XXII Encontro Nacional de Engenharia de Produção
Curitiba – PR, 23 a 25 de outubro de 2002
METODOLOGIA PARA GERENCIAMENTO DAS INTERFACES
SUPERVISÓRIO – CLP – ROBÔS – SENSORES EM UM
MODELO DE PLANTA CIM
Rafael Perrone Bezerra de Menezes
Departamento de Engenharia Elétrica, Escola Politécnica, Universidade Federal da Bahia, Rua Aristides
Novis, 2, Federação, Salvador BA, cep: 40.210-630
Herman Augusto Lepikson
Departamento de Engenharia Mecânica, Escola Politécnica, Universidade Federal da Bahia, Rua Aristides
Novis, 2, Federação, Salvador BA, cep: 40.210-630
Milton Bastos de Souza
Departamento de Engenharia Elétrica, Escola Politécnica, Universidade Federal da Bahia, Rua Aristides
Novis, 2, Federação, Salvador BA, cep: 40.210-630
Accessing the newest automation technologies is usually very difficult due to its high cost
and complexity. Therefore, its study and research is often limited to very specific
approaches and scope. The CIMATEC – Integrated Center of Technology and
Manufacturing – gives the rare opportunity to researchers to develop their projects
directly on modern integrated shop floor automation systems, by using a didactic CIM
plant. This Plant is managed by PLCs, SCADA software running under MRP systems,
which schedules very different stations like storage, transport and handling (conveyors,
robots, AGV), machining (turning, milling, welding), assembling, inspection and a batch
process, all this operating under MRP or JIT programming. This paper proposes a
methodology for the physical and logical interfaces management learning, based on a
tutorial approach. The inputs and outputs of each system are discussed, including the
protocols and communication between different systems. The result is a high detailed but
easy understandable set of documents with great academic value. It is also important as a
reference for the operation and maintenance, as long as it makes troubleshooting or
upgrading easier.
Keywords: integrated manufacturing systems, interfaces, education.
1. Introdução
Diante da grande complexidade e do alto custo de introdução de novas tecnologias, a
capacidade de acompanhar e aprender sobre os novos métodos, equipamentos, softwares e
recursos de integração fica restrita à literatura e aos meios periféricos de informação que se
consegue ter acesso. O ensino e a experimentação com sistemas industriais reais tornam-se
econômica e tecnicamente inviáveis, principalmente quando se trata da introdução de
conceitos novos, ainda não testados, de grande interesse acadêmico, mas que, por isso, a
indústria ainda resiste em introduzir devido aos altos custos e riscos envolvidos.
Em contrapartida, no segundo semestre de 2001, foi inaugurado o CIMATEC – Centro
Integrado de Manufatura e Tecnologia - em Salvador, BA. Nele, foi instalada uma planta
didática CIM (Computer Integrated Manufacturing) totalmente automatizada e integrada
que foi disponibilizada para estudos e pesquisas.
A referida planta CIM, mostrada na figura 1, é composta por diversas células
integradas. São elas: estação de armazenagem, duas estações de fabricação, cada uma delas
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com um torno CNC e um centro de usinagem (a figura 1 mostra uma delas à esquerda e a
figura 2 apresenta uma visão mais detalhada), processos, montagem, controle de qualidade
(as duas últimas estão do lado direito da figura 1, sendo que a de controle de qualidade está
enfatizada na figura 3), soldagem, JIT e um AGV e duas esteiras transportadoras (uma
delas está no centro da figura 1). O controle geral da planta é feito por um CLP Siemens S7
(também no centro da figura 1). Além disso, há dois robôs Mitsubishi RV-4A (um para
montagem e outro para controle de qualidade, vistos nas figuras 1, 2 e 3) e um RV-3AL
(figura 2) para uma das estações de fabricação. Os controladores destes robôs, além de
realizarem as operações de manipulação de peças, garantem a comunicação das demais
máquinas das estações com o CLP central.
Figura 1: Visão geral da Planta CIM a partir da estação de controle.
Figura 2: Estação de usinagem 1
(torno e fresa).
Figura 3. Estação de controle de qualidade
(medição diferencial e por visão)
A figura 4 mostra a outra estação composta por mais um torno e um centro de
usinagem (visto na foto), interligados ao sistema principal por um transportador auxiliar e
mais um robô. Este robô (ABB 2400L) tem a habilidade de trocar automaticamente,
mediante comando do sistema supervisório, as garras por tocha MIG para realização de
trabalhos de soldagem de peças complexas com o auxílio do 7o eixo (também visto na
foto).
Trata-se de um sistema complexo, principalmente se se considera que ele deve estar
apto à produção de um leque amplo de produtos (pelo menos 18 modelos diferentes em
lotes desde tamanho de 1, a partir de 3 tipos de matérias primas disponíveis em estoque,
mais fornecimentos de terceiros). É ainda possível intercalar-se produção automática com
operações manuais. O sistema supervisório (SCADA – System Control And Data
Acquisition – sistema de controle e aquisição de dados) executa as ordens ditadas pelo
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sistema de programação finita da produção concatenando as diversas tarefas a serem
empreendidas por cada uma das estações, de forma seqüencial ou paralela.
Figura 4: Visão da Planta CIM a partir da estação de fabricação 2.
Este trabalho cuida do problema do desdobramento da programação da produção nas
inúmeras tarefas que precisam ser adequadamente concatenadas, para que o processo opere
adequadamente, e devidamente apreendidas, para que os fundamentos da base tecnológica
envolvidos possam ser consolidados visando o contínuo aperfeiçoamento dos processos.
2. O tutorial
O trabalho é apresentado sob a forma de uma metodologia para assimilação e
aprendizado das interfaces eletromecânicas de um sistema integrado e complexo, como é o
caso, concentrando-se nas estações de montagem, controle de qualidade, em uma das
estações de fabricação, no CLP central, no supervisório e nos sensores a atuadores.
É proposto um modelo na forma de tutorial, baseado em documentos em formato
padronizado (pdf) com hyperlinks, incluindo recursos multimídia como vídeos mostrando
o funcionamento da planta e fotos detalhadas das estações, supervisório, cabos e fios e
painel de e/s do CLP, para facilitar a compreensão dos temas abordados, a partir do qual,
pessoas com conhecimentos básicos das diferentes tecnologias abordadas terão
oportunidade de entender e, se necessário, fazer modificações nas configurações das
interfaces destes sistemas. O tutorial é dividido em:
• Descrição dos diferentes sistemas e estações;
• Supervisório
• CLP central;
• Estação de montagem;
• Estação de controle de qualidade;
• Sensores e atuadores.
3. Metodologia
Para o desenvolvimento do tutorial, foi feito um estudo minucioso da comunicação dos
sistemas, listando-se todas as entradas e saídas (E/S) de cada uma das estações, assim
como as suas funções. A figura 5 mostra um pequeno trecho desta relação de E/S
referentes à estação de montagem (ASSY –2100), estação 8 da planta. Primeiramente são
listadas as entradas (do ponto de vista da estação), seus números, funções, a saída que
envia o sinal para esta entrada, o caminho físico percorrido pelo sinal, e o cabo de
comunicação do controlador utilizado por esta entrada (cada controlador possui 2). A lista
de saídas segue esta mesma lógica. Sendo assim, a figura 5 mostra que a entrada 6 indica
uma requisição de trabalho da estação 8 cujo sinal foi enviado pela saída N11 – Q 45.0
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passando pela borneira CIM2 (C4) J2/1 e utilizando o cabo 1 do controlador. Mostra
também que a saída 4 desta mesma estação indica que esta está pronta para pegar uma peça
da esteira, este sinal é enviado para a entrada N04 – I 12.5 do CLP, passando pela borneira
CIM3 J1/1 e também utiliza o cabo 1 do controlador.
ASSY - 2100 (Station 8)
ENTRADA
ENTRADA #
FUNÇÃO
SAÍDA RELACIONADA
6 REQUISIÇÃO DE TRABALHO
N11 - Q 45.0
SAÍDA
SAÍDA #
FUNÇÃO
ENTRADA RELACIONADA
4 PRONTO PARA PEGAR
N04 - I 12.5
OBS.
CIM2 (C4) J2/1
CABO #
1
OBS.
CIM3 J1/1
CABO #
1
Figura 5: Exemplo de relação de entradas e saídas com seus hyperlinks.
Uma visão esquemática das interfaces de comunicação pode ser vista na figura 6. O
controle é inteiramente feito pelo CLP e o sistema supervisório funciona como interface
homem – sistema de chão de fábrica, sendo, portanto, o local de entrada dos dados da
produção, assim como de eventuais alterações que se deseje efetuar. Os sensores enviam
sinais diretamente ao CLP que, por sua vez, comanda os atuadores necessários (como os
bloqueios da esteira, a prensa, o sistema de colagem e os manipuladores
eletropneumáticos), e requisita a operação das estações através dos controladores dos seus
robôs. Estes, ao fim de cada tarefa, enviam o resultado para o CLP para disparo das demais
tarefas subseqüentes e dependentes.
Desta forma, um entendimento geral da comunicação destas células é possível,
considerando-se os seguintes itens:
• a entrada de dados da produção (peças que estão na estação de armazenagem e
peças a serem produzidas) é feita através do supervisório, sendo este o principal
meio de entrada de dados para a planta;
• a comunicação das estações de montagem, controle de qualidade e fabricação é
inteiramente feita através de seus respectivos robôs;
• para determinação do programa a ser executado pelo torno e pelo centro de
usinagem, o CLP informa o robô o que deve ser produzido e este, por sua vez,
indica o número do programa às máquinas;
• o controle de todas as atividades das estações é feito por seus respectivos robôs, por
meio dos programas armazenados nos controladores destes;
A estrutura da comunicação do CLP com as estações de trabalho, os sensores e
atuadores, assim como os diferentes comandos, requisições e informações que constituem
essa comunicação são apresentados abaixo. A tabela 1 mostra os principais dados de
entrada e saída do CLP central.
ENTRADA
SAÍDA
pronto para pegar
controle do bloqueio de vagão
pronto para colocar
requisição de trabalho
parar vagão
pode pegar
retorno da montagem
pode colocar
retorno de pallet vazio da montagem
bits de programa
fim de torneamento
trabalho para torno ou centro de usinagem
fim de fresamento
resultado de inspeção
Tabela 1: Principais dados da comunicação do CLP
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A figura 7, juntamente com a figura 6, explicita a forma como acontece a solicitação de
tarefas pelo CLP para as estações e como estas respondem ao CLP. O fluxo de dados é
mostrado pela grande seta cinza. Cada comando possui uma cor que representa o sentido
da informação, que pode ser visto na figura 6 pela cor das setas. Também é mostrado, na
figura 7, um exemplo de hyperlink. No tutorial, ao se clicar, por exemplo, sobre o comando
“pode colocar”, uma figura contendo as informações desta função é mostrada.
SUPERVISÓRIO
SENSORES
ATUADORES
CLP
ROBÔ
USINAGEM
ROBÔ
ROBÔ
INSPEÇÃO
MONTAGEM
Figura 6 – Visão esquemática das interfaces
requisição de trabalho
pronto para pegar
parar vagão
vagão na estação
bits do número do vagão
controle de bloqueio de vagão
pode pegar
liberar vagão
controle de bloqueio de vagão
pronto para colocar
parar vagão
vagão na estação
bits do número do vagão
controle de bloqueio de vagão
pode colocar
liberar vagão
controle de bloqueio de vagão
ENTRADA #
FUNÇÃO
8 PODE COLOCAR
QC - 2001 (ESTAÇÃO 7)
ENTRADA
SAÍDA RELACIONADA
N11 - Q 44.2
OBS.
CIM2 (C3) J2/3
CABO #
1
Figura 7: Estrutura da comunicação para realização de trabalhos com exemplo de
hyperlink.
É possível utilizar outros métodos para realizar a comunicação entre o CLP
(supervisório) e as estações que não utilizam robôs como mediadores. Pode-se, por
exemplo, inserir manipuladores eletropneumáticos para transferir as peças da esteira para a
estação e vice-versa. Entretanto estes manipuladores não permitem uma grande
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variabilidade de posicionamento de peças além de imporem a necessidade de um número
maior de sensores para informar o correto posicionamento das peças de forma a
sistematizar os ciclos de início e fim do trabalho. Esta alternativa tem ainda o agravante de
consumir mais entradas e saídas do CLP. Também seria possível a utilização de um
manipulador cartesiano, o que permitiria uma capacidade maior de posicionamento de
peças, porém, o problema dos sensores persistiria. Estes métodos têm a vantagem de ter
mais baixos custos. A utilização de robôs, por sua vez, permite uma capacidade de
posicionamento de peças muito maior do que com manipuladores e diminuem a quantidade
de sensores e entradas e saídas do CLP. Em contrapartida, o custo é muito mais elevado.
De qualquer forma, independente da configuração física adotada, a sua modelagem é
facilitada pela abordagem modular e estruturada adotada, principalmente quando se trata
de alterações em sistemas existentes, que requerem cuidados adicionais para não se
introduzir novos problemas devido a inconsistências nas interfaces.
O tutorial contém informações completas sobre os protocolos e os meios físicos de
comunicação de cada um dos sistemas indicados na figura 6, além de dados conceituais das
tecnologias abordadas, tais como sensores, atuadores, CLPs e robôs.
4. Resultados obtidos
Este trabalho tem um grande valor acadêmico devido, principalmente, ao nível de
detalhamento alcançado, atingindo os mais baixos níveis de configuração das interfaces e
também aos recursos multimídia utilizados (fotos e vídeos), permitindo fácil compreensão
por parte dos técnicos ou estudantes que vierem a fazer uso dos sistemas integrados. Testes
foram realizados na própria planta a fim de verificar a eficácia do produto. O tutorial
permite um bom entendimento das interfaces da planta, a forma como a comunicação
acontece e como ocorre o controle desta.
Passa-se, assim, a dispor de um sistema de fácil uso e aprendizado para operação e
configuração de sistemas integrados de manufatura, colocando as bases físicas mais
elementares da tecnologia utilizada pelos sistemas CIM mais acessível ao usuário,
desmistificando alguns dos elementos que têm inibido o uso das tecnologias de integração
da manufatura.
Além do valor acadêmico, o documento também será importante para o laboratório, em
casos onde sejam necessárias alterações na configuração das interfaces, atualizações,
inserção de novas tecnologias ou correção de eventuais problemas que surjam, pois se trata
de uma referência documentada completa sobre a comunicação dos sistemas abordados,
mostrando todas as entradas e saídas, incluindo origem e destino dos sinais e suas funções.
Agradecimentos: ao CNPQ, Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e
Tecnológico, pelo suporte financeiro e pelas bolsas, e ao CIMATEC, Centro
Integrado de Manufatura e Tecnologia, pela disponibilização de laboratórios e auxílio
técnico.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS:
Groover, Mikell P. – Automation, Production Systems, and ComputerIntegrated Manufacturing. Second Edition. Prentice Hall, 871 p., 2000, ISBN:
0130889784
Vajpayee, S. Kant – Principles of Computer-Integrated Manufacturing. Prentice
Hall, 640 p., ISBN: 0024222410
Lepikson, H.A. – Introdução aos Sistemas Integrados da Manufatura. CETIM,
UFBA, Departamento de Engenharia Mecânica, 46 p., 1999.
ABB, Degem Systems, Mitsubishi, Siemens, Takuma: catálogos e manuais
técnicos.
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