tecnologias da informação no chão de fábrica
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PETTINI, Daniel; LIMA, Jacques; SANTOS, Verônica. Tecnologias da informaçãono chão de fábrica. 2011. Pesquisa (Graduação em Engenharia da Computação) –Faculdade Área1, Salvador.TRANSCRIPT
FACULDADE DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA - ÁREA1
TECNOLOGIAS DA INFORMAÇÃO NO CHÃO DE FÁBRICA
SALVADOR
2011
DANIEL SANTOS DA COSTA
JACQUES JEFFERSON LEÃO LIMA
VERÔNICA LUZIA REIS SANTOS
TECNOLOGIAS DA INFORMAÇÃO NO CHÃO DE FÁBRICA
Trabalho de Automação de Processos de Manufatura apresentado no curso de Engenharia da Computação da Faculdade Área1, como requisito parcial para obtenção da nota da primeira unidade do semestre de 2011.2. Professor: Renato de Sousa Cabral
SALVADOR
2011
Analisar as informações é ter compromisso com a
empresa, é ter a consciência de que tudo que é
bom pode ser melhorado. [Daniel Pettini]
RESUMO
PETTINI, Daniel; LIMA, Jacques; SANTOS, Verônica. Tecnologias da informação
no chão de fábrica. 2011. Pesquisa (Graduação em Engenharia da Computação) –
Faculdade Área1, Salvador.
Este trabalho apresenta as tecnologias de informação envolvidas nos
Sistemas de Execução de Manufatura (MES), tendo como ponto de partida a
informação no chão de fábrica. Estas informações estão baseadas nos sistemas de
controle e automação das indústrias, utilizando equipamentos de controle como os
Controladores Lógicos Programáveis (CLP’s), Sistema de Aquisição de Dados,
Controle Estático de Processos (CEP), Controle Numérico Computadorizado (CNC),
Sistema Digital de Controle Distribuído (SDCD) e Célula Flexível de Manufatura
(FMS). São apresentandos suas definições, conceitos e aplicação, enfocando a
integração dos dados nos diversos níveis de fábrica, objetivando o levantamento de
informações para um melhor controle e integraçao dos processos.
Palavras-Chave: Tecnologia da Informação, Chão de Fábrica, Integração dos
Processos.
ABSTRACT
PETTINI, Daniel; LIMA, Jacques; SANTOS, Verônica. Information Technology on
the factory floor. 2011. Research (Undergraduate in Computer Engineering) -
College Area1, Salvador.
This paper presents the information technologies involved in the
Manufacturing Execution Systems (MES), taking as its starting point the information
on the factory floor. This information is based on control systems and automation
industries, using control equipment such as programmable logic controllers (PLC's),
System Data Acquisition, Control Static Process (CEP), Computer Numeric Control
(CNC), Digital System Distributed Control (DCS) and Flexible Manufacturing Cell
(FMS). Apresentandos are their definitions, concepts and application, focusing on
data integration at different levels of plant, aiming at collecting information to better
control and integration processes.
Keywords: Information Technology, Plant Floor, Process Integration.
SUMÁRIO
RESUMO................................................................................................................... 03
ABSTRACT ............................................................................................................... 04
LISTA DE FIGURAS ................................................................................................. 07
LISTA DE ABREVIATURAS ..................................................................................... 08
1 INTRODUÇÃO ...................................................................................................... 09
2 DESENVOLVIMENTO DAS TECNOLOGIAS ....................................................... 10
3 SISTEMA DE INFORMAÇÃO DE CHÃO DE FÁBRICA ....................................... 11
4 CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL ....................................................... 12
4.1 Definição ....................................................................................................... 12
4.2 Arquitetura ..................................................................................................... 12
4.2.1 O Hardware do CLP ...................................................................................... 13
4.2.2 O Software do CLP ....................................................................................... 13
4.3 Aplicação ....................................................................................................... 14
5 SISTEMAS DE AQUISIÇÃO DE DADOS .............................................................. 15
5.1 Definição ....................................................................................................... 15
5.2 Elementos Funcionais dos Sistemas de Aquisição ....................................... 15
5.2.1 Sensores e Transdutores .............................................................................. 15
5.2.2 Condicionamento de Sinal ............................................................................. 16
5.2.3 Equipamento de Medição .............................................................................. 17
5.2.4 Software de Medição e Aquisição de Dados ................................................. 18
5.2.5 Computador ................................................................................................... 18
6 CONTROLE ESTÁTICO DE PROCESSO ............................................................. 19
6.1 Definição ....................................................................................................... 19
6.2 Aplicação ....................................................................................................... 19
7 CONTROLE NUMÉRICO COMPUTADORIZADO ................................................. 22
7.1 Definição ....................................................................................................... 22
7.2 Aplicação ....................................................................................................... 22
7.3 Vantagens ..................................................................................................... 23
8 SISTEMA DIGITAL DE CONTROLE DISTRIBUÍDO ............................................ 24
8.1 Definição ....................................................................................................... 24
8.2 Aplicação ....................................................................................................... 24
9 CÉLULA FLEXÍVEL DE MANUFATURA ............................................................. 26
9.1 Definição ....................................................................................................... 26
9.2 Aplicação ....................................................................................................... 26
9.2.1 Armazenamento ............................................................................................ 27
9.2.2 Operação ....................................................................................................... 28
9.2.3 Transporte ..................................................................................................... 28
9.2.4 Inspeção ........................................................................................................ 29
10 CONCLUSÃO ...................................................................................................... 30
11 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................... 33
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Diagrama de blocos simplificado de um CLP ........................................... 08
Figura 2 – Controle utilizando o CLP ......................................................................... 09
Figura 3 – Diagrama funcional de um sistema de aquisição baseado em um
computador pessoal .................................................................................................. 11
Figura 4 – Esquema de um transdutor elétrico.......................................................... 12
Figura 5 – Exemplo de condicionamento de sinal: amplificação e filtragem ............. 12
Figura 6 – Exemplo de equipamentos de medição e conversores digitais ................ 13
Figura 7 – Estratégia para melhorias no controle estatístico de processos .............. 17
Figura 8 – Ligação de processos em uma célula de manufatura .............................. 23
Figura 9 – Exemplo de sistemas de transporte nas FMS .......................................... 25
LISTA DE ABREVIATURAS
ERP Enterprise Resources Planning
FIS Factory Information Systems
CLP Programmable Logic Controller
CEP Static Control Process
CNC Computer Numeric Control
SDCD Distributed Digital Control System
FMS Flexible Manufacturing Cell
9
1 INTRODUÇÃO
Uma empresa manufatureira voltada à produção de bens de consumo é
composta por diversas áreas que possuem suas respectivas funções, as quais, em
conjunto, geram o produto final. Dentre estas áreas, podemos citar a de produção,
onde são obtidos os produtos finais da empresa através da montagem e/ou
transformação da matéria-prima. Logo, chão de fábrica é a nomenclatura usada por
engenheiros, arquitetos e designers para designar conhecimento das técnicas e
materiais de produção de uma fábrica.
Para que o chão de fábrica possa ser conduzido e aperfeiçoado, o seu
administrador necessita do maior número de informações possíveis para que as
tomadas de decisões não sejam fruto de intuição. Alguns gerentes questionam essa
deficiência em suas empresas e estão necessitando e apoiando projetos que tratam
da medição de desempenho de suas fábricas (AMARATUNGA e BALDRY, 2002).
Diante deste conceito, este trabalho tem como objetivo elucidar os sistemas
de informação utilizados nos processos de chão de fábrica, abordando seus
sistemas de controle e aquisição de dados, para o levantamento de informações,
visando ganhos estratégicos nos processos produtivos.
10
2 DESENVOLVIMENTO DAS TECNOLOGIAS
O surgimento do chão de fábrica, setor de produção, ocorreu a partir da
Revolução Industrial no final do século XVIII. Neste momento, o modo de produção
artesanal deu lugar ao regime de produção mecanizada em massa. Essa mudança
permitiu que a produção fosse feita com mais rapidez e padronização, reduzindo
custos. A partir daí este setor passou a sofrer transformações buscando sempre o
aprimoramento da produção (CHIAVENATO, 1983).
Uma das mudanças no ambiente de produção foi a implementação de
sistemas de planejamento de recursos empresariais (ERP – Enterprise Resources
Planning). No final do século passado, houve uma significativa quantidade de
investimentos em softwares, computadores e periféricos. As empresas
argumentavam que, visto que grandes investimentos em tecnologia da informação
tinham de ser feitos para o aumento da competitividade, elas deveriam dar um passo
à frente e investir na substituição e melhoria dos sistemas utilizados até então.
A maioria das companhias possuía sistemas que eram compostos por uma
gama de programas distintos, que realizavam funções de forma independente para
cada departamento da empresa. Esses sistemas foram naturalmente evoluindo para
programas que poderiam conversar entre si, isto é, a integração dos programas de
diferentes áreas foi substituindo os antigos sistemas dentro das companhias. Deste
modo, os sistemas deveriam captar dados de todos os setores da empresa e
também disponibilizar informações comuns para essas mesmas áreas. Esses
sistemas são programas grandes, trazendo módulos de finanças, contabilidade,
recursos humanos, vendas e marketing, entre outros, e foram chamados sistemas
de planejamento de recursos empresariais (FORTULAN, 1996).
Esse esforço em coletar dados de todos os pontos da companhia faz com que
as empresas de manufatura voltem seus olhos com muita atenção para o chão de
fábrica. Este setor tem uma importância considerável para a empresa, uma vez que
uma grande quantidade de dados é gerada a partir do controle das suas etapas de
produção além de possuir processos que estão diretamente envolvidos na
produtividade e no custo de seus produtos (FORTULAN, 2006).
11
3 SISTEMAS DE INFORMAÇÃO DE CHÃO DE FÁBRICA
Sistemas de informação de chão de fábrica (FIS - Factory Information
Systems) são compostos de vários subsistemas que tratam os diversos tipos de
informação presente no ambiente da manufatura. A modelagem de um sistema de
informação para sistemas de manufatura deve considerar a presença de diversos
tipos de informação.
Neste contexto, como um dos subsistemas que compõe o sistema de
informação fabril, está inserido o FIS, que realiza aquisição dos dados das máquinas
que compõem o processo produtivo e armazena estes dados de maneira
organizada. A partir dos dados obtidos, é possível gerar relatórios com o valor dos
indicadores de desempenho possibilitando a localização de possíveis pontos de
melhoria (DICESARE, 1992).
O FIS tem por objetivo o tratamento apenas das informações de produção,
como a quantidade total de peças produzidas, os tempos de ciclo de cada
equipamento para produzir determinado tipo de peça e a ocorrência de erros durante
o processo produtivo. A modelagem do fluxo de informações possibilita o cálculo de
indicadores de desempenho, tornando possível a identificação dos problemas em
processos produtivos (DICESARE, 1992).
Gargalos de produção ocasionados por falta de matéria-prima,
indisponibilidade do equipamento e falta de eficiência do equipamento na execução
de determinada etapa do processo produtivo, são os principais problemas que
podem ser identificados utilizando o sistema de informação de chão de fábrica.
Modelar o sistema de informação para que seja possível propor melhorias e corrigir
os problemas é o principal objetivo para cada tecnologia. A seguir, serão
apresentadas algumas delas.
12
4 CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL
4.1 Definição
O Controlador Lógico Programável (CLP - Programmable Logic Controller) é
um dispositivo eletrônico dotado de um microprocessador capaz de controlar e
gerenciar máquinas, sistemas e processos industriais. Utiliza em sua memória um
programa capaz de executar tarefas específicas, operações lógicas, operações
matemáticas, energização e desenergização de relés, temporização, contagem e
manipulação de variáveis de oito ou dezesseis bits e etc.
4.2 Arquitetura
A figura 1 mostra através do diagrama de blocos, como o CLP atua no
sistema: os sensores alimentam o CLP (processador), a cada instante, com os
dados (variáveis de entrada) informando, através de níveis lógicos, as condições em
que se encontram. Em função do programa armazenado em sua memória, o CLP
atua no sistema por meio de suas saídas. As variáveis de saída executam, a cada
instante, os acionamentos dos atuadores no sistema, (NATALE, 1995).
Figura 1 – Diagrama de blocos simplificado de um CLP.
MemóriaProcessador
Barramento(dados, endereços, controle)
Entradas Saídas
Fonte
13
O processamento é feito em tempo real, suas informações de entrada são
comparadas com as informações contidas na memória, as decisões são tomadas
pelo CLP, os comandos ou acionamentos são executados pelas saídas, tudo
concomitantemente com o desenrolar do processo como mostra na figura 2.
Figura 2 - Controle utilizando o CLP.
4.2.1 O Hardware do CLP
O hardware CLP é essencialmente um microcomputador, o qual possui
características próprias para o controle industrial:
• Alta tensão e alta corrente presente nos sinais de entrada e saída (I/O);
• Deve possuir memória não volátil para armazenamento de programas e
parâmetros;
• Deve ser robusto fisicamente para altas temperaturas e manuseamento;
• Deve ter flexibilidade para configurar e expandir o módulo I/O.
4.2.2 O Software do CLP
A linguagem de programação utilizada é conhecida como Lógica Ladder e o
programa é carregado na memória do CLP através da porta de comunicação serial
RS-232. Após carregar o programa na memória do CLP, pode-se desconectá-lo do
microcomputador e o CLP estará apto a realizar a tarefa programada.
14
4.3 Aplicação
Os Controladores Lógicos Programável estão muito difundidos nas áreas de
controle de processos ou de automação industrial. No primeiro caso a aplicação se
dá nas indústrias do tipo contínuo, produtoras de líquidos, materiais gasosos e
outros produtos, no outro caso a aplicação se dá nas áreas relacionadas com a
produção em linhas de montagem, por exemplo, na indústria do automóvel.
Segundo Mamed (2002), os Controladores Lógicos Programáveis podem ser
empregados em diversos setores da indústria. Utilizados sozinhos ou acoplados a
outras unidades, no caso de projetos que ocupam grandes extensões, eles operam
sincronizadamente fazendo todo o controle do processo. Nesses casos, “a
automação assume uma arquitetura descentralizada, dividindo-se a
responsabilidade do processo por várias unidades de CLPs, localizadas em
diferentes pontos estratégicos da instalação”.
15
5 SISTEMAS DE AQUISIÇÃO DE DADOS
5.1 Definição
Aquisição de dados significa obter informação de algum processo físico
através da medição de suas grandezas, que serão digitalizadas de forma a permitir a
aplicação de algum tipo de processamento matemático que irá torná-lo compatível,
para fim de comparação, com grandezas padronizadas. Após isso será analisado e
armazenado. Qualquer sistema de aquisição irá apresentar alguns blocos, ou
funções, básicas: sensores, condicionamento de sinal, conversão analógico-digital e
processamento.
5.2 Elementos Funcionais dos Sistemas de Aquisição
Na figura 3, apresentam-se os elementos funcionais de um sistema de
aquisição. Nela estão indicados os sensores e transdutores, o condicionamento de
sinal, o equipamento de aquisição, o computador e o software de aquisição. Cada
elemento funcional vai afetar a exatidão do sistema total de medição e a correta
recolha dos dados do processo físico que se pretende monitorizar. A seguir, serão
apresentadas as principais funções de cada um destes elementos.
Figura 3 - Diagrama funcional de um sistema de aquisição baseado em um
computador pessoal.
5.2.1 Sensores e Transdutores
Os sensores e transdutores fornecem a ligação direta entre o mundo real e o
sistema de aquisição de dados, convertendo sinais de grandezas físicas em sinais
elétricos (tensões ou correntes) apropriados para os condicionadores de sinais e/ou
os equipamentos de aquisição de dados.
16
Em todos eles, o sinal elétrico produzido é proporcional à quantidade física
que se pretende medir de acordo com uma relação prévia estabelecida, em termos
de campo de medida, amplitude do sinal de saída, sensibilidade, estabilidade,
linearidade e etc. A figura 4 mostra um esquema de transdutor elétrico para digital.
Figura 4 – Esquema de um transdutor elétrico.
5.2.2 Condicionamento de Sinal
Os sinais elétricos gerados nos sensores e transdutores muitas vezes
necessitam ser convertidos numa forma apropriada para o equipamento de
aquisição, particularmente para o conversor analógico-digital (A/D), que converte
sinais elétricos em códigos digitais que podem ser processados e armazenados
pelos computadores. O condicionamento de sinal também é o elemento funcional
responsável pela alimentação de energia, essencial para que muitos transdutores
possam operar.
As principais tarefas do condicionamento de sinal são: filtragem, amplificação,
linearização, isolamento e alimentação. Na figura 5, apresenta-se um exemplo de
condicionamento de sinal consistindo na amplificação do sinal elétrico original e sua
filtragem para eliminar o ruído elétrico.
Figura 5 – Exemplo de condicionamento de sinal: amplificação e filtragem.
17
5.2.3 Equipamento de Medição
O hardware de medição é o responsável pelas entradas e saídas de sinais na
cadeia de medida. Assim, ele pode executar qualquer uma das seguintes funções:
• Entrada, processamento e conversão para o formato digital, usando
conversores digitais, de sinais analógicos provenientes do meio de medição.
Os dados após convertidos são transferidos para o computador para
visualização, armazenamento ou análise;
• Entrada de sinais digitais que contêm informação acerca de um sistema ou
processo;
• Processamento, conversão para um formato analógico, utilizando conversores
analógicos de sinais digitais do computador para controle de processos;
• Saída de sinais de controle digitais.
Os equipamentos de medição existem em diversas plataformas provenientes
de diversos fabricantes, podendo dividir-se em placas de inserção que são ligadas
diretamente no interior dos computadores e sistemas exteriores de comunicação,
como podem ser vistos na figura 6.
Figura 6 – Exemplo de equipamentos de medição e conversores digitais.
18
5.2.4 Software de Medição e Aquisição de Dados
Os equipamentos de aquisição de dados não funcionam sem software, pois é
ele que transforma o sistema numa aquisição completa de dados, visualização e
controle do sistema.
As aplicações desenvolvidas são executadas no computador sobre um
sistema operacional ou operativo que pode permitir apenas que uma aplicação seja
executada independentemente como é o DOS, ou em sistemas operativos como o
Windows, Unix, OS2, que permitem que mais do que uma aplicação seja executada
simultaneamente.
Existem diversos tipos de softwares disponíveis para aquisição de dados,
desde os específicos para determinadas aplicações a plataformas de
desenvolvimento de aplicações de alto nível e baixo nível.
Estes tipos de ferramentas apresentam um enquadramento gráfico
previamente definido, permitindo desenvolver programas para adquirir os sinais
recebidos pelo equipamento de aquisição, transformando-os para as grandezas
pretendidas, seja temperatura, seja pressão ou outra.
5.2.5 Computador
O computador utilizado pode influenciar de modo preponderante a velocidade
à qual se pretende adquirir os dados e como tal a precisão, processamento e
armazenamento dos dados.
Existem diversos fatores na arquitetura do computador que afetam os
parâmetros referidos anteriormente, tais como o tipo de processador, as placas de
expansão disponíveis, tempo de acesso ao disco rígido, utilização de acesso direto à
memória e etc. Todos estes fatores tornam-se extremamente relevantes quando se
pretende efetuar leituras com elevadas transferência de dados.
19
6 CONTROLE ESTÁTICO DE PROCESSO
6.1 Definição
O Controle Estatístico de Processos (CEP - Static Control Process) é uma
ferramenta de qualidade utilizada nos processos produtivos e de serviços, com
objetivo de fornecer informações para um diagnóstico mais eficaz na prevenção e
detecção de defeitos e problemas nos processos avaliados, consequentemente,
auxiliando no aumento da produtividade e resultados na empresa, evitando
desperdícios de matéria-prima, insumos, produtos e etc.
Posteriormente o CEP trará menos re-trabalho, aproveitando melhor os
recursos disponíveis e o bem estar dos funcionários, que passarão a trabalhar
melhor e com metas específicas para cada área. Estes recursos podem ser usados
tanto numa grande empresa como na mais simples delas, tendo como característica
comum, o uso de uma ferramenta gráfica e pessoas capacitadas para analisar
criticamente os resultados obtidos pela implementação.
6.2 Aplicação
O controle estatístico do processo tem como idéia base que um processo,
para ser “excelente”, deve respeitar uma variação controlada e dentro de padrões,
possibilitando a garantia da qualidade do produto por meio do controle de seu
processo produtivo, possibilitando que a inspeção por atributos tenha maior eficácia
e que a qualidade possa ser monitorada, principalmente, durante a produção.
De acordo com Shewart (1931) apud Irwin (1965), o operário é perfeitamente
capaz de compreender, observar e controlar o que esta sendo produzido, por isso,
foram desenvolvidas técnicas para tal. Foram introduzidos, por exemplo, os
conceitos de controle estatístico de processos e de ciclo de melhorias contínuas. Ao
executar sua atividade, o operário inicia o processamento e deve observar as
variações. Se essas variações forem estatisticamente aleatórias, o processo está
“sob controle”, e essa variação é devida as “causas comuns”. Se apresentarem,
porém, um viés sistemático, existe alguma “causa especial” que provoca a variação,
20
a qual pode ser identificada e eliminada. Causas comuns são as que fazem parte da
natureza do processo, sendo responsáveis pela variabilidade natural do processo
(GRAÇA, 1996). Causas especiais, por sua vez, são as causas específicas,
acidentais e imprevisíveis que geralmente afetam uma determinada operação da
máquina, operador ou período de tempo (GRAÇA, 1996).
O uso das cartas de controle oferece diversas vantagens como ferramenta de
controle da qualidade: são relativamente simples de serem elaboradas, podendo
ficar a cargo do próprio operador de um equipamento ou executor de um serviço;
permitem um ajuste contínuo do processo, mantendo-o sob controle; oferecem uma
visão gráfica do andamento do processo e permitem avaliar a sua capacidade. Além
disso, o seu custo é geralmente inferior ao de uma inspeção por amostragem
executada no produto acabado (IRWIN, 1965).
Infelizmente, segundo Grant & Leavenworth (1972), a maioria das inspeções
dentro de uma fábrica de manufaturados costuma usar atributos para classificar
seus produtos. Essa classificação trás apenas dois resultados: aceito ou rejeitado (o
que irá gerar refugo e retrabalho). Geralmente, essas medições são realizadas via
inspeção visual, calibradores passa-não-passa, painéis de testes, dentre outros
métodos (PALADINI, 1995). Segundo a classificação de Owen (1989), este é um
sistema de controle dito detectivo, e seu maior objetivo é definir se um determinado
produto ou lote, já produzido, deve ou não ser aceito. O mesmo autor também
classifica os sistemas de controle como preventivos, os quais são um conjunto de
atividades de controle das condições do processo, visando evitar que sejam
produzidos produtos defeituosos. Para esse sistema, uma das técnicas mais
utilizadas é o CEP.
Na figura 7, podemos identificar as etapas envolvidas na operacionalização
do controle estatístico de processos.
21
Coleta de dados
Cálculo dos limites decontrole
Avaliação daestabilidade do
processo
Avaliação dacapacidade do
processo
Ação localAção sobre as
causas especiais
Ação no sistemaAção sobre ascausas comuns
Rotina
Melhoria
Figura 7 - Estratégia para melhorias no controle estatístico de processos.
O estudo da capacidade dos processos, por sua vez, é um procedimento que
segue o estudo das cartas de controle. Somente após a eliminação das causas
especiais, avalia-se se o processo é capaz de atender às especificações de uma
determinada característica de qualidade.
22
7 COMANDO NUMÉRICO COMPUTADORIZADO
7.1 Definição
O Comando Numérico Computadorizado (CNC - Computer Numeric Control) é
um equipamento eletrônico capaz de receber informações por meio de entrada
própria, compilar estas informações e transmiti-las em forma de comando à
máquina, de modo que esta, sem a intervenção do operador, realize as operações
na seqüência programada.
7.2 Aplicação
O tempo de produção de uma peça pode ser dividido em algumas etapas
como: tempo de corte, tempo de movimentos transversais, tempo de carga e
descarga e tempo de troca de ferramenta. Para cada um deles acontece um
processo de tratamento seja do bem ou do insumo.
A participação dos computadores nos processos de comandos numéricos
aconteceu como necessidade da velocidade na operação possibilitando assim um
maior dinamismo na execução das rotinas. Também se pode observar que a
possibilidade de recolocar hardwares com custos elevados com alguns controles
complexos em softwares mais flexíveis e baratos possibilitando assim uma economia
a empresa na execução de rotinas inovadoras.
O uso dos computadores no processo numérico tem permitido ao usuário um
sistema amigável, com funções bastante poderosas e de uso simplificado. Em todos
os tipos de CNC o programa se utiliza de recursos de interpolações, aceleração,
desaceleração, contadores todos esses visando à manipulação da peça, contagem,
velocidade de produção e outros meios.
Observa-se também a facilidade em correção de processos, já que é feito uso
de computador, ficando mais simples a reconstrução de um algoritmo do que a
reestruturação de um equipamento, muitas vezes grande e denso.
23
Podemos dividir os CNC em dois equipamentos sendo dispositivos eletrônicos
e circuitos digitais. Cada um desses sistemas utiliza-se da conversão de sinais
elétricos para movimentos mecânicos que são nomeados drivers, bem como alguns
equipamentos de retorno, feedback para controle do que foi e como foi produzido.
7.3 Vantagens
A introdução do CNC na indústria mudou radicalmente os processos
industriais. Curvas são facilmente cortadas, complexas estruturas com três
dimensões (3D) tornam-se relativamente fáceis de produzir e o número de passos
no processo com intervenção de operadores humanos é drasticamente reduzido. O
CNC reduziu também o número de erros humanos (o que aumenta a qualidade dos
produtos e diminui o retrabalho e o desperdício), agilizou as linhas de montagens e
tornou-as mais flexíveis, pois a mesma linha de montagens pode agora ser adaptada
para produzir outro produto num tempo muito mais curto do que com os processos
tradicionais de produção.
24
8 SISTEMA DIGITAL DE CONTROLE DISTRIBUÍDO
8.1 Definição
O Sistema Digital de Controle Distribuído (SDCD - Distributed Digital Control
System) é um equipamento da área de automação industrial que tem como função
primordial o controle de processos, de forma a permitir uma otimização da
produtividade industrial, estruturada na diminuição de custos de produção, melhoria
na qualidade dos produtos, precisão das operações, segurança operacional, entre
outros.
Ele é composto basicamente por um conjunto integrado de dispositivos que
se completam no cumprimento das suas diversas funções - o sistema controla e
supervisiona o processo produtivo da unidade. Utilizam-se técnicas de
processamento digitais (discreto) em oposição ao analógico (contínuo), com o
objetivo de proporcionar uma manutenção no comportamento de um referido
processo na planta da indústria, dentro de parâmetros já estabelecidos.
O sistema é dotado de processadores e redes redundantes e permite uma
descentralização do processamento de dados e decisões, através do uso de
unidades remotas na planta. Além disso, o sistema oferece uma interface homem-
máquina, que permite o interfaceamento com controladores lógicos programáveis,
equipamentos de comunicação digital e sistemas em rede. É através das unidades
de processamento, distribuídas nas áreas, que os sinais dos equipamentos de
campo são processados de acordo com a estratégia programada. Estes sinais,
transformados em informação de processo, são atualizados em tempo real nas telas
de operação das salas de controle.
8.2 Aplicação
SDCD são sistemas dedicados, usados no controle de processos de
manufatura de natureza tanto continua quando orientada por lotes, como por
exemplo, refino de petróleo, petroquímicas, usinas elétricas, farmacêuticas, indústria
de alimentos e bebidas, produção de cimento, metalurgia e indústria de papel.
25
SDCD são conectados a sensores e atuadores e usam controle por setpoint
para controlar o fluxo de material através da planta. Um dos exemplos mais comuns
de sistema de controle por setpoint consiste em um sensor de pressão, controlador e
válvula de controle. A medida de pressão é enviada ao controlador, quando o valor
medido alcança certo ponto, o controlador induz a válvula ou atuador a abrir ou
fechar ate que a pressão atinja o valor do setpoint. Grandes refinarias de petróleo
podem ter vários milhares de pontos de I/O e empregar SDCD bastante amplos. Os
processos não se restringem ao fluxo fluídico através de canos, mas pode se
estender a maquinas de fabricação de papel e sua velocidade, centros de controle
de motores, fornos de clinquerização de cimento, operações de mineração,
processamento de minério, entre muitos outros.
Um SDCD típico consiste em controladores digitais distribuídos por função ou
localização geográfica, capazes de executar de 1 ate 256 funções de controle em
uma caixa de controle. Os dispositivos de I/O podem estar inclusos no controlador
ou remotos, através de uma rede. Os controladores contemporâneos possuem alta
capacidade computacional, e além de controle proporcional, integral e derivativo
(PID), geralmente podem realizar controle continuo e seqüencial.
SDCD podem empregar uma ou mais estações de trabalho (PCs, por
exemplo) e podem ser configurados através delas ou de outro PC. Comunicação
local é realizada através de uma rede de cabo de par trançado, coaxial ou de fibra
óptica. Um servidor e/ou processador de aplicações pode ser incluso no sistema
com o intuito de adicionar capacidade computacional extra assim como de coleta de
dados e de gerar relatórios.
26
9 CÉLULA FLEXÍVEL DE MANUFATURA
9.1 Definição
Sistema Flexível de Manufatura (FMS - Flexible Manufacturing Cell),
apresentada por Kaltwasser (in SEVERIANO FILHO, 1995), são sistemas de
produção altamente automatizados, capazes de produzir uma grande variedade de
diferentes peças e produtos usando o mesmo equipamento e o mesmo sistema de
controle. Já Slack ET al. (2002) afirma que os FMSs combinam diferentes
tecnologias em um sistema único, e apresenta a seguinte definição: “uma
configuração controlada por computador de estações de trabalho semi-
independentes, conectadas por manuseio de materiais e carregamento de máquinas
automatizadas”.
9.2 Aplicação
Para esclarecimento do tema, vamos observar o seguinte cenário: O
comprador entra em uma loja para adquirir um veículo e logo é bombardeado pelo
vendedor com várias perguntas, qual o carro? Cor? Motor? Acessórios? Banco?
Direção? E outras, mas o porquê dessas perguntas?
É observado no mercado que os sistemas de produção em massa têm
adquirido uma grande progressão nos meios de produção, mas um viés para o
mercado são os produtos produzidos com características individuais que variam de
acordo a necessidade do cliente.
O primeiro sistema flexível a ser implantado não é certeza, mas alguns
estudiosos abordam esse tema referenciando-se a indústria inglesa de máquinas-
ferramentas Mollins por volta de 1968. Desde a década de 60, os sistemas flexíveis
têm-se tornados mais sofisticados.
Nos sistemas flexíveis de manufatura, o processo lógico para execução das
tarefas continua sendo, armazenamento, operação, transporte e inspeções.
27
Os sistemas flexíveis possibilitam uma maior utilização das máquinas,
redução da quantidade de máquinas no pátio da empresa, redução da dimensão da
fábrica, uma maior velocidade de resposta as mudanças, menor necessidade de
estoque, redução da mão de obra direta e uma maior produtividade.
9.2.1 Armazenamento
As atividades de armazenamento, também podem ser automatizadas
utilizando-se robôs com capacidade para tal função. Na verdade o processo
dependeria do humano apenas na manipulação e ordenação dos insumos e/ou
produtos finais, tendo em vista que a exata disponibilização do bem seria realizada
pela máquina. O maior problema durante esse processo é a quantidade de variáveis
envolvidas no processo. Todos os processos são interligados e possibilitam ao
armazenamento saber da necessidade antes de a mesma existir.
Figura 8 – Ligação de processos em uma célula de manufatura.
28
Na figura acima, observamos como a ligação entre os processos, permite ao
transportador saber a necessidade de insumo de produção bem como a saída do
produto e que o CNC de armazenamento, possa saber o que está chegando e qual
sua necessidade de espaço para o armazenamento daquele bem.
9.2.2 Operação
É durante a operação, que as peças ou insumos de produção, adquirem valor,
ou seja, passam a obter valor agregado. Muitos desses processos são realizados
através de um sistema flexível de manufatura.
Na linha de produção, por exemplo, um torneiro foi realocado para atividade
de carregamento e descarregamento de máquina, porém quando se fala de um
sistema de manufatura automático, ainda seria necessária a alimentação e
transporte de todo/tudo material utilizado/produzido de forma automática.
O conjunto formado pelo torno, robôs, homens, dispositivos e acessórios é um
exemplo de célula de manufatura.
9.2.3 Transporte
No sistema flexível de manufatura, o sistema de transporte também é
pensado. Grandes empresas utilizam robôs chamados AGVs, que nada mais são do
que carros sobre rodas. Eles realizam a função de ter um suporte para carga
composto por mecanismo de elevação, correntes, correias ou simplesmente por
roletes.
29
Figura 9 – Exemplo de sistemas de transporte nas FMS.
Também existem os RGVs são veículos guiados por trilho, normalmente os
controles desses veículos são mais simples uma vez que sua trajetória é única e os
próprios trilhos que dizem o caminho a ser traçado.
9.2.4 Inspeção
O processe de inspeção a depender do bem produzido, pode ser um dos que
irá demandar uma melhor e mais cara implementação para automação.
Algumas máquinas utilizadas no mercado fazem uso de sensores seguindo
um programa pré-definido com os parâmetros utilizados como corretos.
Normalmente os são manipulados por máquinas de medição e tornos e esses tem
de estar conectados para que seja possível a correção ou redirecionamento da peça
ou bem produzido. Também na linha de produção existem tornos com sistemas de
inspeção próprios, o que possibilita o auto-ajuste da peça à medida que vai sendo
produzida.
30
10 CONCLUSÃO
Um sistema de controle de chão-de-fábrica, como visto, é composto por
componentes de hardware e software. O hardware pode estar na forma de robôs,
máquinas ferramentas, dispositivos de manuseio de material, cotroladores lógicos
programáveis e computadores. O software inclui programas de controle em tempo
real, programas para escalonamento, programas de controle numérico, e programas
para robôs. Estes dois componentes, software e hardware, são importantes na
busca de uma nova geração de controladores e na melhoria do seu desempenho no
chão-de-fábrica.
Controladores Lógico Programáveis (CLP's) têm sido usados como elemento
controlador de chão-de-fábrica na maioria das aplicações automatizadas [LAR89].
Entretanto, devido à grande quantidade e diversidade de informações necessárias
nos sistemas de manufatura modernos e à complexidade e limitação da forma de
programação dos CLP's, surgiu a necessidade de busca por novas alternativas de
controle. A utilização de computadores de propósito geral para controlar sistemas de
manufatura tem crescido à medida que o preço dos computadores tem decrescido.
Cada vez mais o controle de chão-de-fábrica está utilizando estações de controle
computadorizadas. Entre as soluções utilizadas encontram-se computadores
pessoais (PC), supermicros (VAX), superminis e computadores especiais. Acredita-
se que a disponibilidade de uma nova geração de controladores de chão-de-fábrica
poderia ter um efeito significativo na melhoria deste tipo de controle [LAR89]. Esta
nova geração de controladores deveria apresentar características de:
interconectividade e funcionalidade dos computadores de propósito geral. O
componente software tem uma participação muito importante na efetivação dessa
melhoria.
O desenvolvimento de sistemas de controle de chão-de-fábrica representa
hoje um dos maiores problemas na criação de indústrias de manufatura flexível
automatizadas ou semi-automatizadas. Uma boa parcela desta dificuldade pode ser
atribuída aos altos custos envolvidos no desenvolvimento e manutenção do software
de controle e à dificuldade de se conseguir definir a forma de integração dos
sistemas de chão-de-fábrica [SMI92]. Os dispositivos de produção, como robôs,
31
máquinas ferramentas e outros equipamentos de produção, assim como os
computadores e redes de comunicação, geralmente são encontrados com facilidade.
Entretanto, o software de controle necessário para a implementação de um sistema
de controle flexível e integrado destes equipamentos não está prontamente
disponível. Estes sistemas normalmente são multidisciplinares envolvendo
conhecimento não só em manufatura mas também em programação de
computadores, análise e especificação de sistemas, e redes de computadores. Por
exemplo, estima-se que o custo de desenvolvimento do software no caso de
sistemas flexíveis de manufatura gira em torno de 40% a 60% do seu custo total
[AYR89].
O software de controle, considerado como o kernel das estações de controle
(controladores), tem sido desenvolvido de forma altamente específica e necessita
mudar sua forma de desenvolvimento para atender as rápidas mudanças que
ocorrem em termos de requisitos e ambiente nestes sistemas. Atualmente existem
três opções para a obtenção do software de controle: comprar do fornecedor do
sistema de controle, utilizar consultores ou desenvolver o seu próprio software de
controle [LIN94]. A compra de pacotes prontos implica normalmente na necessidade
de adaptação dos mesmos à aplicação desejada, sendo que esta adaptação é
dificultada pela ausência de padrões de interface e funções nos pacotes. A utilização
de consultores demanda a seleção de consultores qualificados, a preparação de um
contrato e a monitoração do projeto. A alternativa de desenvolver o software na
própria empresa esbarra na falta de especialistas em engenharia de software
capazes de tratar um projeto complexo. Tanto a compra de pacotes quanto a
utilização de consultores representa custos altos, sendo que somente as grandes
empresas têm condições de investir. Neste caso, a definição de uma estrutura que
auxilie no desenvolvimento do software para sistemas de controle de chão-de-
fábrica pode representar uma boa possibilidade para as pequenas e médias
empresas, as quais passariam a poder desenvolver seus próprios sistemas de
controle de chão-de-fábrica.
Grande parte dos problemas encontrados no desenvolvimento de software
para sistemas de controle decorrem da falta de um modelo (arquitetura) adequado
para tratar as necessidades envolvidas na geração de software de controle genérico
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para sistema de chão-de-fábrica. Por exemplo, os esquemas de controle são
predominantemente proprietários e inflexíveis, arquiteturas são baseadas
principalmente em monoprocessadores dedicados causando grandes problemas de
integração e re-projeto quando da necessidade de adicionar novos elementos.
Diante desse quadro, arquiteturas de controle têm sido desenvolvidas na busca de
estabelecer uma estrutura padrão para sistemas de manufatura controlados por
computador e reduzir os custos de desenvolvimento do software [McL86] [MEY86]
[BOU91].
Os modelos adotados incluem uma abordagem hierárquica sequencial e
centralizada para o processo de desenvolvimento do sistema [DUA93].
Considerando a natureza hierárquica dos grandes sistemas, o modelo convencional
de construção do controle envolve o uso de uma abordagem top-down centralizada
onde, primeiro se define a estrutura global do sistema e, em seguida, os
componentes são refinados. Embora esta abordagem forneça uma ferramenta de
representação útil para muitos sistemas, ela apresenta alguns problemas no
tratamento das características dinâmicas de um sistema. Primeiro, o modelo
centralizado não é o mais adequado para representar atividades paralelas e
simultâneas dos sistemas de chão-de-fábrica devido às restrições que o modelo
impõe no que diz respeito à autonomia das entidades controladas. Segundo, visto
que a centralização do controle exige a participação da entidade controladora em
cada decisão, o sistema torna-se menos flexível. Terceiro, a centralização do
controle faz com que o sistema de controle seja mais dependente de aplicação e
ajustado para configurações específicas, não fornecendo meios para uma rápida
reconfiguração do sistema. Na necessidade de mudanças envolvendo as máquinas
ou os requisitos de produção, o modelo de controle perde a sua validade e
consequentemente o software tem de ser reconstruído. Esta limitação implica em
custos adicionais na modelagem do sistema assim como no desenvolvimento do
software.
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