CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DE TECNOLOGIA ENGENHARIA DE COMPUTAÇÃO RELATÓRIO TÉCNICO FINAL

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1 CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DE TECNOLOGIA ENGENHARIA DE COMPUTAÇÃO RELATÓRIO TÉCNICO FINAL CURITIBA JULHO DE 2008

2 ANDRÉ GELASCO MALSCHITZKY JOFFER JOSE NOVAK DE ALBUQUERQUE INTEGRAÇÃO DE MÓDULOS ELETRÔNICOS UTILIZANDO UMA REDE CAN Trabalho de conclusão de curso de Graduação apresentado para o segundo bimestre da disciplina de Projeto Final I do curso de Engenharia de Computação pela Pontifícia Universidade Católica do Paraná. Prof.: Luiz A. de P. Lima Júnior Prof.: Edgard Jamhour EDUARDO DE FREITAS ROCHA LOURES PROFESSOR ORIENTADOR FERNANDO DESCHAMPS PROFESSOR ORIENTADOR CURITIBA, 03 DE JULHO DE ii

3 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO DETALHAMENTO DO PROJETO PROCEDIMENTOS DE TESTE E VALIDAÇÃO DO PROJETO ANÁLISE DOS RISCOS CRONOGRAMA DO PROJETO PLANO DE TESTES E RESULTADOS ESPERADOS CONCLUSÃO REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1 Diagrama de blocos do sistema completo... 3 Figura 2 Fluxograma de dados do programa supervisório... 4 Figura 3 - Diagrama elétrico do módulo eletrônico Figura 4 Fluxograma da Transmissão interna da mensagem... 7 Figura 5 Fluxograma da Recepção Interna da Mensagem... 8 Figura 6 Diagrama do módulo comunicando com a rede CAN Figura 7 Esquema de ligação dos módulos com a Rede CAN... 9 Figura 8 Diagrama de Blocos do conjunto de softwares Figura 9 Cronograma do projeto Figura 10 Diagrama em blocos geral do sistema ÍNDICE DE TABELAS Tabela 2 Cronograma do Projeto...10 iii

4 Resumo. Este projeto tem como objetivo criar um sistema para monitoramento de processo em máquinas industriais (chão de fábrica), onde a principal característica é economizar recursos financeiros e de pessoal com a utilização da tecnologia OEE (Overall Equipment Effectiveness ou Eficiência Global do Equipamento). Para a realização deste projeto, utilizaremos a rede CAN como meio de comunicação entre os equipamentos e um computador principal responsável pelo monitoramento dos equipamentos. O sistema terá módulos eletrônicos microcontrolados, responsáveis pela coleta e tratamento dos dados recebidos. Para realizar os procedimentos via software, o projeto contará com um programa desenvolvido em Visual Basic o qual irá gerar os índices de desempenho OEE. O projeto está funcionando em sua função principal, ou seja, coletar os índices OEE e enviar para o computador principal sem problemas, resultados satisfatórios esses para a equipe. 1. INTRODUÇÃO Atualmente, a tecnologia cada vez mais vem nos auxiliar na resolução de problemas. A concorrência nos diversos ramos de atuação, tanto comercial como industrial, exige que essa resolução seja sempre mais rápida e a indisponibilidade nos sistemas seja a mínima possível. É aí que entra a tecnologia a favor do homem tornando os sistemas mais estáveis e diminuindo os problemas. Unindo essas condições de termos máquinas trabalhando cada vez mais, sistemas tendo menos problemas e a tecnologia responsável por tornar isso possível, chegamos ao objetivo principal do projeto em questão. Através de uma rede de monitoramento em indústrias, esperamos diminuir a mão de obra e aumentar o funcionamento das máquinas tendo o mínimo tempo de indisponibilidade possível. Basicamente, a proposta do nosso projeto consiste em um sistema de monitoramento de chão de fábrica, onde teremos alarmes específicos de cada máquina na indústria. Assim cercamos os erros em grupos específicos e a fábrica pode ter equipes de técnicos pré-definidas para cada tipo de problema. Desta maneira, pode-se diminuir o tempo de equipamentos parados onde a resolução se dará de forma sempre centrada e rápida, pois, além de já ter especialistas para cada problema, o próprio sistema de monitoramento já indica o tipo de erro e pode até sugerir a solução. O desenvolvimento dessa solução será utilizando uma rede CAN (Controller Area Network) a fim de realizar a comunicação das máquinas da fábrica com um software responsável pelo tratamento, exibição e filtragem dos dados. Nesse caminho, teremos módulos eletrônicos microcontrolados que coletarão as informações das máquinas e comunicar-se-ão com o software central alocado em um computador. O software será desenvolvido em visual basic e trará uma interface de fácil entendimento e mais intuitiva possível para os operadores e utilizarem o programa. O projeto ainda utilizará esse módulo de monitoramento alimentando os índices do indicador OEE (Overall Equipment Effectiveness ou Eficiência Global do Equipamento) que tem como definição principal, a utilização plena dos equipamentos em suas respectivas funções e capacidades. O índice OEE é um 1

5 modo simples de medir a produtividade de máquinas. Ele expressa o percentual de utilização do equipamento em sua plenitude, considerando a situação ideal de velocidade máxima, sem paradas, sem desvios e com qualidade total. É o resultado do produto do Índice de Disponibilidade, Índices de Performance e Índice de Qualidade [5]. O módulo eletrônico foi desenvolvido primeiramente em proto-board (o protótipo) onde foram testadas as funcionalidades básicas do projeto em questão, após, montamos o módulo em placas de circuito impresso. O módulo conta com um microprocessador PIC, teclado PS2, display LCD, além de um conversor CAN-USB que é comum para todos os módulos que serão utilizados na planta da fábrica. Foi desenvolvido um programa em visual basic para a comunicação dos módulos eletrônicos com o PC. O resto do documento está assim organizado: Detalhamento do Projeto: neste tópico temos um diagrama em blocos com uma visão geral do projeto e a descrição sucinta de cada bloco; Cronograma: aqui temos o cronograma com as fases do projeto já concluídas; Procedimentos de Teste e Validação do Projeto: este é o plano de testes para validação do projeto, esta sessão traz uma breve explanação de como o projeto será testado, os meios para testes e os passos a serem seguidos, além disso, quais os pré-requisitos dos resultados destes testes para que os mesmos tenham sido bem sucedidos. Riscos: aqui temos os riscos do projeto descritos e os riscos que tivemos e acabaram acontecendo, sendo necessária até a escolha de outro microcontrolador para dar andamento ao projeto; Conclusão: um breve fechamento do documento; Referências Bibliográficas: temos os documentos, sites, artigos, etc., onde nos amparamos para coletar informações referentes ao projeto e aos vários módulos e várias partes necessárias para o desenvolvimento do mesmo. 2. DETALHAMENTO DO PROJETO Para resolução de uma parte do problema foi desenvolvido e montado o módulo eletrônico responsável por coletar os dados sinais elétricos - dos equipamentos, os quais serão acompanhados pelos indicadores de OEE [5], este módulo coletará e posteriormente formatará os dados e irá disponibilizá-los na rede CAN, para que o software de gestão (supervisório) possa atualizar os índices de OEE automaticamente e em tempo real. O módulo conta com microcontrolador, IHM (interface homem-máquina) contando com display LCD e teclado PS2, além dos outros componentes eletrônicos necessários para o bom funcionamento do módulo. Para solucionarmos o problema da comunicação entre os módulos e o PC, propomos a utilização do protocolo de comunicação CAN, que atualmente vários fabricantes de microcontroladores estão introduzindo esta tecnologia em 2

6 seus componentes integrados. Este protocolo de comunicação é bastante confiável e seguro para que seja utilizado no chão de fábrica. Foi necessário um conversor do protocolo CAN para USB, para converter os dados que estão na rede CAN para o programa supervisório, presente no PC central. Para isto utilizamos o conversor CANUSB da LAWICEL AB [7], que converte a rede CAN para USB. Esse conversor comercial, já possui os drivers e bibliotecas DLL para várias linguagens de programação, inclusive visual basic que foi a linguagem escolhida por nós para nosso programa supervisório. Por fim, como já foi comentado, a última parte do problema, foi solucionado com um software desenvolvido em visual basic, responsável por receber os dados da rede CAN e exibi-los através de um computador central. Na figura 1, através de um diagrama de blocos podemos visualizar como o sistema estará interligado. Figura 1 Diagrama de blocos do sistema completo. PC com o software Supervisório Foi utilizado um computador tipo desktop, onde está instalado o programa supervisório, responsável pelo recebimento e exibição das mensagens enviadas através da rede CAN. O PC conta com uma porta USB disponível, para que seja conectado ao sistema pelo conversor de Comunicação CAN-USB. O software de monitoramento foi totalmente desenvolvido na linguagem Visual Basic, este software será 3

7 responsável por coletar os dados da porta USB que está conectado o conversor CAN-USB. Com os dados coletados o software interpretará os dados, apresentando-os na tela do supervisório e armazenando-os em um banco de dados para o cálculo dos índices OEE. Na figura 2, podemos visualizar o fluxo dos dados que serão tratados no software supervisório. Figura 2 Fluxograma de dados do programa supervisório. Módulo Conversor de Comunicação CAN-USB É um conversor da Rede CAN para o padrão USB, este conversor é fabricado pela Lawicel Soft & 4

8 Hardware, este módulo recebe as mensagens enviadas pelos módulos eletrônicos que estão disponíveis na rede CAN (todo barramento), converte-as para o padrão USB e disponibiliza-as na porta USB de onde o programa supervisório retirará as informações que serão utilizadas. O fabricante fornece os arquivos DLL s que são utilizados na programação do software [7] [8]. Módulo Eletrônico Nó 1, 2... n Estes módulos serão responsáveis por coletar os dados dos Equipamentos industriais e converte-los em mensagens do padrão CAN 2.0B e disponibilizá-los na rede CAN [2]. O módulo basicamente será composto por um microcontrolador da Microchip modelo PIC18F458 [9] e um transceiver da Microchip MCP2551[10]. O funcionamento do módulo eletrônico se dá através de sinais elétricos que são os dados responsáveis por gerar as mensagens do padrão CAN, são essas mensagens que irão gerar o índice OEE e gerar os alarmes no PC supervisório. O chip escolhido, PIC18F458 possui quatro portas com oito entradas e uma com apenas três. Elas estão assim configuradas para o bom funcionamento do projeto: - Port A Endereçamento de cada módulo: Na porta Port A, temos a configuração do endereço de cada módulo eletrônico conectado ao barramento CAN. Através deste endereço é que podemos diferenciar em que máquina do chão de fábrica está conectado cada módulo. Este endereço é setado por 6 chaves binárias, o que nos dá um leque de possibilidades para ligar 63 módulos simultaneamente para a planta em questão. - Port B Interface IHM: Na porta Port B, temos a IHM (interface homem-máquina) composta por um display de LCD onde serão apresentados alguns dados para o operador que estará configurando o módulo (através do display de LCD) e um teclado com comunicação do tipo PS/2, responsável pelo envio dos dados do operador e dos códigos de paradas e de produtos presentes na máquina. Quando os sensores da máquina, ligados ao módulo eletrônico, não puderem enviar a mensagem de erro para o módulo por motivos diversos, o operador deverá digitar o código da parada da máquina, o seu código de usuário e o código do produto que está na máquina. - Port C LED s indicativos: Esses led s conectados à porta Port C estão presentes para mostrar status se o módulo está ligado ou desligado, indicar tráfego de dados e informações através do módulo eletrônico. - Port D Entradas digitais onde estão ligados os sensores: A porta Port D está configurada com oito entradas digitais, onde estão presentes os sensores de cada máquina da indústria. Esses sensores são responsáveis por detectar paradas nas máquinas e então, mandar esse código para o barramento CAN. Assim, o PC central receberá a mensagem contendo qual módulo está enviando a mensagem (através do endereçamento, como visto na descrição da porta Port A ) e a informação do sensor, ou seja, o código de parada fornecido pelo sensor ligado à porta digital do módulo. 5

9 - Port E Utilizada para entradas analógicas. Completando as portas, a Port E fica responsável pelos sinais analógicos que podem ser utilizados pelo módulo. Uma das entradas da Port E está, inclusive, sendo utilizada para medir a temperatura interna do módulo e assim, poder avisar o operador sobre algum tipo de problema de superaquecimento que venha a ocorrer no módulo eletrônico. Figura 3 - Diagrama elétrico do módulo eletrônico. Na figura 4 e 5 podemos ver o diagrama de fluxo interno de dados de transmissão e recepção do microcontrolador PIC18F458 [9], respectivamente. 6

10 Figura 4 Fluxograma da Transmissão interna da mensagem 7

11 Figura 5 Fluxograma da Recepção Interna da Mensagem Equipamentos 1,2... n Qualquer equipamento industrial poderá ser inserido no sistema e fornecer sinais elétricos que serão convertidos nos módulos eletrônicos. Na figura 6, podemos visualizar através do diagrama de blocos, como será efetuada a comunicação do microcontrolador com a rede CAN. 8

12 Figura 6 Diagrama do módulo comunicando com a rede CAN. Na figura 7, podemos visualizar como os módulos eletrônicos serão interligados na rede CAN, e para a rede é necessário a utilização de resistores de 120ohms como terminação. Figura 7 Esquema de ligação dos módulos com a Rede CAN. Na figura 8, visualizamos um diagrama de blocos da disposição do conjunto de softwares que fazem parte do sistema. 9

13 Figura 8 Diagrama de Blocos do conjunto de softwares. Software Supervisório Este software será responsável por receber as mensagens enviadas pelo conversor via USB e cálculo dos índices de OEE e será programado em Visual Basic. Conversor CAN USB Disponibilizará os arquivos de funções (DLL s) e variáveis que o conversor trabalha, possibilitando a correta comunicação entre a rede CAN e o software de supervisão [11]. Módulo Eletrônico Tratará os sinais elétricos que recebe dos equipamentos e convertera-los em mensagens do padrão CAN 2.0B [2], a programação será feita em linguagem C e Assembly. 3. PROCEDIMENTOS DE TESTE E VALIDAÇÃO DO PROJETO Para os testes em caixa preta, utilizamos um protótipo instalado em bancada, onde pudemos simular os dados que são importantes para os índices de OEE, o protótipo coletou estes dados enviando-os para o sistema supervisório, sendo possível verificar em tempo se os dados coletados são coerentes com os simulados em bancada. Para os testes em caixa branca, realizamos verificações em todos os pontos de ligação do sistema: os sinais elétricos dos equipamentos, medimos com a utilização de um multímetro. Nos módulos eletrônicos, alimentamos as entradas digitais com sinais conhecidos que puderam ser simulados por uma fonte de tensão e visualizamos as mensagens enviadas na rede CAN através de um osciloscópio. 10

14 Para teste do conversor CAN-USB não foi necessária nenhuma simulação por ser um produto comercial que já foi implementado em outras aplicações e é garantido pelo fabricante. Por sua vez, no software realizamos testes enviando uma mensagem conhecida e verificamos a visualização dos dados no PC. 4. ANÁLISE DOS RISCOS Tabela 1 Análise dos Riscos Descrição Aquisição de componentes indisponíveis no mercado nacional Baixa qualidade dos materiais Ausência de documentação dos componentes importados Problemas para gravar o microcontrolador Problemas alimentação módulo com do Dificuldade no correto funcionamento do conversor USB- CAN Probabilidade de Ocorrência Impacto no Projeto Severidade S=P*I 1 Alto Alta 1 Alto Alta 2 Médio Baixo n Médio Alto 3 Alto Alto 1 Médio Médio Ação corretiva Substituir por componentes nacionais Substituição/Troca de fornecedor Substituir por componentes nacionais Substituir o microcontrolador ou o gravador Alimentar o módulo de outra forma, diretamente na rede elétrica, por exemplo. Substituição do conversor por outra tecnologia como RS CRONOGRAMA DO PROJETO Na tabela 1 e figura 9, podemos visualizar o cronograma do projeto, onde estão relacionadas às diversas atividades que serão desenvolvidas durante este projeto, com destaque amarelo para as tarefas que já foram concluídas. Tabela 2 Cronograma do Projeto 11

15 Figura 9 Cronograma do projeto. 12

16 6. PLANO DE TESTES E RESULTADOS ESPERADOS 6.1 DIAGRAMA EM BLOCOS GERAL DO PROJETO Figura 10 Diagrama em blocos geral do sistema. 6.2 DESCRIÇÃO RESUMIDA DE CADA TESTE APRESENTADO, RESULTADOS E FUNCIONALIDADE RELATIVA AO DIAGRAMA EM BLOCOS APRESENTADA Os testes realizados foram os seguintes: Ligações elétricas Neste teste, apenas ligamos os componentes e montamos o circuito do módulo em proto-board (protótipo). Teste ok, ligações elétricas ok, circuito montado em proto-board com sucesso. Funcionalidade (relativa ao diagrama em blocos geral): Módulo Eletrônico Nó 1, Módulo Eletrônico Nó 2, etc.) Nesta última fase do projeto, o mesmo teste foi realizado com o módulo eletrônico final, não mais montado em proto-board e sim em placa de circuito impresso. As ligações elétricas e as trilhas foram 13

17 feitas manualmente e todos os testes foram concluídos com sucesso também. Comunicação no barramento CAN Neste teste, apresentamos dois módulos ligados no mesmo barramento CAN enviando mensagens simultaneamente (uma simulação para mais de um módulo, situação típica que ocorrerá em chão de fábrica). Teste ok. Dois módulos interligados pelo mesmo barramento se comunicaram simultaneamente sem problemas. Funcionalidade (relativa ao diagrama em blocos geral): Barramento CAN. Módulo CAN-USB Teste realizado para validar o funcionamento do conversor CAN- USB. Teste ok, módulo CAN-USB funcionando com sucesso. Funcionalidade (relativa ao diagrama em blocos geral): Módulo CAN-USB. Comunicação USB Teste realizado para a comunicação do barramento CAN com o PC central utilizando o módulo CAN-USB. Teste ok, enviadas mensagens do módulo eletrônico através do módulo CAN-USB para o PC com sucesso. Funcionalidade (relativa ao diagrama em blocos geral): Comunicação USB PC Supervisório Teste realizado para validar se as mensagens enviadas pelo barramento CAN foram recebidas com sucesso e se os dados relevantes para o operador estão sendo exibidos no programa supervisório consistentemente. Teste ok, dados sendo exibidos com sucesso no programa supervisório no PC central, mensagens enviadas automaticamente pelos sensores e enviadas manualmente pelos operadores sendo tratadas e exibidas com sucesso. Funcionalidade (relativa ao diagrama em blocos geral): PC Supervisório 14

18 7. CONCLUSÃO Conforme o cronograma das atividades definidas pela equipe, o projeto foi viabilizado com muito sucesso e baixo custo. Tivemos problemas para importação de componentes e utilizamos como ação de contingência a compra de produtos no Brasil como definido em nossa análise de riscos. Apesar desse tipo de contratempo, conseguimos contar com o bom funcionamento e o sucesso do projeto, realizando assim, um aumento na produtividade das indústrias e na criação de índices OEE cada vez mais robustos e confiáveis também para o aumento da produção. 15

19 8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] CAN CIA, URL: [2] BOSCH, R. Can specification version 2.0. Published by Robert Bosh GmbH, [3] MICROSOFT. Windows ce. URL: [4] Cristiano Brudna, Desenvolvimento de Sistemas de Automação Industrial Baseados em Objetos Distribuídos e no Barramento CAN, Porto Alegre [5] OEE TOOLKIT URL: [6] KEIL, URL [7] Lawicel, URL [8] Conversor CAN-USB, URL [9] Microchip, PIC18F458 datasheet, URL /en/devicedoc/41159d.pdf, [10] Microchip, MCP2551 datasheet, URL [11] CAN-USB, downloads dos drivers

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