TCC Bruno Formatado Final

CENTRO UNIVERSITÁRIO DE BARRA MANSA PRÓ-REITORIA ACADÊMICA CURSO DE ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO

AUTOMAÇÃO DO TRANSPORTE DE LINHA DE USINAGEM DE BLOCOS DE EMPRESA AUTOMOBILÍSTICA

Bruno Duarte Marçal Reis Marco Antônio da Silva

Barra Mansa RJ 2014

CENTRO UNIVERSITÁRIO DE BARRA MANSA PRÓ-REITORIA ACADÊMICA CURSO DE ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO

AUTOMAÇÃO DO TRANSPORTE DE LINHA DE USINAGEM DE BLOCOS DE EMPRESAAUTOMOBILÍSTICA EMPRESAAUTOMOBILÍSTICA

Bruno Duarte Marçal Reis Marco Antônio da Silva

Monografia apresentada ao Curso de Engenharia de Controle e Automação do Centro Universitário de Barra Mansa, como requisito parcial para a obtenção do título de Engenheiro de Controle e Automação, sob a orientação da Professora Walma Vieira.

Barra Mansa RJ 2014

CENTRO UNIVERSITÁRIO DE BARRA MANSA PRÓ-REITORIA ACADÊMICA CURSO DE ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO

AUTOMAÇÃO DO TRANSPORTE DE LINHA DE USINAGEM DE BLOCOS DE EMPRESAAUTOMOBILÍSTICA EMPRESAAUTOMOBILÍSTICA

Bruno Duarte Marçal Reis Marco Antônio da Silva

Monografia apresentada ao Curso de Engenharia de Controle e Automação do Centro Universitário de Barra Mansa, como requisito parcial para a obtenção do título de Engenheiro de Controle e Automação, sob a orientação da Professora Walma Vieira.

Barra Mansa RJ 2014

AUTOMAÇÃO DO TRANSPORTE DE UMA LINHA DE USINAGEM DE BLOCOS DE UMA EMPRESAAUTOMOBILÍSTICA

Bruno Duarte Marçal Reis Marco Antônio da Silva

Monografia apresentada ao Curso de Engenharia de Controle e Automação do Centro Universitário de Barra Mansa, submetida à aprovação da Banca Examinadora composta pelos seguintes membros:  _____________________  ________________________________ ______________ ___ Prof. Walma Lucy Maciel Vieira  _____________________  ________________________________ ______________ ___ Prof. Miguel Alexandre Vieira Fusco  _____________________  ________________________________ ______________ ___ Prof. Pedro Luiz da Cruz Saldanha

Barra Mansa RJ 2014

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AGRADECIMENTOS Primeiramente a Deus, por ter iluminado nossos caminhos permitindo que superássemos superássemos mais esta etapa em nossas vidas. Aos nossos familiares, pelo apoio e motivação. Aos nossos professores, que nos proporcionaram o conhecimento necessário  para a conclusão conclusão deste trabalho. trabalho. Em especial, para nossa orientadora Walma, por todo carinho, paciência e ensinamento.

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EPÍGRAFE

“A vida  pode

ser compreendida olhando-se para trás; mas só pode ser vivida olhando-se para frente.”

Søren Kierkegaard

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RESUMO REIS, Bruno Duarte Marçal; SILVA, Marco Antônio. Automação do transporte de linha de usinagem de blocos de empresa automobilística. 2014. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia de Controle e Automação)  –  Centro Universitário de Barra Mansa, Barra Mansa, RJ. O objetivo desta monografia é apresentar a proposta de um projeto de automação industrial para o sistema de transporte de peças na área de usinagem de uma empresa do ramo automobilístico. Atualmente, o transporte é realizado de forma manual estando exposto a falhas humanas, oferecendo risco aos operadores e também influenciando indiretamente no custo de produção, uma vez que enquanto a peça está sendo usinada dentro do centro de usinagem CNC, o operador apresenta um tempo ocioso. Para tal, aborda-se neste trabalho o desenvolvimento de uma lógica para controlar as variáveis do  processo através da utilização de um Controlador Lógico Programável (CLP) e a criação de uma interface de operação responsável por captar as informações do controlador em tempo real de uma forma interativa e gerar alarmes e relatórios de produção através da utilização de um sistema de supervisão e aquisição de dados (SCADA). Ambos disponíveis nos laboratórios de controle e automação da UBM e comunicando-se através de protocolo de comunicação aberto MODBUS TCP/IP. Palavras-chave: transporte de peças, centro de usinagem, controlador lógico  programável, sistema de supervisão e aquisição de dados.

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ABSTRACT The purpose of this monograph is to present a project proposal for the automation of industrial conveyor system parts in the machining area of a company in the automotive industry. Currently, the transportation is done manually, and is exposed to human failure, offering risk to the operators, and also, it indirectly influences the cost of production, since while the workpiece is being processed in the CNC machining center, the operator has an idle time. To this purpose, in this work we discuss the development of logic for controlling process variables through the use of a Programmable Logic Controller (PLC) and the creation of an operator interface that is responsible for capturing real-time information from the controller in an interactive way and generating alarms and production reports through the use of a Supervisory System and Data Acquisition (SCADA). Both are available in the UBM’s control and

automation laboratories, communicating through open communication protocol MODBUS TCP/IP. Keywords: conveyor parts, machining center, programmable logic controller, system monitoring and data acquisition.

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LISTA DE FIGURAS Figura 1 –  Linha de produção automatizada  ........................................................................... 3 Figura 2 –  Fabricação por remoção de material  ..................................................................... 4 Figura 3 –  Centro de usinagem ................................................................................................. 6 Figura 4 –  Transportador contínuo de roletes  ......................................................................... 7 Figura 5 –  Motor de indução trifásico ...................................................................................... 8 Figura 6 –  Etapas da automação industrial ............................................................................ 1 0 Figura 7 –  Princípio do sensor indutivo  ................................................................................. 11 Figura 8 –  Diagrama em blocos do CLP  ............................................................................... 12 Figura 9 –  Scan do CLP  ........................................................................................................... 1 3 Figura 10 –  CLP compacto  ...................................................................................................... 14 Figura 11 –  CLP modular  ........................................................................................................ 14 Figura 12 –  Diagrama ladder  .................................................................................................. 15 Figura 13 –  Tela de um sistema de supervisão para monitoramento e controle  .............. 17 Figura 14 –  Manipulador pneumático  .................................................................................... 2 1 Figura 15 –  Arquitetura proposta ........................................................................................... 23 Figura 16  –  Transportador de rolos com transmissão por correntes e acionado por motor   ..................................................................................................................................................... 24

Figura 17 –  Disposição das correntes  .................................................................................... 24 Figura 18 –  Motor  ..................................................................................................................... 28 Figura 19 –  Motoredutor  .......................................................................................................... 30 Figura 20 –  CLP Twido TWDLCDE40DRF  ........................................................................ 3 0 Figura 21 –  Tela para declaração do hardware  ..................................................................... 3 1 Figura 22 –  Tela para configuração de I/O  ........................................................................... 32 Figura 23 –  Tela para desenvolvimento da lógica ladder .................................................... 3 3 Figura 24 –  Tela de análise do programa  .............................................................................. 33 Figura 25 –  Tela de simulação da lógica desenvolvida  ....................................................... 34 Figura 26 –  Ambiente de desenvolvimento Indusoft  ........................................................... 3 5 Figura 27 –  Ambiente de criação e configuração de telas ................................................... 35 Figura 28 –  Biblioteca de objetos  ........................................................................................... 36 Figura 29 –  Tela de configuração de objetos  ........................................................................ 3 6 Figura 30 –  Tela de declaração de Tags  ................................................................................ 37

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Figura 31 –  Tela de propriedades do objeto  .......................................................................... 3 8 Figura 32 –  Tela de edição de alarmes  .................................................................................. 39 Figura 33 –  Tela de edição de relatórios ................................................................................ 3 9 Figura 34 –  Apresentação do relatório no bloco de notas  ................................................... 40 Figura 35 –  Tela de configuração de IP do Twido  ............................................................... 40 Figura 36 –  Tela de configuração de portas seriais do Twido  ............................................ 4 1 Figura 37 –  Tela de configuração de Drivers do Indusoft ................................................... 41

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LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS CLP –  Controlador Lógico Programável CNC – Computer Numeric Control  (Comando Numérico Computadorizado) CPU – Central Processing Unit  (Unidade Central de Processamento) DIN –  Deutsches Institut für Normung e.V. (Instituto Alemão para Normatização) I/O – Inputs/Outputs (Entradas/Saídas) IEC  –   International

Electrotechnical

Commission 

(Comissão

Eletrotécnica

Internacional) IEEE –  Instituto de Engenheiros, Eletricistas e Eletrônicos IHM –  Interface Homem-Máquina IP –  Internet Protocol  (Protocolo de Internet) PID –  Proporcional, Integral e Derivativo SCADA  –  Supervisory Control and Data Acquisition   (Controle de Supervisão e Aquisição de Dados) TCP – Transmission Control Protocol (Protocolo de Controle de Transmissão) VCC –  Tensão em Corrente Contínua

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LISTA DE SÍMBOLOS a c

 d    f    g i

 J         l m

       Ƞ  ƞ      r   v

V

µ

aceleração acréscimo para atrito lateral e coeficiente de atrito lateral torque nominal do motor diâmetro do mancal dos rolos diâmetro interno dos rolos diâmetro interno dos rolos diâmetro da engrenagem para corrente braço de alavanca do atrito rolante resistência à translação aceleração devido à gravidade: 9,8 (constante) relação de redução do redutor relação de redução intermediária momento de inércia da massa do rolo momento de inércia da massa do motor momento de inércia da massa externa momento de inércia da massa externa reduzido momento de inércia da massa externa total comprimento da mesa massa do bloco massa do rolo torque de saída do redutor torque de aceleração dinâmico torque de aceleração do redutor torque nominal do redutor rotação de saída do redutor rotação nominal rendimento rendimento do redutor potência nominal potência estática do motor potência dinâmica do motor para aceleração da carga  potência total massa específica raio tempo de partida velocidade volume do rolo coeficiente de atrito para mancais

m/s²  – 

Nm mm mm mm mm mm N m/s²  –   – 

kgm² kgm² kgm² kgm² kgm mm kg kg Nm Nm Nm Nm rpm rpm  –   – 

kw kw kw kw kg/dm³ mm s m/s dm³  – 

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SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO.....................................................................................................1 1.1. Motivação .......................................................................................................1 1.1. Objetivo ..........................................................................................................1 1.1. Definição do Problema ...................................................................................2 1.1. Restrições........................................................................................................2 1.1. Estrutura da Monografia .................................................................................2

2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ........................................................................3 2.1. Linha de Produção Automatizada...................................................................3 2.1.1. Processo de Usinagem .....................................................................4 2.1.2. Comando Numérico Computadorizado (CNC) ...............................4 2.1.2.1 Centro de Usinagem CNC..................................................6 2.1.3. Movimentação de Cargas.................................................................6 2.1.3.1. Transportador Contínuo de Rolos .....................................7 2.1.4. Motores de Corrente Alternada Trifásicos.......................................8 2.2. Automação Em Processos Industriais.............................................................9 2.2.1. Arquitetura da Automação Industrial...............................................9 2.2.2. Sensores e Atuadores .....................................................................10 2.2.2.1. Sensores de Proximidade Indutivos ................................11 2.2.3. Controlador Lógico Programável ..................................................11 2.2.3.1. Arquitetura e Princípio de Funcionamento .....................11 2.2.3.2. Modos de Operação.........................................................13 2.2.3.3. Tipos de CLP...................................................................14 2.2.3.4. Linguagens de Programação ...........................................15 2.2.4. Sistemas de Supervisão e Aquisição de Dados ..............................16 2.2.4.1. Modos Operacionais........................................................17 2.2.4.2. Características dos Sistemas Supervisórios ....................18 2.2.4.3. Elaboração de Aplicativos para Sistemas SCADA .........18 2.2.5. MODBUS ......................................................................................19 2.2.5.1. Modelo mestre-escravo (master-slave) ...........................19 2.2.5.2. Modos de Mensagem ......................................................19

3. DESCRIÇÃO DO PROCESSO ATUAL ............................................................21

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4. DESENVOLVIMENTO......................................................................................23 4.1. Métodos Gerais .............................................................................................23 4.2. Arquitetura Proposta ..................................................................................... 23 4.3. Acionamento da Mesa Transportadora .........................................................24 4.3.1. Dados de Entrada ...........................................................................24 4.3.2. Cálculos do Motor..........................................................................25 4.3.3. Cálculos do Redutor.......................................................................28 4.4. Desenvolvimento do Programa do CLP ......................................................30 4.4.1. Declaração de Hardware ................................................................31 4.4.2. Desenvolvimento do Diagrama Lógico .........................................32 4.5. Desenvolvimento do Supervisório................................................................34 4.5.1. Construção das Telas do Projeto ....................................................34 4.5.2. Declaração das Tags ......................................................................37 4.5.3. Criação de Alarmes e Relatórios....................................................38 4.5.4. Efetuando a Comunicação .............................................................40

5. CONSIDERAÇÕES FINAIS .............................................................................. 42 6. REFERÊNCIAS ..................................................................................................43 ANEXOS ...................................................................................................................45

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1  –  INTRODUÇÃO Devido à grande velocidade do desenvolvimento tecnológico dos últimos anos, a inovação se tornou uma grande preocupação das empresas. Com o objetivo de se manterem fortes e competitivas no exigente mercado atual, elas vêm buscando alternativas principalmente nas áreas de tecnologia. Os setores com segmentos automotivos e de autopeças estão entre os mercados que buscam sempre a melhoria contínua dos processos de produtividade. A automação de máquinas e processos está substituindo o grande número de atividades realizadas pela mão de obra humana por sistemas inteligentes capazes de executar tarefas com extrema precisão. Segundo Groover (2010) “A automação reduz os custos de mão de obra, reduz a quantidade de ciclos de produção e aumenta a qualidade e consistên cia do produto”.

O grande volume de produção da indústria vem exigindo um processo de  produção seguro e de qualidade, onde os equipamentos sejam capazes de executar tarefas seqüenciais com perfeição. Essa realidade faz com que as empresas busquem a inovação através de equipamentos tecnologicamente mais avançados e otimização de  processos através de conceitos de automação industrial, propondo a implantação de controladores lógicos programáveis, sistemas de supervisão e redes de comunicação de dados.

1.1 –  Motivação O mercado cada vez mais exigente e a concorrência globalizada vêm  pressionando as empresas automotivas a melhorar a qualidade do produto e investir em novos equipamentos, tornando seus processos produtivos mais seguros e eficazes. A motivação surge a partir da possibilidade de desenvolver um projeto para automatizar a linha de transporte de peças, uma vez que o processo executado manualmente é ineficaz acarretando perda de tempo e oferece riscos ao operador de produção, como queda de  peças em partes do corpo, impactos e cortes nos membros em arestas vivas da peça.

1.2 –  Objetivo O Projeto tem por objetivo a automação do processo de transporte de peças de uma empresa automobilística, resultando em segurança na linha de produção e qualidade no produto final. Propõe um protótipo de automação do sistema de transporte de blocos de motor de uma linha de usinagem substituindo o transporte e envio das peças para os centros de usinagem por esteiras automáticas, através de um sistema de controle e supervisão de dados para o gerenciamento remoto do processo.

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1.3 –  Definição do Problema Hoje, o processo de transporte de peças é realizado manualmente. O operador é responsável por retirar as peças em cada etapa do processo encaminhando até a parte final. Desta forma a produção está exposta a falhas humanas. Algumas vezes os blocos  pulam passos do processo, não passando por certas operações de usinagem o que pode gerar colisões entre a peça e o centro de usinagem CNC e conseqüentemente quebra de ferramentas e queda de peças. A monitoração e controle do processo de transporte diminuirá significativamente paradas de produção, retrabalho em peças defeituosas, refugo e vai aumentar a segurança para o operador.

1.4 –  Restrições O projeto proposto se limitará ao nível de supervisão e controle do transporte de  peças sobre as esteiras, que passarão a se movimentar de maneira automática até os centros de usinagem CNC, abrangendo apenas três estações de usinagem. O processo original é constituído de dezoito estações de maneira seqüencial o que tornaria o projeto extenso e repetitivo. Também não é prevista no projeto a inclusão da automação do CNC, uma vez que estes já trabalham de forma automatizada.

1.5 –  Estrutura da monografia O capítulo 1 apresenta uma visão geral do trabalho descrevendo uma breve introdução contendo os motivos que nos levaram a escolher este tema, o objetivo, a descrição dos problemas encontrados e suas restrições. O capítulo 2 refere-se a toda fundamentação teórica do trabalho apresentando estudos sobre linhas de produção e transportadores de rolos. Ainda neste capítulo  podemos encontrar um breve estudo sobre automação de processos industriais. O capítulo 3 apresenta uma descrição do funcionamento atual do processo de transporte de peças manual. O capítulo 4 descreve o dimensionamento do motor e do redutor utilizados na motorização da mesa de rolos. Neste capítulo ainda temos a descrição dos passos, métodos e materiais utilizados para automatizar o processo e adquirir os resultados esperados para solução dos problemas propostos.  No capítulo 5 são feitas as considerações finais sobre os resultados do que foi  proposto neste trabalho.

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2  –  FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 2.1 –  Linha de produção automatizada Uma linha de produção automatizada consiste em várias estações de trabalho automatizadas ligadas por um sistema de manuseio que transfere peças de uma estação  para outra (GROOVE, 2010). As operações de processamento nos CNC’s  são realizadas separadamente em estações de trabalho que são interligadas por um sistema de transporte. A usinagem é freqüentemente utilizada neste tipo de sistema. As linhas de produção automatizadas são exemplos de automação rígida que além de alto investimento, depois que as linhas estão prontas, torna-se difícil e inviável a alteração da seqüência e dos conteúdos de operações (GROOVE, 2010).  Na figura 1 é mostrado o processo produtivo de uma linha automatizada.

Figura 1 –  Linha de produção automatizada Fonte: Autores, 2014

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2.1.1 –  Processo de usinagem “Segundo a norma DIN 8580, o termo usinagem aplica -se a todos os processos de fabricação onde ocorre remoção de material sob a forma de cavaco” (STOETERAU,

2004). Grande parte dos produtos industriais sofre algum processo de usinagem em alguma de suas etapas de produção. A figura 2 demonstra o processo de usinagem por remoção de material.

Figura 2 –  Fabricação por remoção de material Fonte: Stoeterau, 2004 De acordo com Stoeterau (2004), os processos de usinagem podem ser classificados de três formas:

-Usinagem com ferramenta de geometria definida:   tornear, fresar, furar, rosquear, alargar, serrar, dentre outros. - Usinagem com ferramenta de geometria não definida:   lixar, ratificar, lapidar, jatear, polir, brunir, dentre outros. - Usinagem por processos não convencionais:   remoção térmica, remoção química, remoção por jato d’água, remoção por ultra -som, dentre outros.

2.1.2 –  Comando Numérico Computadorizado (CNC) As empresas buscam cada vez mais eficiência e economia nos processos  produtivos, principalmente no que se refere à usinagem de materiais. O comando numérico computadorizado é um método que permite operações e movimentação de posicionamento de uma máquina ou processo de forma totalmente

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automática por meio de informações codificadas que contem números, letras e outros símbolos. Os sistemas computadorizados de comando numérico possuem algumas características que são:

- Armazenamento de mais de um programa de usinagem:  os controladores CNC possuem capacidade a capacidade de armazenar vários programas. - Edição de programas na máquina-ferrmenta:   permitem programação ou correções do programa na própria máquina. - Ciclos fixos e sub-rotinas de programação:  com a capacidade de memória aumentada, permitem a oportunidade de armazenar ciclos de usinagem que  podem ser chamados em algum momento do programa. - Interpolação:   um sistema CNC permite esquemas de interpolação desde circular e linear implementados na unidade de controle como interpolação helicoidal, parabólica e cúbica executados por um algoritmo de programa armazenado. - Características para a preparação de posicionamento:  o alinhamento pode ser realizado utilizando as opções de software do CNC. Com ele o dispositivo não precisa ser posicionado com precisão extrema. Os eixos máquina-ferramenta são referenciados com relação à posição da fixação usando um ponto-alvo, conjuntos de pontos-alvo ou um dispositivo de fixação. - Comprimento da ferramenta e compensação de seu tamanho:  os controles CNC possuem um método de compensação automática do comprimento da ferramenta feito no caminho calculado da ferramenta, mesmo as dimensões reais da ferramenta sendo diferentes da programada. Outro método é a utilização de um sensor de comprimento da ferramenta embutido na máquina. - Cálculos de aceleração e desaceleração:   a velocidade de avanço é ligeiramente desacelerada a cada mudança abrupta do caminho da ferramenta e então acelera novamente para a velocidade programada, a fim de evitar marcas da ferramenta na superfície da peça. - Interface de comunicação:  a maioria dos controles CNC são equipados com interface de comunicação para interligar as máquinas a outros computadores ou dispositivos inteligentes. - Diagnósticos: muitos sistemas CNC possuem monitoramento para detecção de falhas ou diagnosticar falhas do sistema (GROOOVE, 2010). Destaca Relvas (2002) que os modelos de máquinas CNC vão desde máquinas ferramentas de controle numérico de furar ou fresar a dois eixos, até equipamentos sofisticados capazes de controlar sozinhos um determinado processo de produção. Os tipos mais comuns de máquinas-ferramenta CNC utilizados na indústria são: tornos CNC, fresadoras, centros de usinagem e máquinas de eletroerosão por penetração ou fio (RELVAS, 2002).

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2.1.2.1 –  Centro de usinagem CNC Um centro de usinagem CNC caracteriza-se como uma máquina-ferramenta similar a uma fresadora com funções de troca automática de ferramenta e sistemas de calibração e detecção automática de quebra de ferramenta dentre outras. Nele é possível executar operações de fresar, furar, roscar e mandrilar realizando a usinagem completa e automática de uma peça (RELVAS, 2002). A figura 3 apresenta um centro de usinagem CNC.

Figura 3 –  Centro de Usinagem Fonte: Autores, 2014

2.1.3 –  Movimentação de cargas Segundo Dias (1993), para que a matéria prima possa transformar-se ou ser  beneficiada, pelo menos um dos três elementos básicos de produção, homem, máquina ou material, deve movimentar-se. Sem esta movimentação não se pode pensar em  processo produtivo. Existe uma ampla variedade de equipamentos de movimentação como: transportadores, guindastes, elevadores, veículos industriais, containers, dentre outros. Transportadores são aparatos mecânicos para movimentação de materiais de grande volume na indústria. Muito utilizados para movimentação de materiais entre localizações específicas através de um percurso fixo (GROOVE, 2010).

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2.1.3.1 –  Transportador contínuo de rolos Os transportadores contínuos de rolos são muito utilizados em linhas de montagem na indústria para movimentação constante de cargas ou controlados com  paradas em pontos determinados. Possui no seu percurso uma série de tubos ou rolos perpendiculares à direção do deslocamento movimentando a carga para frente à medida que os rolos giram, conforme mostrado na figura 4.

Figura 4 –  Transportador contínuo de roletes Fonte: Imam Consultoria, 2014 Uma grande vantagem do transportador contínuo de rolos é poder acumular materiais por um determinado tempo. A acumulação pode ser feita com pressão zero, onde os produtos não se tocam ou com pressão mínima, onde há um pequeno contato entre os produtos. Para utilização de qualquer transportador contínuo de rolos deve ser seguida uma regra geral que diz que deve haver três rolos sob o produto a todo o momento (IMAM CONSULTORIA, 2014). Quanto ao acionamento, o transportador contínuo de rolos pode ser dividido em três categorias (IMAM CONSULTORIA, 2014):

- Transportador contínuo com eixo de transmissão: este transportador é o mais barato, porém, necessita de uma manutenção contínua devido à grande quantidade de peças. Possui um eixo metálico longo passando por baixo dos rolos e anéis de borracha fazem a conexão dos rolos ao eixo fazendo com que quando o motor gire o eixo, os rolos também se movimentem. - Transportador contínuo de rolo acionado por correia:  neste transportador é fácil criar acumulações, pois seu acionamento é feito por uma correia ligada ao

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motor, que passa sob os rolos, e os movimenta. Para criar acumulação em qualquer zona, basta soltar a correia dos rolos. - Transportador contínuo de rolos motorizados:  este transportador apresenta um custo inicial mais elevado, porém, sua manutenção é mais fácil. Possuem rolos com motores internos normalmente 24VCC interligados por anéis de  borracha e divididos por zona. Cada zona possui no mínimo um rolo motorizado. Apresenta um melhor controle e economia de energia, pois as zonas possuem acionamentos independentes podendo ficar desligadas quando não houver carga  presente.

2.1.4 –  Motores de Corrente Alternada Trifásicos Um motor elétrico é um dispositivo capaz de transformar energia elétrica em mecânica, utilizando normalmente o princípio do campo magnético. O motor de indução trifásico é o mais utilizado em processos industriais devido aos sistemas de distribuição de energia (FILHO, 2012). Segundo Filho (2012), os motores trifásicos de indução são constituídos de duas  partes básicas:

- Estator:  formado por uma carcaça, um núcleo de chapas magnéticas adequadamente fixadas no estator e enrolamentos de material condutor isolado sobre o núcleo e ligados a rede elétrica. - Rotor: formado por um eixo, um núcleo de chapas e barras e anéis de curtocircuito (motor de gaiola) ou enrolamentos (motor com rotor bobinado). A figura 5 mostra as partes de um motor de indução trifásico.

Figura 5 –  Motor de indução trifásico Fonte: Filho, 2012

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Seu funcionamento baseia-se no princípio de que quando é alimentado a um sistema trifásico, a passagem da corrente alternada pelas bobinas produz um campo magnético rotativo no estator, gerando correntes induzidas no rotor que se opõe ao campo rotativo e é arrastado tendendo a rodar no mesmo sentido e velocidade do campo girante.

2.2 – Automação Em Processos Industriais A automação é um sistema de equipamentos eletrônicos que controlam seu  próprio funcionamento, quase sem a intervenção do homem. “Entende-se por automação qualquer sistema apoiado

em computadores, que substitua o trabalho humano em favor da segurança das pessoas, da qualidade dos produtos, da rapidez da produção ou da redução de custos, assim aperfeiçoando os complexos objetivos das indústrias e dos serviços ” (MORAES E CASTRUCCI, 2007).

Alguns dos principais motivos para se automatizar processos industriais segundo Moraes e Castrucci (2007) são:       

Redução dos custos de produção; Maior nível de qualidade; Maior flexibilidade de modelos para o mercado; Maior segurança pública e dos operários; Redução nas perdas de materiais e energia; Mais disponibilidade e qualidade da informação sobre o processo; Melhor planejamento e controle da produção.

2.2.1 –  Arquitetura da automação industrial A automação de processos industriais exige a realização de muitas funções. A figura 6 representa os diferentes níveis de automação encontrados em uma planta industrial.

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Figura 6 –  Etapas da automação industrial Fonte: Moraes e Castrucci, 2007

2.2.2 –  Sensores e Atuadores Sensores são dispositivos sensíveis a alguma forma de energia do ambiente muito utilizados na automação industrial, responsáveis por captar informações do  processo (THOMAZINI E ALBUQUERQUE, 2009). São classificados de acordo com a variável a ser captada, essas informações ou variáveis, podem ser analógicas ou digitais. As variáveis analógicas são contínuas ao longo do tempo, enquanto as digitais são variáveis discretas. O sinal de saída de um sensor, nem sempre possui as características necessárias  para ser usado em um sistema de controle. Pode ser necessário a manipulação do sinal  para uma grandeza conhecida pelo controlador através de um circuito de interface. Os atuadores são responsáveis pela execução da ação de controle, modificando uma variável controlada a partir de sinais provenientes do controlador e agindo no sistema controlado. Os atuadores podem ser eletromagnéticos, hidráulicos ou  pneumáticos (THOMAZINI E ALBUQUERQUE, 2009).

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2.2.2.1 –  Sensores de proximidade indutivos Os sensores indutivos de proximidade são dispositivos sensíveis a aproximação de objetos metálicos sem contato, conforme mostrado na figura 7. A detecção ocorre através da interferência de uma peça metálica no campo eletromagnético de alta freqüência gerado por uma bobina ressonante, diminuindo a amplitude do sinal gerado  pelo circuito oscilador. Um comparador de sinal atrás do oscilador converte a informação em um sinal de saída (THOMAZINI E ALBUQUERQUE, 2009).

Figura7 –  Princípio do sensor indutivo Fonte: Moraes e Castrucci, 2007

2.2.3 –  Controlador Lógico Programável Basicamente, um controlador lógico programável pode ser visto como um equipamento eletrônico de processamento que contem um hardware e um software com interface amigável com o usuário que são utilizados para realizar funções de controle. “Segundo

a IEC ( International Electrotechnical Comission ), um CLP é definido como um Sistema eletrônico operando digitalmente, projetado para uso em um ambiente industrial, que usa uma memória programável para a armazenagem interna das instruções orientadas pelo usuário para implementar funções específicas, tais como lógica, seqüencial, temporização, contagem e aritmética, para controlar através de entradas e saídas digitais ou analógicas, vários tipos de máquinas ou processos. O controlador programável e seus periféricos associados são projetados para serem facilmente integráveis em um sistema de controle industrial e facilmente usado em todas as suas funções previstas ” (FRANCHI E CAMARGO, 2011).

2.2.3.1 –  Arquitetura e princípio de funcionamento O controlador lógico programável pode ser dividido em cinco partes: fonte de alimentação, unidade central de processamento (CPU), entradas (analógicas ou digitais),

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saídas (analógicas ou digitais) e unidade de comunicação. A figura 8 demonstra o diagrama de blocos do CLP.

Figura 8 –  Diagrama em blocos do CLP Fonte: Franchi e Camargo, 2012 A fonte de alimentação fornece energia necessária para todos os módulos do controlador que dependendo de seu tamanho poderá ter uma segunda fonte devido ao aumento de consumo com a expansão dos módulos. Também mantém a carga da bateria nos sistemas que utilizam relógio em tempo real e memória tipo RAM. Alguns são  projetados para trabalharem com uma tensão de 220 Volts, outros com tensão contínua de 24 Volts. A CPU é responsável pelo funcionamento lógico de todos os circuitos, execução do programa aplicativo e gerenciamento do processo. Recebe os sinais de sensores de campo através de módulos de entrada e comandos via comunicação em rede, executa as operações lógicas, aritméticas e de controle de malha programadas e atualiza o estado dos módulos de saída. As entradas e saídas são módulos responsáveis pelo interfaceamento da CPU com o processo, possuem circuitos utilizados para adequar eletricamente os níveis de tensão e corrente e converter os sinais que entram e saem do CLP para um formato conhecido. Também são conhecidas como módulos de I/O. É fundamental saber a quantidade de pontos de entradas e saídas e quais os seus tipos seu processo irá utilizar  para uma especificação adequada dos módulos de entrada e saída. O sistema de comunicação é responsável pela introdução dos programas aplicativos no CLP, pelo monitoramento das operações realizadas em tempo real ou em um determinado momento e transferir dados de forma bidirecional através de um sistema de controle e aquisição de dados (SCADA). Além disso, pode se comunicar com outros CLPs interligados em rede, através de um CLP mestre, com um modem ou ainda via internet (FRANCHI E CAMARGO, 2012).

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2.2.3.2 –  Modos de operação De maneira geral um CLP pode estar nos modos de operação de programação (prog) ou execução (run).  No modo de programação o CLP não executa nenhum programa, isto é, fica aguardando para ser configurado ou receber novos programas instalados.  No modo de execução, o controlador passa a executar o programa instalado pelo usuário. Existem CLPs que permitem a alteração de dados mesmo com o programa em execução. Este tipo de programação é chamado programação on-line. A operação de se transferir um programa do computador ao controlador denomina-se Download. Já o ato de se transferir um programa do controlador para o computador denomina-se Upload. O Funcionamento do CLP é realizado através de ciclos contínuos que são denominados scan. O scan é constituído de três etapas: A primeira é a leitura dos dados através das interfaces de entrada, a segunda é a execução do programa de controle armazenado na memória e a terceira escreve ou atualiza os dispositivos de saída, conforme mostrado na figura 9.

Figura 9 –  Scan do CLP. Fonte: SENAI, 2003

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2.2.3.3 –  Tipos de CLP Segundo Franchi e Camargo (2012), os controladores lógicos programáveis, de acordo com a disposição de seus elementos, podem ser classificados de duas maneiras, que são:

- CLPs Compactos: Possui todos os componentes em uma única unidade (fonte de alimentação, CPU e módulos de I/O). Utilizados em processos de pequeno  porte. A figura 10 apresenta um CLP compacto.

Figura 10 –  CLP compacto Fonte: Siemens, 2014

- CLPs Modulares:  Possuem uma estrutura modular onde cada módulo possui uma determinada função específica, conforme mostrado na figura 11. Estes módulos são encaixados em um rack de sustentação que fará a conexão dos mesmos. Podem adquirir uma configuração de médio ou grande porte.

Figura 11 –  CLP modular  Fonte: Eaton, 2014

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2.2.3.4 –  Linguagens de programação “A linguagem de programação é um conjunto padronizado de instruções que o sistema computacional é capaz de reconhecer” (FRANCHI E CAMARGO, 2012).

A norma IEC 61131-3 veio uniformizar os diversos padrões de programação e metodologia utilizados pelos fabricantes definindo sintática e semanticamente cinco linguagens de programação que segundo Franchi e Camargo, (2012) são:

- Linguagem Ladder –  Ladder Diagram (LD):  Linguagem gráfica baseada na lógica de contatos e bobinas, conforme demonstra a figura 12. É a linguagem mais usada pelos fabricantes de CLP. O diagrama ladder parte de duas linhas verticais, também chamadas de barras de alimentação. A idéia principal do diagrama ladder é representar graficamente um esquema elétrico de um circuito de comando.

Figura 12 –  Diagrama Ladder Fonte: SENAI, 2003

- Lista de instruções  –  Instruction List (IL): Inspirada na linguagem assembly, muito utilizada em microprocessadores e microcontroladores. É indicada para  pequenos CLPs ou para controle de processos simples. - Texto estruturado  –  Structured Text (ST):  Linguagem textual de alto nível, inspirada na linguagem Pascal, ideal para o desenvolvimento de uma  programação estruturada complexa que envolva descrição de comportamento seqüencial. - Diagrama de Blocos de Funções  –   Function Block Diagram (FBD): Linguagem gráfica de programação onde se utilizam blocos semelhantes aos utilizados em eletrônica digital. A partir de blocos simples podem ser construídos blocos de funções mais complexos. São ideais para realizar

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algoritmos PID (Proporcional, Integrativo e Derivativo), pois permitem especificar algoritmos ou conjunto de aplicações aos dados de entrada. - Seqüenciamento gráfico de funções - Sequencial Function Chart (SFC): Linguagem derivada do Grafcet ideal para a descrição de ações seqüenciais. Os conjuntos de etapas são separados por transições. As transições são subordinadas a uma condição que quando satisfeita desativa o passo anterior e assim o sistema evolui para a etapa seguinte.

2.2.4 –  Sistemas de Supervisão e Aquisição de Dados Os sistemas supervisórios permitem a monitoração e rastreamento de informações de um processo produtivo. Essas informações são captadas, e em seguida  podem ser manipuladas analisadas ou armazenadas através de uma interface interativa de operação. “Sistemas

supervisórios são sistemas digitais de monitoração e operação da planta que gerenciam variáveis de processo. Estas são atualizadas continuamente e podem ser guardadas em  bancos de dados locais ou remotos para fins de registro histórico” (MORAES E CASTRUCCI, 2007).

A interação do operador com o processo pode ser realizado através de computadores ou IHMs (Interface Homem-Máquina) permitindo desde a visualização de alarmes e dados, como a alteração de configurações e parâmetros do processo. O SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) é um sistema responsável pela supervisão, controle e aquisição de dados dos processos industriais com uma interação entre operador e processo através de uma interface gráfica. Através dele é possível todo o acompanhamento do processo pelo usuário, suprindo eventuais necessidades de intervenção (MORAES e CASTRUCCI, 2007). O sistema SCADA permite a configuração de alarmes, eventos, relatórios, gráficos, controle de receitas e funções avançadas através de scripts. Sua comunicação  pode ser feita de dois modos:

- Comunicação por consulta (polling): também conhecida como mestre/escravo, a estação mestre tem o controle total das comunicações, lendo os dados de cada estação escravo que responde a estação mestre após a recepção de um pedido. Caso a estação escravo não responda, a estação central envia novas tentativas de polling por um tempo determinado antes de avançar para a próxima estação. - Comunicação por interrupção (report by exception): a estação remota monitora seus valores de entrada e inicia a comunicação com a estação central após a detecção de alterações de valores significativos permitindo a detecção de erros. A estação remota sempre verifica se o meio não está ocupado por outra estação antes de iniciar uma transmissão (MORAES e CASTRUCCI, 2007).

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A comunicação entre o sistema de supervisão e os CLPs pode ser realizada através de redes proprietárias desenvolvidas pela própria empresa fabricante do equipamento, que podem limitar o usuário quanto à necessidade de ampliação ou por  protocolos de comunicação abertos. A figura 13 apresenta um exemplo de tela de supervisório para monitoração e controle.

Figura 13 –  Tela de um sistema de supervisão para monitoramento e controle Fonte: Stesse, 2014

2.2.4.1 –  Modos Operacionais O sistema supervisório pode ser dividido em modo de desenvolvimento, que é o ambiente onde é criada a tela gráfica, o programa, o banco de dados e todas as animações. E o modo de execução é onde o sistema executa toda funcionalidade  programada no desenvolvimento e não qual se dará a operação integrada com o CLP  para a supervisão em tempo real (MORAES e CASTRUCCI, 2007).

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2.2.4.2 –  Características dos Sistemas Supervisórios Segundo Moraes e Castrucci (2007), os sistemas supervisórios possuem as seguintes características:

- Facilidade de interpretação: a animação da tela com cores e movimentos facilita uma rápida interpretação das áreas e equipamentos de processos da  planta. - Flexibilidade: os sistemas supervisórios permitem realizar facilmente alterações no processo, correções ou implementações por meio de softwares. Alguns permitem alterações sem a interrupção da operação normal do dispositivo. - Estrutura: recomenda-se que as telas dos supervisórios sejam divididas em áreas permitindo uma navegação objetiva do processo. - geração de receitas de produção: a criação ou alteração de parâmetros da receita podem ser realizadas em tempo real através de softwares atuais.

2.2.4.3 –  Elaboração de aplicativos para sistemas SCADA A elaboração do aplicativo de supervisão vai depender do tipo de aplicação, tipo de usuário e finalidade da aplicação, mas de uma maneira geral pode seguir uma seqüência simples de implementação:            

Definição das telas que deverão fazer parte da solução; Elaboração e definição das propriedades das telas; Introdução dos objetos que deverão fazer parte de cada tela; Definição das interconexões entre telas; Definição dos tipos de tags e quais tags externas deverão ser criadas; Elaboração dos scripts necessários para a aplicação; Definição dos logs de alarmes e eventos; Definição dos relatórios, gráficos e receitas; Definição dos drivers de comunicação necessários; Parametrização dos drivers; Definição de hierarquias e senhas; Testes de comunicação com os equipamentos que farão parte da solução (CLP, rádio MODEM, equipamentos de aquisição de dados em geral, etc.).

 Normalmente, os supervisórios consistem principalmente em aquisição de dados, monitoramento e armazenamento de dados. Mas possuem outras aplicações, como por exemplo, seu uso como IHM onde podem ser implementados por um fabricante de CLP e aplicativos de supervisão executados em microcomputadores tipo PC ou em computadores industriais (ALBUQUERQUE E ALEXANDRIA, 2009).

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2.2.5 –  MODBUS O MODBUS é um protocolo para barramentos de campo criado pela MODICON, empresa de produtos para automação, visando o uso em seus próprios dispositivos, utilizando portanto um protocolo proprietário (ALBUQUERQUE E ALEXANDRIA, 2009). Protocolos proprietários são protocolos de uso exclusivo de uma empresa. Já os  protocolos padronizados por instituições internacionais para o uso independente de fabricantes são chamados protocolos abertos. Com o tempo, o MODBUS passou a ser utilizado por vários fabricantes de dispositivos para automação, passando a ser um protocolo aberto sob autorização da  própria MODICON (ALBUQUERQUE E ALEXANDRIA, 2009).

2.2.5.1 –  Modelo mestre-escravo (master-slave) O MODBUS é baseado no modelo mestre-escravo. O mestre pode enviar uma requisição a um escravo em particular ou uma mensagem comum a todos os escravos. A resposta do escravo só acontece se a mensagem de requisição estiver corretamente formulada. Os escravos não podem comunicar entre si, pois toda comunicação deve  passar pelo mestre. A mensagem sobre o protocolo MODBUS é constituída por um conjunto de caracteres hexadecimais ou ASCII (ALBUQUERQUE E ALEXANDRIA, 2009). Segundo Albuquerque e Alexandria (2009), o mestre possui quatro atribuições: 

 



Assegurar a troca de informação entre as ECL (Estações de Controle Local) ou EDT (Equipamentos Terminais de Dados); Assegurar o diálogo com o operador do sistema (diálogo homem-máquina); Assegurar um diálogo com outros mestres ou com um computador para uma gestão centralizada do conjunto do processo; Assegurar a programação ou passagem de parâmetros para os escravos (ECL) a fim de obter a flexibilidade da produção.

2.2.5.2 –  Modos de mensagem O formato dos pacotes de comunicação entre mestre e escravos pode ser feito de dois modos:

- MODBUS ASCII:  transmite dados codificados em caracteres ASCII (American Standard Code for Information Interchange) de sete bits. Apesar de gerar mensagens legíveis para as pessoas, este modo consome mais recursos da rede.

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- MODBUS RTU: transmite os dados em formato binário de oito bits no modo RTU (Remote Terminal Unit). Cada byte na mensagem contém dois caracteres hexadecimais de quatro bits cada. O modo RTU permite um pacote de tamanho mais compacto, sendo por isto mais utilizado. Existem ainda algumas variações do protocolo MODBUS onde são acrescentados novas funções ou outros níveis ao protocolo original, como:

- MODBUS/TCP (MODBUS sobre Ethernet):  os dados são encapsulados no formato binário em quadros para a utilização no meio físico Ethernet (IEEE 802.3). Quando o MODBUS/TCP é usado, o mecanismo de controle e acesso é o CSMA-CD (próprio da rede Ethernet) e as estações utilizam o modelo clienteservidor. - MODBUS Plus:  possuem vários recursos adicionais de roteamento, diagnóstico, endereçamento e consistência de dados. Esta versão só pode ser implantada sob licença da Schneider Eletric que detém o seu domínio (ALBUQUERQUE E ALEXANDRIA, 2009).

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3 - DESCRIÇÃO DO PROCESSO ATUAL O processo de usinagem de blocos é constituído de 18 Centros de usinagem CNC. O transporte da linha de usinagem atualmente é realizado de maneira manual  pelos operadores de produção. As peças (bloco de motor) são empurradas ao longo da mesa de rolos até chegarem à mesa dos centros de usinagem CNC que fazem o carregamento automático da peça para realizar o processo de usinagem. Enquanto as  peças estão sendo usinadas, o operador apresenta um tempo ocioso aguardando o centro de usinagem devolver a peça para ser empurrada para o próximo CNC. As peças ficam estocadas no prédio da logística que encontra-se localizado ao lado do prédio da Usinagem. As peças são armazenadas com produto anticorrosivo evitando que sofram processo de oxidação. O transporte das peças para o prédio da usinagem é realizado por uma empilhadeira que deposita os blocos em uma mesa elevatória. Os operadores utilizam um manipulador pneumático, conforme figura 14,  para colocar as peças no inicio da primeira mesa de rolos.

Figura14 - Manipulador pneumático Fonte: Autores, 2014  No CNC 1 a peça recebe identificação, data e hora do início do processo de usinagem. Também são realizadas operações de fresamento e furos, que servirão de referência para todos os demais processos de usinagem.  Nos CNCs 2, 3 e 4 são realizadas operações de fresagem na face de combustão e face do Carter e furos nos cilindros do bloco do motor.

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Dos CNCs5 ao 15, são realizados operações de fresamento, furos, desbaste, rebaixo e roscas na região dos mancais e face do Carter. Por fim, nas CNCs 16,17 e 18, são realizadas operações de fresamento, furos e roscas para encaixe da caixa de cambio e do coletor de entrada de água. Onde a peça sai  pronta para montagem do motor.

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4 - DESENVOLVIMENTO

4.1 –  Métodos Gerais O processo de desenvolvimento inicia-se com um estudo detalhado do descritivo operacional do sistema da linha de usinagem. Esta descrição é essencial para definição da quantidade de sensores, atuadores, I/O do CLP e especificação de equipamentos e softwares a serem utilizados no projeto. Na seqüência, realizar os cálculos para escolha do motoredutor, a lógica de programação do CLP e desenvolver o sistema de supervisão. Por fim estabelecer a comunicação de dados entre o controlador e o supervisório.

4.2 –  Arquitetura proposta A escolha de uma boa arquitetura possibilita que o sistema satisfaça as exigências do projeto como: desempenho e confiabilidade. A figura 15 apresenta a arquitetura proposta no projeto.

Figura15 – Arquitetura proposta Fonte: Autores, 2014

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4.3 –  Acionamento da mesa transportadora O acionamento da mesa transportadora será efetuado através de motoredutores. Os cálculos para escolha do motor e do redutor foram baseados no manual de seleção de acionamentos SEW EURODRIVE(2013). Utilizamos uma mesa transportadora fixa, tipo MFixRoll 600mm, montada sobre uma estrutura metálica e confeccionada em aço carbono. Sua transmissão será através de correntes conforme mostrado na figura 16.

Figura16 - Transportador de rolos com transmissão por correntes e acionado por motor Fonte: SEW Eurodrive, 2013 A figura 17 mostra como as correntes devem ser dispostas no transportador de rolos.

Figura 17 - Disposição das correntes Fonte: SEW Eurodrive, 2013

4.3.1 –  Dados de entrada Os blocos devem ser transportados através de transportadores de rolos a uma velocidade de 0,5 m/s. As engrenagens para corrente possuem 13 dentes. As mesas  possuem uma largura de 700 mm e sua altura pode ser regulável de 700 mm a 800 mm. O comprimento das mesas são 5000 mm e 1500 mm onde os rolos são dispostos a uma distancia entre eixos de 100 mm. As medidas do bloco são 400 x 235 x 100 mm. Diâmetro externo dos rolos Diâmetro interno dos rolos Diâmetro da engrenagem para corrente

 = 89 mm  = 40 mm   = 65 mm

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Diâmetro do mancal dos rolos Velocidade da mesa Aceleração desejada Massa do bloco Comprimento da mesa

d = 20 mm v = 0,5m/s a = 0,5 m/s² m = 70kg l = 5000 mm

4.3.2 –  Cálculos do motor Para o cálculo da resistência à translação utilizamos a equação (1). A massa do  bloco é m = 70 kg a uma massa específica de  = 7,50 kg/dm³ ( ferro fundido BC) e um volume de 9,3 dm³. Adotamos o valor da aceleração da gravidade (g = 9,8 m/s²). Os valores de c = 0, f = 0,5 e  = 0,005 foram tomados através de tabelas de atrito  presentes no anexo.



µ



= m .g .

 .µ .   .    

(1)

 = 70 .9,8 .0,005 .   .20  0,5   0 = 8,5 N ƞ

Adotamos um rendimento da corrente   = 0,90 por volta completa. A seleção das correntes em nosso caso consiste em 23 voltas completas. O rendimento total  é calculado com x = número de voltas conforme equação (2).

ƞ = ƞ

ƞ

(2)

ƞ = 0,903 = 0,09 A potência estática do motor para o rendimento de redutor de ser calculado pela equação (3).

 = ƞ . .ƞ ., = 49,7w = 0,0497 kw  = ,,.,

ƞ =0,95 pode

(3)

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O momento de inércia da massa externa, nesse caso é dividido entre o momento de inércia da massa do bloco e o momento de inércia da massa dos rolos. O momento de inércia da massa das correntes, nessas condições, pode ser desprezado. Adotando a rotação nominal de 1700 rpm, com a equação (4) calculamos o momento de inércia da massa do bloco.

    = 91,2 . m 

(4)

 ,   = 91,2 . 70   = 0,00055 kgm² O volume do rolo é calculado através da equação (5).

V= V=

 .  .    .  . 

  . 89² . 5000    . 40² . 5000 = 24822509 mm³ = 24,82 dm³

(5)

A massa do rolo pode ser obtida conforme equação (6).

 =  . 

(6)

 =24,82 . 7,5 = 186,15 kg O momento de inércia da massa do rolo é calculado através da equação (7). Como sabemos os diâmetros do rolo, o raio externo   = 44,5 mm ou 0,0445 m e o raio interno é = 20 mm ou 0,020 m.

é





   )

J =  .



J =  . 24,82

(7)

0,0445² 0,020²) = 0,03 kgm²

A rotação de saída é calculada a partir da velocidade dos blocos e do diâmetro dos rolos conforme equação (8).

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. 60  =  .1000  . 

(8)

.    =107,3 rpm  = , .  .  Para se ter um ponto de referência comum de momento de inércia da massa do motor e momento de inércia da massa externa, o momento de inércia da massa externa deve ser "reduzido" pela redução do redutor. Com isso, o momento de inércia da massa de um rolo, reduzido para o eixo do motor pode ser calculado pela equação (9).

      = J .  ,3    = 0,03 .    = 0,00012 kgm²

(9)

Assim, o momento de inércia da massa externa total é dado pela adição do momento de inércia da massa do bloco com o momento de inércia da massa reduzida através da equação (10).

   =  +  

(10)

  = 0,00055 + 0,00012 = 0,00067 kgm² O torque de aceleração dinâmico, necessário para acelerar a carga (sem motor) no lado de entrada do redutor, para estimar a potência do motor adotando um tempo de  partida   = 1 segundo é obtido pela equação (11).

 

 

 =

 =

 ƞ . ƞ .  , . 

, , . , .  = 1,4 Nm

(11)

, . 

Logo a potência dinâmica é obtida através da equação (12).

  .    = 9550 

(12)

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.  =0,25 kw  = , A potência total exigida é obtida pela soma da potência estática com a potência dinâmica, através da equação (13)

 =  + 

(13)

 = 0,0497 + 0,25 = 0,3 kw Consultando o catálogo de motores DR (rendimento padrão) da SEW, escolhemos um motor de 0,37 kw conforme figura 18.

Modelo DRS71S4 / BE5   = 0,37 kw   = 1700 rpm   = 4,9 . − kgm²  = 2,1 Nm

    



Figura 18 - Motor Fonte: SEW Eurodrive, 2013

4.3.2 –  Cálculos do redutor Utilizando os dados do motor DRS71S4 (que podem ser encontrados no apêndice) e dados calculados acima, podemos calcular o torque de aceleração através da equação (14).

( ƞ . ƞ) .   = , .   +  ,  .  , .  + , . ,  = , . 

 2,1 = 3,5 Nm

(14)

29

O torque nominal é obtido pela equação (15).

 =  .  .  = 2 Nm  = ,3

(15)

A relação entre torque de aceleração e torque nominal pode ser expressa pela equação (16).

 /  =  /  = 3, = 1,75

(16)

A rotação de saída pode ser calculada pela equação (17). Adotamos uma relação de redução intermediária 

 = 1.

  = 19,1 . 103 .  . 

(17)

  = 19,1 . 103 . , . 1 = 147 rpm A relação de transmissão pode ser obtida pela equação (18). i = i =

 

 = 11,56 

(18)

Por fim, o torque de saída pode ser calculado conforme a equação (19).

 =  .   = ,3.  = 24 Nm

(19)

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Para atender as necessidades da mesa de rolos, consultamos o catálogo de motoredutores da SEW, escolhendo assim um motoredutor modelo R07 conforme figura 19.

Modelo R07DRS71S4 / BE5   = 25 Nm   = 141rpm i  = 12,06

 

Figura 19 - Motoredutor Fonte: SEW Eurodrive, 2013

4.4 –  Desenvolvimento do Programa do CLP Para o desenvolvimento do protótipo foi adotado o CLP de base compacta Twido TWDLCDE40DRF do grupo multinacional francês Schneider Electric e seu software Twido Suite, utilizado para pequenas e médias aplicações. Este tipo de base apresenta um número significativo de I/O para um tamanho reduzido ideal para locais onde o espaço ocupado seja importante. Oferecem  possibilidades de expansão e opções geralmente reservado apenas às plataformas maiores. A figura 20 apresenta o CLP Twido TWDLCDE40DRF.

Figura 20 – CLP Twido TWDLCDE40DRF Fonte: Schneider, 2014 O hardware do Twido TWDLCDE40DRF utilizado no protótipo, é basicamente composto 24 entradas digitais e 16 saídas digitais, sendo 2 saídas a transistor e 14 saídas

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a relé. Porém estes números podem ser ampliados com a inclusão de módulos de expansão de entradas e saídas. O data sheet do TWDLCDE40DRF encontra-se no anexo. A linguagem de programação adotada para a construção do programa no ambiente do Twido Suite foi o diagrama ladder por ser a linguagem mais utilizada pelos fabricantes de CLP no mundo e pela semelhança com os diagramas elétricos convencionais. O programa possui uma ferramenta de simulação que permite o teste do funcionamento da lógica sem a necessidade dos dispositivos estarem conectados ao computador.

4.4.1 –  Declaração de Hardware A especificação do hardware a ser utilizado no projeto, vai depender da quantidade de variáveis a serem monitoradas e controladas. A partir deste levantamento é escolhido o hardware mais adequado a aplicação. Ao abrir o software de desenvolvimento a primeira coisa a se fazer é criar um novo projeto salvando-o com o nome desejado. O próximo passo é declarar o hardware mais adequado a sua aplicação . Isto pode ser feito na aba ‘ Describle’ clicando no CLP desejado à direita e o arrastando para a página 1 conforme figura 21.

Figura 21 –  Tela para declaração do hardware Fonte: Autores, 2014

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4.4.2 –  Desenvolvimento do Diagrama lógico temos acesso a configuração dos módulos de expansão,  blocos de funções, acesso a programação e transferência do programa ao CLP. A aba ‘Configure’ nos permite endereçar e configurar as I/O. Abaixo na tabela ‘Inputs/Outputs’ podemos nomear em ‘Symbol’ todas as entradas e saídas que serão utilizadas no projeto conforme demonstrado na figura 22.  Na pasta ‘Program’

Figura 22 –  Tela para configuração de I/O Fonte: Autores, 2014 Clicando na aba ‘ Program’ 

do lado direito da tela, vamos ter acesso à  programação com opções de inserir seções, rungs e sub-rotinas podendo iniciar o desenvolvimento do diagrama lógico. Devemos clicar em ‘add a section ’ na barra de instruções para adicionar uma linha onde será construída a lógica em diagrama Ladder e habilitar novas opções. O sentido de execução do programa lógico se dá sempre da esquerda para a direita e de cima para baixo. Ao inserir uma seção automaticamente aparece uma rung e clicando na linha onde será construída a lógica em diagrama Ladder, habilitam-se os contatos e blocos de funções. Para inserir elementos lógicos nas linhas de programação, basta clicá-los na  barra de instruções acima da janela de edição. Após a inserção do objeto, ao clicar acima dele, é possível endereçá-lo de acordo com o hardware do CLP. Alguns objetos podem ser configurados ou ter suas características modificadas clicando sobre eles. A figura 23 demonstra a tela de desenvolvimento da lógica ladder. O diagrama lógico completo pode ser conferido no anexo ao final da monografia.

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Figura 23 –  Tela para desenvolvimento da lógica ladder Fonte: Autores, 2014 Após o desenvolvimento do programa é possível checar a existência de possíveis erros. Abaixo a direita, encontra- se a aba ‘Analyze program’ que é uma ferramenta que analisa todas as linhas da lógica criada indicando com uma barra vertical verde ou vermelha no campo ‘rung’ se a linha está corr eta ou incorreta respectivamente, conforme figura 24.

Figura 24 –  Tela de análise do programa Fonte: Autores, 2014 Depois de analisado e estando o programa isento de erros, é possível conferir o funcionamento da lógica criada pelo usuário. Ao clicar na aba ‘Simulation’ abaixo a direita, são abertos três campos: um contendo data e hora da simulação, um contendo os  botões de comando da simulação e um contendo todas as variáveis do programa. Clicando em‘play’ no campo contendo os botões de comando, o programa entra em modo de execução (Run). Após isto é só selecionar as entradas no campo com as

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variáveis. De acordo em que as condições são satisfeitas, os objetos mudam a cor para verde na janela de edição ficando fácil a visualização de mudança de estado. A figura 25 apresenta a simulação da lógica desenvolvida.

Figura 25 –  Tela de simulação da lógica desenvolvida Fonte: Autores, 2014

4.5 –  Desenvolvimento do supervisório Para a construção da interface gráfica, foi adotada a plataforma Indusoft Web Studio Educationalv7.1 da empresa Indusoft, desenvolvido para aplicações em sistemas operacionais Microsoft que permite construir aplicações completas SCADA (Sistemas de Supervisão e Aquisição de Dados) ou IHM (Interface Homem Máquina) para a Indústria de Automação. Os aplicativos projetados no InduSoft Web Studio permitem que engenheiros e operadores de plantas tenham a visualização das operações de chão de fábrica e possam emitir comandos operacionais, tais como ligar e desligar a um ou mais Controladores Lógicos Programáveis remota ou localmente.

4.5.1 –  Construção das Telas do Projeto O ambiente de desenvolvimento é bem amigável e moderno baseado no layout do Microsoft Office com três principais áreas de operação: 1 –  Explorador de Projeto; 2 –  Editor de Tela;

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3 –  Menu de ferramentas e opções. A figura 26 apresenta o ambiente de desenvolvimento do Indusoft.

Figura 26 –  Ambiente de desenvolvimento Indusoft Fonte: Autores, 2014  No explorador de projeto clicando em ‘Gráficos’ e logo em seguida em ‘T elas’, temos a opção de criação de todas as telas que vamos utilizar no projeto definindo tamanho e localização. Em ‘Grupo de Telas ’  vamos definir quais serão as telas  principais dentre as telas criadas conforme mostrado na figura 27.

Figura 27 –  Ambiente de criação e configuração de telas Fonte: Autores, 2014

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Clicando em ‘Symbols’ presente no menu de ferramentas e opções é possíve l ter

acesso a biblioteca de objetos que podem ser inseridos na tela conforme figura 28. Para inseri-los, basta clicar no objeto e em seguida clicar na tela criada.

Figura 28 –  Biblioteca de objetos gráficos Fonte: Autores, 2014 É possível editar esses objetos alterando cores, tamanhos e funções. O Indusoft  permite ainda a importação de objetos que estejam fora da biblioteca do software. A norma ISA 5.5 Graphic Symbols for Process Displays (Símbolos Gráficos  para Visualizações de Processos) sugere uma série de padrões para escolha de cores de telas e estados de objetos gráficos. A figura 29 apresenta a tela de configuração do objeto inserido.

Figura 29 –  Tela de configuração de objetos Fonte: Autores, 2014

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4.5.2 –  Declaração das Tags As Tags são variáveis numéricas ou alfanuméricas envolvidas no projeto executar funções computacionais como: operações matemáticas, lógicas, strings ou representar I/O de dados do processo que está sendo controlado. Para declaração das Tags do projeto clica- se em ‘Global’ pres ente no explorador de projeto, em seguida ‘Tags do Projeto’   e na seqüência ‘Planilha de Dados’ onde  podemos determinar o nome da Tag e o tipo de Tag a ser criada, que pode ser Booleana, Inteira, Real ou String. A figura 30 demonstra a tela de declaração de Tags.

Figura 30 –  Tela de declaração de Tags Fonte: Autores, 2014 Após a declaração de todas as Tags do projeto é possível associar cada objeto criado a sua Tag corresponde, para isso basta abrir uma tela e clicando-se no objeto é aberta uma tela de propriedades, onde no campo ‘Tag/Expressão’  é possível selecionar a Tag adequada para o objeto, conforme mostrado na figura 31.

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Figura 31 –  Tela de propriedades do objeto Fonte: Autores, 2014

4.5.3 –  Criação de Alarmes e Relatórios Para garantir o bom funcionamento e confiabilidade do projeto foram criados alarmes com a função de detectar anomalias com notificação dos operadores em tempo real durante a execução do aplicativo. A lista de alarmes está apresentada no anexo. Clicando na aba ‘Inserir’ no menu de ferramentas e opções e em seguida em ‘Alarme’ podemos criar os alarmes do projeto. Uma tela de alarmes será aberta onde  podemos configurar a Tag que irá gerar o alarme no campo ‘Nome da Tag’, o tipo de

alarme, a mensagem que aparecerá na tela quando o alarme for ativado no campo ‘Mensagem’ e a prioridade, conforme é demonstrado na figura 32. Também é possível definir cores para os diferentes tipos de mensagens e prioridades. Além disso, será gerada uma planilha de alarmes que poderá ser acessada na aba ‘Tarefas’ no explorador

de projetos.

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Figura 32 –  Tela  Tela de edição de alarmes Fonte: Autores, 2014 Para o registro e notificação da produção será gerado um relatório salvo em arquivo informando data, hora e quantidade de peças produzidas, podendo ser acessado ou impresso a qualquer momento.  Na aba ‘Inserir’ no menu de ferramentas e opções e em seguida em ‘Relatório’ criaremos o relatório do projeto. Deverão ser salvos dois arquivos onde o primeiro deverá ser configurado como cabeçalho e o segundo configurado como corpo do relatório conforme mostrado na figura 33.

Figura 33 –  Tela  Tela de edição de relatórios Fonte: Autores, 2014

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 Na seqüência seqüência podemos criar cri ar botões configurando-os para salvar o relatório em uma pasta escolhida e visualizar o relatório através do bloco de notas, conforme apresenta a figura 34.

Figura 34 –  Apresentação  Apresentação do relatório no bloco de notas Fonte: Autores, 2014

4.5.4 –  Efetuando  Efetuando a Comunicação A comunicação entre os dispositivos é realizada através do Protocolo Modbus serial para a comunicação com a estação de engenharia (CLP  –   Computador) e do Protocolo Modbus TCP/IP (Ethernet) para a comunicação comunicação do CLP com o supervisório. Para efetuar a configuração de comunicação a entre o CLP Twido e o Indusoft, o  primeiro passo é definir o endereço de IP (Internet Protocol) e a máscara no Twido. Na aba ‘Describe’, deve-se clicar na porta ethernet do CLP onde abrirá a tela ‘Configuration’ permitindo o endereçamento. A figura 35 apresenta a tela de configuração de IP do Twido.

Figura 35 –  Tela  Tela de configuração de IP do Twido Fonte: Autores, 2014

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Após a configuração do endereço de IP no Twido clicamos na aba ‘Debug’ onde temos acesso às portas de comunicação seriais, conforme é mostrado na figura 36. A  partir daí podemos fazer a transferência do programa para o CLP estabelecendo estabelecendo uma conexão.

Figura 36 –  Tela  Tela de configuração de portas seriais do Twido Fonte: Autores, 2014 O passo seguinte é efetuar a conexão com o Indusoft. Para isso devemos clicar em ‘ Comunicação’ e em seguida nas pastas ‘Drivers’ e ‘MOTCP’ que nos dará acesso à folha principal de drivers. Devemos preencher os campos ‘Nome da Tag’ com a Tag desejada, ‘Estação’ com o endereço de IP configurado no Twido e ‘Endereço I/O’ com

valor da memória do diagrama lógico do Twido que desejamos associar à Tag do Indusoft. A figura 37 apresenta a Tela de configuração de Drivers do Indusoft.

Figura 37 –  Tela  Tela de configuração de Drivers do Indusoft Fonte: Autores, 2014

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5  –  CONSIDERAÇÕES  CONSIDERAÇÕES FINAIS A realização deste trabalho contribuiu para o aprimoramento técnico na área de automação industrial apresentando grandes desafios e aumentando os conhecimentos adquiridos ao longo do curso. Com este projeto foi possível apresentar uma proposta de automação do sistema de transporte de peças de uma linha de usinagem, tendo em vista as necessidades verificadas no processo manual, relacionadas com falta de segurança na operação e  perda de tempo da produção. produção. A implantação do CLP e do Sistema de Supervisão torna o sistema automático aumentando a segurança para o operador que vai apenas posicionar a peça na primeira mesa e retirar na última. Também aumenta a flexibilidade e dinâmica do processo,  podendo ser controlado e monitorado em tempo real apresentando uma maior confiabilidade no produto final. Além disso, foi desenvolvido um sistema de alarmes para notificação de anomalias e um sistema para geração de relatórios r elatórios diários de produção. Como sugestão para trabalhos futuros nesta mesma modalidade de tema, pode-se citar a extensão desse projeto para sistemas de gerenciamento de produção a fim de tornar esta solução mais completa e eficiente. efi ciente.

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6 - REFERÊNCIAS ALBUQUERQUE, Pedro Urbano Braga de; ALEXANDRIA, Auzir Ripardo de. Redes Industriais –  Aplicações em Sistemas Digitais de Controle Distribuído. 2.ed São Paulo: Editora Ensino Profissional, 2009. DIAS, Marco Aurélio P. Administração de Materiais  –   Uma Abordagem Logística. 4.ed São Paulo: Editora Atlas S.A., 1993. EATON Acesso em 5 de Julho de 2014. FILHO, João Mamede. Instalações Elétricas Industriais . 8.ed Rio de Janeiro: Editora LTC., 2012. FRANCHI, Claiton Moro; CAMARGO, Valter Luís Arlindo de. Controladores Lógicos Programáveis  –  Sistemas Discretos. 2.ed. São Paulo: Editora Érica, 2012. GROOVER, Mikell P.. Automação Industrial e Sistemas de Manufatura . 3.ed São Paulo: Editora Pearson, 2010. IMAM CONSULTORIA, Transportadores Contínuos . Disponível Acesso em 5 de Julho de 2014.

em

MORAES, Cícero Couto de; CASTRUCI, Plínio de Lauro. Engenharia de Automação Industrial. 2.ed. Rio de Janeiro: Editora LTC, 2007. RELVAS, Carlos. Controlo Numérico Computorizado  –   Conceitos Fundamentais. 2.ed Porto, Portugal: Publindústria Ediçoes Técnicas, 2002. SCHNEIDER. Disponível em Acesso em 22 de Setembro de 2014. SENAI, CT de Informática Industrial, Controladores Lógicos Programáveis Siemens Simatic S7-200 , Laboratório de Projetos e Automação  –   Escola De Educação Profissional SENAI. Visconde De Mauá –  Rio de Janeiro, 2003.

44

SEW EURODRIVE, Seleção de Acionamentos, Métodos de Cálculos e Exemplos Volume 1, Manual. Edição 09/2013. SIEMENS. Disponível em Acesso em 5 de Julho de 2014. SIMONSEN, Escola Roberto. Programação de Torno CNC Comando Fanuc 0I-TB  –  Treinamento para docentes, Escola Roberto Simonsen  –  SENAI. São Paulo. STESSE, Dérek. Conceito de automação de moenda adotado na Usina Trapiche, com uso da velocidade linear . Disponível em Acesso em 28 de Setembro de 2014. STOETERAU, Prof. Dr. Eng. Rodrigo Lima. Apostila Processos de Usinagem Fabricação por Remoção de Material. Revisão 2004. TABELA DE DENSIDASDE DOS MATERIAIS. Disponível em Acesso em 22 de Setembro de 2014. THOMAZINI, Daniel; ALBUQUERQUE, Pedro Urbano Braga de. Sensores Industriais –  Fundamentos e Aplicações. 6.ed. São Paulo: Editora Érica, 2009.

45

ANEXO 1 : TABELA DE DENSIDADE DE MATERIAIS

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ANEXO 2 : COEFICIENTES DE ATRITO Coeficientes de atrito para mancais

Coeficientes de atrito para atrito no flange da roda / lateral

Atrito rolante (braço de alavanca do atrito rolante)

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ANEXO 3 : DADOS TÉCNICOS E DIMENSIONAIS DOS MOTORES COM FREIO CA SÉRIE DR SEW

48

ANEXO 4 : DADOS TÉCNICOS E DIMENSIONAIS DE MOTOREDUTORES DE ENGRENAGENS HELICOIDAIS SEW

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ANEXO 5 : DATA SHEET DO CLP TWDLCDE40DRF

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ANEXO 6 : DIAGRAMA LÓGICO

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63

ANEXO 7 : TABELA DE I/O OPERANDO I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7 I0.8 I0.9 I0.10 I0.11 I0.12 I0.13 I0.14 I0.15 I0.16 I0.17 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 Q0.7

DESCRIÇÃO Entrada Entrada Entrada Entrada Entrada Entrada Entrada Entrada Entrada Entrada Entrada Entrada Entrada Entrada Entrada Entrada Entrada Entrada Saída Saída Saída Saída Saída Saída Saída

COMENTÁRIO Sensor Peça Presente Mesa 1 Sensor Stop Mesa 1 Sensor Peça Presente Mesa 2 (Mesa do CNC 1) Sinal CNC 1 Operação concluída (Peça OK) Sinal Mesa CNC 1Em Cima Sinal Garfo CNC 1 Recuado Sensor Stop Mesa 3 Sensor Peça Presente Mesa 4 (Mesa do CNC 2) Sinal CNC 2 Operação concluída (Peça OK) Sinal Mesa CNC 2Em Cima Sinal Garfo CNC 2 Recuado Sensor Stop Mesa 5 Sensor Peça Presente Mesa 6 (Mesa do CNC 3) Sinal CNC 3 Operação concluída (Peça OK) Sinal Mesa CNC 3Em Cima Sinal Garfo CNC 3 Recuado Sensor Stop mesa 7 Teste Alarmes Motor Mesa 1 Motor Mesa 2 (Mesa do CNC 1) Motor Mesa 3 Motor Mesa 4 (Mesa do CNC 2) Motor Mesa 5 Motor Mesa 6 (Mesa do CNC 3) Motor Mesa 7

64

ANEXO 8 : TODAS AS TELAS DESENVOLVIDAS NO INDUSOFT Tela Inicial

Tela de Relatórios

65

Tela de Alarmes

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ANEXO 9 : TABELA DE TAGS

TAG

TIPO

Alarme_1 Alarme_2 Alarme_3 Alarme_4 Alarme_5 Alarme_6 Contador  Evento_1 Evento_2 Evento_3 Motor_mesa_1 Motor_mesa_2 Motor_mesa_3 Motor_mesa_4 Motor_mesa_5 Motor_mesa_6 Motor_mesa_7 Reset_Contador  Sensor_pç_mesa_1 Sensor_pç_mesa_2 Sensor_pç_mesa_4 Sensor_pç_mesa_6 Sensor_stop_mesa_1 Sensor_stop_mesa_3 Sensor_stop_mesa_5 Sensor_stop_mesa_7 Sinal_CNC_1_OK  Sinal_CNC_2_OK  Sinal_CNC_3_OK  Sinal_garfo_mesa_2_recuado Sinal_garfo_mesa_4_recuado Sinal_garfo_mesa_6_recuado Sinal_mesa_2_em_cima Sinal_mesa_4_em_cima Sinal_mesa_6_em_cima sPathRelatorio Tag_1 Tag_2 Tag_3 Tag_4 Tag_5 Tag_6 Tag_7 Tag_8

Booleana Booleana Booleana Booleana Booleana Booleana Inteira Booleana Booleana Booleana Booleana Booleana Booleana Booleana Booleana Booleana Booleana Booleana Booleana Booleana Booleana Booleana Booleana Booleana Booleana Booleana Booleana Booleana Booleana Booleana Booleana Booleana Booleana Booleana Booleana String Booleana Booleana Booleana Booleana Booleana Booleana Booleana Booleana

CORRESPONDENCIA NO DIAGRAMA LÓGICO %M9 %M10 %M11 %M12 %M13 %M14 %MW0 %M50 %M51 %M52 %M20 %M24 %M27 %M31 %M34 %M37 %M41 %M43 %M18 %M21 %M28 %M35 %M19 %M26 %M33 %M40 %M25 %M32 %M39 %M23 %M30 %M36 %M22 %M29 %M36 %M0 %M1 %M2 %M3 %M4 %M5 %M6 %M7