PIBIC-UFU, CNPq & FAPEMIG Universidade Federal de Uberlândia Pró-Reitoria de Pesquisa e Pós-Graduação DIRETORIA DE PESQUISA

1 - Arthur Henrique Perini de Medeiros – Bolsista, 2 - Carlos Augusto Bissochi Júnior – Orientador, 3 - Vera Lúcia Donizeti de Sousa Franco – Coordenadora, 4 - João Carlos Mendes Carvalho – Professor Colaborador, 5 - José Jean-Paul Z. S. Tavares – Professor Colaborador.

MELHORIA DOS LABORATÓRIOS DE ENSINO EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL

Arthur Henrique Perini de Medeiros1 Universidade Federal de Uberlândia – Faculdade de Engenharia Elétrica – Av. João Naves de Ávila 2121 arthureletrica@yahoo.com.br Carlos Augusto Bissochi Júnior2 Universidade Federal de Uberlândia – Faculdade de Engenharia Elétrica cabjunior@ufu.br Vera Lúcia Donizeti de Sousa Franco3 Universidade Federal de Uberlândia – Faculdade de Engenharia Mecânica vlfranco@ufu.br João Carlos Mendes Carvalho4 Universidade Federal de Uberlândia – Faculdade de Engenharia Mecânica jcmendes@mecanica.ufu.br José Jean-Paul Z. S. Tavares5 Universidade Federal de Uberlândia – Faculdade de Engenharia Mecânica jean.tavares@mecanica.ufu.br Resumo: O objetivo deste trabalho é apresentar melhorias e modificações ocorridas durante os trabalhos desenvolvidos no Laboratório de Automação Industrial em contribuição com o programa PIBEG (Programa Institucional de Bolsas do Ensino de Graduação), que foi desenvolvido desde outubro de 2008 a outubro de 2009. Com o auxílio de professores o aluno bolsista produziu material didático, impresso e digital, que já está auxiliando professores e graduandos dos cursos de Engenharia Mecatrônica e Engenharia Elétrica, matriculados na disciplina “Automação Industrial – GMR 13”. Palavras-chave: Automação Industrial, Ensino, Engenharia Mecatrônica, Inovação Tecnológica. 1. INTRODUÇÃO

Automação industrial significa reduzir o esforço ou a interferência humana sobre esse

processos industriais ou máquinas e se baseia na aplicação de técnicas, softwares e/ou equipamentos específicos em uma determinada máquina ou processo, com um ponto de vista que aumente sua eficiência, maximize a produção com o menor consumo de energia e/ou matérias primas, reduza a emissão de resíduos de qualquer espécie, e melhore condições de segurança, seja material, humana ou das informações referentes a esse processo.

Neste sentido, este projeto se justifica na necessidade de ações que auxiliem professor e alunos dos cursos de Engenharia Mecatrônica e Elétrica ênfase em Automação e Controle, a terem um melhor aproveitamento das aulas práticas.

A disciplina Automação Industrial, comum aos cursos de Engenharia Elétrica e Mecatrônica, tem como objetivo promover capacitação do aluno, sendo que, ao terminar a disciplina, o aluno estará apto a resolver problemas teóricos e práticos mediante os conceitos ministrados de lógica aplicados à eletropneumática, eletrohidráulica e à hidráulica proporcional. O aluno também será capaz de elaborar circuitos de comando com a devida simplificação utilizando-se de mapas de Karnaugh, estará apto a resolver problemas teóricos e práticos mediante os conceitos de lógica, o que lhes permite aplicar os recursos de automação, através da utilização de controladores lógico programáveis, sistemas supervisórios e outros. Neste projeto foram produzidos materiais didáticos para os tópicos que constituem a ementa da disciplina: Automação de Baixo Custo. Automação por hardware e por software. Automação eletropneumática e eletrohidráulica. Aplicação dos diagramas trajeto-passo e de função aplicados à eletropneumática e eletrohidráulica. Automação eletropneumática e eletrohidráulica. Hidráulica proporcional. Controladores Lógicos Programáveis: componentes e princípio de funcionamento. Linguagens de Programação Estruturada de CLP’s: Diagrama de Contatos - Ladder, Diagrama de Blocos Funcionais SFC (GRAFCET).

Como previsto o aluno bolsista teve a oportunidade de atuar no laboratório, com os equipamentos e ferramentas utilizadas na indústria. O material didático produzido para as aulas práticas da disciplina de Automação Industrial propicia um aprofundamento do aprendizado neste assunto, e também o aprendizado de técnicas de confecção de material didático.

2. DESENVOLVIMENTO

O trabalho foi realizado no Laboratório de Comandos Hidráulicos e Pneumáticos (CHP),

situado na sala 1M127 e Laboratório de Automação Industrial (Laboratórios de Ensino de Mecatrônica) situado no bloco 5H – Campus Santa Mônica da UFU (Universidade Federal de Uberlândia). Com intuito de tornar eficaz desenvolvimento inicial, foi reaproveitada uma apostila manuscrita de eletropneumática, a qual foi digitalizada e incrementada com novos tópicos.

O material elaborado contém uma didática que sugere abrangência na maioria dos assuntos tratados na prática, ou seja, no mercado de trabalho e “chão de fábrica”. Estes tópicos são os seguintes:

• Módulo 1 – Automação de Baixo Custo (Código de Barras) • Módulos 2 e 3– Eletropnemática (Métodos de Projeto) e Mapa de Karnaugh • Módulos 4 e 5 – Controle e Automação por Hardware, Software, CLP (Ladder), e

Grafcet. • Módulo 6 – Supervisão e Controle (Supervisório, Redes Industriais) Buscando mostrar as melhorias advindas com essa metodologia de aulas, este trabalho irá

ilustrar cada módulo descrito acima:

2.1 Módulo 1 - Automação de Baixo Custo (Código de Barras)

Empresas bem sucedidas baseiam suas operações no fluxo de operações. Aplicando e escaneando etiquetas de código de barras nas várias etapas da operação de venda (compra, transporte e distribuição), onde a empresa ganha vantagem competitiva pela possibilidade de melhora todo o processo logístico.

A partir da captura automática da informação por leitura óptica do código de barras em cada unidade logística, pode-se rastrear o movimento físico de mercadorias individualmente, vinculando esse número ao fluxo de informações sobre ele.

A seguir são citadas a seguir algumas vantagens de um sistema automatizado com código de barra:

• Redução do tempo de busca dos produtos estocados;

• O escaneamento de dados exato é automaticamente atualizado no sistema ou banco de dados;

• Auxilia a movimentação de produtos de forma rentável e rápida, a fim de atender às demandas e reduzir os custos de inventário;

• Oferece maior exatidão do pedido e das informações de expedição

A Figura 1 abaixo, ilustra um exemplo de código de barras e a Figura 2, o equipamento eletrônico utilizado para realização da leitura e interpretação do código de barras.

Figura 1: Código de Barras.

Figura 2: Leitor de código de Barras.

2.2 Módulos 2 e 3 - Eletropnemática (Métodos de Projeto) e e Mapa de Karnaugh

Na área de Automação Industrial, um dos segmentos mais utilizados até hoje é sem dúvida o da Pneumática, devido às características de velocidade e força para a realização de tarefas utilizando o ar comprimido como fonte de energia. A automação eletropneumática surge com o intuito de otimizar o controle destas características como força e velocidade do ar comprimido com uso de elementos eletro-eletrônicos como relês, válvulas direcionais solenóides e chaves de contato.

Na arte do projeto de circuitos de comandos pneumáticos e eletropneumáticos existem vários métodos. Os esquemas de comandos podem ser elaborados de acordo com:

• Método intuitivo • Método cascata • Método passo a passo • Diagramas Karnaugh-Veitch

Figura 3: Diagrama Esquemático da Cervejaria e diagrama trajeto passo

Figura 4: Sistema Eletropneumático e Circuito Elétrico de Comando do Processo

As Figuras 3 e 4 acima ilustram um exemplo de aula prática estudado pelos alunos da disciplina GMR-13.

2.3 Módulo 4 e 5 - Controle e Automação por Hardware, Software, CLP (Ladder), e Grafcet. Foram adquiridos diversos equipamentos didáticos, os quais estão sendo utilizados pelo professores e alunos do curso de Engenharia Mecatrônica. A aquisição destes equipamentos foi de suma importância para a melhoria do aprendizado e das condições didáticas dos professores, pois apesar de serem intitulados “didáticos”, estes representam de forma realista uma planta industrial com a maioria de seus componentes. Neste sentido temos atuadores, sensores, controladores (CLPs), supervisórios (softwares de supervisão). As Figuras 5, 6, 7, 8 e 9 a seguir ilustra alguns dos inovadores equipamentos que compõem os kits didáticos da disciplina GMR13 – Automação Industrial.

Figura 5: Controlador Analógico.

Figura 6: Tanque Reservatório

Figura 7: Resistência de Aquecimento

Figura 8: Controlador Lógico Programável

(CLP – modelo eZap900)

Figura 9: Placa de aquisição de sinais

2.3.1 Softwares Em complementação dos trabalhos utilizando os equipamentos, existem dois softwares que são apresentados neste módulo. Diversas configurações foram pesquisadas, implementadas e testadas pela equipe PIBEG neste projeto. O primeiro (LabView) é utilizado juntamente com a placa de aquisição de dados da marca National Instruments. (Figura 10). O segundo software é a peça chave deste módulo, uma aplicação puramente prática do Engenheiro de Automação e Mecatrônica, a elaboração do projeto de controle utilizando um CLP (Controlador Lógico Programável eZap900) marca HI Tecnologia (Figura 11). Estas atividades são vistas pelos alunos e professores como o aprendizado diferencial, pois na indústria moderna estes conhecimentos são de fundamental importância.

Figura 10: Tela de Controle e Supervisão de velocidade – LabView.

Figura 11: Tela de Configuração do projeto –

CLP HI

Figura 12: Tela do editor do diagrama ladder – CLP HI.

Assim é claramente diferenciado distinguido pelos alunos matriculados na disciplina, um software de controle pré-fabricado de um software propriamente criado, ou seja, elaborado para atender todas as expectativas de um projeto de controle industrial. Para atingir esse objetivo o aluno bolsista e a equipe de professores, realizaram experimentos, simulações e inúmeros testes nos equipamentos como mostrado na Figura 12, vislumbrando atingir a excelência na metodologia das aulas. 2.4 Módulo 6 - Supervisão e Controle (Supervisório, Redes Industriais)

Software supervisório ou software de supervisão é uma ferramenta de desenvolvimento de aplicativos que se presta a fazer a comunicação entre um computador e uma rede de automação, e que traz ferramentas padronizadas para construção de interfaces entre o operador e o processo. Níveis hierárquicos de supervisão vêm sendo utilizados em todos os setores industriais.

Figura 13 - Níveis hierárquicos de supervisão.

Os sistemas de automação industrial se tornaram bastante complexos, e neste sentido é

comum que análise dos mesmos seja feita de maneira hierárquica onde cada nível possui suas características, seus atributos e requisitos específicos. A figura acima ilustra a hierarquia, conhecida como a pirâmide de automação industrial. Onde no nível mais baixo encontram-se os processos industriais de uma planta, que ordem ser, por exemplo, motores, robôs, caldeiras e etc. (Figura 13). No nível seguinte, encontram-se os sensores e atuadores, que podem ser, por exemplo, sensores de nível, temperatura, pressão, transdutores, válvulas, inversores de freqüência e etc.

Para apoio a este módulo, são utilizados os equipamentos e softwares anteriores (CLPs, plantas didáticas) e mais outro software, o Supervisório. Foi escolhido um software que é disponibilizado pelo fabricante na internet gratuitamente com tempo de uso de 40 horas. Este é o Indusoft Web Studio 6.1.

Além disso, com o trabalho desenvolvido, os alunos da disciplina GMR13, são capacitados para montar um sistema de controle integrado via rede ethernet, onde, três controladores (CLPs) e três sistemas (plantas didáticas) são supervisionados e controlados através de qualquer microcomputador conectado na rede do laboratório de Automação Industrial. A seguir são ilustrados alguns sistemas supervisórios exemplos e o software de configuração Indusoft Web Studio 6.1, realizados pelo bolsista PIBEG no laboratório de Automação Industrial. As Figuras 14 e 15 abaixo fazem parte da apostila didática gerada a partir deste projeto.

Figura 14: Tela de configuração do Supervisório.

Figura 15: Criação de supervisor de braço robótico.

Como visto na Figura 15, esta é a etapa final do curso de Automação Industrial, no qual os alunos matriculados deparam com o exercício de projetar, controlar e supervisionar um sistema de posicionamento com servo-mecanismo. Este sistema é similar a um braço robótico. È com essa metodologia, voltada integralmente para a formação profissional, que é finalizada as atividades da disciplina Automação Industrial.

3. CONCLUSÃO

Com a realização deste trabalho foi possível desenvolver material didático e organizar as aulas práticas da disciplina GMR13 - Automação industrial pertencente ao elenco das disciplinas obrigatórias dos cursos de Graduação em Engenharia Mecatrônica e Engenharia Elétrica ênfase em Controle e Automação.

As aulas e o material didático de laboratório, aqui desenvolvidos, foram elaborados com as modernas tecnologias presentes nas indústrias automatizadas, proporcionando ao aluno um contato com os equipamentos dentro da Universidade, preparando assim o aluno para enfrentar o exigente mercado de trabalho. Esse é o diferencial oferecido pelas novas aulas de automação industrial.

Além disso, o aluno bolsista teve a oportunidade de trabalhar com novos kits didáticos de automação industrial, adquiridos recentemente e inseridos nas novas aulas práticas da disciplina GMR13. 4. AGRADECIMENTO

Agradeço primeiramente a Deus, aos familiares que me apoiaram e a Universidade Federal

de Uberlândia pela concessão da bolsa PIBEG, pela oportunidade de realizar este trabalho e a todos os professores e colegas que contribuíram para o sucesso deste projeto.

5. BIBLIOGRAFIA [1] Aguirre, L. A., “Introdução á Identificação de Sistemas”. Editora UFMG, 2000. [2] Ogata, K., “Engenharia de Controle Moderno”. Prentice Hall do Brasil”, 3º Ed., 1998. [3] Phillips, C. L., Harbor, R. D. “Sistemas de Controle Realimentados”. Makkron Books do Brasil,

1997 (tradução da versão de 1996 da Prentice Hall). [4] Manual do MatLab. MatWorks, 1999. [5] www.hitecnologia.com.br , HI Tecnologia Indústria e Comércio Ltda, consulta realizada no dia 15/04/2009. [6] Oliveira, R. L.; Schacetti H. A., “Utilização de Blocos de controle PID nos Controladores HI” apostila 2004, revisão 2009. [7] Ourique, F. V.; Scalet, “Recomendações Técnicas para Instalação de CLP's,” apostila 2004,

revisão 2006. [8] Gozzi, E. M.; Ribeiro, I. M. C. “Utilização das Entradas e Saídas Analógicas em Programação

Ladder no SPDSW”, apostila 2005, revisda em 2006

IMPROVEMENT OF LABORATORY TEACHING IN INDUSTRIAL AUTOMATION

Arthur Henrique Perini de Medeiros Federal University of Uberlândia - School of Electrical Engineering - Av João Naves de Ávila 2121 arthureletrica@yahoo.com.br Carlos Augusto Bissochi Federal University of Uberlândia - School of Electrical Engineering cabjunior@ufu.br João Carlos Mendes Carvalho Federal University of Uberlândia – School of Mechanical Engineering jcmendes@mecanica.ufu.br José Jean-Paul Z. S. Tavares Federal University of Uberlândia - School of Mechanical Engineering jeantavares@mecanica.ufu.br Vera Lúcia D. S. Franco Federal University of Uberlândia - School of Mechanical Engineering vlfranco@ufu.br Abstract: The aim of this paper is to present the various improvements and changes during the work in the Hydraulic and Pneumatics Laboratory (CHP), and Industrial Automation Laboratory in contribution to the program Pibeg (Institutional Program Scholarship of Graduate Education), which was developed from October 2008 to October 2009. With the help of fellow student teachers the students produced teaching materials, printed and digital, which is already helping teachers and students of the courses of Mechatronics and Electrical Engineering course at "Industrial Automation - GMR 13". Keywords: Industrial Automation, Education, Mechatronics, Technological Innovation.