Dissertação apresentada à Pró-Reitoria de Pós-Graduação e Pesquisa do Instituto

Tecnológico de Aeronáutica, como parte dos requisitos para obtenção do título de

Mestre em Ciências no Programa de Pós-Graduação em Engenharia Aeronáutica e

Mecânica, Área de Sistemas Aeroespaciais e Mecatrônica.

Tales Gustavo Vieira

PROPOSTA DE UM MÉTODO PARA APLICAÇÃO DE

COMISSIONAMENTO VIRTUAL EM LINHA DE PRODUÇÃO

AUTOMATIZADA

Dissertação aprovada em sua versão final pelos abaixo assinados:

Anderson V. BorilleOrientador

Luiz Carlos Sandoval GóesPró-Reitor de Pós-Graduação e

Pesquisa

Campo Montenegro São José dos Campos, SP – Brasil

2014

Dados Internacionais de Catalogação-na-Publicação (CIP)Divisão de Informação e Documentação

Vieira, Tales GustavoProposta de método para aplicação de comissionamento virtual, inserido a rotina de simulação/ Tales

Gustavo Vieira. São José dos Campos, 2014.Número de folhas no formato 79f.

Dissertação de mestrado – Curso de Engenharia Aeronáutica e Mecânica. Área de Sistemas Aeroespaciais e Mecatrônica – Instituto Tecnológico de Aeronáutica, 2014. Orientador: PhD Anderson V. Borille.

1. Simulação a eventos discretos. 2. Simulação gráfica de robôs. 3. Comissionamento virtual. I. Comando-Geral de Tecnologia Aeroespacial. Instituto Tecnológico de Aeronáutica. Divisão de Engenharia Mecânica-Aeronáutica. II. Proposta de método para aplicação de comissionamento virtual, inserido a rotina de simulação.

REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA

Vieira, Tales G. Proposta de método para aplicação de comissionamento virtual, inserido a rotina de simulação. 2014. 79f. Dissertação de mestrado em Sistemas Aeroespaciais e Mecatrônica – Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos.

CESSÃO DE DIREITOS

NOME DO AUTOR: Tales Gustavo VieiraTÍTULO DO TRABALHO: Proposta de método para aplicação de comissionamento virtual, inserido a rotina de simulação.TIPO DO TRABALHO/ANO: Dissertação de Mestrado / 2014

É concedida ao Instituto Tecnológico de Aeronáutica permissão para reproduzir cópias desta tese e para emprestar ou vender cópias somente para propósitos acadêmicos e científicos. O autor reserva outros direitos de publicação e nenhuma parte desta tese pode ser reproduzida sem a sua autorização (do autor).

________________________________________Tales Gustavo VieiraPça Mal-do-Ar Eduardo Gomes, 50 - Vl. Acácias12228-900 - São José dos Campos - SP

PROPOSTA DE UM MÉTODO PARA APLICAÇÃO DE

COMISSIONAMENTO VIRTUAL EM LINHA DE PRODUÇÃO

AUTOMATIZADA

Tales Gustavo Vieira

Composição da Banca Examinadora:

Prof. Jefferson Gomes Presidente - ITAProf. Anderson V. Borille Orientador - ITAProf.ª Emilia Villani Membro interno – ITAProf. Cristiano Vansconcellos Ferreira Membro externo – UFSC

ITA

Dedico este trabalho a todos que apoiaram em meus estudos acadêmicos.

Agradecimentos

Aos meus pais, Jeferson e Salete, pelos seus esforços ao apoiarem minha educação e

principalmente pela paciência e amor sob todas as circunstâncias.

Ao meu irmão Igor Vieira, aos meus amigos e amigas Yasmim Guimarães, Bruno Trassati,

Guilherme Coracini, Leonardo Paes, Victor Gomes, Juliano Giordani e Rodrigo Portelinha, pela

amizade, carinho, e ajuda em circunstâncias bem inusitadas.

Ao Prof. Luis Gonzaga Trabasso, que transita fácil e naturalmente por diversas áreas da

engenharia, por compartilhar uma parte de seu conhecimento técnico, pela oportunidade oferecida e

pela confiança demonstrada.

Ao Prof. Jefferson Gomes, por me permitir integrar a equipe qualificada do CCM-ITA.

Agradeço pela significante contribuição no meu processo de formação profissional.

Aos meus colegas e amigos do CCM-ITA pela troca de conhecimentos e pelo ótimo ambiente

de trabalho.

Resumo

O sistema de controle é um componente essencial no ciclo de desenvolvimento de sistemas de

automação industrial, sendo a verificação do programa uma etapa essencial. A detecção de erros

ainda na fase de projeto é muito importante, pois o custo de correção na fase final de

desenvolvimento ou após a implementação do sistema é significativamente mais elevado do que nas

fases iniciais do projeto. As células de Manufatura atuais são constituídas de dispositivos

mecatrônicos de toda ordem como robôs e sistemas de movimentação controlados por um sistema

de controle, usualmente controladores lógicos programáveis (CLP). A maioria das empresas

depende de mais de um fornecedor para desenvolvimento de seus projetos e a concepção de uma

célula de produção. A falta de todos os componentes restringe os testes do sistema de controle para

a etapa final do projeto. Os testes para verificação e a validação de uma célula é o

comissionamento, é nessa fase onde é feito os últimos ajustes do programa de controle da

sequência. Uma alternativa para a validação do sistema de controle é o comissionamento virtual,

onde é possível desenvolver e testar o programa responsável pelo controle de linhas na fase do

planejamento, e assim diminuir o tempo de execução do projeto. O comissionamento virtual exige a

integração de diferentes tecnologias, a exemplo da programação de CLP (Controlador Lógico

Programável), comunicação de dispositivos com o protocolo OPC (OLE for Process Control), a

simulação de uma linha de produção, além do projeto de dispositivos e ferramentas que podem ser

elaborados por meio de aplicativos CAD (Computer Aided Design). O comissionamento virtual

pode avaliar o funcionamento completo de uma linha de montagem, tanto simulando processos em

ambiente digital, quanto testando equipamentos e ferramentas reais, integrados num sistema que

compartilha os sinais dos sensores e atuadores com a simulação no computador de forma a

apresentar os requisitos das tecnologias envolvidas.

Nesse cenário este trabalho apresenta uma proposta de um método para aplicação de

comissionamento virtual em linhas de produção automatizadas, ou seja, um passo a passo de

simulação utilizando o comissionamento virtual (CV) para a antecipação das etapas dos testes do

programa supervisório, com aplicação simultânea entre o sistema de controle e os componentes dos

modelos computacionais. Para isto, inicialmente, será apresentada uma revisão da literatura sobre

temas relativos à comissionamento virtual, na sequência a proposição do método e sua aplicação. E,

finalmente, as conclusões sobre o trabalho.

Abstract

The control system is an essential component in the development of industrial automation

cycle, and the verification program an essential step. The error detection still in the design phase is

very important because of the fact that the cost of correction in the final stage of development or

after deployment of the system is significantly higher than in the early stages the project.

Nowadays, manufacturing cells are consisted of mechatronic devices of all kinds, as robots and

handling systems controlled by a control system, usually programmable logic controller (PLC).

Most companies depends on more than one supplier for the project and conception of a production

cell, which results in a restriction of the tests on control system for the final stage of the project. The

final installation step of a cell is commissioning, and at this step the finals adjustments of the

sequence control program are made. An alternative for the control system validation is the virtual

commissioning, where is possible to develop and test the program responsible for the control lines

in the planning stage, and so reduce the project execution time. Virtual commissioning requires the

integration of different technologies, such as the PLC (Programmable Logic Controller) program,

communication devices with OPC (OLE for Process Control) protocol, the simulation of a

production line, besides the project of devices and tools that can be developed by CAD (Computer

Aided Design) applications. Virtual commissioning can evaluate the complete functioning of an

assembly line, simulating processes in the digital environment as much as testing real equipment

and tools integrated into a system that shares the signals of the sensors and act with computer

simulation, in order to present the requirements of the technologies involved.

In this scenario, this work presents an example of a method for virtual commissioning

applications in automated production lines, that is, step by step simulation using the virtual

commissioning (VC) for the anticipation of the steps of the supervisory program tests with

simultaneous application between the control system and the components of the computer models.

For this, initially, a review of literature on topics related to virtual commissioning, following the

proposition of the method and its application will be displayed. And finally, the conclusions on the

job.

Lista de Figuras

Figura 2.1 Sistema Integrados Fonte: (KLETI, 2007)........................................................................17

Figura 2.2 Comparativo do tempo de planejamento..........................................................................18

Figura 2.3 Manufatura digital inserida no ambiente PLM.................................................................19

Figura 2.4 Modelo de linha de manufatura em U. Fonte: (Gomes, 2010).........................................21

Figura 2.5 Principais atividades a serem cobertas pelos sistemas no ambiente de Manufatura Virtual

(Porto & Souza, 2002)........................................................................................................................22

Figura 2.6 Atividades básicas do Planejamento do Processo. Fonte: Halevi &Weill (1995)............23

Figura 2.7 Demonstração e validação ergométrica............................................................................24

Figura 2.8 Processo de melhoria continua. Fonte (GOMES, 2010)...................................................26

Figura 3.9 Exemplo de Comissionamento virtual. Fonte Siemens PLM Connection 2013...............34

Figura 3.10 Comissionamento virtual acoplada à simulação a eventos discretos. Fonte Siemens... .35

Figura 3.11 Proposta de posicionamento do comissionamento virtual para a programação de

sistemas de controle. Fonseca et al (2008).........................................................................................37

Figura 3.12 Representação do software in the loop (SIL) x hardware in the loop (HIL). Fonte (Liu

Z. et al 2012)......................................................................................................................................39

Figura 3.13 Mapa de configuração OPC. Fonte Bangsow et al. (2012).............................................39

Figura 3.14 Atribuição de sinais lógicos aos componentes virtuais...................................................40

Figura 3.15 Valores lógicos dos sinais dentro do ambiente de simulação virtual..............................41

Figura 4.16 fluxograma proposto para o ciclo de desenvolvimento de sistemas automatizados de

produção.............................................................................................................................................44

Figura 5.17. Manipulador robótico com seis graus de liberdade.......................................................56

Figura 5.18 Projeto conceitual do sistema de retirada da embalagem do magazine..........................57

Figura 5.19 Projeto conceitual do sistema de retirada da embalagem com as tampas.......................58

Figura 5.20 Projeto conceitual do sistema de dobra...........................................................................59

Figura 5.21 Principais posições..........................................................................................................59

Figura 5.22 Exemplo de diagrama de conexões pneumáticas............................................................61

Figura 5.23 Sequência de etapas........................................................................................................62

Figura 5.24 Sequência de etapa 1.......................................................................................................63

Figura 5.25 Sequência de etapa 2.......................................................................................................63

Figura 5.26 Sequência de etapa 3.......................................................................................................64

Figura 5.27 Sequência de etapa 4.......................................................................................................64

Figura 5.28 Sequência de etapa 5.......................................................................................................65

Figura 5.29 Sequência de etapa 6.......................................................................................................65

Figura 5.30 Sequência de etapa 7.......................................................................................................66

Figura 5.31 Comissionamento virtual a nível de linha de produção do projeto de acondicionamento

de tampas............................................................................................................................................67

Figura 5.32 Comissionamento virtual a nível de sistema de produção do projeto de

acondicionamento de tampas..............................................................................................................68

Figura 6.33 Comissionamento virtual e o abastecimento do banco de dados....................................13

Lista de Tabelas

Tabela 2.1 Conceptualização da melhoria continua. Fonte (Gomes, 2010).......................................25

Tabela 3.2 Modelos de comissionamento. Fontes: Auinger et al., 1999; Hoffmann et al., 2010;

Makris et al. 2012...............................................................................................................................31

Tabela 3.3 Vantagens e desvantagens................................................................................................42

Tabela 4.4 Resumo da Etapa 1- Definir o Projeto..............................................................................46

Tabela 4.5 Resumo da Etapa 2- Analisar o Estado Atual..................................................................47

Tabela 4.6 Resumo da Etapa 3- Elaborar o Modelo Computacional/ Elaborar o Sistema de Controle.

............................................................................................................................................................50

Tabela 4.7 Resumo da Etapa 4- Implementar a Solução Otimizada..................................................51

Tabela 5.8 Sinais criados no ferramental modelado...........................................................................60

Lista de Siglas

2D Two – dimensional

3D Three – dimensional

CAD Computer Aided Design (Desenho Assistido por Computador)

CAE Computer Aided Engineering (Engenharia Assistida por Computador)

CAM Computer Aided Design (Manufatura Assistida por Computador)

CCM Centro de Competência em Manufatura

CLP Controlador Lógico Programável

CNC Controle Numérico Computadorizado

DIP Desenvolvimento Integrado de Produtos

HIL Hardware in the Loop

HW Hardware

IHM Interface Homem Máquina

ISO International Organization for Standardization (Organização Internacional para

Padronização)

ITA Instituto Tecnológico de Aeronáutica

LAME Laboratório de Montagem Estrutural de Aeronaves

MD Manufatura Digital

OLE Object Linking and Embedding

OPC OLE for Process Control

PLM Gerenciamento do ciclo de vida do produto

RIL Reality in the Loop

SED Simulação de Eventos Discretos

SIL Software in the Loop

Sistema CAx

Termo que descreve um vasto uso da tecnologia informática para auxiliar na

concepção, análise e fabricação de produtos

STP Sistema Toyota de Produção

SW Software

TCP/IP Conjunto de protocolos de comunicação entre computadores em rede (Transmission

Control Protocol e Internet Protocol)

TI Tecnologia da Informação

VDW Associação Alemã de Fabricantes de Máquinas-Ferramenta

Sumário

1 Introdução...................................................................................................................................12

1.1. Objetivo..................................................................................................................................14

1.2. Proposta Metodológica...........................................................................................................15

1.3. Estrutura do trabalho..............................................................................................................15

2 Revisão Bibliográfica.................................................................................................................17

2.1. Manufatura Digital.................................................................................................................17

2.2. Requisitos para modelos de produção....................................................................................20

2.3. Tipos de Manufatura Digital..................................................................................................22

2.4. Melhoria continua...................................................................................................................25

2.5. Requisitos de simulações........................................................................................................26

3 Processo de Comissionamento...................................................................................................30

3.1. Comissionamento Virtual.......................................................................................................32

3.2. Aplicação do Comissionamento Virtual.................................................................................33

3.2.1. Comissionamento de máquina ou de equipamentos individuais.........................................33

3.2.2. Comissionamento de linha de produção..............................................................................33

3.2.3. Comissionamento de sistema de produção..........................................................................34

3.2.4. Modelagem..........................................................................................................................35

3.2.5. Ambiente de Programação...................................................................................................36

3.2.6. Software in the loop e Hardware in the loop.......................................................................38

3.2.7. OPC......................................................................................................................................39

3.2.8. Conexão entre CLP e planta................................................................................................40

3.3. Vantagens e Desvantagens.....................................................................................................41

3.4. Considerações sobre a revisão da literatura...........................................................................42

4 Método Proposto para Comissionamento de Sistemas Automotizados de Produção................43

4.1. Etapa 1 – Definir o Projeto.....................................................................................................45

4.2. Etapa 2 – Analisar o Estado Atual..........................................................................................46

4.2.1. Mapear o processo...............................................................................................................46

4.2.2. Coletar Dados Operacionais................................................................................................47

4.2.3. Identificar oportunidades de melhoria e elaborar planos de ação........................................47

4.3. Etapa 3 - Elaborar o Modelo Computacional/ Elaborar o Sistema de Controle.....................48

4.3.1. Comissionamento Virtual de máquina.................................................................................48

4.3.2. Comissionamento Virtual da linha de produção..................................................................49

4.3.3. Comissionamento Virtual do sistema de produção.............................................................50

4.4. Etapa 4 – Implementar a Solução Otimizada.........................................................................51

4.5. Considerações sobre o método proposto................................................................................51

5 Aplicação do método proposto...................................................................................................53

5.1. Etapa 1 – Definir o Projeto.....................................................................................................53

5.2. Etapa 2 – Analisar o Estado Atual..........................................................................................54

5.2.1. Mapear o processo analisado...............................................................................................54

5.2.2. Coletar dados operacionais..................................................................................................55

5.2.3. Identificar oportunidades de melhoria e elaborar plano de ação.........................................55

5.3. Etapa 3 - Elaborar o Modelo Computacional/ Elaborar o Sistema de Controle.....................57

5.3.1. Comissionamento Virtual a nível de máquina.....................................................................57

5.3.1.1. Sinais de comunicação.....................................................................................................60

5.3.2. Comissionamento Virtual a nível de linha de produção......................................................61

5.3.3. Comissionamento Virtual a nível de sistema de produção..................................................68

5.1. Considerações sobre o estudo de caso....................................................................................69

6 Conclusão...................................................................................................................................12

6.1. Trabalhos futuros....................................................................................................................14

12

1 Introdução

Devido à forte concorrência nos diversos setores da economia, as empresas devem buscar o

aumento contínuo de sua eficiência, para que permaneçam competitivas (Gomes, 2010). Para

garantir essa competitividade, é necessário um grande investimento em novas tecnologias. Nesse

sentido, a automação de processos produtivos tem se mostrado bem útil às empresas na busca por

melhor eficiência a baixo custo (Aguiar, 2009). Essa mudança de cenário nos sistemas de fabricação

tem gerado linhas cada vez mais complexas que consistem em diferentes elementos, tais como:

armazenamento, magazines, transportadores, sistemas de manuseio e de transporte, usinagem e

montagem de ferramentas, robôs, sistemas de controle e de IHM (Interface Homem Máquina)

(Gomes, 2010).

Para adquirir melhor performance do sistema de fabricação faz-se necessário o uso de algumas

ferramentas. A manufatura digital se destaca por ser o uso de um integrado de instrumentos de

apoio à concepção de ferramentas, desenho de processos de fabricação, visualização, simulação e

outras análises necessárias para otimizar o processo de fabricação (Gomes, 2010). Segundo Aguiar

(2009) a manufatura digital pode ser definida como a utilização de plataformas computacionais para

descrever e analisar cada aspecto do processo de projeto e de manufatura, incluindo ferramentas de

CAD (Desenho Assistido por Computador), CAM (Manufatura Assistida por Computador),

simulação discreta e simulação 3D. A manufatura digital tornou-se uma filosofia que abrange toda a

cadeia produtiva, ou seja, é utilizada para aumentar a qualidade dos produtos e diminuir o ciclo de

vida (Aguiar, 2009).

Apesar da manufatura digital já ser uma ferramenta consolidada, ainda há uma fronteira na

forma de se transportar com eficiência os estudos e as análises dos processos de produção no

ambiente virtual para o ambiente real. Para a verificação do projeto mecânico, da geometria e da

cinemática uma simulação 3D é o suficiente. Nesse cenário, os programas de CAD passaram a

incorporar ferramentas de simulação de tarefas e sistemas produtivos. Carlsson et al. (2012) observa

que uma das funcionalidades das ferramentas da manufatura digital é o comissionamento virtual,

que consiste na integração da simulação do processo com o sistema de controle real ou um

simulador com o objetivo de verificar o funcionamento da lógica de controle antes da instalação da

célula de manufatura com seus diversos componentes. É possível aplicar o comissionamento virtual

na especificação de um mecanismo automatizado, mas a principal aplicação da técnica é executada

em células de manufatura.

13

Segundo Hoffmann et al (2010) o desenvolvimento de um sistema de produção, em geral,

compreende várias fases: Projeto de instalações, engenharia mecânica, engenharia elétrica e

engenharia de automação (programação de robôs, Controlador Lógico Programável e Interface

Homem Máquina), e que são muitas vezes executadas sequencialmente. Existem diferentes

ferramentas para desenvolvimento e engenharia, muitas vezes com simulação integrada, no entanto,

há grandes problemas em relação à troca de dados entre as diferentes fases de engenharia e as

diferentes ferramentas associadas.

Convencionalmente os testes de integração do sistema de fabricação só podem ser feitos após

comissionamento estar pronto, ou seja, somente depois que todos os equipamentos estarem

devidamente instalados e funcionando. Consequentemente um número considerável de problemas

de projeto e falhas não podem ser detectados antes da primeira inicialização do sistema. Em geral,

isso leva a medidas corretivas, que consomem tempo e dinheiro, e que resultam em atrasos e

aumento de custos para todas as partes envolvidas, Hoffmann et al (2010).

Segundo Hossain e Semere (2013), a maioria das companhias depende de vários fornecedores

para o projeto e da concepção de uma célula automatizada de produção. 70% do tempo do

comissionamento de uma célula é gasto com correção de erros do programa de controle. Outro

agravante é que a maioria desses erros só aprece na etapa final de comissionamento dos

automatismos com o sistema de controle, fase em que normalmente os prazos e orçamentos estão no

limite.

Hoffmann et al. (2012) posiciona o comissionamento virtual dentro do fluxo de

desenvolvimento de uma célula automatizada após a programação off-line dos robôs e antes da

instalação física da célula. O comissionamento virtual é uma etapa posterior e dependente da

especificação dos equipamentos que compõem a célula de manufatura.

Para Bangsow et al. (2012) entre a prontidão para o funcionamento das máquinas individuais e

os testes funcionais dos segmentos da linha, necessita-se geralmente de uma grande quantidade de

tempo pelas seguintes razões:

A integração de automação normalmente só começa após todos os componentes do

sistema e as máquinas estarem configuradas e funcionando. Normalmente, a construção

de automação só começa quando as máquinas individuais são instaladas.

14

A programação/personalização do controle iniciará somente após o término da

construção do hardware de automação.

Programas mal elaborados que levam a um longo período de tentativa e erro.

1.1. Objetivo

O objetivo desta dissertação é propor um método para realizar o comissionamento virtual em

sistemas de produção automatizados. Este método integra técnicas de modelagem, simulação

gráfica 3D de robôs e simulação a eventos discretos alinhados com um sistema de controle.

Para a consecução do objetivo geral, são definidos os seguintes objetivos específicos:

Obter um embasamento teórico sobre processo de manufatura e simulação de leiautes

fabris, por meio de uma ampla revisão bibliográfica que contemple os aspectos

envolvidos nestes processos;

Analisar os trabalhos realizados na área de simulação, relacionados às atividades

inerentes à manufatura;

Modelar e simular uma célula de manufatura de uma empresa e analisar os resultados

apresentados pela simulação;

Evidenciar a importância da utilização de técnicas de simulação e comissionamento

virtual em projetos de implementação da automação em processos de manufatura, como

base para a tomada de decisão.

Como resultado, espera-se que o método permita diminuir o tempo de mudança ou

implementação de uma nova linha, verificação de falhas no sistema de controle, validação dos

controladores e checagem dos sistemas de segurança. Muitos erros no projeto ocorrem durante a

fase de implantação da linha devido a divergências com o planejado e o executado. Esses erros

agregam gastos desnecessários ao projeto, podendo assim torna-lo inviável.

15

1.2. Proposta Metodológica

Este trabalho trata da formalização de um método de simulação voltada ao comissionamento

virtual aplicado a uma abordagem de automação industrial. Para isto, inicialmente, será realizada

uma revisão da literatura, onde serão abordados os conceitos de:

Modelagem de Produto;

Modelagem de Processos;

Simulação a eventos discretos;

Programação;

Comissionamento virtual.

Para relacionar esses conceitos é realizada uma pesquisa sobre diversas referências (livros,

artigos técnicos e informações disponíveis na internet) onde é possível fundamentar a teoria e

analisar aplicações de métodos de simulação e comissionamento virtual.

Na sequência, com base nas informações levantadas será proposto um método para realizar o

comissionamento virtual. E, finalmente, será realizada a aplicação em um caso real, visando a

avaliação do método proposto.

1.3. Estrutura do trabalho

Este trabalho é constituído de seis capítulos, que são brevemente descritos a seguir, com

exceção deste primeiro que constitui a introdução.

Capítulo 2 – Revisão bibliográfica - Apresenta a revisão sobre o processo de simulação,

abordando aspectos sobre aplicação na indústria, terminologia da área e classificação de modelos

computacionais.

Capítulo 3 – Processo de comissionamento - Apresenta a revisão sobre o processo de

comissionamento, abordando as diferentes formas de comissionar um sistema, e os requisitos para

aplicação.

16

Capítulo 4 – Método proposto - Descreve o método elaborado para a aplicação de simulação

com o comissionamento virtual em projetos de automação de sistemas de manufatura.

Capítulo 5 – Aplicação do Método - Apresenta a aplicação do método, por meio de um estudo

de caso realizado em uma empresa de manufatura, e apresenta os resultados obtidos.

Capítulo 6 – Conclusões - Apresenta a análise e as considerações, baseadas nos resultados e

experimentos. Também contém conclusões a respeito de todo o trabalho realizado e de suas

contribuições para esta área da engenharia. Por fim, apresenta uma proposta para novos trabalhos

que aprofundem os avanços em conhecimento.

17

2 Revisão Bibliográfica

Este capítulo contém uma revisão bibliográfica sobre alguns tópicos relacionados à simulação

e automação. O capítulo se inicia com uma introdução sobre manufatura digital e a forma com que

se utilizam as ferramentas digitais no desenvolvimento de sistemas de manufatura. Em seguida será

apresentado o conceito de comissionamento, ressaltando os diferentes tipos de se comissionar um

sistema de manufatura e o papel do CV (Comissionamento Virtual) no desenvolvimento de novas

linhas de produção automatizadas.

2.1. Manufatura Digital

A manufatura digital é um conceito que vem sendo empregado pelas organizações com a

finalidade de evoluir seus processos, tendo em vista disponibilizar ao mercado produtos com maior

valor tecnológico agregado. Através de um conjunto de ferramentas que deverão proporcionar um

novo método na concepção de produtos e projetos.

Com a necessidade crescente em reduzir o tempo de desenvolvimento de novos produtos,

adequação ou planejamento da linha e de toda a cadeia de suprimento e logística, as organizações

necessitam das integrações de seus recursos em diversas funções de negócios e sistemas. A

existência de diversos sistemas integrados acaba por complicar a troca de informações, a qual é vital

para o desenvolvimento rápido e eficiente. A Figura 2.1 mostra a diversidade desses sistemas e sua

posição dentro de uma organização.

Figura 2.1 Sistema Integrados Fonte: (KLETI, 2007)

18

O ambiente de ferramentas digitais auxilia o planejamento de processos, produto e produção

proporcionando às organizações um aumento em sua ilha de produtos e serviços. Com um

planejamento mais homogêneo e com menos tempo, a manufatura digital pode ser considerada

como parte estratégica da organização. A Figura 2.2 mostra como as ferramentas da manufatura

digital auxiliam o planejamento diminuindo erros e custo para o mesmo.

Figura 2.2 Comparativo do tempo de planejamento

As organizações têm a necessidade de integração para aumentar a sua competitividade e uma

das formas de atender essa demanda é utilizando a manufatura digital. Esta faz parte da abordagem

do PLM, que faz a integração do ciclo de vida do produto com as estratégias de negócios das

organizações, pois os produtos tendem a ter desafios tecnológicos cada vez maiores.

(CHRYSSOLOURIS, MAVRIKIOS, & MOURTZIS, 2009).

A manufatura digital consiste em um conjunto de ferramentas que integram o

desenvolvimento do produto, planejamento do processo de manufatura e planejamento de sistemas

de segurança. Esta integração é feita através de um ambiente virtual dinâmico por meio de

simulações de duas dimensões (2D) e/ou três dimensões (3D).

19

Todas as ferramentas de manufatura digital consistem em criar cenários de simulação tais

como: Leiaute de plantas fabris, linhas de produção, processo de manufatura (célula de produção),

fluxo de materiais, simulação humana e simulação de dispositivos de automação e segurança. Com

esses cenários é possível criar modelos hipotéticos a fim de analisar o impacto de mudanças nos

processos ou fluxos. A Figura 2.3 mostra a área de atuação da manufatura digital dentro do PLM

(Gerenciamento do ciclo de vida do produto).

Figura 2.3 Manufatura digital inserida no ambiente PLM.

Sendo uma parte do PLM, a manufatura digital fornece apoio em distintas áreas como:

desenvolvimento do produto, cadeia de suprimentos, engenharia de processos e logística. Portanto,

há um aperfeiçoamento na criação de novos produtos devido à integração no planejamento: os

produtos podem ser liberados ao mercado consumidor em menor tempo (Time-to-Market), o tempo

de fabricação diminui (aumenta a eficiência dos processos) e há uma promoção de inovação e

melhorias nos processos de manufatura e nos produtos.

A manufatura digital pode ser utilizada como um sistema estratégico, pois tem a flexibilidade

para se trabalhar em níveis estratégicos. Segundo (GRIEVES, 2006) a manufatura digital é uma

abordagem que integra pessoas, processos, práticas de trabalho, tecnologias e informações.

Utilizando à manufatura digital, as organizações conseguem atingir os seguintes resultados

(CHRYSSOLOURIS, MAVRIKIOS, & MOURTZIS, 2009):

20

Reduzir o custo e o tempo de desenvolvimento de novos produtos ou processos,

tornando-os mais viáveis;

Integrar áreas distintas (interdisciplinares) de conhecimentos pertencentes à organização,

assim podendo elevar o valor e nível tecnológico do produto ou processo;

Integrar o processo de manufatura descentralizada, devido à crescente demanda de

produtos diferenciados, deixando a organização mais competitiva no mercado;

Criar trabalhos de manufatura por competência que consistem em focar plantas fabris em

seu objetivo (core competences), assim criando uma rede de colaboração mais eficiente

em sua cadeia de suprimentos e colaboradores;

Integrar engenharias, que consiste em utilizar experiências de diferentes zonas

(geográfica, funções da organização ou compartilhamento de informações entre

organizações) a fim de criar uma colaboração que fortaleça a tecnologia do produto ou

processo no mercado.

A utilização de um ambiente de manufatura digital provém das necessidades das organizações,

que podem ser influenciadas por motivos internos e externos relacionados a características de

métodos de trabalho, tecnologias e inovação. Para que as ferramentas de manufatura digital

atendam às necessidades das organizações é necessário ter o domínio sobre alguns requisitos de

produção.

2.2. Requisitos para modelos de produção

Surgida no Japão na década de 50, o Sistema Toyota de Produção (STP) ou manufatura

enxuta, consiste em eliminar desperdícios na linha de manufatura. Segundo Gomes (2010) o STP

engloba:

Just-in-time - Tem como objetivo eliminar quaisquer processos que não agreguem valor

ao produto (Ohno, 1997).

Jidoka - A manufatura enxuta engloba a automatização humanizada, no qual consiste em

utilizar maquinas em processos com a finalidade de encontrar inconformidades com o

projeto do produto (Gomes, 2010).

21

A definição do leiaute é de extrema importância quando se utiliza manufatura enxuta. O

leiaute que apresenta melhores resultados é conhecido como formato U, onde a entrada e saída se

encontram lado a lado conforme mostra a Figura 2.4.

Figura 2.4 Modelo de linha de manufatura em U. Fonte: (Gomes, 2010)

A definição do modelo de produção tem como objetivo trabalhar em conformidade com

teorias de produção largamente aceitas mundialmente. O ambiente virtual da manufatura digital

consegue trabalhar de forma complementar aos tópicos relacionados.

2.3. Tipos de Manufatura Digital

Podemos dividir a manufatura digital em 4 grandes categorias, sendo cada uma delas

independentes mas interligadas. Cada categoria possui seu suíte próprio de ferramentas, que

22

proporciona volumes de informações e dados. Juntos compõem a manufatura digital. Conforme

mostra a Figura 2.5 as categorias existentes na manufatura digital.

Figura 2.5 Principais atividades a serem cobertas pelos sistemas no ambiente de Manufatura Virtual (Porto & Souza,

2002).

Planejamento de processo: Este sistema proporciona um ambiente onde é possível

realizar o planejamento todo ou parcial do processo de produção, facilitando a

identificação todos os elementos que definem o produto. Nesta categoria é possível

verificar as necessidades geométricas, o consumo de insumos, planejar a manutenção e a

troca de equipamentos. Para realizar o planejamento do processo é necessário seguir um

padrão para que os dados geridos pela manufatura digital funcionem adequadamente,

conforme mostra a Figura 2.6.

23

Figura 2.6 Atividades básicas do Planejamento do Processo. Fonte: Halevi &Weill (1995).

Gerenciamento de Recursos: Os recursos são fundamentais para que a organização

realize seu objetivo primário. No contexto de recursos da manufatura digital se encaixam

itens como: Máquinas CNC, máquinas manuais, célula de fabricação, espaço físico,

dispositivos de suporte, requisitos de mão de obra. Com estas informações é possível

avaliar quais recursos estão sendo subutilizados, gerenciar ferramentas e produtos.

Programação CN: Devido à complexidade de muitos produtos, o mesmo deve ser

desenhado e simulado em um software especifico para que todos os parâmetros sejam

relacionados e testados em um ambiente 3D a fim de que sejam descartadas as rotas com

colisões. Com este tipo de ferramenta é possível que variáveis sejam testadas sem

apresentar risco físico para os equipamentos. Com ferramentas de análise é possível

aperfeiçoar processos existentes, melhorando a capacidade produtiva do mesmo.

Validação: A validação é um dos processos que se destaca na manufatura digital, pois

pode ser realizada utilizando simulação 3D, comissionamento virtual e simulação de

eventos discretos. A utilização da simulação desta etapa é muito empregada no setor

automobilístico, pois a grande variedade de produtos e suas características distintas

tornam cada mudança um processo complexo, fazendo da simulação uma possibilidade

24

de validar o processo antes de construir um modelo físico. A validação pode ser feita por

simulações de sistema de manufatura, simulação de processos de manufatura, simulação

de sistemas mecânicos e simulação de elementos finitos. A Figura 2.7 mostra uma

validação ergométrica de uma operação específica, mostrando como a validação pode se

tornar uma parte estratégica para a organização.

Figura 2.7 Demonstração e validação ergométrica

A utilização da manufatura digital depende de diversos fatores, um deles é uma equipe

multidisciplinar, pois a variedade de ferramentas disponíveis e suas aplicações distintas constituem

uma ferramenta complexa e poderosa. Uma vantagem em utilizar estes suítes de ferramentas é a

criação bibliotecas e padrões de trabalho, facilitando os trabalhos futuros e evitando erros e

retrabalhos. Desta forma, a agilidade em projetar processos e produtos novos fica evidente.

25

2.4. Melhoria continua

O processo de melhoria continua tem como foco estudar os processos de manufatura. O

objetivo deste método é aumentar a competitividade da organização no mercado utilizando

melhorias continuas nos processos de manufatura. A Tabela 2.1 mostra diferentes abordagens do

mesmo assunto. Principais atividades a serem cobertas pelos sistemas no ambiente de Manufatura

Virtual (Porto & Souza, 2002).

Tabela 2.1 Conceptualização da melhoria continua. Fonte (Gomes, 2010)

AUTORES DENOMINAÇÃO

DEFINIÇÃO

IMAI (1994) Filosofia

A filosofia kaizen (melhoria contínua) envolve todos os colaboradores de uma corporação. Segundo suas diretrizes, o modo de vida – seja no

trabalho, na sociedade ou em casa – merece ser constantemente melhorado.

BESSANT (1999) ProcessoMelhoria contínua é um processo amplo focado e sustentado pela inovação

incremental e contínua.

CAFFYN (1999) HabilidadeA competência em melhoria contínua é a habilidade de uma organização

em conseguir vantagem estratégica estendendo a participação na inovação a uma proporção significativa de seus membros.

TERZIOVSKI

& SOHAL (1999)

EstratégiaO kaizen é dirigido para a melhoria contínua com ênfase no cliente. Consequentemente, supõe-se que suas atividades devem atuar para o

aumento da satisfação do cliente.

DAVIDSON et

al. (2005)Atividade

Melhoria contínua é uma atividade dentro de um negócio visando melhorar a competitividade com a redução de custo de fabricação e tempo

de produção.

WU & CHEN (2005) FormaA aplicação da melhoria contínua é a melhor forma para se conduzir uma

empresa com atividades efetivas, proporcionando a ela maior competitividade.

BHUIYAN & BAGHEL (2005)

CulturaMelhoria contínua é uma cultura da melhoria sustentada que objetiva a

eliminação do desperdício em todos os sistemas e processos de uma organização.

Segundo (Gomes, 2010) existem alguns pontos básicos para utilização da melhoria continua

como:

Compreensão do processo de manufatura por meio do seu mapeamento, com o intuito de

tangenciar as variáveis que o influenciam. Somente com a compreensão total do

processo é possível implementar melhorias;

26

Pensar como cliente. Todos os esforços de melhoria devem focar no aperfeiçoamento

dos processos que agregam o valor que o cliente necessita;

Definição de meta. O processo de melhoria continua deve ter uma meta tangível, pois,

ela definirá prioridades nas alterações dos projetos e produtos.

A melhoria contínua necessita de diversas ferramentas para que seja executada de forma

correta. A utilização de ferramentas de manufatura digital oferece suporte para que sejam realizadas

as operações de melhoria contínua, tendo em vista que é possível simular processos de manufatura e

extrair resultados, reduzindo impactos negativos de se fazer experimentações na linha de produção.

Figura 2.8 Processo de melhoria continua. Fonte (GOMES, 2010)

A Figura 2.8 mostra as etapas do processo de melhoria contínua. Isso mostra que a utilização

desta ferramenta deve ser empregada continuamente em todos os processos. Todo processo pode e

deve ser melhorado, visando a melhor eficiência.

2.5. Requisitos de simulações

A simulação é um ponto chave da manufatura digital. A simulação consiste em um conjunto

de métodos utilizados para análise de vários modelos, hipotéticos ou reais mediante softwares

(LAW, 1991). A utilização de simulação é importante por possibilitar a criação de cenários

hipotéticos a fim de realizar testes com variações distintas.

27

Com o avanço da computação, os modelos de simulação estão conseguindo atingir níveis de

fidelidade do objetivo simulado. Essa fidelidade se dá pela razão do número de variáveis

computadas em uma simulação.

Existem diferentes tipos de simulações, cada uma é utilizada para funções distintas. Esta

classificação se realizada pela utilização e manuseio das variáveis utilizadas no modelo (LAW,

1991). Os tipos de simulação são segundo Gomes (2010):

Simulação Estática: Este tipo de simulação baseia-se no fato de que cada variável não

tem seu valor alterado ao decorrer do tempo, sendo assim seus valores são absolutos.

Este tipo de simulação é comumente utilizado, por exemplo, para identificar colisão no

trajeto do robô em um sistema de manufatura;

Simulação Dinâmica: Esta simulação permite que cada variável altere sou valor no

decorrer do tempo. Está simulação é utilizada para simular sistemas de manufatura por

permitir mais fidelidade ao sistema real;

Simulação Determinística: Neste tipo de simulação, cada variável tem seu valor

determinado na construção do modelo. Neste caso cada repetição da simulação irá

fornecer o mesmo resultado;

Simulação Estocástica: Está simulação determina valores para as variáveis de acordo

com uma faixa de distribuição pré-definida, sendo assim cada repetição da simulação

apresentara resultados diferentes, mas pertencentes à mesma dispersão.

Na manufatura digital pode-se utilizar um tipo de simulação ou uma combinação de

simulações. Cada tipo de simulação serve para atender uma demanda específica, por isso a escolha

da abordagem da simulação no projeto é algo crucial para as demais fases.

Os sistemas de simulação para suporte às atividades de manufatura digital podem ser

distribuídos em quatro grandes grupos (PORTO, 2000):

Simulação de sistemas de manufatura: simulação utilizada para analisar um conjunto de

processos de manufatura;

28

Simulação de processos de manufatura: simulação serve para avaliar o comportamento

de diferentes componentes na execução de um determinado processo;

Simulação de sistemas mecânicos: utilizado para estudar a cinemática de um

determinado componente que irá ser utilizado no processo de manufatura;

Simulação de elementos finitos: avalia as restrições mecânicas e geométricas de

dispositivos mecânicos.

Os aplicativos de software de simulação de sistemas de manufatura incluem, segundo (Porto,

2000):

Processos de fabricação e de montagem, os quais fornecem um método sistemático para

o projeto de fábrica (criação, análise e apresentação visual do modelo), habilitando a

engenharia simultânea de toda a fábrica. Pode-se citar, como exemplos, o Tecnomatix

Process Designer® da Siemens e o DELMIA Process Enginer da Dassault;

Análise de fluxo de material e leiaute de fábrica, integrando desenhos de fábrica e

caminhos do fluxo de material com dados de produção e manuseio de material,

possibilitando prever o desempenho do sistema e entender o impacto de possíveis

mudanças. Exemplos de softwares nessa área são o eM-Plant, o FactoryFlow e o

FactoryCAD da Siemens e o Factor/AIM da Pristsker;

Eventos discretos, que permitem modelar questões complexas de manuseio de material e

manufatura, provendo animações em escala real 3D enquanto o modelo está sendo

executado. Como exemplo de softwares pode-se citar o AutoMod da Autosimulations, o

Quest da Dassault, o Witness da Lanner Group Ltda., o Arena da Rockwell e

Tecnomatix Plant Simulation® da Siemens.

A simulação de processos de manufatura e de sistemas mecânicos engloba:

Programação de controle numérico, que simula interativamente o processo de remoção

de material e o caminho da ferramenta e detectam automaticamente colisões de

ferramentas, interferências entre peças e condições de corte inadequadas. Alguns

29

softwares disponíveis nessa área são o Vericut da CGTech, o Virtual NC da Delmia, o

NC Simul da Spring e o NX da Siemens;

Programação de robôs, para o desenvolvimento, programação e otimização de aplicações

em pintura, MMC, solda e células de manufatura, como, por exemplo, o DELMIA da

Dassault e o Tecnomatix Process Simulate® da Siemens.

30

3 Processo de Comissionamento

Comissionamento é o processo de assegurar que os sistemas e componentes de uma edificação

ou unidade industrial estejam projetados, instalados, testados, operados e mantidos de acordo com

as necessidades e requisitos operacionais do proprietário. O comissionamento pode ser aplicado

tanto a novos empreendimentos quanto a unidades e sistemas existentes em processo de expansão,

modernização ou ajuste. (Horsley, D. 1998).

Na prática, o processo de comissionamento consiste na aplicação integrada de um conjunto de

técnicas e procedimentos de engenharia para verificar, inspecionar e testar cada componente físico

do empreendimento, desde os individuais, como peças, instrumentos e equipamentos, até os mais

complexos, como módulos, subsistemas e sistemas. (Fares, F., Montenegro, B., Prates, A. 2010).

A atividade de comissionamento, no seu sentido mais amplo, é aplicável a todas as fases do

empreendimento, desde o projeto básico e detalhado, o suprimento e o diligencia, a construção e a

montagem, até a entrega da unidade ao cliente final, passando, muitas vezes, por uma fase de

operação assistida. (Montenegro, B. 2009).

Em um projeto de desenvolvimento de um sistema de manufatura automatizado Hoffmann et

al. (2010) divide as etapas da seguinte forma: projeto da fábrica, engenharia mecânica, engenharia

elétrica e engenharia de automação (programação de robôs, CLPs – Controladores Lógicos

Programáveis e IHM – Interface Homem-Máquina). Essas etapas são executadas sequencialmente,

e esta forma de trabalho gera falhas na interação entre as etapas.

De acordo com Zah e Wünsch (2005), fazendo referência a um estudo da VDW (Associação

Alemã de construtores de máquinas-ferramenta) o tempo gasto para o comissionamento chega a ser

25% de todo o projeto e 15% do tempo gasto para comissionar é utilizado somente para a correção

de erros do software de controle.

Conforme Auinger et al. (1999), o comissionamento pode ser dividido em 4 tipos diferentes,

onde cada um trabalha com um conjunto de informações e ambientes diferentes. A Tabela 3.2

mostra cada tipo de comissionamento.

31

Tabela 3.2 Modelos de comissionamento. Fontes: Auinger et al., 1999; Hoffmann et al., 2010; Makris et al. 2012.

PlantaSistema

de Controle

Descrição Vantagens Desvantagens

Real RealA maneira tradicional de testes durante o comissionamento real

Testa todos os mecanismos para o funcionamento dos dispositivos, juntamente com o sistema de controle.

É possível somente na fase final do projeto, quando todos os dispositivos estiverem instalados e posicionados.

Virtual Real

"Soft commissioning" muitas vezes chamado de "hardware no loop" (HIL). O controlador de hardware é necessário com antecedência, mas é possível o CV antes de construir a planta.

Testa o funcionamento do sistema de controle com os dispositivos virtuais.

Necessidade de um banco de dados robusto para os dispositivos virtuais.

Exige um alto grau de conhecimento mecânico.

Real VirtualDenominado "Reality In the Loop" pelos autores. (RIL)

Testa o sistema de controle antes de sua instalação.

Exige que os equipamentos na planta já estejam devidamente instalados.

Virtual Virtual

Oferece um comissionamento virtual (CV) completo. (SIL)

Testa tanto a planta como o sistema de controle antes de suas implementações.

Necessidade de um banco de dados robusto para os dispositivos virtuais.

Exige um alto grau de conhecimento mecânico elétrico e de programação.

O comissionamento com Planta Real e sistema de Controle Real: Baseia-se no fato de

que todo o sistema é existente, ou seja, maquinas física e sistema de controles físicos.

Este comissionamento é utilizando em pequenas linhas, onde o número de variáveis do

sistema é pequeno, facilitando o trabalho com esta ferramenta;

Comissionamento com Planta Virtual e sistema de Controle Real: Baseia-se na

integração de softwares de simulação do ambiente da manufatura digital com sistemas

de controle reais. Um exemplo é o CLP: este tipo de comissionamento é utilizando para

realizar teste na lógica de CLPs com o propósito de encontrar falhas no sistema;

32

O comissionamento com Planta Real e sistema de Controle Virtual: Baseia-se na

integração com as maquinas existentes na planta fabril com sistemas de controle virtual.

Este tipo de comissionamento é utilizando para testar novos tipos de controladores ou

mudanças nas logicas dos controladores;

O comissionamento com Planta Virtual e sistema de Controle Virtual: Baseia-se na

integração de softwares da manufatura digital com sistemas de controle virtuais

(exemplo de simuladores de CLPs). Este tipo de comissionamento é utilizado em

projetos de criação de linhas de manufatura.

3.1. Comissionamento Virtual

A manufatura digital consegue simular diversos ambientes, em alguns casos há a necessidade

de integrar o mundo real (mundo físico) com o mundo virtual (ambiente da manufatura digital). O

comissionamento virtual é a verificação do sistema com base em um modelo de simulação acoplado

com controladores reais e virtuais permitindo realizar grande parte das atividades de

Comissionamento antes da instalação do sistema. Apesar de se tratar de uma ferramenta

relativamente nova, autores não diferem quanto a sua definição:

Segundo Hoffmann P.(2010), o Comissionamento virtual (CV) para sistemas de

manufatura tem como proposta testar os sistemas de produção e os programas de

controle através da simulação antes que os sistemas reais sejam implementados;

Para Bangsow et al. (2012), a ideia básica de comissionamento virtual é proporcionar

uma grande parte das atividades de comissionamento antes da instalação do sistema (por

exemplo, em paralelo com a construção) com a ajuda de um modelo;

Para Liu Z. et al (2012,) o Comissionamento Virtual busca conectar um modelo de

planta digital com um controlador de planta real (por exemplo, CLP ou HMI-Interface

Homem Máquina) para que os engenheiros de diferentes áreas tenham um modelo

comum para trabalhar em conjunto.

33

3.2. Aplicação do Comissionamento Virtual

Segundo Hossain e Semere (2013), a complexidade do modelamento e simulação de sistemas

precisam ser decompostas em subsistemas. Kuehn (2006) observa que cada nível de modelamento

hierárquico permite simulações com objetivos diferentes e, portanto requer modelos com

informações de entrada diferentes. Bangosw e Günther (2012) dividem o comissionamento virtual

em três níveis, os quais serão descritos a seguir:

Comissionamento de máquina ou de equipamentos individuais;

Comissionamento de linha de produção;

Comissionamento de sistema de produção.

3.2.1. Comissionamento de máquina ou de equipamentos individuais

Para comissionamento virtual em nível de máquina existe uma variedade de abordagens e

instrumentos comprovados. Um modelo 3D da máquina ou equipamento é estendido pelos sensores

e atuadores individuais relevantes. Assim as soluções são fornecidas para sistemas CAD 3D. Para

este nível de comissionamento virtual exige-se um tempo de resposta rápido entre a simulação em

relação a taxas de amostragem, para chegar a um comportamento que é o mais próximo possível da

realidade. A finalidade deste nível de comissionamento virtual é verificar o comportamento da

"máquina virtual", com a função de controle.

3.2.2. Comissionamento de linha de produção

Comissionamento virtual em nível de linha de produção é a comunicação das máquinas

individuais e equipamentos com o controle de linha. Com uma simulação em um nível superior

(máquinas e materiais de manipulação), é possível modelar todos os estados operacionais

necessários do sistema de produção e a troca de sinais com os sensores e atuadores associados. Os

tempos de resposta são menos exigentes do que no nível da máquina, o que dá origem a uma grande

quantidade de oportunidades para acoplamentos. Devido aos tempos de resposta mais longos, os

modelos podem ser testados em movimento rápido (software in the loop) ou em tempo real, para

validar um CLP acoplado. A finalidade deste nível de comissionamento virtual é verificar o

comportamento da célula de trabalho, ou seja, além de averiguar a cinemática dos componentes,

34

verifica-se também a programação e os sinais de cada dispositivo em relação ao sistema de controle.

A Figura 3.9 exemplifica o Comissionamento virtual acoplada à simulação gráfica de robôs.

Figura 3.9 Exemplo de Comissionamento virtual. Fonte Siemens PLM Connection 2013.

3.2.3. Comissionamento de sistema de produção

O controle de um sistema de produção requer uma grande quantidade de informações de

máquina e de nível de linha. Quando novas linhas são integradas em sistemas de controle de

produção existentes, a falta de preparação adequada pode levar a uma falha de todo o sistema de

produção, o que pode causar enormes custos. Um modelo 3D é completamente desnecessário a este

nível. Por isso, é empregada a simulação a eventos discretos para modelar os estados de operação e

respostas do sistema. Através dela podem ser fornecidos impulsos importantes para o tratamento de

erros, desde que os modelos de simulação de eventos discretos sejam criados de forma hierárquica e

contenham sistemas de produção completos. Comissionamento virtual em nível de sistema de

produção simula os sinais de entrada e de saída do controle de produção (e todos os sistemas de

nível superior) e testa a resposta adequada dos elementos do sistema (máquinas, manuseio de

equipamentos e materiais). O comissionamento virtual em nível de linha de produção pode ser

combinado com comissionamento virtual em nível de sistema de produção, sendo representada na

Figura 3.10.

35

Figura 3.10 Comissionamento virtual acoplada à simulação a eventos discretos. Fonte Siemens.

3.2.4. Modelagem

Os recursos e estratégias para o modelamento de células de manufatura diferem dos recursos

para o modelamento de produtos. Independentemente do nível de CV que será usado, Hofmann et

al. (2012) identificam duas estratégias para o modelamento, uma mais adequada para o

modelamento de um mecanismo e outra mais adequada para o modelamento de células:

a. Modelagem de alto nível.

b. Modelagem de baixo nível.

36

De acordo com Hofmann et al. (2010), na modelagem de alto nível o projetista faz uso de

bibliotecas com automatismos inteiramente modelados, com a sua cinemática, seus sinais de entrada

e saída definidos. Os mecanismos modelados em bibliotecas podem ter a representação de suas

geometrias simplificadas, e os elementos internos dos mecanismos não são representados. Hofmann

et al. (2012) descrevem a necessidade da simplificação das geometrias para favorecer a simulação

em tempo real, especialmente com células com muitos componentes.

Para Hofmann et al. (2010) a modelagem de baixo nível envolve toda a construção geométrica

do mecanismo, sua cinemática além da definição dos sinais de entrada e saída. A ligação entre as

peças do mecanismo é feita por meio de restrições de posicionamento. O tipo de junta é resultado

das restrições de posicionamento que unem uma determinada peça à outra. Quando as restrições de

posicionamento reduzem completamente os movimentos relativos entre duas peças, temos uma

junta rígida. Para o comissionamento virtual, é conveniente que peças sem graus de liberdade entre

si sejam agrupadas em submontagens.

3.2.5. Ambiente de Programação

O sistema de controle deve ser adequado ao tipo de planta que o mesmo pretende controlar.

Um mecanismo de dimensões concisas, com um número de entradas e saídas bem definido tem um

sistema de controle compacto, mais especifico e menos flexível ou até mesmo um sistema de

controle embarcado dedicado. Uma célula automatizada com muitos componentes provavelmente

tenha um sistema de controle modular com flexibilidade de programação, escalabilidade do número

de I/Os.

SIEMENS (2006) propõe uma metodologia para automação de um processo com CLPs, na

qual é sugerida a divisão do processo em etapas, sendo elas: descrição individual de cada tarefa,

previsão dos requisitos de segurança e definição dos requisitos da IHM e controles do operador. Um

fluxo demonstrativo é apresentado na Figura 3.11.

37

Figura 3.11 Proposta de posicionamento do comissionamento virtual para a programação de sistemas de controle.

Fonseca et al (2008).

A modularização consiste em decompor o sistema automatizado em operações e tarefas, de

modo que cada tarefa, com seus atuadores e sensores, tenha o seu algoritmo de controle separado do

restante do programa em uma função. A programação é estruturada de forma que instancias dos

blocos funcionais organizados em bibliotecas são chamadas a partir do programa principal.

38

Os elementos para a segurança do sistema ficam dependendo de exigências legais e da política

de segurança da empresa. Os circuitos de segurança não devem estar exclusivamente na lógica do

sistema supervisório que controla o processo, ao invés disso, devem haver circuitos adicionais que

permitam operações do equipamento em uma situação em que o controlador esteja fora de

operação.

Todo processo requer uma interface com o operador que permita a intervenção humana

quando necessário. Essa interface com o operador também atende conexões com o sistema de

controle do processo.

Após documentar os requisitos do projeto do processo automatizado é escolhido o

equipamento de controle requerido para o projeto. Isso compreende a escolha do controlador, a sua

capacidade de processamento, as quantidades de sinais de entrada e saída que são processados.

Deve-se definir também se os pontos de entrada e saída estão todos centralizados no painel junto

com o sistema de controle.

3.2.6. Software in the loop e Hardware in the loop

Existe uma distinção para a forma como é feita a comunicação entre o sistema de controle e a

simulação. A simulação utilizando hardware in the loop (HIL) e a simulação utilizando de software

in the loop (SIL).

Na simulação com HIL o modelo está diretamente ligado ao hardware de controle. Para este

efeito, o computador que executa a simulação deve ter interfaces para o sistema de automação e

deve ser conectado diretamente a esse sistema. Na simulação com SIL o computador que executa a

simulação não está ligado diretamente ao hardware do controlador, mas está conectado com o

programa de simulação do sistema de controle.

As simulações SIL e HIL podem ser aplicadas em um mesmo projeto sem grandes retrabalhos,

uma vez que em etapas iniciais do projeto o CLP pode ainda não ter sido especificado.

39

Figura 3.12 Representação do software in the loop (SIL) x hardware in the loop (HIL). Fonte (Liu Z. et al 2012).

3.2.7. OPC

Segundo Bangsow et al. (2012) a conexão entre o mecanismo virtual com um sistema de

controle acontece por meio do padrão de comunicação Object Linked Embended Proccess Control

OPC baseado em uma estrutura cliente servidor. O padrão OPC foi desenvolvido por um consórcio

de empresas com o objetivo de criar um sistema de troca de dados para permitir a interoperabilidade

entre sistemas de supervisão controle e acesso de dados (SCADA) e os diversos fabricantes de CLP

além de sensores e atuadores inteligentes com os diversos protocolos de comunicação existentes.

Figura 3.13 Mapa de configuração OPC. Fonte Bangsow et al. (2012)

40

3.2.8. Conexão entre CLP e planta

A conexão entre os componentes virtuais com um sistema de controle acontece por meio da

ferramenta OPC através da criação e atribuição de seus respectivos sinais, sejam entradas ou saídas.

Os sinais devem ser atribuídos junto com a respectiva modelagem dentro do ambiente virtual,

conforme a Figura 3.14.

Figura 3.14 Atribuição de sinais lógicos aos componentes virtuais.

A verificação do funcionamento do programa de controle é executada através da simulação do

sistema de comissionamento virtual, onde os elementos virtuais e físicos estão trabalhando em

operação coordenada e integrada. Os requisitos de funcionamento são testados e situações críticas

são forçadas para analisar o comportamento do sistema em condições adversas.

O processo de verificação por meio do Comissionamento Virtual compreende, além da observação

direta da sequência de operações do sistema em funcionamento, a análise dos valores lógicos dos

sinais de todos os componentes envolvidos no sistema, tanto reais quanto virtuais. Para esta análise,

o ambiente de simulação virtual proporciona recursos que permite forçar o valor lógico de um

determinado sinal para avaliar o efeito sobre o comportamento do sistema, conforme a Figura 3.15.

41

Figura 3.15 Valores lógicos dos sinais dentro do ambiente de simulação virtual.

Dentro da simulação dos diferentes níveis de operação que um sistema pode ser modelado

(máquina, linha de plantas, sistema de produção). Os testes de função produzem combinações de

estados dos sensores e outros dados, e o programa do CLP deve responder adequadamente, de modo

que o comportamento do sistema corresponda ao do comportamento esperado ou planeado.

Todos os estados do sistema examinados na simulação pode ser facilmente preparado e ser

desencadeado. Isso simplifica a uma revisão sistemática. O projeto modular do modelo de

comissionamento virtual permite que os testes individuais ou em conjunto de todos os componentes.

3.3. Vantagens e Desvantagens

A utilização de comissionamento exige a entrada de mais variáveis dentro do modelo em

questão, tornando-o assim mais complexo. Com isso, um estudo da empregabilidade do

comissionamento é indispensável para cada projeto.

A produção justifica a necessidade da utilização do comissionamento virtual. Muitas

organizações visam a eficiência dos projetos, procurando diminuir a margem de erro dos mesmos,

erros de implantação, os gastos com replanejamento e adequações provenientes de erros de projeto.

A Tabela 3.3 mostra as principais vantagens e desvantagens de se utilizar o comissionamento

virtual.

42

Tabela 3.3 Vantagens e desvantagens

Autores Vantagens Desvantagens

Peter

Hoffmann

Redução de 75% no tempo de

comissionamento na fábricaExige modelos detalhados

Redução de 50% de retrabalho Expertise em modelagem

Redução de 50% do tempo para início da

produçãoEsforços consideráveis

Zheng Liu

Redução de 70% no tempo de

comissionamento na fábrica

Exige um banco de dados dos

modelos

Detecção de erros antes da etapa final do

projeto

Configuração específica para a

execução do trabalho

3.4. Considerações sobre a revisão da literatura

A análise dos trabalhos publicados sobre comissionamento virtual permite observar que pouca

atenção é dada ao fato do grande esforço necessário para a aplicação dos métodos de CV, apesar de

que vários trabalhos evidenciaram esta característica.

Ainda há pouca informação sobre a aplicação em casos reais é encontrada, de modo que

também não são apresentadas boas práticas para o desenvolvimento de projetos de CV.

Este capítulo mostrou que a ferramenta exige maior esforço na etapa de concepção do projeto,

principalmente para adequar a modelagem e a simulação para receber e enviar sinais ao sistema de

controle e não trabalhada de maneira adequada pode se tornar dispendiosa e custosa sem trazer

resultados significativos para a execução do projeto.

Assim, nos próximos capítulos são apresentados um método para o uso de CV no ciclo de

desenvolvimento de sistemas de produção (capítulo 4) bem como a sua aplicação em um caso real

de uma indústria de embalagens (capítulo 5), visando contribuir para cobrir as lacunas existentes na

literatura atual.

43

4 Método Proposto para Comissionamento de Sistemas Automotizados de

Produção

Este capítulo apresenta a proposta de um método para o comissionamento de sistemas

automatizados de produção. Por se tratar de um sistema automatizado, considera-se que as

interações entre os diferentes dispositivos do sistema de manufatura são gerenciadas por meio de

um sistema supervisório. O sistema supervisório é responsável por coordenar todo o processo de

fabricação, pois é este que define a ação de cada equipamento, determinando as operações que são

executadas e suas sequências. Em um sistema de manufatura, que exige uma grande gama de

equipamentos automatizados, o sistema supervisório é externo aos controladores dedicados dos

robôs e pode ser desenvolvido em qualquer linguagem de programação.

O método proposto foi estabelecido com base numa adaptação do método MPIAS (Melhoria

de Plantas Industriais Auxiliada Por Simulação) para utilizar a ferramenta comissionamento virtual

em projetos de sistemas automatizados. Segundo Gomes (2010), o método MPIAS enfatiza a

aplicação de recursos de simulação, como ferramenta de auxílio ao processo de melhoria de plantas

industriais. O método proposto busca minimizar as incertezas inerentes às configurações do sistema

durante o projeto, de forma a aumentar o nível de conhecimento do mesmo e aprimorar a qualidade

na tomada de decisão para modificações de leiaute fabril, desenvolvimento de uma nova linha de

produção ou aquisições de equipamentos e serviços.

O método proposto está estruturado em quatro etapas, conforme descrito naa Figura 4.16:

Etapa 1 – Definir o Projeto;

Etapa 2 – Analisar o Estado Atual;

Etapa 3 – Elaborar o Modelo Computacional/ Elaborar o Sistema de Controle;

Etapa 4 – Implementar a Solução Otimizada.

44

Figura 4.16 fluxograma proposto para o ciclo de desenvolvimento de sistemas automatizados de produção.

45

O método proposto considera que já foram definidos, pela corporação, os setores da área

produtiva em que o projeto de aplicação de melhoria será realizado. Também é considerado que a

equipe de projeto deve ser composta de no mínimo três integrantes (engenheiro mecânico,

engenheiro eletricista, engenheiro de automação), e que ao menos um integrante desta equipe deve

possuir conhecimentos aprofundados em ferramentas de simulação computacional. Recomenda-se

que os membros do projeto participem de todas as fases da simulação para medição e validação de

modelos, definidas durante a descrição das etapas.

As etapas do método proposto são detalhadas nas próximas seções.

4.1. Etapa 1 – Definir o Projeto

A primeira etapa consiste em definir o projeto. A duração desta etapa pode variar conforme a

complexidade do projeto. Nela ocorrem, necessariamente, as seguintes atividades:

Descrição do sistema a ser analisado;

Definição de datas e procedimentos para o projeto de aplicação;

Definição dos objetivos do sistema;

O responsável pelo projeto faz uma descrição do sistema atual, a qual deve conter as seguintes

características: recursos produtivos, disposição dos recursos, número de operadores, turnos etc.

Todas as dúvidas são discutidas pelo time até que sejam esclarecidas. Caso a célula de manufatura

inexista, ou seja, será desenvolvida uma nova linha de produção, o responsável da empresa deve

informar as pretensões de produtividade para a equipe de projeto realizar as próximas etapas. Nessa

situação não haverá validação da simulação do estado atual, pois não existe uma célula real na qual

possa se comparar. Seguindo essa premissa a etapa 2 é descartada.

Especialistas no sistema analisado (supervisores, líderes do processo ou analistas de produção)

são escolhidos para, juntamente com a equipe desenvolvedora do projeto, fazerem parte da equipe

para validação de modelos. Estes participarão em praticamente todo o desenvolvimento deste

projeto, tendo a função de analisar os modelos elaborados ao longo das etapas. Além disso, Caso a

empresa na qual será executada o projeto não possua todos os dados necessários para analisar o

estado atual uma equipe de medição é formada e designada para a coleta de dados.

46

A principal função nesta etapa é buscar o entendimento do sistema analisado, os objetivos do

projeto e da simulação com o comissionamento virtual, junto aos especialistas deste sistema.

A Tabela 4.4 apresenta o resumo desta etapa.

Tabela 4.4 Resumo da Etapa 1- Definir o Projeto.

Entradas Necessidades da Corporação;

Equipe de projeto definida.

Saídas

Equipe de validação de modelos formada;

Equipe de medição formada;

Descrição do sistema a ser trabalhado;

Objetivos do trabalho especificados.

4.2. Etapa 2 – Analisar o Estado Atual

Esta pode variar conforme a complexidade do projeto. A análise do estado atual é constituída

pelas atividades:

Mapear os processos;

Identificar as oportunidades de melhoria e elaborar plano de ação;

Coletar dados operacionais (planta baixa, recursos utilizados, sequência de processo,

tempos de produção, métodos e movimentos) do sistema a ser analisado.

4.2.1. Mapear o processo

Nesta atividade, as informações de sequência de processo, recursos operacionais, assim como

as interações do sistema, são representados por meio de uma técnica de modelagem de processos

escolhida, sem o auxílio das folhas de processo arquivadas. Isso é necessário para a obtenção da

descrição do Estado Atual do sistema produtivo. O responsável por esta atividade deve ser o

analista de simulação.

47

Este mapeamento também auxilia na obtenção do modelo conceitual, elaborado pelo analista

de simulação. Os modelos obtidos são validados pela equipe de validação de modelos, ainda

durante a realização da atividade.

4.2.2. Coletar Dados Operacionais

Uma vez alcançado o consenso sobre a sequência de atividades do processo, as medições são

realizadas por meio cronoanálise pela equipe de medição.

A coleta dos dados probabilísticos (tempos de abastecimento, tempos de ciclo de operações,

dentre outros) utilizado no modelo computacional, é supervisionada pelo analista de simulação. Este

também é responsável pelo tratamento de dados coletados (resultados da cronoanálise) e inferência

estatística.

O modelo computacional nesta etapa será necessário de acordo com a magnitude do projeto.

Em outras palavras, depende da complexidade e do volume de informações fornecido do sistema

produtivo analisado. Caso haja a necessidade do modelo computacional nesta etapa a representação

do modelo conceitual deve estar coerente com o funcionamento do sistema real antes do início da

próxima etapa.

4.2.3. Identificar oportunidades de melhoria e elaborar planos de ação

Nesta etapa devem ser identificadas as oportunidades de melhoria no sistema produtivo em

análise, por cada membro da equipe.

Cada etapa do processo produtivo é descrito, filmado (quando necessário), documentado e

apresentado ao restante do time. Após a análise dos desperdícios e da apresentação de sugestões de

melhoria, é elaborado um plano de ação.

O plano de ação pode envolver desde o desenvolvimento de componentes únicos

automatizados até a automação do sistema fabril como um todo.

A Tabela 4.5 apresenta o resumo desta etapa.

Tabela 4.5 Resumo da Etapa 2- Analisar o Estado Atual.

48

Entradas Dados de recursos de produção;

Dados de sequência processo;

Objetivos do trabalho especificados.

Ferramentas e Técnicas utilizadas

Cronoanálise;

Reuniões;

Fluxogramas;

Aplicativos de simulação a eventos discretos.

Saídas

Dados de tempos de produção tratados;

Dados de sequência de processos validada;

Dados de recursos disponíveis no sistema;

Modelo conceitual do Estado Atual validado;

Modelos do Estado Atual elaborados;

Plano de ação definido.

4.3. Etapa 3 - Elaborar o Modelo Computacional/ Elaborar o Sistema de Controle

Nesta etapa será executada duas atividades distintas, as atividades de elaborar o modelo

computacional e elaborar o sistema de controle, estas atividades deverão ocorrer simultaneamente

pois ao final de cada uma dessas atividades irão se interagir para a execução do CV.

O modelo computacional da solução proposta é desenvolvido por membros da equipe na área

da mecânica, já o sistema de controle é desenvolvido por membros da equipe na área da elétrica e

de automação. O sistema de comissionamento aplicado ao modelo computacional é desenvolvido

para atender aos seguintes condicionamentos operacionais:

CV de Máquina

CV de Linha de Produção

CV de Sistema de Produção

49

4.3.1. Comissionamento Virtual de máquina

Nesta atividade será desenvolvido os componentes a serem fabricados para o sistema, assim

como a construção do dispositivo de controle e o desenvolvimento da programação para o

funcionamento de cada componente, de preferência em uma mesma linguagem de controle. Para

cada etapa desta atividade é necessário ao menos um especialista de programação, de modelagem

de dispositivo e de construção do sistema de controle.

Depois de finalizada a modelagem e a programação de cada dispositivo a equipe de projeto

deve se reunir para definir e declarar as variáveis necessárias para o funcionamento correto do

dispositivo conforme sua programação. As variáveis são inseridas na modelagem de cada

componente, sendo que cada variável inserida deve possuir o mesmo nome declarado na

programação do sistema de controle. Com as variáveis de controle inseridas na modelagem do

componente, é possível testar o comportamento do componente em si conforme a programação. Ao

término desta atividade, pode-se iniciar o processo de fabricação dos componentes simulados.

4.3.2. Comissionamento Virtual da linha de produção

Com a modelagem e a programação de cada dispositivo da linha gerada a equipe tem recursos

suficientes para projetar e analisar uma linha automatizada.

Nesta atividade o engenheiro mecânico simulará a linha projetada pela equipe utilizando os

componentes previamente modelados. Os engenheiros eletricistas e de automação farão proveito da

programação de cada dispositivo elaborado para desenvolver um sistema de controle para a linha.

Assim como na etapa anterior, depois de finalizada a simulação da linha e a programação do

sistema de controle da linha a equipe de projeto deve se reunir para definir e declarar as variáveis

necessárias para o funcionamento correto da linha de produção conforme sua programação. As

variáveis são inseridas na simulação, sendo que cada variável inserida deve possuir o mesmo nome

declarado na programação do sistema de controle.

Com as variáveis de controle inseridas na simulação, é possível testar o comportamento da

linha desenvolvida conforme a programação. Em paralelo é possível testar alguns componentes que

já estejam prontos ou que foram adquiridos através de compra, estes componentes receberão o

mesmo sinal enviado para a simulação.

50

Ao término desta atividade a equipe de projeto terá dados para avaliar toda a linha de

produção para decisões futuras, como por exemplo, verificar a viabilidade de instalação da linha

projetada.

4.3.3. Comissionamento Virtual do sistema de produção

Após a modelagem computacional no aplicativo de software, e a simulação gráfica de robôs

realizada, os resultados são validados pela equipe de validação de modelos.

Nesta atividade a equipe de projeto usará os dados da simulação gráfica para abastecer a

simulação a eventos discretos de todo o sistema, dessa maneira avaliar com precisão o impacto da

implementação da nova linha automatiza de produção.

Além disso, a equipe poderá avaliar na simulação o comportamento do sistema de controle da

linha perante o sistema supervisório que controla todo o sistema de produção.

A Tabela 4.6 apresenta o resumo desta etapa.

Tabela 4.6 Resumo da Etapa 3- Elaborar o Modelo Computacional/ Elaborar o Sistema de Controle.

Entradas

Dados de tempos de produção tratados;

Dados de sequência de processos validada;

Dados de recursos disponíveis no sistema;

Modelo conceitual do Estado Atual validado;

Modelos do Estado Atual elaborados;

Plano de ação definido.

Ferramentas e Técnicas utilizadas

Aplicativos de simulação a eventos discretos;

Aplicativos de simulação gráfica de robôs;

Aplicativos de modelagem CAD;

Aplicativos de programação.

Saídas Modelo conceitual do Estado Futuro validado;

Modelos do Estado Futuro elaborados;

51

Programação do sistema de controle verificado.

4.4. Etapa 4 – Implementar a Solução Otimizada

Ao início desta etapa, a representação do modelo conceitual deve estar coerente com o

funcionamento do sistema real.

Com os objetivos da simulação verificados e validados, a equipe de projeto implementa a

solução desenvolvida no sistema produtivo. O projeto desenvolvido é instalado na empresa para

testes finais envolvendo o sistema de controle com os componentes reais (comissionamento real).

Tabela 4.7 Resumo da Etapa 4- Implementar a Solução Otimizada.

Entradas Modelo conceitual do Estado Futuro validado;

Modelos do Estado Futuro elaborados;

Programação do sistema de controle verificado.

Ferramentas e Técnicas utilizadas Sistema de controle;

Componentes.

Saídas Montagem da linha no sistema de produção.

4.5. Considerações sobre o método proposto

O método proposto descrito anteriormente tem como fundamento a utilização de ferramentas

de modelagem e análise de processos antes da aplicação das ferramentas de comissionamento

virtual. Entende-se que isso é de fundamental importância, pois a aplicação e CV requer um enorme

esforço para aplicação, e tal esforço deve ser concentrado em sistemas otimizados.

Este método traz a importância da interação da equipe para reduzir o esforço gasto para a

execução do CV. Esta interação permitirá uma melhor comunicação entre as ferramentas

computacionais utilizadas e o sistema de controle.

52

53

5 Aplicação do método proposto

Este capítulo apresenta a aplicação do método proposto no capítulo anterior, com o objetivo

de demonstrar a sua aplicabilidade e utilização, dentro do contexto do processo de manufatura.

A aplicação do método foi feita em uma corporação atuante no segmento de manufatura de

embalagens. Atualmente o processo de fabricação de tampas de alumínio da empresa é

essencialmente automatizado, porém em sua fase final, onde ocorre o acondicionamento e a

paletização de tampas de alumínio, ainda ocorre um processo manual.

A mesma sequência de etapas descritas no Capítulo 4 foi utilizada para a execução do projeto

de uma célula de manufatura de embalagens.

5.1. Etapa 1 – Definir o Projeto

Esta etapa é caracterizada por reuniões cujas pautas incluem:

A descrição do sistema analisado;

A definição das equipes de medição e de validação de modelos;

A definição de datas e procedimentos para o projeto de aplicação;

Definição dos objetivos da simulação;

O planejamento do processo de simulação.

Este projeto, denominado AutoBagger, foi realizado com o objetivo de otimizar e flexibilizar

o processo de acondicionamento de tampas por meio da automação. Para atingir esses objetivos, foi

importante que todos os membros da equipe possuam o entendimento sobre a célula de manufatura

analisada.

O sistema analisado é uma célula de manufatura, o procedimento de acondicionamento e

paletização de tampas de alumínio consistem em inserir a embalagem no bocal de saída, aguardar o

carregamento (etapa feita automaticamente pela máquina), retirar a embalagem carregada, realizar a

54

compactação das tampas dentro da embalagem, realizar a dobra da embalagem e colocação da fita

para lacre, e depositar a embalagem lacrada no pallet. Essa sequência de operações deve ser

finalizada com um tempo de ciclo de 40 segundos. Há dois operadores trabalhando em turnos de

duas horas. Estas informações são utilizadas para melhor entendimento do processo.

Ao final desta etapa foi estabelecido um cronograma, definido pela equipe de projeto e pela

equipe de validação de modelos. Para a sua elaboração, o cronograma considera a sequência de

etapas proposta no capítulo anterior. Etapa 2 – Analisar o Estado Atual

Esta etapa foi caracterizada por atividades no chão-de-fábrica e reuniões para a análise do

estado atual da célula de manufatura. As atividades realizadas foram:

Mapear o processo analisado;

Coletar dados operacionais;

Identificar oportunidades de melhoria e elaborar plano de ação.

5.1.1. Mapear o processo analisado

A equipe de projeto mapeou o processo, e posteriormente recorreu ao responsável da empresa

para dirimir dúvidas existentes. Esta equipe, ao fim desta etapa, analisou e validou os processos

mapeados.

A sequência de atividades realizadas na linha de produção foi modelada por meio de

fluxogramas. Essa representação foi escolhida por ser a mais simples e de conhecimento de toda a

equipe.

As etapas de funcionamento do sistema são:

Capturar a embalagem vazia armazenada em um magazine;

Inserir a embalagem na linha;

Retirar a embalagem com as tampas;

55

Realizar o processo de dobra da embalagem;

Colar a fita para fechar a embalagem;

Depositar o pacote fechado no pallet;

5.1.2. Coletar dados operacionais

Nesta etapa a equipe de projeto foi ao chão de fábrica para recolher todos os dados referentes

ao processo atual. Esta etapa foi caracterizada por atividades realizadas pelo analista de simulação e

também por reuniões da equipe e validação de modelos, com o objetivo de analisar a situação atual,

por meio de simulação.

Uma vez que o mapeamento do processo foi validado pela equipe de validação de modelos e

que os dados operacionais foram coletados pela equipe de medição, o analista de simulação utilizou

estas informações para a elaboração do modelo computacional da célula de manufatura.

A simulação realizada foi a eventos discretos, terminal, dinâmica, para modelos

determinísticos e para modelos estocásticos. O aplicativo de simulação utilizado para esta análise

foi o Plant Simulation - Siemens™.

Através do aplicativo Plant Simulation, é feita uma simulação a eventos discretos do processo

atual com todas as restrições e os requisitos da linha.

5.1.3. Identificar oportunidades de melhoria e elaborar plano de ação

Esta é uma atividade típica de processos de melhoria. O time de projeto foi ao chão-de-

fábrica para identificar as oportunidades de melhoria e as restrições para o sistema automatizado, e

posteriormente definir as ações a serem tomadas. As restrições encontradas foram:

Sistema automatizado deve ser flexível para atender diferentes produtos;

A célula de manufatura automatizada deve impactar o sistema produtivo existente de

forma mínima;

A automação deve atender a todas as etapas da operação;

56

A automação deve ser capaz de trabalhar com a embalagem de tampas de alumínio atual;

Caso haja alguma falha, a célula automatizada deve possibilitar a continuidade do

trabalho manual;

Deve ter o mínimo de ação humana no processo (abastecimento de embalagens);

A célula automatizada deve ocupar uma área de no máximo81m2.

Para que o sistema seja automatizado e flexível, foi proposto o uso de manipuladores

robóticos com seis graus de liberdade para movimentação e um ferramental acoplado ao punho do

robô para realizar as funções de manuseio das embalagens. A característica de cinemática aberta

encontrada neste tipo de equipamento proporciona mais liberdade de movimentação e maior volume

de trabalho, na comparação com os robôs de cinemática fechada. Uma representação de

manipulador é representada através da Figura 5.17.

Figura 5.17. Manipulador robótico com seis graus de liberdade

5.2. Etapa 3 - Elaborar o Modelo Computacional/ Elaborar o Sistema de Controle

57

Identificado o plano de ação e os requisitos da célula de manufatura, a equipe se dividiu para a

execução das etapas de comissionamento virtual. O sistema de comissionamento aplicado ao

modelo computacional foi desenvolvido para atender aos seguintes condicionamentos operacionais:

CV a Nível de Máquina

CV a Nível de Linha de Produção

CV a Nível de Sistema de Produção

5.2.1. Comissionamento Virtual a nível de máquina

Nesta etapa foi iniciado o projeto detalhado deste e dos outros dispositivos do sistema. O

projeto detalhado consiste em elaborar os desenhos de fabricação dos componentes, diagramas de

conexões elétricas e pneumática e detalhamento do processo de montagem do ferramental.

O ferramental foi projetado com a característica de multifuncionalidades, estas características

visam sua compactação e flexibilização para que o processo possa ser utilizado com diferentes

produtos. O ferramental possui três funções: função de captura da embalagem vazia, função de

retirada da embalagem com as tampas e a função de dobra da embalagem. Outro atributo inserido

foi a troca automática do ferramental em caso de manutenção ou falhas.

1. A função de retirada da embalagem vazia é um sistema constituído de três ventosas de

poliuretano com 30mm de diâmetro em fole com 1,5 dobras, são presas a uma haste de

perfil de alumínio, fixada ao corpo do ferramental. As ventosas realizam a sucção por

meio de uma bomba de vácuo. Este sistema é responsável por retirar a embalagem do

magazine e posiciona-la na extremidade da linha. A Figura 5.18, mostra o projeto

conceitual do sistema de retirada das embalagens do magazine.

Figura 5.18 Projeto conceitual do sistema de retirada da embalagem do magazine

58

2. A função de retirada da embalagem com tampas é composta por três garras

pneumáticas, cada uma com dois mordentes paralelos. Devido à proposta de

multifuncionalidade o conjunto de pinças possui um atuador para modificação de sua

posição, e este atuador possui as especificações de dupla ação. Essa função é

caracterizada por possuir três acionamentos: acionamento do cilindro de deslocamento,

acionamento de duas pinças em paralelo para travamento da embalagem no

ferramental e o acionamento individual da terceira pinça para auxiliar no processo de

dobra. A Figura 5.19, mostra o projeto conceitual do sistema de retirada da embalagem

com as tampas.

Figura 5.19 Projeto conceitual do sistema de retirada da embalagem com as tampas

3. A função de dobra é o sistema mais complexo dentre as três funções. Consiste em

cinco atuadores pneumáticos de dupla ação. Possui dois rolos de nylon que suavizam

os movimentos da dobra. Cada atuador gera um sinal para representar o avanço e o

recuo de suas ações. A Figura 5.20, ilustra o projeto conceitual do sistema de dobra.

59

Figura 5.20 Projeto conceitual do sistema de dobra

Apesar dos três sistemas poderem trabalhar independentemente, eles foram projetados

para atuarem de forma conjunta, assim não há a necessidade de interromper o processo

em nenhum momento, tornando o sistema mais ágil e prático para sua finalidade. A

Figura 5.21, mostra o ferramental em quatro posicionamentos distintos de acordo com

suas funções.

Figura 5.21 Principais posições

60

5.2.1.1. Sinais de comunicação

Cada dispositivo modelado precisa de sinais para que haja uma interação entre eles e o

sistema de controle. Para haver essa comunicação na fase de simulação, cada dispositivo modelado

possui um conjunto de sinais distribuídos em entradas e saídas. Para o ferramental foram precisos

nove sinais diferentes, conforme orientação da Tabela 5.8.

Tabela 5.8 Sinais criados no ferramental modelado

Saídas Descrição Entradas Descrição

c1_aComando para avanço do

cilindro 1binicio Botão para iniciar o ciclo

c1_rComando para recuo do

cilindro 1det_pac Detector do vácuo

c2_aComando para avanço do

cilindro 2s_c1_a

Sinal de avanço do cilindro 1

c2_rComando para recuo do

cilindro 2s_c1_r

Sinal de recuo do cilindro 1

c3_aComando para avanço do

cilindro 3s_c2_a

Sinal de avanço do cilindro 2

c3_rComando para recuo do

cilindro 3s_c2_r

Sinal de recuo do cilindro 2

c4_aComando para avanço do

cilindro 4s_c3_a

Sinal de avanço do cilindro 3

c4_rComando para recuo do

cilindro 4s_c3_r

Sinal de recuo do cilindro 3

c5_aComando para avanço do

cilindro 5s_c4_a

Sinal de avanço do cilindro 4

c5_rComando para recuo do

cilindro 5s_c4_r

Sinal de recuo do cilindro 4

g1_aComando para abertura da

garra 1s_c5_a

Sinal de avanço do cilindro 5

g1_fComando para fechamento da

garra 1s_c5_r

Sinal de recuo do cilindro 5

g2_aComando para abertura da

garra 2s_linha_desligado

Sinal de sincronização com a linha de produção

g2_fComando para fechamento da

garra 2s_linha_ligado

sinal_lacre_desligadoComando para desligar o sinal de inicio do sistema de lacre

s_g1_aSinal de abertura da garra

1

sinal_lacre_ligadoComando para ligar o sinal de

inicio do sistema de lacres_g1_f

Sinal de fechamento da garra 1

sopro_desligadoComando para desligar o

sopro de ars_g2_a

Sinal de abertura da garra 2

sopro_ligadoComando para ligar o sopro

de ars_g2_f

Sinal de fechamento da garra 2

vacuo_desligadoComando para desligar o

vácuovacuo_ligado Comando para ligar o vácuo

61

Os sinais virtuais modelados foram utilizados para o funcionamento dos componentes do

ferramental, e podem ser visualizados através do diagrama de ligação da Figura 5.22.

Figura 5.22 Exemplo de diagrama de conexões pneumáticas

5.2.2. Comissionamento Virtual a nível de linha de produção

O sistema de controle baseou-se na utilização de um CLP, para supervisionar a célula

robótica. Este dispositivo realizou tarefas de monitoramento e controle do manipulador robótico,

sequenciamento, operações e controlou os dispositivos acoplados ao punho do manipulador. Esta

solução se caracteriza por utilizar uma linguagem característica do fabricante do CLP e a utilização

de módulos digitais (Entradas e Saídas), acoplados ao controlador, para controle e monitoramento

dos dispositivos da linha. Para este estudo de caso foi utilizada uma sequência de instruções que

realizou as ações de movimentação do manipulador e acionamentos dos dispositivos para execução

das tarefas referentes ao processo de paletização das tampas. O sistema proposto se comportou

como um sistema a eventos discretos, onde temos eventos e estados determinando a sequência de

62

operações. A programação do sistema de controle pode ser observada através do fluxograma macro

da Figura 5.23. A programação mais detalhada das sete etapas é vista da Figura 5.24 até a Figura

5.30.

Figura 5.23 Sequência de etapas

A etapa 1 consiste na programação necessária para que o ferramental retire a embalagem de

papel de um magazine definido pela empresa.

63

Figura 5.24 Sequência de etapa 1

A etapa 2 refere-se à programação necessária para inserir a embalagem de papel em sua

devida posição.

Figura 5.25 Sequência de etapa 2

Após a execução das etapas 1 e 2 a programação deve aguardar um sinal do sistema para que

o robô e o ferramental possam dar prosseguimento as atividades.

64

Figura 5.26 Sequência de etapa 3

Após validar o sinal enviado do sistema o robô com o ferramental retira-se a embalagem cheia

da linha.

Figura 5.27 Sequência de etapa 4

Com o manipulador em um local seguro o ferramental inicia a atividade de dobra do papel,

para que o produto não saia da embalagem.

65

Figura 5.28 Sequência de etapa 5

Finalizado o processo de dobra do papel o sistema emite um sinal para que o manipulador

robótico leve a embalagem cheia a um local destinado a lacrar o papel.

Figura 5.29 Sequência de etapa 6

66

Após o término de todos os procedimentos de lacre o produto é movido para a paletização.

Figura 5.30 Sequência de etapa 7

Cumpridas as necessidades técnicas descritas anteriormente, segue-se para o desenvolvimento

do projeto, que inicialmente abrange a obtenção e preparação do modelo virtual da planta a ser

simulada para isso, reúne-se a modelagem dos dispositivos, os sinais projetados, e a programação

do sistema de controle.

O sistema foi monitorado pelos sensores virtuais distribuídos na célula de trabalho virtual e

variáveis de comunicação virtuais que identificaram os status do manipulador (posição atual, tarefa

em execução) além de outros dispositivos da linha.

A simulação das sequências de operações mostrou a forma como são executadas as operações,

que vão da retirada da embalagem do magazine até a paletização. Segue um fluxo da simulação da

célula de trabalho e o controle da linha por meio de I/O´s, conforme Figura 5.31.

67

Figura 5.31 Comissionamento virtual a nível de linha de produção do projeto de acondicionamento de tampas

68

5.2.3. Comissionamento Virtual a nível de sistema de produção

Após a simulação de linha ser verificada e analisada nas três áreas (mecânica, elétrica e

automação) foi necessária uma análise mais macro, ou seja, avaliar como será o comportamento da

linha no sistema de manufatura. A simulação a eventos discretos feita nas etapas anteriores auxilia

nesta análise.

Anteriormente a simulação a eventos discretos foi utilizada apenas para definir os tempos de

ciclo que a célula automatizada deveria ter para atender o sistema. Porém nesta fase a simulação foi

abastecida também com o sistema de controle e as variáveis de comunicação virtuais. Isso permitiu

testar o comportamento da programação da célula perante o sistema como um todo. Segue um fluxo

da simulação do sistema de produção e o controle do sistema por meio de I/O´s, conforme Figura

5.32.

Figura 5.32 Comissionamento virtual a nível de sistema de produção do projeto de acondicionamento de tampas

69

5.3. Considerações sobre o estudo de caso

A simulação esquemática de sistemas pneumáticos com simuladores de PLCs mostra-se uma

forma prática de verificação de programa de sequencias automatizada, mas não permite a

verificação da interação entre as geometrias dos mecanismos nas células de manufatura.

A simulação da célula de manufatura virtualizado no CAD com o PLC simulado, SiL, permite

a verificação das interferências e colisões que poderão ocorrer entre os mecanismos, mas nem

sempre o sistema de controle simulado tem o mesmo comportamento do PLC real.

A simulação do PLC real com o sistema virtualizado no CAD e na simulação permite uma

verificação confiável do algoritmo de controle.

12

6 Conclusão

Este trabalho atingiu o objetivo de propor um método para aplicação CV no processo de

sistemas de produção automatizados e também possibilitou evidenciar a importância da utilização

de técnicas de CV em projetos de células de manufatura.

Este capítulo aborda as conclusões deste trabalho, segundo os três tópicos:

Aumento do nível de conhecimento do comportamento da célula de manufatura – na

simulação dos estados atual e futuro foram demonstrados para a equipe os pontos de

restrição do sistema de produção. A possibilidade desse tipo de visualização facilita

entendimento do sistema em análise e gera discussões com mais propriedade entre os

membros do time;

Maiores informações sobre o comportamento do Estado Futuro da CM – O CV permite

avaliar as imperfeições da programação do sistema de controle logo no início do projeto,

essa forma de trabalho garante tempo para possíveis correções a fim de que ao final do

projeto a programação esteja robusta o suficiente para implementação no sistema de

manufatura. A análise da programação ainda na fase de simulação evita possíveis

colisões na fase de implementação, além disso, quando a programação não é executada

de forma correta evita a procura excessiva por erros. Esta redução dá-se ao fato dos

componentes não serem físicos, ou seja, não há problema de mau funcionamento dos

equipamentos ou dos mesmos terem sido ligados de maneira incorreta;

Acesso às informações – O CV busca a estruturação das informações das áreas

mecânicas e elétricas e da programação para que elas fiquem acessíveis de forma

explícita desde o início do projeto, podendo assim, ser armazenadas em um banco de

dados e posteriormente transmitidas para o sistema através de regras ou informações

adicionais a todos os envolvidos no instante em que se inicia um novo projeto. O

armazenamento do banco de dados faz com que o comissionamento virtual seja uma

ferramenta muito útil a médio e longo prazo, quando esta biblioteca estiver abastecida

com informações do CAD e da programação de cada dispositivo. Como linha de

aplicação um modelo de fluxo é apresentado para representar o processo de

armazenamento, conforme Figura 6.33.

13

Figura 6.33 Comissionamento virtual e o abastecimento do banco de dados

Ao empregar o método proposto neste trabalho na fase de planejamento, o CV apresenta

vantagens consideráveis ao ponto de justificar a empregabilidade em projetos industriais. Estas

vantagens atingem áreas diferentes do projeto, são elas:

Maior integração entre áreas técnicas distintas envolvida no projeto;

Menor tempo de Debug dos sistemas de controle;

Diminuição em erros de projeto;

14

Menor tempo entre o projeto e execução;

Diminuição de custos envolvidos com alterações do projeto em faze de execução;

Suporte a melhoria continua;

A utilização do mesmo método cria por sua vez algumas desvantagens, mesmo com as

desvantagens, sendo elas:

Alto nível de conhecimento das tecnologias empregadas;

Incompatibilidade entre versões de sistemas de controle;

Controle sobre variáveis (quando aplicado em linha ou sistema de manufatura);

Falhas no sincronismo dos sistemas envolvidos;

O método proposto é adequado somente na automação de um sistema de manufatura ou no

desenvolvimento automatizado de um novo sistema de manufatura. O método eleva os resultados da

utilização do CV pois evita retrabalhos e faz com que a equipe de projeto se interaja desde a fase

inicial.

A utilização do CV pode ser realizada em quaisquer níveis apresentado neste trabalho, porém

os sistemas que apresentam melhores resultados e menos dificuldades tecnológicas e de controle é o

CV em máquinas ou linhas.

Para que a empregabilidade do CV seja mais eficaz, é ideal que o mesmo seja planejado na

fase inicial do projeto, pois, devido ao grande número de variáveis envolvido em sua utilização,

aplica-lo em sistemas existentes pode ser mais complexo devido as restrições existentes e por

motivos diversos podem ser variáveis imutáveis, por sua vez pode dificultar a implementação e

utilização do CV.

6.1. Trabalhos futuros

Os seguintes trabalhos são propostos como atividades futuras:

15

Utilização do CV como sistema supervisório: Estudo sobre a utilização do CV como

forma de sistema supervisório empregado a maquina, célula, linha ou sistema de

manufatura;

Kaizen com auxílio do CV: Estudo para utilização do CV como apoio para prática do

Kaizen dos processos de manufatura;

Criação de métodos para aplicar CV: Um estudo para criação de métodos pré-

estabelecidos para aplicação e funcionamento do CV;

Comissionamento virtual baseado em linguagem gráfica e fluxo de dados: A ferramenta

comissionamento virtual em sua utilização está remetida apenas a uso de CLPs. Uma

abordagem interessante é utilizar o método de comissionamento virtual com uma

linguagem gráfica de fluxo de dados, de desta forma fazer testes mais incisivos na

programação do sistema de controle e torna-lo mais robusto.

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