Automação e Integração de uma Linha de Produção Industrial

Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto Automatização e Integração de uma Linha de Produção Industrial Marco Miguel Marques Teixeira Dissertação realizada no âmbito do Mestrado Integrado em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores Major Automação Orientador: Engenheiro Mário de Sousa (FEUP) 10/03/2013 Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto Automatização e Integração de uma Linha de Produção Industrial Marco Miguel Marques Teixeira V ERSÃO F INAL Dissertação realizada no âmbito do Mestrado Integrado em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores Major Automação Orientador: Engenheiro Mário de Sousa (FEUP) 10/03/2013 ii © Marco Miguel Marques Teixeira, 2013 iii Resumo Este documento apresenta a dissertação “Automatização e Integração de uma Linha de Produção Industrial” desenvolvida no âmbito do Mestrado Integrado em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores, da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto. O plano de trabalhos deste projeto incide sobre uma fábrica de produtos alimentares e tem como objetivo efetuar todo o trabalho prévio à programação do sistema de controlo, de forma a contribuir positivamente para os objetivos da empresa de melhorar o controlo de produção e rastreabilidade, reduzir o número de falhas e o seu tempo médio de reparação e reduzir o tempo de limpeza e manutenção. De forma a cumprir os objetivos, será efetuada uma descrição e levantamento de requisitos da linha de produção e com base nesses dois fatores serão desenhadas a arquitetura da nova linha e diagramas UML de auxílio a este último. Por fim, neste documento poderá ainda encontrar as arquiteturas de controlo que vão permitir controlar e monitorizar a linha de produção de forma mais eficiente, assim como integrá-la, primeiro num sistema de supervisão e segundo num sistema que permitirá gerir e otimizar as operações de produção da fábrica. iv v Agradecimentos Agradeço a todas as pessoas que direta ou indiretamente tornaram possível a realização deste trabalho e me ajudaram a dar um passo importante na caminhada da minha formação profissional e pessoal. Agradeço ao meu orientador, Engenheiro Mário de Sousa, toda a simpatia, disponibilidade e ajuda sempre que foi necessário, e ainda, toda a sabedoria e ensinamentos que me transmitiu, e que em parte contribuíram para o sucesso deste trabalho. Não podia também deixar de agradecer à minha família, especialmente aqueles que sempre estiveram presentes e que me apoiaram incondicionalmente ao longo destes anos, nos bons e maus momentos. Sei que estão orgulhosos de mim por concluir esta fase importante da minha vida, por isso este trabalho é em parte para vós. Finalmente gostaria de deixar um obrigado especial à minha esposa Mafalda pela confiança e incentivo que sempre depositou em mim, pelo companheirismo, amizade e amor sempre presentes e por ser a razão principal do meu sucesso neste curso. vi vii Índice Resumo ....................................................................................................................................... iii Agradecimentos .......................................................................................................................... v Índice .......................................................................................................................................... vii Lista de figuras ........................................................................................................................... ix Abreviaturas ............................................................................................................................... xi Capítulo 1 ..................................................................................................................................... 1 Introdução ..................................................................................................................................... 1 Capítulo 2 ..................................................................................................................................... 3 Revisão da literatura e estado da arte .......................................................................................... 3 2.1 Os sistemas de produção ................................................................................................... 3 2.2 A aplicação da Unified Modeling Language (UML)........................................................... 18 2.3 Redes de comunicação e sistemas de controlo ............................................................... 24 Capítulo 3 ................................................................................................................................... 35 Primeira abordagem .................................................................................................................... 35 3.1 Identificação de problemas ............................................................................................... 35 3.2 Propostas e contribuições esperadas ............................................................................... 37 Capítulo 4 ................................................................................................................................... 39 Automatização da linha de produção .......................................................................................... 39 4.1 Descrição e levantamento de requisitos ........................................................................... 39 4.2 Arquitetura da linha de produção ...................................................................................... 55 4.3 Proposta de modelação do sistema de controlo ............................................................... 59 Capítulo 5 ................................................................................................................................... 65 Proposta de otimização e integração do sistema de controlo .................................................... 65 5.1 Arquitetura de controlo ...................................................................................................... 66 5.2 SCADA / HMI .................................................................................................................... 70 2 A linha geral de produção da imagem acima é a Linha de Produção de Farinhas (LPF) e esta está dividida em cinco linhas específicas de produção que estão interligadas entre si, e que consoante a receita, funcionam em conjunto para produzir um produto final, uma farinha. Assim, as cinco linhas que constituem a LPF são as seguintes: • Linha de Matérias-Primas Sólidas (LMPS); • Linha de Matérias-Primas Líquidas (LMPL); • Linha de Cereais Hidrolisados e Enzimas (CHE); • Linha de Mistura Líquida (LML); • Linha de Secagem (LS). De entre as cinco linhas anteriores, a linha que será totalmente remodelada, e um dos objetos de estudo neste trabalho, será a Linha de Mistura Líquida. Esta linha é extremamente importante no processo de fabrico e assume um papel central no mesmo, já que, para além de outros aspetos importantes, esta recebe produto das três primeiras linhas mencionadas acima e envia para a última linha, um produto final para secagem. Quanto ao sistema de controlo das cinco linhas mencionadas acima, e que é outro dos objetos de estudo deste trabalho, este segue práticas antigas e consideradas desatualizadas hoje em dia, o que faz com que isso traga várias desvantagens económicas à empresa, pelo que será necessário adequar o sistema às práticas usadas atualmente. Assim sendo, pretende-se que com este trabalho possa ser cumprida a primeira de duas etapas das seguintes tarefas: • Automatização e integração da Linha de Mistura Líquida; • Otimização das arquiteturas dos sistemas de comando e controlo de todas as linhas e integração dos mesmos; Com a ajuda deste trabalho a empresa pretende conseguir: • Melhorar o controlo de produção e rastreabilidade; • Reduzir o número de falhas e o seu impacto na produção; • Reduzir o tempo de limpeza e manutenção; • Reduzir os custos de produção; Das tarefas mencionadas acima, a segunda etapa, ou seja, criar o programa de controlo e de integração e o programa de integração das restantes linhas, não será objeto de estudo deste trabalho, já que é impossível conseguir fazê-lo em tão pouco tempo. Assim sendo, este projeto de dissertação terá o objetivo de fornecer à equipa responsável por criar os programas de controlo e integração, todas as ferramentas necessárias para iniciar e concluir essa tarefa com sucesso, e ainda, contribuir positivamente para alcançar os objetivos esperados pela empresa. 3 Capítulo 2 Revisão da literatura e estado da arte 2.1 Os sistemas de produção A evolução dos processos de fabrico tem originado nestes últimos tempos grandes modificações, a tal ponto que as teorias de administração e organização do fabrico que vieram com a revolução industrial começam a perder espaço para uma nova forma de organização: os Flexible Manufacturing Systems (FMS). Até ao final dos anos setenta, a automação fabril desenvolveu-se basicamente através de linhas de produção do tipo flow-shop (ou produção em massa), que por muito tempo foi um dos fatores principais de geração de riqueza dos países altamente industrializados. O advento do computador nos anos quarenta, acompanhado de uma rápida evolução do mercado com clientes (público consumidor) cada vez mais exigentes e variados, possibilitou o aparecimento de sistemas de fabrico altamente automatizados e flexíveis, com a capacidade de tratar uma variedade de produtos de volume médio e admitir rápidas alterações no processo, alcançando alta produtividade sem perder a qualidade dos produtos. Os FMS correspondem a esta tentativa de satisfazer tais exigências do mercado, constituindo-se assim na mais moderna conceção para sistemas de produção integrados por computador com capacidade de gerar produtos de volume médio com elevada qualidade e baixo custo. Foi assim que nestas últimas décadas o rápido desenvolvimento tecnológico da automação industrial trouxe como consequência um considerável aumento do grau de complexidade dos sistemas de fabrico nos quais o número de atividades que ocorrem de forma paralela ou concorrente é muito grande. Consequentemente, estas devem ser controladas apropriadamente para garantir o funcionamento correto do sistema como um todo (Palomino, 1995). 2.1.1 Evolução dos sistemas de produção Até à criação da máquina a vapor, a produção caracterizou-se pela atividade individual, assim como pelo uso de energia muscular em vez de mecânica. No século XVIII com o uso de energia a vapor, as condições de trabalho mudaram rapidamente com prejuízo para os operários porque houve uma efetiva redução do elemento humano como fonte de força. Assim, com o advento de equipamentos que passaram a realizar 4 grande parte do trabalho manual, o impacto causado foi grande, uma vez que estas apenas necessitavam de um operador para executar tarefas relacionadas com o setup inicial, carga e descarga dos materiais, etc. Outro passo significante que afetou a interface homem-máquina foi o desenvolvimento de controlo de máquinas por sofisticados servomecanismos (dos Santos, 1993), concedendo um maior grau de autonomia a estas unidades de produção, exigindo nesta etapa maior capacidade e conhecimento por parte dos operadores para lidar com uma quantidade muito maior de informações com vista à especificação e manutenção do controlo das respetivas máquinas. Neste ponto, o desenvolvimento dos computadores permitiu uma alternativa para a solução do problema de tratamento de dados. Logo, a evolução dos computadores e uma redução dos custos permitiram o desenvolvimento das chamadas equipamentos de controlo numérico operando com trocas automáticas de ferramentas. Os operadores, embora em número reduzido, passam a ter um maior grau de responsabilidade operacional, sendo que começam a operar diferentes máquinas, tornando-se responsáveis pela operação e acompanhamento de todas as fases de fabrico do produto. A responsabilidade direta do elemento humano no ambiente de fabrico passa a ser portanto mais restrita e substancialmente reduzida. Desse modo, a participação do homem nos processos de fabrico evoluiu de um simples operador de máquinas para um supervisor de produção, realizando operações básicas relacionadas com a monitoração global dos processos. O próximo passo foi o desenvolvimento de sistemas de fabrico totalmente automatizados a partir da integração de equipamentos controlados por um computador central. Para a realização do fluxo de peças, matérias-primas e ferramentas, utilizam-se robôs, veículos guiados automaticamente, tapetes, e principalmente os computadores e sistemas de monitorização e controlo de processos, os quais devem ter as suas funções perfeitamente sincronizadas e definidas. As principais dificuldades passarão por desenvolver um modelo eficaz no que toca a sistemas concorrentes e assíncronos com alto grau de complexidade. Desta forma, é necessário uma técnica de modelação que possa ser útil para a representação das características de um FMS capaz de contribuir para o planeamento e realização de atividades tais como a supervisão do sistema, diagnóstico e reparo de falhas no sistema, carga e descarga de materiais, monitorização e controlo do sistema, preparação das máquinas e ferramentas, etc (Palomino, 1995). 2.1.2 Técnicas de modelação de sistemas de produção 2.1.2.1 Sistema Para modelar um sistema é necessário entender o conceito de sistema, assim como o limite do mesmo. De seguida será definido o que se entende por sistema de um modo geral. Segundo Elmaghraby (1966), sistema é qualquer coleção de interação de elementos que funciona para alcançar um objetivo comum e que evoluiu no tempo. A definição acima indica que aquilo que pode ser definido como sistema num contexto, pode ser apenas um componente noutro, dando origem deste modo aos subsistemas. Por exemplo, para um projetista de automóveis, o automóvel é um sistema mecânico composto por eixos de manivelas, bloco de cilindros, pistões, etc. Já para um engenheiro civil, que projeta um sistema de uma estrada, o automóvel é apenas um componente desse sistema o qual inclui 5 camiões, autocarros e outros. Assim o universo parece estar formado por conjuntos de sistemas, cada qual contido num outro ainda maior (Palomino, 1995). 2.1.2.2 Componentes de um sistema Todos os sistemas apresentam os seguintes componentes listados a seguir: • Fronteiras: são os limites do sistema, que podem ter existência física ou apenas uma delimitação imaginária para efeito de estudo; • Subsistemas: São os elementos que compõem o sistema; • Entradas (input): representam as matérias-primas ou variáveis independentes do sistema; • Saídas (outputs): representam os produtos ou variáveis dependentes do sistema; • Processamento: engloba as atividades desenvolvidas pelos subsistemas que interagem entre si para converter as entradas em saídas; • Retroação (feedback): é a influência que as saídas do sistema exercem sobre as suas entradas no sentido de ajustá-las ou regulá-las ao funcionamento do sistema (Palomino, 1995). 2.1.2.3 Produção A produção é o ato intencional de produzir alguma coisa útil. Elmaghraby (1966) define produção como o incremento da utilidade de um objeto ou um serviço. Entendemos produção de outro modo como a adição ou incremento de valor a um bem (produto ou serviço) por efeito de uma transformação. Ampliando um pouco mais o conceito de produção, esta pode ser definida como um processo que permite a transformação de alguma matéria-prima num determinado produto, o qual por sua vez pode resultar em matéria-prima de outro processo. Para permitir esta transformação usa-se um conjunto de elementos (máquinas, mão de obra, ferramentas, meios de transporte, etc), que em conjunto vêm a compor o chamado sistema de produção. A produção, segundo a sua natureza, pode classificar-se em três tipos: Produção primária (ou extrativa), secundária (ou de transformação) e terciárias (ou prestadoras de serviço) (Palomino, 1995). 2.1.2.4 Sistema de produção Todas as empresas, para poderem funcionar, adotam um sistema de produção com vista a realizar as suas operações e produzir os seus produtos ou serviços da melhor maneira possível, e com isto garantir a sua eficiência e eficácia. Assim Elmaghraby (1966) define um sistema de produção como um processo planeado pelo qual os elementos são transformados em produtos úteis, isto é um procedimento organizado para se conseguir a conversão de entradas (matérias-primas) em saídas (produtos acabados), como mostrado na tabela. Um sistema de produção, portanto, começa a tomar forma desde que se formula um objetivo e se elege o produto que se vai comercializar. Deste modo, a empresa, como um sistema de produção, têm por finalidade organizar todos os sectores que fazem parte da mesma, para realizar as suas operações de produção, adotando uma interdependência lógica entre todas as etapas do processo produtivo, desde que as matérias-primas ou materiais 6 deixam o início da produção até chegar posteriormente (depois de sofrer uma alteração) ao depósito de produtos acabados na qualidade de produto final (Palomino, 1995). 2.1.2.5 Componentes do sistema de produção Segundo Palomino (1995), os sistemas de produção são compostos por elementos (peças a fabricar, máquinas, etc.) e pelas relações entre eles (interconexões físicas, operações, etc.). A ideia de elemento ou objeto físico pode ser associada a um conjunto de atributos mensuráveis pertinentes, ao fim para o qual foi previsto o referido elemento. Estes atributos podem ser constantes ou variáveis: • Atributos constantes: são os que definem a natureza do elemento (tipo de elemento, parâmetros) e as suas características (taxa de falhas, dimensões). • Atributos variáveis: são aqueles que evoluem com o tempo (estado de ocupação de uma máquina, estado operacional de uma peça no posto de trabalho numa certa posição, período de standby). Os elementos da mesma natureza podem ser agrupados em lotes e o número de elementos destes lotes pode ser avaliado. As relações são descritas com o auxílio dos atributos constantes que informam as características de relação (tempo de operação de cada peça na máquina). Caso o sistema modelado permaneça o mesmo por um determinado intervalo de tempo, as relações possuirão atributos constantes, já que estas serão solicitadas com uma periodicidade constante nesse intervalo de tempo. Consequentemente, o modelo de um dado sistema de produção poderá ser considerado como a representação do conjunto de elementos desse sistema e das relações qualificadas pelos seus atributos (Palomino, 1995). 2.1.2.6 Tipos de sistemas de produção Segundo Palomino (1995), o desenvolvimento neste campo até agora resultou na divisão da produção em duas grandes classes: produção contínua e produção discreta (que por sua vez se divide em produção em lotes e produção sob encomenda): • Sistema de Produção Contínua – Este tipo de produção é caracterizado pelo grande volume de produção, produto padronizado e produção de grandes lotes de cada vez. O ritmo de produção é acelerado e as operações são executadas sem interrupção ou mudança. Como o produto é sempre o mesmo ao longo do tempo e o processo produtivo não sofre mudanças, o sistema pode ser aperfeiçoado continuamente. Assim o que se procura com este tipo de produção é precisamente alcançar o baixo custo, grande volume e produção em massa. Na prática, os modelos contínuos estão representados por linhas de montagem, fabrico de produtos químicos e refinação de petróleo, etc., produtos que são mantidos em linha por um longo tempo e sem modificação. • Sistema de Produção Discreto – As situações discretas de produção são aquelas nas quais as instalações devem ser suficientemente flexíveis para processar uma ampla variedade de produtos e tamanhos, ou onde a natureza básica da atividade impõe mudanças importantes das matérias-primas. 7 o Sistema de Produção em Lotes – É caracterizado por produzir uma quantidade limitada de um tipo de produto de cada vez (denominado lote de produção). Cada lote é previamente dimensionado para assim poder atender a um determinado volume de vendas previsto para um dado período de tempo. Desse modo, os lotes de produção são produzidos um a seguir ao outro. Neste tipo de produção o plano de produção é feito antecipadamente, podendo assim a empresa aproveitar melhor os seus recursos com maior grau de liberdade, ao contrário do que ocorre no sistema de produção sob encomenda, no qual o plano de produção é feito após o recebimento do pedido ou encomenda. Este tipo de produção em lotes é utilizado por uma infinidade de indústrias: têxteis, cerâmica, eletrodomésticos, materiais elétricos, alimentar, etc. o Sistema de Produção sob Encomenda – Este tipo de fabrico contratado ou feita sob encomenda é produzido especialmente a pedido de um cliente, como por exemplo turbinas, ferramentas e matrizes, maquinaria especial, navios, etc. Os pedidos são em geral de natureza não repetitiva e as quantidades podem variar de uma a centenas de unidades. Neste tipo de produção, cada pedido usualmente acarreta uma grande variedade de operações, e o andamento em geral não segue nenhum plano padronizado ou rotineiro. É pois a encomenda ou o pedido efetuado que vai definir como a produção deverá ser planeada e controlada, sendo portanto esta etapa do planeamento e controlo de produção muito complexa. 2.1.2.7 Comparativo entre os três sistemas de produção Como se pôde observar em cima, o tipo de produto que vai ser produzido é que determina o sistema de produção a ser adotado pela empresa, em muitos casos dada a diversidade de produtos que uma empresa fabrica ou produz, estas empresas apresentam misturas desses sistemas de produção. Se o produto é de grande porte e depende da encomenda do cliente, então o sistema adotado será a produção sob encomenda. Se por outro lado, há uma grande variedade de produtos que entram e saem da produção, e que a empresa vende após embalar, então o sistema adotado será a produção em lotes. Se há um ou mais produtos que permanecem em produção por um longo tempo e que a empresa os vende após embalar, então o sistema adotado será de produção continua. Obviamente a adoção de um determinado sistema de produção apresenta certas vantagens como desvantagens. Assim, a produção por encomenda é o sistema onde ocorre maior descontinuidade na produção, enquanto a produção contínua é o sistema onde há maior continuidade no processo produtivo. Já a produção por lotes representa o sistema intermediário, onde a continuidade e a descontinuidade se alternam, como mostrado pela figura 2: 8 – Grau de continuidade dos 3 sistemas de produção (Palomino, 1995) Figura 2 2.1.2.8 Modelos de sistemas de produção Segundo Palomino (1995), antes de ver os diferentes modelos de sistemas de produção, devemos primeiro compreender o significado do que é um modelo, o mesmo que está ligado à cibernética. • Cibernética: tentativa de compreender a comunicação e o controlo de máquinas, seres vivos e grupos sociais através de analogias com as máquinas cibernéticas (servomecanismos, etc.). A cibernética compreende os processos, os sistemas de transformação da informação e a sua concretização em processos físicos, fisiológicos, psicológicos, etc. Esta é uma teoria dos sistemas de controlo baseados na comunicação (transferência da informação) entre o sistema e o meio, e dentro do sistema e do controlo (retroação) da função dos sistemas com respeito ao ambiente. Um dos grandes problemas da cibernética é justamente a representação de sistemas originais através de outros sistemas comparáveis, denominados modelos. No sentido literal da palavra, modelo é a representação de alguma coisa. Pode ser definido também como a representação simplificada de um sistema com o propósito de estudar o mesmo. Assim, problemas que desobedecem a soluções diretas por causa do tamanho, complexidade ou estrutura, são frequentemente avaliados através de modelos de simulação. Assim, os modelos são muito importantes na representação de sistemas, podendo ser de diferentes tipos, como veremos posteriormente. Representação dos sistemas: Modelo é uma representação simplificada de alguma parte da realidade, sendo a natureza do problema aquela que vai determinar que tipo de modelo será o mais apropriado. De seguida serão apresentadas três razões para a utilização de modelos: 1) A manipulação de entidades reais (pessoas ou organizações) é socialmente inaceitável ou legalmente proibido; 2) O volume de incerteza com que a empresa lida cresce rapidamente e aumenta desproporcionalmente as consequências dos erros; 3) A capacidade de construir modelos que constituem boas representações da realidade aumenta bastante. Assim sendo, uma das principais razões para o uso de modelos é a possibilidade de estudar um determinado sistema sem o custo, perigo, inconveniência e até mesmo a possibilidade de observar o comportamento do sistema real visando observar propriedades ainda não identificadas para avaliar e posteriormente sugerir mudanças ou melhorias no sistema modelado. 9 Neste processo, após a utilização de uma linguagem de modelação para modelar as características mais relevantes do sistema, obtém-se o modelo o qual é válido ou analisado para verificar se o mesmo possui todas as características e cumpre todos os requisitos. Caso o modelo não apresente problemas ou propriedades inaceitáveis, ele passa por uma revisão, onde são feitas alterações até torná-lo num sistema consistente. Linguagens de modelação de sistemas: Uma linguagem de modelação é o meio pelo qual se expressam os modelos, tendo como principal objetivo a descrição de sistemas (o mesmo que deve possuir uma série de características orientadas a esta atividade). De seguida são apresentadas algumas destas características necessárias: • Possuir uma base formal, visando obter uma interpretação exata e precisa; • Clareza, visando facilitar a comunicação entre todos os envolvidos numa modelação; • Possibilitar a construção de modelos que preencham os requisitos de conceitualização (contendo apenas as propriedades desejadas do sistema modelado) e de totalidade (todas as propriedades desejadas do sistema modelado). Porém é difícil que uma linguagem tenha todas as características, até porque algumas delas são conflituantes. É comum nos sistemas encontrar componentes que apresentem atividades concorrentes ou paralelas. Tipos de Modelos : Como pudemos observar, os modelos são muito importantes porque permitem representar sistemas, já que estes são réplicas ou abstrações das características essenciais de um processo, além de mostrarem as relações entre causa e efeito e entre objetivos e restrições. Assim, os modelos podem ser classificados como sendo matemáticos, físicos ou esquemáticos: • Modelo Matemático – Usa notação simbólica e equações matemáticas para representar os sistemas. É fácil de manipular, o efeito das variáveis atuantes observa-se claramente e, sobretudo, é um modelo preciso. Quando um modelo matemático se pode construir para representar de forma exata a situação de um problema, esta é uma ótima ferramenta para a abordagem do mesmo. • Modelo Físico – São réplicas que sofrem uma mudança de escala. Os modelos microscópicos, por exemplo, podem ser aumentados em escala para investigação, e estruturas enormes podem ser baixas em escala para um tamanho maneável. Nestas mudanças de escala, muitas vezes são perdidos certos detalhes. Numa réplica física, por exemplo, pode ser uma desvantagem onde um fator, tal como a distância, é uma consideração chave. • Modelo Esquemático – Fazem parte deste tipo de modelo os gráficos de flutuação de preços, diagramas de atividades, redes de eventos, etc. Todos estes representam o mundo real. Por exemplo, quando queremos ver a evolução de um determinado preço, geralmente utilizamos um gráfico bidimensional para observar o seu comportamento. Os aspetos gráficos são então úteis para propósitos de demonstração. 10 2.1.2.9 Sistemas discretos e contínuos Segundo Palomino (1995) depois de termos definido o conceito de sistema de uma forma geral, podemos agora dividi-los segundo a sua natureza, ou seja, podem ser classificados como discretos ou contínuos. Na prática poucos sistemas são totalmente discretos ou contínuos, porém, depois de se efetuar algum tipo de mudanças para a maioria dos sistemas, será possível então classificá-los como sendo discretos ou contínuos: • Sistemas Contínuos – São aqueles nos quais as variáveis de estado mudam continuamente no tempo. Na realidade, todos os sistemas são contínuos. São os modelos (representação aproximada dos sistemas) que são discretos. – Trajetória de um sistema dinâmico de variável contínua (Palomino, 1995) Figura 3 Comportamento Dinâmico dos Sistemas de Variáveis Contínuas: As teorias de controlo de sistemas que evoluem no tempo, que satisfazem basicamente as leis físicas, são fundamentadas basicamente em modelos matemáticos descritos por equações diferenciais (Ho, 1989; Cassandras,1990). Como visto na figura 3 a noção do tempo é uma variável independente, a qual é substituído por uma sequência de eventos num sistema dinâmico de eventos discretos. A trajetória de um sistema dinâmico de variável contínua muda constantemente com o estado, tomando valores em R n , sendo capaz de representar o comportamento do sistema num instante qualquer a partir de um instante inicial. • Sistemas Discretos – São sistemas no qual as variáveis de estado mudam só num conjunto discreto de pontos no tempo. Por exemplo, o banco é um exemplo de um sistema discreto desde que a variável de estado e o número de clientes no banco mude só quando um cliente chega ou quando o serviço prestado a um cliente termina. – Trajetória de um sistema dinâmico de eventos discretos (Palomino, 1995) Figura 4 11 Como vimos anteriormente, a maioria dos sistemas são contínuos, mas para casos de estudo, eles podem tornar-se discretos. Assim, temos os seguintes tipos de sistemas discretos, os quais são representados na figura 5 (Cardoso, 1994): • Sistemas amostrados – São sistemas estudados somente em instantes precisos. Tratam-se, portanto, de sistemas contínuos observados em instantes discretos, onde as variáveis de estado evoluem de maneira contínua e sem variações bruscas de comportamento, mas onde somente em instantes discretos é que há um interesse no seu valor. • Sistemas discretos – São sistemas para os quais as variáveis de estado, ou pelo menos algumas delas, variam bruscamente a certos instantes. Entretanto, estes instantes podem necessariamente ser previstos, e o conhecimento do estado a um dado instante não permite que sem cálculo se conheça o estado seguinte. • Sistemas a eventos discretos – São sistemas modelados de tal maneira que as variáveis de estado variam bruscamente em instantes determinados, e que os valores das variáveis nos estados seguintes podem ser calculados diretamente a partir dos valores precedentes e sem ter que considerar o tempo entre estes dois instantes. – Diversos tipos de sistemas discretos (Palomino, 1995) Figura 5 Comportamento Dinâmico dos Sistemas de Eventos Discretos: Em comparação com os sistemas de variáveis contínuas, estes sistemas apresentam um comportamento diferente, isto é, a evolução dinâmica do sistema está subordinada à ocorrência de eventos, os quais não podem ser representados por equações diferenciais ordinárias. Exemplos de tais sistemas são linhas de montagem, redes de comunicação, sistemas computacionais e sistemas de fabrico em geral, que são sistemas dinâmicos criados 18 Assim, para se conseguir de forma eficiente uma boa especificação e implementação de sistemas de controlo, os métodos a serem utilizados devem ter as seguintes características: • Permitir a representação do sistema em diferentes níveis de abstração; • Facilitar a decomposição do sistema em subsistemas funcionais com uma clara definição das inter-relações; • Conter explicitamente o conceito de estado parcial; • Devem ser acessíveis a especialistas de diferentes formações; • Facilitar as constantes alterações às quais o sistema de controlo estará sujeito; • Facilitar a representação de concorrência entre tarefas, as quais são executadas simultaneamente assim como a sincronização; • Permitir a representação da variável tempo; • Devem ser simples para permitir que as empresas tenham completo conhecimento sobre o sistema, facilitando assim a integração de novos elementos; • Permitir a descrição dos aspetos estáticos e dinâmicos do sistema a ser representado. Após determinar as características necessárias, um modelo apropriado é então necessário para propósitos de análise e controlo (Palomino, 1995). 2.2 A aplicação da Unified Modeling Language (UML) Segundo Costa (2001) o desenvolvimento de sistemas automatizados de informações, que apoiam as atividades de projeto e produção de produtos, deve seguir um modelo como referência para permitir uma melhor compatibilidade e portabilidade de tais sistemas, principalmente quando inseridos num ambiente integrado de engenharia concorrente. A UML (Unified Modelling Language – Linguagem de Modelação Unificada) surgiu, nos últimos anos, a partir da união de métodos anteriores para análise e projeto de sistemas orientados a objetos e em 1997 passou a ser aceite e reconhecida como um padrão potencial de notação para modelação de múltiplas perspetivas de sistemas de informações pela OMG (Object Management Group) (Booch et al., 1999). Entre os métodos que deram origem a esta linguagem de modelação visual estão: Booch (Booch, 1994), OMT (Object Modelling Technique) e OOSE (Object Oriented Software Engineering). A UML define um conjunto básico de diagramas e notações que permitem representar as múltiplas perspetivas (estruturais / estáticas e comportamentais / dinâmicas) do sistema sobre análise e desenvolvimento. De entre os diagramas podem ser citados: diagramas de casos de uso, diagramas de classes, diagramas de interações (sequência ou colaboração), diagramas de atividades e diagramas de estado e transição (Costa, 2001). As figuras 10, 11 e 12 descrevem brevemente alguns destes diagramas: 19 – Descrição dos diagramas de classes e casos de uso (Adaptado Costa, 2001) Figura 10 20 – Descrição dos diagramas de classes e sequências (Adaptado Costa, 2001) Figura 11 21 – Descrição dos diagramas de estados (Adaptado Costa, 2001) Figura 12 A UML oferece um suporte direto para o projeto e implementação de cada perspetiva do sistema em desenvolvimento e também uma notação para sua representação. Por esta razão, para a sua completa utilização, torna-se necessário um processo/metodologia que permita a migração e evolução das informações através das diferentes fases de representação, tais como funcionalidade, análise e projetos, implementação, etc. (Costa, 2001). 2.2.1 Casos de uso e categorias Texel e Williams (1997) propõem um processo baseado em casos de uso combinado com Booch, OMT e UML, para o desenvolvimento de sistemas orientados a objetos. Em ambos os processos, os casos de uso definem o primeiro nível de representação do sistema e resultam de uma fase de captura das “necessidades” a serem atendidas pelo mesmo. Os casos de uso representarão, num nível mais geral, as funcionalidades do sistema em desenvolvimento e guiarão todas as fases subsequentes de análise, projeto, implementação e testes do sistema 22 computacional. A figura 13 mostra, de forma simplificada, como tal processo pode ser desenvolvido (Texel, Williams, 1997): – Processo de identificação dos casos de uso (Adaptado Costa, 2001) Figura 13 Com base numa descrição detalhada do sistema, principalmente focando as expectativas dos utilizadores em termos de “o que o sistema deveria fazer”, potenciais casos de uso são identificados, bem como as categorias do sistema. As categorias (ou pacotes) são outros tipos de elementos da UML e representam os módulos principais (grupo de objetos com funcionalidade similar) do sistema em desenvolvimento. Com base nestes dois elementos, uma descrição geral de como as categorias interagem entre si para executar cada caso de uso, pode ser representada por diagramas de sequência. Esta fase é definida como análise do sistema onde tais representações podem ser utilizadas para um melhor esclarecimento e discussão com os utilizadores e responsáveis pela implementação do sistema. Numa fase seguinte, caracterizada com maior enfase no projeto do sistema, procura-se um refinamento destas representações, a nível dos objetos que farão parte do sistema. Ambos os diagramas, classes e interações são utilizados e apoiados por representações mais detalhadas dos aspetos comportamentais dos objetos, através de diagramas de estado e transição e diagramas de atividades (Costa, 2001). Quando pretendemos representar quais os principais objetivos e restrições do sistema em desenvolvimento, os casos de uso, que representam a funcionalidade do sistema (“o que o sistema deveria fazer”), enquadram-se como um importante elemento nessa representação. Embora os casos de uso tentem capturar o que os usuários querem do sistema, eles não especificam como o sistema deveria ser. Isso é definido nas fases seguintes de projeto do sistema. Os casos de uso por si só não apresentam muitas informações, e assim os cenários dos casos de uso complementam as suas descrições. Estes cenários são compostos por fluxos de eventos, as ações e reações do software, as restrições, necessidades de interfaces gráficas, etc. Esta descrição dos casos de uso, através dos seus cenários, fornecem informações úteis também para a especificação das propriedades (atributos e métodos) das classes necessárias para executar os casos de uso (Costa, 2001). 23 Apesar de permitir uma representação comum da funcionalidade do sistema computacional em questão, somente com a identificação inicial mais clara da estrutura geral do sistema poderse-á alcançar um melhor entendimento e estabelecimento das responsabilidades das equipas envolvidas no seu desenvolvimento. Uma das principais transições na utilização da notação UML é, através dos casos de uso, representar o sistema em termos de objetos. Texel e Williams (1997) mostram este processo por intermédio de uma metodologia em que uma lista das potenciais categorias é identificada. A identificação das categorias do sistema é recomendada para uma definição clara dos módulos que farão parte do mesmo. Assim, a adoção das representações diagramáticas de casos de uso e categorias do sistema fornecerão uma documentação compreensiva que servirá como base para discussões entre gerentes, usuários finais, programadores, etc. A figura 14 mostra uma representação simplificada de alguns dos casos de uso e categorias identificados num caso geral: – Identificação dos casos de uso e categorias (Adaptado Costa, 2001) Figura 14 No exemplo acima, um dos casos de uso é “Avaliar_Soluções_Projeto”, que está relacionado com duas categorias principais, “Funções e Soluções de Projeto”, sendo que a primeira categoria é utilizada como elemento de referência para a segunda. Por exemplo, para a função “extrair componente plástico”, estará associado um possível conjunto de soluções, tais como pinos de extração, placas de extração, etc. A representação do relacionamento destas categorias com os casos de uso que farão uso das mesmas é feita através dos diagramas de sequência. Enquanto os diagramas de categorias representam as associações entre as categorias fornecendo uma visão geral das relações entre as principais estruturas do sistema, os diagramas de sequência representam as relações particulares entre as categorias, para cada caso de uso. Tais representações fornecem para a equipa de desenvolvimento, um “feedback” em termos do projeto inicial do 24 sistema. Estas representações guiarão os futuros estágios de análise e projetos do sistema (Costa, 2001). 2.3 Redes de comunicação e sistemas de controlo Segundo Nogueira (2009) através de Tanenbaum (1997), uma rede de computadores significa um conjunto de computadores autónomos e interconectados. Dois computadores são ditos interconectados, quando são capazes de trocar informações, o que pode ocorrer através de um meio físico de comunicação. Este é composto, por exemplo, por fios de cobre, microondas, fibras óticas ou satélites espaciais. O requisito de autonomia exclui sistemas nos quais existe um claro relacionamento do tipo Mestre-Escravo entre os computadores. Segundo Nogueira (2009) as redes industriais surgiram da necessidade de interligar computadores e controladores lógicos programáveis (PLC) com a capacidade de operar independentemente. Essa interligação em rede permitiu compartilhar recursos e bases de dados, que passaram a ser únicos, o que conferiu mais segurança aos utilizadores da informação. As redes de comunicação industrial são de grande importância para as empresas, devido à quantidade de informação que atualmente é utilizada para as mais diversas aplicações, seja para visualização em algum sistema de supervisão ou para sistemas de gestão da produção (Enterprise Production Systems), sendo necessário disponibilizar os dados adquiridos para o sistema em tempo real. Assim, o ambiente industrial que outrora era isolado, hoje tem a necessidade de estar interligado com o ambiente corporativo da empresa para que assim estes possam compartilhar informações com o intuito de aperfeiçoar o processo de produção, evitando perdas de tempo, matérias-primas e mão-de-obra. Por isso, tornou-se necessária a utilização de sistemas de comunicação que conseguissem suportar requisitos típicos das suas aplicações: ambientes industriais, interferências eletromagnéticas, características de tempo real, espectro largo de volume de troca de informação, o que obriga a uma constante procura por novas técnicas e meios de estabelecer essa comunicação. Assim as empresas viram-se obrigadas a procurar tecnologias que conseguissem aumentar a agilidade e a eficiência e passaram a investir cada vez mais em sistemas que fossem capazes de gerir, supervisionar, controlar e proteger as redes industriais. Devido às crescentes exigências, o uso de redes de supervisão e controlo baseadas em protocolos de comunicação digital tem crescido nas mais variadas indústrias (Chen, Mok, 2001). Outra solução utilizada hoje em dia é a integração entre a Tecnologia de Automação (TA) e a Tecnologia de Informação (TI), que possibilita interligar o processo industrial e a diretoria da empresa. Para que a rede de comunicação funcione corretamente é recomendado que o sistema siga o modelo OSI (Open System Interconection), modelo este que permite a padronização dos protocolos e assim o fim da falta de compatibilidade entre equipamentos de fabricantes diferentes, permitindo total integração entre os componentes do sistema (Nogueira,2009). 2.3.1 Automação e as redes industriais Pode-se dizer que o desejo de controlar os processos industriais acompanha o homem desde a criação das primeiras máquinas. Até à década de 1940, as plantas eram operadas 25 manualmente por um grande número de operadores, os quais possuiam poucos instrumentos mecânicos elementares que realizavam controlo local (Gutierrez, Pan, 2008). O termo automação, do inglês automation, foi um termo inventado pelo marketing da indústria de equipamentos da década de 1960. O neologismo, sem dúvida, procurava enfatizar a participação de computadores no controlo automático industrial (Moraes, Castrucci, 2007). Automação descreve um conceito amplo, envolvendo um conjunto de técnicas de controlo, das quais é criado um sistema ativo, capaz de fornecer a resposta adequada em função das informações que recebe do processo em que está a atuar. Dependendo das informações, o sistema calculará a melhor ação corretiva a ser executada (Weg, 2002). Segundo Nogueira (2009) os sistemas para controlo de processos foram desenvolvidos de forma a maximizar a produção e minimizar os seus custos, além de eliminar possíveis riscos envolvidos na produção. Tarefas que antes implicavam alto risco para os operadores dos equipamentos, podem agora ser realizadas remotamente sem qualquer risco. Os sistemas de controlo de processos e fabrico surgiram em meados de 1940 (figura 15), baseados primariamente em tecnologias mecânicas e pneumáticas. Posteriormente foram substituídas no ambiente industrial por sinais elétricos analógicos, abordagem que ganhou grande impulso nos anos 1950, com o surgimento dos controladores eletrónicos, que permitiam maiores distâncias de transmissão. Em meados dos anos 60, era muito caro a aplicação de microcontroladores e computadores para solucionar os vários problemas de controlo (Djiev, 2003). Mas com o baixar dos preços do hardware, aumento da competitividade, a introdução de requisitos tais como qualidade, custo, uso racional de energia e matéria-prima, foi necessário que os computadores fossem utilizados em todos os setores das indústrias, desde o nível de campo até ao nível de gestão ou administração da empresa, para aperfeiçoar os processos de produção. – Evolução das tecnologias de automação (Guedes, 2005) Figura 15 Inicialmente, a implantação de processos automatizados na indústria tinha o objetivo de alcançar maior produtividade e redução de custos. O investimento para a implantação de sistemas automáticos é elevado e, além disso, a nova instalação requer recursos, inclusive humanos, dispendiosos para sua manutenção. Atualmente, o principal motor da automação é a procura de maior qualidade dos processos, para reduzir perdas (com reflexo em custos) e possibilitar o fabrico de bens que de outra forma não poderiam ser produzidos, bem como do aumento da sua flexibilidade. Outra justificação para os grandes investimentos em automação que têm sido feitos é a segurança de processos industriais e de infraestruturas críticas, pois a automação tem sido vista como uma forma de minimizar o erro humano (Gutierrez, Pan, 2008). 26 2.3.2 Redes de comunicação industrial As redes foram desenvolvidas para permitir a troca de dados entre computadores. Hoje, com os microprocessadores quase a chegar até aos instrumentos do chão de fábrica, pode-se caracterizar estes como computadores também (Coghi, 2003). A utilização das redes permite a comunicação rápida e confiável entre equipamentos e o uso de mecanismos padronizados, que são hoje em dia, fatores indispensáveis no conceito de produtividade industrial. A introdução das redes no ambiente industrial por sinais elétricos analógicos aconteceu a partir da década de 1960 e permitiu substituir grande parte dos tubos utilizados para a transmissão pneumática, o que reduziu substancialmente o custo de instalação dos sistemas, bem como o tempo de transmissão dos sinais, naturalmente lento nos sistemas pneumáticos (Gutierrez, Pan, 2008). Inicialmente foram utilizadas através de controlo digital direto interligando os computadores e os dispositivos de E/S, depois foram utilizadas em sistemas de controlo distribuídos e controladores lógicos programáveis (PLC), sistemas para conectar os controladores e os operadores. Entretanto, a comunicação digital em pequenos dispositivos, tais como transmissores de chão da fábrica, não foi vista até aos anos 80 e por isso o barramento de comunicação para redes de instrumentos de campo não ganhou grande aceitação até aos anos 90 (Nogueira, 2009). Como os sistemas de automação industrial tornaram-se cada vez maiores e o número de dispositivos de automação continuou a aumentar, tornou-se muito importante para a automação industrial que fossem criados padrões para que fosse possível interconectar diferentes dispositivos de automação de forma padronizada. Um considerável esforço internacional para a padronização tem acontecido no que se trata das redes locais. O padrão OSI - Open Systems Interconnection - permite que dois dispositivos de automação comuniquem de forma confiável, independentemente do fabricante (Djiev, 2003). 2.3.3 Especificações de uma rede de controlo Para garantir que a rede de comunicação atende às necessidades da planta industrial, devemos ter em consideração as seguintes variáveis: taxa de transmissão, topologia física da rede, meio físico de transmissão, tecnologia de comunicação e algoritmo de acesso ao barramento (Moraes, Castrucci, 2007). Segundo Nogueira (2009) devem também ser considerados fatores como a compatibilidade da rede com o ambiente, o custo de instalação do projeto, facilidade de instalação, configuração e expansão do sistema, manutenção, quantidade de dispositivos, disponibilidade de produtos, segurança, etc. • Taxa de transmissão – Quantidade média de dados a serem transmitidos na rede num período de tempo (Moraes, Castrucci, 2007); • Extensão das redes de comunicação – Podem ser classificadas como: o PAN (Personal Area Network); o LAN (Local Area Network); o CAN (Campus Area Network); o MAN (Metropolitan Area Network); o WAN (Wide Area Network). • Topologia física da rede – As topologias mais comuns são: o Anel; 27 o Barramento (BUS); o Estrela; o Ponto-a-ponto; o Árvore. • Meio físico de transmissão – Temos dois grupos básicos de meios de comunicação: o Utilizando condutores; o Utilizando tecnologia sem fios. • Método de acesso – Forma de gestão entre os pontos de comunicação (nós) da rede no que toca à comunicação de dados. São do tipo mestre/escravo e produtor/consumidor. • Confiabilidade e disponibilidade – A confiabilidade do equipamento é definida como a probabilidade de que ele operará dentro de sua especificação por um período de tempo definido. • Funcionalidade – Tipicamente, as funcionalidades requeridas em redes industriais de comunicação incluem: o Transferência de Arquivos; o Suporte a Aplicações Distribuídas. 2.3.4 Componentes de uma rede industrial Na grande maioria das redes fabris, um simples cabo não é suficiente para conectar todos os nós da rede. Para isso é definida uma topologia de rede para oferecer isolamento e alcançar os requisitos de desempenho. Em muitos casos existe a necessidade de equipamentos adicionais na rede (Djiev, 2003). Alguns componentes típicos de redes são os amplificadores, as bridges, os routers, os gateways e os switches. 2.3.5 Protocolos Protocolos caracterizam os elementos de maior importância nas redes de automação industrial, tanto que as redes passam a ser denominadas pelos protocolos utilizados (Moraes, Castrucci, 2007). Basicamente, um protocolo é um conjunto de regras sobre o modo como se dará a comunicação entre as partes envolvidas. A violação do protocolo dificultará a comunicação e em alguns casos poderá impossibilitá-la (Tanembaum, 1997). Não existe protocolo certo ou errado, a escolha depende particularmente da aplicação. Os protocolos são construídos seguindo o padrão OSI, criado pela ISO. Alguns dos protocolos largamente utilizados são: • Modbus; • Profibus; • Ethernet; • Fieldbus. 2.3.6 Classificação das redes industriais Segundo Nogueira (2009) atualmente descreve-se os diversos sistemas que coordenam o processo produtivo através de modelos conceptuais. Devido à complexidade destes sistemas é 34 – Integração PIMS e MES (Seixas Filho, 2003) Figura 21 Segundo Carvalho et al. (2005), os benefícios gerados pela implantação de um sistema PIMS são muitos, entre eles destacam-se: • Centralização dos dados do processo, já que os sistemas PIMS centralizam toda a informação numa única base de dados; • Democratização da informação, já que o sistema permite que todos os utilizadores tenham acesso aos dados da produção instantaneamente; • Visualização do processo produtivo em tempo real, através de gráficos de tendências, relatórios, aplicações Web, etc.; • Maior interatividade com os dados do processo, permitindo realizar cálculos, estudos estatísticos e lógica de eventos, utilizando os dados do processo; • Histórico de dados, capaz de armazenar até 15 anos de dados da produção graças à eficiência de seu algoritmo de compressão; • Receita do processo, que permite identificar e armazenar os dados correspondentes ao melhor resultado obtido na produção, para que estes sirvam como referência para as interações futuras. Na sua forma clássica, os sistemas PIMS acedem as fontes de dados localizadas no Nível 2, onde estão os sistemas de supervisão e aquisição de dados (SCADA). Porém, há algumas implementações que também acedem a dados diretamente do Nível 1, por exemplo dos PLCs (Rabelo, 2009). 35 Capítulo 3 Primeira abordagem 3.1 Identificação de problemas Tal como mencionado anteriormente, as arquiteturas da linha LML e do sistema de controlo de todas as linhas que constituem a LPF estão desatualizadas e trazem desvantagens não só ao nível da eficiência e controlo da produção, como também económicas. Na Linha de Produção de Farinhas (LPF) são efetuados processos de produção de vários tipos de farinhas. A produção é efetuada ao longo de cinco linhas autónomas e quando é enviada a ordem de produção, três destas linhas (LMPS, LMPL e CHE) injetam uma certa quantidade de matéria-prima (conforme a receita escolhida) na Linha de Mistura Líquida (LML), onde são efetuados vários processos importantes (ver figura 22) da produção da farinha. De seguida, é efetuado o transporte da sopa resultante para a última linha da produção denominada Linha de Secagem (LS), onde é concluída a produção da farinha e feito o envio da mesma para embalamento. Nesta última zona está incluído por exemplo o armazenamento final, processo anterior à ordem de embalamento (ver figura 22). 36 – Fluxo de produção Figura 22 37 Assim, o problema está no facto de que, na prática, o sistema de controlo opera como se de uma linha apenas se tratasse, logo a instalação atual não está segmentada em várias linhas de produção autónomas, ou seja, apesar de teoricamente a linha LPF estar dividida em 5 linhas de produção, estas não funcionam autonomamente umas das outras, pelo que a ocorrência de uma falha ou a necessidade de manutenção numa determinada linha não só implica a paragem dessa determinada linha, como também implica a paragem de todas as outras, o que gera significativas perdas ao nível da produção e económicas para a empresa. Dessa forma, será necessário fazer alterações na arquitetura da instalação do sistema de controlo atual e proceder à sua segmentação em várias linhas autónomas, cada uma com controlo independente das outras linhas. Outro problema está no facto de que como o equipamento atual e a arquitetura de comando e controlo serem velhos e desatualizados, e também usufruírem de interfaces HMI com fracas capacidades, isto leva a um período de ocorrência de falhas e tempo de inatividade não compatíveis com os requisitos da linha de produção. Além disso, essas fracas capacidades, não permitem que os operadores consigam prever e identificar essas falhas antes que se tornem um problema. A falta de integração/ausência de um sistema de supervisão não permite obter vantagens importantes no processo de produção, onde se podem destacar: maior qualidade (níveis ótimos de trabalho), redução de custos operacionais, maior desempenho de produção e a possibilidade de armazenar dados que podem ser utilizados para gerar informações importantes para posteriormente poderem ser processados por sistemas de gestão (MES) e ajudar nas tomadas de decisão de forma a manter continuamente o aperfeiçoamento do processo de produção. Por fim, no caso particular da linha LML, a remodelação nesta efetuada, em que foram trocados equipamentos, instrumentos, válvulas, etc. faz com que seja necessário proceder a uma nova automatização da linha. Dadas as restantes alterações mencionadas acima, o sistema de controlo também será alvo dessas alterações. 3.2 Propostas e contribuições esperadas Com base em tudo o que foi descrito até ao momento neste documento, nesta dissertação será proposto e efetuado por esta ordem, o seguinte: 1) Descrição e levantamento de requisitos da linha LML; 2) Desenho da arquitetura da linha LML, que com base na descrição e requisitos impostos, permitirá compreender melhor de que forma ocorre o fluxo de produção; 3) Desenho de diagramas UML que servirão de auxílio ao ponto 1, e à visualização do desenho do ponto 2 e das comunicações entre os equipamentos; 4) Desenho das arquiteturas de controlo das linhas de produção, que permitirá compreender de que forma ocorre o fluxo de dados desde os níveis superiores de controlo até aos sensores instalados nas linhas; 5) Proposta de sistemas HMI/SCADA e MES. A descrição e análise de requisitos é uma parte importante do processo de automatização de uma linha de produção, e é também a primeira fase desse mesmo processo. Nesta fase é efetuada a reunião com o cliente de forma a ficar a conhecer todas as funcionalidades, limitações, e outros aspetos importantes da linha de produção, assim como também (como o 38 próprio nome indica) saber quais os requisitos impostos pelo processo de produção. Para este documento pretende-se que a descrição e a análise tenham o maior rigor e menor número de erros possível. Com o desenho do ponto nº 2, pretende-se que se consiga facilmente visualizar de que forma ocorre o fluxo de produção, e diagramas como por exemplo os de classes e de sequências auxiliarão não só na visualização do desenho das linhas de produção, como também perceber de que forma há uma ligação entre os equipamentos, que mensagens trocam entre si de forma a cumprir os objetivos a que estão destinados e a compreender melhor a ocorrência de alguns requisitos impostos. Com os desenhos das arquiteturas do ponto nº 4, pretende-se fornecer arquiteturas que sejam atuais e tenham mais performance, e que permitam segmentar a linha LPF em cinco sistemas de controlo independentes. Pretende-se ainda que todos os equipamentos e sistemas de controlo estejam integrados, cada um possa contar com uma HMI que tenha mais potencial e capacidades de operação, possam ser supervisionados por um sistema SCADA e geridos por um sistema MES. No final do projeto, pretende-se que com os pontos 1), 2), 3), 4) e 5) o responsável por programar os vários sistemas de controlo seja capaz de o fazer usando como base todo o material fornecido neste trabalho, contribuindo positivamente desta forma para alcançar os objetivos esperados pela empresa e assim, poder solucionar todos os problemas que foram mencionados anteriormente. 39 Capítulo 4 Automatização da linha de produção 4.1 Descrição e levantamento de requisitos A linha de mistura líquida é uma das cinco linhas de produção que trabalham em conjunto para produzir farinha numa fábrica de produtos alimentares e que constituem a linha de produção de farinhas (LPF). Com o intuito de se alcançar os objetivos desejados pela empresa, esta linha de produção foi completamente remodelada. Assim sendo, para que seja possível automatizar esta linha, primeiro será necessário proceder ao trabalho de descrição e levantamento de requisitos da linha. Neste ponto serão descritos os aspetos técnicos e requisitos da linha de produção que é objeto de estudo neste trabalho. Os aspetos aqui tratados servirão de referência para o início do desenvolvimento do sistema de controlo automatizado. Para uma melhor compreensão, a linha de produção em estudo será chamada de LML (Linha de Mistura Líquida). 4.1.1 Visão global Esta linha de produção processa dois tipos de ingredientes: secos e líquidos. Os ingredientes secos são os diferentes tipos de farinhas que a linha é capaz de processar, assim como outros ingredientes específicos com propósitos nutricionais e funcionais (sal, etc.). Os ingredientes líquidos processados são a água, ingredientes provenientes da linha que produz os CHE (Cereais Hidrolisados e Enzimas), e outros ingredientes como por exemplo azeite, leite, etc. A linha LML e a linha CHE pertencem ambas ao mesmo processo de fabrico, sendo que a linha LML está conectada a jusante desta última, e é responsável por efetuar a mistura do produto final da linha CHE com os restantes ingredientes necessárias para a receita, e ainda, efetuar a eliminação de qualquer elemento bacteriano através de um processo de aquecimento. Os principais equipamentos usados na linha LML são: • Misturador; • Tanque de espera; • Tanque de expansão; 40 – Visão global dos equipamentos de produção da LML Figura 23 A linha LML é responsável por realizar três processos importantes na produção da farinha: mistura dos componentes, tratamento térmico (pasteurização) e transferência do produto resultante. – Visão global dos processos de produção da LML Figura 24 41 • Mistura: os ingredientes são inseridos no misturador por bombeamento ou por efeito da força da gravidade, e a quantidade de cada ingrediente a ser inserida é controlada por medidores de fluxo ou células de pesagem, segundo as quantidades indicadas na receita. Após serem inseridos, os ingredientes são misturados no tanque de mistura. O resultado final dessa mistura é uma sopa que será então descarregada para o tanque de espera, para evitar perturbações causadas pela passagem de uma operação batch para contínua. • Tratamento térmico (pasteurização): neste processo é injetado vapor diretamente na sopa de forma a aumentar a sua temperatura para aproximadamente 135º, e após isso, esta temperatura deverá ser mantida durante 15 segundos. Este passo tem como objetivo eliminar todos os micro-organismos provenientes das matériasprimas e das linhas de produção. Neste processo é usado um injetor de pressão e um tubo de espera com alguma contrapressão. Neste processo podem ser usados dois tipos de aquecimento, central e individual, sendo que no primeiro caso a sopa é depositada num tanque de expansão, que arrefece a sopa e liberta parte do vapor injetado, e de onde será feita a transferência para os secadores, enquanto que no segundo caso o tubo de espera é também o tubo de onde será feita a transferência da sopa para os secadores, não sendo neste caso necessário um tanque de expansão. • Transferência: após o tratamento térmico, a sopa é distribuída por vários secadores. Uma bomba e um medidor de fluxos regulam o fluxo que é transferido, dependendo da quantidade de sopa existente nos secadores. 4.1.2 Descrição do modo de funcionamento Neste capítulo serão divididos em várias partes os processos pelo qual a linha LML é responsável de executar. Em cada uma delas será especificado como o equipamento deverá funcionar. Antes de se dar início à produção Antes de se iniciar qualquer processo, um ou mais operadores devem assegurar-se que as condições listadas abaixo são realizadas, para que assim quando os processos de produção se iniciem, este possa essencialmente focar-se na HMI (Interface Humano-Máquina): • Todos os interruptores de manutenção dos motores estão na posição ON; • A válvula principal de água está aberta; • A linha foi inspecionada e está devidamente montada (todas as válvulas, etc.); • As válvulas de descarga de água estão abertas; • Analisar a qualidade do vapor que será injetado no produto; • Os modos de controlo de todos os motores e válvulas estão em modo automático. Imediatamente a seguir ao pedido de início de produção emitido pelo operador, o PLC (Controlador Lógico Programável) deverá fazer algumas verificações, de forma a assegurar que todo o sistema está pronto para dar início à sequência de produção: 42 • Verificar que os interruptores de manutenção de todos os motores estão na posição ON; • Verificar que todas as válvulas estão prontas para produção; • Verificar que os modos de controlo de todos os motores, e válvulas, estão em modo automático. Início da produção A linha LML está pronta a iniciar quando: • A sequência “Esterilização” está concluída (apenas em casos de longas paragens); • O tanque reservatório da linha CHE tem produto e está pronto a dosear para o tanque de mistura da linha LML; • Todos os tanques dos ingredientes líquidos têm produto e estão prontos a dosear para o tanque de mistura; • A água e o vapor estão prontos; • Os secadores estão prontos; • Todos os equipamentos estão no estado “pronto”, todos os bloqueios foram removidos e nenhum operador de manutenção está a trabalhar em algum equipamento; • Todos os botões de emergência estão desativados; • A principal fonte de alimentação está disponível. Para dar início à produção na linha LML, o operador irá: • Selecionar uma receita do sistema que gere as receitas; • Introduzir o valor do fluxo total de produção de sopa; • Sintonizar as válvulas 61.05 / 62.05 através da posição das válvulas 61.48 / 62.48 até que a IDV (Injeção Direta de Vapor) esteja estável. • Controlar a quantidade de sopa desviada para evitar que os tanques de desvio transbordem; • Controlar o caudal de sopa nas linhas de transferência até que os secadores estejam estáveis. Pausa na produção Se a produção for colocada em modo de “pausa”, o sistema fará uma paragem controlada da linha, ou seja, todos os ciclos em progresso são concluídos e o processo colocado em espera. Paragem da produção A produção irá parar: • Automaticamente após a realização de toda a quantidade de produção; • Por ordem do operador. Neste caso, o sistema concluirá primeiro todo o processo de produção em progresso e só depois irá parar a linha. Conceito do controlo O conceito do controlo é o seguinte: 43 • As bombas que alimentam os secadores (bombas 71.10 / 72.10) são controladas manualmente pelo operador. A velocidade de bombeamento deve ser regulada a partir do painel de exibição dos secadores; • As bombas abaixo do tanque de expansão (61.10 / 62.10) são controladas pelos IPT 61.12 / 62.12. A pressão no ponto de descarga deve ser mantida constante, e definida como um parâmetro de processo; • O nível dos tanques de expansão deve ser mantido no SP (set point). O nível SP é obtido através do ajuste da velocidade das bombas localizadas a montante (bombas 32.40 / 32.50); • Sempre que o nível no tanque de espera está baixo, a sopa do misturador deve ser descarregada. • A dosagem de ingredientes para o tanque de mistura deverá ser efetuada a uma velocidade constante. O tempo de mistura irá variar conforme o tempo que o tanque de espera demora a obter o nível baixo. 4.1.2.1 Procedimento da unidade de mistura Esta sequência permite iniciar a preparação da receita desejada, e obter uma mistura homogénea de todos os ingredientes necessários à preparação da mesma. Os ingredientes secos que chegam ao misturador a partir da linha de ingredientes secos, os cereais CHE que provêm da linha CHE e os restantes ingredientes líquidos da linha de ingredientes líquidos, são misturados no misturador. Concluída essa etapa, a sopa resultante é descarregada para o tanque de espera, para evitar perturbações causadas pela passagem de uma operação batch para contínua. Nesta unidade, é muito importante ajustar corretamente o tempo das seguintes sequências: • Farinha doseada para o misturador; • Ingredientes líquidos doseados para o misturador; • Misturação; • Descarga para o tanque de espera. A sequência seguinte assegura que todos os passos necessários para iniciar a unidade serão iniciados de forma coordenada e automática. 50 – Procedimento de interrupção devido a anomalias Figura 28 Início de sequência Será dado início à sequência quando: • A linha CHE e/ou a linha LML e/ou a unidade dos secadores estão a funcionar em condições anormais; • Devido às anomalias, é necessário interromper a linha por um longo período de tempo; • O operador ativa a sequência usando os comandos disponíveis na HMI. A sequência será: • Parar de dosear farinha, água e os restantes ingredientes líquidos; • Parar de dosear os cereais CHE; • Colocar as válvulas 61.25 / 62.25 e 84.22 / 84.32 na posição desvio; • Bombear toda a sopa para o tanque de desvio; • Drenar o resto da linha. Paragem da sequência A sequência parará quando: • A linha está limpa; 51 • O nível no tanque de espera e no tanque de expansão é baixo (INT 32.22, CNI 61.10/ 62.10); • As causas da anomalia estão resolvidas; A sequência de paragem é a seguinte: • Parar as bombas 32.40 / 32.50 / 61.10 / 62.10 / 71.10 / 72.10. 4.1.2.5 Procedimento da unidade de LLE A unidade LLE é usada para limpar automaticamente a grande maioria da linha LML e seus equipamentos. A LLE é efetuada em três passos: pré-lavagem, lavagem química e lavagem final. Os agentes de limpeza usados neste processo são provenientes da estação LLE, e retornam de novo para a mesma, assim que o processo esteja concluído. A seguinte sequência irá garantir que a linha LML é capaz de efetuar as operações necessárias para arrancar, parar e operar em conjunto com a unidade de LLE. – Procedimento da unidade de LLE Figura 29 Início de sequência Será dado início à sequência quando: • A ordem de produção foi concluída; • Válvulas, e sensores de posição estão na posição de LLE; • Bombas de retorno da unidade LLE estão prontas; • Fornecimento de água está pronto; • Fornecimento de vapor está pronto; • Preparação de soda cáustica e respetivo tanque estão prontos; 52 • Tanque de água limpa pronto; • Tanque de água de lavagem pronto; • A mensagem “LLE está pronta a iniciar” é exibida no ecrã; • Se o sequenciador estiver em modo manual, um operador deverá “intervir”, se estiver no modo automático, o sistema avançará para o próximo passo automaticamente. A sequência não poderá iniciar quando: • Todos os equipamentos não estão em modo automático; • O nível de produto no tanque de espera e nos tanques de expansão não é baixo (INT 32.22, CNI 61.22 / 62.22); • Interruptores do tanque de expansão não estão a funcionar (61.21 / 62.21); • Os tampões de LLE não estão montados nas bombas 32.40 / 32.50 / 61.10 / 62.10 / 71.10 / 72.10; • Todas as válvulas não estão na posição de LLE; • Existe uma falha no motor de arranque de alguma bomba ou misturador. Para a limpeza da linha (circuito 1), a sequência será: • Colocar as válvulas de fornecimento e retorno (estação LLE) na posição de LLE; • Abrir válvula 41.25 (estação LLE); • Abrir válvulas de LLE; • Abrir bomba 33.10 (estação LLE); • Abrir bombas de LLE; • Iniciar pré-lavagem; • Parar pré-lavagem após 10 minutos; • Iniciar lavagem química; • Parar lavagem química após 20 minutos; • Iniciar lavagem final; • Parar lavagem final após 10 minutos. Para a limpeza dos tanques (circuito 2), a sequência será: • Colocar as válvulas de fornecimento e retorno (estação LLE) na posição de LLE; • Colocar os misturadores a trabalhar no modo de LLE; • Abrir válvula 41.15 (estação LLE); • Abrir válvulas de LLE; • Abrir bomba 31.10 (estação LLE); • Abrir bombas de LLE; • Iniciar bombas de retorno da estação LLE a um caudal de 30 m 3 /hora; • Iniciar pré-lavagem • Parar pré-lavagem após 15 minutos; • Iniciar lavagem química; • Parar lavagem química após 25 minutos; • Iniciar lavagem final; • Parar lavagem final após 15 minutos tempo. Paragem da sequência 53 A sequência parará quando: • LLE terminou; • Fornecimento de vapor está parado; • Fornecimento da preparação de soda cáustica parou; • Fornecimento de água limpa parou. A sequência de paragem é a seguinte: • Parar bombas de fornecimento e retorno; • Parar os misturadores dos tanques; • Fechar as válvulas de fornecimento e retorno; • Colocar todas as válvulas na posição de produção; • A mensagem “LLE terminada” é exibida no ecrã. 4.1.2.6 Procedimento da unidade de esterilização Esta sequência permite aquecer os tubos da linha LML após longas paragens. Desta forma, a estabilidade da linha após o arranque é obtida mais rapidamente, e o consumo de vapor na IDV será menor. Outro objetivo da esterilização é o de eliminar potenciais microrganismos presentes na linha. – Procedimento da unidade de esterilização Figura 30 Início de sequência Será dado início à sequência quando: 54 • Fornecimento de água está pronto; • Fornecimento de vapor está pronto; • Tanque de água limpa está pronto; • A mensagem “Esterilização pronta a iniciar” é exibida no ecrã; • Se o sequenciador estiver em modo manual, um operador deverá “intervir”, se estiver no modo automático, o sistema avançará para o próximo passo automaticamente. A sequência não poderá iniciar quando: • Todos os equipamentos não estão no modo automático; • Não foi realizada previamente uma sequência completa de LLE; • Existe uma falha no motor de arranque de alguma bomba ou misturador. A sequência será: • Abrir válvula 32.33 (estação LLE). Encher o tanque de espera com água até ao nível de SP; • Abrir as válvulas de entrada dos tanques de expansão (61.25 / 62.25); • Iniciar as bombas 32.40 / 32.50; • Iniciar injeção de vapor usando as IDV 61.02 / 62.02. Abrir válvulas de vapor 61.42 / 62.42 progressivamente. A temperatura da água deverá ser elevada até ao SP (85º). Esta será controlada por uma curva PID (Proporcional-Integral-Derivativo) através dos CIT 61.03 / 62.03; • Enviar a água quente para o tanque de expansão. Quando o nível atingir os 80% (CNI 61.10 / 62.10), mudar as válvulas 61.25 / 62.25 e 84.22 / 84.32 para a posição de LLE; • Enviar a água quente para os drenos acima dos secadores. • A mensagem “Unidade de esterilização iniciada” é exibida no ecrã; • Durante toda a sequência, o nível no tanque de espera deverá ser mantido no SP, adicionando mais ou menos água conforme o necessário (abrir/fechar válvula 32.33). Paragem da sequência A sequência parará quando: • A esterilização foi concluída, ou seja após 10 minutos; • Fornecimento de vapor parou; • Fornecimento de água limpa parou. A sequência de paragem é a seguinte: • Parar o envio de água para o tanque de espera (fechar válvula 32.33); • Esvaziar o tanque de expansão usando a bomba de retorno 85.40 (estação LLE). Enviar a água para o tanque de água reutilizável (estação LLE) ou caso este esteja cheio, para o dreno (estação LLE); • Esperar até que o tanque de espera esteja vazio (INT 32.22); • Parar bombas 32.40 / 32.50; • Mudar todas as válvulas para a posição de produção. • A mensagem “Esterilização concluída” é exibida no ecrã; 55 4.2 Arquitetura da linha de produção Neste ponto pretende-se mostrar visualmente numa escala menor, mas ainda assim com um nível de detalhe elevado, todos os elementos que compõem a linha LML e as interligações entre os mesmos. Aliado ao trabalho feito anteriormente, este desenho permitirá saber com precisão o modo de funcionamento da linha LML e de que forma ocorre todo o fluxo de produção. – Arquitetura da linha de mistura líquida Figura 31 Como se pode verificar, devido à dimensão do desenho, não será possível apresentar o mesmo com boa resolução e qualidade neste documento, pelo que para isso, será necessário consultar o ficheiro de AutoCAD entregue em conjunto com este documento. Será, no entanto, apresentado no Anexo A, uma versão com menos qualidade deste desenho, guardada a partir do original para pdf. Devido aos factos mencionados acima, de seguida serão apresentados apenas os excertos deste desenho considerados mais relevantes para este trabalho: 56 – Excerto do misturador, LMPL, LMPS e Linha CHE Figura 32 Na figura acima podemos observar as ligações entre o misturador, ambas as linhas de matérias-primas, a linha CHE e os caminhos pelo qual o misturador recebe produto. A roxo temos as ligações com a unidade de LLE, que servem para efetuar a limpeza do tanque. Podemos também observar o interruptor de segurança do misturador (IS 32.99) e a válvula de descarga para o tanque de espera (32.31). 57 – Excerto do tanque de espera Figura 33 Na figura acima podemos observar na parte superior da imagem a linha a cinzento que faz a ligação com o misturador, a roxo mais uma vez a ligação com a unidade LLE para limpeza do tanque e a laranja o caminho por onde será enviado o produto proveniente do tanque de espera e com destino à unidade de tratamento térmico, onde para isso, são utilizadas a válvula de descarga 32.47 e à direita a bomba 32.40. Os INT 32.32 e 32.22 são indicadores de nível alto e baixo respetivamente. 58 – Excerto da unidade de tratamento térmico Figura 34 Na figura acima podemos observar na sua grande parte a unidade de tratamento térmico. Em cima do lado esquerdo temos a IDV 61.02 por onde entra o vapor que irá aquecer o produto no tubo de espera à frente da mesma. O controlo da temperatura é efetuado pelo CIT 61.03 que sempre que a temperatura atinge os níveis desejados faz parar a válvula que injeta vapor na IDV. Ao centro descaído para a direita, temos o tanque de expansão onde o produto preveniente do tubo de espera é arrefecido e onde o vapor não condensado é libertado para a atmosfera. Em baixo do lado esquerdo temos o tanque de desvio, para onde o produto é enviado caso este não atinja os parâmetros desejados. Em baixo do lado direito, podemos já observar o início da unidade de transferência com a bomba de pressão (61.10) que irá enviar o produto ao longo de um tubo, sendo que a pressão desta bomba é controlada pelo indicador de pressão (IPT 61.12). 59 – Excerto da continuação da unidade de transferência Figura 35 Na figura acima podemos observar que o produto enviado pela bomba 61.10 chega até à uma nova bomba de pressão (71.10) e desta vez é bombeado para os secadores que pertencem à linha de secagem. A velocidade e quantidade de produto que é enviado são controladas pelos indicadores de fluxo (61.14) e pressão (71.03), respetivamente. 4.3 Proposta de modelação do sistema de controlo 4.3.1 Diagrama UML de Classes Com base no trabalho realizado anteriormente, foi possível criar o diagrama de classes da linha LML, sendo que este servirá de auxílio à visualização do desenho da arquitetura da linha de produção e à criação do sistema de controlo da mesma. Este diagrama procura essencialmente descrever os tipos de objetos no sistema e de que forma estes se relacionam e comunicam para realizar as tarefas para o qual foram criados. O diagrama de classes do sistema de controlo da LML é o seguinte: 66 5.1 Arquitetura de controlo A arquitetura básica para o sistema de controlo de cada linha de produção será um PLC ControlLogix da marca Allen-Bradley, com módulos distribuídos do tipo Flex I/O para o uso de painéis remotos (painéis de operador situados junto à linha). Estes PLCs além de usarem mecanismos de controlo e ambientes de desenvolvimento comuns, também fornecem alto desempenho num ambiente fácil de usar. A forte integração entre o software programável, o controlador e os módulos de E/S permitem reduzir os custos de desenvolvimento e de operação. Este possui ainda, grande capacidade de alta disponibilidade e de trabalhar em ambientes extremos, características que vão exatamente de encontro às necessidades da linha LPF. Na sala de controlo da linha LPF, pelo menos um PC com SCADA servirá de interface principal entre os supervisores e as máquinas/componentes. Visualização do processo, várias opções para receitas de produção, vários parâmetros de operação, estado do equipamento, alarmes, tendências, históricos, relatórios, etc. são exemplos de opções que os supervisores poderão monitorizar ou controlar. Em cada sala comum junto às unidades de produção de cada linha (exemplo da linha LML: unidades de mistura, tratamento térmico e transferência), um PC com HMI servirá de interface entre os operadores e as máquinas/componentes. Visualização do processo, download de receitas, alarmes e vários parâmetros de operação são exemplos de opções que os operadores terão ao seu dispor. As comunicações de dados ao longo dos vários níveis de rede serão efetuadas através da rede de comunicação Ethernet (níveis superiores) ou Ethernet/IP (níveis inferiores), pois esta é, neste momento, das tecnologias LAN (Local Area Network) mais utilizadas e aconselhadas no setor industrial, e tem sido uma das redes com mais crescimento nesse setor, especialmente em aplicações de E/S descentralizadas que exijam elevada performance em tempo real e a um baixo custo, tal como é o caso do que se pretende para este trabalho. Quanto ao nível de campo, todos os dispositivos e instrumentos elétricos estão conectados remotamente através de módulos de E/S. Estes módulos e os painéis remotos comunicarão com os controladores através da rede Ethernet/IP. Poderá também usar-se neste caso, as redes ControlNet (fieldbus) ou DeviceNet (CAN bus). O modelo de integração adotado para este trabalho é baseado na pirâmide do standard internacional ISA-95 para a integração de sistemas corporativos e de controlo. Assim, as comunicações de dados ao longo de toda rede efetuar-se-ão conforme mostra a figura abaixo, através dos níveis: • De planeamento (ERP); • De gestão de informação (MES); • De supervisão (SCADA); • Dos controladores (PLCs e HMIs). • De campo (Sensores, válvulas, etc.) 67 – Arquitetura lógica IT da fábrica Figura 38 De forma a reduzir tempos de limpeza ou de manutenção e o impacto que uma falha em dada linha possa ter em toda a produção, evitando assim desperdícios desnecessários e consequentemente a redução dos custos de produção, optou-se por escolher uma arquitetura distribuída ao contrário da arquitetura centralizada que a fábrica possuía atualmente. Assim, cada uma das linhas de produção que constituem a LPF será controlada por um PLC e pelo menos um PC com HMI, supervisionada por um sistema SCADA e gerida por um sistema MES. Na figura abaixo temos uma possível configuração para esta fábrica: 68 – Arquitetura geral IT da fábrica Figura 39 69 Como se pode verificar na figura acima, cada linha possui o seu próprio PLC, sendo que a grande vantagem desta arquitetura distribuída é que, por exemplo, desta forma a reparação de uma falha em dada linha não implica parar toda a produção, pois apenas o PLC dessa linha eventualmente necessitará de ser desligado, pelo que isso não afetará o funcionamento dos outros PLCs e respetivas linhas. Como se pode verificar na figura acima, outra medida de performance utilizada e que permite reduzir o número de falhas, foi a redundância entre o servidor AOS e o servidor onde são guardados diretamente todos os valores das entradas e saídas dos PLCs. Isto garante que nenhuma informação seja perdida em caso de falha no servidor primário (E/S), já que a informação será enviada para o outro servidor, ou em caso de falha de uma HMI em dada linha, porque se uma HMI falhar, existe um sistema SCADA a receber dados desses servidores, e portanto, poderá também controlar a produção. Como cada linha terá capacidade para trabalhar autonomamente e como cada uma integra um grande número de equipamento, será aconselhável tratar cada linha de forma independente. Dessa forma, e do ponto de vista elétrico, cada linha terá a sua própria instalação, constituída por: • Painel de controlo; • Armário de controlo de motores; • PLC; • Rede E/S; • Rede de instrumentação e válvulas. Cada linha será controlada por um PLC ControlLogix. Cada um dos PLCs será montado num painel de controlo (CP) que por sua vez está instalado numa sala elétrica em conjunto com o painel CCM (Centro de Controlo dos Motores). Todos os motores estão conectados ao painel CCM no armário de controlo de motores. O variador de frequência dos motores comunicará com o PLC através da rede Ethernet/IP. Serão instaladas próximo da área de produção de cada linha, caixas de controlo adicionais com módulos Flex I/O (E/S), sendo que todos os instrumentos (sensores, interruptores, etc.) e válvulas estarão conectados a estes. Por sua vez os módulos Flex I/O comunicarão com o PLC através da rede Ethernet/IP. Adicionalmente serão também colocados remotamente em caixas de controlo próximos da linha, painéis de visualização para ajudar o operador a controlar o processo. 70 – Arquitetura geral da linha de mistura líquida Figura 40 5.2 SCADA / HMI O software que deverá ser instalado na sala de controlo, será baseado no Wonderware InTouch HMI da marca Wonderware. Este software é uma solução HMI e SCADA de supervisão e que permite rapidamente criar ou reutilizar modelos de visualização e facilmente implantá-los em todas as linhas. Na aplicação HMI/SCADA que supervisionará todas as linhas, deverão ser implantados pelo menos os seguintes ecrãs standard: • Ecrã principal; • Ecrã de alarmes e histórico; • Ecrã de gestão das receitas; • Ecrã dos controladores PID; • Ecrã de tendências e de registos dos principais valores analógicos; • Ecrã de valores analógicos; • Ecrã de ajuda. 5.2.1 Modelos standard de visualização HMI Ecrã principal: A partir do ecrã principal, o supervisor/operador poderá iniciar o processo de produção e aceder aos vários ecrãs de controlo. 71 – Ecrã principal da HMI Figura 41 Ecrã de alarme: No ecrã de alarmes, o supervisor/operador deve ser capaz de ver e reconhecer todos os alarmes gerados pelo sistema de controlo. – Ecrã de alarmes Figura 42 72 Ecrã de gestão das receitas: As receitas podem ser criadas, editadas ou carregadas para o sistema de controlo pelo supervisor (apenas carregadas no caso de um operador) a partir do ecrã de gestão de receitas da HMI. – Envio das receitas para o PLC Figura 43 – Ecrã de gestão de receitas Figura 44 Os parâmetros usados no sistema de controlo (como por exemplo a temperatura) são obtidos a partir de valores tabelados pela empresa. Essas tabelas estão divididas em três tipos: 73 • Parâmetros de produção: parâmetros relacionados com o produto; • Parâmetros de LLE: parâmetros relacionados com a linha de LLE; • Parâmetros de engenharia: parâmetros relacionados com o equipamento. Ecrã de tendências: Este ecrã permite aceder a gráficos com as tendências dos valores de todos os sinais analógicos lidos pelos PLCs e guardados numa base de dados. Os vários gráficos podem ser selecionados pelo supervisor até a um máximo de oito valores. Oito botões permitirão ao supervisor aceder facilmente a grupos pré-definidos de variáveis. – Ecrã de tendências Figura 45 Ecrã dos controladores PID: O objetivo deste ecrã é o de ter uma lista de todos os controladores PID disponíveis no sistema de controlo, onde se pode facilmente visualizar o estado dos mesmos e ajustar os seus parâmetros. 74 – Ecrã dos controladores PID Figura 46 Ecrã de valores analógicos: O objetivo deste ecrã é o de ter uma lista de todos os valores analógicos no sistema de controlo, onde estes podem ser visualizados e os limites dos alarmes podem ser facilmente ajustados. 75 – Ecrã de valores analógicos Figura 47 Ecrã de ajuda: O objetivo deste ecrã é o de dar ao supervisor/operador alguma informação básica sobre como trabalham os diferentes elementos da HMI (bombas, válvulas, PIDs, etc.) Poderá também conter mais informações detalhadas acerca do arranque e encerramento das linhas. 82 83 Conclusões A evolução dos tempos trouxe às indústrias novas tecnologias e conceitos que lhes têm permitido produzir em mais quantidade, com melhor qualidade, mais rapidamente e com menos desperdício, ou seja, essa evolução tem sido proporcional a desempenho, eficiência e eficácia, o que do ponto de vista económico, é extremamente favorável às empresas, pois isso permitelhes poupar nos custos de produção e ter a possibilidade de vender mais. No caso de empresas com vários anos de atividade, estas têm a necessidade de se atualizar e procurar os benefícios que essa evolução lhes pode oferecer, de forma a otimizar os seus processos de produção. Estando ciente das necessidades e dos objetivos da empresa, neste trabalho procurou-se criar o máximo de informação possível que permitisse não só atingir com sucesso os objetivos propostos inicialmente para este trabalho, como também que essa informação desse à empresa ferramentas válidas, com conceitos e modelos os mais atuais possíveis, e suficientes para avançar com sucesso para a próxima etapa após este trabalho (programar os sistemas de controlo). De facto, após este trabalho, tendo todos os objetivos sido atingidos com sucesso, isso permitiu que fosse possível fornecer à empresa mais ferramentas do que aquelas que seriam necessárias, mas que no entanto lhes permite obter ainda mais benefícios ao nível da otimização do controlo e gestão da produção, como é o caso do sistema do tipo MES. Dito isto, de forma a contribuir para a automatização da linha de mistura líquida, foram efetuados detalhadamente os trabalhos de descrição e levantamento de requisitos, pelo que também foram incluídas nos mesmos todas as sequências de produção. Foi criado o desenho da arquitetura da linha e por fim foram elaborados os diagramas de classes e sequências que complementam todo o trabalho anterior. Todas estas ferramentas são mais do que suficientes para se garantir que é possível, a partir das mesmas, criar o programa de controlo para a linha em questão. No que toca à otimização das arquiteturas dos sistemas de controlo, foi sugerido o uso de equipamento mais atual, com elevados níveis de performance em ambiente industrial e com mais capacidades do que os anteriores, como por exemplo é o caso dos PLCs e HMIs. Foi sugerido o uso da rede de comunicação mais usada e com maior grau de expansão neste momento, que é o caso da rede ethernet. Foram ainda sugeridos modelos de visualização que devem ser instalados nas HMIs de forma a facilitar a visualização e o controlo dos processos de fabrico. Para a arquitetura de controlo propriamente dita, foi elaborado o desenho de uma arquitetura distribuída em que todas as linhas de produção são autónomas umas das outras, ao contrário da arquitetura centralizada que a empresa tinha anteriormente e que dependia 84 apenas de um PLC para controlar todas as linhas, o que tinha consequências bastante graves e que deixarão de existir assim que for instalada a nova arquitetura. Finalmente foi sugerido o uso de redundância entre o servidor principal de leitura dos dados de entrada e saída e um servidor de backup para que nenhum dado seja perdido na ocorrência de falhas. Quanto à integração dos sistemas de controlo, esta foi baseada no modelo do standard internacional ISA-95. Tal como foi dito anteriormente, ainda que com apenas o sistema SCADA seria possível atingir os resultados esperados e satisfazer as expetativas da empresa, com a inclusão de um sistema MES no quarto nível de produção (nível de gestão) será possível superar bastante essas expetativas e obter ainda melhores resultados, podendo a empresa usufruir de um dos melhores sistemas de controlo e gestão usados atualmente. Para finalizar, prevê-se que todo o trabalho realizado neste projeto irá contribuir de forma positiva para alcançar os objetivos desejados pela empresa. No caso da otimização e integração dos sistemas de controlo não é necessário esclarecer individualmente o que cada uma pretende solucionar pois todas as sugestões dadas de certa forma contribuem para melhorar o controlo de produção e rastreabilidade, reduzir o número de falhas e o impacto que cada uma tem na produção, reduzir o tempo de limpeza e manutenção e finalmente, com certeza reduzir em muito os custos de produção. Se todas as sugestões mencionadas acima forem adotadas, prevê-se que os resultados obtidos sejam superiores aos resultados esperados pela empresa. 85 Anexos Anexo A – Arquitetura da linha de mistura líquida 86 87 Referências [1] R. C. Palomino, “Uma Abordagem para a Modelagem, Análise e Controle de Sistemas de Produção Utilizando Redes de Petri”. Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Produção, Universidade Federal de Santa Catarina, 1995. [2] F. dos Santos, J. Diolino, “Proposta do Mark Graph Estendido para a Modelagem e Controle de Sistemas de Manufatura”. 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