Reengenharia de uma máquina de extrusão de solas
Abstract
Este documento descreve o processo de reengenharia realizado numa máquina de extrusão de solas para calçado, que permite a produção de solas bicolores. Originalmente projetada nos anos noventa, a máquina sofreu degradação ao longo dos anos de operação, estando desatualizada em comparação com soluções de mercado mais recentes. Para dar uma nova vida ao equipamento e restaurar a sua competitividade, foram implementadas melhorias significativas. Estas melhorias visaram resolver tanto o desgaste acumulado ao longo do tempo, como as características desatualizadas da máquina, garantindo que esta pudesse competir novamente no mercado. Seguindo este contexto, foi desenvolvido um novo sistema de comando para o equipamento, em conformidade com as diretrizes estabelecidas pela norma VDI 2206. A implementação de um PLC e de um HMI possibilitou a criação de um sistema mais seguro, confiável e económico, viabilizando a monitorização e o controlo de variáveis essenciais para o processo de produção de solas, resultando na melhoria da qualidade do produto final. Adicionalmente, a instalação de um variador de velocidade permitiu ajustar a velocidade de extrusão do fuso, tornando o equipamento mais versátil, mas também mais eficiente, com uma considerável redução no consumo de energia. No que diz respeito à segurança, foram realizadas alterações no equipamento para garantir a conformidade com os requisitos definidos pelas normas europeias. Para tal, foram aplicadas barreiras de proteção, dispositivos de comando bimanual, botão de emergência e válvula de sustentação de carga. Os resultados finais obtidos através da avaliação do equipamento permitiram concluir que o mesmo cumpria os requisitos estabelecidos inicialmente para o projeto, garantindo a satisfação das necessidades do cliente. Assim, obteve-se um equipamento mais seguro, eficiente e fiável.
Full text
Universidade do Minho Escola de Engenharia Francisco José Alves Silva Reengenharia de uma Máquina de Extrusão de Solas janeiro 2025
Universidade do Minho Escola de Engenharia Francisco José Alves Silva Reengenharia de uma Máquina de Extrusão de Solas Dissertação de Mestrado Mestrado em Engenharia Mecânica Área de especialização em Sistemas Mecatrónicos Trabalho efetuado sob a orientação de Professor Doutor José Mendes Machado Professor Doutor Filipe Alexandre Sousa Pereira janeiro 2025
i DIREITOS DE AUTOR E CONDIÇÕES DE UTILIZAÇÃO DO TRABALHO POR TERCEIROS Este é um trabalho académico que pode ser utilizado por terceiros desde que respeitadas as regras e boas práticas internacionalmente aceites, no que concerne aos direitos de autor e direitos conexos. Assim, o presente trabalho pode ser utilizado nos termos previstos na licença abaixo indicada. Caso o utilizador necessite de permissão para poder fazer um uso do trabalho em condições não previstas no licenciamento indicado, deverá contactar o autor, através do RepositóriUM da Universidade do Minho. Licença concedida aos utilizadores deste trabalho Atribuição-NãoComercial-SemDerivações CC BY-NC-ND https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0
ii AGRADECIMENTOS Em primeiro lugar, quero expressar a minha profunda gratidão aos meus pais e à minha irmã, pelo apoio incondicional demonstrado durante todo o meu percurso académico. Sem eles, nada disto teria sido possível. Um agradecimento especial à minha namorada, pelo suporte constante, sobretudo nos momentos mais difíceis. Esteve sempre ao meu lado e foi uma fonte contínua de motivação, tornando-se uma presença essencial ao longo deste trajeto e, certamente, continuará a sê-lo para o resto da minha vida. Aos amigos que a universidade me trouxe: Alberto, Diogo, Eduardo, Luís, Malheiro, Marco e Veiga, pela amizade e companheirismo. Sem dúvida, o percurso académico não teria sido o mesmo sem eles. Agradeço também à empresa JFROSMAQ, Unipessoal Lda , pela oportunidade de realizar este projeto e pelo apoio prestado ao longo do seu desenvolvimento. Manifesto ainda a minha gratidão ao Professor Doutor José Mendes Machado, meu orientador, e ao Professor Doutor Filipe Alexandre Sousa Pereira, coorientador, cuja orientação, dedicação e disponibilidade foram fundamentais para a concretização deste trabalho. Dirijo também um agradecimento ao Professor Doutor José Gomes e ao Professor Doutor Filipe Gomes, pela disponibilidade em esclarecer dúvidas relevantes ao projeto. Por fim, agradeço à empresa ISI Soles pela visita proporcionada e pela oportunidade de acompanhar de perto as etapas do processo de produção de solas, uma experiência enriquecedora e valiosa. A todos, o meu sincero obrigado!
III DECLARAÇÃO DE INTEGRIDADE Declaro ter atuado com integridade na elaboração do presente trabalho académico e confirmo que não recorri à prática de plágio nem a qualquer forma de utilização indevida ou falsificação de informações ou resultados em nenhuma das etapas conducente à sua elaboração. Mais declaro que conheço e que respeitei o Código de Conduta Ética da Universidade do Minho. STATEMENT OF INTEGRITY I declare that I have acted with integrity in the preparation of this academic work and confirm that I have not engaged in plagiarism or any form of misuse or falsification of information or results at any stage of its development. Furthermore, I declare that I am aware of and have adhered to the Code of Ethical Conduct of the University of Minho. Universidade do Minho, 28 de janeiro de 2025
IV RESUMO Este documento descreve o processo de reengenharia realizado numa máquina de extrusão de solas para calçado, que permite a produção de solas bicolores. Originalmente projetada nos anos noventa, a máquina sofreu degradação ao longo dos anos de operação, estando desatualizada em comparação com soluções de mercado mais recentes. Para dar uma nova vida ao equipamento e restaurar a sua competitividade, foram implementadas melhorias significativas. Estas melhorias visaram resolver tanto o desgaste acumulado ao longo do tempo, como as características desatualizadas da máquina, garantindo que esta pudesse competir novamente no mercado. Seguindo este contexto, foi desenvolvido um novo sistema de comando para o equipamento, em conformidade com as diretrizes estabelecidas pela norma VDI 2206. A implementação de um PLC e de um HMI possibilitou a criação de um sistema mais seguro, confiável e económico, viabilizando a monitorização e o controlo de variáveis essenciais para o processo de produção de solas, resultando na melhoria da qualidade do produto final. Adicionalmente, a instalação de um variador de velocidade permitiu ajustar a velocidade de extrusão do fuso, tornando o equipamento mais versátil, mas também mais eficiente, com uma considerável redução no consumo de energia. No que diz respeito à segurança, foram realizadas alterações no equipamento para garantir a conformidade com os requisitos definidos pelas normas europeias. Para tal, foram aplicadas barreiras de proteção, dispositivos de comando bimanual, botão de emergência e válvula de sustentação de carga. Os resultados finais obtidos através da avaliação do equipamento permitiram concluir que o mesmo cumpria os requisitos estabelecidos inicialmente para o projeto, garantindo a satisfação das necessidades do cliente. Assim, obteve-se um equipamento mais seguro, eficiente e fiável. PALAVRAS-CHAVE: AUTOMAÇÃO, MECATRÓNICA, PLC, SEGURANÇA, SOLAS.
V ABSTRACT This document outlines the reengineering process undertaken for a shoe outsole extrusion machine, which enables the production of two-color outsoles. Originally designed in the nineties, the machine experienced degradation over years of operation and had become outdated compared to newer market solutions. To breathe new life into the machine and restore its competitiveness, significant improvements were implemented. These enhancements aimed to address both the wear and tear accumulated over time and the machine's outdated features, ensuring it could once again compete effectively in the market. In line with this context, a new control system was developed for the equipment, in compliance with the guidelines established by the VDI 2206 standard. The implementation of a PLC and an HMI enabled the creation of a safer, more reliable, and cost-effective system, facilitating the monitoring and control of essential variables for the shoe outsole production process, resulting in an improvement in the quality of the final product. Additionally, the installation of a speed controller allowed for the adjustment of the screw extrusion speed, making the equipment more versatile and efficient, with a significant reduction in energy consumption. In terms of safety, changes were made to the equipment to ensure compliance with the requirements set by European standards. To achieve this, protective barriers, two-hand control devices, an emergency stop button, and a load-holding valve were implemented. The results obtained through the evaluation of the equipment allowed to conclude that it met the requirements established initially for the project, ensuring customer satisfaction. Thus, a safer, more efficient, and reliable equipment was obtained. KEY WORDS: AUTOMATION, MECHATRONICS, PLC, OUTSOLES, SAFETY.
VI ÍNDICE Agradecimentos ................................................................................................................................... ii Resumo.............................................................................................................................................. iv Abstract............................................................................................................................................... v Índice ................................................................................................................................................. vi Índice de Figuras ................................................................................................................................ xi Índice de Tabelas .............................................................................................................................. xiv Lista de Símbolos .............................................................................................................................. xv 1. Introdução .................................................................................................................................. 1 1.1. Enquadramento e Motivação .............................................................................................. 1 1.2. Apresentação do Parceiro do Projeto .................................................................................. 2 1.3. Objetivos ........................................................................................................................... 3 1.4. Estrutura da Dissertação .................................................................................................... 3 2. Estado de Arte e Conceitos Fundamentais ................................................................................... 5 2.1. Teoria do Projeto ............................................................................................................... 5 2.1.1. Projeto Mecatrónico ................................................................................................... 6 2.1.2. VDI 2206 – Metodologia de Projeto Para Sistemas Mecatrónicos ................................ 8 2.2. Segurança e Normalização ............................................................................................... 10 2.2.1. Avaliação de Riscos ................................................................................................. 10 2.2.2. Redução de Riscos .................................................................................................. 13 3. Processo de Produção de Solas ................................................................................................. 20 3.1. Produção de Solas por Extrusão ....................................................................................... 20 3.1.1. Matéria-Prima .......................................................................................................... 20 3.1.2. Processo de Extrusão .............................................................................................. 21 3.1.3. Moldagem da Sola ................................................................................................... 22
XIII Figura 6.11 – Ecrã que permite ajustar tempos associados ao processo. .......................................... 80 Figura 6.12 – Ecrã relativo à injeção. ................................................................................................ 80 Figura 6.13 – Ecrã para alterar as velocidades de rotação dos extrusores. ........................................ 81 Figura 6.14 – Ecrã que permite controlar a insuflação durante a injeção e a manual. ........................ 81 Figura 6.15 – Pop-up correspondente à paragem de emergência. ..................................................... 82 Figura 7.1 – Identificação da zona perigosa do equipamento. ............................................................ 85 Figura 7.2 – Área a cobrir pelas proteções, de forma a respeitar a norma ISO13857:2019. .............. 87 Figura 7.3 – Área necessária para realizar a rotação livremente e torre frontal antiga. ....................... 88 Figura 7.4 – Implementação das barras frontais na máquina. ........................................................... 88 Figura 7.5 – Proteção móvel aberta e fechada, respetivamente. ........................................................ 89 Figura 7.6 – Proteção lateral............................................................................................................. 90 Figura 7.7 – Distância mínima para dispositivos de comando bimanual [27]. .................................... 91 Figura 7.8 – Botões correspondestes ao comando bimanual. ............................................................ 92 Figura 7.9 – Localização do botão de emergência. ............................................................................ 93 Figura 7.10 – Esquema hidráulico do bloco de sustentação de carga implementado. ........................ 94 Figura 7.11 – Esquema de ligações do relé que controla a paragem de emergência. ......................... 96 Figura 7.12 – Esquema de ligações do controlo da proteção móvel. .................................................. 97 Figura 7.13 – Arquitetura de ligações do controlo do comando bimanual. ......................................... 98 Figura 8.1 – Desgaste no fuso. ....................................................................................................... 100 Figura 8.2 – Processo de retificação da camisa. ............................................................................. 101 Figura 8.3 – Soldadura dos filetes para recuperação da folga desejada. .......................................... 102 Figura 8.4 – Sistema antigo de fecho do molde. .............................................................................. 103 Figura 8.5 – Parafusos da tampa superior que quebram (a vermelho). ............................................ 103 Figura 8.6 – Mapa de forças existente no sistema de fecho. ............................................................ 104 Figura 8.7 – Alteração do sistema de fecho do molde. .................................................................... 105 Figura 8.8 – Mapa dos esforços sentidos no fecho do molde, com a inversão das tampas. .............. 106 Figura 8.9 – Sistema de rotação do cabeçote antigo. ...................................................................... 107 Figura 8.10 – Aproximação do cabeçote a um prisma retangular. ................................................... 109 Figura 8.11 – Sistema de rotação do cabeçote desenvolvido. .......................................................... 111 Figura 8.12 – Sistema de guiamento das hastes. ............................................................................ 116 Figura 8.13 – Acumulação de resíduos e desgaste nas hastes, respetivamente. .............................. 116 Figura 8.14 – Aplicação do raspador nas hastes. ............................................................................ 117
XIV ÍNDICE DE TABELAS Tabela 2.1 - Significado das cores na sinalização do equipamento [26]. ............................................ 15 Tabela 2.2 – Altura necessária das proteções para casos com baixo potencial de perigo. Adaptado de [13]. ................................................................................................................................................. 17 Tabela 2.3 - Altura necessária das proteções para casos com alto potencial de perigo. Adaptado de [13]. ........................................................................................................................................................ 17 Tabela 5.1 – Principais características da chave seccionador escolhida [24]. .................................... 34 Tabela 5.2 – Características relevantes da fonte de alimentação escolhida [20]. ................................ 35 Tabela 5.3 – Características relevantes do PLC Mitsubishi FX3G 40MR-DS [18]. ............................... 39 Tabela 5.4 – Características relevantes do conjunto escolhido [7]. .................................................... 40 Tabela 5.5 – Características mais relevantes do HMI selecionado [33]. ............................................. 42 Tabela 5.6 – Botões a utilizar no equipamento. ................................................................................. 43 Tabela 5.7 – Principais características do contactor de afinação do extrusor. ..................................... 45 Tabela 5.8 – Características relevantes do disjuntor magnetotérmico escolhido [25]. ......................... 46 Tabela 5.9 – Características das zonas de aquecimento. ................................................................... 47 Tabela 5.10 – Principais características do relé estático selecionado [35]. ......................................... 49 Tabela 5.11 – Principais características do módulo de controlo de temperatura [18]. ........................ 50 Tabela 5.12 – Características principais do variador escolhido [19]. .................................................. 52 Tabela 5.13 – Características principais do disjuntor escolhido [1]. ................................................... 54 Tabela 5.14 Características principais da carta analógica FX3G-1DA-BD [17]. .................................... 54 Tabela 5.15 – Características relevantes do relé de segurança RLY3-EMSS100 [30]. ......................... 57 Tabela 5.16 – Características relevantes do relé de segurança SICK UE42-2HD [28]. ........................ 58 Tabela 5.17 – Características relevantes do relé de segurança SICK UE48-2OS [29]. ........................ 59 Tabela 5.18 – Características da bomba hidráulica dupla. ................................................................. 62 Tabela 7.1 – Elementos que constituem o bloco de sustentação de carga. ........................................ 94 Tabela 8.1 Características do cilindro de rotação do cabeçote. ........................................................ 112 Tabela 8.2 – Descrição de ajustes preferenciais utilizando o sistema de furo básico [4]. .................. 114
XV LISTA DE SÍMBOLOS Siglas, abreviaturas e acrónimos AC Corrente Alternada CAD Conceção Assistida por Computador DC Corrente Contínua EEPROM Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory EPROM Erasable Programmable Read-Only Memory EVA Espuma Vinílica Acetinada FDB Function Block Diagram FLASHRAM Flash Random Access Memory HMI Human-Machine Interface IEC International Electrotechnical Commission IL Instruction List ISO International Organization for Standardization LD Ladder Diagram PID Proporcional Integral Derivativo PLC Controlador Lógico Programável PVC Policloreto de Vinilo RAM Random Access Memory SSR Solid State Relay ST Structured Text TPR Borracha Termoplástica TPU Poliuretano Termoplástico UE União Europeia VDI Verein Deutscher Ingenieure
Reengenharia de uma Máquina de Extrusão de Solas 1 1. INTRODUÇÃO Atualmente, com um mercado cada vez mais competitivo, existe uma crescente procura pela industrialização e automação das linhas de produção, visando elevar a competitividade das empresas e a cadência das linhas de produção. Nesse sentido, é essencial para as empresas otimizar os seus sistemas de produção, em busca do aumento das quantidades produzidas, mas sem comprometer o padrão de exigência e qualidade do produto final. Este nível de competitividade exigido às empresas impulsiona o desenvolvimento tecnológico, uma vez que exige investimentos na criação de produtos inovadores, mas também na procura de processos de fabrico mais eficientes e económicos. Este progresso contínuo apenas é viável através da simbiose entre a Engenharia Mecânica, Engenharia Eletrónica e as Tecnologias de Informação, que constituem a Mecatrónica. No entanto, nem todas as empresas têm possibilidades de assumir este compromisso de constante melhoria e inovação, principalmente devido a fatores económicos. Como tal, os projetistas devem ser capazes de estabelecer um compromisso entre a funcionalidade e o custo, seguindo as exigências definidas pelo cliente. Por vezes, torna-se até necessário abdicar de algumas soluções mais eficientes em detrimento de outras menos eficientes, mas mais económicas, que permitem a viabilidade do projeto. 1.1. ENQUADRAMENTO E MOTIVAÇÃO Portugal é conhecido como um país de referência na indústria do calçado, mais concretamente na região norte, com um elevado número de empresas que se dedicam a este ramo. Em 2021, segundo a BPstat , existiam 1864 empresas relacionados ao setor do calçado em Portugal, com um total de 2175 milhões de euros movimentados [2]. Devido ao elevado número de empresas a apostarem neste setor, são vários os equipamento de produção de solas existentes em Portugal. Porém, muitas empresas possuem equipamentos obsoletos, que não permitem cumprir as demandas do mercado da forma mais eficiente e rentável. De forma a resolver este problema, as empresas poderiam apostar na obtenção de máquinas novas, ou na alteração dos equipamentos que possuem, permitindo uma redução considerável nos investimentos. Desta forma, foi proposta a reengenharia de uma máquina de produção de solas, com o intuito de conseguir um equipamento capaz de colmatar as necessidades da indústria.
Reengenharia de uma Máquina de Extrusão de Solas 2 A sola é o elemento do calçado responsável pelo contacto direto com o solo e, como tal, deve ser capaz de absorver os choques, bem como possuir elevada resistência à abrasão, de forma a ser um elemento durável. As solas podem ser fabricadas por uma variedade de materiais, desde termoplásticos (TPR, TPU), borracha, poliuretano, EVA, entre outros. Dependendo do tipo de material, o processo de produção da sola pode variar. A máquina utiliza o processo de extrusão para a produção das solas, com possibilidade de produzir solas até duas cores. Esta foi produzida na década de 90, pela antiga empresa portuguesa Girão . Desde então, existiu um avanço tecnológico que pode ser implementado no equipamento, permitindo que o mesmo volte a ser competitivo no mercado. Assim, será realizado um novo sistema de automação no equipamento, que torne a máquina mais fiável e produtiva. Por outro lado, no que diz respeito à segurança do equipamento, existem atualmente normas de segurança mais restritas, pelo que também terão de ser realizadas alterações a este nível. Por último, serão analisados os sistemas mecânicos, com substituição/reparação dos componentes que apresentarem desgaste e alteração de alguns sistemas que apresentam algumas falhas. 1.2. APRESENTAÇÃO DO PARCEIRO DO PROJETO A JFROSMAQ, Unipessoal LDA é uma empresa especializada no comércio, fabrico, reparação e manutenção de máquinas industriais. Sediada na freguesia de Ponte, no concelho de Guimarães, a maior parte do seu trabalho incide na indústria do calçado, devido à forte presença desta indústria na zona do Vale do Ave. Apesar da especialização na indústria do calçado, a empresa também efetua os mais diversos serviços de serralharia, através de equipamentos de torneamento, fresagem, soldadura, entre outros, que permitem a realização de qualquer serviço mecânico. Além da componente mecânica, são também efetuados serviços de eletrónica, onde se inclui a programação de autómatos. Em termos de estrutura, a JFROSMAQ é uma empresa de pequena dimensão, composta por apenas 4 colaboradores. Esta equipa reduzida permite um ambiente de trabalho mais próximo e ágil, onde as decisões podem ser tomadas com maior flexibilidade e eficiência. A pequena escala da empresa não só facilita a personalização dos serviços, mas também promove uma colaboração direta entre os membros da equipa, favorecendo a implementação de soluções rápidas e adaptadas às necessidades específicas de cada projeto.
Reengenharia de uma Máquina de Extrusão de Solas 3 1.3. OBJETIVOS A presente dissertação tem como objetivo geral a reengenharia de uma máquina de extrusão de solas. O objetivo inicial do projeto resume-se ao estudo e análise do funcionamento da máquina, com a realização de um estudo de mercado, a fim de conseguir perceber que tipo de melhorias podem ser aplicadas no equipamento. Depois, será idealizado o sistema de comando da máquina, com a implementação de um PLC e de um HMI para controlo e monitorização dos parâmetros do processo. De uma forma geral, devem ser atingidos os seguintes objetivos: − Estudar o processo de produção de solas; − Realizar o processo de engenharia inversa no equipamento, fazendo a documentação dos componentes do equipamento; − Automatizar o equipamento, desenvolvendo um novo sistema de comando, mais fiável e produtivo; − Incorporação de um HMI, que permita a monitorização e alteração de parâmetros de processo; − Aplicação de um variador de velocidade, de forma a permitir a alteração da velocidade de extrusão, bem como aumentar a eficiência energética da máquina; − Estudar as normas de segurança aplicáveis, de forma a implementar sistemas de segurança que permitem obter um equipamento seguro e fiável; − Desenvolver um novo sistema de troca de molde, que seja mais preciso e exato; − Desenvolver um sistema que permita uma utilização simples, rápida e intuitiva. 1.4. ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO Este documento apresenta de forma clara e organizada todo o trabalho desenvolvido no âmbito desta dissertação, estruturado em capítulos, cuja introdução breve é descrita a seguir: Capítulo 1: Introduz o tema, apresenta o enquadramento e a motivação para a realização do trabalho. Também são mencionados os parceiros do projeto e definidos os objetivos iniciais. Capítulo 2: Explora o estado da arte, abordando os conceitos necessários para o desenvolvimento do projeto. Inclui a metodologia adotada no projeto e os requisitos de segurança para garantir a conformidade normativa. Capítulo 3: Descreve detalhadamente o processo de produção de solas por extrusão, desde a receção da matéria-prima até à obtenção do produto final.
Reengenharia de uma Máquina de Extrusão de Solas 4 Capítulo 4: Apresenta a máquina a automatizar, destacando os diferentes componentes relevantes para o projeto. Capítulo 5: Detalha o processo de seleção dos componentes necessários para o sistema de comando, com uma fundamentação técnica para cada escolha. Capítulo 6: Expõe o comando desenvolvido para o controlador, descrevendo o funcionamento previsto para o equipamento. Capítulo 7: Foca-se na construção de uma máquina segura, apresentando as modificações realizadas para garantir a conformidade com as normas de segurança aplicáveis. Capítulo 8: Propõe correções mecânicas no equipamento, visando melhorias no desempenho e na fiabilidade do sistema. Capítulo 9: Apresenta as considerações finais sobre o projeto desenvolvido, com sugestões para futuras melhorias e aperfeiçoamentos.
Reengenharia de uma Máquina de Extrusão de Solas 5 2. ESTADO DE ARTE E CONCEITOS FUNDAMENTAIS Antes da conceção e desenvolvimento de um equipamento é importante estabelecer-se um ponto de partida para o estudo proposto. Como tal, é importante estudar o conhecimento científico existente em relação aos diversos conceitos presentes no projeto. Desta forma, foi realizado um estudo sobre as etapas necessárias para a realização de um projeto, com particular atenção para a norma VDI 2206, seguido de um estudo às normalizações associadas à segurança e saúde para certificação de máquinas. Por último, estudou-se o processo de produção de solas. 2.1. TEORIA DO PROJETO Ao longo dos anos foram desenvolvidas metodologias para guiar o projetista na conceção de novos equipamentos. De uma forma geral, são definidos dois tipos de modelos: descritivos e prescritivos [5]. Modelos descritivos Os modelos descritivos realçam, geralmente, a importância da geração de uma solução concetual no início do projeto. Esta solução inicial é depois sujeita a quatro etapas distintas, das quais: exploração, conceção, avaliação e comunicação (ver Figura 2.1). A fase de exploração corresponde à análise e definição do problema. Segue-se a geração de uma solução conceptual capaz de responder às necessidades expostas na definição do problema. Depois, faz-se a avaliação das soluções em função dos requisitos definidos inicialmente. Caso a solução não seja satisfatória, ou seja, não se encontre de acordo com os parâmetros definidos, recomeça-se o processo de geração de solução. Por último, a solução obtida é comunicada ao cliente [5]. Figura 2.1 - Fluxograma de um modelo descritivo de quatro etapas. Adaptado de [5].
Reengenharia de uma Máquina de Extrusão de Solas 6 Modelos prescritivos Por outro lado, os modelos prescritivos têm como objetivo promover um trabalho mais detalhado durante a geração de soluções, de forma a garantir que nenhum elemento importante é esquecido nesta análise, através da adoção de procedimentos sistemáticos e algorítmicos. O organismo alemão VDI elaborou uma série de documentos que sugerem metodologias para a resolução de projetos, nos quais se inclui a VDI 2221 – “ Systematic Approach to the Design of Technical Systems and Products” [27]. Esta norma sugere uma abordagem sistemática na conceção de um projeto (Figura 2.2) através da subdivisão do problema geral em vários subproblemas, com posterior solução de cada um deles. A solução final para o problema geral corresponderá a uma combinação das subsoluções obtidas anteriormente. Figura 2.2 - Modelo de desenvolvimento de soluções da norma VDI 2221. Adaptado de [27]. Esta mesma organização foi autora de outra norma específica para sistemas mecatrónicos, a VDI 2206 – “ Design methodology for mechatronic systems ” [26], que será abordada num subcapítulo seguinte. 2.1.1. PROJETO MECATRÓNICO Com o avanço da tecnologia e com a implementação da Indústria 4.0, existe a procura constante de melhorias tecnológicas que permitam a otimização dos sistemas de produção. Como tal, o uso da Mecatrónica é indispensável, de forma a promover a automatização das indústrias, bem como conseguir aumentar os níveis de produção. A Mecatrónica tem como base a simbiose entre a Engenharia Mecânica, Engenharia Eletrónica e as Tecnologias de Informação, tal como demonstra a Figura 2.3.
Reengenharia de uma Máquina de Extrusão de Solas 7 Figura 2.3 – Simbiose entre as diferentes engenharias presentes na Mecatrónica. Adaptado de [31]. Esta simbiose tem como objetivo melhorar o comportamento de um sistema através do uso de sensores, de modo a obter informações sobre o ambiente e o sistema. Através da incorporação das tecnologias de informação, é possível a realização de sistemas técnicos adaptativos, que são capazes de responder às mudanças na sua vizinhança, detetando estados operacionais críticos e otimizando sequências que dificilmente poderiam ser controladas sem o uso destas tecnologias de controlo [31]. A Figura 2.4 mostra a estrutura básica de um Sistema Mecatrónico. Esta é composta por um sistema, sensores, atuadores e dispositivos responsáveis pelo processamento da informação. A vizinhança onde o Sistema Mecatrónico opera também é importante. A monitorização do sistema é realizada através de sensores que comunicam com o controlador. O processamento desta informação determina quais as ações necessárias a realizar para afetar as variáveis do sistema. A implementação de ações é realizada através dos atuadores [31]. Figura 2.4 – Estrutura Básica de um Sistema Mecatrónico. Adaptado de [31]. Mecatrónica Engenharia Mecânica Tecnologias de Informação Engenharia Eletrónica
Reengenharia de uma Máquina de Extrusão de Solas 14 Construção Mecânica O objetivo primordial da construção mecânica deve ser prevenir a produção de perigos. Este objetivo pode ser alcançado, por exemplo, através de [26]: − Evitar bordas afiadas, cantos e peças salientes; − Evitar pontos de esmagamento, pontos de cisalhamento e pontos de emaranhamento; − Limitar a energia cinética (massa e velocidade); − Considerar princípios ergonómicos. Figura 2.9 – Exemplos de como reduzir perigos na construção mecânica [26]. Conceito de operação e conservação A necessidade de exposição a áreas de perigo deve ser a menor possível. Esse objetivo pode ser alcançado, por exemplo, por meio de: − Uso de estações de carga e descarga; − Realização dos trabalhos de ajuste e de manutenção a partir do “exterior”; − Utilização de componentes confiáveis e disponíveis de forma a evitar trabalhos de manutenção; − Possuir um conceito de comando claro e inequívoco, por ex. identificação clara dos componentes de comando. Em relação aos botões de comando, sinalizadores e indicações constantes nas telas, estes devem ser identificados por cores, onde cada cor terá um determinado significado. Esta lógica de cores pode ser encontrada na tabela abaixo.
Reengenharia de uma Máquina de Extrusão de Solas 15 Tabela 2.1 - Significado das cores na sinalização do equipamento [26]. 2.2.2.1. MEDIDAS DE PROTEÇÃO As medidas de proteção são definidas com o objetivo de reduzir os riscos que não foram eliminados na fase de projeto. Estas devem ser definidas de forma precisa, de modo a obter a segurança necessária com os custos adequados. Dependendo do tipo de perigo associado, podem ser utilizadas diferentes tipos de medidas de proteção, como [26]: − Impedir o acesso de forma permanente; − Impedir o acesso de forma temporária; − Reter partículas, substâncias e radiações; − Prevenção de partida, de partida inesperada e combinação de ambas; − Permissão da passagem de materiais; − Monitorização dos parâmetros da máquina; − Utilização de indicações e alarmes relevantes para a segurança; − Paragem de Emergência; − Entre outras. Paragem de Emergência Segundo a norma EN ISO 13850:2015, a paragem de emergência tem como objetivo evitar situações de emergência reais ou eminentes decorrentes do comportamento de pessoas ou de um evento perigoso inesperado. Esta função deve ser iniciada através de uma única ação humana. A função de paragem de emergência deve também obedecer aos seguintes critérios [3]:
Reengenharia de uma Máquina de Extrusão de Solas 16 − Deve estar sempre disponível e operacional e deve anular todas as outras funções e operações de todos os modos de operação da máquina, sem prejudicar outras funções de proteção; − Assim que a paragem de emergência for acionada, esta deve permanecer ativada até que seja feito o rearme manualmente; − A função de paragem de emergência deve ser reiniciada através de ação intencional humana. Esta deve ser realizada através do desengate de um dispositivo de paragem de emergência. No entanto, esta ação não deve iniciar o funcionamento da máquina; − A função de paragem de emergência é uma medida de proteção complementar e não deve ser aplicada como substituta de medidas de proteção ou de outras funções de segurança; − A função de paragem de emergência não deve prejudicar a eficácia de outras funções de segurança; − A função de paragem de emergência deve ser projetada de modo que, após a atuação do dispositivo de paragem de emergência, os movimentos e operações perigosas da máquina sejam interrompidos de maneira adequada, sem criar riscos adicionais e sem qualquer intervenção adicional. A paragem de emergência pode funcionar de acordo com as seguintes categorias: − Categoria de paragem 0 – paragem através da imediata remoção de energia dos atuadores da máquina; − Categoria de paragem 1 – energia disponível nos atuadores para realização de movimentos e operações de paragem, que deve ser cortada assim que a paragem for alcançada. Cada máquina deve conter, pelo menos, uma função de paragem de categoria 0, podendo ou não conter paragens de categoria 1. Os dispositivos de paragem de emergência devem ser projetados de forma a serem facilmente identificados e acionados pelo operador ou por outra pessoa que possa necessitar de o acionar. Estes podem ser de um dos seguintes tipos: − Botões que sejam facilmente ativados pela palma da mão; − Dispositivos acionados através de fios, cordas ou barras; − Pedais sem capa protetora, caso outras soluções não forem aplicáveis.
Reengenharia de uma Máquina de Extrusão de Solas 17 Dimensão do campo de Proteção Necessário A criação de estruturas de proteção deve ser realizada de forma que não seja possível o acesso por cima a zonas de perigo. Por outro lado, para evitar o acesso por baixo da proteção, normalmente é suficiente que esses equipamentos comecem a 200 mm acima do nível de referência. Figura 2.10 – Acesso a zona de perigo através da passagem por cima da barreira de proteção [26]. A norma EN ISO 13857 define a altura necessária para evitar esta situação, através da relação entre a altura da área de perigo, o afastamento horizontal relativamente à área de perigo e a altura da proteção. De acordo com o grau de risco associado Tabela 2.2 – Altura necessária das proteções para casos com baixo potencial de perigo. Adaptado de [13]. Altura a da zona de perigo (mm) Afastamento horizontal c relativamente à área de perigo (mm) 2500 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2400 100 100 100 100 100 100 100 100 0 2200 600 600 500 500 400 350 250 0 0 2000 1100 900 700 600 500 350 0 0 0 1800 1100 1000 900 900 600 0 0 0 0 1600 1300 1000 900 900 500 0 0 0 0 1400 1300 1000 900 800 100 0 0 0 0 1200 1400 1000 900 500 0 0 0 0 0 1000 1400 1000 900 300 0 0 0 0 0 800 1300 900 600 0 0 0 0 0 0 600 1200 500 0 0 0 0 0 0 0 400 1200 300 0 0 0 0 0 0 0 200 1100 200 0 0 0 0 0 0 0 0 1100 200 0 0 0 0 0 0 0 Segundo ISO 13857:2008 Altura b da proteção (mm) 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2500 Tabela 2.3 - Altura necessária das proteções para casos com alto potencial de perigo. Adaptado de [13].
Reengenharia de uma Máquina de Extrusão de Solas 18 Altura a da zona de perigo (mm) Afastamento horizontal c relativamente à área de perigo (mm) 2700 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2600 900 800 700 600 600 500 400 300 100 0 2400 1100 1000 900 800 700 600 400 300 100 0 2200 1300 1200 1000 900 800 600 400 300 0 0 2000 1400 1300 1100 900 800 600 400 0 0 0 1800 1500 1400 1100 900 800 600 0 0 0 0 1600 1500 1400 1100 900 800 500 0 0 0 0 1400 1500 1400 1100 900 800 0 0 0 0 0 1200 1500 1400 1100 900 700 0 0 0 0 0 1000 1500 1400 1000 800 0 0 0 0 0 0 800 1500 1300 900 600 0 0 0 0 0 0 600 1400 1300 800 0 0 0 0 0 0 0 400 1400 1200 400 0 0 0 0 0 0 0 200 1200 900 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1100 500 0 0 0 0 0 0 0 0 Segundo ISO 13857:2008 Altura b da proteção (mm) 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2500 2700 2.2.2.2. INFORMAÇÃO SOBRE RISCOS RESIDUAIS Após a aplicação de medidas para se ter um projeto seguro e de proteções técnicas, é possível que ainda existam perigos associados ao equipamento e ao seu funcionamento. Caso estes existam, o operador deve receber alertas adicionais quanto aos riscos residuais existentes, bem como sobre a necessidade de utilização de medidas de proteção adicionais, em especial o uso de equipamentos de proteção individual. São exemplos de informações relativamente a riscos residuais [26]: • Dispositivos de alerta acústicos e visuais; • Informações e avisos na máquina; • Alertas no manual de operação; • Instruções de trabalho, exigências de treino ou esclarecimentos aos operadores; • Instruções para o uso de equipamentos de proteção individual. Os dispositivos de alerta acústicos e óticos devem ser utilizados quando a máquina não é supervisionada (sem a constante supervisão de um operador). Neste caso, devem ser providos dispositivos de alerta que informem sobre a existência de perigos resultantes de um eventual mau funcionamento da máquina. Os dispositivos de alerta devem demonstrar claramente que se está sob uma situação de perigo [26]. Relativamente a informações e avisos existentes nas máquinas, estes devem ser preferencialmente símbolos e pictogramas. Devem também estar redigidos no idioma oficial do país em
Reengenharia de uma Máquina de Extrusão de Solas 19 que a máquina é comercializada, sendo possível também a utilização de outras línguas oficiais. As informações relevantes para a segurança devem ser claras, de fácil compreensão e formuladas de modo conciso e preciso [26]. Figura 2.11 – Exemplos de sinalética de segurança [26]. Por último, em relação ao manual de operação, este deve conter todas as informações relevantes para a segurança da máquina, em especial [26]: • Avisos referentes ao possível mau uso da máquina; • Indicações sobre a colocação em funcionamento, a operação da máquina, assim como sobre o treino necessário e/ou esclarecimentos aos operadores; • Informações sobre os riscos residuais que ainda persistem apesar das medidas para integrar a segurança no projeto e aplicação de dispositivos de proteção e de medidas de proteção complementares; • Instruções sobre as medidas de proteção a serem tomadas pelos operadores e os equipamentos de proteção individual necessários; • Condições sob as quais as exigências referentes à estabilidade são cumpridas nas diversas fases da vida útil da máquina • Indicações de segurança relativamente a transporte, manuseamento e armazenamento; • Instruções sobre o procedimento necessário em caso de acidentes e para a solução de problemas relativos à segurança; • Instruções sobre a configuração segura, sobre a manutenção e as devidas medidas de proteção; • Especificação das peças de reposição a serem usadas que podem afetar a segurança e a saúde dos profissionais de operação.
Reengenharia de uma Máquina de Extrusão de Solas 20 3. PROCESSO DE PRODUÇÃO DE SOLAS Antes de se iniciar o projeto propriamente dito, é necessário realizar um enquadramento ao tema, isto é, perceber todo o conceito de produção de solas, desde a chegada da matéria-prima, até à obtenção do produto final. 3.1. PRODUÇÃO DE SOLAS POR EXTRUSÃO Tal como referido anteriormente, existem diversos processos para a produção de solas. O processo que será analisado será a produção por extrusão, dado ser este o mecanismo utilizado na máquina a automatizar. O processo de produção de solas por extrusão pode ser dividido em quatro etapas principais, das quais: tratamento da matéria-prima, processo de extrusão, moldagem da sola e acabamento. 3.1.1. MATÉRIA-PRIMA A matéria-prima utilizada num processo de extrusão consiste em pequenos grãos sólidos de termoplástico. O material pode ser adquirido com coloração neutra – sendo posteriormente misturado com pigmentos para dar a coloração pretendida à sola – ou adquirido com a coloração final. Figura 3.1 – Matéria-prima com diferentes colorações [30]. Após o material chegar à fábrica, este é colocado em misturadores, que irão descompactar o material e soltar os grãos que estejam aglomerados. Caso o material necessite de ser misturado, é também aqui realizada a mistura. Posteriormente, o material é colocado em secadores, que permitem a secagem do material, facilitando a extrusão e melhorando a qualidade do produto final. Depois de concluído o processo de secagem, o material encontra-se pronto para ser processado na máquina.
Reengenharia de uma Máquina de Extrusão de Solas 21 3.1.2. PROCESSO DE EXTRUSÃO O processo de extrusão consiste em derreter os grãos de matéria-prima e processá-la, de forma a ser utilizada para produção de filmes contínuos. A Figura 3.2 mostra o esquema de funcionamento de uma unidade de extrusão. Figura 3.2 – Unidade de Extrusão. Adaptado de [21]. Uma máquina de extrusão é composta por uma camisa que é alimentada na extremidade oposta ao molde pela tremonha, que contém o polímero a ser injetado em forma de granulado. Ao longo da camisa, existem resistências que promovem a fusão do material, que juntamente com a rotação do fuso, permitem uma mistura homogénea e um aumento da pressão, que vai permitir a extrusão do material pela matriz [21]. O calor fornecido pelas resistências acopladas ao cilindro e a ação de mistura quando o material é movido pelo parafuso sem-fim permitem o aquecimento homogéneo do material, através da condução de calor e da fricção existente. Assim, a velocidade de rotação do fuso irá influenciar no fluxo de material extrudado, bem como na textura, uma vez que menores velocidades de rotação irão permitir que o material fique mais tempo dentro do fuso, e vice-versa [21]. Figura 3.3 – Exemplo de um fuso utilizado no processo de extrusão.
Reengenharia de uma Máquina de Extrusão de Solas 22 Este processo pode ser dividido em 3 zonas distintas: a zona de transporte de sólidos (ou de compactação), a zona de transporte (ou de fusão) e a zona de medição (ou de bombagem), tal como mostra a Figura 3.2. Esta divisão em zonas deve-se à alteração da geometria do fuso. Como se pode visualizar na figura, o diâmetro externo dos anéis do fuso permanece constante ao longo do seu comprimento, porém o seu diâmetro interno vai aumentando ao longo do mesmo, diminuindo os espaços entre o fuso e a camisa. A zona de transporte de sólidos é a fase inicial do processo e tem como objetivo o transporte do material desde a tremonha para o interior da camisa. Dado ser esta a zona de entrada do material, este ainda se encontra em forma de granulado e, como tal, são necessários mais espaços entre a camisa e o fuso, o que implica um menor diâmetro interior do fuso. Assim que o material entra na camisa, iniciase o seu aquecimento, compactação e transporte ao longo do canal. De seguida, tem-se a zona de transição, onde se inicia o processo de plastificação do material. Com o aumento da temperatura, o material começa a fundir, o que implica uma diminuição do volume ocupado pelo mesmo, dado que os espaços entre as partículas que outrora estavam solidificadas deixa de existir. Como tal, é necessário que o diâmetro interior do fuso comece a aumentar, de forma a diminuir o volume da câmara, para que se consiga a mistura e aumento da pressão do material. Por último, tem-se a zona de medição, responsável por gerar pressão suficiente para permitir a injeção do material. Este deve acumular-se na quantidade e estado desejado para ser expelido de dentro da camisa [21]. 3.1.3. MOLDAGEM DA SOLA O processo de extrusão por si só não é suficiente para conseguir dar a forma desejada à sola, dado que o mesmo apenas permite a formação de perfis contínuos que respeitam a forma da matriz. Assim sendo, é necessário que o material seja extrudado para dentro de um molde, com a forma negativa da sola pretendida. Durante a entrada do material proveniente do processo de extrusão para dentro do molde, este tem de estar fechado sob determinada pressão, de forma a garantir que as forças interiores gerados pela entrada do material não abram o molde e destruam o produto final. Assim, o fecho de molde é realizado com o auxílio de uma prensa, que impede que o material vaze pelas juntas e garanta a correta produção das solas. Após o arrefecimento do material dentro do molde, este pode ser aberto e a sola está pronta para ser retirada.
Reengenharia de uma Máquina de Extrusão de Solas 23 Figura 3.4 – Exemplo de uma sola produzida numa máquina de extrusão [14]. Na produção de solas bicolores, o molde é constituído por três partes: a base, que é colocada na mesa da máquina, e as duas partes respetivas à primeira e segunda cor, colocadas na cabeça da máquina. Inicialmente, o molde é fechado na primeira cor, e procede-se à extrusão do material para dentro do mesmo. Depois de ultrapassado o tempo de arrefecimento necessário, o molde abre e a cabeça roda, de modo a ser possível o fecho do molde na segunda cor e a extrusão da mesma, concluindo o processo. Para isto, é necessário que a máquina possua duas unidades de extrusão, sendo cada uma delas responsável pela injeção de uma cor. 3.1.4. ACABAMENTO Após a extrusão da sola, o processo de produção da mesma pode ainda não estar concluído, visto que pode ser ainda necessário realizar algum tipo de aplicação ou acabamento, como por exemplo fumos, pinturas, lixados, entre outros. Figura 3.5 – Pintura de uma sola e produto final [14].
Reengenharia de uma Máquina de Extrusão de Solas 30 Eficiência Energética: − Operação Contínua do Motor Elétrico: O motor elétrico da unidade energética opera continuamente na sua velocidade nominal, mesmo durante os tempos ociosos do processo, que correspondem a cerca de metade do tempo de produção. Isto resulta em consumos de energia desnecessários, e, consequentemente, numa eficiência energética baixa. 4.1.3. FUNCIONAMENTO PRETENDIDO Com base na avaliação dos problemas identificados, o funcionamento pretendido para o equipamento deve centrar-se na melhoria da eficiência operacional, da precisão dos processos, da segurança e da sustentabilidade energética. As alterações e ajustes propostos deverão garantir um equipamento mais fiável, produtivo e alinhado com as necessidades atuais de produção. Assim, será desenvolvimento para o equipamento um novo sistema de comando, com a implementação de um novo autómato. Será também implementada uma consola, com a definição de um conjunto de ecrãs iterativos, que irão permitir uma usabilidade mais simples e intuitiva para os operadores. Do ponto de vista da eficiência energética, será implementado um variador de frequência, que permitirá reduzir a velocidade do motor elétrico, promovendo melhorias significativas nos gastos energéticos do equipamento. Por outro lado, a implementação do variador também permitirá a alteração das velocidades de extrusão, oferecendo uma maior versatilidade ao equipamento, devido à maior compatibilidade com outros materiais. Do ponto de vista mecânico, serão analisadas e corrigidas as falhas identificadas, assim como serão repostas as folgas corretas nos componentes sujeitos a desgaste. Com estas melhorias, o equipamento será capaz de atender às exigências da indústria, oferecendo maior eficiência energética e operacional, além de maior segurança para os operadores. O objetivo final é desenvolver um equipamento robusto e flexível, preparado para responder de forma eficiente às exigências atuais e futuras. 4.1.4. CONSIDERAÇÕES GERAIS SOBRE SEGURANÇA A segurança é um dos pilares fundamentais no desenvolvimento e modernização do equipamento. Para garantir um ambiente de trabalho seguro e minimizar a ocorrência de situações de risco, será implementado um sistema de paragem de emergência. Este sistema permitirá a interrupção imediata do funcionamento em caso de necessidade, prevenindo acidentes e protegendo tanto os operadores quanto o próprio equipamento.
Reengenharia de uma Máquina de Extrusão de Solas 31 Além disso, será adotado um conjunto de medidas técnicas para impedir o acesso a zonas de perigo durante a operação. Essas medidas incluirão a instalação de barreiras físicas, sensores de segurança e dispositivos de bloqueio que evitarão o contato direto com áreas críticas. Todas as medidas implementadas estarão em conformidade com as normas e regulamentações de segurança aplicáveis, assegurando que o equipamento atenda aos padrões da indústria. O objetivo é não só cumprir com os requisitos legais, mas também proporcionar uma operação segura, confiável e eficiente para os operadores e o ambiente de trabalho. 4.2. REQUISITOS DO PROJETO Tal como define a norma VDI 2206 (ver 2.1.2), a primeira etapa do projeto trata-se da clarificação dos requisitos, seguindo os objetivos apresentados em 1.3. Nesse sentido, foi elaborada uma árvore de objetivos, onde se procura obter um equipamento seguro, versátil, fiável e user-friendly . Figura 4.7 – Árvore de objetivos desenvolvida para o equipamento desejado.
Reengenharia de uma Máquina de Extrusão de Solas 32 4.3. ESTUDO DE MERCADO Numa fase inicial, realizou-se um estudo de mercado com o objetivo de identificar equipamentos semelhantes ao objeto de estudo. Entre os fabricantes analisados, destacou-se a empresa italiana Pietrella S.r.l ., representada em Portugal pela JFROSMAQ . Dentro do portefólio de máquinas da empresa, foi dada especial atenção à gama BE 150, devido às suas características que apresentam maior semelhança com a máquina em análise. O modelo BE 150 encontra-se disponível em três variantes — Twin , Tris e Poker — conforme a máquina possua dois, três ou quatro postos de trabalho, respetivamente. Tal como o equipamento a ser automatizado, esta linha permite a produção de solas bicolores através do processo de extrusão, contando com dois extrusores por cada posto de trabalho. Em Portugal, existem diversos exemplares deste modelo em operação, o que viabilizou uma análise mais detalhada das suas características. Figura 4.8 – Máquina de extrusão de solas Pietrella BE 150 Tris [22]. Este equipamento é equipado com servomotores nos extrusores, possibilitando o controlo preciso da velocidade de rotação do fuso, com uma variação entre 5 e 240 rpm. O cilindro de fecho apresenta uma capacidade de gerar até 150 toneladas de força, com um curso total de 300 mm. Além disso, a rotação do cabeçote é realizada através de um cilindro hidráulico de haste passante, permitindo o posicionamento do cabeçote em três ângulos distintos: 0º, 90º e 180º. A máquina está também equipada com uma HMI, que proporciona ao operador a capacidade de monitorizar e ajustar os parâmetros do processo, promovendo maior controlo e eficiência na operação.
Reengenharia de uma Máquina de Extrusão de Solas 33 5. SELEÇÃO DE COMPONENTES A modernização do sistema de comando da máquina de produção de solas requer a escolha criteriosa de componentes que atendam aos requisitos técnicos, normativos e operacionais do projeto. Esses componentes são fundamentais para garantir a funcionalidade, eficiência e segurança do equipamento. Esta seleção foi realizada com base nos seguintes critérios principais: • Compatibilidade com o sistema de automação: Todos os dispositivos devem integrar-se com o autómato programável (PLC) e ao restante do sistema de comando; • Conformidade com normas de segurança: Os componentes foram escolhidos em conformidade com normas como a IEC 60204-1:2016 e a ISO 13849, garantindo a segurança operacional; • Facilidade de manutenção: Optou-se por componentes amplamente disponíveis no mercado, facilitando a manutenção e a reposição em caso de falhas. De seguida, são detalhados os componentes selecionados para o sistemas, divididos pelo circuito de potência, comando e de segurança, justificando as suas escolhas com base nas necessidades especificas da sua aplicação. 5.1. CIRCUITO DE POTÊNCIA 5.1.1. CHAVE SECCIONADORA A chave seccionadora é um dos componentes principais do circuito de potência, sendo responsável por isolar eletricamente o sistema durante manutenções ou em situações de emergência, tal como define a norma IEC 60204-1:2016. Este componente permite que o operador desconecte a alimentação elétrica do equipamento de forma segura e confiável [10]. Requisitos Técnicos • Tensão nominal de operação: 400 V AC. • Capacidade de corrente: Deve suportar a corrente nominal total do sistema (20 A). • Categoria de utilização: AC-22A, adequada para manobras em circuitos mistos com cargas indutivas leves. • Posição de bloqueio: Deve permitir o travamento mecânico em posição "OFF" para segurança durante a manutenção.
Reengenharia de uma Máquina de Extrusão de Solas 34 Seleção e Justificação Para atender a esses requisitos, foi selecionada a chave seccionadora Schneider Electric VCF5 (Figura 5.1). Este modelo apresenta: • Capacidade de corrente nominal: 125 A, garantindo uma margem de segurança acima do consumo esperado do equipamento (50 A); • Suporte para tensão de até 690 V AC, oferecendo versatilidade para aplicações industriais; • Posição de bloqueio mecânico, permitindo o uso de cadeados para travamento; • Construção robusta e compatível com o ambiente industrial do equipamento. Figura 5.1 – Chave seccionadora Schneider Electric VCF5 [24]. As características mais relevantes deste componente estão apresentadas na Tabela 5.1. Tabela 5.1 – Principais características da chave seccionador escolhida [24]. Modelo Schneider Electric VCF5 Capacidade Nominal 125 A Tensão máxima 690 V AC Categoria de utilização AC-22A Standard IEC 60947-3 5.1.2. FONTE DE ALIMENTAÇÃO A fonte de alimentação é um componente essencial no circuito de comando, sendo responsável por fornecer energia estável e confiável para os dispositivos do sistema. Esta fonte deve atender aos requisitos do circuito projetado, garantindo que todos os componentes operem de forma segura, mesmo nas condições de maior consumo.
Reengenharia de uma Máquina de Extrusão de Solas 35 Requisitos Técnicos − Tensão de entrada: Compatível com a rede elétrica disponível, 240 V AC a 50 Hz; − Tensão de saída: 24 V DC, padrão para alimentação de circuitos de comando; − Potência de saída: Igual ou superior a 160 W, para atender ao consumo máximo do sistema. Dimensionamento da Potência Para calcular a potência necessária, considerou-se a situação de maior consumo do sistema, que ocorre quando as cinco válvulas hidráulicas são energizadas simultaneamente. Como cada válvula possui um consumo individual de 30 𝑊, o consumo total nesse cenário é de: 𝑃𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 5 × 30 =150 𝑊 Aplicando uma margem de segurança de 30%, a potência mínima especificada é de 195 𝑊. Seleção e Justificação Com base nos requisitos técnicos e no dimensionamento, foi selecionada a fonte de alimentação OMRON S8VK-G24024 (Figura 5.2), que apresenta as seguintes características principais (Tabela 5.2): Figura 5.2 – Fonte de alimentação OMRON S8VK-G24024 [20]. Tabela 5.2 – Características relevantes da fonte de alimentação escolhida [20]. Tensão de Entrada 100 - 240V DC Frequência de Entrada 50 Hz Tensão de Saída 24V Corrente de Saída 10 A Potência de Saída 240 W A fonte de alimentação escolhida não só cumpre os requisitos do sistema com folga, mas também oferece robustez e flexibilidade para futuras adaptações, garantindo eficiência energética e alta confiabilidade para o circuito de comando.
Reengenharia de uma Máquina de Extrusão de Solas 36 5.2. CIRCUITO DE COMANDO 5.2.1. CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL (PLC) O controlador lógico programável (PLC) desempenha um papel central no sistema de automação, sendo responsável por controlar e monitorizar o funcionamento do equipamento. Este dispositivo processa informações provenientes de diversos sensores e dispositivos de entrada e emite comandos para os atuadores, garantindo o funcionamento coordenado e eficiente do sistema. Os PLCs são amplamente utilizados em aplicações industriais, podendo controlar desde sistemas simples e independentes até grandes unidades de processamento. Esses controladores podem ser classificados em dois tipos principais [16]: − Compactos: Integram todos os elementos necessários para operação em um único bloco; − Modulares: São compostos por módulos individuais conectados a um bastidor, oferecendo maior flexibilidade e escalabilidade. Estrutura de Funcionamento Do ponto de vista do utilizador, o PLC realiza o processamento de informações por meio de um ciclo operacional. Esse ciclo inclui [16]: 1. Leitura das entradas (scan): Captura dos sinais provenientes de sensores e dispositivos; 2. Execução do programa: Processamento das informações lidas para determinar os comandos a serem emitidos; 3. Atualização das saídas: Envio dos comandos para os atuadores e dispositivos conectados. A estrutura básica de um PLC inclui os seguintes componentes principais [16]: − Microprocessador: Responsável pelo processamento das informações; − Memória: Armazena o programa e os dados necessários para operação; − Fonte de alimentação: Garante o funcionamento dos componentes internos do PLC; Figura 5.3 – Esquema da estrutura de um PLC [16].
Reengenharia de uma Máquina de Extrusão de Solas 37 As entradas e saídas do PLC podem ser de diversos tipos, como relé, transístor, acoplador ótico ou triac . Para além disso, os estados lógicos dessas entradas e saídas são geralmente indicados por LEDs presentes no corpo do PLC, facilitando a visualização do seu estado. Memória A memória do PLC tem como função salvaguardar todas as instruções do programa, mesmo quando este não está a ser alimentado. As memórias podem ser classificadas da seguinte forma [16]: − RAM ( Random Access Memory): pode ser escrita e alterada facilmente, sendo a mais utilizada na fase de desenvolvimento do programa, ou quando o sistema a controlar sofre alterações. Esta memória é uma memória volátil, ou seja, perde a informação quando não está a ser alimentada. − EEPROM ( Erasable Programmable Read Only Memory): não perde a informação em caso de falha de alimentação, porém a sua alteração é extremamente morosa, pois tem de ser apagada por exposição a raios ultravioleta e programada através de equipamento específico. − EPROM ( Electricaly Erasable Programmable Read Only Memory): não perde a informação por falta de alimentação e pode ser escrita e apagada diretamente no PLC. Apresenta vantagens em relação aos modelos anteriores, porém possui um número limitado de ciclos de escrita e um custo superior quando comparado à memória RAM. − FLASHRAM: apresenta características semelhantes à EEPROM, permitindo também uma escrita e leitura no próprio circuito onde é utilizada e sendo também limitada pelo número de ciclos de escrita. Porém, a velocidade de escrita é superior à da EEPROM. Programação A programação de um PLC irá definir de que forma serão atuadas as saídas, em função dos valores dos dados lidos nas entradas. Implementados no CPU, existem memórias em forma de bits responsáveis por reter informações lógicas, isto é, ligado/desligado, verdadeiro/falso ou 1/0, necessárias para a execução do programa. Estes bits , também denominados por relés, estão normalmente associados em grupos de 16, aos quais se dá o nome de word ou canal. Existem diversas áreas de relés presentes num PLC, destacando-se [16]: − Relés com I/O, associados a entradas e saídas; − Relés internos com retenção, que mantêm o seu estado mesmo quando o PLC não está a ser alimentado; − Relés internos de temporizadores e contadores, que têm o seu estado associado a um determinado temporizador ou contador;
Reengenharia de uma Máquina de Extrusão de Solas 38 − Relés internos especiais, com funções predefinidas. Existem diversas linguagens de programação normalizadas que podem ser utilizadas na programação de um PLC. A norma IEC 61131-3 propõe quatro linguagens de programação, que podem ser gráficas, Ladder Diagram (LD) e Function Block Diagram (FBD), ou textuais, Instruction List (IL) e Structured Text (ST) [7][9]. 5.2.1.1. SELEÇÃO DO PLC Antes de selecionar o equipamento a utilizar, é necessário definir os requisitos que o mesmo deverá ser capaz de cumprir. Posto isto, encontra-se de seguida enumerados os requisitos para o equipamento a utilizar. − Ser um equipamento compacto; − Possuir 17 entradas e 16 saídas a relé; − Permitir a programação em FBD; − Possuir memória adequada para o sistema de automação desenvolvido; − Garantir tempos de execução e resposta adequados para o controlo do sistema; − Possuir backup de memória; − Permitir adicionar um módulo de controlo de temperatura; − Permitir a comunicação com computador e HMI; − Permitir a comunicação com um variador de velocidade. Tendo em conta os requisitos supracitados, optou-se pelo controlador industrial Mitsubishi FX3G 40MR-DS (Figura 5.4). As suas características mais relevantes estão apresentadas na Tabela 5.3. Figura 5.4 – PLC Mitsubishi FX3G 40MR-DS [18].
Reengenharia de uma Máquina de Extrusão de Solas 39 Tabela 5.3 – Características relevantes do PLC Mitsubishi FX3G 40MR-DS [18]. Tensão de Alimentação 24 V DC Corrente Consumida 3,15 A Potência Consumida 25 W Nº de Entradas Digitais 24 entradas Nº de Saídas e Tipologia 16 saídas a relé Linguagens de Programação Suportadas Ladder, Ladder/FBD e Texto Estruturado Backup de Memória ✓ (sem recurso a bateria) Capacidade do Programa 32 000 passos Tempo de Execução Lógica 0.21 μs O PLC em questão foi selecionado por ser um controlador compacto, confiável e versátil, com capacidade para atender a todas as exigências do sistema de automação. A sua compatibilidade com módulos adicionais, como o controlo de temperatura e saída analógica, bem como a sua robustez em aplicações industriais, garante flexibilidade e eficiência para o projeto. Além disso, a escolha recaiu sobre este modelo por pertencer a uma gama da Mitsubishi já utilizada pela empresa. 5.2.2. RELÉS Os relés irão atuar como intermediários entre as saídas do autómato e os dispositivos controlados, neste caso, as bobinas das válvulas hidráulicas e pneumáticas. A sua utilização tem como objetivo principal proteger as saídas do PLC, aumentando a sua vida útil e garantindo a confiabilidade do sistema. Embora as bobinas das válvulas pneumáticas operem com correntes significativamente menores que as válvulas hidráulicas, foi decidido utilizar relés do mesmo modelo em todas as saídas. Essa padronização facilita a manutenção e a substituição futura de componentes, reduzindo os custos operacionais e simplificando o stock de peças sobresselentes. Requisitos Técnicos Os relés a utilizar no sistema terão de cumprir os seguintes requisitos: − Tensão de alimentação: 24 V DC, compatível com o sistema de comando; − Corrente nominal: Superior a 5 A, correspondente ao valor máximo consumido pelas bobinas;
Reengenharia de uma Máquina de Extrusão de Solas 46 requisitos de operação. Esse dispositivo é essencial para evitar danos ao motor, garantindo a sua integridade. Requisitos Técnicos − Tensão de alimentação: Compatível com o sistema trifásico de 380 V AC; − Capacidade de proteção: Operar com motores de até 0,37 kW, oferecendo proteção térmica ajustável para condições de sobrecarga; − Faixa de regulação de corrente: Ajustável para o consumo nominal do motor, que é de 1 A, incluindo margem para picos de corrente durante a partida. Seleção e Justificação Para atender a esses requisitos, foi selecionado o disjuntor Schneider Electric TeSys GV2ME (Figura 5.10), com as características apresentadas na Tabela 5.8. Figura 5.10 – Disjuntor magnetotérmico Schneider Electric TeSys GV2ME [25]. Tabela 5.8 – Características relevantes do disjuntor magnetotérmico escolhido [25]. Tensão Nominal [V AC] 400 400 500 500 500 690 390 Potência de alimentação [kW] 0,37 0,55 0,37 0,55 0,75 0,75 1,1 Corrente nominal 1,6 A Gama de regulação de proteção 1 – 1,6 A O disjuntor Schneider Electric TeSys GV2ME foi escolhido devido à sua robustez e confiabilidade em aplicações industriais. Este permite um ajuste preciso para proteger o motor de 0,37 kW, oferecendo segurança tanto contra sobrecargas quanto contra curtos-circuitos. Além disso, a sua conformidade com normas internacionais como a IEC 60947-4-1 reforça a segurança e a eficiência do sistema.
Reengenharia de uma Máquina de Extrusão de Solas 47 5.4. SISTEMA DE AQUECIMENTO DOS EXTRUSORES O sistema de aquecimento dos extrusores é essencial para garantir que o material seja processado à temperatura ideal para extrusão. Esse sistema é responsável por aquecer uniformemente as zonas do extrusor e manter essas temperaturas estáveis durante a operação. Neste capítulo, serão descritos os principais componentes do sistema de aquecimento, incluindo as resistências, os termopares, os relés estáticos e a carta de controlo de temperatura, que permite a integração do sistema com o autómato programável (PLC). 5.4.1. RESISTÊNCIAS Cada extrusor possui quatro resistências que promovem o seu aquecimento ao longo do seu comprimento. Estas estão divididas em duas zonas (Figura 5.11), projetadas para atender às necessidades térmicas específicas dos diferentes materiais. Cada zona controla resistências específicas, cujas características estão detalhadas na Tabela 5.9. Figura 5.11 – Zonas de aquecimento. Tabela 5.9 – Características das zonas de aquecimento. Zona 1 Potência 1000+1000 = 2000 W Tensão 230 V Corrente 8,7 A Zona 2 Potência 1000 + 250 = 1250 W Tensão 230 V Corrente 5,5 A
Reengenharia de uma Máquina de Extrusão de Solas 48 5.4.2. TERMOPARES Os termopares são dispositivos utilizados para a medição da temperatura, que funcionam com base no efeito Seebeck . Este ocorre quando dois metais diferentes estão unidos em uma extremidade e expostos a diferentes temperaturas. Essa diferença entre as duas extremidades gera uma pequena tensão elétrica que é proporcional à temperatura lida [6]. Requisitos Técnicos Para a escolha destes componentes, importa perceber qual a faixa de temperatura a que estarão sujeitos. Neste caso, as extrusoras irão operar entre os 100 a 200ºC, pelo que se escolheu o termopar do tipo J, que permite operar entre 0 a 600ºC. Seleção e Justificação Para o sistema de aquecimento dos extrusores, foi selecionado o termopar tipo J (Figura 5.12). Essa escolha foi motivada pelas seguintes características: − Faixa de medição: 0 a 600°C, adequada para o controlo de temperatura dos extrusores; − Tolerância: ±2,2°C ou ±0,75% da leitura, conforme a norma IEC 60584-1; − Custo-benefício: O tipo J é uma opção económica em comparação com outros tipos; − Compatibilidade: Totalmente compatível com a carta de controlo de temperatura utilizada no sistema. Figura 5.12 – Termopar para leitura da temperatura. Localização dos Termopares Cada zona de aquecimento possui um termopar responsável pela medição da temperatura nessa zona. Como tal, serão precisos 4 termopares para o controlo da temperatura dos dois extrusores. 5.4.3. RELÉS ESTÁTICOS Os relés estáticos são responsáveis por controlar o acionamento das resistências de aquecimento, modulando a passagem de corrente elétrica de acordo com os comandos enviados pelo controlador de temperatura.
Reengenharia de uma Máquina de Extrusão de Solas 49 Requisitos Técnicos Com base nas características das zonas de aquecimento, os relés estáticos selecionados devem atender aos seguintes requisitos: − Tensão de comando: 25 V DC, para compatibilidade com o autómato; − Tensão de potência: 230 V AC, correspondente à alimentação das resistências de aquecimento; − Corrente de saída: Superior a 8,7 A, considerando o consumo máximo da Zona 1, que possui maior demanda de corrente. Seleção e Justificação O modelo CG SSR-25DA (Figura 5.13) foi escolhido para atender aos requisitos estipulados. Este relé estático apresenta características técnicas ideais para o controlo das resistências de aquecimento, como detalhado na Tabela 5.10. Figura 5.13 – Relé estático CG SSR-25DA [35]. Tabela 5.10 – Principais características do relé estático selecionado [35]. Tensão de carga 24 – 480 V AC Corrente de carga 25 A Tensão de comando 3 – 32 V DC Corrente de comando 5 – 25 mA Como o sistema possui duas zonas de aquecimento para cada extrusor, será necessário utilizar quatro relés estáticos no total, permitindo o controlo individualizado de cada zona. 5.4.4. CARTA DE CONTROLO DA TEMPERATURA O módulo de controlo de temperatura é responsável por gerenciar o aquecimento das resistências dos extrusores, garantindo que as temperaturas permaneçam estáveis e dentro dos valores
Reengenharia de uma Máquina de Extrusão de Solas 50 especificados. Para isso, o módulo realiza a leitura das temperaturas através dos termopares e ajusta a potência aplicada às resistências com base nos valores lidos, utilizando algoritmos de controlo PID. Requisitos Técnicos − Tensão de alimentação: 24 V DC, para compatibilidade com o sistema de comando; − Comunicação com o autómato: Capacidade de se integrar ao autómato Mitsubishi FX3G-60M, utilizado no sistema; − Canais de leitura: No mínimo, 4 canais para a leitura de temperaturas nas zonas de aquecimento dos dois extrusores; − Compatibilidade com termopares: Suporte para termopares do tipo J, utilizados no sistema; − Controlador PID integrado: Para regular a temperatura de forma precisa e eficiente. Seleção e Justificação Com base nesses critérios, foi selecionado o módulo Mitsubishi FX3U-4LC (Figura 5.14), projetado para integração direta com autómatos da linha Mitsubishi FX. Este módulo oferece funcionalidades avançadas de controlo de temperatura e atende plenamente às exigências do projeto. Figura 5.14 – Módulo de controlo de temperatura Mitsubishi FX3U-4LC [18]. Tabela 5.11 – Principais características do módulo de controlo de temperatura [18]. Tensão de Alimentação 24 V DC Entradas Analógicas Integradas 4 (para leitura dos termopares) Saídas Analógicas Integradas 4 (para controlo das resistências) Tempo de Ciclo de Controlo 250 ms Tipos de controladores Controlador de duas posições Controlador PID Controlo PID para aquecimento e arrefecimento Controlador por cascata
Reengenharia de uma Máquina de Extrusão de Solas 51 O Mitsubishi FX3U-4LC foi escolhido pela sua compatibilidade direta com o FX3G-60M, a sua capacidade de leitura e controlo de múltiplas zonas de temperatura, e pela presença de funções PID integradas, essenciais para o controlo preciso das resistências. 5.5. CONTROLO DA VELOCIDADE E VARIADOR DE FREQUÊNCIA O controlo da velocidade do motor da bomba hidráulica desempenha um papel fundamental na operação eficiente do equipamento. Originalmente, a máquina operava com o motor em velocidade nominal constante, independentemente da demanda do sistema, resultando num consumo energético elevado. Neste sentido, aplicou-se um variador de frequência no motor elétrico que comanda a bomba, de forma a não só permitir uma redução significativa no consumo energético do equipamento, como também a permitir o controlo da velocidade de extrusão. 5.5.1.1. VARIADOR DE VELOCIDADE A escolha do variador de velocidade adequado é um aspeto essencial para garantir a eficiência energética e a operação flexível do sistema. Requisitos Técnicos Baseado nas especificações do motor elétrico e nas exigências operacionais do sistema, foram definidos os requisitos que o variador de velocidade deve cumprir: − Tensão de alimentação: O variador deve ser compatível com uma tensão de 380 V AC, conforme a alimentação elétrica do sistema; − Corrente de saída: O variador deve fornecer uma corrente de saída superior a 38 A para suportar a operação do motor de 18,5 kW; − Capacidade de potência: O variador deve ser capaz de operar com um motor de 18,5 kW, o que representa a potência nominal do motor elétrico utilizado; − Integração com o PLC: O variador precisa ser compatível com o sistema de controlo (PLC), garantindo a comunicação eficiente entre o variador e o restante da automação da máquina. Seleção e Justificação Para atender às demandas específicas do sistema hidráulico e assegurar a operação eficiente da máquina, foi selecionado o variador de frequência Mitsubishi FR-E840-0440-4-60 (Figura 5.15). As suas características estão apresentadas na Tabela 5.12.
Reengenharia de uma Máquina de Extrusão de Solas 52 Figura 5.15 – Variador de velocidade Mitsubishi FR-E840-0440-4-60 [19]. Tabela 5.12 – Características principais do variador escolhido [19]. Modelo Mitsubishi FR-E840-0440-4-60 Tensão Nominal 380 – 480 V AC Modo Light Duty (LD) Normal Duty (ND) Potência nominal do motor 30 kW 22 kW Corrente de saída nominal 60 A 44 A Sobrecarga de corrente 120% durante 60 s 150% durante 3 s 150% durante 60 s 200% durante 3 s A seleção do modelo foi baseada na sua capacidade de atender aos seguintes requisitos: − Capacidade de operação: O modelo escolhido irá operar no modo Normal Duty (ND), permitindo uma sobrecarga de corrente de até 150% durante 60 segundos e 200% durante 3 segundos, o que proporciona uma margem de segurança durante picos de carga; − Compatibilidade: A versão do variador em modo ND é projetada para suportar motores de até 22 kW, o que está acima da potência do motor de 18,5 kW, garantindo que o variador opere de forma eficiente, sem sobrecarregar o sistema; − Flexibilidade e eficiência: O variador oferece excelente desempenho em termos de controlo de velocidade e eficiência energética, essencial para o funcionamento eficiente e sustentável da máquina de produção de solas.
Reengenharia de uma Máquina de Extrusão de Solas 53 5.5.2. DISJUNTOR DE PROTEÇÃO AO VARIADOR O disjuntor de proteção ao variador desempenha uma função crucial ao garantir a proteção do variador contra sobrecargas, curto-circuitos e falhas na alimentação elétrica. Além de preservar a integridade do variador, este componente também protege o motor associado, aumentando a confiabilidade e a segurança geral do sistema. Requisitos Técnicos − Corrente nominal: Compatível com a carga total do motor e as características do variador; − Capacidade de interrupção: Suportar correntes de curto-circuito típicas do ambiente industrial; − Curva de disparo tipo C: Adequada para cargas indutivas como motores e variadores, que apresentam picos de corrente na partida. Seleção e Justificação Para atender a esses critérios, foi selecionado o disjuntor ABB SH203-C63 (Figura 5.16), que apresenta: − Corrente nominal: 63 A, compatível com a carga esperada do sistema; − Curva de disparo Tipo C: Permite o funcionamento normal do variador e do motor, evitando disparos indevidos durante picos de corrente; − Capacidade de interrupção: Suporta até 6 kA, proporcionando proteção adequada para curtos-circuitos em ambientes industriais leves; − Design compacto: Adequado para instalação em quadros elétricos com espaço limitado. Figura 5.16 – Disjuntor ABB SH203-C63 [1]. As principais especificações do disjuntor ABB SH203-C63 estão detalhadas na Tabela 5.13.
Reengenharia de uma Máquina de Extrusão de Solas 54 Tabela 5.13 – Características principais do disjuntor escolhido [1]. Modelo ABB SH203-C63 Tensão Nominal 400 V AC Corrente Nominal 63 A Curva de Disparo Tipo C Capacidade de Interrupção 6 kA 5.5.3. MÓDULO DE SAÍDA ANALÓGICA Devido à ausência de saídas analógicas integradas no autómato Mitsubishi FX3G-60M, foi necessário adicionar um módulo externo que permitisse a geração de sinais analógicos, garantindo a compatibilidade com o variador de frequência e atendendo aos requisitos do sistema de controlo da velocidade do motor. Requisitos Técnicos Para atender às demandas do sistema, o módulo de saída analógica precisa de cumprir os seguintes requisitos: − Compatibilidade com o autómato: Integração direta com o Mitsubishi FX3G-60M, sem necessidade de adaptadores adicionais; − Capacidade de gerar sinais analógicos: Oferecer suporte a tensões entre 0 e 10 V DC e correntes entre 4 e 20 mA, conforme requerido pelo variador. Seleção e Justificação Com base nos requisitos definidos, foi selecionado o módulo FX3G-1DA-BD (Figura 5.17), da Mitsubishi . Este modelo oferece uma solução compacta, projetada para ser conectada diretamente no autómato, simplificando a instalação e reduzindo o espaço necessário. As suas principais características estão apresentadas na Tabela 5.14. Figura 5.17 – Mitsubishi FX3G-1DA-BD [17]. Tabela 5.14 Características principais da carta analógica FX3G-1DA-BD [17].
Reengenharia de uma Máquina de Extrusão de Solas 55 Número de canais 1 saída analógica Intervalo de tensão de saída 0 a 10 V DC Intervalo de corrente de saída 4 a 20 mA DC 5.6. CIRCUITO DE SEGURANÇA A segurança é um dos pilares fundamentais no desenvolvimento de sistemas industriais, especialmente em equipamentos onde há interação direta entre operadores e máquinas. Neste projeto, foram selecionados diversos componentes de segurança para garantir que o equipamento opere dentro dos parâmetros normativos e minimize os riscos associados a falhas humanas ou mecânicas. A seleção dos componentes de segurança foi feita com base nos requisitos funcionais do equipamento, na conformidade com normas internacionais, como a EN ISO 13849-1 e a IEC 62061, e na necessidade de proporcionar um sistema seguro, confiável e eficiente. Entre os dispositivos de segurança selecionados estão relés de segurança, chaves de segurança e botão de emergência, que desempenham papéis cruciais no controlo e monitorização de condições críticas do sistema [27]. Neste subcapítulo, serão detalhados os componentes escolhidos para o sistema de segurança do equipamento, para tês aplicações principais: 1. Comando bimanual, que protege o operador de ações acidentais ao exigir o uso de ambas as mãos para iniciar movimentos perigosos; 2. Controlo da proteção móvel, que garante que a máquina só opere quando a proteção estiver completamente fechada, impedindo o acesso a áreas perigosas durante o funcionamento; 3. Controlo do botão de emergência e das portas de segurança laterais, que asseguram a interrupção imediata do sistema em caso de emergência ou violação das proteções. Cada aplicação será descrita com base nos seus requisitos específicos, justificando a seleção dos componentes e detalhando como eles contribuem para o funcionamento seguro do equipamento. 5.6.1. CONTROLO DO BOTÃO DE EMERGÊNCIA E PORTAS DE SEGURANÇA LATERAIS Para o controlo do botão de emergência e das portas de segurança laterais, o relé de segurança deve ser capaz de desativar a alimentação do PLC em caso acionamento do botão de emergência ou da alteração do estado das proteções laterais.
Reengenharia de uma Máquina de Extrusão de Solas 62 não há necessidade de movimentos hidráulicos, a bomba funcionará na velocidade mínima recomendada, operando no caudal máximo apenas quando os movimentos forem requeridos. Essa mudança possibilita o dimensionamento do reservatório hidráulico com base no caudal médio ao qual a bomba estará submetida. Na Tabela 5.18 estão descritas as características da bomba hidráulica. Tabela 5.18 – Características da bomba hidráulica dupla. Modelo da bomba PFED-43/056/010 Capacidade do primeiro elemento [𝑐𝑚3/𝑟𝑒𝑣] 56 Capacidade do segundo elemento [𝑐𝑚3/𝑟𝑒𝑣] 10 Velocidade mínima admissível [𝑟𝑝𝑚] 800 Velocidade máxima admissível [𝑟𝑝𝑚] 2500 Com a possibilidade de variar a velocidade de rotação da bomba, o cálculo será realizado considerando o caudal médio a que a bomba poderá operar. Em relação à velocidade mínima, considerou-se como sendo 800 𝑟𝑝𝑚, uma vez que este é o valor mínimo que a bomba pode operar sem danificar os seus componentes. Já a velocidade máxima foi escolhida como 2000 𝑟𝑝𝑚, garantindo uma margem de operação eficiente e segura. Considerando estes valores, obtém-se uma rotação média de 1400 𝑟𝑝𝑚. Sabendo que a capacidade total da bomba é de 66 𝑐𝑚3/𝑟𝑒𝑣, obtém-se um caudal médio de 92,4 𝑑𝑚3/𝑚𝑖𝑛. Uma vez que o volume mínimo de óleo necessário para um sistema hidráulico deve ser duas vezes o caudal da bomba, obtém-se um volume de pelo menos 184,8 𝑑𝑚3 de óleo. Assim, conclui-se que o volume do reservatório poderá ser diminuído sem comprometer o correto funcionamento do sistema. Para integrar o quadro elétrico na estrutura da máquina, seria necessária uma profundidade de 200 𝑚𝑚. Este valor foi determinado pelas dimensões do maior componente a ser acomodado, o variador de velocidade. A fim de minimizar os custos de implementação, as alterações no reservatório foram planeadas para reduzir o número de modificações necessárias. No lateral direita do equipamento, local onde será implementado o quadro elétrico, apenas existia uma profundidade de 70 mm. Como tal, foi necessário deslocar o reservatório hidráulico, assim como reduzir à sua largura, de forma a obter a profundidade pretendida. Assim, foi necessária uma redução de 10% do volume do reservatório, obtendo um volume total de 220 𝑑𝑚3, permitindo acomodar 206 𝐿 de óleo. Uma vez que estes valores se encontram dentro dos
Reengenharia de uma Máquina de Extrusão de Solas 63 valores recomendados, esta alteração do depósito não acarreta possíveis dano à bomba. A alteração do reservatório hidráulico está representada na Figura 5.23. Figura 5.23 – Alteração do reservatório hidráulico para implementação do quadro elétrico. 5.7.2. DESENVOLVIMENTO DO QUADRO ELÉTRICO O quadro elétrico foi desenvolvido considerando as dimensões necessárias para o encastramento na máquina e os componentes enunciados anteriormente. A vista explodida do modelo pode ser visualizada na Figura 5.24. Figura 5.24 – Vista explodida do quadro elétrico.
Reengenharia de uma Máquina de Extrusão de Solas 64 Na Figura 5.25 pode ser visualizada a configuração dos componentes eletrónicos a utilizar no sistema de automação desenvolvido. Figura 5.25 – Configuração dos componentes no quadro elétrico.
Reengenharia de uma Máquina de Extrusão de Solas 65 6. SISTEMA DE COMANDO DO EQUIPAMENTO Neste capítulo, será apresentada a modernização do sistema de comando da máquina de produção de solas, com o intuito de aprimorar a eficiência operacional e o controlo do processo. A reformulação envolve a substituição do autómato antigo por um novo modelo, mais avançado, e a instalação de uma consola moderna com interface intuitiva, que facilitará a alteração e monitorização dos parâmetros críticos do processo. A arquitetura de comando desenvolvida será detalhada, abordando os diferentes modos de funcionamento, bem como os sensores e atuadores essenciais para garantir o bom desempenho do sistema. Além disso, será discutida a integração de um variador de frequência, cuja principal finalidade é otimizar o consumo energético da máquina, permitindo também o controlo dinâmico da velocidade de rotação dos extrusores. 6.1. CARACTERIZAÇÃO DO SISTEMA DE COMANDO EXISTENTE A máquina de produção de solas, fabricada na década de 90, apresenta um sistema de comando obsoleto, composto por um autómato antigo e uma consola rudimentar, com capacidade limitada de interação e funcionalidades restritas. Outro ponto crítico está relacionado à conformidade com as normas de segurança atuais. O sistema de comando da máquina não possui um modo de paragem de emergência, representando um risco significativo em caso de falha ou operação inadequada. Além disso, o sistema existente não suporta a integração de um variador de frequência, pois não permite a comunicação necessária para o seu funcionamento, limitando as possibilidades de modernização e otimização. Diante deste cenário, o objetivo principal deste capítulo é realizar a reformulação completa do sistema de comando da máquina, trazendo-a para os padrões atuais de segurança, eficiência e confiabilidade. Para isso, serão implementados os seguintes pontos: − Substituição do autómato e da consola: Instalação de um autómato moderno, capaz de se comunicar com outros dispositivos, e de uma consola com tela intuitiva, permitindo a criação de interfaces gráficas personalizadas e fáceis de operar; − Adequação às normas de segurança: Inclusão de dispositivos de paragem de emergência e elementos adicionais para garantir a segurança durante a operação do equipamento; − Integração de um variador de frequência: Controlo dinâmico da velocidade do motor da bomba hidráulica, permitindo ajustes na rotação dos extrusores e garantindo eficiência energética.
Reengenharia de uma Máquina de Extrusão de Solas 66 Estas melhorias têm como objetivo otimizar a operação do equipamento, reduzir o consumo energético, aumentar a segurança, facilitar a manutenção e proporcionar maior flexibilidade ao processo produtivo. 6.2. ESPECIFICAÇÃO DO SISTEMA DE COMANDO DESENVOLVIDO O sistema desenvolvido é sequencial e controlado por eventos discretos, sendo especificado de acordo com o formalismo Grafcet, em conformidade com a norma IEC 60848, que é especialmente indicada para aplicações desse tipo [16]. Em comparação com a programação direta em Ladder, essa abordagem proporciona uma representação gráfica clara e intuitiva, facilitando tanto o desenvolvimento quanto a manutenção do comando do sistema. Para além disso, a estruturação do comando foi baseada no modelo GEMMA. Para a edição e simulação de todo o programa da máquina, foi utilizado o software Automation Studio , que oferece ferramentas avançadas para modelagem e validação do comportamento do sistema. Para o funcionamento eficiente do equipamento, foram definidos três modos principais: − Modo Manual: Permite a execução de operações individuais, sendo usado para testes, ajustes e monitorização das diferentes etapas do processo de produção de solas; − Modo Automático: Realiza a produção de solas de forma completamente autónoma, executando uma sequência pré-definida de etapas até à finalização do ciclo produtivo; − Modo de Paragem de Emergência: Garante a interrupção imediata de todos os movimentos da máquina em situações de risco ou emergência. De seguida, serão apresentados os modos de funcionamento de forma detalhada, abordando as suas especificidades, os fluxogramas associados e as estratégias de coordenação.
Reengenharia de uma Máquina de Extrusão de Solas 67 6.2.1. COORDENAÇÃO DOS MODOS DE FUNCIONAMENTO A alternância entre os modos de funcionamento é realizada por meio do interruptor seletor de duas posições. Sempre que a posição do seletor for alterada de automático para manual, a operação em curso no modo automático é imediatamente interrompida. O comportamento do sistema em relação à coordenação dos modos é representado no fluxograma da Figura 6.1. Em situações normais, ou seja, na ausência de emergências, o sistema alterna entre os modos manual e automático com base na posição do seletor. Para facilitar a identificação do modo ativo, o LED do interruptor seletor é iluminado apenas quando o modo automático está selecionado. Figura 6.1 – Fluxograma relativo à coordenação dos modos de funcionamento.
Reengenharia de uma Máquina de Extrusão de Solas 68 6.2.2. MODO MANUAL No modo manual, o operador pode executar individualmente qualquer uma das etapas do processo, sem a necessidade de seguir a ordem sequencial do ciclo automático, sendo útil para: − Testar componentes específicos ou operações individuais; − Ajustar o funcionamento de determinados processos; − Diagnosticar e corrigir falhas ou avarias no sistema. O fluxograma referente ao funcionamento do modo manual está representado na Figura 6.2, e o respetivo Grafcet encontra-se detalhado no Apêndice F. Figura 6.2 – Fluxograma do modo manual.
Reengenharia de uma Máquina de Extrusão de Solas 69 6.2.3. MODO AUTOMÁTICO O modo automático corresponde à porção de comando responsável pela produção de solas de forma totalmente autónoma. Neste modo, o operador apenas necessita de dar o comando para início do processo, onde a máquina executará automaticamente uma sequência de etapas até produzir um par de solas. No final do ciclo, o operador deve remover as solas do molde, podendo reiniciar o processo para uma nova produção. Este modo deve ser flexível o suficiente para permitir modificações no processo, de acordo com as necessidades de produção. O operador pode selecionar se a máquina vai produzir solas bicolores, com a extrusão das duas cores, ou solas monocolores, com a operação de apenas um extrusor. No modo monocolor, o sistema deve possibilitar o uso tanto do extrusor responsável pela primeira cor, quanto do extrusor da segunda cor, oferecendo maior versatilidade ao processo produtivo. Além disso, a máquina deve permitir a seleção da paragem do cabeçote a 90 graus durante a retirada das solas. Essa rotação pode ser selecionada não só para facilitar a retirada das solas, mas também para aplicação de algum componente na sola antes do ciclo, garantindo uma operação mais eficiente e ergonómica para o operador. Para além disto, este modo deve também permitir a modificação de parâmetros essenciais para garantir a operabilidade com diferentes modelos de solas. Como cada modelo possui características próprias, é importante ajustar as seguintes variáveis: − Tempo de injeção; − Tempo de pausa entre injeção e retardo; − Tempo de retardo; − Tempo de arrefecimento da sola; − Tempo de insuflação durante a injeção; − Tempo de insuflação após a injeção; − Temperatura dos extrusores; − Velocidades de injeção e retardo. Para garantir a flexibilidade do modo automático, é fundamental a implementação da consola. Esta interface será crucial para ajustar a operação da máquina conforme as especificações de cada tipo e modelo de sola, garantindo que o processo seja adaptável e eficiente, independentemente das características do material ou do design das solas. O fluxograma relativo a este modo encontra-se esquematizado na Figura 6.3, com a especificação do comando presente no Apêndice F.
Reengenharia de uma Máquina de Extrusão de Solas 70 Figura 6.3 – Fluxograma do modo automático.
Reengenharia de uma Máquina de Extrusão de Solas 71 6.2.4. MODO DE PARAGEM DE EMERGÊNCIA O modo de paragem de emergência é concebido para ser ativado em situações de risco, como colisões iminentes, falhas técnicas críticas ou qualquer condição que represente perigo para os operadores, equipamento ou o ambiente de trabalho. A sua ativação resulta na interrupção imediata de todos os movimentos da máquina, garantindo segurança instantânea. Para assegurar acesso universal e imediato, o modo de emergência é acionado a partir de qualquer estado da máquina, de duas formas distintas: pressionando o botão de emergência ou abrindo uma das proteções laterais. O comportamento deste modo está ilustrado no fluxograma da Figura 6.4. Figura 6.4 – Fluxograma do modo de paragem de emergência. Contrariamente aos outros modos, o modo de paragem de emergência não será diretamente controlado pelo PLC. A monitorização do estado do botão de emergência será realizada por um relé de
Reengenharia de uma Máquina de Extrusão de Solas 78 Figura 6.7 – Localização da consola no equipamento. A seguir, serão apresentados os ecrãs de acordo com a sua aplicação prática, começando pelo menu principal, que serve como ponto de partida para a navegação pelas diversas funcionalidades da consola. Menu Principal: Primeiramente, criou-se um ecrã principal (Figura 6.8), que mostra o logótipo da empresa e permite saltar para qualquer um dos restantes ecrãs desenvolvidos. Os restantes ecrãs foram divididos consoante o tipo de variáveis a alterar. Figura 6.8 – Ecrã correspondente ao menu principal.
Reengenharia de uma Máquina de Extrusão de Solas 79 Tipo de Produção: O ecrã seguinte (Figura 6.9) permite ligar/desligar a unidade energética e definir um tempo de inatividade que, quando ultrapassado, faz desligar a unidade energética para poupança de energia. As restantes variáveis apresentadas neste ecrã permitem alterar o tipo de produção e, consequentemente, o comportamento da máquina. Figura 6.9 – Ecrã que permite definir o tipo de produção. Controlo da Temperatura: O próximo ecrã diz respeito ao controlo da temperatura dos extrusores (Figura 6.10). Este permite ligar ou desligar o aquecimento, assim como controlar a temperatura de SetPoint pretendida e visualizar a temperatura atual medida pelas sondas. Por último, cada zona dos extrusores possui um led que acende quando o sistema está a aquecer. Figura 6.10 – Ecrã para o controlo da temperatura dos extrusores.
Reengenharia de uma Máquina de Extrusão de Solas 80 Alteração dos Tempos do Processo: Os ecrãs seguintes permitem alterar variáveis que irão influenciar diretamente o processo de produção de solas. Sem esta possibilidade, torna-se difícil fabricar produtos com qualidade, uma vez que cada modelo de sola é único e, como tal, os parâmetros adequados para o seu fabrico são diferentes. O primeiro ecrã está representado na Figura 6.11 e permite alterar os tempos necessários para adequar o processo ao tipo de sola. Figura 6.11 – Ecrã que permite ajustar tempos associados ao processo. Ademais, foi criado um ecrã para o controlo da injeção (Figura 6.12), que permite ao operador alterar as velocidades de rotação dos extrusores. O valor escrito no endereço de memória é comunicado ao PLC, responsável por comunicar com o variador assim que for necessária a injeção. De notar que para este feito foram definidos uma velocidade mínima e máxima de rotação, de forma proteger o motor e a bomba hidráulica. Por outro lado, é possível controlar se a injeção é realizada utilizando o caudal máximo da bomba, isto é, utilizando os dois elementos da bomba dupla, ou se apenas é utilizado o elemento de maior caudal. Figura 6.12 – Ecrã relativo à injeção.
Reengenharia de uma Máquina de Extrusão de Solas 81 Controlo da Insuflação: Depois, criou-se um ecrã para o controlo da insuflação do molde, presente na Figura 6.13. Este permite ligar/desligar os três tipos de insuflação, assim como alterar os respetivos tempos. Figura 6.13 – Ecrã para alterar as velocidades de rotação dos extrusores. Monitorização dos Sinais: O ecrã subsequente (Figura 6.14) tem como objetivo a monitorização dos sinais de entrada do sistema de comando. Este tem o intuito de auxiliar o técnico no diagnóstico de avarias futuras. Figura 6.14 – Ecrã que permite controlar a insuflação durante a injeção e a manual.
Reengenharia de uma Máquina de Extrusão de Solas 82 Pop-up de Emergência: Por último, foi implementado um pop-up que é despoletado caso a paragem de emergência esteja ativada. A Figura 6.15 mostra um exemplo para o ecrã principal. Figura 6.15 – Pop-up correspondente à paragem de emergência. 6.6. CONSIDERAÇÕES DE SEGURANÇA O sistema de segurança da máquina foi revisto, de modo a garantir a conformidade com as normas de segurança. Assim, foram aplicadas diversas alterações, de modo a conseguir desenvolver uma máquina segura, que estão detalhadas no Capítulo 7. 6.7. IMPLEMENTAÇÃO E TESTES Após o término do projeto de automação, seguiu-se a implementação e teste de todo o sistema de comando, sendo este realizado de forma faseada, de forma a facilitar a identificação de possíveis falhas. Numa fase inicial, realizou-se a verificação das entradas e saídas (I/O) do PLC. Cada sensor e atuador foi testado individualmente, assegurando que os sinais de entrada e saída correspondiam corretamente às leituras e comandos esperados. Esta validação permitiu garantir que o hardware estava funcional e corretamente conectado ao PLC, evitando problemas futuros de comunicação. Depois, foi realizado o teste do sistema de aquecimento dos extrusores. Nesta fase, foram testados as resistências e os termopares, de forma a assegurar a correta instalação de capa componente, verificando a continuidade elétrica e a correta polaridade das conexões. Ademais, testou-se a programação do controlo PID, garantindo que as leituras dos termopares correspondessem às temperaturas esperadas e que o sistema fosse capaz de manter os valores de setpoint estipulados, sem grandes oscilações.
Reengenharia de uma Máquina de Extrusão de Solas 83 Com a validação das I/Os e do sistema de aquecimento, procedeu-se à execução e validação do programa de comando, começando pelo modo manual. Este modo foi escolhido inicialmente por permitir a verificação isolada de cada operação da máquina, facilitando a identificação de problemas pontuais antes de se proceder ao teste no modo automático. A utilização do modo manual assegura que cada componente funcione corretamente de forma independente, tornando a transição para o modo automático mais confiável. Após o sucesso nos testes do modo manual, foi implementado o modo automático, no qual foi verificado o funcionamento conjunto do sistema e a transição correta entre os diferentes estados operacionais. Neste ponto, também foi possível integrar a consola nos testes, verificando a comunicação correta entre as variáveis programadas na consola e a programação do PLC, garantindo uma operação sincronizada de todo o sistema. Por último, verificou-se a segurança do sistema. Os testes executados permitiram validar que, em situações de risco ou falha, o sistema desativa os processos automaticamente e de forma segura, protegendo tanto o equipamento quanto os operadores. Todos os mecanismos de proteção e contingência foram validados, conforme os requisitos das normas de segurança aplicáveis.
Reengenharia de uma Máquina de Extrusão de Solas 84 7. NORMALIZAÇÃO E SEGURANÇA Este capítulo aborda os perigos associados à utilização do equipamento e as alterações realizadas para assegurar a conformidade com as normas de segurança, minimizando os riscos identificados. Para tal, será descrito o conjunto de medidas técnicas de proteção aplicadas, em concordância com as normas de segurança relevantes. Adicionalmente, será apresentada a arquitetura do sistema de segurança projetado, detalhando a sua implementação e impacto na segurança geral da máquina. 7.1. MEDIDAS TÉCNICAS DE PROTEÇÃO As medidas técnicas de proteção são recursos físicos, tecnológicos ou mecânicos projetados para proteger os operadores e outros envolvidos em operações de equipamentos, contra riscos e perigos que não podem ser eliminados diretamente na conceção do mesmo. Estas medidas, que fazem parte de estratégias de segurança industrial, visam a minimização da probabilidade de ocorrência de acidentes ou danos durante o uso dos equipamentos. Estas medidas podem incluir: − Barreiras físicas, como grades, proteções móveis ou fixas. − Dispositivos eletrónicos ou mecânicos, como sensores, chaves de segurança ou cortinas de luz; − Sistemas de emergência, como botões de emergência. Nos subcapítulos seguintes, serão abordadas as medidas técnicas de segurança criadas, com o intuito de obter uma máquina segura. 7.1.1. IDENTIFICAÇÃO DAS ZONAS PERIGOSAS Para prevenir a ocorrência de lesões, é fundamental identificar, numa fase inicial, os perigos associados ao equipamento e as operações que representam maior risco para o operador. Esta análise de riscos permite compreender as áreas críticas que requerem proteção e, consequentemente, definir as medidas de segurança adequadas. Ao impedir o acesso a zonas de perigo durante a operação do equipamento, é possível mitigar significativamente a probabilidade de acidentes e garantir a segurança do operador. A aplicação de dispositivos de proteção nessas áreas é, assim, uma etapa indispensável para a conformidade com as normas de segurança e para a criação de um ambiente de trabalho controlado e seguro.
Reengenharia de uma Máquina de Extrusão de Solas 85 Com base na análise realizada, foram identificadas operações específicas que expõem o operador a riscos elevados, determinando as zonas perigosas que requerem a implementação de dispositivos de proteção. Abaixo, são listadas as operações que contribuíram para a definição dessas áreas críticas: − Fecho da prensa hidráulica: constitui o maior perigo para a segurança do operador, uma vez que pode levar a danos irreversíveis, ou até mesmo à morte, por perigo de esmagamento; − Rotação da cabeça: durante o processo de rotação, o operador pode ser atingido, podendo causar danos severos no operador; − Extrusão manual: embora menos severa, a extrusão sem o molde fechado pode originar a projeção de material a temperaturas elevadas contra o operador; A Figura 7.1 ilustra a identificação da zona perigosa do equipamento, destacando as áreas críticas onde devem ser implementadas alterações e dispositivos de proteção para prevenir a ocorrência de acidentes e minimizar os riscos associados às operações identificadas. Figura 7.1 – Identificação da zona perigosa do equipamento. 7.1.2. DISPOSITIVOS DE PROTEÇÃO NECESSÁRIOS Para garantir a segurança do operador e minimizar os riscos identificados nas operações, será necessário implementar uma série de dispositivos de proteção que delimitam e controlam o acesso às
Reengenharia de uma Máquina de Extrusão de Solas 86 zonas de perigo. Estes dispositivos serão concebidos de forma a garantir que o operador não consiga aceder inadvertidamente às áreas críticas durante o processo de trabalho. Assim, serão aplicadas as seguintes alterações: − Delimitação do acesso à zona perigosa: o acesso à perigosa do equipamento será delimitado através da aplicação de proteções que impeçam o acesso a esta zona, sem a utilização de ferramentas específicas ou remoção de componentes da proteção. − Aplicação de comando bimanual: para evitar que o operador ative o equipamento com uma única mão, será introduzido um sistema de comando bimanual. Este mecanismo exigirá que o operador use ambas as mãos para iniciar a operação, reduzindo significativamente o risco de ações inadvertidas ou pressas que possam colocar em risco a sua segurança; − Aplicação de botão de emergência e sistema de paragem de emergência: será instalado um botão de emergência, de fácil acesso e visibilidade, que permitirá ao operador interromper imediatamente o processo caso seja detetado algum risco ou situação de emergência. O sistema será projetado de forma que a paragem seja rápida e eficaz, garantindo que a segurança do operador não seja comprometida em nenhuma situação. A combinação desses dispositivos de proteção assegura que o operador não terá acesso às áreas perigosas durante as operações mais críticas do equipamento, reduzindo assim a probabilidade de acidentes. De seguida, será abordado cada um dos dispositivos a implementar, assim como as funções de segurança inerentes à sua implementação. 7.1.3. CONDICIONAR O ACESSO ÀS ZONAS PERIGOSAS O impedimento de acesso às zonas perigosas do equipamento é essencial para garantir a segurança do operador, prevenindo a entrada inadvertida em áreas de risco elevado. Para isso, serão implementadas proteções adequadas que bloquearão o acesso às zonas perigosas, assegurando que o operador não consiga aproximar-se dessas áreas durante a operação do equipamento. As proteções serão dimensionadas com base nas exigências da norma EN ISO 13857:2019 (ver 2.2.2.1), que estabelece as distâncias de segurança necessárias para evitar que as zonas de perigo sejam alcançadas pelos membros superiores e inferiores. Para o caso em questão, a norma estabelece as seguintes distâncias: − Altura de segurança mínima: a norma determina que a altura mínima das proteções deve ser de 2000 mm para garantir que o operador não tenha acesso a zonas de perigo sob as proteções implementadas;
Reengenharia de uma Máquina de Extrusão de Solas 87 − Distância de alcance com limitação de movimento: refere-se à distância de segurança necessária para evitar que o operador consiga alcançar a zona de perigo ao estender o braço ou parte do corpo. A norma especifica que essa distância deve ser de pelo menos 850 mm. Assim, as proteções devem terminar a uma altura mínima de 2000 mm a contar do solo, sendo que as proteções laterais devem terminar a uma distância de 850 mm da zona perigosa. A Figura 7.2 mostra a área a ocupar pelas proteções, a verde, assim como a zona perigosa, a vermelho. Figura 7.2 – Área a cobrir pelas proteções, de forma a respeitar a norma ISO13857:2019. 7.1.3.1. TORRES FRONTAIS De forma a conseguir impedir o acesso à zona perigosa da máquina, foi necessário alterar as torres frontais que o equipamento possuía. As torres frontais antigas apresentavam dois problemas: − Altura máxima abaixo do necessário: as torres frontais antigas apenas tinham uma altura de 1650 mm, estando abaixo do referenciado pela norma;
Reengenharia de uma Máquina de Extrusão de Solas 94 Figura 7.10 – Esquema hidráulico do bloco de sustentação de carga implementado. Tabela 7.1 – Elementos que constituem o bloco de sustentação de carga. Nr. Tipo Fornecedor Modelo 1 Válvula de Sequência FLUIDWORLD WSDC30S10NC02 2 Válvula de Sustentação WALVOIL VMP 20 3/4 3 Válvula de Retenção OFC VILLA CVC 120 Funcionamento do Bloco de Sustentação A válvula de retenção (3) é responsável por permitir a passagem do óleo para o interior do cilindro quando se pretende a abertura do molde. Uma vez que o molde está aberto, a válvula de sustentação (2) entra em ação, mantendo a pressão desejada na câmara do cilindro. Isso impede que o cilindro altere sua posição de forma não planeada, garantindo a estabilidade do sistema e prevenindo movimentações involuntárias que poderiam causar acidentes ou comprometer o equipamento. No entanto, ao se iniciar o processo de fecho do molde, a válvula de sustentação isoladamente criaria uma contrapressão contra a câmara oposta do cilindro, impedindo que o sistema atingisse a pressão máxima de fecho. Para solucionar esse problema, foi implementada no bloco hidráulico uma válvula de sequência (1). Essa válvula permite a passagem livre do óleo quando o cilindro está a ser pressurizado para o fecho do molde, eliminando a contrapressão e otimizando o desempenho do sistema. Assim, a combinação das três válvulas — retenção, sustentação e sequência — proporciona um funcionamento seguro e eficiente do equipamento, atendendo aos requisitos de segurança operacional.
Reengenharia de uma Máquina de Extrusão de Solas 95 7.2. ARQUITETURA DO SISTEMA DE SEGURANÇA O sistema de segurança projetado para o equipamento foi concebido com o objetivo de monitorizar continuamente as operações realizadas, assegurando a proteção do operador e garantindo a conformidade com as normas de segurança aplicáveis. Este sistema fundamenta-se em três pilares essenciais: o controlo dos dispositivos de paragem de emergência, o controlo do estado da proteção móvel e o controlo do comando bimanual. Cada um desses pilares é gerido por relés de segurança dedicados, cuja seleção foi descrita no Subcapítulo 5.6. Estes relés foram projetados para restringir ações específicas caso as condições de segurança definidas sejam violadas, assegurando assim uma operação segura e controlada. A seguir, serão detalhados os três pilares que sustentam este sistema. 7.2.1. CONTROLO DOS DISPOSITIVOS DE PARAGEM DE EMERGÊNCIA A máquina de produção de solas deve desencadear a paragem de emergência caso seja pressionado o botão de emergência ou se alguma proteção lateral for aberta. Este sistema é controlado pelo relé de segurança SICK RLY3 EMSS100, cuja função é monitorizar continuamente o estado do botão de emergência e das chaves de segurança instaladas nas proteções laterais. Este relé possui duas entradas de segurança independentes, que, ao receberem corrente elétrica, permitem o acionamento das suas saídas de segurança. Quando as condições de segurança estão garantidas (isto é, com o botão de emergência desativado e as proteções laterais fechadas), o relé energiza as suas saídas, permitindo que a corrente flua para o autómato e possibilitando o funcionamento normal da máquina. No entanto, caso alguma destas condições seja violada, o circuito de segurança é interrompido. Esta interrupção desenergiza as entradas do relé de segurança, que, por sua vez, desativa as suas saídas. Com as saídas desativadas, a alimentação do autómato é cortada, resultando na paragem imediata da máquina, independentemente do estado em que se encontra. Este comportamento garante que a máquina seja colocada em um estado seguro assim que qualquer condição de risco seja detetada. Além disso, após a ativação da paragem de emergência, é necessário pressionar o botão de rearme para restabelecer as condições normais de operação. Este rearme só pode ser realizado após a verificação e reposição de todas as condições de segurança, como o fecho das proteções laterais e a desativação do botão de emergência. O esquema de ligações que ilustra o funcionamento deste sistema de segurança está apresentado na Figura 7.11.
Reengenharia de uma Máquina de Extrusão de Solas 96 Figura 7.11 – Esquema de ligações do relé que controla a paragem de emergência. 7.2.2. CONTROLO DO ESTADO DA PROTEÇÃO MÓVEL A proteção móvel é um elemento essencial para garantir a segurança do operador durante o funcionamento da máquina de injeção de solas. Este sistema permite que o operador tenha acesso à zona do molde quando a máquina está parada, assegurando, ao mesmo tempo, que as condições de segurança são mantidas quando a máquina está em funcionamento. Para tal, é imprescindível a existência de um sistema seguro que monitorize continuamente o estado da proteção móvel. A monitorização é realizada através de um relé de segurança, cuja função é garantir a conformidade com os padrões de segurança e proteger contra falhas no sistema. O relé de segurança recebe informações de dois fins de curso que fazem a leitura da posição da proteção móvel. Esta configuração redundante, com dois fins de curso, é utilizada para aumentar a fiabilidade do sistema e prevenir falhas únicas que poderiam comprometer a segurança. Quando a proteção móvel está fechada e ambas as leituras dos fins de curso confirmam esta condição, o sistema considera que as condições de segurança estão estabelecidas. Nesta situação, o relé de segurança libera as duas saídas seguras, cada uma responsável por alimentar a bobina de um de dois contactores do sistema. Estes contactores, também configurados de forma redundante, são ligados em série para formar uma barreira de segurança adicional, que impede o funcionamento da máquina em caso de falha de um dos componentes.
Reengenharia de uma Máquina de Extrusão de Solas 97 Com a energização das bobinas dos contactores, é permitida a passagem de corrente elétrica para as eletroválvulas que controlam os movimentos hidráulicos da máquina. Caso ocorra qualquer alteração no estado da proteção móvel, seja devido a uma abertura intencional ou a uma falha nos fins de curso, o relé de segurança interrompe imediatamente as saídas seguras, desenergizando as bobinas dos contactores. Este mecanismo corta a alimentação das eletroválvulas, provocando a interrupção dos movimentos hidráulicos e, consequentemente, a paragem imediata do processo. O esquema de ligações que viabiliza o funcionamento seguro e redundante do sistema descrito está ilustrado na Figura 7.12. Figura 7.12 – Esquema de ligações do controlo da proteção móvel. 7.2.3. CONTROLO DO COMANDO BIMANUAL O comando bimanual foi implementado para garantir que o operador mantenha ambas as mãos ocupadas ao dar início ao processo de produção de solas, aumentando a segurança e evitando que os membros do operador estejam na zona de perigo durante a operação. A monitorização deste comando é realizada pelo relé de segurança SICK UE42-2HD, um dispositivo específico e projetado para o controlo de comandos bimanuais. Este relé assegura que o processo apenas é iniciado quando ambas as condições de acionamento são satisfeitas de forma correta e dentro de parâmetros seguros.
Reengenharia de uma Máquina de Extrusão de Solas 98 Para que o relé permita o acionamento da proteção móvel e o início do processo, o operador deve pressionar simultaneamente os dois botões de fecho do comando bimanual. É importante ressaltar que existe uma tolerância máxima de 50 milissegundos na discrepância de tempo entre o acionamento dos dois botões. Caso esta condição não seja cumprida, o relé considera que o comando não foi acionado corretamente, impedindo o início do processo. Esta configuração garante que o operador tenha ambas as mãos ocupadas no momento do acionamento, minimizando significativamente o risco de acidentes, como a presença das mãos na zona de perigo enquanto a máquina entra em funcionamento. O esquema de ligações que permite esta configuração encontra-se representado na Figura 7.13. Figura 7.13 – Arquitetura de ligações do controlo do comando bimanual.
Reengenharia de uma Máquina de Extrusão de Solas 99 8. REENGENHARIA DA COMPONENTE MECÂNICA Neste capítulo, serão abordadas as intervenções realizadas na componente mecânica da máquina de extrusão, com o objetivo de melhorar a sua eficiência, confiabilidade e desempenho. Inicialmente, será elaborado o diagnóstico das falhas existentes, seguido da descrição das soluções propostas para corrigir os problemas identificados. Serão detalhados os procedimentos de implementação das melhorias, bem como os testes realizados para validar as alterações efetuadas. Por fim, será apresentada uma análise dos resultados obtidos, destacando os benefícios alcançados com as intervenções mecânicas realizadas. 8.1. DIAGNÓSTICO INICIAL Após a desmontagem da máquina, foi realizada uma avaliação detalhada dos seus componentes, com o objetivo de identificar aqueles que necessitavam de intervenção. Para os componentes suscetíveis ao desgaste, procedeu-se a uma inspeção visual e dimensional, utilizando instrumentos de medição como micrómetros e relógios comparadores. Além disso, foram detetadas falhas estruturais em alguns sistemas, comprometendo o funcionamento adequado do equipamento. Foram identificadas as seguintes condições mecânicas: − Folga excessiva entre o fuso e a camisa nos extrusores; − Rutura por fadiga mecânica dos parafusos de fixação do cilindro hidráulico de fecho do molde. − Problemas de posicionamento e afinação no sistema de rotação do cabeçote; − Desgaste excessivo nos casquilhos responsáveis pela rotação do cabeçote; − Desgaste das fitas guia das hastes, com danos superficiais significativos nas hastes; As condições supracitadas serão analisadas em detalhe nos subcapítulos seguintes, com a descrição das soluções propostas para cada problema.
Reengenharia de uma Máquina de Extrusão de Solas 100 8.1. REPARAÇÃO DA FOLGA NOS EXTRUSORES Para garantir o funcionamento eficiente dos extrusores, foi necessário corrigir as folgas existentes entre o fuso e a camisa, uma vez que o desgaste ao longo dos anos comprometeu a eficiência do sistema. A folga excessiva ocasiona o vazamento de material por entre a rosca do parafuso, reduzindo o rendimento da extrusão e dificultando o controlo de temperatura e pressão [8]. 8.1.1. AVALIAÇÃO INICIAL E DEFINIÇÃO DAS FOLGAS A folga ideal entre o fuso e a camisa deve ser cuidadosamente estabelecida para permitir a movimentação adequada do material fundido, sem comprometer a eficiência do sistema. Em ambos os extrusores, a maior parte do desgaste estava concentrado no parafuso, sendo o desgaste na camisa mínimo. Especificamente, a folga total entre o fuso e a camisa foi medida em 1,2 mm para o extrusor da primeira cor e em 1,1 mm para o fuso da segunda cor, sendo que apenas 0,1 mm dessa folga estava localizada na camisa. De acordo com [8], uma folga típica para este tipo de equipamento varia entre 0,1 mm e 0,2 mm, dependendo do material a ser processado e das condições operacionais. Considerando a aplicação específica da máquina e o desgaste acumulado, foi estabelecida uma folga final de 0,1 mm como ideal para o processo. Figura 8.1 – Desgaste no fuso.
Reengenharia de uma Máquina de Extrusão de Solas 101 8.1.2. REPARAÇÃO DAS CAMISAS O processo de reparação dos extrusores teve início com a recuperação das camisas (Figura 8.2). Estas foram submetidas a um processo de retificação interna, com o objetivo de corrigir irregularidades dimensionais e restaurar o diâmetro interno para 65,3 mm, garantindo o ajuste adequado com o fuso. Figura 8.2 – Processo de retificação da camisa. Para aumentar a resistência ao desgaste e prolongar a vida útil das camisas, foi realizado um tratamento térmico por carbonitruração. Esse processo consiste na difusão controlada de carbono e nitrogênio na superfície do material, formando uma camada endurecida que reduz significativamente o desgaste causado pelo contato constante com o fuso e o material processado. A carbonitruração também melhora a resistência ao atrito e à corrosão, otimizando o desempenho das camisas no ambiente severo de operação. 8.1.3. REPARAÇÃO DOS FUSOS Os fusos apresentavam desgaste considerável na região dos filetes, principalmente devido ao contacto contínuo com a camisa durante o processo de extrusão. Este desgaste é mais acentuado nos fusos em comparação com as camisas, uma vez que os fusos estão em movimento constante e sofrem maior atrito direto com o material processado e com a camisa, que permanece estática. Inicialmente, os fusos foram colocados num torno para verificar a sua concentricidade e avaliar possíveis empenos, garantindo que estivessem adequados para o processo de reparação. Após confirmar a integridade estrutural, procedeu-se à recuperação dos filetes através da soldadura por elétrodo revestido (Figura 8.3). Este método permitiu a deposição controlada de material nas áreas desgastadas, criando uma superfície uniforme para o trabalho subsequente.
Reengenharia de uma Máquina de Extrusão de Solas 102 Figura 8.3 – Soldadura dos filetes para recuperação da folga desejada. Na etapa seguinte, os fusos foram retificados utilizando uma máquina de retificação de exteriores, com o objetivo de restaurar o diâmetro nominal e estabelecer a folga desejada de 0,1 mm entre o fuso e a camisa. Este ajuste é essencial para garantir o funcionamento eficiente e preciso dos extrusores, minimizando perdas e maximizando a vida útil dos componentes. 8.1.4. RESULTADOS OBTIDOS Com as intervenções realizadas, foram alcançados os seguintes resultados: − Restabelecimento das folgas ideais: A folga final de 0,1 mm foi garantida, assegurando um fluxo eficiente de material durante o processo de extrusão e melhorando a precisão do sistema; − Aumento da resistência ao desgaste: A carbonitruração das camisas resultou na formação de uma camada endurecida, reduzindo o atrito e aumentando significativamente a vida útil dos componentes. Além disso, os filetes dos fusos foram refeitos com material de elevada dureza, contribuindo para uma maior resistência ao desgaste nas áreas críticas de contacto; − Melhoria da eficiência do processo: O sistema foi restaurado às suas condições ideais de operação, eliminando as perdas causadas pela folga excessiva, otimizando o consumo energético e garantindo uma extrusão uniforme; − Redução do tempo de extrusão: A restauração das condições ideais do sistema permitiu uma diminuição do tempo de extrusão, aumentando a produtividade do equipamento.
Reengenharia de uma Máquina de Extrusão de Solas 103 8.2. FADIGA MECÂNICA NO SISTEMA DE FECHO O sistema de fecho do molde presente no equipamento está representado na Figura 8.4. De modo a garantir a qualidade das solas, o cilindro hidráulico deve ser capaz de exercer a força necessária para garantir o fecho do molde durante toda a operação, garantindo que não exista vazamento do material por entre as juntas do molde. Figura 8.4 – Sistema antigo de fecho do molde. O cilindro de fecho da máquina foi projetado para suportar uma pressão de 200 bar, gerando uma força de fecho de 760 kN. No entanto, verifica-se que após um certo número de ciclos de fecho, ocorre a rutura dos parafusos das extremidades da flange do cilindro (ver Figura 8.2). Esta falha sugere que os parafusos não conseguem suportar adequadamente as tensões cíclicas, o que indica que os mesmos não resistem às condições de fadiga impostas pela operação contínua da máquina. Figura 8.5 – Parafusos da tampa superior que quebram (a vermelho).
Reengenharia de uma Máquina de Extrusão de Solas 110 𝛼 = 2 × 𝜋 22= 1,57 𝑟𝑎𝑑/𝑠2 (8-7) Substituindo o momento de inércia e a aceleração angular na equação (8-5), obtém-se: 𝑇𝐼= 7,47 × 1,57 =11,7 𝑁. 𝑚 (8-8) O torque total necessário para realizar a rotação é obtido pela soma dos dois torques calculados na Equação (8-3) e (8-8): 𝑇𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 =45,64 +11,7 = 57,34 𝑁. 𝑚 (8-9) A força necessária para rodar o cabeçote depende do torque total calculado (Equação (8-9)) e da distância do ponto de aplicação da força ao eixo de rotação. Uma vez que a transmissão do movimento será realizada por um sistema pinhão-cremalheira, esta distância será igual ao raio primitivo do pinhão escolhido. Assim, tem-se que: 𝑇𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝐹 × 𝑟 𝑝 ⟺ 𝐹 = 𝑇𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑟 𝑝 (8-10) Substituindo na Equação (8-10), vem: 𝐹 = 45,64 +11,7 0,0525 = 1,1 𝑘𝑁 (8-11) Portanto, a força necessária para iniciar o movimento de rotação do cabeçote é de 1,1 𝑘𝑁 a uma distância de 0,0525 𝑚𝑚 do eixo de rotação. 8.3.2. SISTEMA DE ROTAÇÃO DO CABEÇOTE DESENVOLVIDO Diante das limitações observadas no sistema antigo, como a falta de repetibilidade na paragem, desalinhamentos devido à flexão estrutural e ausência de amortecimento no cilindro hidráulico, foi necessário desenvolver uma solução que atendesse às exigências operacionais da máquina. Os principais objetivos do novo sistema incluíram aumentar a robustez, garantir maior precisão no posicionamento e eliminar os problemas de desalinhamento provocados pelas forças aplicadas durante o ciclo de operação. O sistema desenvolvido para a rotação do cabeçote está representado na Figura 8.9. A transmissão de movimento por um conjunto pinhão-cremalheira foi mantida, mas com ajustes importantes que resultaram em um sistema mais robusto e compacto.
Reengenharia de uma Máquina de Extrusão de Solas 111 Figura 8.11 – Sistema de rotação do cabeçote desenvolvido. Alterações Realizadas no Sistema Para solucionar o problema de flexão causado pelo cilindro de fecho, o sistema foi redesenhado de forma a garantir que estivesse solidário com a estrutura. Diferentemente do design anterior, em que o sistema era fixado a dois componentes distintos, o novo projeto assegurou que todo o sistema fosse fixado a uma única chumaceira. Essa mudança elimina possíveis deslocamentos diferenciais entre os pontos de fixação, garantindo maior rigidez e alinhamento. Além disso, foi reduzida a distância entre o cilindro hidráulico e o ponto de engrenamento do pinhão com a cremalheira. Essa alteração proporcionou um sistema mais compacto e minimizou a ocorrência de desalinhamentos. Seleção e Implementação do Cilindro Hidráulico Uma das principais mudanças no sistema foi a substituição do cilindro hidráulico de haste passante por um cilindro de haste simples. Essa escolha foi feita com base nas seguintes vantagens: − Redução de custos: Cilindros de haste simples apresentam um custo de fabricação inferior em relação aos cilindros de haste passante, devido à sua menor complexidade construtiva. − Design mais compacto: cilindros de haste simples têm um comprimento total inferior a cilindros de haste passante, contribuindo para um sistema mais compacto; No entanto, é também importante mencionar as desvantagens associadas à implementação de um cilindro de haste simples quando comparado com um cilindro de haste passante: − Diferença de forças: Devido às diferentes áreas nas faces do cilindro, a força exercida durante o avanço é menor do que a força exercida durante o recuo; − Velocidades desiguais: Como consequência da diferença de áreas, a velocidade de avanço é ligeiramente menor que a velocidade de retorno.
Reengenharia de uma Máquina de Extrusão de Solas 112 Para o sistema em questão, as desvantagens supracitadas não são significativas, uma vez que os movimentos operacionais são lentos e ocorrem sob pressões baixas. Além disso, o fator económico teve um peso relevante na decisão, tornando a redução de custos um benefício considerável. A ausência de amortecimento no cilindro hidráulico era uma das maiores limitações do sistema antigo, uma vez que resultava em paragens bruscas e pouco controladas, prejudicando a repetibilidade do movimento. No novo sistema, o cilindro selecionado inclui um sistema de amortecimento interno, que desacelera o movimento progressivamente próximo ao final do curso. Essa característica permite uma paragem mais suave e precisa, eliminando movimentações bruscas que poderiam comprometer o alinhamento e o desempenho geral da máquina. As características do cilindro hidráulico escolhido encontram-se apresentadas na Tabela 8.1. Tabela 8.1 Características do cilindro de rotação do cabeçote. Tipo de cilindro Duplo efeito Diâmetro do êmbolo 50 mm Diâmetro da haste 22 mm Curso 170 mm Área avanço 15,8 Área recuo 19,6 Pressão de funcionamento 50 bar Força avanço 9,8 kN Força recuo 7,9 kN
Reengenharia de uma Máquina de Extrusão de Solas 113 8.4. SUBSTITUIÇÃO DOS CASQUILHOS DO CABEÇOTE 8.4.1. DIAGNÓSTICO E IDENTIFICAÇÃO DO PROBLEMA Durante o processo de desmontagem da máquina, foi realizada uma análise detalhada dos casquilhos responsáveis pela rotação do cabeçote, com o objetivo de avaliar o seu estado. Observou-se um desgaste significativo nos casquilhos, fabricados em bronze, enquanto o veio associado, fabricado em aço, não apresentava desgaste significativo. Além disso, constatou-se que os casquilhos apresentavam um desgaste em forma oval, sendo as zonas de maior deterioração localizadas na parte superior e inferior. Essa característica é atribuída à força exercida durante o processo de fecho do cabeçote, que atua diretamente nessas áreas, promovendo um desgaste mais significativo. O desgaste na zona oval foi medido em 0,72 mm e 0,84 mm, respetivamente, o que está muito acima do aceitável para um funcionamento eficiente. Com base nesse diagnóstico, concluiu-se que os casquilhos deveriam ser substituídos, com tolerâncias adequadas para corrigir as folgas e restaurar o desempenho mecânico do cabeçote. De seguida, será detalhado o processo de definição das folgas ideais, fabricação e validação da solução implementada. 8.4.2. DETERMINAÇÃO DAS FOLGAS MÁXIMAS E IDEAIS Para garantir o funcionamento eficiente do sistema de rotação do cabeçote, foi necessário determinar a folga apropriada entre o casquilho de bronze a ser fabricado e o veio de aço existente. Como o veio já está fabricado e instalado, as suas dimensões reais foram medidas para obter o diâmetro exato do componente e, assim, ajustar o diâmetro do furo no casquilho. Com o auxílio de um micrómetro, foram realizadas 10 medições ao longo do comprimento do veio. A média dos valores obtidos indicou um diâmetro final de 114,980 mm. De acordo com a tabela de ajustes presentes no livro de Shigley (Tabela 8.1), o ajuste mais adequado para o funcionamento do sistema seria um ajuste H7/g6, classificado como deslizante. Esse tipo de ajuste permite liberdade de rotação entre as peças, mantendo um nível de precisão suficiente para evitar desgastes excessivos no longo prazo.
Reengenharia de uma Máquina de Extrusão de Solas 114 Tabela 8.2 – Descrição de ajustes preferenciais utilizando o sistema de furo básico [4]. Cálculo das Folgas Máximas e Mínimas Com base nos valores normativos da ISO 286-1:2010 para o ajuste H7/g6 e considerando o diâmetro nominal de 115 mm, foram obtidos os seguintes parâmetros: − Diâmetro do furo (casquilho) =115 𝐻7 𝑚𝑚 o Classe IT7 =35 𝑚 o Desvio superior = +35 𝑚 o Desvio inferior = +0 𝑚 o Diâmetro máximo =115,035 𝑚𝑚 o Diâmetro mínimo =115,000 𝑚𝑚 − Diâmetro do veio =115 𝑔6 𝑚𝑚 o Classe IT6 =22 𝑚 o Desvio superior = −12 𝑚 o Desvio inferior = −34 𝑚 o Diâmetro máximo =114,988 𝑚𝑚 o Diâmetro mínimo =114,966 𝑚𝑚 o Diâmetro real =114,980 𝑚𝑚
Reengenharia de uma Máquina de Extrusão de Solas 115 − Folga resultante: o Folga mínima =115,000 −114,980 = 0,020 𝑚𝑚 o Folga máxima =115,035 −114,980 = 0,055 𝑚𝑚 Os cálculos realizados demonstram que o diâmetro do veio está dentro dos valores normativos para o ajuste g6. Sendo assim, durante o fabrico do casquilho será necessário garantir que o furo esteja dentro das tolerâncias especificadas para o ajuste H7. Essa abordagem assegurará a obtenção de uma folga deslizante ideal para o sistema de rotação do cabeçote, promovendo um funcionamento eficiente e com redução de desgastes ao longo do tempo. 8.4.3. FABRICAÇÃO DOS CASQUILHOS Após a determinação das folgas e tolerâncias adequadas para o ajuste H7/g6, procedeu-se ao fabrico dos novos casquilhos de bronze, garantindo que o diâmetro do furo respeitasse os valores definidos nos cálculos do subcapítulo anterior. Este processo foi realizado em conformidade com as especificações normativas, utilizando técnicas de maquinação para assegurar a qualidade do componente. O material selecionado para os casquilhos foi o bronze CB3, amplamente utilizado em aplicações mecânicas devido às suas propriedades de resistência ao desgaste, boa condutividade térmica e baixa fricção, essenciais para o funcionamento eficiente do sistema de rotação do cabeçote. Com o fabrico e substituição destes componentes, a folga ideal será reestabelecida, promovendo uma rotação suave e eficiente.
Reengenharia de uma Máquina de Extrusão de Solas 116 8.5. APLICAÇÃO DE RASPADOR NAS HASTES A unidade de moldagem está equipada com duas hastes que desempenham um papel essencial no guiamento da prensa, assegurando o alinhamento preciso e o movimento correto durante o processo de moldagem das solas. Estas hastes deslizam sobre fitas guias instaladas na mesa, que garantem suavidade no movimento e reduzem o atrito, como ilustrado na Figura 8.10. Figura 8.12 – Sistema de guiamento das hastes. Entretanto, com o tempo e devido à exposição contínua ao ambiente de trabalho, as hastes acumulam poeira, resíduos de material e outros contaminantes. Estes detritos, quando não removidos, acabam por se acumular entre as hastes e as fitas guia. O movimento deslizante, combinado com a presença desses contaminantes, intensifica o atrito e promove o desgaste prematuro, tanto na superfície das hastes quanto nas fitas guia. Esse desgaste reduz a eficiência do sistema, levando à necessidade de manutenção frequente, que pode incluir a substituição das fitas guia e o polimento das hastes, resultando em custos operacionais elevados e tempos de inatividade prolongados. Figura 8.13 – Acumulação de resíduos e desgaste nas hastes, respetivamente.
Reengenharia de uma Máquina de Extrusão de Solas 117 Para mitigar esse problema, serão implementados raspadores nas hastes (Figura 8.12). Estes componentes têm a função de remover partículas de poeira, resíduos e outros contaminantes da superfície das hastes antes que estas entrem em contato com as fitas guia. Com isso, evita-se a entrada de detritos nas zonas críticas, prevenindo riscos e desgastes desnecessários. De modo a permitir a instalação dos raspadores, foi necessário fabricar um espaçador específico, tal como mostra a Figura 8.13, criando espaço adequado para acomodar os raspadores sem interferir no movimento e alinhamento das hastes. Figura 8.14 – Aplicação do raspador nas hastes. Com a implementação dos raspadores, espera-se um desempenho mais eficiente e confiável do sistema de guiamento, contribuindo para a otimização do processo de moldagem e para a redução de custos associados ao desgaste prematuro. Assim, espera-se obter os seguintes benefícios: − Aumento da vida útil dos componentes: Reduzindo o desgaste das fitas guia e das hastes, prolonga-se o intervalo entre manutenções; − Funcionamento mais suave e eficiente: Com menos contaminantes acumulados, o movimento das hastes será mais fluido e com menor resistência; − Redução de custos operacionais: A diminuição da frequência de manutenção e a preservação dos componentes diminuem o tempo de inatividade da máquina e os gastos com peças de reposição.
Reengenharia de uma Máquina de Extrusão de Solas 118 9. CONSIDERAÇÕES FINAIS Neste capítulo, é realizada uma reflexão sobre o projeto desenvolvido, com apresentação das conclusões retiradas. Por último, enunciam-se um conjunto de tarefas a desenvolver no futuro, com o intuito de melhorar o projeto desenvolvido. 9.1. CONCLUSÕES Este projeto teve origem na necessidade de modernizar um equipamento de extrusão de solas, originalmente fabricado na década de 1990, cuja tecnologia se encontrava desatualizada face às exigências atuais da indústria do calçado. O objetivo principal foi revalorizar este equipamento, tornandoo mais eficiente, seguro e adaptado às necessidades operacionais da empresa. Para alcançar este propósito, iniciou-se o projeto com um estudo aprofundado do processo de produção de solas e do funcionamento mecânico da máquina. Esta análise permitiu identificar os principais pontos críticos e definir os requisitos para a sua automatização. Com base neste diagnóstico, foi desenvolvido um novo sistema de comando, incorporando um PLC e uma HMI, que permitiram um controlo mais intuitivo e eficaz dos parâmetros de processo. A resposta dos operadores à nova interface foi muito positiva, destacando-se a facilidade de utilização e a melhoria na qualidade do produto final. A instalação de um variador de velocidade resultou num processo de extrusão mais versátil e energeticamente eficiente, permitindo uma redução de até 40% no consumo de energia. Por outro lado, a reparação das folgas nos extrusores e a otimização dos componentes mecânicos levaram a um aumento estimado de 25% na produtividade. Em termos de segurança, foram implementadas soluções em conformidade com as normas europeias, incluindo barreiras de proteção, comando bimanual e botão de emergência. Estas alterações garantiram não só a proteção dos operadores como também a conformidade legal da máquina. Para além dos ganhos operacionais e técnicos, destaca-se a viabilidade económica do projeto. Com um investimento total na ordem dos 30 000 €, o processo de retrofitting revelou-se significativamente mais acessível do que a aquisição de um novo equipamento com características semelhantes, cujo custo poderia ultrapassar os 50 000 €. Esta abordagem permitiu à empresa alcançar um nível de modernização elevado com um investimento controlado, reforçando a sua competitividade sem comprometer a sustentabilidade financeira.
Reengenharia de uma Máquina de Extrusão de Solas 119 Em síntese, o projeto cumpriu integralmente os objetivos inicialmente definidos, resultando num equipamento mais moderno, eficiente e seguro. A reengenharia permitiu não só prolongar a vida útil da máquina como também posicioná-la de forma competitiva no atual contexto da indústria do calçado. 9.2. PERSPETIVAS E TRABALHOS FUTUROS Após a realização deste trabalho, foi possível desenvolver um equipamento pronto para desempenhar as suas funções na indústria. Como tal, seria importante a elaboração de um manual de instruções que apresentasse todos os aspetos necessários para o correto funcionamento do equipamento. O manual deve conter informações sobre as especificações técnicas do equipamento, instruções de operação, avisos e recomendações relativos à segurança e um plano de manutenção preventiva e corretiva. Apesar do equipamento obtido ser capaz de desempenhar as funções pretendidas pelo cliente, pode ser interessante a aplicação de futuras melhorias que complementem o sistema desenvolvido. Uma das melhorias que poderiam aumentar a versatilidade do equipamento seria a implementação de um sistema de extração de solas. Esses sistemas são projetados para otimizar a remoção de solas que, devido à sua geometria complexa ou aderência ao molde, são difíceis de extrair manualmente. Sem a inclusão de um sistema de extração, torna-se impossível a produção deste tipo de solas, limitando a capacidade operativa da máquina. Assim, a aplicação deste sistema permitiria que o equipamento atendesse a uma maior variedade de formatos, aumentando a sua valorização. Ademais, seria interessante implementar um sistema de controlo de nível de material nos silos, que enviasse um alerta para a consola sempre que o nível estivesse baixo. Assim, o operador seria notificado sobre a necessidade de reabastecimento, assegurando sempre o reabastecimento a tempo. Com isto, evitar-se-iam situações onde o operador não notasse a escassez de matéria-prima, que apenas seria detetada após a formação de solas defeituosas, evitando o desperdício de material e de tempo. Além disto, e embora bastante mais dispendioso, este sistema poderia funcionar com alimentação automática, dispensando a intervenção manual e garantindo mais eficiência no processo. Por último, a análise ao cilindro de fecho foi realizada de forma superficial, uma vez que a empresa já tinha uma solução aplicada noutros equipamentos. No entanto, seria interessante fazer um análise mais aprofundada, com o intuito de perceber o que leva à rotura dos parafusos.
Reengenharia de uma Máquina de Extrusão de Solas 126 Apêndice C – ESQUEMA PNEUMÁTICO Cilindro Proteção Móvel Y17Y16 Y14 Y15 0,5-10 bar Insuflação Molde 1ª cor Insuflação Molde 2ª Cor MC104-D00 MC104-L00
Reengenharia de uma Máquina de Extrusão de Solas 127 Apêndice D – ESQUEMA ELÉTRICO
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