Esta apresentação tem como objetivo mostrar o trabalho de automação de uma guilhotina industrial.
sábado, 7 de julho de 2012
Automação de Máquina Industrial
Última Revisão: 05/11/2019
SmartCutCNC
Vídeo 1 - Resultado do Sistema Funcionando em uma Guilhotina em 2011.
O projeto SmartCutCNC foi uma resposta rápida, justamente porque já existia um processo de pesquisa e desenvolvimento em andamento com a intensão de resolver um problema de reposição de peças de máquinas importadas ou fora de uso. Com essa dificuldade se percebeu a necessidade de desenvolver um projeto específico de automação para esse tipo de máquina como alternativa de solução devido sua importância na indústria gráfica. Desse modo, o sistema do projeto SmartCutCNC foi utilizado para retrofitting de máquina de corte de papel e celulose, ou guilhotina, utilizada nas indústrias gráficas no processo de cortes e acabamentos. O sistema CNC foi desenvolvido para automatizar máquinas manuais, semiautomáticas ou automáticas, mas sem material de reposição para sua recuperação, como se pode observar no Vídeo 1, o qual demonstra o seu funcionamento na fase piloto.
O processo de desenvolvimento compreendeu:
Levantamento das funções de máquina, esboços e desenhos;
Requisitos de calibração de medida;
Controle de posicionamento e precisão;
Funções de segurança e atendimento à normas de segurança;
Desenvolvimento de firmware, software e protocolo de comunicação;
Simulações para teste virtuais para o protótipo;
Projeto dos circuitos eletrônicos do protótipo;
Projeto e confecção das placas de circuito impresso (PCI) do protótipo;
Teste dinâmico do protótipo;
Especificação dos sensores e atuadores;
Projetos de filtros analógicos e digitais para viabilizar o sistema em ambientes industriais de modo a atender os requisitos de compatibilidade eletromagnética (EMC), compreendendo interferência eletromagnética (EMI) e descarga eletrostática (ESD);
Dimensionamento dos circuitos elétricos de potência;
Projeto e planejamento de montagem do quadro de comando;
Projeto dos circuitos eletrônicos;
Projeto e confecção das placas de circuito impresso (PCI);
Desenvolvimento de firmware, software e protocolo de comunicação;
Animação simulando os movimentos de máquina para pessoas interessadas no projeto, de modo que pudessem intervir de forma objetiva, ajudando no entendimento sobre os requisitos funcionais e não funcionais e na tomada de decisão;
Simulações para teses virtuais do projeto piloto;
Projeto Piloto com testes em operação (resultado dessa fase do projeto).
Protótipo
Após o levantamento de requisitos, análise, modelagem e testes de bancada com modelo aranha, pode-se compreender melhor as funções de transferência para controle e ajustes de segurança, de modo a isolar as responsabilidades de cada parte do sistema e assim estabelecer o que seriam melhor implementado em circuito eletrônico, circuito elétrico, integração de dispositivos, ou por programação de software, ou firmware.
Foto 1 - Área de Trabalho de Teste de Protótipos
Vale dizer que as simulações virtuais, juntamente com o conhecimento e as experiências anteriores em eletrônica, eletrotécnica, desenho técnico em CAD (Desenho Assistido por Computador) e programação foram relevantes para realização do projeto, viabilizando o desenvolvimento e conclusão. A foto 1 mostra uma área de trabalho em uma oficina que foi usada para testes do protótipo inicial. E esse utilizou o MCU PIC18F452 da Microchip Technology Inc., mostrado na PCI da foto 3.
Com isso, num galpão de uma oficina emprestada, foi possível fazer exaustivos testes e completar o conhecimento necessário para desenvolver um sistema de posicionamento sem inversor de frequência, baseado apenas no chaveamento de contatores, frenagem e intervalos de tempos, num ambiente eletricamente instável, com elevado nível de harmônicas, interferência eletromagnética irradiada, conduzida e descargas eletrostáticas, de modo a agregar experiência no desenvolvimento de circuitos eletrônicos, em projetos de PCI, na codificação de protocolos de comunicação, no intertravamento elétrico e na eliminação de falhas, tornando o projeto mais robusto para operar no chão de fábrica.
Foto 4 - Oficina localizada à Rua Monsenhor Manuel Gomes, 113-115 - São Cristóvão, Rio de Janeiro/RJ.
Animação 3D dos Movimentos de Máquina Animação 3D, simulando os movimentos de máquina para que as pessoas interessadas no projeto pudessem intervir de forma objetiva, ajudando no entendimento sobre os requisitos funcionais e não funcionais, além de ajudar na tomada de decisão de forma mais assertiva;
Vídeo 2 - Animação Simulando em OpenGL os Movimentos de Máquina.
Simulação dos Circuitos Eletrônicos, Execução do Firmware e Sintetização de Dados
A simulação dos circuitos eletrônicos analógicos e digitais, figura 1, permitiu que houvesse trocar de dados através da porta de comunicação virtual com a suite da Labcenter, de modo que o firmware na MCU virtual por meio de sua tecnologia VSM existente no Proteus pode ser executado. Isso possibilitou a geração de stream de dados com os estados de máquina para que fossem trocados diretamente pela porta virtual, de modo que programas diferentes interagissem, simulando partes mecânicas, a princípio com movimento de figuras geométricas simples.
Figura 1 - Simulação dos Circuitos Eletrônicos no Proteus com código rodando e dados sintetizados sendo gravados.
Simulação de Dados Sintetizados
A simulação de dados sintetizados permitiu visualizar o funcionamento com os dados sintetizados, figura 2, antes de executar o projeto físico, possibilitando a programação e correção de falhas antes que investimentos físicos fossem realizados, auxiliando na redução de reduzindo de riscos, o que também permitiu que o projeto fosse realizado em menos tempo e menor investimento de recursos.
Figura 2 - Simulação dos Dados Sintetizados ou Reais de Máquina.
Projeto Piloto O projeto piloto só pode ser realizado após cinco anos de testes e experiência fazendo manutenção em indústrias gráficas, realizando reparos nos circuitos elétricos e eletrônicos de guilhotinas de diversos fabricantes e modelos. Esse tempo foi justamente devido ao elevado risco intrínseco à natureza da máquina de corte, de maneira que os fatores de segurança e as medidas de emergência são prioridades para mitigação de falhas e devem atuar com redundância para garantir sua eficácia. A Carta de Mapeamento da Pinagem do MCU, exibido no quadro 1, serviu de base para todo projeto, uma vez que a especificação feita em função dos requisitos levantados e modelados para atender as demandas contingenciadas pelo projeto, para alcanças os resultados esperados pelas pessoas interessadas, restrições existentes, condições de segurança e tolerância a falhas.
Quadro 1 - Carta de Mapeamento da Pinagem do MCU.
Devido as fases anteriores e definição de uma arquitetura como plataforma de trabalho pode ser feita com o mapeamento do MCU que seria definitivamente utilizado, viabilizando o desenvolvimento de ferramentas de integrações e simulações sintetizadas por meio de modelos virtuais que foram melhorados. Nesses modelos, grande parte da programação pode ser desenvolvida antes de qualquer construção física, testado os desempenhos inicial do protótipo, assim como decidido sua arquitetura de modo a definir melhor os domínios de responsabilidade de cada parte do projeto. Outro ponto importante foi que além de prover condições de escalabilidade e de mudanças de arquitetura, como por exemplo, para um PLC compatível e que atenda os requisitos. Sendo assim, os diagramas das figuras 2 e 25 especificam separações de código, de modo a tornar essa escalabilidade possível. Os módulos eletrônicos consistiram na confecção de PCI para atender requisitos específicos de hardware delimitando claramente suas respectivas funções, sendo:
SmartCutPLC - Módulo que compreendendo as funções de Controlador Lógico Programável, com Opcode (Código de Operação) embarcado.
SmartCutCom - Módulo de comunicação que interliga SmartCutPLC ao SmartCutHMI,
SmartCutHMI - Módulo de Interface Homem Máquina (HMI).
Nota: Todos os desenhos estão sem escala. SmartCutPLC
O módulo SmartCutPLC exerce a função do Controlador Lógico Programável (PLC), especialmente desenvolvido para controlar o quadro de comando da máquina guilhotina. O programa responde em tempo real (RTS) aos comandos do operador e funções de máquina e proteção, através firmware frmSmartCutPLC. gravado no chip do microcontrolador (MCU), com sua arquitetura exibida na figura 3.
Figura 3 - Arquitetura do Firmware embarcado no SmartCutPLC.
O modelo HZ101 é constituído dos Circuitos Eletrônicos dispostos nos esquema elétricos conforme figura 4 a 7 e a respectiva PCB nas figuras 8 a 13, seu gabinete inicialmente projetado no Solidworks é apresentado no vídeo 3 e por fim os diagramas de ligação nas figuras 14 a 18. A lista abaixo apresenta algumas características de especificação:
21 Entradas digitais 24Vdc;
03 Entradas de interrupção 15Vdc para encoder rotativo incremental;
16 Saídas digitais com contatos a seco NF e NA com um ponto em comum;
Figura 5- SmartCutPLC - Esquema Elétrico Entrada Digital e FPB.
Figura 6 - SmartCutPLC - Esquema Elétrico Saída Digital de Contato a Seco.
Figura 7 - SmartCutPLC - Esquema Elétrico Fontes de Alimentação com Isolação Galvânica.
Figura 8 - PCI SmartCutPLC - Todos os layers visíveis do projeto.
Figura 9 - PCI SmartCutPLC - Todos as camadas visíveis do projeto e sem as malhas de GND.
Figura 10 - PCI SmartCutPLC - Bottom layer and solder layer.
Figura 11 - PCI SmartCutPLC - Top layer and solder layer.
Figura 12 - PCI SmartCutPLC - Solder layer and label layer.
Figura 13 - PCI SmartCutPLC - Montagem dos componentes.
Vídeo 3 - Gabinete em Chapa Dobrada do Módulo SmartCutPLC.
Figura 14 - SmartCutPLC - Diagrama Elétrico de Ligação e Dispositivos de Entrada.
Figura 15 - SmartCutPLC - DiagramaElétrico Saída DC.
Figura 16 - SmartCutPLC - Diagrama Elétrico AC.
Figura 17 - SmartCutPLC - Diagrama Elétrico Cabeamento.
Figura 18 - SmartCutPLC - Desenho de Localização dos Dispositivos no Quadro de Comando.
SmartCutCom
A comunicação entre os dois módulos se dá por uma porta de
Modelo HZ310 Porta
de comunicação RS-232;
Modelo HZ320 Porta
de comunicação RS-422;
Modelo HZ330 Porta
de comunicação RS-485;
Modelo HZ340 Porta
de comunicação USB.
Figura 19 - SmartCutCom - Esquema Elétrico do circuito de comunicação RS485 com isolação galvânica.
Figura 20 - PCI SmartCutCOM.
Figura 21 - PCI SmartCutCOM.
Figura 21 - PCI SmartCutCOM.
Figura 22 - PCI SmartCutCOM.
Figura 22 - PCI SmartCutCOM.
Figura 23 - PCI SmartCutCOM em 3D - Montagem dos Componentes.
Figura 20 a 25, PCI de comunicação RS-485/422 com isolação óptica do sinal e isolação galvânica na alimentação, o desenho da esquerda foi produzido no Eagle (software CAD específico para PCI ou PCB) e o Desenho 4, foi produzido a partir do anterior através do software de renderização POV-Ray.
SmartCutHMI (MCU)
O módulo de Interface Humano-Máquina permite ao operador completar sua interatividade com o sistema de forma que possa programar sua produção, supervisionar a execução do trabalho, enquanto monitora os estados e condições de máquina, da mesma forma para o técnico no ciclo de manutenção, o qual dispõe de funções especiais para auxiliá-lo na tarefa. A arquitetura do software é mostrada na figura 26 e os Circuitos Eletrônicos, no caso de sistema embarcado conforme figura 27 a 37.
Figura 26 - Arquitetura do Software Instalado no SmartCutHMI.
Figura 37 - PCI SmartCutHMI em 3D - Montagem dos Componentes.
Figuras 33 a 37 - PCI da interface HMI para display de cristal líquido com portas para LCD de caractere e LCD gráfico, assim como os anteriores, esses desenhos também foram produzidos nas mesmas ferramentas.
Foto 5 - PCI com MCU (Top layer).
Desenho da membrana táctil, figura 38, feito no Autocad e no Corel Draw.
Figura 38 - Membrana Táctil.
Figura 39, desenho mecânico da chapa metálica do display feito no SolidWorks.
Figura 39- Espelho Frontal.
Vídeo 4 - Gabinete em chapa dobrada SmartCutHMI.
SmartCutHMI (MPU x86)
Figura 40- Print Screen da Tela da HMI.
A interface recebeu inúmeros recursos para maior interação com o operador de máquina, passando para um desktop como supervisório, com facilidade na manutenção e antecipando para mudanças para um desktablet futuramente. O Tema Retrô, figura 40, foi escolhido na ocasião para combinar com máquinas antigas, tendo sua cor alterada conforme a pintura predominante, até as cintilações no display de posição foram mantidas para combinar com o tema, apesar de permitir outros temas de modo a proporcionar mais conforto ao operador. A lista abaixo traz algumas especificações:
01 Teclado (18 teclas USB);
01 Monitor LCD (Tela de Cristal Líquido) de 16” (polegadas);
01 Computador IBM-PC;
Pentium Sempron 1,6GHz;
Memória RAM 1Gb;
HD de 80Gb;
Pendriver de 4Gb;
OS (Sistema Operacional) Windows 98/XP/Vista/7 (testado);
cabo de vídeo VGAcom5 m;
Cabo USB com 5 m;
Cabo RS-232 com 4 m;
2 cabos de força com 5 m.
Calibração do Sistema SmartCutCNC
Foto 6 - Esquadro sobre a Mesa e Posicionado na Mesa pelo Fuso de Esferas.
O esquadro, foto 6, precisa ser calibrado para que o corte não apresente desvios fora da tolerância aceitável pelo Sistema de Qualidade da indústria ao longo do trabalho e dos ciclos de repetição.
A medida tem como referência a linha de corte, que é fixa, e a posição do esquadro móvel, no qual seu posicionamento ocorre devido seu acoplamento a um fuso de esferas por ter melhor precisão, figura 41, e este a um encoder e ao sistema eletromecânico que permite três estados: eixo frenado; eixo livre para ajuste pelo manípulo; e friccionado ao sistema de acoplamento no motor do esquadro, através de uma caixa de redução.
Dessa forma, na figura 42 é mostrado um encoder, que no caso e a princípio, envia pulsos em dois canais defasados em 90º, de modo que o sistema trata esses pulsos e os conta, procedendo a incrementação ou decremento conforme o sentido de avanço ou retorno do esquadro. Com isso tem-se a variável determinada para que as medidas de posicionamento do esquadro possam ser calibradas através de aferições e cálculos para essa finalidade.
A fórmula 1 exibe o modelo de regressão linear utilizado no processo de calibração para aferição das medidas de corte e no gráfico 1 o resultado da calibração.
Fórmula 1 - Modelo de Regressão Linear Utilizado no processo de Calibração.
A calibração consiste em entrar no modo de calibração, indicar o número de medidas variáveis que se pretende tomar para entradas, no qual a máquina posicionará o esquadro na mesa e o operador com seu instrumento padrão de medida, fará as devidas aferições e entrará com cada medida tomadas uma a uma, as quais serão as variáveis independentes.
Gráfico 1 - Calibração de medida métrica por pulso do encode incremental.
Dessa forma, o sistema calculará ao fim das entradas os desvios e correlações, de modo a ajustar automaticamente o parâmetro de coeficiente para uma melhor precisão das medidas aferidas pelo sistema após esse processo.
Vale salientar, que o instrumento padrão de medida do operador deve ser confiável, ou seja, periodicamente deve ter suas medidas rastreadas, creditadas e comprovadas por meio de um certificado de calibração emitido por um laboratório homologado pelo INMETRO, ou seja, por um laboratório da Rede Brasileira de Calibração (RBC), ou da Rede Brasileira de Laboratórios de Ensaios (RBLE). Simulação de Dados Reais
A simulação de dados reais também permitiu que dados coletados pelo data logger fossem simulados quando necessário para auxiliar na manutenção ou no aperfeiçoamento do sistema.
Figura 43 - Simulação dos Dados Sintetizados ou Reais de Máquina expandido.
Em seguida, o simulador em OpenGL, foi unido ao SmartCutHMI, para auxiliar também na manutenção em tempo real, simulando partes mecânicas, atuadores de máquina, sensores, estados dos relés, contatores, inversor de frequência e fiação do sistema elétrico. A simulação dos circuitos eletrônicos não foi completada, apesar de viável tanto na forma física juntamente com todo sistema, quanto na forma esquemática.
Figura 44 - Simulação no SmartCutHMI em Tempo Real para Auxiliar na Manutenção com Zoom e Rotação.
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