Anais do 12O Encontro de Iniciação Científica e Pós-Graduação do ITA – XII ENCITA / 2006
Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos, SP, Brasil, Outubro, 16 a 19, 2006
ANÁLISE E DESENVOLVIMENTO DE APLICATIVOS DE
MONITORAMENTO REMOTO EM SISTEMAS DE MANUFATURA
Carlos Eduardo Oliveira da Silva
Instituto Tecnológico de Aeronáutica / Divisão de Engenharia Mecânica-Aeronáutica
Praça Marechal Eduardo Gomes 50, Vila das Acácias – CEP:12228-900 – São José dos Campos - SP - Brasil
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Tiago Pinto de Souza
Instituto Tecnológico de Aeronáutica / Divisão de Engenharia Mecânica-Aeronáutica
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Emil Yoshigae Nakao
Instituto Tecnológico de Aeronáutica / Divisão de Engenharia Mecânica-Aeronáutica
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Emília Villani
Instituto Tecnológico de Aeronáutica / Divisão de Engenharia Mecânica-Aeronáutica
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O propósito deste trabalho é analisar aplicativos comerciais prontos e customisados de monitoramento remoto que são utilizados
em sistemas de manufatura compostos de máquinas-ferramenta, contendo as principais característica de aplicação dos memso e
suas adequabilidades às necessidades das empresas brasileiras do ramo.
Palavras chave: monitoramento remoto, sistema de manufatura,controle da produção, câmera de vídeo
1. Introdução
A globalização das últimas décadas impulsionou a distribuição geográfica de empresas, indústrias, equipes de
trabalho, entre outros. Um resultado desta globalização é a crescente necessidade de aplicações que se beneficiam do
acesso a diversos equipamentos localizados em lugares geograficamente distintos. Indústrias antes centralizadas em
uma única planta, hoje se encontram espalhadas por diversas cidades, países e continentes. Como resultado, existe uma
necessidade sempre crescente de troca de informações referente a atividades interdependentes. Exemplos são
informações relativas ao desenvolvimento de projetos em conjunto, informações referentes a peças em produção, entre
outras.
No contexto de sistemas de manufatura, esta necessidade de compartilhamento de informações conduz ao
desenvolvimento de infra-estruturas robustas e de baixo custo, capazes de servir a este propósito (SALKINTZIS,
PLEVRIDIS, KOUKOURLIS, CHAMZAS 1997). A melhor forma de atingir este objetivo é o aprimoramento da
inteligência dos sistemas, os quais vêm evoluindo em direção a um ambiente mais ágil que possa gerar respostas rápidas
em ambientes distribuídos (HAO, SHEN, WANG 2005).
Já com um ambiente inteligente instalado, pode-se controlar o sistema de forma a configurá-lo conforme as
estratégias planejadas, por exemplo, um chão de fábrica de máquinas caracterizado por grande variedade de produtos de
tamanhos pequenos, requer um controle dinâmico e monitoramento em tempo real, capaz de tal modo a ser responsável
e adaptado para rápidas mudanças de capacidade de produção e funcionalidade. Isto é especialmente verdade quando
um novo sistema de manufatura semelhante aos sistemas de manufatura reconfiguráveis e distribuídos são combinados
com o conceito de e-manufatura, isto é, manufatura com acesso remoto. Num futuro próximo, multi-processadores
embutidos inaugurarão os controladores de controle numérico computadorizado (CNC) e sensores espertos “plug-andplay” serão poderosos e inteligentes o suficiente para isentar o tempo de numerosos manejos, e prontos para servir
novos dados durante a operação da máquina. Todavia, a idéia de uma infra-estrutura altamente eficiente que pode
integrar as peças de equipamento automatizado ao mesmo tempo ligá-los diretamente à e-manufatura, está ainda em
desenvolvimento.
No caso específico de máquinas CNC, uma nova capacitação de tecnologia é urgentemente requerida para trazer
ferramentas on-line de máquina CNC tradicional à capacidade combinada de controle e monitoramento. Sem isso, uma
automação fabril avançada pode fortemente tornar-se prática de uma próxima geração de ambientes de chão de fábrica
de manufatura distribuída (WANG, ORBAN, CUNNINGHAM, LANG 2004). Em sistemas de manufatura menores,
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onde flui uma menor produção, o custo de transformação de um sistema de manufatura tradicional em e-manufatura
pode é um fator limitante, sendo necessário o desenvolvimento de soluções de baixo custo (KIMURA, KANDA 2005).
De uma forma geral, a importância do desenvolvimento de sistemas de monitoramento e controle remoto, via
Internet, vêm sendo indicada por diversos trabalhos não apenas no ambiente acadêmico mas também através de
soluções industriais. No contexto deste trabalho, pretende-se aplicar este conceito ao laboratório CCM (Centro de
Competência de Manufatura) do ITA, através do projeto e implementação de um sistema de monitoramento remoto de
suas máquinas de usinagem. Dado o cunho acadêmico e educacional da instituição, entre as possíveis aplicações,
destaca-se o e-learning, ou educação a distância, tema que vêm recebendo destacada atenção.
Enquanto resta uma base de dados de informação para conectar o mundo junto à assistência de interface WWW
amigável de usuários, a Internet está sendo transformada dentro da marca do novo modelo educacional para todos os
setores de negócios. Esta tendência está igualmente conduzindo às mudanças no caminho de vida do homem moderno
(YEN, LI 2003). Os usuários de programas na Web podem comunicar-se com outros e trocar conteúdos de dados e
processos típicos de tecnologia pela Internet ou rede Intranet incorporada. O usuário de Internet/Intranet pode obter uma
nova possibilidade de aproveitamento de rede junto à atividade dentro do sistema de manufatura (ADAMCZYK,
JONCZYK, KOCIOLEK 2003). Ou até mesmo, executar experimentos de diversos tipos e colocá-los em rede para
observação, acompanhamento ou manipulação (YEUNG, HUANG 2003).
As aplicações de programas de monitoramento remoto são justificadas em diversas áreas, como por exemplo, em
máquinas-ferramenta CNC que utiliza uma alta tecnologia em sua concepção no que diz respeito à eletrônica
embarcada, porém, poucos usuários utilizam recursos computacionais de monitoramento remoto disponível da máquina.
Em geral, os fabricantes de máquina-ferramenta fecham os dados de interesse ao monitoramento remoto dentro de seus
controladores, liberando-os após a aquisição de programas proprietários que executem tal procedimento. Alguns
fabricantes iniciaram a fabricação de comandos lógicos computadorizado (CNC) com a chamada “arquitetura aberta”,
que abre uma gama de utilizações desse tipo de equipamento.
Este trabalho explora duas linhas distintas para incorporação do conceito de monitoramento remoto ao Laboratório
CCM. A primeira delas diz respeito ao desenvolvimento de programas customizados para determinadas aplicações.
Estes programas estão sendo desenvolvidos pelos autores de acordo com as necessidades do CCM e são genericamente
chamados neste artigo de programas de fabricação própria. Suas características e principais vantagens e desvantagens
são descritas na Seção 2. A segunda linha é a análise de programas comerciais desenvolvidos por empresas do ramo de
automação. Nesta linha a Seção 3 apresenta uma análise do pacote de aplicativos MCIS, produzido pela Siemens para
monitoramento e compartilhamento de informações em ambientes de manufatura. Finalmente, a Seção 4 apresenta
algumas conclusões e trabalhos futuros.
2. Programas customizados
São programas desenvolvidos pelo usuário, ou em geral, por pessoas com qualificação na área de programação que
não seja do domínio do fabricante da máquina. Podem ser desenvolvidos em diversas linguagens de programação,
sejam elas visuais ou não, onde no caso de monitoramento remoto, podem-se criar bancos de dados, interfaces de
usuário, trocas de dados, saída para web, envio de mensagens SMS para celulares, direcionamento de e-mail, telas de
estados etc.
O baixo custo desenvolvimento é o maior atrativo, visto que apenas necessita-se de um software de programação
para a execução do trabalho. A necessidade de pessoal treinado na área de programação, que normalmente sai da área
de atuação da empresa, onde se pretende utilizar máquina-ferramenta. Por exemplo, uma empresa que é especialista em
usinagem em máquinas CNC, normalmente tem em seu quadro de funcionários técnicos e engenheiros mecânicos em
seu chão de fábrica, e pessoal administrativo nas demais dependências. O pessoal de informática desta empresa, em
geral, efetua trabalhos de instalação e operação de software de uso comum, não conhecendo profundamente o software
utilizado para criação dos programas das máquinas, não dos programas de usinagem, mas sim dos programas que
executam as tarefas de processamento. Isso se dá ao fato de apenas o fabricante deter esse conhecimento, que em
muitos casos, uma alta qualidade nesse aspecto gera uma diferenciação de mercado, daí o motivo de tanto segredo em
muitos casos.
Outro ponto importante é como obter as informações necessárias da máquina na qual será aplicado o
monitoramento, como por exemplo, os dados internos do controlador de posicionamento de um motor, as variáveis que
podem ser transferidas para sistemas externos, protocolos de comunicação, dados das interfaces de usuário etc.
Dentro desta categoria dois tipos de soluções foram adotados para implementação no CCM. O primeiro consiste no
desenvolvimento de um software em linguagem Borland C++ que captura dados do centro de usinagem através de um
computador equipado com uma placa proprietária da Siemens, módulo SIMATIC NET CP 5611, com interface
PROFIBUS, que realiza a interface entre o computador e o CLP da máquina-ferramenta. A disponibilização dos dados a
outros aplicativos é realizada através do protocolo DDE (Dynamic Data Exchange). Esse protocolo foi desenvolvido
para o Windows 3.11 e permite que aplicativos num mesmo computador possam comunicar entre si, enviando e
recebendo dados. Estes dados são então armazenados em um banco de dados e enviados via internet em tempo real para
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outros usuários. Para acesso aos dados, os usuários remotos devem possuir instalado em seu computador, o software
desenvolvido em Borland C++. Observa-se que esta solução encontra-se ainda em desenvolvimento.
O segundo tipo de solução implementado foi a disponibilização de informações sobre processos de usinagem em
webpages. Neste caso o acesso é irrestrito e não é necessária a instalação de aplicativos adicionais para este propósito.
Neste sentido, foi desenvolvido um sistema que utiliza uma câmera web e um microfone para capturar imagem e som
durante o processo de usinagem numa máquina-ferramenta CNC, para o qual foi desenvolvida uma página web
utilizando os aplicativos “Dreamweaver MX 2004” e “Flash MX 2004” para a aplicação do método via internet. O
princípio de funcionamento consiste em capturar imagens da câmera e microfone localizados em um computador local,
transferir essas informações para um servidor de “Flash”, e em seguida transferir essas novas informações para um
servidor de web, tornando assim acessíveis as informações de imagem e som retiradas da máquina-ferramenta CNC ao
mundo inteiro, conforme ilustrado na Fig. 1:
Figura 1 – Tráfego de informações do sistema de aquisição de vídeo
Através da criação de aplicativos que capturam vídeos é possível transmitir ensaios de interesse de várias pessoas,
testes de ferramentas de corte, pedidos de fabricação, testes de máquinas em geral, a todas as pessoas ao mesmo tempo,
reduzindo assim o custo dessas aplicações.
A
página
criada
na
web
pode
ser
acessada
pelo
endereço
[www.ita.br/ccm/Monitoramento_Remoto/monitoramento_remoto.htm] e é exibida na Fig. 2, onde pode-se notar uma
real aplicação sendo feita no momento de uma usinagem da máquina-ferramenta CNC presente no laboratório CCM
(Centro de Competência em Manufatura) do ITA.
3. Programas comerciais prontos
São programas desenvolvidos pelo próprio fabricante da máquina, sendo vendidos separadamente. Podem ser
desenvolvidos em diversas linguagens de programação, sejam elas visuais ou não, obedecendo ao padrão utilizado pelo
fabricante. Em geral se apresentam em módulos, não é necessário conhecimento de ferramentas de programação de
software e demanda baixo tempo de implementação.
O alto custo e dificuldade de integração com sistemas de outros fabricantes são as maiores dificuldades
apresentadas por esse sistema.
Aprender e dominar todos os recursos disponibilizados por um novo software pode ser, às vezes, é uma tarefa não
muito fácil, pois não se tem idéia de todos os recursos disponíveis, ou ainda não sabe o caminho percorrido para se
atingir um determinado objetivo, ainda mais se essas informações não estiverem devidamente documentadas e
claramente explicadas pelo fabricante.
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Figura 2 – Página da internet criada para captura de vídeos
Na implementação realizada no CCM, foi utilizado o pacote de programas da Siemens chamado MCIS (Motion
Control Information System), que foi desenvolvido para aplicações em máquinas-ferramenta com o comando
Sinumerik 840D ou 840Di, e utiliza a rede Ethernet para a troca de dados entre os sistemas, podendo ser
interconectadas várias máquinas ou aplicações independentes, o rack utilizado é mostrado na Fig. 3 e as possíveis
ligações da rede Ethernet na Fig. 4. É importante salientar que o MCIS é um pacote recentemente introduzido no Brasil,
ainda não instalado em empresas brasileiras. Sua instalação no CCM está sendo realizada em caráter experimental, de
forma que este trabalho propicie uma analise de suas funcionalidades e adequabilidade às necessidades do mercado
nacional.
Figura 3 – Comando Siemens Sinumerik 840D
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Figura 4 – Rede Ethernet utilizada pelo sistema
Seus pacotes são divididos em:
• DNC – Direct Numeric Control – Gerenciador de programas de usinagem.
• MDA – Machine Data Acquisition – Monitora dados de máquina, como estados de máquina, defeitos etc, e
também os dados de produção, como número de peças, tempo de ciclo etc.
• TPM – Total Productive Maintenance – Gerencia a manutenção preventiva da máquina
• TDI – Tool Data Information – Gerencia os dados de ferramentas.
Dentro do pacote MCIS, foram analisados no CCM os aplicativos DNC, MDA e TPM. Os programas foram
instalados e aplicados em simulação de situações reais. A Fig. 5 apresenta a interface do aplicativo DNC, que se
demonstrou um gerenciador de arquivos de usinagem de fácil utilização, com interface semelhante ao padrão Windows,
onde é possível visualizar na tela mostrada, uma separação por áreas, máquinas e pastas, mantendo uma grande
organização dos arquivos gerenciados, além de oferecer várias funções como carga e descarga de arquivos de qualquer
máquina, inclusive de outros fabricantes, comparação de arquivos, salvamento automático etc. Estas funções podem ser
executadas localmente ou remotamente, permitindo por exemplo o compartilhamento de informações relativas a
programas de usinagem entre diversas unidades geograficamente dispersas de uma mesma corporação.
Figura 5 – Aplicativo DNC da Siemens
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Outro programa da Siemens analisado é o MDA, que foi utilizado para monitorar os estados das máquinas, onde
cada cor apresentada na máquina representa uma situação diferente, conforme mostrado na Fig. 6, onde ao lado de cada
máquina é mostrado informações atualizadas sobre a máquina, como o número de peças produzidas.
Figura 6 – MDA monitorando os estados das máquinas
Ainda no MDA, apresentam-se a seguir os gráficos de mostram a evolução da produção distribuída por máquinas
ou grupos de máquinas ao longo de um determinado período, que ser por dia, semana ou mês e os tempos de ciclos de
operações de cada máquina. Nesses gráficos da produção, existe ainda a divisão em peças boas, refugos e retrabalhos,
conforme a Fig. 7.
Figura 7 – MDA monitorando a produção das máquinas
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Finalmente, o aplicativo TPM, depois de criada uma lista de agendamento de tarefas de manutenção a serem
executadas na máquina, pode-se acompanhar a contagem regressiva dos disparos dessas tarefas, bem como as tarefas
que ainda não foram feitas. Pode apresentar ainda um livro de registro de todos os serviços realizados e por quem foram
realizados os mesmos. A sua tela principal é mostrada na Fig. 8.
Figura 8 – Tela principal do TPM com o agendamento das tarefas
Entre as deficiências detectadas na análise dos aplicativos destaca-se a dificuldade de instalação e configuração. A
instalação desses programas da Siemens é bastante crítica, pois necessita de um grande conhecimento do sistema
“Windows”, bem como um completo conhecimento de todos os módulos que compõem os programas. Os dados
contidos nos manuais de instalação e operação desses programas são, muitas vezes superficiais, onde não contém todas
as informações necessárias de cada passo, ou não compreende a real situação do sistema.
Os seus diferentes módulos de composição não são claramente definidos nos manuais, pois cada aplicação exige
uma configuração diferente. Podendo assim, ocorrer uma instalação de algum módulo incorreto, o que implicaria numa
desinstalação do mesmo, o que não é permitido em alguns, pois tanto o aplicativo como o “Windows” não contemplam
por completa e esse processo de desinstalação, o que acarreta uma não possibilidade de instalação posterior, pois
armazenam informações indesejadas na memória após esse processo.
Por se tratar de programas de permitem configurações conforme a necessidade do comprador, alguns se apresentam
tão configuráveis que dificultam o trabalho da pessoa que implementa o sistema, pois acabam exigindo um
conhecimento muito grande de máquinas-ferramenta, aplicações, controladores lógicos programáveis (CLP) e comando
numérico computadorizado (CNC).
4. Conclusão
No geral, a página criada da internet atende perfeitamente às necessidades de uso de um monitoramento visual de
processos de usinagem ou alguma outra experimentação, pois apresenta um baixo custo e rápida implementação. Os
programas do pacote MCIS da Siemens também se apresentam muitos fiéis ao fim que se destinam, alguns são muito
configuráveis, conforme mencionado anteriormente, o que necessita de um corpo técnico preparado para a total
instalação dos pacotes. Os custos desses programas da Siemens não são pequenos, o que inviabiliza a sua aplicação em
determinados casos.
Com os aplicativos demonstrados sendo utilizados nas indústrias, seriam reduzidos muitos percursos percorridos
por operários dentro da empresas, diminuiriam os desperdícios e aumentariam o domínio em cima da produção.
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5. Agradecimentos
Especiais agradecimentos a Siemens pela disponibilização dos aplicativos MCIS, a AIM (Associação de
Inteligência em Manufatura) e aos órgãos governamentais CAPES, CNPq, FAPESP e FAPEAM pelos auxílios
financeiros.
6. Referências
Adamczyk Z., Jonczyk D., Kociolek K.: A new approach to a CAD/CAM system as a part of distributed environment:
Intranet database. Publicado em: Journal of Materials Processing Technology 133 (2003) 7-12.
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“Paper” publicado em: Science@Direct, Computers in Industry 56 (2005) 71-84.
Kimura Toshiaki, Kanda Yuichi: Development of a remote monitoring system for a manufacturing support system for
small and medium-sized enterprises. “Paper” publicado em: Science@Direct, Computer in Industry 56 (2005) 3-12.
Salkintzis A.K., Plevridis J.E., Koukourlis C.S., Chamzas C.: Design and implementation of a low-cost wireless
network for remote control end monitoring applications. “Paper” publicado em: Microprocessors and Microsystems
21 (1997) 79-88.
Siemens em: http://www.siemens.com
Wang Lihui, Orban Peter, Cunningham Andrew, Lang Sherman: Remote real-time CNC machining for web-based
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Yen Chiaming, Li Wu-Jeng: Web-based learning and instruction support system for pneumatics. “Paper” publicado em:
Computers & Education 41 (2003) 107-120.
Yeung Kin, Huang Jie: Development of a remote-acces laboratory: a dc motor control experiment. “Paper” puplicado
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Scince@Direct,
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Industry 52
(2003)
3005-311.
Acessível
pelo
sitio:
http://www.acae.cuhk.edu.hk/~accl/ibc/.