A Controle de patrimônio via RFID
Transcrição
A Controle de patrimônio via RFID
instrumentação 14 MA39_Leitor.indd 14 Mecatrônica Atual :: Novembro/Dezembro 2008 11/11/2008 15:22:06 Editora Saber Ltda Diretores Hélio Fittipaldi Thereza Mozzato Ciampi Fittipaldi www.mecatronicaatual.com.br Editor e Diretor Responsável Hélio Fittipaldi Redação Fabieli de Paula, Monique Souza, Thayna Santos Produção Diego Moreno Gomes, Renato Paiotti Designers Diego Moreno Gomes Colaboradores Alan Liberalesso, André Ribeiro Lins de Albuquerque, Antonio Dresch Jr., Carlos Reis de Freitas, Cláudio Adriano Policastro, Danny R. Efron, Dieison Grumovski, Edson Jaime Michalak, Hamilton Badin Jr., Oscar Siqueira, Paulo Garcia de Souza, Renato Paiotti, Roberto Luiz R. Cunha VENDAS DE PUBLICIDADE Carla de C. Assis, Ricardo Nunes Souza PARA ANUNCIAR: (11) 2095-5339 [email protected] Capa Divulgação/Detroit Diesel Impressão São Francisco Gráfica e Editora Distribuição Brasil: DINAP Portugal: Logista Portugal tel.: 121-9267 800 ASSINATURAS www.mecatronicaatual.com.br fone: (11) 2095-5335 / fax: (11) 2098-3366 atendimento das 8:30 às 17:30h Edições anteriores (mediante disponibilidade de estoque), solicite pelo site ou pelo tel. 2095-5330, ao preço da última edição em banca. Projeções para a industria de automação A indústria de automação projeta um crescimento de 30% para 2008, caso a previsão esteja correta, o faturamento bruto do setor atingirá R$ 3,7 bilhões. As perspectivas para os próximos dois a três anos estimadas pela ISA Distrito 4 América do Sul, associação dos profissionais de automação e instrumentação, é bastante otimista. Nos setores de petróleo e gás, siderurgia, papel e celulose que indicam substanciosos investimentos, já notamos a forte contratação de pessoal nos últimos meses. A percepção do setor é que o Brasil está sintonizado com o que há de mais avançado em tecnologia da área e cresceu 11% em 2007. Já os outros países vão manter uma média nos próximos cinco anos de 6,4%. Em toda a América Latina exitem aproximadamente 2600 afiliados à ISA Distrito 4. Há 63 anos (abril de 1945), a ISA, foi fundada na Pennsylvania USA, congregando em todo o mundo cerca de 30 mil profissionais, estudantes e acadêmicos, em mais de 110 países. Seguindo as suas origens, a ISA Distrito 4 está mais voltada para a área de processo, ficando em segundo plano a área de automação da manufatura que tende também a crescer muito nos próximos anos. Neste ano quando as portas da Brasil Automation ISA Show se abrirem, passará por elas o segundo membro não americano a exercer a presidência da ISA mundial. O primeiro foi um italiano e o segundo, o engenheiro eletrônico brasileiro, Nelson Ninin, que assume o cargo de presidente eleito secretário em 2009 e como Presidente Mundial da ISA em 2010. O seu currículo pesou na decisão, mas o que se destacou foi seu conhecimento profundo “in loco” do mercado de automação em diversos países da Asia, Europa e América. Aproveito para lembrar, de novo, que a partir da edição nº 38 a revista Mecatrônica Atual não está mais disponível para venda em bancas de jornais, e sim, somente por assinaturas das edições impressas em papel e o por meio do portal Mecatrônica Atual (www.mecatronicaatual.com.br). Hélio Fittipaldi Mecatrônica Atual é uma publicação da Editora Saber Ltda, ISSN 1676-0972. Redação, administração, publicidade e correspondência: Rua Jacinto José de Araújo, 315, Tatuapé, CEP 03087-020, São Paulo, SP, tel./fax (11) 2095-5333 Associada da: Atendimento ao Leitor: [email protected] Associação Nacional dos Editores de Revistas Associação Nacional das Editoras de Publicações Técnicas, Dirigidas e Especializadas Os artigos assinados são de exclusiva responsabilidade de seus autores. É vedada a reprodução total ou parcial dos textos e ilustrações desta Revista, bem como a industrialização e/ou comercialização dos aparelhos ou idéias oriundas dos textos mencionados, sob pena de sanções legais. As consultas técnicas referentes aos artigos da Revista deverão ser feitas exclusivamente por cartas, ou e-mail (A/C do Departamento Técnico). São tomados todos os cuidados razoáveis na preparação do conteúdo desta Revista, mas não assumimos a responsabilidade legal por eventuais erros, principalmente nas montagens, pois tratam-se de projetos experimentais. Tampouco assumimos a responsabilidade por danos resultantes de imperícia do montador. Caso haja enganos em texto ou desenho, será publicada errata na primeira oportunidade. Preços e dados publicados em anúncios são por nós aceitos de boa fé, como corretos na data do fechamento da edição. Não assumimos a responsabilidade por alterações nos preços e na disponibilidade dos produtos ocorridas após o fechamento. 1 índice 24 10 28 10 Sistema de controle para processos de bateladas 15 Controle de patrimônio via RFID 20 Otimização na destilação de etanol? 24 Monitoramento online do desempenho da planta industrial 28 Placas de aquisição e controle NI Single-Board Rio 31 Aquisição de dados plataformas Multicore 34 Trem esmerilhador é implantado em área industrial da Companhia Vale 36 Manutenção preditiva: análise de vibrações 44 Alimentação solar para telefonia rural Editorial Contato Notícias Chão de fábrica 01 03 04 47 MA39_Editorial.indd 2 13/11/2008 12:30:53 1 3 4 4 contato OPC Gostaria de sugerir uma matéria específica sobre o padrão OPC (OLE for Process Control). Lucas Azevedo Autônomo Salvador – BA Lucas, sua sugestão já está anotada. Aproveitamos a oportunidade para indicar a leitura do artigo “Os CLPs terão uma arquitetura tão aberta quanto um PC?, edição nº 30 e também a série “Ethernet Industrial”, publicada nas edições nº 17, 18, 19 e 20. Assim, você poderá conferir algumas informações sobre o padrão OPC. Não deixe de ler! Sensores de nível d’ agua Montagens Industriais Solicito informações de empresas que fornecem sensores de nível d’agua externo, sem contato com o líquido. Dorival Goes Consultor em Desenv. de Projetos Paranavaí - PR A equipe da revista Mecatrônica Atual pode indicar algum livro que trate sobre montagem eletromecânica? José da Costa São Paulo - SP Caro leitor, informamos que existem diversas empresas que fabricam sensores capacitivos de nível de líquidos e sensores de fluxo. Indicamos algumas para facilitar sua busca: • Brumark www.brumark.com.br • Emicol www.emicol.com • Gentech www.gentechinternational.com • Icos www.icos.com.br • IFM www.ifm-electronic.com • Morgan Electro Ceramics www.morganelectroceramics.com • Sensor Scientific www.sensorsci.com Caro José, nossa indicação é o livro: “Planejamento, Execução e Controle – Montagens Industriais”, escrito por Paulo S. Thiago Fernandes. O autor deste livro, em seus 20 anos de experiência na área de montagens, procurou escrevê-lo sob a óptica do montador, não do projetista, fabricante ou construtor. Dentro dessa orientação, são abordadas as cinco modalidades básicas que compõe a montagem: estruturas metálicas, equipamentos mecânicos, tubulações, elétrica e instrumentação. Além destas, algumas técnicas sempre presentes, como o transporte e levantamento de cargas, a soldagem e a pintura. Você pode encontra-lo na loja virtual Nova Saber (www.novasaber.com.br). Mecatrônica Atual nº 30 Escreva para a Mecatrônica Atual: Duvidas, sugestões ou reclamações sobre o conteúdo de nossas reportagens, artigos técnicos ou notícias, entre em contato pelo email [email protected]. br ou escreva para Rua Jacinto José de Araújo, 315 CEP 03087-020 - São Paulo - SP Conteúdo virtual para assinantes Sou assinante da Revista Mecatrônica Atual e gostaria de ter acesso a todo conteúdo do Portal. Como devo proceder? Gilberto de Lima Taubaté - SP Acesse o Portal Mecatrônica Atual (www.mecatronicaatual.com.br) e faça seu cadastro como “novo usuário”. Após o preenchimento dos itens solicitados envie um e-mail para [email protected]. br com seu número de assinante da edição impressa, pedindo permissão de acesso. Aguarde 24 horas para liberação do seu usuário e se conecte ao universo online. MA39_Leitor.indd 3 13/11/2008 11:39:14 literatura O livro “Inversores de Freqüência – Teorias e Aplicações” visa aprimorar o conhecimento de técnicos, tecnólogos e engenheiros que atuam nas áreas de automação, mecatrônica e eletrotécnica, além de profissionais que desejam se manter atualizados. De maneira dinâmica, instrutiva e objetiva, a obra de Claiton Moro Franchi, apresenta os conceitos fundamentais de inversores de freqüência e os aspectos relativos à sua instalação e aplicação. Também explana os princípios de funcionamento dos inversores de freqüência, controles escalar e vetorial, características de instalação e aplicações, incluindo uma descrição detalhada dos parâmetros dos inversores. Ao final de cada capítulo, são propostos exercícios que auxiliam na compreensão e fixação dos temas estudados. Para complementar o aprendizado o livro reserva um apêndice ao estudo dos transdutores de velocidade, fundamentais para o controle de velocidade de freqüência. Inversores de Freqüência – Teorias e Aplicações Autor: Claiton Moro Franchi Preço: R$ 56,00 Onde comprar: www.novasaber.com.br eventos Novembro Brazil Automation - ISA Show 2008 Organizadora: Isa Dia: 17 a 19 Local: Expo Center Norte - Rua José Bernardo Pinto, 333 - São Paulo - SP Mais informações: www.isashow.com.br Automation Fair Organizador: Rockwell Automation Data: 19 a 20 Local: Gaylord Opryland CompleNashville - Tennessee - USA Mais informações: www.rockwellautomation.com/ events/automationfair/ Itajaí Trade Summit 2008 Organizador: Net Marinha Data: 19 a 21 Local: Auditório Martin Schmelling Porto de Itajaí/SC www.itajaitradesummit.com.br Siemens PLM Connection Brasil 2008 Organizador: Siemens Data: 19 a 19 Local: Bourbon Joinville Business Hotel Joinville/SC Mais informações: work.ugsplm.com.br/mkt/ connection/ Curso - Projeto e Dimensionamento de Redes de Ar Comprimido Organizador: Festo Automação Ltda Data: 24 a 26 Local: Rua Giuseppe Crespi, 76 KM 12,5 da Via Anchieta São Paulo/SP Mais informações: www.festo.com.br Dezembro Automação com Controladores Lógicos Programáveis – Siemens S7 300 Organizador: Festo Automação Ltda Data: 01 a 05 Local: Rua Giuseppe Crespi, 76 KM 12,5 da Via Anchieta São Paulo/SP Mais informações: www.festo.com.br Curso Automação Pneumática Organizador: Festo Automação Ltda Data: 01 a 10 Local: Rua Giuseppe Crespi, 76 KM 12,5 da Via Anchieta São Paulo/SP www.festo.com.br Comandos Elétricos em Sistemas Hidráulicos Organizador: Festo Automação Ltda. Data: 15 a 17 Local: Rua Giuseppe Crespi, 76 KM 12,5 da Via Anchieta São Paulo/SP Mais informações: www.festo.com.br MA39_Leitor.indd 4 11/11/2008 16:53:38 instrumentação Novembro/Dezembro 2008 :: Mecatrônica Atual MA39_Leitor.indd 5 11/11/2008 16:51:43 //notícias Engenheiro brasileiro lança livro de automação com tecnologia usada pela Petrobras O Engenheiro Eletrônico Augusto Passos Pereira, acaba de lançar mundialmente o livro: “Foundation Fieldbus”. Trata-se de uma tecnologia de interligação em redes, via protocolo digital, de equipamentos medidores e controladores de variáveis, tais como: pressão, temperatura, vazão e nível utilizados nos projetos de automação das unidades industriais, como refinarias e plataformas de petróleo. O livro foi escrito em conjunto com o engenheiro canadense Ian Verhappen. Pereira, formado na Faculdade de Engenharia Industrial (FEI), trabalhou durante 18 anos nos Setores de Engenharia e Manutenção da Dow Química do Guarujá e atuou durante seis anos na multinacional brasileira Smar Equipamentos Industriais. Depois ingressou na Emerson Process, e na Yokogawa América do Sul. Atualmente, é o Gerente de Marketing para a América do Sul da empresa alemã Pepperl+Fuchs, com sede continental em São Bernardo do Campo (SP). Além disso, ele exerce a atividade de professor em diversas Universidades Augusto Passos Pereira lançará de cursos de MBA e Pós o livro “Foundation Fieldbus” Graduação. no Congresso e Feira Brazil Automation 2008. Pilz completa 10 anos de Brasil Neste ano, a empresa Pilz comemora dez anos de atuação no Brasil. Há 60 anos, na cidade alemã Esslingen a empresa iniciou suas atividades industriais. Sob o comando de seu fundador, Hermann Pilz, fabricava instrumentos para laboratórios técnicos-medicinais. Hoje, a empresa fabrica dispositivos eletrônicos para segurança e proteção contra acidentes em máquinas e processos. Para o diretor Geral da Pilz do Brasil, Aitemar Nunes Fernandes, estes foram dez anos de muitas transformações. “A empresa estava dentro de um conceito de fabricante e vendedora de produtos de segurança e hoje fornece uma solução completa em automação incluindo serviços de consultoria e engenharia. Tivemos uma importante evolução”, disse. MA39_Noticias.indd 6 Produtos Terminal de válvulas MPA A Festo traz para o mercado sua alternativa para redes AS-I: o terminal de válvulas MPA. Modular, flexível e com diversas opções de configuração é uma solução para comunicação de chão de fábrica. Seus beneficios são: baixos custos e facilidade de instalação; alta flexibilidade e facilidade de expansão; compatibilidade com outros fabricantes e fácil integração com o nível de controle (Gateway para Profibus, DeviceNet e outros). Eletricamente, o terminal MPA conta com entradas integradas e diversas opções de conexão elétrica, além de utilizar um único cabo redondo que completa as funções de alimentação e alimentação adicional, 4E/S ou 8E/S como escravo duplo e 350 mA de potência por entrada. Como características pneumáticas, o terminal pode combinar de 2 a 8 posições de válvulas, todas as funções, separação de zonas de pressão, dois tamanhos para vazões diferentes. O terminal dispõe, também, de regulador e manômetro para ajuste de pressão em cada posição de válvula. Sua interface AS tem especificação 2.1, com um bit e um LED de falha para cada escravo, conexão de rede e alimentação adicional via 2xM12, assim como diagnóstico por escravo. Modular e compacto para montagem em espaços reduzidos, a solução é extremamente indicada para máquinas especiais ou aplicações com necessidades de alterações e expansões freqüentes, podendo reduzir em 40% os custos convencionais de instalação. O terminal de válvulas MPA FESTO pode encurta os tempos de ciclo em até 40% – devido, por exemplo, à utilização de tubos mais curtos –, consome menos energia e tem seqüências pneumáticas otimizadas por meio do perfeito dimensionamento das cadeias de comando. Além disso, a montagem ideal de pares de 4 válvulas e 8 entradas com MPA-ASI cria transparência e diminui o risco de falhas. Mecatrônica Atual :: Novembro/Dezembro 2008 17/11/2008 12:07:16 //notícias Techmei 2008 Produtos Inversores para aplicações sujeitas a jatos Os inversores CA PowerFlex 40 tipo 4X/12 (IP66/54) com classificação NEMA/UL, e ArmorStart NEMA 4X são ideiais para ambientes rigorosos, como farmacêutico, automotivo, alimentos e bebidas. Eles oferecem as opções de encapsulamento, protegendo contra poeiras, respingos e jatos de água aplicados por mangueiras, produtos químicos cáusticos e corrosão. Disponíveis em tensões de 240, 480 e 600 volts para aplicações até 3,7 KW (5 HP). O PowerFlex 40 NEMA 4X é certificado pelo National Sanitation Foundation (NSF), e proporciona controle vetorial descentralizado, para aplicações que demandam controle de baixa velocidade e alto torque. Já o ArmorStart NEMA 4X oferece diversos métodos de partida, incluindo partida direta à plena tensão, reversão, controlador inteligente e freqüência variável. Aconteceu no mês de outubro a Feira Internacional de Tecnologia em Máquinas e Equipamentos Industriais – Techmei. O evento estreou no circuito de feiras internacionais, idealizada pela Associação Brasileira dos Importadores de Máquinas e Equipamentos Industriais (Abimei) e contou com a participação de 300 empresas. Entre elas a GE Fanuc, Siemens, Yaskawa, Deb’Maq. Alguns expondo seus lançamentos e outros reforçando máquinas que já foram lançadas. Apesar da adversidade do mercado, a feira alcançou seus objetivos, com diversas empresas que realizaram vendas de máquinas, em um total de R$ 80 milhões. O presidente da Abimei, Thomas Lee afirma “a Techmei já pode ser considerada um importante fórum de tecnologia e desenvolvimento do setor. Estamos muito animados já com a segunda edição do evento em 2010”,diz. A Gerente de Marketing da Yaskawa, Elisa Grabski fala da importância de participar da Techmei. “Existem muitos clientes da nossa empresa aqui no evento. Esta é uma excelente oportunidade de apoiar e manter o contato com eles. E é sempre interessante expor nossas novidades”, diz. Além da exposição das empresas a Techmei contou com palestras sobre mercado e economia dentro da abordagem: O desafio do crescimento. Exposição inédita trouxe máquinas e equipamentos de alta tecnologia para modernização do parque industrial do país, negócios somaram R$ 80 milhões. Novembro/Dezembro 2008 :: Mecatrônica Atual MA39_Noticias.indd 7 13/11/2008 18:16:19 //notícias Weg faz negócios no México Produtos A produtora de açúcar para bebidas não-alcoólicas do México, usina Tres Valles, fechou com a WEG a aquisição de um gerador de 40MW e uma casa de força com quadros elétricos de média e baixa tensão para um sistema de geração de 50MVA/17,5kV/60Hz, automatizados com equipamentos fabricados pela empresa. A aquisição, estimada em US$ 1,5 milhões, faz parte de um projeto de geração de energia que teve início em junho deste ano e tem término previsto para dezembro de 2009. O engenho tem capacidade de processar 10 mil toneladas de cana por dia, provenientes do município de Tres Valles e de cidades vizinhas, gerando mais de 1200 toneladas de açúcar a cada 24 horas. Foi propriedade do governo mexicano até o ano de 1988 e, depois dessa data, passou a fazer parte da PIASA – Promotora Industrial Azucareira S.A. PROFINET/PROFIsafe Com o sistema I/O descentralizado o PSSuniversal, pode realizar funções de comando orientadas para a segurança e/ou standard, de forma descentralizada em campo. A comunicação com o comando é feita através do PROFINET/PROFIsafe. Os usuários do PROFINET podem agora também usufruir das vantagens do sistema I/O descentralizado PSSuniversal: alta segurança, automação standard integrada, livre de interferências entre standard e segurança, estrutura de sistema modular, rápida colocação em funcionamento através do PSSuniversal Startup Software entre outras. Os benefícios dos novos módulos são: o endereço PROFIsafe é necessário apenas uma vez por cada estação descentralizada, isto significa que as definições de segurança de cada aparelho apenas se realizam num ponto; Manuseio simples (sem definição e gerenciamento de endereço para cada módulo I/O); Aproveitamento ideal dos endereços/quantidade de FS, menos trabalho de planejamento e administração. Curtas A Deb’Maq fechou parceria para representar no Brasil a japonesa Fuji Machine, fabricante de máquinas-ferramenta e máquinas de montagem de circuito impresso. O acordo foi fechado durante o International Manufacturing Technology Show – IMTS, realizado em Chicago/ EUA. Até então, a fabricante japonesa não possuía representante no País. Com a parceria, a Deb’Maq prestará todo suporte para comercialização das máquinas Fuji, o que inclui treinamento, assistência técnica e reposição de peças, oferecendo uma estrutura para representação da marca no mercado nacional, fator decisivo para o fechamento da negociação, iniciada em fevereiro de 2008. Integradores Marília - SP Fundada em 1991 a Solution Automação Industrial, é voltada para o fornecimento de soluções na área de Indústria e Controle de Processos. A primeira tarefa da empresa, foi a criação de um robô de carga capaz de identificar o produto e entrega-lo em sua prateleira correspondente. Este desafio foi a pedido da empresa Bandag do Brasil. MA39_Noticias.indd 8 Com mais de 100 projetos realizados, a Solution Automação é distribuidora de diversas marcas entre elas Fenix Contact e Schneider Eletric. A empresa também oferece cursos e treinamentos. Em uma das realizações a Solution Automação desenvolveu dois projetos para a Henkel Loctite do Brasil, localizada em Boituva/SP. O primeiro é o projeto elétrico e montagem eletromecânica do painel PLC SLC-500 (Sistema de transferência cascola). E o segundo é o sistema de transferência cascola com SLC-500 e iFix32 com módulo de receitas. Contato: joao.turatti@solution automacao.com.br Mecatrônica Atual :: Novembro/Dezembro 2008 13/11/2008 18:16:26 reportagem Produtos Chaves fim de curso a prova de explosão A Honeywell possui uma linha de produtos com projeto de encapsulamento, o qual cumpre com as exigências de normas internacionais e nacionais. O projeto inclui um encapsulamento a prova de explosão dotado de um sistema que mantém e refrigera o faíscamento dentro do invólucro. Ele não permite o aquecimento dos gases externos que cercam a chave fim de curso. A serie BX possui encapsulamento em aço inoxidável resistente a corrosão. As chaves fim de curso a prova de explosão da Honeywell são aplicáveis em: transportadores de grãos, perfurações para exploração de petróleo, instalações petroquímicas, cabines de pintura, posicionadores de válvulas, equipamentos para mineração, pulverizadores de sal, máquinas para o segmento de papel e celulose, transporte e manipulações de materiais. Dentre suas certificações a empresa destaca: Atex, UL, CSA, IEC Ex. O grau de selagem inclui padrões do tipo NEMA 1, 3, 4, 6 e 13 e o grau de proteção IP67 possibilita aplicações em locais com sujeira, água e óleo. Destinados a locais perigosos como os da Classe I, Grupo B, C e D e Classe II, Grupo E, F e G. Novembro/Dezembro 2008 :: Mecatrônica Atual MA39_Noticias.indd 9 13/11/2008 18:16:34 manufatura Sistema de controle para processos de bateladas Há algum tempo os processos de bateladas deixaram de ser um mistério nas indústrias e no ambiente de automação. O cenário atual nos apresenta diversas maneiras de se controlar e monitorar um processo de bateladas, cada um com suas características, vantagens e desvantagens. Este artigo visa mostrar alguns detalhes de quatro maneiras diferentes de se automatizar um processo de bateladas a partir de um sistema de controle Por Alan Liberalesso* saiba mais Características dos CLP’s vendidos no Brasil Mecatrônica Atual 31 Base Automação www.baseautomacao.com.br 10 MA39_Sistemas.indd 10 Controle a partir de CLPs e IHMs Interagir com os equipamentos de campo, como válvulas, motores, sensores e outros dispositivos, através de CLPs (ou PLCs, Programmable Logic Controllers, em inglês) é o recurso mais comum na maioria dos processos industriais no mundo, inclusive no Brasil. Neste contexto, cabem ao PLC tarefas como: partida e parada de motores, abertura e fechamento de válvulas, contagem, temporização, monitoramento e controle de variáveis analógicas, seqüenciamentos, entre muitos outros. Nos processos de bateladas são utilizados alguns algoritmos de pesagem, tabelas de dados e procedimentos. O controle do processo é realizado pelo PLC, o papel dele é a execução das operações, sejam estas fixas ao longo de suas rotinas, sejam parametrizáveis através de alguma interface de operação. As IHMs, equipamentos para visualização e controle de processo, projetadas para o ambiente industrial e com dezenas de opções disponíveis no mercado, tem o papel de apresentar de maneira didática as informações do processo ao usuário do sistema. No sentido contrário, recebe os comandos gerados pelo mesmo e faz a “entrega” ao PLC por meio de sua interface de comunicação. Mecatrônica Atual :: Novembro/Dezembro 2008 12/11/2008 13:40:50 manufatura F1. Tela de seleção de receitas. O controle dos processos de batelada realizados pelo par PLC-IHM pode ser realizado de diversas maneiras, dependendo do hardware empregado, tipo de processo, número de receitas, entre outros. Assim: • Processos e aplicações com uma única receita: neste caso, a IHM apresenta ícones, textos ou teclas de função (dependendo do modelo) onde são solicitadas operações como: iniciar receita/batelada, pausar, abortar, entre outros. A IHM pode apresentar informações como número do passo em execução, mensagens ao operador, tempo da batelada, quantidades adicionadas, etc. O PLC recebe os comandos e executa as operações previamente estabelecidas em sua lógica de controle. É papel do PLC identificar a execução dos passos e gerenciar o processo de bateladas. Dependendo do processo e aplicação, os parâmetros desta receita podem ser alterados via IHM (tempos, velocidades, quantidades, etc.), porém a ordem de execução das tarefas (seqüenciamento da bateladas) não pode ser alterada; • Em processos onde temos mais de uma receita: pode-se trabalhar de maneira semelhante à anterior, somente acrescendo ferramenta para seleção da receita via IHM. Também neste caso existe a opção de se utilizar valores previamente definidos no PLC ou alterá-los via IHM. A maioria das IHMs existentes no mercado obriga que todos os parâmetros das receitas sejam armazenados no PLC, em tabelas de dados que são copiadas para a área de trabalho após seleção e solicitação feita F2. Tela de parametrização. F3. Tela de gerenciamento completo. pelo usuário do sistema. Alguns modelos permitem que todos os dados das receitas fiquem armazenados na própria IHM, liberando memória no PLC e reduzindo drasticamente a necessidade de lógicas dedicadas ao armazenamento e manipulação destes dados no mesmo. A utilização do par IHM-PLC não permite controle de versão, revisão e autoria. Além disso, limita o número de receitas, o acesso aos dados das mesmas, e não permite alterar o seqüenciamento das operações. Apesar de normalmente vincularmos processos de bateladas a tanques de produção, adições de matérias-primas, procedimentos, etc., existem muitas máquinas e linhas de produção que apesar atuarem dentro de processos contínuos ou de controle discreto utilizam parte do princípio de controle de batelada para seleção de produtos, peças, formatos e setup das mesmas. Veja os exemplos na figura 1, figura 2 e figura 3. Controle com PLCs e SCADA O princípio de controle é o mesmo. A diferença é que com a utilização de sistemas supervisórios tem um grande incremento de capacidade, funcionalidades e ferramentas para interagir com o processo. As aplicações geradas para este tipo de sistema rodam em microcomputadores, os mundialmente conhecidos PCs. Primeiramente, cada equipamento ou dispositivo do processo que é controlado pelo PLC pode ser manipulado a partir do sistema supervisório. Comandos como abrir/fechar/ligar/desligar, seleção de modo de operação (manual, automático, manutenção) são feitos a partir de janelas de controle individualizadas. A indicação dos status (ligado/desligado/aberto/fechado/em alarme/inibido/em manual/em automático) também é feita de maneira individual e para todos os equipamentos. Variáveis de processo (temperatura, pressão, vazão, nível, Novembro/Dezembro 2008 :: Mecatrônica Atual MA39_Sistemas.indd 11 11 12/11/2008 13:43:47 manufatura F5. Tela de gerenciamento e acompanhamento. F4. Tela sinótica. velocidade) são monitoradas e controladas a partir de computadores, fisicamente posicionados junto ao processo, em salas de controle, ou remotamente, a quilômetros de distância. E o processo de batelada, o que esta arquitetura pode proporcionar? Com relação à capacidade de armazenamento de receitas, milhares podem fazer parte do sistema; quanto ao gerenciamento das mesmas através da tela do computador, pode-se visualizar e selecionar utilizando filtros como código, versão, família, produto, receita. Além desses, é possível definir o tamanho da batelada e a quantidade de bateladas a produzir. Como controle, operações como pausar, parar, abortar, pular passo, alterar parâmetros e tempos, são operações comuns. Pode-se até montar uma fila de produção, onde são selecionadas todas as bateladas para um determinado período (hora, turno, dia). As telas de acompanhamento da produção trazem informações importantes do processo e da batelada, como a indicação do passo atual, dos passos executados com os respectivos registros (quantidade real, tempo consumido, alarmes, etc.), das bateladas que estão em execução, do status e conteúdo dos tanques. Gráficos registram o comportamento das variáveis e as telas sinóticas (que apresentam o layout do processo) trazem em tempo real as informações do chão-de-fábrica. 12 MA39_Sistemas.indd 12 Neste sistema fica restrita a alteração da ordem de execução dos passos e assim como na arquitetura anterior, não é possível repetir um passo já executado, operações em paralelo, defasagem entre passos, etc. Exemplos na figura 4 e figura 5. Controle por PLC, SCADA e Sistemas MES (Sistemas de Execução da Manufatura) Nesta arquitetura o sistema supervisório mantém a atribuição de monitoramento e controle do processo, mas o gerenciamento da batelada cabe a um sistema MES, desenvolvido através de linguagens de programação de alto nível. Neste caso, todas as informações referentes às receitas (códigos, matérias-primas, passos, procedimentos, etc.) ficam armazenadas em bancos de dados do tipo relacional, os quais proporcionam, entre outras vantagens, maior capacidade de armazenamento, utilização de ferramentas de consulta, acesso remoto e por mais de uma estação de trabalho/operação, rastreabilidade e trabalho com sistema de armazenamento aberto e escalonável. O sistema MES contempla telas e recursos para cadastro de matérias-primas, procedimentos, parâmetros e registros, bem como a montagem da receita com dados de cabeçalho (código, nome, descrição, data de criação e revisão, versão, produto, etc.), e com a composição dos passos com os respectivos procedimentos, sejam estes relacionados aos processos de dosagem, sejam instruções de trabalho ou procedimentos de controle (ex.: agitação, resfriamento, tempo de espera, etc.). Também é papel deste tipo de sistema a interface para solicitação de produção (lotes a produzir, número de bateladas, etc.), uma ferramenta para acompanhamento da produção (lotes em andamento, bateladas concluídas, status, etc.). O sistema de relatório também faz parte de um sistema MES, seja ele gerado dentro do próprio sistema, seja através de algum software de relatório de mercado ou mesmo a partir de ferramenta Web (para consulta através de um navegador como o Internet Explorer, da Microsoft) Em uma visão mais ampla, o sistema MES responde por: • Cadastros: toda a entrada de dados que visa alimentar as tabelas do banco de dados com informações para futura; • Solicitação de produção: interface onde é inserido o plano de produção, ou seja, a relação de receitas a produzir, o número de lote ou ordem de fabricação e o número de bateladas desejadas de cada uma (figura 6); • Acompanhamento da produção: interface para visualização do andamento da produção, com status das receitas, bateladas em andamento, concluídas ou na fila para produção (figura 7); • Relatórios: ferramenta de consulta que permite fazer a rastreabilidade de um lote ou seqüência específica e também, na combinação de seus filtros, a consulta de bateladas produzidas no passado (figura 8). Mecatrônica Atual :: Novembro/Dezembro 2008 12/11/2008 13:41:07 manufatura Controle via PLC, SCADA e Softwares de Bateladas (baseados na norma para bateladas ISA S88) Dependendo da característica do processo e da flexibilidade exigida pelo mesmo, uma aplicação para batelada deverá ser muito mais que um seqüenciador de passos combinado com procedimentos específicos como adição de matérias-primas, aquecimento, agitação, tempos de espera, etc. Operações como paralelismo, defasagem de passos, transições baseadas em eventos, loops, etc., podem ser exigidas para a execução da receita (produção da batelada). E aí que entram a norma ISA S88 e os softwares de bateladas. Resumidamente, a S88: • Define um modelo para controle de bateladas o qual é usado como um padrão por muitas indústrias; • Fornece uma terminologia comum para o controle de bateladas, permitindo que usuários diferentes possam expressar suas idéias sobre uma base comum e esta base comum de terminologias e modelos permitem aos usuários integrarem soluções de diferentes fornecedores; • A norma especifica que o código do controlador deve ser dividido em pequenas partes (módulos de controle), e o fato de termos pequenos códigos permite que as receitas sejam modificadas com maior facilidade; • Se duas plantas/linhas tiverem equipamentos semelhantes, pequenos códigos permitem uma implementação mais fácil com a reutilização dos códigos; • Conceitua a separação do controle do equipamento do controle do procedimento (receita) que descreve como fazer o produto final, permitindo múltiplos produtos, múltiplos procedimento, múltiplas unidades de produção. Os softwares de bateladas de mercado visam atender à norma ISA S88 e possuem ferramentas adicionais que permitam a integração destes com PLCs, por exemplo, e também ferramentas que agregam valor aos usuários e que procure diferenciá-lo dos outros softwares disponíveis. O modelamento do sistema é dividido em duas partes: F6. Tela de cadastro de receitas. F7. Cadastro de procedimento. F8. Acompanhamento de bateladas. Novembro/Dezembro 2008 :: Mecatrônica Atual MA39_Sistemas.indd 13 13 12/11/2008 13:41:16 manufatura 1. Modelamento físico do processo • Célula de processo: onde é definida a área responsável para a produção das bateladas (planta/processo/linha); • Unidades: conjunto de módulos de controle e de equipamentos responsável pela execução de uma, algumas ou todas as etapas do processo (tanques, reatores, silos, etc.); • Módulo de equipamento: conjunto de equipamentos que realizam atividades do processo, como aquecimento, dosagem, etc; • Módulo de controle: dispositivo de controle, como válvula, motor, sensor, etc. 2. Modelamento procedural do processo • Procedimento: estratégia para execução do processo/batelada; • Procedimentos da unidade: conjunto de operações utilizadas para seqüenciamento dentro da unidade; • Operações: conjunto de atividades agrupadas e que visam o atendimento de necessidades da batelada/processo; • Fases: realização de tarefas/ações básicas e simples, como adição de materiais, agitação, transferência, entre muitos outros. O software de bateladas é dividido em módulos, sendo que a base é definida por: Equipment Editor (modelamento físico), Recipe Editor (modelamento procedural), Server (gerenciamento da batelada e comunicação do módulo View com o PLC), View (interface ao operador para visualização e controle das bateladas), Archiver (geração dos registros eletrônicos das bateladas) e Report Editor (criação e customização de relatórios com os registros eletrônicos). O sistema supervisório continua com a atribuição de monitoramento e controle do processo. Ao PLC cabe toda a interface com o chão de fábrica, como as tarefas de partida e parada de motores, abertura e fechamento de válvulas, monitoramento e controle de variáveis analógicas. Do modelo físico definido para o controle da batelada cabem ao PLC as rotinas com as phases e os estados das mesmas, cada uma com uma função especifica como agitação, adição de materiais, resfriamento, entre outras, definidas quando do modelamento do sistema de bateladas. Veja os exemplos na figura 9, figura 10 e figura 11. 14 MA39_Sistemas.indd 14 Conclusões A solução a ser adotada deverá ser definida após a análise de uma série de fatores, como característica do processo, necessidades do sistema de formulação, estrutura e número de receitas, parâmetros e registros necessários, infra-estrutura de automação existente e/ou requerida, custos envolvidos, entre outros. Dependendo das informações acima será possível afirmar quais soluções atenderão às necessidades do processo. E quando mais de F9. Phases (Procedimentos) de uma Unit. uma solução atender aos propósitos, caberá uma análise sobre necessidades futuras e relação custo-benefício para se definir qual solução será adotada e implementada. MA Alan Liberalesso é engenheiro de aplicações da BASE Automação e colaborador do “Batch Control Comunidade Online”. F11. Phases e estado no PLC. F11. Receita em SFC. Mecatrônica Atual :: Novembro/Dezembro 2008 12/11/2008 13:41:23 automação Controle de patrimônio via RFID Conheça o desenvolvimento de um sistema eletrônico para o controle de patrimônio através de uma pesquisa aplicada para identificar uma solução de automatização, por meio de sistema de Identificação por Rádio Freqüência (RFID). O foco do artigo foi controlar itens (tags) que estão em um ambiente pré-estabelecido. Utilizando-se a metodologia para desenvolvimento de novos produtos, foram testadas várias configurações para o sistema, produzindo os protótipos apresentados Antonio Dresch Jr, Danny R. Efrom e Dieison Grumovski saiba mais Rastreabilidade de pallets via RFID Saber Eletrônica 429 Tecnologia RFID no armazenamento de Pallets Saber Eletrônica 428 Vantagens da Tecnologia RFID www.acura.com.br/rfid Tecnologia RFID www.azuum.com.br/site/ sobre_rfid/sobre_rfid.html A tecnologia RFID e os benefícios da etiqueta inteligente para os negócios www.unibero.edu.br/download/revistaeletronica/Set04_ Artigos/A%20Tecnologia%20 RFID%20-%20BSI.pdf MA39_Controle.indd 15 A s tecnologias de comunicação disponibilizaram uma nova maneira de se fazer negócios, e na forma de gerenciar grandes quantidades de informações. No entanto, apesar desta contribuição tecnológica, que tornou as operações logísticas muito mais flexíveis e dinâmicas, verifica-se que existe ainda um grande distanciamento entre o mundo virtual (sistemas) e o real (empresa). A acuracidade e a rapidez das informações adquiridas em cada estágio são de fundamental importância para alimentar as decisões estratégicas e operacionais que possibilitem dar sustentabilidade e contribuir com os negócios empresariais. Novembro/Dezembro 2008 :: Mecatrônica Atual 15 12/11/2008 14:18:38 automação Houve grandes avanços na questão da alimentação dos sistemas de informações, que caminhou desde a simples digitação, passando pelos códigos de barras e 3D até as atuais etiquetas eletrônicas de identificação por rádio-freqüência (tags). Tais tecnologias proporcionam elevado grau de integração, na medida em que possibilitam a atualização das informações em tempo real. Por sua vez, a necessidade de atender a uma demanda mais customizada, assim como de melhor gerenciar operações descentralizadas em complexas redes logísticas, trouxe uma série de desafios na forma de lidar com o vasto fluxo de informações gerenciais. Somado a esses fatores, a busca por meios de transmissão de informações, que propiciassem maior mobilidade aos usuários, possibilitou o desenvolvimento de maiores aplicações em sistemas de identificação, baseados na transmissão por rádio-freqüência. Esta tecnologia desencadeia uma revolução que é a base para uma nova realidade na identificação de produtos, com impacto direto no controle de patrimônio e nos processos logísticos de toda a cadeia de abastecimento, seja na fabricação, no controle de estoque ou na compra e venda destes. A flexibilidade de sistemas RFID é o seu grande fator positivo. Quando comparada com outros sistemas de identificação, como o código de barras, o RFID ganha em confiabilidade (códigos de barras tendem a apagar com o tempo), facilidade de leitura (tags podem estar dentro d’água, lama, ou circundados por metal) e não precisam de leitor apontando diretamente para ele, ou seja não necessita de visada. Além disso, como a captura de dados é feita de forma automática, existe a redução de falhas humanas no processo. Tecnologia RFID O levantamento de patrimônio possui uma dinâmica difícil quando se utilizam os sistemas atuais como numeração para leitura visual ou códigos de barras, prolongando o tempo de execução, exigindo uma equipe de pessoas destacadas para que esta tarefa seja feita com agilidade, onerando os recursos da empresa. Já o controle de patrimônio (controle de bens móveis) exige uma supervisão permanente e dependendo do tamanho e arquitetura da empresa, nem sempre é possível fazê-la com eficácia. 16 MA39_Controle.indd 16 Segundo a CSP-CONPAT (2006) os ativos permanentes de uma empresa, como equipamentos e mobiliários, sofrem perdas definitivas com o processo de depreciações e perdas contábeis recuperáveis em função do descasamento provocado pela inflação sobre os valores de aquisição dos bens ou por mudança de valor de mercado, exigindo um sistema de controle eficaz na gestão patrimonial. Levando em conta estes fatores é que surgiu a proposta de desenvolver uma solução de controle de equipamentos e mobiliário que atenda adequadamente as necessidades, utilizando tecnologia RFID, trazendo agilidade e eficácia ao processo. Vantagens Tal tecnologia permite a captura automática de dados, para identificação de objetos com dispositivos eletrônicos, conhecidos como tag ou transponder que emitem sinais de radiofreqüência para leitores ou antenas, que captam estas informações. Os benefícios primários de RFID são: a eliminação de erros de escrita e leitura de dados, coleção de dados de forma mais rápida e automática, redução de processamento de dados e maior segurança. Quanto às vantagens da RFID em relação às outras tecnologias de identificação e coleção de dados, temos: operação segura em ambiente severo (lugares úmidos, molhados, sujos, corrosivos, altas temperaturas, baixas temperaturas, vibração, choques), operação sem contato e sem necessidade de campo visual e grande variedade de formatos e tamanhos. Mas a principal vantagem do uso de sistemas RFID é realizar a leitura sem o contato e sem a necessidade de uma visualização direta do leitor com o tag. É possível, por exemplo, colocar a tag dentro de um produto e realizar a leitura sem ter que desempacotá-lo, ou, por exemplo, aplicar o tag em uma superfície que será posteriormente coberta de tinta ou graxa. A tecnologia RFID apresenta características peculiares que nenhuma outra oferece. Por exemplo, leitura simultânea de até 30 itens em um período de um segundo, utilizando-se de poderosos algoritmos de anti-colisão. Com isto pode-se realizar inventários de milhares de itens, utilizando um leitor de RFID manual. A incorporação de um leitor RFID a um coletor portátil de dados (leitor manual) viabiliza a implementação de soluções voltadas a rastreamento de ativos e produtos ao longo de uma planta, com a imediata captura e transmissão de dados. A RFID não é simplesmente um substituto do código de barras, é uma tecnologia de transformação que pode ajudar a reduzir desperdício, limitar roubos, gerir inventários, simplificar a logística e até aumentar a produtividade. Muitas empresas, devido ao seu imenso número de bens ou a constante movimentação de equipamentos, têm dificuldades em manter um histórico de confiança e atualizado do seu patrimônio. A tecnologia RFID permite que a empresa tenha total controle até mesmo em tempo real dos bens da empresa, tanto em termos de quantidade como de localização. Middleware RFID A tecnologia RFID trabalha constantemente com fluxo de dados, esse fluxo de dados pode ser grande. Por esse e outros motivos faz-se à necessidade de um middleware eficiente. É importante entender que o middleware nada mais é do que uma camada de software que fica responsável por diversas funções, tais como, gerenciamento da rede de captura de dados e pelo fluxo dos mesmos. O middleware não constitui diretamente aplicações, pois uma de suas funções é o envio dos dados às aplicações, aos sistemas de gestão do processo, seja ele de produção, estoque, logística ou qualquer outro sistema que necessite desses dados. A Azuum, Alien, Symbol, IBM, Intermec/ Cagicomp e Sun são exemplos de empresas que desenvolvem esses middlewares. A tecnologia RFID não teria sentido ao trabalhar de forma isolada, sem ter para quem enviar os dados recebidos, sem ter algum sistema de organização e processamento de dados. Sem esses sistemas, os dados captados pela tecnologia RFID não teriam utilidade, não gerariam informações para serem analisadas e interpretadas, seriam apenas dados. Esse é o principal motivo pelo qual o software (middleware) se faz tão importante para o sucesso da tecnologia RFID. Neste trabalho o middleware ficou responsável em receber os dados do leitor RFID e associá-los aos itens existentes nos ambientes. Mecatrônica Atual :: Novembro/Dezembro 2008 12/11/2008 14:12:54 automação Desenvolvimento dos protótipos Utilizando o recurso de uma metodologia científica para projetos de desenvolvimento de novos produtos, foi selecionado o seguinte fluxograma e as suas fases: Fase 1 - Planejamento de Linha de Produto: estudo científico do foco do produto, auxiliado pelas consultorias e empresas que apóiam o projeto. Fase 2 - Geração de idéias/conceitos: utilizando-se de técnicas existentes levantaram-se sugestões, opiniões e necessidades do mercado, para identificação de referências e estimativas que contribuíram para a criação do produto. F1. Fluxograma do projeto adaptado de Wille e Wille (2005). Fase 3 - Seleção de idéias/conceitos: estudo, tabulação e conclusão das etapas anteriores, definindo o objeto/produto a ser desenvolvido. leitura constante, indicada para a supervisão de objetos de alto valor agregado, que justificam a obtenção de leitores dedicados. Fase 4 - Desenvolvimento técnico do produto: a) Soluções e seleção de equipamentos e componentes eletrônicos; b) Identificação de Fornecedores; c) Aquisição de materiais; d) Implementação na aplicação. Os quadros ao lado representam os testes práticos realizados com o intuito de encontrar a melhor solução para controle de itens (equipamentos e mobiliários) nos ambientes. Veja a tabela 1. Já a tabela 2 mostra detalhadamente os materiais utilizados e resultados dos testes realizados na pesquisa. Após os testes realizados com os diferentes produtos, verificou-se que o leitor (L1), as antenas (A1) e as tags (T1, T2, T10) não atendem o proposto, portanto foram escolhidos as seguintes configurações para a montagem dos protótipos apresentados a seguir. Fase 5 - Teste e validação do produto: e) Análise de Confiabilidade de leitura e aquisição de dados; f) Integridade da comunicação de dados; g) Integração das soluções com softwares embarcados e de banco de dados. Fase 6 - Protótipos: Montagem de protótipos. A partir do fluxograma realizado (figura 1) chegou-se a construção de dois modelos: um com a opção de possuir leitores manuais (portáteis), para locais onde existam objetos de baixo valor, por exemplo, e o outro com a opção de ter leitores fixos que realizam a F2. Protótipo – Controle e inventário de patrimônio. Testes e validação do produto Protótipo I Este sistema tem como objetivo atender como ferramenta para controle e inventário do patrimônio para itens de baixo valor, para isto, optou-se por adaptar um Leitor RFID da Acuprox AP-09 com comunicação via cabo Serial ao computador embarcado (figura 2) associado às etiquetas World Tags. Esta configuração apresenta o melhor custo-benefício para a aplicação. O software de demonstração (middleware) foi desenvolvido na fase 6 do projeto e está disponível para acesso no computador embarcado do protótipo. T1. Identificação dos componentes. Novembro/Dezembro 2008 :: Mecatrônica Atual MA39_Controle.indd 17 17 12/11/2008 14:18:53 automação T2. Resultado dos testes realizados com os leitores e tags. 18 MA39_Controle.indd 18 Mecatrônica Atual :: Novembro/Dezembro 2008 12/11/2008 14:19:56 automação O software foi desenvolvido para proporcionar a visualização dos itens encontrados em um ambiente escolhido, quando submetido ao leitor RFID, no caso, laboratório B-17 foi encontrado uma mesa e uma cadeira estofada. Este software foi montado de forma a viabilizar futuros testes de integração ao sistema de banco de dados já existente. Protótipo II F3. Controle de patrimônio em tempo real. Através do middleware desenvolvido pode-se realizar a leitura dos itens já associados aos códigos das etiquetas, bem como sua localização, obtendo o levantamento (identificação) e a rastreabilidade (localização) do patrimônio de forma automática. Para este protótipo foi utilizado o leitor AcuWave Active Reader L-RX201, associado às etiquetas AcuWave Tag Asset L-TG800. Este tem como objetivo atender ao monitoramento em tempo real dos itens de alto valor, justificando o custo das tags utilizadas. O software de demonstração foi adquirido junto com o Leitor, e está disponível para acesso no computador embarcado instalado (figura 3). Conclusões Os protótipos atenderam as necessidades planejadas, inclusive podendo ser utilizado como ferramenta de testes de trabalho para as empresas, kit didático (uso educacional) e para o conhecimento de novas tecnologias. Para concluir pode-se listar ainda alguns observações relevantes do RFID: a) Não necessita de contato físico; b) Permite ter acesso a dados em tempo real; c) Indústrias, organizações e varejo já estão identificando os benefícios da tecnologia; d) RFID e estão começando a adotá-la em seus ambientes de trabalho. MA Antonio Dresh Jr. é pós graduado em Mecatrônica Industrial; sócio-proprietário da empresa Azuum – Tecnologia Industrial especializada em RFID e exerce atividade como docente na Faculdade de tecnologia Senai Joinville, nas áreas de Automação e Mecatrônica Industrial. Danny R. Efrom é pós graduado em Mecatrônica Industrial; sócio-proprietário da empresa Azuum – Tecnologia Industrial especializada em RFID e exerce atividade como docente na Faculdade de tecnologia Senai Joinville, nas áreas de Eletrônica Industrial e Sistemas de Controle. Dieison Grumovski é técnico em Mecatrônica Industrial e bacharelando no curso de Ciência da Computação. Novembro/Dezembro 2008 :: Mecatrônica Atual MA39_Controle.indd 19 19 12/11/2008 14:13:25 e automação Otimização na destilação de etanol? A saiba mais Destilação de álcool: Desafio para a automação Mecatrônica Atual 36 Usinas de álcool e açúcar: A Automação de um setor em franco desenvolvimento Mecatrônica Atual 33 20 s colunas de destilação em geral são equipamentos de separação mais empregados na indústria química, petroquímica e de biocombustíveis. A sua importância é devido ao alto custo energético do processo, que, em muitos casos, é superior a 70% do custo energético total em indústrias de transformação. Além de ser o processo que geralmente impede o aumento da produção (gargalo). No caso de usinas de etanol, a destilação é a última etapa do processo. Por isso, acaba recebendo as influências - na forma de distúrbios - de variações oriundas de processos precedentes, tais como composição do vinho proveniente do processo de fermentação e, pressão e capacidade calorífica do vapor utilizado para aquecer as colunas. Vapor este que pode ser proveniente do processo de evaporação no caso de plantas mistas de açúcar e etanol ou de caldeiras de vapor utilizadas como fonte de energia por meio da queima do bagaço (subproduto da cana de açúcar). Além dos distúrbios, é necessário lidar também com diferentes regimes de operação, a interação entre as malhas, a existência de tempo morto e as não linearidades intrínsecas do processo. Para lidar com todas estas peculiaridades, as colunas de destilação necessitam de sistemas de controle capazes de manter o processo mais estável e eficiente possível. André Ribeiro Lins de Albuquerque Apesar dos projetos de plantas de destilação atuais serem capazes de apresentar uma eficiência na extração de etanol superior a 99%, a energia necessária para a produção poderia ser melhor aproveitada, utilizando para tanto, estratégias de controle mais apropriadas ao processo. Atualmente, os aparelhos de etanol possuem uma eficiência energética que gira em torno de 80%. Este indicador é mensurado por meio de sistemas comercias que, utilizando modelos matemáticos robustos para executar o balanço de massa e energia, calcula-se o consumo energético ideal para cada condição de entrada em cada aparelho (concentração alcoólica e temperatura de entrada do vinho). A eficiência energética é então obtida pela razão entre o consumo ideal e consumo real do aparelho (figura 1). O principal motivo para não se obter melhores indicadores de eficiência energética é a alta flutuação de variáveis controladas do processo, tais como: pressão nas colunas e temperatura TB4 (temperatura da bandeja 4 na coluna B, utilizada para inferir a concentração alcoólica do etanol). Isso acaba acarretando um gasto desnecessário de energia para realizar o trabalho de separação do etanol. Além do fator energético, outro fator de desempenho que pode ser aumentado Mecatrônica Atual :: Novembro/Dezembro 2008 MA39_Otimizacao.indd 20 12/11/2008 14:54:20 automação F1. Figura ilustrativa que apresenta como o indicador de eficiência energética é obtido em função da concentração alcoólica do vinho de entrada. significativamente é o referente à capacidade produtiva (figura 2). O motivo é simples, em muitos momentos de uma safra de cana-de-açúcar, o “gargalo” deixa de ser o fornecimento de matéria prima, passando a ser a capacidade de produção dos aparelhos de destilação. Portanto, existe a necessidade de uma tecnologia de controle que permita que o processo opere em múltiplas condições. Pode-se citar a condição de máxima economia de energia (escassez de matéria prima, por exemplo) e, as condições de produção máxima que ocorrem em situações de excesso de material a ser destilado. Para tornar as plantas de produção de etanol mais produtivas, ou seja, produzindo mais e com menos recurso, algumas usinas já começaram a aplicar com sucesso tecnologias de Controle Avançado como, por exemplo, o Controle Preditivo Baseado em Modelos (MPC). O objetivo do MPC é otimizar a operação de destilação através da predição do comportamento de variáveis controladas, minimizando os efeitos de distúrbios, acoplamentos entre as malhas e tempos mortos do processo. Existem registros recentes de ganhos de 6 a até 10% na produtividade dos aparelhos em usinas de álcool que estão começando a adotar este tipo de tecnologia. F2. Representação normalizada de faixas de produção utilizando o controle regulatório convencional e MPC. Destilação de Etanol: Breve Descrição Os aparelhos de destilação em usinas de etanol têm a configuração básica como apresentado na figura 3. A entrada do sistema é o vinho proveniente do processo antecedente – a fermentação - e a sua composição alcoólica gira em torno de 7 a 12º GL2 (unidade de medida para especificar o teor alcoólico em volume), água (aproximadamente 90%) e os demais componentes encontrados em menores quantidades tais como: glicerina, ácidos succínico e acético, leveduras e bactérias, sais minerais, etc. Para a obtenção do etanol para uso como combustível, também conhecido como álcool hidratado, tem-se duas principais operações; destilação propriamente dita (coluna A) e a retificação (coluna B). Conforme apresentado na figura 4. A coluna A tem por finalidade esgotar a maior quantidade possível de etanol do seu produto de fundo, que é denominado vinhaça. Esta, retirada em uma proporção aproximada de 12 litros para cada litro de álcool produzido, é utilizada na lavoura como fertilizante, sendo seu calor parcialmente recuperado pelo vinho no trocador de calor K. A finalidade da coluna B é concentrar a flegma a uma graduação de aproximadamente 96º GL (unidade de medida para F3. Aparelho de destilação de etanol. Novembro/Dezembro 2008 :: Mecatrônica Atual MA39_Otimizacao.indd 21 21 12/11/2008 14:54:26 automação especificar o teor alcoólico em volume). A flegma é alimentada nessa coluna, onde é concentrada e purificada, sendo retirada sob a forma de etanol, duas bandejas abaixo do topo da coluna. Os componentes mais voláteis retirados no topo da coluna B passam por uma seqüência de condensadores (E, E1 e E2), dos quais retornam para o topo da B sob a forma de condensado (refluxo). Do fundo da coluna B é retirada uma solução aquosa chamada flegmaça que tanto pode ser reciclada no processo ou eliminada. Controle e Automação na Destilação de Etanol F4. Diagrama P&ID de um aparelho de destilação de álcool hidratado. F5. Ilustrações do funcionamento da tecnologia MPC. A imagem a) representa a comunicação entre os controladores PIDs de vazão com o MPC; a imagem b) representa a arquitetura conceitual do MPC para o controle de pressão da coluna A. F6. Faixas de operação utilizando o controle de pressão da coluna A convencional e o MPC. 22 A automação utilizada nos aparelhos de destilação de etanol combustível (álcool hidratado) se propõe controlar diversas variáveis do processo, conforme apresentado na figura 4. Alguns destes controles são realizados na forma mestre-escravo (cascata) e regulatória convencional (PID). Somente o controle de pressão nas colunas e da temperatura da bandeja B4 que devem ser realizados de forma preditiva, utilizando para tanto, o controle MPC. A alimentação do vinho no aparelho deve ser realizada preferencialmente de forma direta, ou seja, um controle regulatório de vazão convencional. Durante muitos anos, controlou-se a temperatura da bandeja A16 pela variação da alimentação de vinho num formato de controle em cascata, porém, este tipo de arquitetura favorece ao aumento de transientes no aparelho, em outras palavras, deixa o sistema mais instável. Caso necessita-se aumentar a produção do aparelho, o setpoint de vazão de vinho deve ser alterado obedecendo a uma rampa suave. Todas as outras vazões de entrada e saída do aparelho de destilação devem ser controladas como malhas internas dentro de uma arquitetura de controle em cascata. Este tipo de abordagem além de permitir o controle mestre mais efetivo das variáveis como temperaturas no topo e níveis nas bases das colunas favorecem também o fechamento do balanço de massa e energia da destilaria. A aplicação de técnicas de controle preditivo baseado em modelo (MPC), para controlar variáveis de pressão nos aparelhos e temperatura da bandeja B4 (Figura 4), esta última, utilizada para inferir a concentração alcoólica do etanol de saída, favorece a estabilidade do processo e, conseqüentemente, a economia de energia e aumento da capacidade Mecatrônica Atual :: Novembro/Dezembro 2008 MA39_Otimizacao.indd 22 12/11/2008 14:54:33 automação F7. Faixas de operação utilizando o controle da temperatura da B4 convencional e o MPC. produtiva dos aparelhos. O MPC, na prática, funciona como um controle mestre (figura 5a e 5b), definindo os melhores setpoints de vazão para cada regime operacional. A técnica de controle MPC é uma estratégia de controle multivariável bastante difundida na indústria de processos. O MPC, basicamente utiliza um modelo dinâmico do processo para predizer o seu comportamento futuro (figura 5b). Esta predição é atualizada, ou corrigida, a cada iteração, com a medição das variáveis do processo. As ações de controle são calculadas de modo a minimizar a diferença entre a predição e a trajetória de referência. Entretanto, a utilização de um modelo linear na síntese do controlador não é suficiente para garantir um bom desempenho do controle para processos não lineares, como é o caso de aparelhos de destilação de etanol. Isto devido a não consideração de certos comportamentos dinâmicos no modelo, ou mesmo variações dos parâmetros em diferentes condições operacionais. Nas figuras 6 e 7, são apresentados o controle da pressão na coluna A e a temperatura da bandeja B4 de uma usina no interior de São Paulo, aplicando o controle regulatório convencional e depois de um período adotando o MPC. Com a diminuição das flutuações do processo com o uso do MPC, contatou-se um aumento na eficiência energética do aparelho de 8%. Isso significa, para este aparelho em questão, uma economia de 3,2 toneladas de vapor de escape por hora. Para manter os ganhos atingidos após a aplicação do MPC, deve-se manter uma rotina de gerenciamento do desempenho das malhas de controle, seja para sintonizar os controles regulatórios (PIDs), ou mesmo atualizar o modelo preditivo. Isso porque, após a obtenção do modelo preditivo e ajustes das malhas, o desempenho da mesma tende a se deteriorar lentamente com o tempo, já que as condições do processo não são sempre as mesmas e os hardwares sofrem desgastes naturais. Desta forma, uma vez detectada uma perda de desempenho, pode-se diagnosticar a causa raiz do problema, podendo-se fazer uma manutenção preventiva na automação em destilarias de álcool. É certo que com a implantação de técnicas de controle avançado, como o MPC, obtém - se um salto no rendimento dos aparelhos, refletindo-se em aumentos de rentabilidade em curto prazo para as destilarias de etanol, porém, ainda existem margens de ganhos significativas que podem ser obtidas em longo prazo, o maior deles é sem dúvida o aumento da concentração alcoólica no processo fermentativo, pois, quanto mais enriquecido chegar o vinho na destilaria menor será seu custo energético. Outro ganho que se pode obter é por meio de ferramentas de otimização de toda a destilaria, levando-se em consideração desde o preparo do mosto, passando pelo processo fermentativo, centrifugação, destilação até chegar ao armazenamento do etanol. Com este tipo de ferramenta, as melhores condições operacionais para cada necessidade de produção e recurso energético será obtida por meio de modelos matemáticos e algoritmos sofisticados que buscarão sempre a maior rentabilidade possível dada as condições de demanda e oferta de etanol e energia. MA André Ribeiro Lins é PhD em Mecatrônica e Diretor de Negócios da Pentagro Soluções Tecnológicas. Novembro/Dezembro 2008 :: Mecatrônica Atual MA39_Otimizacao.indd 23 23 12/11/2008 14:54:45 e automação Monitoramento online do desempenho da planta industrial Este artigo descreve os conceitos básicos desde a automação do processo até a geração e monitoramento de indicadores de desempenho que permitem acompanhar em tempo real a “saúde” dos ativos de uma planta industrial, comparando o desempenho atual com o ótimo calculado a partir de modelos rigorosos do processo Cláudio Adriano Policastro André Ribeiro Lins de Albuquerque Paulo Garcia de Souza saiba mais Sistema de monitoramento e estimativa dos tempos de operação do disjuntor Mecatrônica Atual 31 24 A tualmente, as empresas estão sob intensa pressão competitiva para promover o aumento da eficiência em seus processos industriais, por meio de mão de obra qualificada e pela otimização de seus ativos. A necessidade de visualizar em tempo real os dados de produção, custeio e condições operacionais, para tomada de decisões estratégicas e resposta rápida às mudanças das condições de operação e mercado, justifica os grandes investimentos em infra-estrutura e automação. Entretanto, a automação é necessária mas não é suficiente. Para maximizar a eficiência do processo e o retorno do investimento nos ativos é necessário investir em treinamento de operadores e aplicar técnicas de otimização de processos. Mecatrônica Atual :: Novembro/Dezembro 2008 MA39_Monitoramento.indd 24 12/11/2008 16:27:26 automação Alie se ao fato que, devido à natureza dinâmica dos processos industriais, existe a necessidade de se acompanhar em tempo real o desempenho dos mesmos. Esta necessidade originou os conceitos que forma a base do “Monitoramento online do desempenho”. O monitoramento online do desempenho da planta industrial tornou-se uma tarefa essencial para gerentes e demais tomadores de decisão que necessitam manter o controle de seus ativos e buscam a otimização dos mesmos. Ele pode ser definido como o processo de medir a utilização de recursos existentes, compreendendo os desvios entre o real e o desejado, determinando o impacto da degradação da utilização ótima destes recursos em relação aos objetivos estratégicos de uma organização, por meio, da produção de indicadores chave de desempenho. Integração dos Dados da Planta Industrial A adoção de uma solução de otimização online de desempenho se inicia pela integração dos dados da planta, com o objetivo de fornecer dados do processo em tempo real para o sistema de monitoramento. As plantas industriais geram grande quantidade de dados que não são utilizados em todo o seu potencial como fonte de informação e conhecimento, por estarem dispersos ou desorganizados. A utilização de soluções da Tecnologia da Informação (TI) e Tecnologia da Automação (TA) favorece a integração da planta industrial, disponibilizando todos os dados para o negócio e para a tomada de decisão, tornando a planta industrial mais transparente. A integração efetiva da planta industrial e a disponibilização de seus dados para os níveis superiores da empresa (Engenharia de Processo, Gerência Industrial, etc) passa pela integração elementos e sistemas em diversas camadas ou níveis, como apresentado na figura 1. A integração dos dados da planta industrial começa pela implantação e integração de elementos básicos da Tecnologia da Automação (Atuadores e Sensores), capazes intervir no processo e detectar o estado de operação do mesmo. Nesta camada, encontram-se elementos, como sensores de nível, de pressão, de temperatura, de fim de curso, válvulas, inversores, motores, bombas, entre outros. Em uma camada superior (Controladores), a integração dos dados da planta é realizada por meio de sistemas de controle (e.q SDCD ou CLPs) . Toda planta industrial precisa de algum tipo de controlador para garantir uma operação segura, estável e economicamente viável. Os controladores monitoram o estado real do processo, recebendo sinais dos sensores físicos presentes em pontos estratégicos. As grandezas físicas (e.q. pressão, temperatura e vazão) são transformados em sinais discretos (ligado ou desligado) ou contínuos (pressão, nível, vazão, entre outros). Estas grandezas são então empregadas em lógicas de controle que permitem ao controlador calcular o seu estado de saída (ação de controle), considerando diversas especificações (como por exemplo: o set point de uma temperatura ou pressão). Então, esta ação de controle calculada pelo controlador é convertida em um sinal que é enviado para um atuador (e.q válvula, motor, bomba) que modifica o estado do processo, mantendo o mesmo em uma condição de operação específica e corrigindo eventuais desvios. Em uma camada mais alta (Supervisores), encontram-se os sistemas supervisórios (SCADA ou Supervisory Control and Data Acquisition). Estes sistemas se comunicam diretamente com os Controladores e são responsáveis por adquirir os dados dos sensores e atuadores existentes na planta e apresentá-los aos operadores por meio de uma representação gráfica do processo, em telas de computadores (PC) dedicados para a operação de supervisão. Estes sistemas são capazes de apresentar os dados reais do processo na forma de números, gráficos de barras, gráficos de tendências e outros elementos, informando os operadores sobre todos os eventos importantes ocorridos na planta. Estes sistemas também permitem aos operadores atuar no processo, alterando as condições de operação (set point) na qual os CLPs devem manter um processo. Nesta camada de integração de dados, os sistemas supervisórios freqüentemente formam ilhas de automação, controlando partes isoladas do processo (por exemplo, destilação, fábrica de açúcar, fermentação, etc.) sem considerar a integração das informações de toda a planta. F1. Pirâmide de integração dos dados da planta industrial. Novembro/Dezembro 2008 :: Mecatrônica Atual MA39_Monitoramento.indd 25 25 12/11/2008 16:27:36 automação “ Nos últimos anos, surgiram também soluções que permitem a tomada de decisões baseadas em dados instantâneos do processo. ” Para a integração efetiva dos dados, deve-se adotar, em uma camada superior da pirâmide de integração (SGP ou Sistemas de Gerenciamento da Produção), os denominados sistemas de gerenciamento de informações da planta (PIMS ou Plant Information Management System). Um sistema PIMS adquire periodicamente dados de processo da planta industrial de diversas fontes, como os sistemas supervisório e sistemas de laboratório e, assim, os reúne e armazena em um banco de dados históricos. Dessa forma, o PIMS permite a disponibilização dos dados de toda a planta industrial para utilização por sistemas de gerenciamento e engenharia de processo, além de outros sistemas localizados nos níveis mais altos de uma empresa, como por exemplo, os sistemas de execução da produção (MES ou Manufacturing Execution Systems). Sistemas MES são sistemas de gestão que possibilitam o integrar os níveis administrativos com a produção, normalmente gerando e acompanhando um plano de produção que visa atender aos compromissos de vendas e as condições de disponibilidade de estoque e ativos. Idealmente, estes dois sistemas podem trabalhar em conjunto em uma arquitetura na qual um sistema PIMS adquire e integra todos os dados da planta e disponibiliza para o sistema MES tratar estas informações para os níveis mais altos da empresa. 26 Entretanto, existe uma grande confusão entre o papel dos sistemas PIMS e MES. Atualmente, muitos sistemas PIMS incorporam algumas funcionalidades de sistemas MES, tornando estes sistemas mais versáteis. Por outro lado, os sistemas MES que foram concebidos originalmente para o controle de processos de manufatura, também receberam funcionalidades de integração e armazenamento de dados de processos contínuos e batelada, aumentando ainda mais a sobreposição de tarefas entre estes dois sistemas. Neste ponto, uma maneira simples de entender o real papel destes dois sistemas é a seguinte: um sistema PIMS é um deposito de dados e um sistema MES é um conjunto de aplicativos que usa os dados armazenados no PIMS. É nesta mesma camada de integração (SGP) que se localizam os sistemas de monitoramento de desempenho da planta. Normalmente estes sistemas são módulos adicionais dos sistemas PIMS ou MES, mas também podem ser construídos a partir de soluções de fornecedores independentes. Em uma arquitetura efetiva de funcionamento, estes sistemas de monitoramento extraem dados dos sistemas PIMS, executam seus cálculos e tratamentos empregando os dados da planta, e escrevem seus resultados novamente no sistema PIMS para que estes estejam disponíveis para o sistema MES ou para os sistemas localizados nos níveis mais altos da empresa. A execução de um sistema de monitoramento online do processo, da forma descrita anteriormente, e a disponibilização dos resultados para as camadas superiores da empresa. Isso permite a visualização da planta industrial, conduzindo à otimização dos ativos de uma organização, o que possibilita uma operação mais eficiente dos negócios. Na camada mais alta da pirâmide de integração dos dados, encontram-se os sistemas corporativos de gestão (ERP ou Enterprise Resource Planning), responsáveis pela transformação dos dados e informações da planta em informações de negócio. Desta forma, pela implementação desta estrutura de TI e TA, pode-se integrar os dados de processo aos de negócio, possibilitando o alinhamento das estratégias de produção às estratégias de outras áreas de empresa. Monitoramento online do Processo A integração dos dados industriais deste o chão de fábrica até níveis corporativos pode prover as ferramentas necessárias para um gestor tomar decisões em tempo real e administrar o negócio com eficiência. Uma das ferramentas mais importantes para este processo de gestão é o monitoramento do processo industrial. Nos últimos anos, o monitoramento de processo constituiu uma atividade essencialmente offline e realizada normalmente com uma periodicidade baixa (grandes intervalos de tempo), muitas vezes com o auxílio de simples planilhas personalizadas. Neste processo de monitoramento, o tempo necessário para gerar e analisar estas planilhas é demasiado longo para permitir uma ação eficaz baseada nos resultados. Como conseqüência, pode-se observar uma deficiência grande na qualidade e na velocidade das ações para a recuperação de uma queda de desempenho da planta industrial. Nos últimos anos, surgiram também soluções que permitem a tomada de decisões baseadas em dados instantâneos do processo. Isso permite o acompanhamento do processo a qualquer momento do dia ou de um período desejado. Entretanto, estas soluções se limitam a monitorar as faixas de especificações e comportamentos estatísticos das variáveis do processo. Adicionalmente, estas soluções não permitem a busca pela condição operacional ótima da planta, uma vez que, não existe um modelo do processo para ser comparado com a situação atual do processo real. Neste contexto, técnicas de monitoramento online que utilizam modelos matemáticos do processo e reconciliação de dados podem superar a estas deficiências, o que possibilita a tomada de decisão no momento certo, utilizando informação com alta qualidade e confiabilidade. Estas técnicas utilizam o modelo matemático do processo para comparar os dados da planta real e determinar os desvios existentes em termos de operação e utilização de recursos. Isso permite que estas soluções apontem sempre a diferença entre o estado atual da planta industrial e seu ponto ótimo de operação, podendo resultar em ganhos aproximados entre 1-4% em eficiência do processo. Mecatrônica Atual :: Novembro/Dezembro 2008 MA39_Monitoramento.indd 26 12/11/2008 16:43:11 automação Estas técnicas também utilizam a reconciliação de dados para melhorar a precisão das medições, pela redução do efeito dos erros introduzidos nos dados e pelo processo de medição (ruídos, má instalação de sensores, sensores descalibrados, etc). A principal diferença entre a reconciliação de dados e outras técnicas de filtragem é que a reconciliação faz uso explicito de um modelo matemático do processo que fornece as restrições e relações entre as variáveis. Esta técnica obtém estimativas mais precisas das variáveis do processo, por meio de um ajuste das medidas brutas (extraídas da planta) para satisfazer às restrições e relações impostas pelo modelo do processo. Como resultado deste tratamento, esperase obter medidas mais precisas do que as medidas brutas extraídas da planta. O objetivo fundamental de uma solução baseada nas técnicas de monitoramento online de desempenho fundamentado em modelos matemáticos do processo com reconciliação de dados é a extração de informação útil e consistente dos dados brutos do processo para suportar a tomada de decisão operacional da alta qualidade. As informações geradas por este tipo de solução pode conduzir à detecção de falhas de medição, degradação do desempenho da planta, necessidade de manutenção dos equipamentos, entre outros benefícios. Além disso, estas soluções melhoram o tempo de tomada de decisão sobre os processos industriais, pela disponibilização de indicadores de desempenho estratégicos para suporte a decisão. Os indicadores de desempenho medem o nível de desempenho de um processo, focando no “como” e indicando quão bem a utilização dos recursos da empresa permitem que o objetivo do negócio seja alcançado. Estes indicadores podem revelar aspectos importantes e essenciais do processo, como a eficiência energética ou a eficiência da operação de transformação da matéria-prima, entre outros aspectos que possibilitem a uma empresa alcançar os seus objetivos estratégicos. O cálculo destes indicadores estratégicos é favorecido pela existência do modelo matemático do processo, uma vez que, o desempenho atual do processo real pode ser comparado ao desempenho requerido para o mesmo, dado pelo modelo matemático F2. Estrutura de uma solução efetiva de monitoramento on-line de processos. alimentado pelos dados extraídos da planta, permitindo a indicação das diferenças entre a planta real e o ótimo pretendido para a mesma. Estes indicadores possibilitam aos tomadores de decisão concentrar sua atenção somente nas partes mais importantes das informações sobre o processo, levando à tomada de decisão de forma mais rápida e mais precisa. Desta forma, a adoção desta solução possibilita a busca contínua pela condição operacional ótima dos processos, constituindo o primeiro passo na direção da implantação de um ciclo contínuo de melhorias dos processos industriais (controles avançados de processo e otimizadores operacionais). Existem diversas camadas de funcionalidades e integração de dados para uma solução efetiva de monitoramento online do desempenho, como ilustrado na figura 2. Inicialmente, as medidas da planta e os dados de laboratório são coletados e armazenadas em um sistema historiador de dados de processo (1). Então, o sistema de monitoramento é acionado em intervalos que podem variar desde minutos até horas e executa a reconciliação de dados por balanço de massa e energia, utilizando os dados extraídos da planta industrial (2). Como resultado, diversos indicadores de desempenho do processo e dados de balanço de massa e energia são gerados e armazenados no historiador (3). Paralelamente, regras de monitoramento baseadas em degradação dos indicadores (níveis de tolerância) podem alertar os tomadores de decisão (4) quando está na hora para examinar o processo e desenvolver novas estratégias para a melhoria do mesmo. Ao final do processo de monitoramento, os resultados ficam disponíveis para os gerentes e engenheiros de processo para a tomada de decisões estratégicas (5). Estes resultados também podem ser enviados aos níveis mais altos da empresa pela integração com os sistemas gerenciais localizados em camadas superiores da pirâmide de integração dos dados da planta. MA Cláudio Adriano Policastro é Ph.D. em Computação e Diretor de Operações da Pentagro Soluções Tecnológicas; André Ribeiro Lins de Albuquerque é Ph.D.em Mecatrônica e Diretor de Negócios da Pentagro Soluções Tecnológicas; Paulo Garcia de Souza é mestre em Física e Executivo de Negócios da Invensys Process System do Brasil. Novembro/Dezembro 2008 :: Mecatrônica Atual MA39_Monitoramento.indd 27 27 12/11/2008 16:27:49 e instrumentação Placas de aquisição e controle NI Single-Board RIO O hardware Single-Board RIO (sbRIO), da National Instruments, consiste em um computador Real-time com barramentos I/O reconfiguráveis controlados através de um chip FPGA. O FPGA permite a customização dos parâmetros de temporização e processamento de sinais para as linhas de I/O. Toda a programação da placa é feita através dos módulos LabVIEW FPGA e LabVIEW Real-Time. As placas sbRIO foram projetadas para aplicações embedded de alto volume em controle e aquisição de dados Roberto Cunha o saiba mais National Instruments www.ni.com/singleboard/ www.ni.com/fpga/rio.htm 28 s dispositivos single-board RIO são compostos por um processador industrial, de 32 bits, Freescale MPC5200 com freqüências de clock de 266 ou 400 Mhz, sistema operacional de tempo real (RTOS) VxWorks, da Wind River e um chip FPGA da família Spartan-3, da Xilinx. A arquitetura de um dispositivo sbRIO pode ser vista na figura 1. Todas as linhas de I/O são conectadas diretamente ao chip FPGA que permite customização, em baixo nível, das caracerísticas de temporização (timing) e processamento de sinais. O FPGA está conectado ao processador de tempo real através de um barramento PCI de alto desempenho. A programação do dispositivo com o LabVIEW possui mecanismos que permitem a transferência de dados das linhas de I/O para o chip FPGA e do FPGA para o processador para análises em tempo real, pós-processamento, data logging ou comunicação com um computador host em rede. Como pode ser visto no diagrama de blocos, cada dispositivo sbRIO possui três slots de expansão que permitem a conexão de módulos adicionais de I/O da série C. A faixa de temperaturas de operação vai de -20º a +55ºC, alimentação entre 19 e 30Vdc. Apresenta ainda um relógio de tempo real (RTC) com bateria de backup. A família de dispositivos sbRIO possui 8 modelos que estão listados na tabela 1. Mecatrônica Atual :: Novembro/Dezembro 2008 MA39_NI_Single.indd 28 12/11/2008 15:07:09 instrumentação F1. Diagrama de blocos de uma placa sbRIO. F2. Circuito de entrada para um canal analógico. Programação em LabVIEW Com a utilização do ambiente de desenvolvimento gráfico LabVIEW, da National Instruments, pode ser feita toda a programação do processador de tempo real, do FPGA e das entradas e saídas de seu sistema embedded de controle, monitoração, processamento ou data logging, tudo dentro do mesmo projeto. A programação do processador de tempo real deverá ser feita através do módulo LabVIEW Real-Time Module e o FPGA através do LabVIEW FPGA Module. O módulo LabVIEW Real-Time Module inclui blocos de funções para controle de aplicações em ponto flutuante, processamento, analise, data logging e comunicações. Além disso possui funções como: • tecnologia LabVIEW shared variable que permite comunicação em rede de sistemas embedded real-time; • temporização determinística por software com resolução na faixa de microsegundos; • mais de 600 funções para controle avançado de aplicações em ponto flutuante e processamento de sinais; • possibilidade de integração de código já existente em C/C ++. • ferramentas para replicação do sistema permitindo sua distribuição. O módulo LabVIEW FPGA Module permite a programação do FPGA reconModelo sbRIO-9601 sbRIO-9602 sbRIO-9611 sbRIO-9612 sbRIO-9631 sbRIO-9632 sbRIO-9641 sbRIO-9642 Clock do processador (Mhz) 266 400 266 400 266 400 266 400 Memória (DRAM) MB 64 128 64 128 64 128 64 128 figurável dentro do sistema RIO de modo a obter aplicações customizadas, controle de alta velocidade, controle de temporização de entrada/saída e processamento de sinais. Esse módulo também apresenta as seguintes funções: • component-level IP (CLIP) Node para a integração de código HDL já existente; • FPGA Wizard para a criação de código de tempo real e FPGA; • módulo LabVIEW Statechart para a implementação de controles baseados em FPGA, máquinas de estado, etc; • bapacidade de simulação de sistemas FPGA para desenvolvimento e correção de erros; • blocos de funções de ponto fixo, incluindo, Fast Fourier transform (FFT), PID multicanal, geradores de sinal, filtro notch, etc. A fim de reduzir os problemas relacionados com a criação, correção e validação de drivers para os componentes de hardware do sistema embedded, são fornecidas funções como: • funções de interfaceamento entre Entradas/Saídas analógicas, digitais e de comunicação e o FPGA; • funções de transferência de dados para comunicação entre o FPGA e o processador; FPGA Linhas DIO Canais AI Canais AO Linhas DIO Slots de (gates) (3,3V) (24V) expansão (Série C) 1M 110 0 0 0 3 2M 110 0 0 0 3 1M 110 32 0 0 3 2M 110 32 0 0 3 1M 110 32 4 0 3 2M 110 32 4 0 3 1M 110 32 4 32/32 3 2M 110 32 4 32/32 3 T1. Características dos modelos de placas single-board RIO. • métodos para interfaceamento entre FPGA e/ou processador e a memória; • funções de interfaceamento entre o processador e periféricos (interface serial RS232 e comunicação Ethernet); • drivers multitarefa para sistemas de alto desempenho. Características do hardware As placas sbRIO foram projetadas com trilhas apresentando uma impedância característica de 60 ohms. Isso significa que existirá um descasamento de impedância com a maioria dos flat cables encontrados, que apresentam impedância característica em torno de 110 ohms. Apesar disso, na maior parte das aplicações esse fato não será problema, especialmente se boas conexões de terra dos sinais forem providenciadas. Caso persistam problemas de integridade de sinal, deve-se procurar cabos que apresentem impedância característica mais próxima de 60 ohms. Cada entrada analógica apresenta um circuito que pode ser visto na figura 2, estas entradas não apresentam isolação. Este tipo de entrada pode ser utilizado para medição de sinais balanceados (medição diferencial) e desbalanceados (medição em relação ao terra). A utilização de medição diferencial irá reduzir o número de canais disponíveis pela metade, mas permite medições mais precisas e menos sensíveis a ruído. O circuito de uma saída analógica pode ser visto na figura 3. Pode se perceber pelo diagrama que as saídas não apresentam isolação mas possuem proteção contra sobretensão e curto circuito. Todas as saídas analógicas permanecem sem alimentação até um dado seja enviado. A partir desse ponto a saída será energizada ao nível de tensão configurado por software. Novembro/Dezembro 2008 :: Mecatrônica Atual MA39_NI_Single.indd 29 29 12/11/2008 15:07:17 instrumentação naló- capaci- F3. Circuito de uma saída analógica. F4. Conexão com uma entrada digital. As entradas digitais de 24V são do tipo sinking, o que significa que o pino de entrada fornece um caminho para o terra. O esquema de conexão com uma entrada digital pode ser visto na figura 4. Estas entradas também não apresentam isolação. As saídas digitais de 24V podem ser conectadas diretamente a diversos dispositivos industriais como motores, atuadores, reles e lampadas. É importante lembrar que esses dispositivos não podem ultrapassar os limites de tensão e corrente das saídas. O esquema de conexão de uma saída digital pode ser visto na figura 5. As saídas digitais de 24V requerem uma alimentação separada com valores entre 6 e 35Vdc. É possível aumentar o limite de corrente de uma saída digital, que é de 250 mA por padrão. Para poder fornecer uma corrente de 1 A, por exemplo, é possível se utilizar quatro saídas conectadas em paralelo, conforme pode ser visto na figura 6. Outra maneira de aumentar a capacidade de corrente de cada saída é adicionar um dissipador de calor ao transistor responsável pela saída. O dissipador deve ser escolhido de forma a manter a temperatura do transistor abaixo de 65º para uma temperatura ambiente de 55º C. Neste caso cada canal poderá manejar correntes de até 1,5 A. Deve-se respeitar um limite máximo de 20 A para o conjunto de todas as saídas. Quando cargas indutivas forem acionadas, deve-se implementar uma proteção contra picos de tensão reversa. Conclusão F5. Conexão com uma saída digital. F6. Arranjo de saídas para aumento de capacidade de corrente. 30 As placa Single-Board RIO se destinam ao desenvolvimento de sistemas embedded de controle e aquisição de dados apresentando recursos de processamento real-time e de entrada/saída configuráveis através de chip FPGA que atendem ao mercado industrial. Utilizando-se de componentes de grau industrial, podem ser integradas a sistemas de chão de fábrica e mesmo a ambientes com características mais severas. Junto com o ambiente de desenvolvimento LabVIEW formam uma plataforma versátil e de alto desempenho. MA Roberto Cunha é Engenheiro Elétrico e compõe a equipe de redatores da revista. Mecatrônica Atual :: Novembro/Dezembro 2008 MA39_NI_Single.indd 30 12/11/2008 15:07:24 instrumentação Aquisição de dados em plataformas Multicore Problemas relacionados ao custo computacional de aplicações de aquisição de dados são comumente enfrentados por técnicos e engenheiros, que muitas vezes não possuem outra alternativa senão minimizar algumas funções de seus sistemas em prol de outras. Cabe ao desenvolvedor decidir se o mais importante é adquirir um maior número de pontos ou manter uma interface gráfica com recursos estéticos tridimensionais, ou monitoração de intervenções do usuário, por exemplo. Obviamente, esta decisão deverá ser tomada com considerações à aplicação, e neste quesito podem se destacar os melhores profissionais. O equilíbrio entre desempenho e funcionalidade pode ser o diferencial Hamilton Badin Jr. saiba mais Especial - Aquisição de dados Saber Eletrônica 425 Nyquist Segundo o Teorema de Nyquist, a freqüência de aquisição de um sinal analógico deve ser igual ou maior ao dobro da freqüência do sinal estudado. Wo > = 2W Ignorar este teorema pode ocasionar medições erradas. A figura 1 mostra um sinal senoidal de 5 MHz adquirido a uma taxa de 6 MS/s. A curva pontilhada demonstra a aquisição efetuada, gerando o fenômeno conhecido como “aliasing”, onde o sinal medido possui uma freqüência de apenas 1MHz. Estas considerações nos auxiliam na especificação do hardware correto. Mas e quando nosso código não possui processamento adequado? Novembro/Dezembro 2008 :: Mecatrônica Atual MA39_Aquisicao.indd 31 31 12/11/2008 15:32:45 instrumentação F1. Sinal com “aliasing”. Estudo de caso Imaginemos a seguinte aplicação: uma máquina com a função de montagem de duas peças, encaixadas com interferência mecânica que deverá ser controlada, conforme ilustra a figura 2. Uma interferência muito alta pode ocasionar a má acomodação das peças enquanto que interferências muito baixas não garantirão a segurança da montagem final. Portanto, precisamos controlar algumas variáveis neste processo. Basicamente, duas grandezas são suficientes: posição e carga de inserção. Possuímos ainda a seguinte condição: nosso sistema de aquisição deve monitorar sinais digitais de início e fim de aquisição, transmitidos por um equipamento externo que controla o acionamento mecânico para a montagem das peças. Temos portanto um sistema em malha aberta, onde o controlador apenas executa a montagem e informa ao sistema de aquisição de dados quando iniciar e quando finalizar a coleta dos valores vindos dos transdutores. Analisemos o algoritmo simplificado do sistema de aquisição (figura 3). Note que o sistema apenas coleta os valores para analisá-los posteriormente. Com este procedimento priorizamos a aquisição dos dados, que é o que realmente importa naquele momento, e a análise é executada após os acontecimentos controlados, onde possuímos um tempo muito maior para efetuar cálculos matemáticos, desenhar gráficos e monitorar desvios. Porém uma característica deste modelo ocasiona perda na taxa de aquisição: a monitoração do fim da aquisição (pois se encontra no laço de aquisição). 32 F3. Fluxograma simplificado de aquisição de dados de posição e carga. F2. Peça montada com interferência mecânica. O leitor pode imaginar que esta simples função não geraria perdas tão graves, mas vale lembrar que neste momento, o processamento e o barramento de dados da máquina serão direcionados para esta função, e em aplicações de análises determinísticas, este simples desvio pode ser desastroso. Processamento multicore Com a abrangência da nova tecnologia de processadores multicore (múltiplos núcleos) abrem-se novas possibilidades para aplicações em automação industrial que exijam alta velocidade de processamento. Algumas linguagens de programação já disponibilizam o controle de utilização do processamento com seleção do núcleo em que o código, ou parte dele, será processado. Este é o caso do LabVIEW, da National Instruments, que desde a versão 5 possui suporte “multithreaded”, porém somente a partir da versão 8, teve este controle disponibilizado ao usuário (figura 4). Mecatrônica Atual :: Novembro/Dezembro 2008 F4. Processador multicore. A figura 5 demonstra um código em LabVIEW 8.5, com dois laços rodando em paralelo e em núcleos separados. Este código executa 200 mil iterações em cada núcleo e finaliza a aplicação. O resultado obtido em uma máquina com processador Intel Core 2 Duo T5550, 1,83 GHz, com 2 GB de RAM pode ser visto na figura 6. Alterando o código para que ambos os laços sejam executados somente no núcleo 0, conforme figura 7, podemos verificar que a utilização deste núcleo aumentou, porém de forma superior ao esperado (figura 8). Este fato é resultado da utilização serial do mesmo núcleo por dois códigos. Note instrumentação F7. Código de exemplo em LabVIEW 8.5 utilizando um núcleo do processador (ambos os laços no núcleo 0). F5. Código de exemplo em LabVIEW 8.5 utilizando dois núcleos do processador. F11. Processador Intel de 80 núcleos. Nosso algoritmo ficaria da seguinte forma (figura 9 e figura 10). De fato, esta prática melhora muito aplicações de aquisição de dados. Já podemos vislumbrar em um futuro não tão distante, aplicações em CPU´s com um número maior de núcleos e possibilidades de aplicações muito mais complexas e eficientes (figura 11). F6. Histórico de uso dos núcleos. F9. Código no núcleo 0. Conclusão F8. Histórico de uso do núcleo 0. que o núcleo 1 permanece em atividade (gerenciamento do sistema operacional) e portanto o núcleo 0 é integralmente utilizado pela aplicação, mas mesmo assim, com resultado aquém do teste em paralelo. F10. Código no núcleo 1. Retomando nosso estudo de caso, podemos imaginar que utilizando um núcleo para aquisição dos valores de posição e carga e outro núcleo para verificação do fim da aquisição, eliminamos o consumo de processamento anteriormente citado. As tecnologias de multi-processamento continuam evoluindo. Problemas complexos são resolvidos cada vez mais rápidos com métodos computacionais cada vez mais avançados. Pouco a pouco vamos integrando estas novidades em nossas atividades rotineiras melhorando nossos projetos e criando novos paradigmas a serem quebrados. Logo poderemos criar aplicações em processadores com muito mais núcleos e certamente a automação tende a tomar novos rumos. MA Hamilton Badin Jr. é tecnólogo em mecatrônica e projetista em automação industrial. Novembro/Dezembro 2008 :: Mecatrônica Atual 33 case Trem esmerilhador é implantado em área industrial da Companhia Vale Acompanhe o desafio logístico para corrigir imperfeições e modernizar máquinas saiba mais A tecnologia sobre trilhos que move São Paulo Mecatrônica Atual 27 GE Fanuc www.gefanuc.com 34 MA39_Trem.indd 34 N o segundo semestre de 2006, a GE Fanuc Intelligent Platforms, uma unidade da GE Enterprise Solutions, junto com a empresa Automation Integração de Sistemas Ltda implantou o projeto Trem Esmerilhador na ferrovia Estrada de Ferro Carajás (EFC), administrada pela gerência de manutenção industrial e máquinas de vias (Garug) da Companhia Vale. A EFC liga a Mina de Carajás no sul do Pará ao Porto de São Luís no Maranhão. Mecatrônica Atual :: Novembro/Dezembro 2008 13/11/2008 11:32:59 case F1. GE Fanuc junto com a Automation Integração implantaram o projeto Trem esmerilhador na ferovia Estrada de ferro Carajás. O projeto consistiu em corrigir imperfeições superficiais da ferrovia com máquinas de esmerilhamento. Além da modernização das três máquinas, o objetivo principal foi permitir que a partir de uma máquina se controlasse as outras duas. Antes, cada máquina trabalhava individualmente. Um bom serviço de esmerilhamento, utilizando uma única máquina, demandava que o mesmo trecho fosse percorrido três vezes. Com isso, a máquina tinha que, após esmerilhar o trecho uma vez, retornar duas vezes para novos esmerilhamentos, o que demandava muito tempo. O trabalho com as máquinas em conjunto dispensou a necessidade de retornos, otimizando a produção. Um desafio logístico precisou ser vencido durante sua implementação, por tratar-se de um equipamento móvel que trabalha prestando manutenção a uma linha férrea com extensão aproximada de 890 km e com tempos limitados de parada para manutenção. Foi necessário substituir todo o sistema de supervisão e controle da máquina Pandrol para deixá-lo compatível com as máquinas Speno, que já utilizavam equipamentos da GE Fanuc. Para a nova configuração, foi utilizado um PLC da família 90-30, IHMs do modelo QuickPanel, um computador para o supervisório Proficy CIMPLICITY HMI, telefones fixos, rádios do modelo Aeronet e telefones WiFi, ambos da Cisco, dentre outros equipamentos. Os cartões de IO foram interligados por uma rede Profibus DP. O sistema de rádios permite a comunicação de dados necessária para controlar, a partir de uma máquina, as outras duas, e a comunicação entre funcionários através de voz sobre IP. Para a comunicação entre os três PLCs, foi utilizada a ferramenta Ethernet Global Data e para a programação dos PLCs e IHMs foi utilizado o Proficy CIMPLICITY Machine Edition. O supervisório Proficy Cimplicity HMI de cada máquina comunica-se diretamente com cada PLC. Caso alguma das máquinas seja retirada, o operador deverá informar a nova configuração na tela de montagem da composição e o sistema automaticamente desabilita a comunicação com a máquina ausente. A montagem da composição pelo operador no sistema de controle é também necessária para que os motores de rebolo de toda a composição subam e desçam no mesmo ponto do trilho, garantindo-se assim que cada trecho seja esmerilhado uniformemente por todos os rebolos. Os resultados obtidos foram plenamente satisfatórios. Com o melhor desempenho da máquina, a meta de confiabilidade, que era de 31 km entre falhas superficiais na ferrovia, foi superada significativamente obtendo-se o resultado de 53 km entre imperfeições em 2007. O controle de uma máquina sobre as outras duas permitiu reduzir a mão de obra operacional e disponibilizar mais para controle de qualidade e manutenção e o tempo necessário de esmerilhamento diminuiu substancialmente em função das máquinas trabalharem integradas. Com isso, a meta estabelecida passou de 2850 km/ano em 2006 (2961 realizado) para 4132 km/ano em 2007 (3126 realizado). Em 2007 a meta não foi atingida devido ao intenso tráfego na via. É importante ressaltar que isso reduziu a disponibilidade para trabalho. Outras mudanças positivas foram que o tempo de manutenção corretiva foi otimizado, a comunicação de voz melhorou significativamente e como o sistema permitiu o armazenamento de receitas de esmerilhamento em banco de dados agora os operadores não precisam digitar valores de ângulos para cada um dos 96 rebolos, basta descarregar as receitas. MA Novembro/Dezembro 2008 :: Mecatrônica Atual MA39_Trem.indd 35 35 12/11/2008 16:05:44 e manutenção Manutenção preditiva: análise de vibrações Casos, aplicações de diagnóstico, dicas e cuidados no monitoramento e montagem de rolamentos de super precisão Edson Jaime Michalak o saiba mais Como definir custos na Manutenção Preditiva Mecatrônica Atual 34 Técnicas alternativas de Manutenção Preditiva Mecatrônica Atual 34 Economize dinheiro na manutenção Mecatrônica Atual 34 36 objetivo da manutenção consiste em disponibilizar os meios produtivos e auxiliares, na quantidade necessária e em condições operacionais adequadas, para executar as missões que lhe são atribuídas, isso se referindo ao processo. Para entender com maior facilidade a manutenção preditiva devemos saber sobre os tipos de manutenção existentes. Elas são: corretiva, preventiva e preditiva, ainda podem-se aplicar a manutenção sensitiva durante uma inspeção de máquina usando os sentidos humanos para avaliar ou somar alguma informação importante sobre o equipamento, auxiliando assim no diagnóstico. A manutenção corretiva, como o próprio nome sugere está baseada em “apagar incêndios”, correção de falhas. Esta é uma modalidade de manutenção pouco indicada nos dias atuais, porém ainda consideravelmente usada. A manutenção preventiva caracteriza-se por intervenções em intervalos de tempo regulares, onde são substituídas peças, realizadas limpezas em componentes, lubrificação, etc. Tudo dentro de um pla- nejamento mínimo, porém sem qualquer noção do estado de desgaste do componente de máquina a ser substituindo muitas vezes peças que teriam uma vida útil de muitas horas ainda onerando o trabalho realizado. Estas intervenções preventivas são realizadas sem uma avaliação real dos componentes de máquinas, não havendo controle ou mensuração de desgaste dos componentes trocados. Já a manutenção preditiva baseia-se na aquisição de sinais do equipamento que possam permitir uma análise de sua condição. Pode-se ter qualquer valor de desgaste emitido de alguma forma pela máquina, como um valor mensurável para avaliar sua condição. Vibração, temperatura, ruído, analise de óleo e partículas, ultra-som, etc. É valioso notar que o sucesso desse programa não depende necessariamente de grandes investimentos iniciais em equipamentos sofisticados de análise. Muitos esquemas de sucesso começam com medidores e analisadores de vibração analógicos de baixo custo, de funcionamento simplificado, capazes de atender a um elevado número de equipamentos, dos mais diversos tipos. Mecatrônica Atual :: Novembro/Dezembro 2008 MA39_Manutencao.indd 36 14/11/2008 11:31:47 manutenção F1. Moldureira - Máquina de usinagem de madeira. É necessário apenas que os equipamentos de coleta de dados sejam confiáveis e robustos, capazes de suportar os rigores do trabalho diário, em ambientes agressivos. Uma manutenção centrada em um planejamento preventivo e preditivo representa uma diminuição de custos em uma empresa. Por meio das técnicas de controle de condição é possível aplicar em paralelo com manutenção preventiva. Estas aplicações de manutenção oferecem uma redução de 20 a 40% nos custos de manutenção. Em algumas situações não há condição de se empregar somente a preditiva, mas ela pode em muitos casos servir de parâmetro e indicador para que a preventiva seja bem sucedida. O último século assistiu a uma grande evolução na sofisticação das máquinas utilizadas no processo. Sofisticação induzida pelo aumento da produtividade industrial. Isto levou os equipamentos a uma evolução de sistemas puramente mecânicos para sistemas eletromecânicos, de precisão com controladores gerenciados via software. Hoje em dia as máquinas constituem dispositivos eletromecânicos controlados por computadores, desenhados para uma alta carga de trabalho a níveis que a anos atrás não seriam concebíveis. Hoje a manutenção moderna tem que estar a níveis de sofisticação e evolução equiparados a dos equipamentos de processo. A manutenção passa a ser fundamental na confiabilidade e qualidade de processo industrial moderno. Uma empresa para permanecer competitiva requer a máxima disponibilidade dos equipamentos de seu parque fabril. Essa diferença entre as manutenções pode estar indiretamente ou muitas vezes diretamente ligada ao preço do F2. Exibição do diagrama. produto final, por conseqüência ganhando novos clientes e fazendo a manutenção dos seus clientes. A manutenção preditiva é uma filosofia de manutenção avançada que prioriza os sistemas fabris em termos da sua capacidade, obriga ao equilíbrio entre os planos de manutenção assegurando disponibilidade, minimizando custos. Todos com o mínimo de vivência na área de manutenção já se depararam com a seguinte situação: um determinado equipamento, vital para o processo, de repente apresenta uma pane! O maquinário para com suas funções abruptamente devido ao travamento de seus componentes rotativos, isto porque há uma fadiga natural e até mesmo outras causas que podem originar o travamento dos elementos rotativos de forma inesperada. Estas situações podem ser evitadas em praticamente 100% das vezes com um bom plano de manutenção preditivo e preventivo, afinal em 98 % dos casos o componente em estado de degradação nos emite antecipadamente alguns sinais de sua condição de falha, basta sabermos como entender tais sinais. É importante ressaltar que a interpretação destes sinais é função da manutenção preditiva. Eles nos dizem onde esta o problema e o que está ocorrendo em nosso maquinário. Nos tempos atuais não há dúvidas sobre a caracterização de uma manutenção ideal. Deve-se ter uma equipe de planejamento focada no controle de condição de maquinário, utilizando planos preventivos, estatísticos e preditivos. Tendo um controle quase total dos equipamentos sempre focando aumento da disponibilidade de máquina para o processo. Aplicação: Nível das vibrações como indicador da saúde da máquina Um equipamento de usinagem de molduras consiste em conjuntos de cabeçotes superiores, inferiores e laterais acionados por motores elétricos, com transmissão de força e de rotação feita através de polias. A função de uma moldureira (máquina de usinagem de madeira) é plainar e moldar a madeira em todos os 4 lados da peças por toda sua extensão. Uma ferramenta é fixa no eixo por pressão de graxa, ficando hidrocentrada no eixo. A qualidade final da superfície de madeira usinada é determinada pela velocidade de alimentação e pelas facas do equipamento. O número de facas no ferramental influência no acabamento final da superfície usinada. Veja a figura 1. Velocidade de avanço: A seleção da velocidade de avanço está determinada pela qualidade da superfície solicitada (longitudinal do passo da faca fz eff) e depende do RPM da máquina e do número de dentes. A relação pode ser vista na figura 2. Relação entre qualidade da superfície e o passo longitudinal da faca: Diagrama para determinar a velocidade de avanço vf dependendo do RPM n e da longitude do passo da faca fz eff para vários números de dentes Z (figura 3). Exemplo: n = 8000 min-1, fz eff = 3 mm, Z 4: vf = 24 m min-1 Uma falha nos mancais de rolamento nesta fase do processo pode significar uma Novembro/Dezembro 2008 :: Mecatrônica Atual 37 manutenção F3. Diagrama para determinar a velocidade de avanço vf. F4. Vibração em consequência da deterioração grande dor de cabeça, para manutenção e principalmente para o processo. O produto necessita de precisão de milésimos no acabamento final da moldura. Em uma destas situações ocorreram estes batimentos que podem ter sido ocasionados por falha de ajuste de máquina, sub-dimensionamento do ferramental ou falha mecânica no maquinário. O operador refez todo o processo de ajuste e preparação da máquina por duas vezes, mas não conseguiu eliminar o tal batimento. Além dos danos gerados no produto, a programação da produção fica em xeque, atrasando e sobrecarregando o sistema industrial. Após inúmeras tentativas de correção, foi acionada a manutenção preditiva, que fez o monitoramento do conjunto, avaliando a vibração gerada pelos componentes rotativos da máquina. Tendo reconhecido que o aumento do nível de vibração normalmente indica o desenvolvimento de uma falha, o técnico 38 precisa localizar a falha em um elemento particular da máquina. Medidas de vibração de nível global fornece poucas informações que ajude a identificar as falhas. Entretanto, somente com o espectro de freqüência será possível obter o diagnóstico preciso da falha em desenvolvimento. Isso implica no estudo inicial das especificações e desenhos de engenharia para cada máquina. É necessário fazer um plano esquemático e registrar nele as características geométricas e dinâmicas do equipamento, tais como: o número de pólos do motor, as velocidades de rotação, número de dentes das engrenagens, os dados das bolas/rolos dos mancais de rolamentos, etc. Por meio de cálculos simples, estes dados são convertidos nas freqüências características que compõem o espectro de freqüência esperado no caso de desenvolvimento de falhas. Esses dados são fundamentais para um diagnóstico de vibrações confiáveis por parte da manutenção preditiva. Foram levantadas informações como: rotações, rolamentos, Mecatrônica Atual :: Novembro/Dezembro 2008 potência e sistema de transmissão. Essas são informações mínimas e necessárias para um diagnóstico preciso. Imaginemos um escamamento na pista do rolamento deste cabeçote, com rotação superior a 6 mil rotações por minuto, isso geraria uma vibração que acabaria sendo absorvida pela ferramenta causando danos a peça processada (figura 4). Após ter a ciência de algumas informações importantes sobre o equipamento a ser monitorado, tem-se a importante função de fazer um setup de monitoramento (figura 5), que possibilite a visualização das vibrações em freqüências que realmente são indispensáveis para o diagnóstico. Esse setup é feito embasado nas informações técnicas obtidas e quase sempre as encontramos em manuais do fabricante do equipamento. Cadastram-se as freqüências de falha dos rolamentos levantados, de pista interna (BPFI), pista externa (BPFO), elementos rolantes (BSF) e gaiola (FTF). Conhecemos após isso as freqüências de falha de rolamento que são moduladas pela freqüência de rotação do eixo ao qual os rolamentos estão montados. Portanto nada adianta ter a freqüência de falha de rolamento se não sabemos a velocidade de rotação do eixo. Essas freqüências de falha de rolamento são conhecidas em softwares ou por formulas. As freqüências de defeitos gerados por rolamentos não são harmônicas da rotação do eixo sobre o qual estão acondicionadas, as freqüências de defeitos de rolamentos são harmônicas entre si e modulados pela freqüência fundamental do eixo. Os pontos medições são fundamentais para observação de uma provável falha nos rolamentos (figura 6). Entende-se que quanto mais próximo do rolamento e mais rígido o local de fixação do acelerômetro melhor e mais confiável é o sinal adquirido. O plano de medição é fator que pode ser crucial na análise, pois há determinadas falhas que geram sinais mais específicos em planos de medições únicas, pode-se citar como exemplo: folgas mecânicas nos mancais, estes sinais seriam múltiplos ou submúltiplos da rotação do eixo que tem uma notoriedade maior nos planos verticais de leitura. Um possível desbalanceamento, por sua vez, seria melhor visualizado no plano horizontal. Portanto é relevante o cuidado nos planos de coleta de dados. manutenção Ajusta-se agora o setup de coleta de dados, verificando quais filtros passa alto ou passa baixo utilizar, a resolução e quais freqüências queremos observar (tabela 1). Para analisar este caso de uma provável falha nos rolamentos do cabeçote foi utilizado filtros passa alto de 500 Hz - 10 KHz em alta freqüência com envelope de aceleração (figura 7). O filtro passa alto é um filtro que começa em uma faixa de freqüência de corte mais baixa e estende-se até uma freqüência mais alta ou teoricamente infinita. A resolução é número de linha definida no espectro dividida pela freqüência: R = n° linhas / Freqüência Final Quanto maior a resolução mais demorada será a coleta de dados, porém terá a facilidade de uma análise confiável aplicando zoom, em caso de se observar freqüências únicas, como a distinção de múltiplos da rotação ou pico em duas vezes a freqüência de rede. Uma resolução boa pode evitar um erro de aliasing. Para evitar o “aliasing” os sinais são filtrados em faixas de freqüência de acordo com o tipo de análise a ser feita (deslocamento, velocidade ou aceleração(tabela 1). F5. Visualização das vibrações em freqüências. F6. Pontos de medições. T1. Parâmetros de análise. Novembro/Dezembro 2008 :: Mecatrônica Atual 39 manutenção Monitoramento do Motor O motor foi monitorado e não foram detectadas as vibrações severas em nenhuma freqüência. Os envelopes com filtros em alta freqüência não indicaram nenhuma falha nos rolamentos dos mancais. Não havia múltiplos da rotação do motor em baixa freqüência e em alta freqüência, caracterizando as boas condições dos mancais referindo-se a folgas entre eixo e tampa do motor, o pico na freqüência fundamental do motor (59,94 Hz) indicando a sua rotação real também estava em níveis bons. Um pico elevado em 1x a rotação do motor poderia indicar um problema de desequilíbrio. As freqüências de roçamento entre rotor e estator do motor também não apresentava sinais de alguma anormalidade decorrente. As leituras anteriores do motor formam um excelente histórico da saúde do motor também não indicava alterações. Os gráficos das vibrações induziam a uma condição saudável desta parte do equipamento, o motor (figura 8). Monitoramento do Cabeçote de Usinagem As medições no cabeçote de usinagem do equipamento apresentavam um nível irregular, os gráficos de histórico das vibrações também estava alterado. Os espectros de velocidade e os envelopes de aceleração indicavam falhas em componentes que geram sinais em altas freqüências. As leituras verticais apresentam sinais da existência de harmônicos da rotação do eixo (102,4 Hz) que estaria caracterizando folgas no mancal do lado oposto da polia. Picos múltiplos da rotação do eixo caracterizavam folgas mecânicas nos mancais do lado onde era fixada a ferramenta. Nas leituras horizontais do ponto 4H lado oposto a polia verificou-se a presença mais predominante de um pico na componente em 1x a rotação com 5,6 mm/s (figura 9). F7. Diagrama do sistema de coleta e filtros. F8. Gráfico de vibrações. 40 Mecatrônica Atual :: Novembro/Dezembro 2008 Portanto as leituras neste mancal apresentavam na vertical, picos harmônicos da rotação até o 5° múltiplo. Harmônicos estes notados nas leituras de velocidade e no envelope de aceleração. Na horizontal ainda era possível perceber a presença de harmônico da rotação, porém com menor intensidade devido a defasagem de 90° na leitura. Na horizontal era a componente em 1x que tinha maior notação na horizontal com 5,6 mm/s na horizontal enquanto na vertical essa freqüência tinha amplitude de 3,1 mm/s e múltiplos com amplitudes elevadas e predominantes no espectro. Medição Mancal 3 lado da polia No mancal do lado da polia foi verificado uma elevada vibração em 1x a rotação na medição horizontal. A freqüência de 102,4 Hz exibia um elevado pico com amplitude de 12,5 mm/s, característico de um desbalanceamento. É importante ressaltar que o desbalanceamento ocorre quando temos o centro gravitacional da peça girando fora do seu centro de geométrico, isto faz com que o acelerômetro registre um pulso predominante na freqüência de rotação do eixo, defasado em 180° nas medições radiais. Não ocorreram sinais que induzissem folgas neste mancal. Predominava vibração em 1x a rotação na radial em velocidade. No envelope de aceleração, onde se obtém as vibração em alta freqüência que podem indicar uma falha de rolamento, estavam com amplitudes elevadas e picos que coincidiam com a freqüência de falha de pista externa do rolamento 7010. manutenção É importante não se confundir os harmônicos da rotação do eixo com as freqüências de falha de rolamento. A freqüência portadora é a rotação do eixo, esta modula quase todas as demais freqüências analisadas, algumas destas são múltiplos desta freqüência outras não, como as freqüências de falha de rolamento, por exemplo. Essas freqüências dependem da rotação do eixo, mas não são harmônicas desta freqüência, são múltiplos entre si e nunca harmônicos da rotação. Diagnóstico dado pela preditiva para resolução do caso foi: • Folgas nos mancais do lado oposto da polia; • Excentricidade da polia; • Rolamento do lado da oposto a polia em estado de deterioração. Após a intervenção mecânica no maquinário pode se analisar as causas que geravam aqueles sinais vibratórios de alta intensidade e que estavam causando um retrabalho do processo devido ao elevado índice de refugo gerado. A excentricidade e ou desbalanceamento estavam sendo gerados por folgas na fixação da polia ao eixo. A polia folgada trabalhava no conjunto tencionada pelas correias evitando o batimento da polia no eixo, porém, as folgas faziam com que a polia girasse de forma excêntrica no eixo, gerando uma vibração típica de desbalanceamento. Folgas de 0,9mm dimensionais entre eixo e alojamento da polia faziam com que a vibração da freqüência fundamental medida no mancal do lado da polia fosse de 9,95 mm/s. No mancal do lado da ferramenta foi notada após medições dimensionais uma folga no colo do eixo. O conjunto duplex montado nesta posição do cabeçote com rolamentos 7011 CTYSULP4 apresentava sinais de oxidação por contato na face externa do seu anel interno. O lubrificante devido ao atrito gerado pela folga existente e carga do maquinário estava em princípio de deterioração e perdendo suas propriedades físico-químicas. As condições dos rolamentos eram ruins, estes teriam seu estado de degradação acelerado pelos fatores a que estavam expostos como folgas, lubrificante sem as propriedades protetoras contra atrito e conseqüentemente teria uma elevação da temperatura. F9. Medição Mancal 4 lado oposto a polia. F10. Registro de 22 g’s de amplitude, o que aumentou em 11 vezes o último valor registrado. O conjunto duplex do lado da polia estava com escamamento na pista externa. Esse duplex é montado com um par de rolamentos 7010 CTYSULP4, disposto em “O” back-to-back. Os rolamentos são os componentes mais importantes em muitos grupos de máquinas. Neste da moldureira não é diferente, pois a falha no componente rotativo tem sérios e drásticos efeitos na máquina e no processo. A discrepância entre o custo preditivo e corretivo pode chegar a ser cinco vezes maior no caso de uma falha abrupta. Neste conjunto os valores globais das vibrações em altas freqüências detectados nos envelopes de aceleração estavam elevados. O envelope de aceleração com detector de envoltória usando filtros passa alto de 500Hz a 10 kHz mostravam picos que coincidiam com falhas na pista externa do rolamento “BPFO” e gaiola “FTF”. O gráfico das vibrações em aceleração (figura 10) registrou 22 g’s de amplitude, aumentando 11 vezes o último valor registrado. Devido ao escamamento e a folgas existentes na mancalização do cabeçote. Após a correção da falha a vibração verificada teve uma melhora diminuindo os valores globais em alta e média freqüência. Os espectros não possuíam mais picos com amplitudes elevadas que indicassem alguma anormalidade. Novembro/Dezembro 2008 :: Mecatrônica Atual 41 manutenção Cuidados necessários e atenção para montagem de rolamentos de super precisão da moldureira T2. Comparativo rolamento standard x superprecisão. T3. Precisão de giro P2 / Precisão dimensional P4. Os rolamentos de super precisão exigem cuidados mais do que redobrados para o sucesso da manutenção de um cabeçote de moldureira. Um rolamento de super precisão deverá prover grande velocidade de rotação com pequeno aquecimento, excelente rigidez e precisão funcional. As tolerâncias dimensionais dos rolamentos de superprecisão são mais estreitas do que para os rolamentos standard, com isso a precisão funcional (de giro) é superior (tabela 2). Exemplo: Rolamento: 7210 Dimensional: 50 x 90 x 20 mm Quando estamos realizando a manutenção de um cabeçote devemos ter total controle sobre uma série de variáveis: dimensional de eixo e alojamento, pré-carga, ângulo de contato, rotação real, material da gaiola, a disposição (costa a costa, face a face, etc) e classe de precisão. A classe de precisão é extremamente importante para a qualidade de usinagem. Quanto menor o número maior a precisão de giro e dimensional. No caso das moldureiras é mais do que suficiente a adoção da classe de precisão P5 para os rolamentos dos cabeçotes (tabela 3). Tipos de montagem F11. Nomenclatura anel externo rolamentos de super precisão. 42 Mecatrônica Atual :: Novembro/Dezembro 2008 Ao realizar a substituição dos rolamentos deve-se prestar atenção na disposição dos rolamentos: costa a costa e face a face. A montagem incorreta poderá implicar em vibração do cabeçote pelo não fechamento do pacote dos rolamentos (pré-carga) e conseqüentemente perda da qualidade de usinagem. Outra conseqüência pode ser a ausência da compensação da dilatação axial do eixo o que provoca cargas axiais excessivas, aquecimento, problemas de usinagem e baixa vida útil do rolamento (figura 11). Na montagem costa a costa o objetivo é maior rigidez. Na face a face: “flexibilidade” e na tandem maior capacidade de carga axial. Outro item importante a ser observado é o ângulo de contato. Quanto maior o ângulo de contato menor o nível de rotação que pode ser atingido e maior a capacidade de carga axial (figura 12). manutenção Pré-carga A pré-carga corresponde à uma carga axial aplicada de maneira permanente nos rolamentos e é obtida pelo aperto das faces dos rolamentos de uma associação ou por sistemas com mola. Através da aplicação da pré-carga os seguintes pontos são obtidos: • Evita deslizamento esferas/pistas; • Melhora o rolamento entre esferas/pistas; • Aumenta a rigidez da fuso,portanto a precisão de usinagem da máquina; • Reduz o ruído, as vibrações, o desgaste. Comercialmente os fabricantes disponibilizam três ou mais classes de pré-carga: extraleve, leve, média e pesada. É fundamental a seleção correta no processo de aquisição dos rolamentos, pois a influência é direta na rotação máxima permitida do conjunto e na rigidez. Quanto maior a classe de précarga é maior a rigidez e menor a rotação. No caso da rotação ainda há a influência da disposição dos rolamentos. Para os rolamentos de super precisão os ajustes recomendados tanto para eixo e alojamento seguem especificações muito mais rigorosas. Tabelas com os objetivos de interferência ou de folga devem ser seguidas e os valores medidos sempre devem ter precisão milesimal. Exemplo: Rolamento 7012CTYSULP4 No caso de carga rotativa no anel interno (main spindle bearing) a interferência será: Mínima: 0 Máximo: 0,003 T Diâmetro eixo de 50 a 80 mm Ou seja no máximo 3 m de aperto. Para poder atingir este objetivo na embalagem do rolamento vem impresso o resultado da medição do diâmetro interno. 7012 CTYSULP4 D-2 d-3 C - 100 Neste caso o rolamento foi fabricado com diâmetro interno de 59,997 mm (60 - (31000)), ou seja, o eixo deverá ter de 59,997 a 60,000 mm para podermos obter o ajuste recomendado pelo fabricante. F12. Quanto maior o ângulo, menor o nível de rotação. F13. Cuidados com as medidas das tampas e espaçadores. Caso não sejam obedecidas as especificações para ajustes de eixo e alojamento as conseqüências são diretas. Com interferência excessiva não ocorre a obtenção de pré-carga da maneira correta e desta forma a rigidez necessária ao cabeçote. Neste caso, há aquecimento dos rolamentos, folga e baixa vida útil dos rolamentos. No caso de interferência deficiente (folga) normalmente há pré-carga excessiva e mesmo deslizamento o que provoca aquecimento, deterioração da graxa e também baixa vida útil dos rolamentos. obtidos com o emprego de técnicas como análise de vibrações é facilmente verificado e justificado com o aumento do tempo de máquina para processo. Ideal nos tempos de hoje seria que as empresas tivessem uma sistemática interna de monitoramento dinâmico, mas o mínimo que se faz necessário é aquisição de serviços de terceiros especializados. Levando-se em conta que quanto mais medições, maior será a confiabilidade do sistema, imagine que uma terceirização de uma análise preditiva possa ser onerosa se forem feitas leituras em intervalos de tempo menor ou menos eficaz se julgarmos que para uma diminuição de custo teríamos que fazer trimestral ou semestralmente o monitoramento. Somente planejando é possível atingir os objetivos e elevar a manutenção como parte estratégica dos negócios da organização. A integração entre o planejamento e a execução da manutenção é o fator crítico de sucesso de qualquer atividade de manutenção na planta. Já o segundo trabalho de inspeção convencional assumiu um papel de destaque à medida que aprimoramos habilidades na equipe que posteriormente será fonte de informação para o planejamento, pois com o levantamento das anomalias geram um histórico mais apurado da manutenção e conseqüentemente obtém os reflexos positivos com a aplicação das novas técnicas. MA Cuidados adicionais Verificar a posição dos rolamentos e o fechamento da tampa para assegurar um bom bloqueio (figura 13). A largura dos anéis é o item de maior variação. Para cada manutenção deve-se medir a largura do pacote formado pelos rolamentos e espaçadores e na nova montagem caso necessário compensar nas tampas ou nos espaçadores. Exemplo: Medidas (tampa e espaçadores - cuidados) Largura original: 250,012 mm Larg. c/ rolamentos novos: 250,002 mm Neste caso podemos compensar na tampa (tampa nova) ou nos espaçadores (novos com largura 0,010mm maior). O custo de uma manutenção focada no planejamento e monitoramento de condição de máquina pode de início parecer oneroso e pouco viável, mas os resultados Edson Jaime Michalak trabalha no departamento técnico da Preditec - Engenharia da manutenção. Novembro/Dezembro 2008 :: Mecatrônica Atual 43 conectividade Alimentação solar para telefonia rural A partir da análise de um sistema de telefonia rural, onde não há abastecimento de energia elétrica pela concessionária local, percebeu-se que a energia solar fotovoltaica consiste na melhor forma de obtenção de energia. Assim, a migração do sistema analógico para o digital proporciona um sistema de melhor qualidade, durabilidade e economicamente viável A saiba mais Fraidenraich, N. e Lyra, F.J., Energia Solar e Tecnologias de Conservação Heliotermoelétrica e Fotovoltaica. Editora Universitária da UFPE, 1995 (ISBN 85-7315-024-6). Tiba, C., Fraidenraich, N. e Barbosa, E.M., Instalação de Sistemas Fotovoltaicos para Residências Rurais. Editora UNIU da UFPE, 1999 (ISBN 85-7315-119-8). Marco Antônio Galdino e Jorge H. G. Lima Prodeem – Programa Nacional de Eletricidade Rural, baseado em energia solar fotovoltaica. Coletânea de arquivos – Energia Solar e Eólica – Volume 1. Cepel. P.Ferreira. Sobrinho. Energia Solar Fotovoltaica – Guia Prático s aplicações fotovoltaicas baseiam-se na propriedade eletroquímica de alguns materiais que transformam a luz em eletricidade. A sua utilização mais importante é no fornecimento de energia para lugares isolados e além disso, o processo de transformação é limpo e silencioso, não utilizando peças móveis e com custo operacional praticamente nulo. A conversão da luz em eletricidade é realizada por células fotovoltaicas que são pequenas lâminas delgadas recobertas por uma camada de décimos de milímetro de um material semicondutor, como o silício. Quando as células são expostas a uma fonte de luz, no caso o sol, os fótons (partículas de luz) excitam os elétrons do semicondutor. Com a energia absorvida, os elétrons passam para a banda de condução do átomo e geram corrente elétrica, nesse caso, as células geradoras de energia são depois agrupadas para formar os painéis solares ou placas fotovoltaicas. A energia solar fotovoltaica tem apresentado um impulso notável nos últimos anos, devido principalmente à pesquisa de novos materiais na fabricação dessas células e também por ser uma solução eficaz para a falta de eletrificação convencional, energia nuclear ou energias derivadas de extração mineral (óleo diesel e carvão). Apesar da energia fotovoltaica ainda ser mais cara do que a proveniente de fontes Carlos Reis de Freitas tradicionais, ela pode ser utilizada em sistemas de fornecimento elétrico alternativo ou de emergência, evitando os apagões elétricos. Além disso, a vasta aplicação da energia solar permite que seus circuitos possam ser completados por outros sistemas, por exemplo: energia eólica. Sistema de Telefonia Rural Com a utilização do sistema de telefonia rural é possível fornecer serviços de voz, fax e internet, sem a necessidade de quilômetros de fios e postes, reduzindo significativamente os custos de instalação. Porém, o bom funcionamento e a segurança da operação de uma estação fixa dependem, além de um projeto bem elaborado e cuidadoso, da qualidade dos equipamentos utilizados. Assim, o baixo custo do sistema e a alta confiabilidade agregam valor à infra-estrutura da propriedade. Desde 1995 está em funcionamento um sistema analógico de comunicação telefônica numa propriedade rural, localizada na Serra do Mar, no município de Pindamonhangaba, Vale do Paraíba, interior de São Paulo. Houve a necessidade de um estudo para encontrar a melhor alternativa de geração de energia elétrica necessária para suprir o funcionamento dos equipamentos, uma vez que se torna complicado o fornecimento de energia elétrica pela concessionária local, http://tinyurl.com/solar-vitruvius http://tinyurl.com/energiasolar 44 Mecatrônica Atual :: Novembro/Dezembro 2008 MA39_Telefonia rural.indd 44 12/11/2008 16:47:34 conectividade devido não apenas à distância mas também pelo difícil acesso pela mata fechada. Assim, a solução mais econômica e viável foi a instalação de um painel solar. Como a luz solar que chega aos módulos produz eletricidade em corrente contínua (DC), a tensão do painel solar é de 12 volts, o mesmo padrão utilizado nas baterias dos carros. O sistema funciona armazenando a energia DC de alimentação nessas baterias, que acumulam energia quando não existe consumo. Esse painel solar supriu a necessidade de fornecimento de energia elétrica ao equipamento RURALCEL (Serviço de Telefonia Rural da Telefônica), disponível apenas para o Estado de São Paulo e restrito às áreas não atendidas pelas redes de telefonia fixa convencionais, tipicamente áreas rurais ou regiões distantes dos centros urbanos. Normalmente a bateria e o painel solar trabalham em conjunto para alimentar a carga, sendo a função da bateria, em um sistema fotovoltaico, acumular a energia que se produz durante as horas de luminosidade a fim de poder ser utilizada à noite ou durante períodos prolongados de mau tempo. Outra função, é prover uma intensidade de corrente superior àquela que o dispositivo fotovoltaico pode entregar. de descargas atmosféricas vindas pela rede elétrica CA (corrente alternada). Para estabilizar a alimentação na entrada da bateria foi instalado um equipamento chamado controlador para painel solar (figura 1). Esse controlador mantém o sistema em condições ideais de funcionamento, assegurando longa vida útil e ainda um fornecimento seguro, sem oscilações para o equipamento de transmissão e recepção. Existem diversos tipos de controladores de carga, porém a concepção mais simples é aquela que envolve uma só etapa de controle. O controlador monitora constantemente a tensão da bateria de acumuladores, e quando a referida tensão alcança um valor para o qual a bateria está carregada, o controlador interrompe o processo de carga. Isto pode ser conseguido abrindo o circuito entre o módulo fotovoltaico (controle tipo série) e a bateria, ou curto-circuitando o mesmo (controle shunt). Quando o consumo faz com que a bateria comece a descarregar-se e, portanto, a baixar sua tensão, o controlador reconecta o gerador à bateria e recomeça o ciclo. Este sistema é conhecido pelas siglas CMT (Corte por Mínima Tensão) ou LVD (Low Voltage Disconnection). Migração digital do sistema de telefonia rural Caso sejam necessárias tensões maiores do que 12 volts, podem ser combinados módulos solares em pares para produção de 24 volts, ou grupos de quatro para 48 volts. Com isso, tem-se a possibilidade de inserir no sistema elétrico, proveniente da energia solar, outro equipamento digital: o inversor. O sistema analógico instalado funcionou de maneira satisfatória durante dez anos, necessitando apenas da troca de quatro baterias de armazenamento de energia e, poucas vezes, de limpeza do painel solar e do abrigo onde foram feitas as instalações. Vale ressaltar que, na época da instalação, os equipamentos possuíam circuitos analógicos, não apresentando na sua entrada de alimentação tolerância de variações ou oscilações na tensão entregue pelo painel solar. A migração para um sistema digital permite lidar com tensões e correntes analógicas, assegurando a tensão de 12 volts estável para alimentação do equipamento de telefonia, melhorando o funcionamento e a segurança da operação da estação de telefonia rural, mantendo o baixo custo operacional e a alta confiabilidade. Além disso, como a alimentação da bateria é proveniente do painel solar, não existe a possibilidade Aplicações do sistema As principais aplicações dos painéis solares são: 1. Eletrificação (residências, escolas, comércio, fazendas, indústrias, estações e postos avançados de vigilância e de radiodifusão); 2. Telecomunicações (telefonia rural, torres e retransmissores, estações terrestres, radiotelefonia e radiocomunicação); 3. Sinalização aérea e náutica (faróis náuticos, sinalização em torre de transmissão e energia elétrica e de radiodifusão, sinalização em portos e aeroportos); 4. Sinalização rodo-ferroviária (painéis de mensagens, sinais luminosos, e na iluminação de placas de sinalização e propaganda); 5. Sistema de aquisição de dados meteorológicos e climatológicos; equipes de televigilância (depósitos e silos, tráfego rodoviário, em rios e matas); 6. Alimentação autônoma de centrais de alarme e sistemas de segurança. O inversor converte a alimentação CC armazenada nas baterias para CA de 110 volts ou 220 volts (figura 2), sendo essas as mesmas que a rede pública fornece para luzes, tomadas e dispositivos. Os cabos curtos, pesados com fusível de potência ou um disjuntor de circuito levam a energia das baterias para o inversor. Depois da conversão para CA, o inversor ligado ao disjuntor coloca energia da instalação solar diretamente no circuito elétrico em vez das linhas de serviço públicas. Já os inversores domésticos vêm com potências na ordem dos 50 a 5500 watts. F1.Sistema Estabilizado de Alimentação da Bateria. F2. Sistema de Alimentação de Corrente Contínua ou Alternada. Novembro/Dezembro 2008 :: Mecatrônica Atual MA39_Telefonia rural.indd 45 45 12/11/2008 16:47:42 conectividade F3. Sistema Digital de Abastecimento Energético da Propriedade Rural. O sistema digital proporciona variedade na produção da energia elétrica gerada pelo sistema solar fotovoltaico, aumentando a capacidade de abastecimento energético da propriedade, adicionando controle ao sistema e também fornecendo um sistema totalmente digital (figura 3). 46 Conclusão A migração do sistema de telefonia rural analógico para o digital é economicamente viável, levando em conta que a concessionária local não atende a propriedade devido a sua localização geográfica. Assim, além do processo apresentar baixo custo de instalação e manutenção, possui alta confiabilidade. Isso porque quando introduzido ao processo, o controlador estabelece os níveis aceitáveis de corrente e tensão, sem flutuações e oscilações, e matém a carga na bateria sempre constante, com fornecimento contínuo de energia mesmo com a pouca incidência ou ausência da luz solar. Com esse controle no processo prolonga-se ainda mais a vida útil dos equipamentos do sistema, ou seja, do painel solar, da bateria e do equipamento de telefonia. O sistema de alimentação solar poderá ser implementado com outros equipamentos digitais que ofereçam praticidade aos usuários e que mantenham a alta qualidade do projeto já instalado. Portanto, o sistema implementado apresenta baixo custo de instalação e funciona por muito tempo sem a necessidade de qualquer manutenção além da preventiva, que continua sendo simples e barata. Este artigo apresenta aspectos fundamentais para o contínuo desenvolvimento de projetos desse tipo e que obtiveram resultados satisfatórios como os apresentados. MA Mecatrônica Atual :: Novembro/Dezembro 2008 MA39_Telefonia rural.indd 46 12/11/2008 16:47:52 chão de fábrica Faça as perguntas certas! E m meados da década de 90, quando a onda dos ERPs – Enterprise Resource Management ou software de gestão corporativa – vivia seu apogeu, poucas pessoas imaginavam que algumas implementações durariam até a década seguinte. Raríssimas empresas questionaram a real necessidade do seu negócio, já que o mantra do mercado apontava na direção dos poderosos e abrangentes sistemas de gestão. A promessa de integração e controle onipresentes seduziu o mundo corporativo. Passados quase 20 anos, uma lição foi aprendida: antes de adquirir um sistema, faça a pergunta certa. A discussão dos fabricantes, em se tratando da criação de novos produtos, hoje, diz respeito à gestão de seu ciclo de vida e parece que o mundo tenta polarizar o debate entre PLM (Product Lifecycle Management) ou PDM (Product Data Management). Qual dos dois sua empresa deve adotar? A pergunta certa a ser feita é: qual o caminho mais eficiente para resolver seus problemas relacionados ao desenvolvimento de produto no curto prazo? Cada organização deve assumir sua verdade particular e aceitar que a maioria das empresas não está preparada para um sistema de PLM por uma razão simples: muitas indústrias ainda usam sistemas baseados em papel para controlar as modificações de produtos em sua engenharia. Isso significa lentidão no lançamento de produtos, cópias de desenhos desatualizadas, circulação lenta de documentos, excesso de papel, alto índice de retrabalho, dificuldade de se obter informações dos produtos, entre outros problemas. A realidade de uma empresa que ainda atua nestes moldes é que existe um longo caminho a ser percorrido e não adianta tomar atalhos. O PLM pode ser comparado a um ERP, acompanha toda a vida do produto, diz respeito à “enterprise sharing of released documents” e seu tempo de implementação pode ser de meses ou anos. PDM é um subsistema do PLM, gerencia com eficiência dados de design do produto em 3D, diz respeito a desenvolvimento de produtos em andamento e sua implementação não dura mais de cinco dias, em geral. Oscar Siqueira Oscar Siqueira é country-manager da SolidWorks Brasil. “ A pergunta certa a ser feita é: qual o caminho mais eficiente para resolver seus problemas relacionados ao desenvolvimento de produto no curto prazo? Novembro/Dezembro 2008 :: Mecatrônica Atual MA39_Chao_Fabrica.indd 47 ” 47 11/11/2008 17:42:50 chão de fábrica Um dado espantoso: segundo a CIMData, principal empresa de pesquisa e abordagem PLM, 61% das indústrias manufatureiras acreditam que uma implementação de PLM é igual ou mais complexa que uma implementação de ERP. Essa é uma informação que deve ser considerada seriamente. A nova afirmação que proponho – e aí vale a pena debater – é a de que qualquer empresa que tenha adotado um sistema de CAD 3D precisa de uma solução de PDM agora. É fácil defender essa tese. A tecnologia tridimensional gera mais dados do que a 2D e contém associações, referências e inter-relacionamentos com outros arquivos, como peças, desenhos, várias configurações ou conjuntos que precisam ser gerenciados e preservados. Tudo isso cria uma necessidade latente de gerenciamento do maior volume e complexidade de dados. O PDM é um item obrigatório para todos os fabricantes que utilizam uma ferramenta de desenho de projeto tridimensional ou CAD 3D. Talvez você esteja se perguntando: por que não ir direto para o grande guarda-chuva do PLM? Como resposta, pergunto: Você está gerenciando os dados de design de produtos com eficiência? A empresa é grande o bastante para se beneficiar do PLM? Os benefícios em potencial do PLM são maiores que os custos? Você não se sentiria mais confortável usando ferramentas PDM para gerenciar dados de design de produtos em 3D com eficácia, antes de adotar uma solução de PLM em larga escala? 48 Caso tenha um sistema de CAD 3D, e ainda restem dúvidas sobre a necessidade de uma solução de gerenciamento de dados, pergunte-se: • Os engenheiros precisam parar de escrever por cima de arquivos de outros engenheiros? • A empresa carece de um método melhor para controlar a revisão de documentos? • É preciso facilitar o acesso das áreas de Compras e Manufatura às informações da engenharia? • Os engenheiros gostariam de ter a possibilidade de encontrar, ver e comparar antigas revisões de documentos originais? • Os projetistas precisam encontrar, com mais facilidade, peças, os desenhos e os conjuntos? • A área de engenharia precisa encontrar, mais facilmente, os conjuntos onde as peças modificadas são usadas? • A empresa necessita automatizar e controlar o processo de Engineering Change Order (ECN)? Um sistema de PDM, além de resolver essas demandas, é capaz de administrar todos os outros dados de projeto relacionados e, ao mesmo tempo, oferecer suporte à colaboração no mundo inteiro em todas as áreas da empresa. Os desenvolvedores de produtos podem gerenciar, com segurança, os dados de projeto, além de controlar o acesso de forma eficaz e praticamente eliminar a possibilidade de erros e retrabalho ou perda de dados relacionados ao PDM. Um sistema PDM de ponta facilita a reutilização de projetos ao permitir que os fabricantes classifiquem, organizem e agrupem informações de projeto para pesquisa rápida e recuperação. Ele realiza automaticamente um registro completo de auditoria, preciso e detalhado de todos os produtos, montagens e componentes desenvolvidos pela empresa. O sistema também ajuda os fabricantes regidos por regulamentos especiais, como os requisitos da ISO (International Standards Organization) e da FDA (US Food and Drug Administration), a garantir a conformidade com maior eficiência. Os benefícios da boa gestão dos dados de projeto são inegáveis para acelerar o desenvolvimento e lançamento de produtos. É possível que ainda existam aqueles que acreditam que podem continuar gerenciando sua área de produto como se ainda vivesse na época dos “cofres de desenhos”, administrados e operados por um gerente ou administrador de documentação. Pode até conseguir, mas estará longe das melhores práticas da produção e de alcançar o timeto-market ideal. A conclusão é que o abrangente sistema PLM continuará a ter seu maior impulso nas grandes indústrias, como automotiva e aeroespacial, verticais que geralmente são as mais avançadas tecnologicamente. Por outro lado, adquirir uma solução PDM para gerenciar os dados de design de produtos é, no mínimo, um investimento pragmático e a decisão mais acertada para a maioria das MA empresas manufatureiras. Mecatrônica Atual :: Novembro/Dezembro 2008 MA39_Chao_Fabrica.indd 48 11/11/2008 17:43:04 instrumentação Novembro/Dezembro 2008 :: Mecatrônica Atual MA39_Leitor.indd 15 15 11/11/2008 15:22:32 instrumentação 14 MA39_Leitor.indd 14 Mecatrônica Atual :: Novembro/Dezembro 2008 11/11/2008 15:23:34