6 – Conclusões - Apresenta a análise e as considerações, baseadas nos resultados e
experimentos. Também contém conclusões a respeito de todo o trabalho realizado e de suas
contribuições para esta área da engenharia. Por fim, apresenta uma proposta para novos trabalhos
que aprofundem os avanços em conhecimento.
17
2 Revisão Bibliográfica
Este capítulo contém uma revisão bibliográfica sobre alguns tópicos relacionados à simulação
e automação. O capítulo se inicia com uma introdução sobre manufatura digital e a forma com que
se utilizam as ferramentas digitais no desenvolvimento de sistemas de manufatura. Em seguida será
apresentado o conceito de comissionamento, ressaltando os diferentes tipos de se comissionar um
sistema de manufatura e o papel do CV (Comissionamento Virtual) no desenvolvimento de novas
linhas de produção automatizadas.
2.1. Manufatura Digital
A manufatura digital é um conceito que vem sendo empregado pelas organizações com a
finalidade de evoluir seus processos, tendo em vista disponibilizar ao mercado produtos com maior
valor tecnológico agregado. Através de um conjunto de ferramentas que deverão proporcionar um
novo método na concepção de produtos e projetos.
Com a necessidade crescente em reduzir o tempo de desenvolvimento de novos produtos,
adequação ou planejamento da linha e de toda a cadeia de suprimento e logística, as organizações
necessitam das integrações de seus recursos em diversas funções de negócios e sistemas. A
existência de diversos sistemas integrados acaba por complicar a troca de informações, a qual é vital
para o desenvolvimento rápido e eficiente. A Figura 2.1 mostra a diversidade desses sistemas e sua
posição dentro de uma organização.
Figura 2.1 Sistema Integrados Fonte: (KLETI, 2007)
18
O ambiente de ferramentas digitais auxilia o planejamento de processos, produto e produção
proporcionando às organizações um aumento em sua ilha de produtos e serviços. Com um
planejamento mais homogêneo e com menos tempo, a manufatura digital pode ser considerada
como parte estratégica da organização. A Figura 2.2 mostra como as ferramentas da manufatura
digital auxiliam o planejamento diminuindo erros e custo para o mesmo.
Figura 2.2 Comparativo do tempo de planejamento
As organizações têm a necessidade de integração para aumentar a sua competitividade e uma
das formas de atender essa demanda é utilizando a manufatura digital. Esta faz parte da abordagem
do PLM, que faz a integração do ciclo de vida do produto com as estratégias de negócios das
organizações, pois os produtos tendem a ter desafios tecnológicos cada vez maiores.
(CHRYSSOLOURIS, MAVRIKIOS, & MOURTZIS, 2009).
A manufatura digital consiste em um conjunto de ferramentas que integram o
desenvolvimento do produto, planejamento do processo de manufatura e planejamento de sistemas
de segurança. Esta integração é feita através de um ambiente virtual dinâmico por meio de
simulações de duas dimensões (2D) e/ou três dimensões (3D).
19
Todas as ferramentas de manufatura digital consistem em criar cenários de simulação tais
como: Leiaute de plantas fabris, linhas de produção, processo de manufatura (célula de produção),
fluxo de materiais, simulação humana e simulação de dispositivos de automação e segurança. Com
esses cenários é possível criar modelos hipotéticos a fim de analisar o impacto de mudanças nos
processos ou fluxos. A Figura 2.3 mostra a área de atuação da manufatura digital dentro do PLM
(Gerenciamento do ciclo de vida do produto).
Figura 2.3 Manufatura digital inserida no ambiente PLM.
Sendo uma parte do PLM, a manufatura digital fornece apoio em distintas áreas como:
desenvolvimento do produto, cadeia de suprimentos, engenharia de processos e logística. Portanto,
há um aperfeiçoamento na criação de novos produtos devido à integração no planejamento: os
produtos podem ser liberados ao mercado consumidor em menor tempo (Time-to-Market), o tempo
de fabricação diminui (aumenta a eficiência dos processos) e há uma promoção de inovação e
melhorias nos processos de manufatura e nos produtos.
A manufatura digital pode ser utilizada como um sistema estratégico, pois tem a flexibilidade
para se trabalhar em níveis estratégicos. Segundo (GRIEVES, 2006) a manufatura digital é uma
abordagem que integra pessoas, processos, práticas de trabalho, tecnologias e informações.
Utilizando à manufatura digital, as organizações conseguem atingir os seguintes resultados
(CHRYSSOLOURIS, MAVRIKIOS, & MOURTZIS, 2009):
20
Reduzir o custo e o tempo de desenvolvimento de novos produtos ou processos,
tornando-os mais viáveis;
Integrar áreas distintas (interdisciplinares) de conhecimentos pertencentes à organização,
assim podendo elevar o valor e nível tecnológico do produto ou processo;
Integrar o processo de manufatura descentralizada, devido à crescente demanda de
produtos diferenciados, deixando a organização mais competitiva no mercado;
Criar trabalhos de manufatura por competência que consistem em focar plantas fabris em
seu objetivo (core competences), assim criando uma rede de colaboração mais eficiente
em sua cadeia de suprimentos e colaboradores;
Integrar engenharias, que consiste em utilizar experiências de diferentes zonas
(geográfica, funções da organização ou compartilhamento de informações entre
organizações) a fim de criar uma colaboração que fortaleça a tecnologia do produto ou
processo no mercado.
A utilização de um ambiente de manufatura digital provém das necessidades das organizações,
que podem ser influenciadas por motivos internos e externos relacionados a características de
métodos de trabalho, tecnologias e inovação. Para que as ferramentas de manufatura digital
atendam às necessidades das organizações é necessário ter o domínio sobre alguns requisitos de
produção.
2.2. Requisitos para modelos de produção
Surgida no Japão na década de 50, o Sistema Toyota de Produção (STP) ou manufatura
enxuta, consiste em eliminar desperdícios na linha de manufatura. Segundo Gomes (2010) o STP
engloba:
Just-in-time - Tem como objetivo eliminar quaisquer processos que não agreguem valor
ao produto (Ohno, 1997).
Jidoka - A manufatura enxuta engloba a automatização humanizada, no qual consiste em
utilizar maquinas em processos com a finalidade de encontrar inconformidades com o
projeto do produto (Gomes, 2010).
21
A definição do leiaute é de extrema importância quando se utiliza manufatura enxuta. O
leiaute que apresenta melhores resultados é conhecido como formato U, onde a entrada e saída se
encontram lado a lado conforme mostra a Figura 2.4.
Figura 2.4 Modelo de linha de manufatura em U. Fonte: (Gomes, 2010)
A definição do modelo de produção tem como objetivo trabalhar em conformidade com
teorias de produção largamente aceitas mundialmente. O ambiente virtual da manufatura digital
consegue trabalhar de forma complementar aos tópicos relacionados.
2.3. Tipos de Manufatura Digital
Podemos dividir a manufatura digital em 4 grandes categorias, sendo cada uma delas
independentes mas interligadas. Cada categoria possui seu suíte próprio de ferramentas, que
22
proporciona volumes de informações e dados. Juntos compõem a manufatura digital. Conforme
mostra a Figura 2.5 as categorias existentes na manufatura digital.
Figura 2.5 Principais atividades a serem cobertas pelos sistemas no ambiente de Manufatura Virtual (Porto & Souza,
2002).
Planejamento de processo: Este sistema proporciona um ambiente onde é possível
realizar o planejamento todo ou parcial do processo de produção, facilitando a
identificação todos os elementos que definem o produto. Nesta categoria é possível
verificar as necessidades geométricas, o consumo de insumos, planejar a manutenção e a
troca de equipamentos. Para realizar o planejamento do processo é necessário seguir um
padrão para que os dados geridos pela manufatura digital funcionem adequadamente,
conforme mostra a Figura 2.6.
23
Figura 2.6 Atividades básicas do Planejamento do Processo. Fonte: Halevi &Weill (1995).
Gerenciamento de Recursos: Os recursos são fundamentais para que a organização
realize seu objetivo primário. No contexto de recursos da manufatura digital se encaixam
itens como: Máquinas CNC, máquinas manuais, célula de fabricação, espaço físico,
dispositivos de suporte, requisitos de mão de obra. Com estas informações é possível
avaliar quais recursos estão sendo subutilizados, gerenciar ferramentas e produtos.
Programação CN: Devido à complexidade de muitos produtos, o mesmo deve ser
desenhado e simulado em um software especifico para que todos os parâmetros sejam
relacionados e testados em um ambiente 3D a fim de que sejam descartadas as rotas com
colisões. Com este tipo de ferramenta é possível que variáveis sejam testadas sem
apresentar risco físico para os equipamentos. Com ferramentas de análise é possível
aperfeiçoar processos existentes, melhorando a capacidade produtiva do mesmo.
Validação: A validação é um dos processos que se destaca na manufatura digital, pois
pode ser realizada utilizando simulação 3D, comissionamento virtual e simulação de
eventos discretos. A utilização da simulação desta etapa é muito empregada no setor
automobilístico, pois a grande variedade de produtos e suas características distintas
tornam cada mudança um processo complexo, fazendo da simulação uma possibilidade
24
de validar o processo antes de construir um modelo físico. A validação pode ser feita por
simulações de sistema de manufatura, simulação de processos de manufatura, simulação
de sistemas mecânicos e simulação de elementos finitos. A Figura 2.7 mostra uma
validação ergométrica de uma operação específica, mostrando como a validação pode se
tornar uma parte estratégica para a organização.
Figura 2.7 Demonstração e validação ergométrica
A utilização da manufatura digital depende de diversos fatores, um deles é uma equipe
multidisciplinar, pois a variedade de ferramentas disponíveis e suas aplicações distintas constituem
uma ferramenta complexa e poderosa. Uma vantagem em utilizar estes suítes de ferramentas é a
criação bibliotecas e padrões de trabalho, facilitando os trabalhos futuros e evitando erros e
retrabalhos. Desta forma, a agilidade em projetar processos e produtos novos fica evidente.
25
2.4. Melhoria continua
O processo de melhoria continua tem como foco estudar os processos de manufatura. O
objetivo deste método é aumentar a competitividade da organização no mercado utilizando
melhorias continuas nos processos de manufatura. A Tabela 2.1 mostra diferentes abordagens do
mesmo assunto. Principais atividades a serem cobertas pelos sistemas no ambiente de Manufatura
Virtual (Porto & Souza, 2002).
Tabela 2.1 Conceptualização da melhoria continua. Fonte (Gomes, 2010)
AUTORES DENOMINAÇÃO
DEFINIÇÃO
IMAI (1994) Filosofia
A filosofia kaizen (melhoria contínua) envolve todos os colaboradores de uma corporação. Segundo suas diretrizes, o modo de vida – seja no
trabalho, na sociedade ou em casa – merece ser constantemente melhorado.
BESSANT (1999) ProcessoMelhoria contínua é um processo amplo focado e sustentado pela inovação
incremental e contínua.
CAFFYN (1999) HabilidadeA competência em melhoria contínua é a habilidade de uma organização
em conseguir vantagem estratégica estendendo a participação na inovação a uma proporção significativa de seus membros.
TERZIOVSKI
& SOHAL (1999)
EstratégiaO kaizen é dirigido para a melhoria contínua com ênfase no cliente. Consequentemente, supõe-se que suas atividades devem atuar para o
aumento da satisfação do cliente.
DAVIDSON et
al. (2005)Atividade
Melhoria contínua é uma atividade dentro de um negócio visando melhorar a competitividade com a redução de custo de fabricação e tempo
de produção.
WU & CHEN (2005) FormaA aplicação da melhoria contínua é a melhor forma para se conduzir uma
empresa com atividades efetivas, proporcionando a ela maior competitividade.
BHUIYAN & BAGHEL (2005)
CulturaMelhoria contínua é uma cultura da melhoria sustentada que objetiva a
eliminação do desperdício em todos os sistemas e processos de uma organização.
Segundo (Gomes, 2010) existem alguns pontos básicos para utilização da melhoria continua
como:
Compreensão do processo de manufatura por meio do seu mapeamento, com o intuito de
tangenciar as variáveis que o influenciam. Somente com a compreensão total do
processo é possível implementar melhorias;
26
Pensar como cliente. Todos os esforços de melhoria devem focar no aperfeiçoamento
dos processos que agregam o valor que o cliente necessita;
Definição de meta. O processo de melhoria continua deve ter uma meta tangível, pois,
ela definirá prioridades nas alterações dos projetos e produtos.
A melhoria contínua necessita de diversas ferramentas para que seja executada de forma
correta. A utilização de ferramentas de manufatura digital oferece suporte para que sejam realizadas
as operações de melhoria contínua, tendo em vista que é possível simular processos de manufatura e
extrair resultados, reduzindo impactos negativos de se fazer experimentações na linha de produção.
Figura 2.8 Processo de melhoria continua. Fonte (GOMES, 2010)
A Figura 2.8 mostra as etapas do processo de melhoria contínua. Isso mostra que a utilização
desta ferramenta deve ser empregada continuamente em todos os processos. Todo processo pode e
deve ser melhorado, visando a melhor eficiência.
2.5. Requisitos de simulações
A simulação é um ponto chave da manufatura digital. A simulação consiste em um conjunto
de métodos utilizados para análise de vários modelos, hipotéticos ou reais mediante softwares
(LAW, 1991). A utilização de simulação é importante por possibilitar a criação de cenários
hipotéticos a fim de realizar testes com variações distintas.
27
Com o avanço da computação, os modelos de simulação estão conseguindo atingir níveis de
fidelidade do objetivo simulado. Essa fidelidade se dá pela razão do número de variáveis
computadas em uma simulação.
Existem diferentes tipos de simulações, cada uma é utilizada para funções distintas. Esta
classificação se realizada pela utilização e manuseio das variáveis utilizadas no modelo (LAW,
1991). Os tipos de simulação são segundo Gomes (2010):
Simulação Estática: Este tipo de simulação baseia-se no fato de que cada variável não
tem seu valor alterado ao decorrer do tempo, sendo assim seus valores são absolutos.
Este tipo de simulação é comumente utilizado, por exemplo, para identificar colisão no
trajeto do robô em um sistema de manufatura;
Simulação Dinâmica: Esta simulação permite que cada variável altere sou valor no
decorrer do tempo. Está simulação é utilizada para simular sistemas de manufatura por
permitir mais fidelidade ao sistema real;
Simulação Determinística: Neste tipo de simulação, cada variável tem seu valor
determinado na construção do modelo. Neste caso cada repetição da simulação irá
fornecer o mesmo resultado;
Simulação Estocástica: Está simulação determina valores para as variáveis de acordo
com uma faixa de distribuição pré-definida, sendo assim cada repetição da simulação
apresentara resultados diferentes, mas pertencentes à mesma dispersão.
Na manufatura digital pode-se utilizar um tipo de simulação ou uma combinação de
simulações. Cada tipo de simulação serve para atender uma demanda específica, por isso a escolha
da abordagem da simulação no projeto é algo crucial para as demais fases.
Os sistemas de simulação para suporte às atividades de manufatura digital podem ser
distribuídos em quatro grandes grupos (PORTO, 2000):
Simulação de sistemas de manufatura: simulação utilizada para analisar um conjunto de
processos de manufatura;
28
Simulação de processos de manufatura: simulação serve para avaliar o comportamento
de diferentes componentes na execução de um determinado processo;
Simulação de sistemas mecânicos: utilizado para estudar a cinemática de um
determinado componente que irá ser utilizado no processo de manufatura;
Simulação de elementos finitos: avalia as restrições mecânicas e geométricas de
dispositivos mecânicos.
Os aplicativos de software de simulação de sistemas de manufatura incluem, segundo (Porto,
2000):
Processos de fabricação e de montagem, os quais fornecem um método sistemático para
o projeto de fábrica (criação, análise e apresentação visual do modelo), habilitando a
engenharia simultânea de toda a fábrica. Pode-se citar, como exemplos, o Tecnomatix
Process Designer® da Siemens e o DELMIA Process Enginer da Dassault;
Análise de fluxo de material e leiaute de fábrica, integrando desenhos de fábrica e
caminhos do fluxo de material com dados de produção e manuseio de material,
possibilitando prever o desempenho do sistema e entender o impacto de possíveis
mudanças. Exemplos de softwares nessa área são o eM-Plant, o FactoryFlow e o
FactoryCAD da Siemens e o Factor/AIM da Pristsker;
Eventos discretos, que permitem modelar questões complexas de manuseio de material e
manufatura, provendo animações em escala real 3D enquanto o modelo está sendo
executado. Como exemplo de softwares pode-se citar o AutoMod da Autosimulations, o
Quest da Dassault, o Witness da Lanner Group Ltda., o Arena da Rockwell e
Tecnomatix Plant Simulation® da Siemens.
A simulação de processos de manufatura e de sistemas mecânicos engloba:
Programação de controle numérico, que simula interativamente o processo de remoção
de material e o caminho da ferramenta e detectam automaticamente colisões de
ferramentas, interferências entre peças e condições de corte inadequadas. Alguns
29
softwares disponíveis nessa área são o Vericut da CGTech, o Virtual NC da Delmia, o
NC Simul da Spring e o NX da Siemens;
Programação de robôs, para o desenvolvimento, programação e otimização de aplicações
em pintura, MMC, solda e células de manufatura, como, por exemplo, o DELMIA da
Dassault e o Tecnomatix Process Simulate® da Siemens.
30
3 Processo de Comissionamento
Comissionamento é o processo de assegurar que os sistemas e componentes de uma edificação
ou unidade industrial estejam projetados, instalados, testados, operados e mantidos de acordo com
as necessidades e requisitos operacionais do proprietário. O comissionamento pode ser aplicado
tanto a novos empreendimentos quanto a unidades e sistemas existentes em processo de expansão,
modernização ou ajuste. (Horsley, D. 1998).
Na prática, o processo de comissionamento consiste na aplicação integrada de um conjunto de
técnicas e procedimentos de engenharia para verificar, inspecionar e testar cada componente físico
do empreendimento, desde os individuais, como peças, instrumentos e equipamentos, até os mais
complexos, como módulos, subsistemas e sistemas. (Fares, F., Montenegro, B., Prates, A. 2010).
A atividade de comissionamento, no seu sentido mais amplo, é aplicável a todas as fases do
empreendimento, desde o projeto básico e detalhado, o suprimento e o diligencia, a construção e a
montagem, até a entrega da unidade ao cliente final, passando, muitas vezes, por uma fase de
operação assistida. (Montenegro, B. 2009).
Em um projeto de desenvolvimento de um sistema de manufatura automatizado Hoffmann et
al. (2010) divide as etapas da seguinte forma: projeto da fábrica, engenharia mecânica, engenharia
elétrica e engenharia de automação (programação de robôs, CLPs – Controladores Lógicos
Programáveis e IHM – Interface Homem-Máquina). Essas etapas são executadas sequencialmente,
e esta forma de trabalho gera falhas na interação entre as etapas.
De acordo com Zah e Wünsch (2005), fazendo referência a um estudo da VDW (Associação
Alemã de construtores de máquinas-ferramenta) o tempo gasto para o comissionamento chega a ser
25% de todo o projeto e 15% do tempo gasto para comissionar é utilizado somente para a correção
de erros do software de controle.
Conforme Auinger et al. (1999), o comissionamento pode ser dividido em 4 tipos diferentes,
onde cada um trabalha com um conjunto de informações e ambientes diferentes. A Tabela 3.2
mostra cada tipo de comissionamento.
31
Tabela 3.2 Modelos de comissionamento. Fontes: Auinger et al., 1999; Hoffmann et al., 2010; Makris et al. 2012.
PlantaSistema
de Controle
Descrição Vantagens Desvantagens
Real RealA maneira tradicional de testes durante o comissionamento real
Testa todos os mecanismos para o funcionamento dos dispositivos, juntamente com o sistema de controle.
É possível somente na fase final do projeto, quando todos os dispositivos estiverem instalados e posicionados.
Virtual Real
"Soft commissioning" muitas vezes chamado de "hardware no loop" (HIL). O controlador de hardware é necessário com antecedência, mas é possível o CV antes de construir a planta.
Testa o funcionamento do sistema de controle com os dispositivos virtuais.
Necessidade de um banco de dados robusto para os dispositivos virtuais.
Exige um alto grau de conhecimento mecânico.
Real VirtualDenominado "Reality In the Loop" pelos autores. (RIL)
Testa o sistema de controle antes de sua instalação.
Exige que os equipamentos na planta já estejam devidamente instalados.
Virtual Virtual
Oferece um comissionamento virtual (CV) completo. (SIL)
Testa tanto a planta como o sistema de controle antes de suas implementações.
Necessidade de um banco de dados robusto para os dispositivos virtuais.
Exige um alto grau de conhecimento mecânico elétrico e de programação.
O comissionamento com Planta Real e sistema de Controle Real: Baseia-se no fato de
que todo o sistema é existente, ou seja, maquinas física e sistema de controles físicos.
Este comissionamento é utilizando em pequenas linhas, onde o número de variáveis do
sistema é pequeno, facilitando o trabalho com esta ferramenta;
Comissionamento com Planta Virtual e sistema de Controle Real: Baseia-se na
integração de softwares de simulação do ambiente da manufatura digital com sistemas
de controle reais. Um exemplo é o CLP: este tipo de comissionamento é utilizando para
realizar teste na lógica de CLPs com o propósito de encontrar falhas no sistema;
32
O comissionamento com Planta Real e sistema de Controle Virtual: Baseia-se na
integração com as maquinas existentes na planta fabril com sistemas de controle virtual.
Este tipo de comissionamento é utilizando para testar novos tipos de controladores ou
mudanças nas logicas dos controladores;
O comissionamento com Planta Virtual e sistema de Controle Virtual: Baseia-se na
integração de softwares da manufatura digital com sistemas de controle virtuais
(exemplo de simuladores de CLPs). Este tipo de comissionamento é utilizado em
projetos de criação de linhas de manufatura.
3.1. Comissionamento Virtual
A manufatura digital consegue simular diversos ambientes, em alguns casos há a necessidade
de integrar o mundo real (mundo físico) com o mundo virtual (ambiente da manufatura digital). O
comissionamento virtual é a verificação do sistema com base em um modelo de simulação acoplado
com controladores reais e virtuais permitindo realizar grande parte das atividades de
Comissionamento antes da instalação do sistema. Apesar de se tratar de uma ferramenta
relativamente nova, autores não diferem quanto a sua definição:
Segundo Hoffmann P.(2010), o Comissionamento virtual (CV) para sistemas de
manufatura tem como proposta testar os sistemas de produção e os programas de
controle através da simulação antes que os sistemas reais sejam implementados;
Para Bangsow et al. (2012), a ideia básica de comissionamento virtual é proporcionar
uma grande parte das atividades de comissionamento antes da instalação do sistema (por
exemplo, em paralelo com a construção) com a ajuda de um modelo;
Para Liu Z. et al (2012,) o Comissionamento Virtual busca conectar um modelo de
planta digital com um controlador de planta real (por exemplo, CLP ou HMI-Interface
Homem Máquina) para que os engenheiros de diferentes áreas tenham um modelo
comum para trabalhar em conjunto.
33
3.2. Aplicação do Comissionamento Virtual
Segundo Hossain e Semere (2013), a complexidade do modelamento e simulação de sistemas
precisam ser decompostas em subsistemas. Kuehn (2006) observa que cada nível de modelamento
hierárquico permite simulações com objetivos diferentes e, portanto requer modelos com
informações de entrada diferentes. Bangosw e Günther (2012) dividem o comissionamento virtual
em três níveis, os quais serão descritos a seguir:
Comissionamento de máquina ou de equipamentos individuais;
Comissionamento de linha de produção;
Comissionamento de sistema de produção.
3.2.1. Comissionamento de máquina ou de equipamentos individuais
Para comissionamento virtual em nível de máquina existe uma variedade de abordagens e
instrumentos comprovados. Um modelo 3D da máquina ou equipamento é estendido pelos sensores
e atuadores individuais relevantes. Assim as soluções são fornecidas para sistemas CAD 3D. Para
este nível de comissionamento virtual exige-se um tempo de resposta rápido entre a simulação em
relação a taxas de amostragem, para chegar a um comportamento que é o mais próximo possível da
realidade. A finalidade deste nível de comissionamento virtual é verificar o comportamento da
"máquina virtual", com a função de controle.
3.2.2. Comissionamento de linha de produção
Comissionamento virtual em nível de linha de produção é a comunicação das máquinas
individuais e equipamentos com o controle de linha. Com uma simulação em um nível superior
(máquinas e materiais de manipulação), é possível modelar todos os estados operacionais
necessários do sistema de produção e a troca de sinais com os sensores e atuadores associados. Os
tempos de resposta são menos exigentes do que no nível da máquina, o que dá origem a uma grande
quantidade de oportunidades para acoplamentos. Devido aos tempos de resposta mais longos, os
modelos podem ser testados em movimento rápido (software in the loop) ou em tempo real, para
validar um CLP acoplado. A finalidade deste nível de comissionamento virtual é verificar o
comportamento da célula de trabalho, ou seja, além de averiguar a cinemática dos componentes,
34
verifica-se também a programação e os sinais de cada dispositivo em relação ao sistema de controle.
A Figura 3.9 exemplifica o Comissionamento virtual acoplada à simulação gráfica de robôs.
Figura 3.9 Exemplo de Comissionamento virtual. Fonte Siemens PLM Connection 2013.
3.2.3. Comissionamento de sistema de produção
O controle de um sistema de produção requer uma grande quantidade de informações de
máquina e de nível de linha. Quando novas linhas são integradas em sistemas de controle de
produção existentes, a falta de preparação adequada pode levar a uma falha de todo o sistema de
produção, o que pode causar enormes custos. Um modelo 3D é completamente desnecessário a este
nível. Por isso, é empregada a simulação a eventos discretos para modelar os estados de operação e
respostas do sistema. Através dela podem ser fornecidos impulsos importantes para o tratamento de
erros, desde que os modelos de simulação de eventos discretos sejam criados de forma hierárquica e
contenham sistemas de produção completos. Comissionamento virtual em nível de sistema de
produção simula os sinais de entrada e de saída do controle de produção (e todos os sistemas de
nível superior) e testa a resposta adequada dos elementos do sistema (máquinas, manuseio de
equipamentos e materiais). O comissionamento virtual em nível de linha de produção pode ser
combinado com comissionamento virtual em nível de sistema de produção, sendo representada na
Figura 3.10.
35
Figura 3.10 Comissionamento virtual acoplada à simulação a eventos discretos. Fonte Siemens.
3.2.4. Modelagem
Os recursos e estratégias para o modelamento de células de manufatura diferem dos recursos
para o modelamento de produtos. Independentemente do nível de CV que será usado, Hofmann et
al. (2012) identificam duas estratégias para o modelamento, uma mais adequada para o
modelamento de um mecanismo e outra mais adequada para o modelamento de células:
a. Modelagem de alto nível.
b. Modelagem de baixo nível.
36
De acordo com Hofmann et al. (2010), na modelagem de alto nível o projetista faz uso de
bibliotecas com automatismos inteiramente modelados, com a sua cinemática, seus sinais de entrada
e saída definidos. Os mecanismos modelados em bibliotecas podem ter a representação de suas
geometrias simplificadas, e os elementos internos dos mecanismos não são representados. Hofmann
et al. (2012) descrevem a necessidade da simplificação das geometrias para favorecer a simulação
em tempo real, especialmente com células com muitos componentes.
Para Hofmann et al. (2010) a modelagem de baixo nível envolve toda a construção geométrica
do mecanismo, sua cinemática além da definição dos sinais de entrada e saída. A ligação entre as
peças do mecanismo é feita por meio de restrições de posicionamento. O tipo de junta é resultado
das restrições de posicionamento que unem uma determinada peça à outra. Quando as restrições de
posicionamento reduzem completamente os movimentos relativos entre duas peças, temos uma
junta rígida. Para o comissionamento virtual, é conveniente que peças sem graus de liberdade entre
si sejam agrupadas em submontagens.
3.2.5. Ambiente de Programação
O sistema de controle deve ser adequado ao tipo de planta que o mesmo pretende controlar.
Um mecanismo de dimensões concisas, com um número de entradas e saídas bem definido tem um
sistema de controle compacto, mais especifico e menos flexível ou até mesmo um sistema de
controle embarcado dedicado. Uma célula automatizada com muitos componentes provavelmente
tenha um sistema de controle modular com flexibilidade de programação, escalabilidade do número
de I/Os.
SIEMENS (2006) propõe uma metodologia para automação de um processo com CLPs, na
qual é sugerida a divisão do processo em etapas, sendo elas: descrição individual de cada tarefa,
previsão dos requisitos de segurança e definição dos requisitos da IHM e controles do operador. Um
fluxo demonstrativo é apresentado na Figura 3.11.
37
Figura 3.11 Proposta de posicionamento do comissionamento virtual para a programação de sistemas de controle.
Fonseca et al (2008).
A modularização consiste em decompor o sistema automatizado em operações e tarefas, de
modo que cada tarefa, com seus atuadores e sensores, tenha o seu algoritmo de controle separado do
restante do programa em uma função. A programação é estruturada de forma que instancias dos
blocos funcionais organizados em bibliotecas são chamadas a partir do programa principal.
38
Os elementos para a segurança do sistema ficam dependendo de exigências legais e da política
de segurança da empresa. Os circuitos de segurança não devem estar exclusivamente na lógica do
sistema supervisório que controla o processo, ao invés disso, devem haver circuitos adicionais que
permitam operações do equipamento em uma situação em que o controlador esteja fora de
operação.
Todo processo requer uma interface com o operador que permita a intervenção humana
quando necessário. Essa interface com o operador também atende conexões com o sistema de
controle do processo.
Após documentar os requisitos do projeto do processo automatizado é escolhido o
equipamento de controle requerido para o projeto. Isso compreende a escolha do controlador, a sua
capacidade de processamento, as quantidades de sinais de entrada e saída que são processados.
Deve-se definir também se os pontos de entrada e saída estão todos centralizados no painel junto
com o sistema de controle.
3.2.6. Software in the loop e Hardware in the loop
Existe uma distinção para a forma como é feita a comunicação entre o sistema de controle e a
simulação. A simulação utilizando hardware in the loop (HIL) e a simulação utilizando de software
in the loop (SIL).
Na simulação com HIL o modelo está diretamente ligado ao hardware de controle. Para este
efeito, o computador que executa a simulação deve ter interfaces para o sistema de automação e
deve ser conectado diretamente a esse sistema. Na simulação com SIL o computador que executa a
simulação não está ligado diretamente ao hardware do controlador, mas está conectado com o
programa de simulação do sistema de controle.
As simulações SIL e HIL podem ser aplicadas em um mesmo projeto sem grandes retrabalhos,
uma vez que em etapas iniciais do projeto o CLP pode ainda não ter sido especificado.
39
Figura 3.12 Representação do software in the loop (SIL) x hardware in the loop (HIL). Fonte (Liu Z. et al 2012).
3.2.7. OPC
Segundo Bangsow et al. (2012) a conexão entre o mecanismo virtual com um sistema de
controle acontece por meio do padrão de comunicação Object Linked Embended Proccess Control
OPC baseado em uma estrutura cliente servidor. O padrão OPC foi desenvolvido por um consórcio
de empresas com o objetivo de criar um sistema de troca de dados para permitir a interoperabilidade
entre sistemas de supervisão controle e acesso de dados (SCADA) e os diversos fabricantes de CLP
além de sensores e atuadores inteligentes com os diversos protocolos de comunicação existentes.
Figura 3.13 Mapa de configuração OPC. Fonte Bangsow et al. (2012)
40
3.2.8. Conexão entre CLP e planta
A conexão entre os componentes virtuais com um sistema de controle acontece por meio da
ferramenta OPC através da criação e atribuição de seus respectivos sinais, sejam entradas ou saídas.
Os sinais devem ser atribuídos junto com a respectiva modelagem dentro do ambiente virtual,
conforme a Figura 3.14.
Figura 3.14 Atribuição de sinais lógicos aos componentes virtuais.
A verificação do funcionamento do programa de controle é executada através da simulação do
sistema de comissionamento virtual, onde os elementos virtuais e físicos estão trabalhando em
operação coordenada e integrada. Os requisitos de funcionamento são testados e situações críticas
são forçadas para analisar o comportamento do sistema em condições adversas.
O processo de verificação por meio do Comissionamento Virtual compreende, além da observação
direta da sequência de operações do sistema em funcionamento, a análise dos valores lógicos dos
sinais de todos os componentes envolvidos no sistema, tanto reais quanto virtuais. Para esta análise,
o ambiente de simulação virtual proporciona recursos que permite forçar o valor lógico de um
determinado sinal para avaliar o efeito sobre o comportamento do sistema, conforme a Figura 3.15.
41
Figura 3.15 Valores lógicos dos sinais dentro do ambiente de simulação virtual.
Dentro da simulação dos diferentes níveis de operação que um sistema pode ser modelado
(máquina, linha de plantas, sistema de produção). Os testes de função produzem combinações de
estados dos sensores e outros dados, e o programa do CLP deve responder adequadamente, de modo
que o comportamento do sistema corresponda ao do comportamento esperado ou planeado.
Todos os estados do sistema examinados na simulação pode ser facilmente preparado e ser
desencadeado. Isso simplifica a uma revisão sistemática. O projeto modular do modelo de
comissionamento virtual permite que os testes individuais ou em conjunto de todos os componentes.
3.3. Vantagens e Desvantagens
A utilização de comissionamento exige a entrada de mais variáveis dentro do modelo em
questão, tornando-o assim mais complexo. Com isso, um estudo da empregabilidade do
comissionamento é indispensável para cada projeto.
A produção justifica a necessidade da utilização do comissionamento virtual. Muitas
organizações visam a eficiência dos projetos, procurando diminuir a margem de erro dos mesmos,
erros de implantação, os gastos com replanejamento e adequações provenientes de erros de projeto.
A Tabela 3.3 mostra as principais vantagens e desvantagens de se utilizar o comissionamento
virtual.
42
Tabela 3.3 Vantagens e desvantagens
Autores Vantagens Desvantagens
Peter
Hoffmann
Redução de 75% no tempo de
comissionamento na fábricaExige modelos detalhados
Redução de 50% de retrabalho Expertise em modelagem
Redução de 50% do tempo para início da
produçãoEsforços consideráveis
Zheng Liu
Redução de 70% no tempo de
comissionamento na fábrica
Exige um banco de dados dos
modelos
Detecção de erros antes da etapa final do
projeto
Configuração específica para a
execução do trabalho
3.4. Considerações sobre a revisão da literatura
A análise dos trabalhos publicados sobre comissionamento virtual permite observar que pouca
atenção é dada ao fato do grande esforço necessário para a aplicação dos métodos de CV, apesar de
que vários trabalhos evidenciaram esta característica.
Ainda há pouca informação sobre a aplicação em casos reais é encontrada, de modo que
também não são apresentadas boas práticas para o desenvolvimento de projetos de CV.
Este capítulo mostrou que a ferramenta exige maior esforço na etapa de concepção do projeto,
principalmente para adequar a modelagem e a simulação para receber e enviar sinais ao sistema de
controle e não trabalhada de maneira adequada pode se tornar dispendiosa e custosa sem trazer
resultados significativos para a execução do projeto.
Assim, nos próximos capítulos são apresentados um método para o uso de CV no ciclo de
desenvolvimento de sistemas de produção (capítulo 4) bem como a sua aplicação em um caso real
de uma indústria de embalagens (capítulo 5), visando contribuir para cobrir as lacunas existentes na
literatura atual.
43
4 Método Proposto para Comissionamento de Sistemas Automotizados de
Produção
Este capítulo apresenta a proposta de um método para o comissionamento de sistemas
automatizados de produção. Por se tratar de um sistema automatizado, considera-se que as
interações entre os diferentes dispositivos do sistema de manufatura são gerenciadas por meio de
um sistema supervisório. O sistema supervisório é responsável por coordenar todo o processo de
fabricação, pois é este que define a ação de cada equipamento, determinando as operações que são
executadas e suas sequências. Em um sistema de manufatura, que exige uma grande gama de
equipamentos automatizados, o sistema supervisório é externo aos controladores dedicados dos
robôs e pode ser desenvolvido em qualquer linguagem de programação.
O método proposto foi estabelecido com base numa adaptação do método MPIAS (Melhoria
de Plantas Industriais Auxiliada Por Simulação) para utilizar a ferramenta comissionamento virtual
em projetos de sistemas automatizados. Segundo Gomes (2010), o método MPIAS enfatiza a
aplicação de recursos de simulação, como ferramenta de auxílio ao processo de melhoria de plantas
industriais. O método proposto busca minimizar as incertezas inerentes às configurações do sistema
durante o projeto, de forma a aumentar o nível de conhecimento do mesmo e aprimorar a qualidade
na tomada de decisão para modificações de leiaute fabril, desenvolvimento de uma nova linha de
produção ou aquisições de equipamentos e serviços.
O método proposto está estruturado em quatro etapas, conforme descrito naa Figura 4.16:
Etapa 1 – Definir o Projeto;
Etapa 2 – Analisar o Estado Atual;
Etapa 3 – Elaborar o Modelo Computacional/ Elaborar o Sistema de Controle;
Etapa 4 – Implementar a Solução Otimizada.
44
Figura 4.16 fluxograma proposto para o ciclo de desenvolvimento de sistemas automatizados de produção.
45
O método proposto considera que já foram definidos, pela corporação, os setores da área
produtiva em que o projeto de aplicação de melhoria será realizado. Também é considerado que a
equipe de projeto deve ser composta de no mínimo três integrantes (engenheiro mecânico,
engenheiro eletricista, engenheiro de automação), e que ao menos um integrante desta equipe deve
possuir conhecimentos aprofundados em ferramentas de simulação computacional. Recomenda-se
que os membros do projeto participem de todas as fases da simulação para medição e validação de
modelos, definidas durante a descrição das etapas.
As etapas do método proposto são detalhadas nas próximas seções.
4.1. Etapa 1 – Definir o Projeto
A primeira etapa consiste em definir o projeto. A duração desta etapa pode variar conforme a
complexidade do projeto. Nela ocorrem, necessariamente, as seguintes atividades:
Descrição do sistema a ser analisado;
Definição de datas e procedimentos para o projeto de aplicação;
Definição dos objetivos do sistema;
O responsável pelo projeto faz uma descrição do sistema atual, a qual deve conter as seguintes
características: recursos produtivos, disposição dos recursos, número de operadores, turnos etc.
Todas as dúvidas são discutidas pelo time até que sejam esclarecidas. Caso a célula de manufatura
inexista, ou seja, será desenvolvida uma nova linha de produção, o responsável da empresa deve
informar as pretensões de produtividade para a equipe de projeto realizar as próximas etapas. Nessa
situação não haverá validação da simulação do estado atual, pois não existe uma célula real na qual
possa se comparar. Seguindo essa premissa a etapa 2 é descartada.
Especialistas no sistema analisado (supervisores, líderes do processo ou analistas de produção)
são escolhidos para, juntamente com a equipe desenvolvedora do projeto, fazerem parte da equipe
para validação de modelos. Estes participarão em praticamente todo o desenvolvimento deste
projeto, tendo a função de analisar os modelos elaborados ao longo das etapas. Além disso, Caso a
empresa na qual será executada o projeto não possua todos os dados necessários para analisar o
estado atual uma equipe de medição é formada e designada para a coleta de dados.
46
A principal função nesta etapa é buscar o entendimento do sistema analisado, os objetivos do
projeto e da simulação com o comissionamento virtual, junto aos especialistas deste sistema.
A Tabela 4.4 apresenta o resumo desta etapa.
Tabela 4.4 Resumo da Etapa 1- Definir o Projeto.
Entradas Necessidades da Corporação;
Equipe de projeto definida.
Saídas
Equipe de validação de modelos formada;
Equipe de medição formada;
Descrição do sistema a ser trabalhado;
Objetivos do trabalho especificados.
4.2. Etapa 2 – Analisar o Estado Atual
Esta pode variar conforme a complexidade do projeto. A análise do estado atual é constituída
pelas atividades:
Mapear os processos;
Identificar as oportunidades de melhoria e elaborar plano de ação;
Coletar dados operacionais (planta baixa, recursos utilizados, sequência de processo,
tempos de produção, métodos e movimentos) do sistema a ser analisado.
4.2.1. Mapear o processo
Nesta atividade, as informações de sequência de processo, recursos operacionais, assim como
as interações do sistema, são representados por meio de uma técnica de modelagem de processos
escolhida, sem o auxílio das folhas de processo arquivadas. Isso é necessário para a obtenção da
descrição do Estado Atual do sistema produtivo. O responsável por esta atividade deve ser o
analista de simulação.
47
Este mapeamento também auxilia na obtenção do modelo conceitual, elaborado pelo analista
de simulação. Os modelos obtidos são validados pela equipe de validação de modelos, ainda
durante a realização da atividade.
4.2.2. Coletar Dados Operacionais
Uma vez alcançado o consenso sobre a sequência de atividades do processo, as medições são
realizadas por meio cronoanálise pela equipe de medição.
A coleta dos dados probabilísticos (tempos de abastecimento, tempos de ciclo de operações,
dentre outros) utilizado no modelo computacional, é supervisionada pelo analista de simulação. Este
também é responsável pelo tratamento de dados coletados (resultados da cronoanálise) e inferência
estatística.
O modelo computacional nesta etapa será necessário de acordo com a magnitude do projeto.
Em outras palavras, depende da complexidade e do volume de informações fornecido do sistema
produtivo analisado. Caso haja a necessidade do modelo computacional nesta etapa a representação
do modelo conceitual deve estar coerente com o funcionamento do sistema real antes do início da
próxima etapa.
4.2.3. Identificar oportunidades de melhoria e elaborar planos de ação
Nesta etapa devem ser identificadas as oportunidades de melhoria no sistema produtivo em
análise, por cada membro da equipe.
Cada etapa do processo produtivo é descrito, filmado (quando necessário), documentado e
apresentado ao restante do time. Após a análise dos desperdícios e da apresentação de sugestões de
melhoria, é elaborado um plano de ação.
O plano de ação pode envolver desde o desenvolvimento de componentes únicos
automatizados até a automação do sistema fabril como um todo.
A Tabela 4.5 apresenta o resumo desta etapa.
Tabela 4.5 Resumo da Etapa 2- Analisar o Estado Atual.
48
Entradas Dados de recursos de produção;
Dados de sequência processo;
Objetivos do trabalho especificados.
Ferramentas e Técnicas utilizadas
Cronoanálise;
Reuniões;
Fluxogramas;
Aplicativos de simulação a eventos discretos.
Saídas
Dados de tempos de produção tratados;
Dados de sequência de processos validada;
Dados de recursos disponíveis no sistema;
Modelo conceitual do Estado Atual validado;
Modelos do Estado Atual elaborados;
Plano de ação definido.
4.3. Etapa 3 - Elaborar o Modelo Computacional/ Elaborar o Sistema de Controle
Nesta etapa será executada duas atividades distintas, as atividades de elaborar o modelo
computacional e elaborar o sistema de controle, estas atividades deverão ocorrer simultaneamente
pois ao final de cada uma dessas atividades irão se interagir para a execução do CV.
O modelo computacional da solução proposta é desenvolvido por membros da equipe na área
da mecânica, já o sistema de controle é desenvolvido por membros da equipe na área da elétrica e
de automação. O sistema de comissionamento aplicado ao modelo computacional é desenvolvido
para atender aos seguintes condicionamentos operacionais:
CV de Máquina
CV de Linha de Produção
CV de Sistema de Produção
49
4.3.1. Comissionamento Virtual de máquina
Nesta atividade será desenvolvido os componentes a serem fabricados para o sistema, assim
como a construção do dispositivo de controle e o desenvolvimento da programação para o
funcionamento de cada componente, de preferência em uma mesma linguagem de controle. Para
cada etapa desta atividade é necessário ao menos um especialista de programação, de modelagem
de dispositivo e de construção do sistema de controle.
Depois de finalizada a modelagem e a programação de cada dispositivo a equipe de projeto
deve se reunir para definir e declarar as variáveis necessárias para o funcionamento correto do
dispositivo conforme sua programação. As variáveis são inseridas na modelagem de cada
componente, sendo que cada variável inserida deve possuir o mesmo nome declarado na
programação do sistema de controle. Com as variáveis de controle inseridas na modelagem do
componente, é possível testar o comportamento do componente em si conforme a programação. Ao
término desta atividade, pode-se iniciar o processo de fabricação dos componentes simulados.
4.3.2. Comissionamento Virtual da linha de produção
Com a modelagem e a programação de cada dispositivo da linha gerada a equipe tem recursos
suficientes para projetar e analisar uma linha automatizada.
Nesta atividade o engenheiro mecânico simulará a linha projetada pela equipe utilizando os
componentes previamente modelados. Os engenheiros eletricistas e de automação farão proveito da
programação de cada dispositivo elaborado para desenvolver um sistema de controle para a linha.
Assim como na etapa anterior, depois de finalizada a simulação da linha e a programação do
sistema de controle da linha a equipe de projeto deve se reunir para definir e declarar as variáveis
necessárias para o funcionamento correto da linha de produção conforme sua programação. As
variáveis são inseridas na simulação, sendo que cada variável inserida deve possuir o mesmo nome
declarado na programação do sistema de controle.
Com as variáveis de controle inseridas na simulação, é possível testar o comportamento da
linha desenvolvida conforme a programação. Em paralelo é possível testar alguns componentes que
já estejam prontos ou que foram adquiridos através de compra, estes componentes receberão o
mesmo sinal enviado para a simulação.
50
Ao término desta atividade a equipe de projeto terá dados para avaliar toda a linha de
produção para decisões futuras, como por exemplo, verificar a viabilidade de instalação da linha
projetada.
4.3.3. Comissionamento Virtual do sistema de produção
Após a modelagem computacional no aplicativo de software, e a simulação gráfica de robôs
realizada, os resultados são validados pela equipe de validação de modelos.
Nesta atividade a equipe de projeto usará os dados da simulação gráfica para abastecer a
simulação a eventos discretos de todo o sistema, dessa maneira avaliar com precisão o impacto da
implementação da nova linha automatiza de produção.
Além disso, a equipe poderá avaliar na simulação o comportamento do sistema de controle da
linha perante o sistema supervisório que controla todo o sistema de produção.
A Tabela 4.6 apresenta o resumo desta etapa.
Tabela 4.6 Resumo da Etapa 3- Elaborar o Modelo Computacional/ Elaborar o Sistema de Controle.
Entradas
Dados de tempos de produção tratados;
Dados de sequência de processos validada;
Dados de recursos disponíveis no sistema;
Modelo conceitual do Estado Atual validado;
Modelos do Estado Atual elaborados;
Plano de ação definido.
Ferramentas e Técnicas utilizadas
Aplicativos de simulação a eventos discretos;
Aplicativos de simulação gráfica de robôs;
Aplicativos de modelagem CAD;
Aplicativos de programação.
Saídas Modelo conceitual do Estado Futuro validado;
Modelos do Estado Futuro elaborados;
51
Programação do sistema de controle verificado.
4.4. Etapa 4 – Implementar a Solução Otimizada
Ao início desta etapa, a representação do modelo conceitual deve estar coerente com o
funcionamento do sistema real.
Com os objetivos da simulação verificados e validados, a equipe de projeto implementa a
solução desenvolvida no sistema produtivo. O projeto desenvolvido é instalado na empresa para
testes finais envolvendo o sistema de controle com os componentes reais (comissionamento real).
Tabela 4.7 Resumo da Etapa 4- Implementar a Solução Otimizada.
Entradas Modelo conceitual do Estado Futuro validado;
Modelos do Estado Futuro elaborados;
Programação do sistema de controle verificado.
Ferramentas e Técnicas utilizadas Sistema de controle;
Componentes.
Saídas Montagem da linha no sistema de produção.
4.5. Considerações sobre o método proposto
O método proposto descrito anteriormente tem como fundamento a utilização de ferramentas
de modelagem e análise de processos antes da aplicação das ferramentas de comissionamento
virtual. Entende-se que isso é de fundamental importância, pois a aplicação e CV requer um enorme
esforço para aplicação, e tal esforço deve ser concentrado em sistemas otimizados.
Este método traz a importância da interação da equipe para reduzir o esforço gasto para a
execução do CV. Esta interação permitirá uma melhor comunicação entre as ferramentas
computacionais utilizadas e o sistema de controle.
52
53
5 Aplicação do método proposto
Este capítulo apresenta a aplicação do método proposto no capítulo anterior, com o objetivo
de demonstrar a sua aplicabilidade e utilização, dentro do contexto do processo de manufatura.
A aplicação do método foi feita em uma corporação atuante no segmento de manufatura de
embalagens. Atualmente o processo de fabricação de tampas de alumínio da empresa é
essencialmente automatizado, porém em sua fase final, onde ocorre o acondicionamento e a
paletização de tampas de alumínio, ainda ocorre um processo manual.
A mesma sequência de etapas descritas no Capítulo 4 foi utilizada para a execução do projeto
de uma célula de manufatura de embalagens.
5.1. Etapa 1 – Definir o Projeto
Esta etapa é caracterizada por reuniões cujas pautas incluem:
A descrição do sistema analisado;
A definição das equipes de medição e de validação de modelos;
A definição de datas e procedimentos para o projeto de aplicação;
Definição dos objetivos da simulação;
O planejamento do processo de simulação.
Este projeto, denominado AutoBagger, foi realizado com o objetivo de otimizar e flexibilizar
o processo de acondicionamento de tampas por meio da automação. Para atingir esses objetivos, foi
importante que todos os membros da equipe possuam o entendimento sobre a célula de manufatura
analisada.
O sistema analisado é uma célula de manufatura, o procedimento de acondicionamento e
paletização de tampas de alumínio consistem em inserir a embalagem no bocal de saída, aguardar o
carregamento (etapa feita automaticamente pela máquina), retirar a embalagem carregada, realizar a
54
compactação das tampas dentro da embalagem, realizar a dobra da embalagem e colocação da fita
para lacre, e depositar a embalagem lacrada no pallet. Essa sequência de operações deve ser
finalizada com um tempo de ciclo de 40 segundos. Há dois operadores trabalhando em turnos de
duas horas. Estas informações são utilizadas para melhor entendimento do processo.
Ao final desta etapa foi estabelecido um cronograma, definido pela equipe de projeto e pela
equipe de validação de modelos. Para a sua elaboração, o cronograma considera a sequência de
etapas proposta no capítulo anterior. Etapa 2 – Analisar o Estado Atual
Esta etapa foi caracterizada por atividades no chão-de-fábrica e reuniões para a análise do
estado atual da célula de manufatura. As atividades realizadas foram:
Mapear o processo analisado;
Coletar dados operacionais;
Identificar oportunidades de melhoria e elaborar plano de ação.
5.1.1. Mapear o processo analisado
A equipe de projeto mapeou o processo, e posteriormente recorreu ao responsável da empresa
para dirimir dúvidas existentes. Esta equipe, ao fim desta etapa, analisou e validou os processos
mapeados.
A sequência de atividades realizadas na linha de produção foi modelada por meio de
fluxogramas. Essa representação foi escolhida por ser a mais simples e de conhecimento de toda a
equipe.
As etapas de funcionamento do sistema são:
Capturar a embalagem vazia armazenada em um magazine;
Inserir a embalagem na linha;
Retirar a embalagem com as tampas;
55
Realizar o processo de dobra da embalagem;
Colar a fita para fechar a embalagem;
Depositar o pacote fechado no pallet;
5.1.2. Coletar dados operacionais
Nesta etapa a equipe de projeto foi ao chão de fábrica para recolher todos os dados referentes
ao processo atual. Esta etapa foi caracterizada por atividades realizadas pelo analista de simulação e
também por reuniões da equipe e validação de modelos, com o objetivo de analisar a situação atual,
por meio de simulação.
Uma vez que o mapeamento do processo foi validado pela equipe de validação de modelos e
que os dados operacionais foram coletados pela equipe de medição, o analista de simulação utilizou
estas informações para a elaboração do modelo computacional da célula de manufatura.
A simulação realizada foi a eventos discretos, terminal, dinâmica, para modelos
determinísticos e para modelos estocásticos. O aplicativo de simulação utilizado para esta análise
foi o Plant Simulation - Siemens™.
Através do aplicativo Plant Simulation, é feita uma simulação a eventos discretos do processo
atual com todas as restrições e os requisitos da linha.
5.1.3. Identificar oportunidades de melhoria e elaborar plano de ação
Esta é uma atividade típica de processos de melhoria. O time de projeto foi ao chão-de-
fábrica para identificar as oportunidades de melhoria e as restrições para o sistema automatizado, e
posteriormente definir as ações a serem tomadas. As restrições encontradas foram:
Sistema automatizado deve ser flexível para atender diferentes produtos;
A célula de manufatura automatizada deve impactar o sistema produtivo existente de
forma mínima;
A automação deve atender a todas as etapas da operação;
56
A automação deve ser capaz de trabalhar com a embalagem de tampas de alumínio atual;
Caso haja alguma falha, a célula automatizada deve possibilitar a continuidade do
trabalho manual;
Deve ter o mínimo de ação humana no processo (abastecimento de embalagens);
A célula automatizada deve ocupar uma área de no máximo81m2.
Para que o sistema seja automatizado e flexível, foi proposto o uso de manipuladores
robóticos com seis graus de liberdade para movimentação e um ferramental acoplado ao punho do
robô para realizar as funções de manuseio das embalagens. A característica de cinemática aberta
encontrada neste tipo de equipamento proporciona mais liberdade de movimentação e maior volume
de trabalho, na comparação com os robôs de cinemática fechada. Uma representação de
manipulador é representada através da Figura 5.17.
Figura 5.17. Manipulador robótico com seis graus de liberdade
5.2. Etapa 3 - Elaborar o Modelo Computacional/ Elaborar o Sistema de Controle
57
Identificado o plano de ação e os requisitos da célula de manufatura, a equipe se dividiu para a
execução das etapas de comissionamento virtual. O sistema de comissionamento aplicado ao
modelo computacional foi desenvolvido para atender aos seguintes condicionamentos operacionais:
CV a Nível de Máquina
CV a Nível de Linha de Produção
CV a Nível de Sistema de Produção
5.2.1. Comissionamento Virtual a nível de máquina
Nesta etapa foi iniciado o projeto detalhado deste e dos outros dispositivos do sistema. O
projeto detalhado consiste em elaborar os desenhos de fabricação dos componentes, diagramas de
conexões elétricas e pneumática e detalhamento do processo de montagem do ferramental.
O ferramental foi projetado com a característica de multifuncionalidades, estas características
visam sua compactação e flexibilização para que o processo possa ser utilizado com diferentes
produtos. O ferramental possui três funções: função de captura da embalagem vazia, função de
retirada da embalagem com as tampas e a função de dobra da embalagem. Outro atributo inserido
foi a troca automática do ferramental em caso de manutenção ou falhas.
1. A função de retirada da embalagem vazia é um sistema constituído de três ventosas de
poliuretano com 30mm de diâmetro em fole com 1,5 dobras, são presas a uma haste de
perfil de alumínio, fixada ao corpo do ferramental. As ventosas realizam a sucção por
meio de uma bomba de vácuo. Este sistema é responsável por retirar a embalagem do
magazine e posiciona-la na extremidade da linha. A Figura 5.18, mostra o projeto
conceitual do sistema de retirada das embalagens do magazine.
Figura 5.18 Projeto conceitual do sistema de retirada da embalagem do magazine
58
2. A função de retirada da embalagem com tampas é composta por três garras
pneumáticas, cada uma com dois mordentes paralelos. Devido à proposta de
multifuncionalidade o conjunto de pinças possui um atuador para modificação de sua
posição, e este atuador possui as especificações de dupla ação. Essa função é
caracterizada por possuir três acionamentos: acionamento do cilindro de deslocamento,
acionamento de duas pinças em paralelo para travamento da embalagem no
ferramental e o acionamento individual da terceira pinça para auxiliar no processo de
dobra. A Figura 5.19, mostra o projeto conceitual do sistema de retirada da embalagem
com as tampas.
Figura 5.19 Projeto conceitual do sistema de retirada da embalagem com as tampas
3. A função de dobra é o sistema mais complexo dentre as três funções. Consiste em
cinco atuadores pneumáticos de dupla ação. Possui dois rolos de nylon que suavizam
os movimentos da dobra. Cada atuador gera um sinal para representar o avanço e o
recuo de suas ações. A Figura 5.20, ilustra o projeto conceitual do sistema de dobra.
59
Figura 5.20 Projeto conceitual do sistema de dobra
Apesar dos três sistemas poderem trabalhar independentemente, eles foram projetados
para atuarem de forma conjunta, assim não há a necessidade de interromper o processo
em nenhum momento, tornando o sistema mais ágil e prático para sua finalidade. A
Figura 5.21, mostra o ferramental em quatro posicionamentos distintos de acordo com
suas funções.
Figura 5.21 Principais posições
60
5.2.1.1. Sinais de comunicação
Cada dispositivo modelado precisa de sinais para que haja uma interação entre eles e o
sistema de controle. Para haver essa comunicação na fase de simulação, cada dispositivo modelado
possui um conjunto de sinais distribuídos em entradas e saídas. Para o ferramental foram precisos
nove sinais diferentes, conforme orientação da Tabela 5.8.
Tabela 5.8 Sinais criados no ferramental modelado
Saídas Descrição Entradas Descrição
c1_aComando para avanço do
cilindro 1binicio Botão para iniciar o ciclo
c1_rComando para recuo do
cilindro 1det_pac Detector do vácuo
c2_aComando para avanço do
cilindro 2s_c1_a
Sinal de avanço do cilindro 1
c2_rComando para recuo do
cilindro 2s_c1_r
Sinal de recuo do cilindro 1
c3_aComando para avanço do
cilindro 3s_c2_a
Sinal de avanço do cilindro 2
c3_rComando para recuo do
cilindro 3s_c2_r
Sinal de recuo do cilindro 2
c4_aComando para avanço do
cilindro 4s_c3_a
Sinal de avanço do cilindro 3
c4_rComando para recuo do
cilindro 4s_c3_r
Sinal de recuo do cilindro 3
c5_aComando para avanço do
cilindro 5s_c4_a
Sinal de avanço do cilindro 4
c5_rComando para recuo do
cilindro 5s_c4_r
Sinal de recuo do cilindro 4
g1_aComando para abertura da
garra 1s_c5_a
Sinal de avanço do cilindro 5
g1_fComando para fechamento da
garra 1s_c5_r
Sinal de recuo do cilindro 5
g2_aComando para abertura da
garra 2s_linha_desligado
Sinal de sincronização com a linha de produção
g2_fComando para fechamento da
garra 2s_linha_ligado
sinal_lacre_desligadoComando para desligar o sinal de inicio do sistema de lacre
s_g1_aSinal de abertura da garra
1
sinal_lacre_ligadoComando para ligar o sinal de
inicio do sistema de lacres_g1_f
Sinal de fechamento da garra 1
sopro_desligadoComando para desligar o
sopro de ars_g2_a
Sinal de abertura da garra 2
sopro_ligadoComando para ligar o sopro
de ars_g2_f
Sinal de fechamento da garra 2
vacuo_desligadoComando para desligar o
vácuovacuo_ligado Comando para ligar o vácuo
61
Os sinais virtuais modelados foram utilizados para o funcionamento dos componentes do
ferramental, e podem ser visualizados através do diagrama de ligação da Figura 5.22.
Figura 5.22 Exemplo de diagrama de conexões pneumáticas
5.2.2. Comissionamento Virtual a nível de linha de produção
O sistema de controle baseou-se na utilização de um CLP, para supervisionar a célula
robótica. Este dispositivo realizou tarefas de monitoramento e controle do manipulador robótico,
sequenciamento, operações e controlou os dispositivos acoplados ao punho do manipulador. Esta
solução se caracteriza por utilizar uma linguagem característica do fabricante do CLP e a utilização
de módulos digitais (Entradas e Saídas), acoplados ao controlador, para controle e monitoramento
dos dispositivos da linha. Para este estudo de caso foi utilizada uma sequência de instruções que
realizou as ações de movimentação do manipulador e acionamentos dos dispositivos para execução
das tarefas referentes ao processo de paletização das tampas. O sistema proposto se comportou
como um sistema a eventos discretos, onde temos eventos e estados determinando a sequência de
62
operações. A programação do sistema de controle pode ser observada através do fluxograma macro
da Figura 5.23. A programação mais detalhada das sete etapas é vista da Figura 5.24 até a Figura
5.30.
Figura 5.23 Sequência de etapas
A etapa 1 consiste na programação necessária para que o ferramental retire a embalagem de
papel de um magazine definido pela empresa.
63
Figura 5.24 Sequência de etapa 1
A etapa 2 refere-se à programação necessária para inserir a embalagem de papel em sua
devida posição.
Figura 5.25 Sequência de etapa 2
Após a execução das etapas 1 e 2 a programação deve aguardar um sinal do sistema para que
o robô e o ferramental possam dar prosseguimento as atividades.
64
Figura 5.26 Sequência de etapa 3
Após validar o sinal enviado do sistema o robô com o ferramental retira-se a embalagem cheia
da linha.
Figura 5.27 Sequência de etapa 4
Com o manipulador em um local seguro o ferramental inicia a atividade de dobra do papel,
para que o produto não saia da embalagem.
65
Figura 5.28 Sequência de etapa 5
Finalizado o processo de dobra do papel o sistema emite um sinal para que o manipulador
robótico leve a embalagem cheia a um local destinado a lacrar o papel.
Figura 5.29 Sequência de etapa 6
66
Após o término de todos os procedimentos de lacre o produto é movido para a paletização.
Figura 5.30 Sequência de etapa 7
Cumpridas as necessidades técnicas descritas anteriormente, segue-se para o desenvolvimento
do projeto, que inicialmente abrange a obtenção e preparação do modelo virtual da planta a ser
simulada para isso, reúne-se a modelagem dos dispositivos, os sinais projetados, e a programação
do sistema de controle.
O sistema foi monitorado pelos sensores virtuais distribuídos na célula de trabalho virtual e
variáveis de comunicação virtuais que identificaram os status do manipulador (posição atual, tarefa
em execução) além de outros dispositivos da linha.
A simulação das sequências de operações mostrou a forma como são executadas as operações,
que vão da retirada da embalagem do magazine até a paletização. Segue um fluxo da simulação da
célula de trabalho e o controle da linha por meio de I/O´s, conforme Figura 5.31.
67
Figura 5.31 Comissionamento virtual a nível de linha de produção do projeto de acondicionamento de tampas
68
5.2.3. Comissionamento Virtual a nível de sistema de produção
Após a simulação de linha ser verificada e analisada nas três áreas (mecânica, elétrica e
automação) foi necessária uma análise mais macro, ou seja, avaliar como será o comportamento da
linha no sistema de manufatura. A simulação a eventos discretos feita nas etapas anteriores auxilia
nesta análise.
Anteriormente a simulação a eventos discretos foi utilizada apenas para definir os tempos de
ciclo que a célula automatizada deveria ter para atender o sistema. Porém nesta fase a simulação foi
abastecida também com o sistema de controle e as variáveis de comunicação virtuais. Isso permitiu
testar o comportamento da programação da célula perante o sistema como um todo. Segue um fluxo
da simulação do sistema de produção e o controle do sistema por meio de I/O´s, conforme Figura
5.32.
Figura 5.32 Comissionamento virtual a nível de sistema de produção do projeto de acondicionamento de tampas
69
5.3. Considerações sobre o estudo de caso
A simulação esquemática de sistemas pneumáticos com simuladores de PLCs mostra-se uma
forma prática de verificação de programa de sequencias automatizada, mas não permite a
verificação da interação entre as geometrias dos mecanismos nas células de manufatura.
A simulação da célula de manufatura virtualizado no CAD com o PLC simulado, SiL, permite
a verificação das interferências e colisões que poderão ocorrer entre os mecanismos, mas nem
sempre o sistema de controle simulado tem o mesmo comportamento do PLC real.
A simulação do PLC real com o sistema virtualizado no CAD e na simulação permite uma
verificação confiável do algoritmo de controle.
12
6 Conclusão
Este trabalho atingiu o objetivo de propor um método para aplicação CV no processo de
sistemas de produção automatizados e também possibilitou evidenciar a importância da utilização
de técnicas de CV em projetos de células de manufatura.
Este capítulo aborda as conclusões deste trabalho, segundo os três tópicos:
Aumento do nível de conhecimento do comportamento da célula de manufatura – na
simulação dos estados atual e futuro foram demonstrados para a equipe os pontos de
restrição do sistema de produção. A possibilidade desse tipo de visualização facilita
entendimento do sistema em análise e gera discussões com mais propriedade entre os
membros do time;
Maiores informações sobre o comportamento do Estado Futuro da CM – O CV permite
avaliar as imperfeições da programação do sistema de controle logo no início do projeto,
essa forma de trabalho garante tempo para possíveis correções a fim de que ao final do
projeto a programação esteja robusta o suficiente para implementação no sistema de
manufatura. A análise da programação ainda na fase de simulação evita possíveis
colisões na fase de implementação, além disso, quando a programação não é executada
de forma correta evita a procura excessiva por erros. Esta redução dá-se ao fato dos
componentes não serem físicos, ou seja, não há problema de mau funcionamento dos
equipamentos ou dos mesmos terem sido ligados de maneira incorreta;
Acesso às informações – O CV busca a estruturação das informações das áreas
mecânicas e elétricas e da programação para que elas fiquem acessíveis de forma
explícita desde o início do projeto, podendo assim, ser armazenadas em um banco de
dados e posteriormente transmitidas para o sistema através de regras ou informações
adicionais a todos os envolvidos no instante em que se inicia um novo projeto. O
armazenamento do banco de dados faz com que o comissionamento virtual seja uma
ferramenta muito útil a médio e longo prazo, quando esta biblioteca estiver abastecida
com informações do CAD e da programação de cada dispositivo. Como linha de
aplicação um modelo de fluxo é apresentado para representar o processo de
armazenamento, conforme Figura 6.33.
13
Figura 6.33 Comissionamento virtual e o abastecimento do banco de dados
Ao empregar o método proposto neste trabalho na fase de planejamento, o CV apresenta
vantagens consideráveis ao ponto de justificar a empregabilidade em projetos industriais. Estas
vantagens atingem áreas diferentes do projeto, são elas:
Maior integração entre áreas técnicas distintas envolvida no projeto;
Menor tempo de Debug dos sistemas de controle;
Diminuição em erros de projeto;
14
Menor tempo entre o projeto e execução;
Diminuição de custos envolvidos com alterações do projeto em faze de execução;
Suporte a melhoria continua;
A utilização do mesmo método cria por sua vez algumas desvantagens, mesmo com as
desvantagens, sendo elas:
Alto nível de conhecimento das tecnologias empregadas;
Incompatibilidade entre versões de sistemas de controle;
Controle sobre variáveis (quando aplicado em linha ou sistema de manufatura);
Falhas no sincronismo dos sistemas envolvidos;
O método proposto é adequado somente na automação de um sistema de manufatura ou no
desenvolvimento automatizado de um novo sistema de manufatura. O método eleva os resultados da
utilização do CV pois evita retrabalhos e faz com que a equipe de projeto se interaja desde a fase
inicial.
A utilização do CV pode ser realizada em quaisquer níveis apresentado neste trabalho, porém
os sistemas que apresentam melhores resultados e menos dificuldades tecnológicas e de controle é o
CV em máquinas ou linhas.
Para que a empregabilidade do CV seja mais eficaz, é ideal que o mesmo seja planejado na
fase inicial do projeto, pois, devido ao grande número de variáveis envolvido em sua utilização,
aplica-lo em sistemas existentes pode ser mais complexo devido as restrições existentes e por
motivos diversos podem ser variáveis imutáveis, por sua vez pode dificultar a implementação e
utilização do CV.
6.1. Trabalhos futuros
Os seguintes trabalhos são propostos como atividades futuras:
15
Utilização do CV como sistema supervisório: Estudo sobre a utilização do CV como
forma de sistema supervisório empregado a maquina, célula, linha ou sistema de
manufatura;
Kaizen com auxílio do CV: Estudo para utilização do CV como apoio para prática do
Kaizen dos processos de manufatura;
Criação de métodos para aplicar CV: Um estudo para criação de métodos pré-
estabelecidos para aplicação e funcionamento do CV;
Comissionamento virtual baseado em linguagem gráfica e fluxo de dados: A ferramenta
comissionamento virtual em sua utilização está remetida apenas a uso de CLPs. Uma
abordagem interessante é utilizar o método de comissionamento virtual com uma
linguagem gráfica de fluxo de dados, de desta forma fazer testes mais incisivos na
programação do sistema de controle e torna-lo mais robusto.
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