SISTEMA DE AQUISIÇÃO DE DADOS DE UM PROCESSO
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UNIVERSIDADE DO PLANALTO CATARINENSE DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS CURSO DE INFORMÁTICA (BACHARELADO) SISTEMA DE AQUISIÇÃO DE DADOS DE UM PROCESSO INDUSTRIAL JORGE LUIS MACHADO LAGES, NOVEMBRO DE 2006. UNIVERSIDADE DO PLANALTO CATARINENSE DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS CURSO DE INFORMÁTICA (BACHARELADO) SISTEMA DE AQUISIÇÃO DE DADOS DE UM PROCESSO INDUSTRIAL Relatório do Trabalho de Conclusão de Curso submetido à Universidade do Planalto Catarinense para obtenção dos créditos de disciplina com nome equivalente no curso de Informática Bacharelado. JORGE LUIS MACHADO Orientador: Prof. Carlos Roberto da Silva Filho, M. Sc. LAGES, NOVEMBRO DE 2006. iii SISTEMA DE AQUISIÇÃO DE DADOS DE UM PROCESSO INDUSTRIAL JORGE LUIS MACHADO ESTE RELATÓRIO, DO TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO, FOI JULGADO ADEQUADO PARA OBTENÇÃO DOS CRÉDITOS DA DISCIPLINA DE TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO DO VIII SEMESTRE, OBRIGATÓRIA PARA OBTENÇÃO DO TÍTULO DE: BACHAREL EM INFORMÁTICA Prof. Carlos Roberto da Silva Filho, M. Sc. Esp. Orientador BANCA EXAMINADORA: Prof. Douglas Nazareno Debiazi Vargas, M.Sc. Prof. Marconi Januário, Esp. Prof. Angelo Augusto Frozza, Esp. Supervisor de TCC Prof. Wilson Castello Branco Neto Coordenador de Curso Lages, 10 de Novembro de 2006. iv Dedico este trabalho primeiramente a Deus, à minha família e a todas as pessoas que contribuíram de forma direta ou indireta para que se tornasse possível à concretização deste. Aos meus colegas que ao longo desta jornada me incentivaram para que nos percalços não desistisse e chegasse ao final, cumprindo meu objetivo. v Agradeço ao Prof. Carlos Roberto da Silva Filho, pela sua eficiente orientação durante o desenvolvimento dos trabalhos. E também aos colegas que me auxiliaram nas duvidas pertinentes ao desenvolvimento do mesmo. vi Deus tem seu altar no seio da criação, e também o tem em cada coração humano. (Raumsol) SUMÁRIO LISTA DE FIGURAS ................................................................................................. IX LISTA DE SIGLAS ................................................................................................... XII RESUMO .................................................................................................................. XIII ABSTRACT ............................................................................................................. XIV 1 INTRODUÇÃO................................................................................................................ 1 1.1 Apresentação ............................................................................................................. 1 1.2 Descrição do problema .............................................................................................. 3 1.3 Justificativa ................................................................................................................ 3 1.4 Objetivo geral ............................................................................................................ 4 1.5 Objetivos específicos ................................................................................................. 4 1.6 Metodologia ............................................................................................................... 5 2 DISPOSITIVOS DO SISTEMA ................................................................................ 7 2.1 Motor elétrico de indução trifásico............................................................................ 7 2.2 Inversor de freqüência ............................................................................................... 9 2.3 Encoder ...................................................................................................................... 9 2.3.1 Sensor incremental angular ............................................................................................ 10 2.3.2 Encoder incremental linear ............................................................................................. 11 2.3.3 Encoder absoluto ............................................................................................................. 12 2.4 Sensores ópticos ...................................................................................................... 14 2.4.1 Sensor óptico por retrorreflexão ..................................................................................... 16 2.4.2 Sensor óptico por transmissão ........................................................................................ 17 2.5 Controladores lógico programáveis (CLPs) ............................................................ 17 2.6 Sistema supervisório ................................................................................................ 20 2.7 Banco de dados ........................................................................................................ 24 2.8 Conclusão ................................................................................................................ 27 3 SISTEMA INTEGRADO DE AQUISIÇÃO DE DADOS ..................................... 28 3.1 Aquisição de dados .................................................................................................. 28 3.2 Integração do programa de controle com o sistema de supervisão. ........................ 32 3.3 Integração do banco de dados com o sistema de supervisão ................................... 35 3.4 Conclusão ................................................................................................................ 40 4 CONSIDERAÇÕES FINAIS ............................................................................................ 41 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ...................................................................... 43 ANEXOS....................................................................................................................... 45 LISTA DE FIGURAS FIGURA 1 - Representação de uma típica estrutura de encoder de contato. (Fonte: Thomazini e Albuquerque, 2005). ................................................... 10 FIGURA 2 - Representação de uma típica estrutura de encoder angular incremental. (Fonte: Thomazini e Albuquerque, 2005). ................................................... 11 FIGURA 3 - Detalhe de um encoder óptico angular absoluto. (Fonte: Thomazini e Albuquerque, 2005). ................................................... 13 FIGURA 4 - Detalhe de um encoder óptico angular absoluto dos tipos binário e Gray. (Fonte: Thomazini e Albuquerque, 2005). ................................................... 13 FIGURA 5 - Encoder absoluto multirrevolução utilizado pela IFM Electronics. (Fonte: Thomazini e Albuquerque, 2005). ................................................... 14 FIGURA 6 - Princípio de funcionamento dos sensores ópticos. (Fonte: Thomazini e Albuquerque, 2005). ................................................... 15 FIGURA 7 - Sensor óptico pó retrorreflexão. (Fonte: Thomazini e Albuquerque, 2005). ................................................... 16 FIGURA 8 - Sensor óptico por transmissão. (Fonte: Thomazini e Albuquerque, 2005). ................................................... 17 FIGURA 9 - Trecho de programas nas quatro linguagens. (Fonte: Silveira, 1998). ................................................................................... 20 FIGURA 10 - Tela de configuração da ferramenta organizer. (Fonte: Elipse, 2005). ...................................................................................... 22 FIGURA 11 - Tela do supervisório desenvolvido com o SCADA. ..................................... 24 FIGURA 12 - Foto da esteira que foi utilizada no trabalho. .............................................. 29 FIGURA 13 - Motor de indução trifásico. ............................................................................ 29 FIGURA 14 - Sensor óptico retrorreflexivo. ........................................................................ 30 FIGURA 15 - Encoder montado no protótipo. .................................................................... 30 FIGURA 16 - Inversor de freqüência utilizado no protótipo. ............................................ 31 FIGURA 17 - CLP do fabricante Moeller. ........................................................................... 31 FIGURA 18 - Exemplo de programação utilizando a linguagem Ladder. ........................ 32 FIGURA 19 - Exemplo da tela de programação, utilizando o editor POU do fabricante Moeller. ............................................................................................................ 33 FIGURA 20 - Tela gráfica do Elipse SCADA. ..................................................................... 33 FIGURA 21 - Tela do projeto da esteira Compilado e pronto para ser enviado ao CLP.35 FIGURA 22 - Tabela criada no access para gravar as informações relativas a esteira. .. 36 FIGURA 23 - Descrição da tag sensor. ................................................................................. 37 FIGURA 24 - Descrição da tag encoder. ............................................................................... 38 FIGURA 25 - Processo desligado. ......................................................................................... 38 FIGURA 26 - Processo ligado posição intermediaria. ......................................................... 39 FIGURA 27 - Peça sobre o sensor gravando dados. ............................................................ 39 FIGURA 28 - Final do processo de gravação. ...................................................................... 40 LISTA DE QUADROS QUADRO 1 - Exemplo de endereçamento do CLP. ............................................................ 32 QUADRO 2 - Script criado na tag sensor para gravar os dados no banco de dados. ...... 36 LISTA DE SIGLAS CA CEP CLP CPU DAO DDE LED ODBC RPM RST SCADA SGDB SQL NA NF PRO PC - Corrente Alternada - Controle Estatístico de Processo - Controlador Lógico Programável - Central Process Unit - Data Access Objects - Dynamic Data Exchange - Ligth Emitting Diode - Open DataBase Connectivity - Rotação por Minuto - Reset Geral do Seqüenciador - Supervisory Control And Data Acquisition - Sistema de Gerenciamento de Banco de Dados - Structured Query Language - Normalmente Aberto - Normalmente Fechado - Profissional - Personal Computer RESUMO Este trabalho pretende trazer uma contribuição para as empresas, com relação à coleta de dados e supervisão de chão de fábrica em tempo real para a manufatura discreta, de modo a possibilitar a integração com as ferramentas de gestão industrial, com o objetivo de superar o processo do apontamento manual e da digitação dos dados. Nesse sentido, o presente texto aponta as tendências da automação, sugerindo uma orientação para as empresas interessadas na definição inicial de aquisição de sistemas de automação e de gestão da produção, indicando como pode ser realizada a integração entre a coleta automática de dados do chão de fábrica e a gestão da produção a partir de CLP e sistemas SCADA. Além disso, apontar-se-ão os benefícios que a gestão poderá obter a partir de dados mais precisos e atualizados, recebidos de um ambiente de coleta automática com a utilização de sistema SCADA, que é o elo inicial de ligação dos sistemas de integração proposto. Palavras chave: Sistema Supervisório, Gestão da Produção, Integração em Tempo Real. ABSTRACT This work intends to bring the contribution goes the companies, with relationship to the collection of it dates and supervision of factory ground in real team it goes the discreet manufacture, in way to facilitate the integration with the tools of industrial administration, with the objective of overcoming the process of manual the notices and of the fingering of the it dates. In that sense, the present text aims the tendencies of the automation, suggesting an orientation goes the companies interested in the initial definition of acquisition of automation systems and of administration of the production, indicating the the integration can be accomplished between the automatic collection of it dates of the factory ground and the administration of the production starting from CLP and systems SCADA. Besides, the benefits will be pointed that the administration can obtain starting from more precise and up-to-date data, receiving of an atmosphere of automatic collection with the system use SCADA, that is the initial link of connection of the proposed integration systems. Keywords: supervisory system, Administration of the Production, Integration Real in Team. 1 INTRODUÇÃO 1.1 Apresentação O uso da automação industrial está crescendo e expandindo para pequenas empresas, pois os custos dos equipamentos estão se tornando cada vez mais acessíveis. Os processos mais empregados na indústria são os sistemas de seleção baseados na qualidade da produção. Neste caso, o produto passa por uma inspeção que determina se o produto atingiu os padrões de qualidade para ser vendido no mercado. Processo é uma ação que evolui de forma progressiva e constitui uma série de ações que são controladas a fim de alcançar um determinado resultado ou atingir uma meta (OGATA, 2000). Em muitas industrias a informação é vital para a tomada de decisão. Dentre os vários tipos de decisão numa linha de produção industrial, existem aquelas relacionadas ao gerenciamento da produção. Neste caso, a responsabilidade da produção fica a cargo de gerentes, supervisores ou engenheiros de produção. Entre as informações necessárias na tomada de decisão sobre a linha de produção esta a quantidade de matéria prima, insumos, equipamentos e ferramentas empregados na linha. Um exemplo deste tipo de sistema foi desenvolvido por FERRAZ JUNIOR (2005), composto de dois sistemas que podem atuar simultaneamente durante o processo de torneamento de uma peça: Um sistema de supervisão e outro de monitoramento. O sistema de supervisão permite o acompanhamento remoto e em tempo real das informações tecnológicas do torno, do processo e da produção. O sistema de monitoramento possibilita o acompanhamento e a compensação automática 2 dos desgastes, tanto na ferramenta como nas peças produzidas. Os sistemas de controle nas indústrias empregam geralmente dispositivos conhecidos como Controladores Lógicos Programáveis (CLP). Tais dispositivos possuem todo o programa de controle e a integração dos dispositivos sensores e atuadores do processo. Toda a informação necessária para o controle de um processo é definida no programa de controle contido na memória do CLP. Como aplicação deste tipo de sistema, pode-se citar o trabalho desenvolvido por CANSADO (2003), no qual propõe o controle climático automatizado de uma estufa de plantas. O sistema funciona com um Controlador Lógico Programável (CLP) ligado a sensores e atuadores dentro do ambiente a ser controlado e um computador pessoal com um sistema supervisório, ligado remotamente através de modems e uma linha telefônica em outro ponto qualquer. Este sistema permite uma monitoração constante do CLP, bem como a sua reprogramação remotamente (CANSADO, 2003). O armazenamento dos dados de produção são normalmente inseridos em banco de dados da produção, passando por sistemas de supervisão e controle. Os sistemas de supervisão são aplicados para acompanhar o desempenho do processo durante sua operação. Como exemplo de aplicação, pode-se citar o sistema de supervisão do controle de nível e temperatura de um reservatório, conforme AGUIAR (2005). Esta aplicação tem por objetivo a construção de um sistema de controle de nível e temperatura de um reservatório, cuja aplicação se destina a processos que requerem fornecimento de líquidos em temperatura constante, mesmo com variação de vazão. Para isso, foi utilizado dois reservatórios, um principal e outro auxiliar, equipados com sensores de nível e temperatura. Além disso, os reservatórios são dotados de aquecedores e bomba, instrumentos que manipulam, respectivamente, a temperatura e o nível do fluído de acordo com a lógica implementada em um Controlador Lógico Programável (CLP). Um banco de dados guarda as informações obtidas automaticamente através dos sensores (AGUIAR, 2005). No caso do sistema proposto neste trabalho, pretende-se obter uma interação entre um sistema de controle e supervisão e o armazenamento dos dados do processo em um banco de dados. Neste caso, o trabalho não vai abordar tópicos relacionados 3 aos tipos de banco de dados, suas vantagens e desvantagens, mas sim, como são feitos a interação destes sistemas com o banco de dados escolhido. O restante do trabalho esta compreendido em dispositivos do sistema como: motor elétrico de indução trifásico, inversor de freqüência, encoder, sensores ópticos, CLPs, sistemas supervisório e banco de dados. Já, no capítulo 3, aborda-se o sistema integrado de aquisição de dados, incluindo: aquisição de dados; integração do programa de controle com o sistema de supervisão e integração do banco de dados com o sistema de supervisão. 1.2 Descrição do problema Um sistema de controle manual, além de ser caro não é confiável. O processo de anotar os dados da produção e depois digitar para armazenar em um banco de dados, possibilita que erros sejam cometidos durante o processo. Outro problema é a disponibilização de funcionários para realizar uma tarefa que poderia ser automatizada. Também como problema poderemos colocar o tempo de atualização das informações no banco de dados, pois até que seja feita a atualização os dados não são verdadeiros. O que poderia ser evitado com a automação do processo, onde a atualização iria acontecer em tempo real. 1.3 Justificativa Os sistemas de aquisição de dados vêm sendo empregados em vários setores da indústria. O armazenamento de dados do processo produtivo permite o gerenciamento do processo como um todo no nível gerencial. A gerência do processo produtivo é essencial em grandes indústrias (MARDEGAN, 2003). A importância da coleta automática de dados no chão da fábrica permite uma melhoria na precisão e 4 controle dos dados por meio de sistemas de monitoramento e supervisão e, assim, começa a ser encarada como uma forma de aumentar a competitividade das empresas. Sistemas gerenciadores de banco de dados (SGBD) possuem inúmeras aplicações, como no cadastro e registro de funcionários, dados de folhas de pagamento, controle de estoque, entre outras. Neste trabalho, o SGBD serve para armazenar os dados obtidos diretamente dos sensores. Não existe uma preocupação inicial com relação ao tipo de banco de dados e suas vantagens, desvantagens, mas sim, mostrar como é feita a integração dos sistemas. O sistema de aquisição e armazenagem dos dados de forma automatizada agiliza o processo e evita erros que possam comprometer o seu bom andamento no chão da fábrica. 1.4 Objetivo geral O objetivo geral do trabalho é desenvolver um sistema de aquisição de dados de um processo industrial, mais especificamente de uma esteira transportadora e a inclusão dos dados coletados em um pequeno banco de dados. 1.5 Objetivos específicos - Construir o sistema de controle de uma esteira transportadora e sistema supervisório. - Implementar o sistema de conexão entre o controlador lógico programável (CLP) com o sistema supervisório e o banco de dados (access). - Permitir que os dados coletados sejam gravados e armazenados no banco de dados (access) para que sejam obtidas informações do processo. 5 1.6 Metodologia O trabalho iniciou com uma revisão bibliográfica sobre aplicações de CLPs na indústria, em especial em sistemas de controle de esteiras transportadoras. Na revisão bibliográfica, foi definido também o conceito dos componentes envolvidos no controle de aquisição de dados de processos industriais e da esteira transportadora. Entre estes componentes pode-se citar: CLP, inversor de freqüência, motor de indução trifásico, sensores, encoders e sistemas de supervisão. Após as especificações e análises destes componentes, os mesmos foram descritos no capítulo dois, detalhando seus conceitos, suas finalidades para o trabalho e como integram o conjunto do sistema de controle. As características dos componentes foram indispensáveis para o desenvolvimento do sistema. Estas referências eram buscadas através de pesquisas de monografias através da internet e também em livros da biblioteca local. Posteriormente, foram iniciados o processo de testes de programação com os dispositivos envolvidos, considerando a integração dos mesmos no programa de controle. Para tal, foi identificada às características do ambiente de desenvolvimento do sistema de controle, considerando o software de programação do programa de controle e do programa de monitoramento. Por fim, foi iniciado o desenvolvimento do sistema para geração das configurações a serem programadas (parametrizadas) no inversor de freqüência. Identificar uma freqüência ideal de parametrização do inversor no controle da velocidade de rotação do motor de avanço da esteira. Este parâmetro determina o valor numérico que foi inserido no programa de controle para parametrização da freqüência do inversor de freqüência. Uma vez determinados tais parâmetros, foi implementado o sistema de controle global no Controlador Lógico Programável (CLP), em linguagem Ladder, para aquisição de dados do processo. Logo após os testes do programa de controle, foi iniciada a marcação dos endereços de memória do CLP para leitura dos dados do processo pelo sistema de aquisição de dados. Tendo a determinação dos endereços de memória utilizados, o sistema supervisório pode ler os dados do processo e, portanto, neste ponto, iniciou o desenvolvimento do sistema de aquisição de dados e 6 armazenamento dos dados no banco de dados. O banco de dados que foi utilizado é uma ferramenta existente no mercado, apenas para identificar a possibilidade de armazenamento das informações do processo. Não foi avaliada neste trabalho a característica gerencial e nem mesmo as vantagens e desvantagens da escolha de uma ferramenta de gerenciamento de banco de dados em relação às outras. O objetivo foi armazenar as informações, num primeiro momento. Por isso, foi utilizado o banco de dados que no momento tínhamos em mãos, ele é uma ferramenta da Microsoft chamado Access. Isto, não quer dizer que não possam ser utilizados outros. 7 2 DISPOSITIVOS DO SISTEMA Neste capítulo são abordados os seguintes assuntos, como alguns conceitos dos dispositivos que compõem o sistema. Estes dispositivos são motor elétrico de indução trifásico, inversor de freqüência, encoder, sensores ópticos, controladores lógicos programáveis (CLPs), sistemas supervisório e banco de dados. Com o avanço das tecnologias e o custo mais acessível dos equipamentos a industrial cada vez mais utiliza a automação na sua produção. Neste capítulo é mostrado um conceito mais apurado dos dispositivos utilizados para construção do protótipo. 2.1 Motor elétrico de indução trifásico O motor elétrico é uma máquina que transforma energia elétrica em energia mecânica de utilização (MAMEDE, 1995). De acordo com MAMEDE (1995), os motores de corrente alternada (CA), são aqueles acionados através de uma fonte de corrente alternada e são utilizados na maioria das aplicações industriais. Os motores trifásicos são aqueles alimentados por um sistema trifásico a três fios, em que as tensões estão defasadas de 120º elétricos. Podem ser do tipo indução ou síncrono (SIMONE, 2003). Os motores de indução são constituídos de duas partes básicas: estator é formado por três elementos: carcaça, núcleo e enrolamento. O rotor também é constituído de três elementos básicos: o eixo, núcleo e enrolamento. As correntes rotóricas são geradas eletromagneticamente pelo estator, único elemento do motor ligado a linha de alimentação (SIMONE, 2003). 8 Ainda segundo SIMONE (2003), uma característica que distingue os motores de indução é que eles são máquinas com excitação única. Embora tais máquinas sejam equipadas tanto com um enrolamento de campo como com um enrolamento de armadura, em condições normais de utilização a fonte de energia é conectada a um único enrolamento, o enrolamento de campo. A freqüência da corrente induzida no condutor é ditada pela velocidade do rotor na qual esta colocada; contudo, a relação entre a velocidade do rotor e a freqüência da corrente de armadura é tal que dá uma distribuição ampère-condutor resultante que é estacionária em relação à distribuição do campo (SIMONE, 2003). Como resultado, a máquina de indução com excitação única é capaz de produzir torque a qualquer velocidade abaixo da velocidade síncrona. Por esta razão, a máquina de indução é classificada como uma máquina assíncrona. Sendo o motor de indução uma máquina com excitação única, é necessário que tanto a corrente de magnetização como a componente de potência da corrente circulem na mesma rede. Normalmente, o valor da corrente de magnetização para os motores de indução trifásico fica entre 25% e 40% da corrente nominal (SIMONE, 2003). Na maioria das aplicações industriais, a característica de velocidade essencialmente constante do motor de indução com rotor de gaiola é desejável. Contudo, existem algumas (por exemplo, transportadoras, guindastes e elevadores) onde a possibilidade de controlar a velocidade é um fator extraordinário. Qualquer controle que seja possível deve ser exercido através do estator. Uma possibilidade de controle da velocidade é alterar a freqüência da rede. A medida que a freqüência da rede é elevada ou reduzida, a velocidade síncrona também aumenta ou diminui, o que proporciona um controle satisfatório. Contudo, o sério defeito deste procedimento é que uma fonte de freqüência variável não esta normalmente disponível. Outro modo de controle da velocidade é mudar o número de pólos. O número de pólos pode ser alterado através do arranjo físico do enrolamento. O terceiro método de controle de velocidade envolve a redução da tensão da rede aplicada. Ajustes de velocidade em motores de indução com rotor de gaiola são difíceis de obter e, além disso, são caros. Este motor funciona melhor com cargas de velocidade constante (MAMEDE, 1995). 9 Segundo MAMEDE, (1995) em motores de indução de rotor enrolado o controle de velocidade é mais fácil, por causa do acesso aos terminais do rotor. Evidentemente, o ajuste da velocidade pelos três métodos já indicados se aplica com igual validade ao motor de rotor enrolado. Neste Caso, também pode ser adicionados mais alguns métodos de controle de velocidade como, aumento da reatância total do rotor por fase, aumento da resistência total do rotor por fase e injeção de tensões adequadas nos terminais do rotor. 2.2 Inversor de freqüência O inversor de freqüência tem como função regular a velocidade de motores elétricos de indução, mantendo seu torque. A velocidade de rotação de um motor de corrente alternada depende da freqüência de alimentação. Quanto maior a freqüência, maior a rotação e vice-versa. A equação que rege esta característica é a seguinte, de acordo com (CAPELLI, 2002): N 120 f , onde: P N - é a rotação em RPM (rotações por minuto); f - é a freqüência da rede em Hertz (Hz); P - é o número de pólos do motor. Considerando que o número de pólos de um motor de indução de corrente alternada seja determinado na sua fabricação, a variação da freqüência de alimentação no motor será proporcional a variação da velocidade de rotação. Sendo assim, conforme CAPELLI (2002), um inversor de freqüência pode ser considerado como uma fonte de tensão alternada de freqüência variável. 2.3 Encoder De acordo com THOMAZINI E ALBUQUERQUE (2005), encoders são dispositivos que convertem um deslocamento linear ou angular em um trem de pulsos, e ainda podem ser interpretados como um byte. 10 Há dois tipos de encoder: o incremental e o absoluto. Os encoders incrementais indicam o deslocamento somente em relação a um ponto inicial de referência. Já os encoders absolutos medem o deslocamento em relação a um ponto de referência interno do dispositivo. Esse tipo de sensor representa o deslocamento em incrementos codificados discretamente. Os encoders têm uma linha de aplicações práticas como: controle numérico de máquinas operatrizes, impressoras, plotters , controle de posição de disco de computador, servomecanismos, displays digitais, controle de posições remotas, controle de posições de radar (THOMAZINI E ALBUQUERQUE, 2005). 2.3.1 Sensor incremental angular Os encoders incrementais angulares podem ser fabricados com base em dois princípios diferentes: com condução elétrica ou por transmissão de luz. Os encoders baseados na condução elétrica apresentam estrias condutoras depositadas sobre a superfície de um disco isolante acoplado ao equipamento que esta sendo monitorado. As estrias são eletricamente conectadas no verso do disco, sobre o qual é mantido um potencial elétrico. O contato dos pinos nas estrias faz com que o circuito seja ligado, tornando a saída igual a 0 V e quando o pino esta entre as estrias, a saída fica alta (THOMAZINI E ALBUQUERQUE, 2005). FIGURA 1 - Representação de uma típica estrutura de encoder de contato. (Fonte: Thomazini e Albuquerque, 2005). 11 Os encoders baseado no principio da transmissão de luz funcionam basicamente da mesma forma que os sensores de condução elétrica. Neste caso, furos no disco representam o elemento condutor. Quando o emissor e o receptor de luz se encontram alinhados com os furos do disco, há a mudança do estado do sinal elétrico na saida. Num encoder incremental óptico as aberturas ou furos no disco substituem as estrias e a unidade sensitiva consiste em um par de leds (fototransistor), isto elimina o contato elétrico do encoder de contato e evita o desgaste mecanico dos contatos que limita o tempo de vida do encoder (THOMAZINI E ALBUQUERQUE, 2005). FIGURA 2 - Representação de uma típica estrutura de encoder angular incremental. (Fonte: Thomazini e Albuquerque, 2005). 2.3.2 Encoder incremental linear Encoders lineares sentem e digitalizam mudanças de posição linear para medida de posição e realimentação do sistema de controle. Tecnologias de encoders incluem encoders ópticos usados em escalas lineares, sensor de magnetoestrictivo, tecnologia indutiva que mede o campo de elementos ferromagnéticos como bolas de aço, e conversão de movimento linear, para movimento rotativo por coroa e pinha, para encoders rotativos de vários tipos. 12 Encoders lineares absolutos criam um único sinal de posição que esta disponível em qualquer lugar ao longo da peça. A posição exata será lida depois do ciclo de tarefas do controle. Encoders incrementais não geram um único sinal. O encoder é zerado depois do desligamento e confia em outro interruptor ou encoder para referência inicial (THOMAZINI E ALBUQUERQUE, 2005). Especificações de desempenho importantes para encoders lineares incluem alcance de medida linear, contas por distância e linhas por distância. O alcance de medida linear é simplesmente à distância de viagem que pode ser codificada. Contagem por distância determina o incremento mínimo da posição linear que pode ser determinado. Linhas por distância se referem às marcas atuais ou outros elementos físicos do elemento linear móvel que é codificado. Podem ser especificadas contas ou linhas, mas elas não são as mesmas. Por exemplo, em sistemas de quadratura, uma linha é associada com quatro contagens ou pulsações (THOMAZINI E ALBUQUERQUE, 2005). 2.3.3 Encoder absoluto Um padrão de disco de encoder absoluto convencional consiste em uma série de trilhas com incrementos concêntricos com o numero de ciclos por revolução que dobra em cada trilha de raio crescente. Cada trilha tem seu próprio fotodetector, e são organizadas de forma a ler todos os detectores, gerando um byte, normalmente no código Gray. Por exemplo, um encoder com 12 trilhas gera 4.096 bytes por revolução. O princípio de funcionamento de encoder absoluto e de um encoder incremental é bastante similar, ou seja, ambos utilizam o princípio das janelas transparentes e opacas, com estas interrompendo um feixe de luz e transformando pulsos luminosos em elétricos. Com incrementais existem técnicas para aumentar a resolução além do número de trilhas, mas ainda são requeridas muitas trilhas para alta resolução de codificação. os encoders absolutos são classificados em encoders para várias voltas e uma única volta. O encoder de uma única volta sempre reinicializa os códigos gerados para cada volta que o mesmo girar, enquanto o de múltiplas revoluções reinicializa o código gerado após várias voltas. (ZACCARON, 2003). 13 FIGURA 3 - Detalhe de um encoder óptico angular absoluto. (Fonte: Thomazini e Albuquerque, 2005). A detecção de uma trilha em um encoder absoluto é significativamente mais complexa e cara que um encoder incremental, e todos os canais da trilha devem funcionar em conjunto para evitar falsa informação da posição. Porem, tem a vantagem de fornecer a informação de posição imediatamente em inicio do processo, sem um procedimento de inicialização. Este tipo de encoder armazena seus dados de posição no disco com o padrão do código. É facilmente conectado aos controladores baseados em microprocessador e em displays, entretanto uma conversão Gray-binária é necessária em alguns sistemas de controle (THOMAZINI E ALBUQUERQUE, 2005). FIGURA 4 - Detalhe de um encoder óptico angular absoluto dos tipos binário e Gray. (Fonte: Thomazini e Albuquerque, 2005). 14 Os encoders multirrevolução não detectam somente a sua posiçao, mas também em que volta ele está. FIGURA 5 - Encoder absoluto multirrevolução utilizado pela IFM Electronics. (Fonte: Thomazini e Albuquerque, 2005). A posição dentro de uma revolução é obtida da mesma maneira que no encoder incremental. Conforme mostra a figura 5. Para distinguir o número de revoluções, são colocados ímãs permanentes no disco que são detectados por um sensor hall. 2.4 Sensores ópticos Deacordo com THOMAZINI E ALBUQUERQUE (2005), os sensores ópticos são componentes eletrônicos de sinalização e comando que executam detecção de qualquer material sem que haja contato mecânico entre eles. O princípio de funcionamento do sensor óptico baseia-se na existência de um emissor e um receptor. A luz gerada pelo emissor deve atingir o receptor com intensidade suficiente para fazer com que o sensor comute sua saída. O sinal de luz gerado pelo emissor do sensor óptico é modulado numa determinada frequência, ou seja, o emissor gera um sinal com um certo numero de lampejos por segundo. O receptor do sinal do sensor é acoplado a um filtro que 15 somente considera sinais com a mesma frequência do emissor. Essa característica é empregada no sensor óptico para minimizar os efeitos de possíveis interferências causadas por outras fontes luminosas que não o emissor (TOMAZINI E ALBUQUERQUE, 2005). FIGURA 6 - Princípio de funcionamento dos sensores ópticos. (Fonte: Thomazini e Albuquerque, 2005). Oscilador: gera um sinal elétrico modulado e envia ao emissor. Emissor: Transforma o sinal elétrico vindo do oscilador em um feixe de luz pulsante (modulado), sendo executada a emissão do sinal. Receptor: Converte o sinal de luz pulsante (modulado) em um sinal elétrico modulado. Pré-Amplificador: ajusta o sinal elétrico modulado vindo do receptor a níveis compatíveis com o circuito eletrônico do sensor. Analisador de frequência: compara a frequência do sinal recebido pelo receptor com a frequência do sinal gerado pelo emissor, considerando apenas os sinais que sejam compatíveis. Discriminador: compara o nível do sinal recebido do analisador de frequência com níveis preestabelecidos, definindo o estado do sensor. Estágio de saída: recebe o sinal do discriminador e comuta a carga. LED: indicador de estado, sendo acionado pelo discriminador. Fonte de alimentação: a alimentação do circuito do sensor é feita por um regulador interno. 16 2.4.1 Sensor óptico por retrorreflexão Segundo THOMAZINI E ALBUQUERQUE (2005), neste tipo de sensor o emissor e o receptor também estão montados no mesmo corpo. Um feixe de luz é estabelecido entre o emissor e o receptor por intermédio do refletor. O sensor é ativado quando o objeto interrompe o feixe de luz. O objeto detectado pode deixar passar uma baixa intensidade luminosa desde que o limiar de detecção seja atingido, ele também pode refletir a luz de maneira direta ou difusa, desde que não seja detectada pelo receptor do sensor com intensidade suficiente para aciona-lo. Por esta razão, objetos muito transparentes, claros ou brilhantes podem eventualmente não ser detectados por esse tipo de sensor (THOMAZINI E ALBUQUERQUE, 2005). O sensor de retrorreflexão possui distância de acionamento totalmente dependente das características do refletor, sendo as condições desse acessório as seguintes: limpeza, dimensão instalação e características construtivas vitais para o perfeito acionamento do conjunto, como podemos observar na figura 7. Uma falha no emissor desse tipo de sensor faz com que ele interprete como se o objeto estivesse presente. FIGURA 7 - Sensor óptico pó retrorreflexão. (Fonte: Thomazini e Albuquerque, 2005). 17 2.4.2 Sensor óptico por transmissão Ainda segundo THOMAZINI E ALBUQUERQUE (2005), o sensor óptico de detecção por barreira de luz, ou transmissivo, possui o emissor e o receptor montados em dispositivos separados. Ao serem alinhados os dois componentes criam entre si uma barreira de luz. A presença de um objeto interrompendo essa barreira faz com que o sensor seja ativado. Conforme mostra a figura 8. FIGURA 8 - Sensor óptico por transmissão. (Fonte: Thomazini e Albuquerque, 2005). 2.5 Controladores lógico programáveis (CLPs) Conforme SILVEIRA (1998), a primeira experiência de um controle de lógica que permitisse a programação por recursos de software foi realizada em 1968, na divisão de hidramáticos da General Motors Corporation. Aliado ao uso de dispositivos periféricos, capazes de realizar operações de entrada e saída, um minicomputador com sua capacidade de programação pode obter vantagens técnicas de controle que suplantaram o custo que tal implementação representou na época. 18 Iniciava-se a era dos controladores de lógica programável. Essa primeira geração de CLP, como poderia ser denominada, recebeu sensíveis melhorias com o advento dos microprocessadores ocorrido durante os anos 70. Assim, não se tornava necessário o uso de computadores de grande porte, tornando-o uma unidade isolada. Foram adicionados ainda recursos importantes, tais como: interfaces de operação e programação facilitadas ao usuário, instruções de aritmética e de manipulação de dados poderosas, recursos de comunicação por meio de redes de CLP, possibilidades de configuração específica a cada finalidade por meio de módulos intercambiáveis, dentre outras inúmeras vantagens encontradas nos modelos comerciais que estão atualmente disponíveis (SILVEIRA, 1998). No Brasil, porém, é na década de 80, que o CLP veio a proliferar na indústria, primeiramente pela absorção de tecnologias utilizadas na matriz das multinacionais. Atualmente, com a crescente redução no custo do CLP, observando-se o incremento de sua utilização nas indústrias em geral, independente de seu porte ou ramo de atividades. Devido à ampla gama de equipamentos e sistemas disponíveis para controle industrial, aliada à crescente capacidade de recursos que o CLP vem agregando, existe a possibilidade de confundir outros equipamentos com ele. Para evitar tal equívoco, devem-se observar as três características básicas, que servem de referência para identificar um equipamento de controle industrial como sendo um controlador lógico programável (SILVEIRA, 1998): - O equipamento deve executar uma rotina cíclica de operação enquanto em funcionamento; - A forma básica de programação deve ser realizada a partir de uma linguagem oriunda dos diagramas elétricos de relés; - O produto deve ser projetado para operação em ambiente industrial sujeito a condições ambientais adversas. Um CLP é basicamente composto por dois elementos principais, um é a CPU e a outra é as interfaces para os sinais de entrada e saída. O princípio fundamental de funcionamento de CLP é a execução por parte da 19 CPU de um programa, conhecido como “executivo” e de responsabilidade do fabricante, que realiza ciclicamente as ações de leitura das entradas, execução do programa de controle do usuário e atualização das saídas (SILVEIRA, 1998). Segundo SILVEIRA (1998), os processadores utilizados nos CLPs podem ser classificados, a prióri, pelo tamanho da informação que podem manipular. Valores como 8 bits, 16 bits ou 32 bits são os mais encontrados na atualidade. Outro valor relevante em um processador é a sua velocidade de operação (clock), nos CLPs, em geral, não necessita ser tão grande. Outro fator importante levado em consideração é o conjunto de instruções de programação disponíveis e também a quantidade de memória e dispositivos de entrada e saída que podem ser endereçados. O termo programável do CLP implica numa seqüência de instruções, o programa, em que deve estar armazenada e disponível em algum local. Tal região é denominada sistema de memória. O sistema de entrada e saída vai realizar a conexão física entre a CPU e o mundo externo por meio de vários tipos de circuitos de interfaceamento. Entradas e saídas discretas, são os sinais mais comumente encontrados em sistemas automatizados com CLP. Neste tipo de interface, a informação consiste em um único bit cujo estado pode apresentar duas possíveis situações: ligado ou desligado (SILVEIRA, 1998). Entradas e saídas numéricas tem como diferença marcante em relação aos sinais discretos é que mais de um bit deverá ser manipulado, seja pela conversão do sinal analógico, seja pelo tratamento de dispositivos multibits, como é o caso do acionamento de motores de passo, ou o acendimento de displays. As linguagens de programação predominante nos PLCs disponíveis atualmente são (SILVEIRA,1998): diagramas de contatos, blocos funcionais, mnemônicos booleanos, parâmetros idiomáticos. Apesar de a maioria das instruções de programação poder ser representada em qualquer tipo de linguagem, há certas particularidades que apenas cada um dos tipos irá fornecer, como é o caso, por exemplo, dos saltos de instruções, chamadas de sub-rotinas e processamento aritmético, dentre outras (SILVEIRA, 1998). 20 Um diagrama de contatos (linguagem ladder) é a forma mais clara de apresentar uma lógica de controle aos técnicos e engenheiros eletricistas, uma vez que a própria representação dos contatos NA, NF e relés lhes são familiar. Já o diagrama de bloco funcional tem muita semelhança com os diagramas lógicos utilizados pelos eletrônicos em seus diagramas de portas digitais. Os mnemônicos booleanos têm uma forma mais condizente com o modo como os processadores operam e, portanto, a maneira mais racional de programar um CLP Parâmetros idiomáticos, além de linguagens computacionais como C e pascal, são exemplos já encontrados. Na figura 9 temos um modelo de utilização das quatro linguagens (SILVEIRA, 1998). FIGURA 9 - Trecho de programas nas quatro linguagens. (Fonte: Silveira, 1998). 2.6 Sistema supervisório Os sistemas supervisórios são softwares aplicativos que permitem que sejam monitoradas e rastreadas informações do processo produtivo. Essas informações podem ser visualizadas por intermédio de quatro sinóticos animados com indicações instantâneas das variáveis de processo (vazão, temperatura, pressão, volume, etc) (SILVA E TAVARES, 2001). Esses dados são prevenientes do controle do CLP, podendo os sistemas supervisórios gerenciar processos de qualquer tamanho ou natureza. Estes sistemas auxiliam no processo de implantação da qualidade e de movimentação de informações para gerenciamento e diretrizes. A escolha de um software de supervisão é muito importante na estratégia de automação de uma 21 empresa. Atualmente os sistemas supervisórios podem ter uma arquitetura aberta, ligados em rede, de forma a permitir que o fluxo de dados do processo ultrapasse o limite das paredes da empresa e percorra o mundo através dos meios de comunicação existentes (SILVA E TAVARES, 2001). Com a automação na indústria houve a necessidade de um sistema que fosse capaz de acompanhar o processo automatizado e retornar, através de mensagens, alarmes, etc. qualquer irregularidade que viesse a ocorrer no processo. O perfeito controle deste processo garante que o sistema automatizado seja confiável. Dessa forma surgiu os sistemas supervisórios, dentre eles o SCADA, o qual, tem a função de transferir dados recebidos do CLP diretamente para o sistema, seja ele, a tela de um computador ou uma rede de alarme. Um software bastante conhecido na industria com a finalidade de supervisão é o Elipse SCADA, o qual tem uma linguagem exclusiva e de fácil manuseio para que possa ser utilizado neste meu trabalho, como uma ferramenta que transforme os dados obtidos automaticamente através de sensores e os armazene em um banco de dados. Proporcionando dessa forma, a agilização de todo o processo de controle (SILVA E TAVARES, 2001). Este software é bastante utilizado para o desenvolvimento de sistemas torna o gerenciamento rápido e eficiente.de supervisão e controle de processo. Todo o gerenciamento do chão da fábrica pode ser feito com o uso deste sistema de supervisão, o qual aliado a um banco de dados A proposta para o meu trabalho foi desenvolver um protótipo de automatização de uma linha de produção em que os dados colhidos no chão da fabrica, sejam gravados em um banco de dados. Para isso utilizei o sistema SCADA em parceria com o banco de dados da Microsoft denominado Access e também com o software S40 que é de propriedade do fabricante do CLP. A configuração do sistema será executada através de uma árvore de aplicativo. A ferramenta de configuração será a árvore hierárquica chamada de organizer, Conforme mostra a figura 10. 22 FIGURA 10 - Tela de configuração da ferramenta organizer. (Fonte: Elipse, 2005). Estes softwares são interligados entre si, fornecendo diversas informações relevantes ao controle do processo em tempo real (ELIPSE, 2005). Para o desenvolvimento do sistema supervisório foi utilizado o elipse SCADA. Esse supervisório me permitiu além de acompanhar o status do processo, também intervir no funcionamento do processo, alterando parametros. As tarefas do processo podem ser alteradas de acordo com a necessidade de atender aos objetivos do supervisório, como o controle de temperatura, vazão, velocidade. Essas informações poderão ser mostradas na tela através de gráficos, animações e números (ELIPSE, 2005). O elipse SCADA possue quatro versões. Foi abordado neste trabalho somente a versão, a qual, atende as necessidades para a realização do trabalho proposto. A versão que possibilitou trabalhar com a troca de informações no banco de dados é a versão profissional (PRO). Essa versão apresenta as seguintes características 23 (ELIPSE, 2005): Funções de monitoramento e controle; Comunicação com CLPs e outros equipamentos via drivers, inclusive em blocos; Criação de interfaces através de objetos; Importação de imagens de editores gráficos; Alarmes; Servidor e cliente DDE; Controle de acessos através de listas de usuários; Programação e automação de processos através de sua exclusiva linguagem de programação baseada em scripts; Servidor para aplicações remotas. Históricos; Receitas; Relatórios; CEP (Controle Estatístico de Processo); Novos objetos para interface; Log de alarmes em disco; Suporte a Open Database Connectivity (ODBC); Suporte a Data Access Objects (DAO); Executa como cliente de aplicações remotas; Aplicação em rede. A automação através do CLP/SCADA/PC permite a coleta de dados em tempo real do processo de produção, possuindo, também, interfaces para a transferência dos dados para os sistemas administrativos da empresa. O software de supervisão (SCADA) tem como objetivo principal o monitoramento do chão de fábrica, através de uma base de dados em tempo real, ou seja, a função principal do SCADA é mostrar o que esta ocorrendo no chão da fábrica naquele exato momento (MARTINS E BREMER,2002). Para MARTINS E BREMER (2002), os sistemas SCADA oferecem funções 24 importantes no monitoramento de problemas, como parada de máquinas por problemas mecânicos ou falta de matéria prima, comumente chamados de motivos de parada da produção. Ou seja, a produção pode apresentar gargalos influenciados por um processo lento ou por máquinas que sempre estão com algum problema (MARTINS E BREMER, 2002). FIGURA 11 - Tela do supervisório desenvolvido com o SCADA. 2.7 Banco de dados Banco de dados são o conjunto de informações compostas de arquivos, registros e campos, inseridas em um mesmo local. Estes elementos permitem a manipulação do volume de informações, permitindo atribuir relações específicas entre cada uma delas (KORTH, SILBERSCHATZ e SUDARSHAN, 1999). De acordo com DATE, (2000), um banco de dados é um sistema computadorizado de armazenamento de registros, que pode ser comparado a um armário de arquivamento. Em outras palavras, um repositório ou recipiente para uma coleção de arquivos de dados computadorizados. Segundo MASLAKOSKI & BUTCHER, (2000), esses arquivos são 25 organizados de uma maneira altamente eficiente e podem armazenar grandes quantidades de informações, as quais podem ser manipuladas e recuperadas quando necessário. A interação e a relação entre cada informação permitem o manuseio, alteração, atualização ou qualquer outra ação de forma dinâmica e pratica. Os arquivos constituem-se em conjuntos de registros interdependentes ou não. Geralmente provenientes de uma mesma natureza (KORTH, SILBERSCHATZ e SUDARSHAN, 1999). A tecnologia aplicada aos métodos de armazenamento de informações vem crescendo e gerando um impacto cada vez maior no uso de computadores, em qualquer área em que os mesmos podem ser aplicados. Um “banco de dados” pode ser definido como um conjunto de “dados” devidamente relacionados. Por “dados” podemos compreender como “fatos conhecidos” que podem ser armazenados e que possuem um significado implícito. Porém, o significado do termo “banco de dados” é mais restrito que simplesmente a definição dada acima. Um banco de dados é uma coleção lógica coerente de dados com um significado inerente; uma disposição desordenada dos dados não pode ser referenciada como um banco de dados (KORTH, SILBERSCHATZ e SUDARSHAN, 1999). Dado: É o valor do campo quando é armazenado no Banco de Dados. Ex. O valor do campo "nome do funcionário" para quem está fazendo a entrada de dados. Banco de Dados: Representa o arquivo físico de dados, armazenado em dispositivos periféricos, onde estão armazenados os dados de diversos sistemas, para consulta e atualização pelo usuário. Tabelas Lógicas: Representam as estruturas de armazenamento de dados (arquivos) dos sistemas. Conteúdo do campo: É o valor do campo armazenado no Banco de Dados. Ex. O valor do campo "nome do funcionário" sem estar, momentaneamente, sendo utilizado. Informação: É o valor que este campo representa para as atividades da empresa. Ex. Resposta a uma consulta. Qual os nomes dos funcionários localizados no Rio de Janeiro? 26 Como exemplo, podemos pegar o conjunto de fichas dos funcionários de uma empresa, que é caracterizado como arquivo. Por sua vez os registros são formados pelo conjunto de campos no qual são inseridos dados sobre algo ou alguém. Por exemplo, as fichas de cada funcionário, os campos são os itens onde são inseridas determinadas informações. Ao conjunto de campos é dada a denominação de registro (KORTH, SILBERSCHATZ e SUDARSHAN, 1999). Além dos diversos bancos de dados, existem sistemas que permitem a troca de informação entre diferentes bancos de dados. Um destes programas foi projetado pela Microsoft e é conhecido por Open DataBase Connectivity (ODBC). O ODBC foi projetado para permitir às aplicações Windows, acesso múltiplo de dados, através de um método simples, sem considerar os diversos formatos dos arquivos. Outra característica é a de prover diversos meios de acesso para a informação contida no próprio ODBC e simplificar o acesso de forma que o usuário não tenha necessidade de um alto grau de conhecimento técnico para poder ter acesso a diferentes bancos de dados (VIDAL, 1996). Uma característica importante da abordagem Banco de Dados é que o SGBD mantém não somente os dados em si, mas também a forma como os mesmos são armazenados, contendo uma descrição completa do banco de dados. Estas informações são armazenadas no catálogo do SGBD, o qual contém informações como a estrutura de cada arquivo, o tipo e o formato de armazenamento de cada tipo de dado, restrições, etc. A informação armazenada no catálogo é chamada de “Meta Dados”. No processamento tradicional de arquivos, o programa que irá manipular os dados deve conter este tipo de informação, ficando limitado a manipular as informações que o mesmo conhece. Utilizando a abordagem banco de dados, a aplicação pode manipular diversas bases de dados diferentes (DATE, 2000). O SGBD deve permitir que cada usuário visualize os dados de forma diferente daquela existente previamente no banco de dados. Ele deve gerenciar completamente a integridade referencial definida em seu esquema, sem precisar em tempo algum, do auxílio do programa aplicativo. Um sistema de banco de dados é aquele em que os dados são definidos para o SGBD, através da DDL (linguagem de 27 definição de dados). Fisicamente estão armazenados em um único local, sendo o acesso realizado apenas através do SGBD. Nos programas de aplicação, é necessário apenas definir os campos que serão utilizados pelo programa. Um banco de dados deve garantir segurança para que em casos de falhas (queda de energia, por exemplo) as transações sejam efetuadas por completo ou canceladas, preservando com isso a integridade dos dados. A criação de um banco de dados no access é realizada a partir de tabelas. Através das tabelas é possível, a criação da estrutura do arquivo, com os devidos campos necessários e a realização de inserções, alterações, consultas e remoções de dados. O complexo do banco de dados é determinado através de uma ou mais tabelas, dependendo do seu propósito. Um banco de dados projetado corretamente contém todos os vínculos necessários para permitir que registros sejam relacionados entre tabelas diferentes. As tabelas podem ser definidas como sendo um conjunto de informações sobre tópicos específicos. O aplicativo permite a inserção de dados sem duplicação. Suponhamos que determinado cliente ter comprado seis produtos de uma empresa. Não haverá necessidade de inserir o mesmo cliente seis vezes, desta forma se evita erros na entrada de dados. Os dados são dispostos na tabela por linhas e colunas, sendo as linhas os registros e as colunas os campos (DATE, 2000). 2.8 Conclusão Este capítulo foi fundamental para a construção do protótipo, nele foram apresentados os dispositivos do projeto, suas definições, características e utilizações dentro da industria. A escolha correta dos dispositivos influenciam em uma automação confiável e segura. Os dispositivos tratados aqui atendem as expectativas no desenvolvimento do trabalho, pois são eles responsáveis pela aquisição automática dos dados da produção. 28 3 SISTEMA INTEGRADO DE AQUISIÇÃO DE DADOS Neste capítulo é descrito todo o funcionamento do protótipo de aquisição de dados, bem como o seu processamento e armazenagem no banco de dados. Simulando assim, um sistema existente na indústria. Neste capítulo foram mostradas, as utilizações dos dispositivos anteriormente descritos para implementação do trabalho, e quais suas ações dentro do mesmo. 3.1 Aquisição de dados Os dados que foram coletados através da esteira automatizada, simulando o processo da indústria e armazenados no banco de dados, foram obtidos por dispositivos que trabalhando em conjunto, obtiveram as informações da linha de produção. Simulando a linha de produção real da indústria, com a utilização de uma esteira para transporte da peça até os sensores que identificam a presença da peça. Esta esteira será controlada pelo CLP em conjunto com o inversor de frequência. No CLP foram gravados parâmetros de: controle da velocidade da esteira, sentido de rotação do motor, acionamento dos sensores. Os dispositivos responsáveis pela captação dos dados no processo são descritos a seguir: Esteira: Este dispositivo é bastante utilizado na indústria. Ela será provida de dispositivos como um motor de indução, sensores retrorreflexivos, encoder. É o componente responsável pelo transporte do material até os sensores para obtenção das informações que são armazenadas no banco de dados no final do processo. Na figura 12, tem a foto da esteira utilizada no trabalho. 29 FIGURA 12 - Foto da esteira que foi utilizada no trabalho. Motor de indução: Este dispositivo é acionado através de uma corrente elétrica alternada. É o elemento responsável pela realização do trabalho. Para realização de trabalhos mecânicos, geralmente, a indústria tem como fonte de força e movimento os motores elétricos. Eles são usados em larga escala nos processos produtivos industriais, mas em especial para realização de tarefas mecânicas. Certamente existem outros elementos capazes de gerar movimentos, em especial, os dispositivos eletro-pneumáticos e eletro-hidráulicos, os motores elétricos são muito importantes na geração de movimento mecânico. Neste projeto o motor elétrico de indução é responsável pela movimentação e parada da correia de transporte. É comandado pelo inversor de freqüência que por sua vez é controlado pelo CLP. Na figura 12, temos a foto do motor de indução. FIGURA 13 - Motor de indução trifásico. Sensor óptico retrorreflexivo: Este sensor é responsável por detectar a peça na esteira. Quando uma peça passa em frente ao sensor o feixe é desviado e envia um pulso de nível alto a entrada do CLP, o qual, foi programado para detectar a presença da peça sobre o sensor. Este sensor em conjunto com o encoder vai 30 determinar também o comprimento desta peça. Na figura 14 é mostrada a foto do sensor. FIGURA 14 - Sensor óptico retrorreflexivo. Encoder: Responsável por gerar pulsos e os enviar ao CLP. É através destes pulsos que o CLP controla a posição da esteira, sua velocidade, sentido de rotação e também o comprimento da peça. Na figura 15 é mostrado o encoder montado no protótipo. FIGURA 15 - Encoder montado no protótipo. Inversor de freqüência: Responsável pelo acionamento estático do motor de indução a uma velocidade variável constante. O simples uso de inversores de frequência para variação da velocidade de motores já implica em reduzir o consumo de energia elétrica, já que, ao se reduzir à velocidade, reduz-se também a tensão do motor e o consumo de energia. Para que um inversor funcione de forma correta, não basta que ele seja instalado corretamente. É necessário que ele “saiba” em que condição vai operar. As condições de operação do inversor são fornecidas através da parametrização, que consiste em ajustar determinados valores que 31 permitam uma operação satisfatória para uma certa aplicação. Abaixo temos a foto do inversor utilizado no trabalho. FIGURA 16 - Inversor de freqüência utilizado no protótipo. Controlador lógico programável (CLP): Este dispositivo é responsável por toda a lógica de controle e também pela comunicação com o inversor, sensores e sistema supervisório. Os sinais de entrada e saída dos CLPs podem ser digitais ou analógicos. Os sinais dos sensores são aplicados às entradas do controlador e a cada ciclo (varredura) todos esses sinais são lidos e transferidos para a unidade de memória interna denominada, memória imagem de entrada. Estes sinais são associados entre si e aos sinais internos. Ao término do ciclo de varredura, os resultados são transferidos à memória imagem de saída e então aplicados aos terminais de saída. A figura 17 mostra a foto do CLP do fabricante Moeller usado para a montagem do protótipo. FIGURA 17 - CLP do fabricante Moeller. 32 3.2 Integração do programa de controle com o sistema de supervisão. O processador do CLP opera com uma série de instruções e dados codificados de uma forma binária. A linguagem adotada pela maioria dos fabricantes é a linguagem Ladder. Esta linguagem consiste em um diagrama de contatos o que torna ela simples de ser utilizada. Na figura 18, tem um exemplo de como é feita a programação utilizando esta linguagem. FIGURA 18 - Exemplo de programação utilizando a linguagem Ladder. No trabalho foi utilizado o sucosoft S40 V4.20 do fabricante Moeller, que é um editor POU, onde é escrito todo o programa do CLP. É nele também que o programa é compilado. Na compilação do programa, este gera um arquivo executável que é transferido para o CLP através do cabo serial entre o PC e o CLP. Após esta transferência o CLP assume o controle dos dispositivos não sendo mais necessária à utilização do PC. O PC somente será utilizado para podermos ter acesso ao software supervisor. Na figura 19, temos a tela do editor POU. É no editor POU onde declaro as variáveis que são utilizadas no sistema. Estas variáveis tem como padrão nome, tipo e endereço. O endereço é constituído de uma letra inicial seguido por dígitos. Esta letra indica se a variável é de entrada, saída ou armazenamento na memória do CLP. O quadro 1, mostra o exemplo de endereço de entrada, saída e memória. QUADRO 1 - Exemplo de endereçamento do CLP. Endereço i0.0.0 q0.0.0 m0.0.0 Letra i = entrada q = saída m = memória 0.0.0 número do CLP número do CLP número do CLP 33 FIGURA 19 - Exemplo da tela de programação, utilizando o editor POU do fabricante Moeller. O sistema de supervisão utilizado é o Elipse SCADA. Este supervisório me permite a monitoração em tempo real, bem como intervir no processo mecanizado do sistema. Na figura 20, é mostrado a tela principal do Elipse SCADA. O sistema Elipse me permite trabalhar com telas gráficas, o que facilita a sua utilização na supervisão do processo. FIGURA 20 - Tela gráfica do Elipse SCADA. 34 Todas as informações relativas à esteira e que são apresentadas pelo Elipse SCADA são providas pelo sensor em conjunto com o encoder que fazem a coleta dos dados automaticamente. O Elipse SCADA transforma esses dados em informações visuais, para consulta instantânea ou grava no banco de dados, ficando disponíveis para consultas futuras. Outra vantagem do sistema SCADA no desenvolvimento do trabalho é o fato de poder monitorar os problemas que ocorrem no processo, como parada de maquina por problemas mecânicos como também por falta de matériaprima. FAVARETTO (2001), apresenta uma solução denominado sistema de monitoramento, supervisão e diagnóstico da produção, composta dos seguintes módulos funcionais (FAVARETTO, 2001): Monitoramento da produção: faz o sensoriamento e a coleta dos dados em tempo real dos dados da produção. Supervisão da produção: analisa os dados coletados. Repositório de informações da produção: armazena as informações da produção. Diagnóstico da produção: trata as informações tecnológicas. Na figura 21, pode ser visto a tela de desenvolvimento com o projeto pronto para ser compilado e enviado ao CLP. Podemos observar que foram utilizadas as seguintes variáveis: ent_dig1; ent_dig2; freq1; freq2; contador1; msetpoint_esteira; temporizador1; msensor; mencoder; 35 distancia; encoder As variáveis ent_dig1, ent_dig2, freq1 e freq2 é que indicam ao inversor qual o sentido de rotação do motor e também sua velocidade. A velocidade em que o motor vai girar já foi pré-estabelecida no inversor. Após a partida do motor pelo CLP através do inversor, a peça em cima da esteira se desloca até o sensor óptico e este é obstruído, começa então a contagem dos pulsos do encoder que vai determinar o tamanho da peça do inicio da obstrução até o final da obstrução. Os pulsos do encoder é que determinam também a parada da esteira em ponto pré-estabelecido através das variáveis contador e encoder. FIGURA 21 - Tela do projeto da esteira Compilado e pronto para ser enviado ao CLP. 3.3 Integração do banco de dados com o sistema de supervisão Foram criados uma tabela no banco de dados da Microsoft (access) com os seguintes campos: 36 Peça: neste campo é armazenada a quantidade de peças que passam pelo sensor óptico. Distância: neste campo é armazenado o tamanho da peça que passou pelo sensor óptico. Na figura 22, temos a tela da tabela criada no access para gravação das informações. Outros campos podem ser criados para armazenar outras informações. Como exemplo, pode ser diferenciado o tipo da peça que passou pelo sensor através do seu tamanho. FIGURA 22 - Tabela criada no access para gravar as informações relativas a esteira. Para o processo de gravação de dados nestes campos foi criado um script no Elipse SCADA. No quadro 2, é mostrado como ficou este script. QUADRO 2 - Script criado na tag sensor para gravar os dados no banco de dados. IF sensor = = 1 PECA = sensor DISTANCIA = encoder TABELA = AddRecord( ) ENDIF Se o sensor for igual a 1 o campo PECA incrementa um registro com o valor 37 do sensor e o campo DISTANCIA recebe os pulsos do encoder. Estes valores são gravados na TABELA e finaliza o script. Na figura 23, é mostrado como foi desenvolvido este script na tag sensor. FIGURA 23 - Descrição da tag sensor. Os objetos da interface estão relacionados a uma tag. Na figura 24, é mostrado como esta sendo relacionado a tag encoder dentro do sistema. Uma tag é uma área de memória onde são armazenados dados de controle. A interface do sistema supervisório é composta por 6 objetos gráficos. São estes objetos responsáveis pelo monitoramento e controle da correia. São eles, um botão liga/desliga que aciona o motor dando inicio ao processo de movimentação da esteira. Fazem parte também outros 3 objetos de acompanhamento dos dados que são gravados no banco de dados. O primeiro objeto esta relacionada com a distância da esteira, que é a quantidade máxima de pulsos do encoder que a esteira percorre e mantenha a peça sobre a correia sem derruba-la. A posição da esteira mostra quantos pulsos foram mandados pelo encoder, mostrando assim em qual posição a peça se encontra sobre a esteira. Paralelo a isto também tem um objeto gráfico que mostra em forma de barra a posição da esteira. 38 FIGURA 24 - Descrição da tag encoder. Por ultimo temos o desenho da esteira a qual simula o movimento da peça sobre a correia. Nas figuras 25, 26, 27 Temos as interfaces simulando do início ao final do processo a esteira. FIGURA 25 - Processo desligado. Na figura 25, pode-se observar que a chave esta desligada, a gravação de 39 dados esta em espera, a distância máxima que a esteira percorre é 700 pulsos e a posição da esteira esta zerada. FIGURA 26 - Processo ligado posição intermediaria. FIGURA 27 - Peça sobre o sensor gravando dados. A figura 27 mostra a peça sobre o sensor e esta gravando dados. Na figura 28 mostra a peça no final do processo, onde já passou pelo sensor gravou dados e vai 40 reiniciar o processo. FIGURA 28 - Final do processo de gravação. 3.4 Conclusão Neste capítulo foram apresentadas todas as fases de funcionamento do protótipo, desde a aquisição dos dados com a coleta na esteira, como também a parametrização dos dispositivos controladores. Apesar das dificuldades na parametrização e interligação de cada componente no sistema, onde foram obedecidas todas as características e limitações das diferentes tecnologias utilizadas, foram alcançados os objetivos que foram propostos no início do trabalho. Mostrou o sistema Elipse SCADA e sua importância na indústria para o controle de processos. Tendo o trabalho como objetivo principal à armazenagem dos dados de uma produção industrial em um banco de dados (access), foi o sistema Elipse SCADA um dos principais componentes para alcançar este objetivo. Pois sua utilização nos permite criar um sistema supervisório que capta os dados e os transmite para gravar em um banco de dados (access). 41 4 CONSIDERAÇÕES FINAIS O principal objetivo deste trabalho foi o de simular uma produção industrial com todos os seus dispositivos de controle e aquisição de dados funcionando simultaneamente e fornecendo informações deste processo para gravação automática em um banco de dados O problema consistiu em simular todo o processo, desde a captação dos dados até a gravação no banco de dados. As dificuldades foram surgindo à medida que o trabalho ia se desenvolvendo, mas com a ajuda do orientador estas dificuldades puderam ser superadas e o objetivo inicial alcançado. Foram utilizados para montagem e testes do funcionamento, os equipamentos disponíveis na própria universidade. Devido a uma ampla quantidade de fabricantes destes equipamentos foi necessário aprofundar-se nos conhecimentos teóricos destes equipamentos, para obter o êxito conseguido na elaboração do projeto e alcance dos objetivos. Foi utilizada uma esteira, totalmente automatizada e controlada para a captação dos dados da produção. O controle do funcionamento da esteira foi feito por um CLP juntamente com um inversor de freqüência parametrizado para tal função. O CLP foi responsável pela integração do sistema, onde recebia sinais digitais como entrada e de acordo com a implementação em seu programa de controle, atuava nas saídas do processo. O estudo do CLP dentro do trabalho foi muito importante para o aprendizado, pois sendo o CLP um dos principais dispositivos utilizados pela industria, proporcionou o conhecimento prático de um sistema de produção industrial. A gravação dos dados da produção industrial em um banco de dados abre uma gama de oportunidades de trabalhos paralelos em pesquisa acadêmica, já que a 42 indústria cada vez mais investe na melhoria da qualidade final dos seus produtos, na diminuição dos custos da produção, quantidade de produtos fabricados e gerenciamento dos dados da produção. O processo de aquisição de dados automática traz vários resultados positivos na produção industrial como agilidade e confiabilidade das informações. Como sugestão de trabalhos futuros podem ser desenvolvidos projetos com algumas melhorias, estas melhorias poderiam ser: reconhecimento da peça através da imagem, utilizando banco de dados mais robustos e uma câmera, poderia ser feita a diferenciação do tipo de peça que passa na esteira. Pode se pensar em acesso ao banco de dados remotamente. Também pode ser desenvolvido para outros fins que não o industrial, outros tipos de controle, como condomínios no controle de elevadores, ou seja, horários de pico de utilização do elevador, controle de velocidade do elevador para economia de energia. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS OGATA, K. Engenharia de Controle Moderno. 3. ed. Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos, 2000. 813 p. PAZOS, F. Automação de Sistemas e Robótica. Rio de Janeiro: Axcel Books, 2002. 377 p. SIMONE, G. A. Máquinas de indução trifásicas. 9. ed. Tatuapé: Érica, 2003. 328 p CAPELLI, A. Mecatrônica Industrial. São Paulo: Saber, 2002. DATE, C. J. Introdução a Sistemas de Banco de Dados. 4. ed. Rio de Janeiro: Campus, 2000. ELIPSE Softwares. Elipse SCADA. Site que apresenta o funcionamento do software. Disponível em: <http://www.elipse.com.br>. Acesso em: 23 set. 2005. FERRAZ JÚNIOR, F. Desenvolvimento de um sistema de monitoramento e supervisão para o processo de torneamento. 78 f. 2002. 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Tese de Doutorado do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, USP, São Carlos. AGUIAR, P. R. P. Construção de um sistema de controle de nível e temperatura de um reservatório. 2005. 53 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Engenharia Elétrica) – Departamento de Engenharia Elétrica, Universidade Federal do Espírito Santo, Vitória – ES. 45 ANEXOS Programação do sistema VAR ent_dig1 AT %q0.0.0.0.2: bool; ent_dig2 AT %q0.0.0.0.3: bool; freq1 AT %q0.0.0.0.4: bool; freq2 AT %q0.0.0.0.5: bool; encoder AT %i0.0.0.0.0: bool; contador1: ctu; sensor_optico AT %i0.0.0.1.7: bool; msensor AT %m0.0.0.0.0: bool; mencoder AT %mw0.0.0.10: int; chave AT %i0.0.0.1.6: bool; b_liga AT %m0.0.0.0.1: bool; contador2: ctu; msetpoint_esteira AT %mw0.0.0.20: int; temporizador1: ton; END_VAR LDN chave R ent_dig1 R ent_dig2 R freq1 R freq2 LD chave AND b_liga S ent_dig2 S freq1 46 LD encoder ST contador1.cu CAL contador1( CU := , RESET := , PV := msetpoint_esteira | := Q, := CV ) LD sensor_optico ST contador1.reset LD contador1.q R ent_dig2 R freq1 LD contador1.q 47 ST temporizador1.in CAL temporizador1( IN := , PT := t#5s | contador1.reset := Q, := ET ) LD sensor_optico ST msensor LD contador1.cv ST mencoder ST distancia
