SISTEMA AUTOMÁTICO DE INSPEÇÃO, DISTRIBUIÇÃO E CONTROLE DE PRODUTOS NA ÁREA INDUSTRIAL

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1 SISTEMA AUTOMÁTICO DE INSPEÇÃO, DISTRIBUIÇÃO E CONTROLE DE PRODUTOS NA ÁREA INDUSTRIAL P. M. de Carvalho Rocha 1, J. C. A. Alcócer IMPAR Tecnologias, Rua Lívio Barreto 73-A, Fortaleza CE, paulomello@secrel.com.br. 2. Universidade de Fortaleza UNIFOR, Avenida Washington Soares 1321, Fortaleza CE, jcalcocer@unifor.br. Resumo Foi desenvolvido um sistema automático para a inspeção, distribuição e armazenamento de produtos fabricados por uma empresa da região de Fortaleza no estado do Ceará no nordeste do Brasil, obtendo-se uma diminuição nos custos e uma eliminação dos erros que aconteciam no processo. Obteve-se uma melhoria na qualidade dos produtos e uma redução no preço dos produtos da fábrica. A contagem e controle de estoques foram feitos em um Sistema de Gestão SAP. A automação é controlada através de um Controlador Lógico Programável com programação em linguagem Ladder, que é ligado a um computador controlado por um sistema tipo Supervisory Control And Data Acquisition (SCADA). Palavras chave - Automação Industrial, Controlador Lógico Programável, Programação Ladder, Supervisório SCADA. Abstract It has been developed an automated system for the inspection, storage and distribution of products manufactured by a company in the region of Fortaleza in the state of Ceara in the Brazilian northeastern, resulting in a decrease in costs and an elimination of errors in the process. It was obtained an improvement in product quality and a reduction in the price of the factory s products. The counting and control of inventories were made in a management system SAP. The automation is controlled by a Programmable Logic Controller with a programming language Ladder, which is connected to a computer controlled by a system type Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA). Key words Industrial Automation, Programmable Logic Controller, programming language Ladder, Supervisory SCADA. I. INTRODUÇÃO A automação industrial pode se definir como o uso de dispositivos mecânicos ou eletro-eletrônicos que permitem realizar o controle de máquinas e processos [1]. A automação industrial está em crescimento contínuo devido à necessidade de substituir os antigos métodos de controle manual pelos métodos eficientes de controle automatizados [2]. Entre os dispositivos eletro-eletrônicos pode-se utilizar: computadores ou outros dispositivos lógicos tais como controladores lógicos programáveis-clp, substituindo, muitas vezes, tarefas humanas ou realizando outras que o ser humano não consegue realizar [3]. É um passo além da mecanização, onde operadores humanos são providos de maquinaria para auxiliá-los em seus trabalhos. Muitas companhias, nacionais e multinacionais apresentam um nível alto de automatização da fabricação, tendo um custo menor na produção, reduzindo assim os preços dos produtos. Utilizar um hardware de controle permite armazenar os dados do processo e, associada a técnicas de controle sobre ele, dndo um maior grau de confiabilidade ao seu funcionamento. Quando é preciso acessar esses dados é necessário ter um contato direto com o hardware de controle, o que pode se tornar complicado quando os equipamentos operam em locais distantes ou de difícil acesso. Assim, surge a necessidade de tornar os dados disponíveis remotamente. Os sistemas supervisórios suprem essa necessidade, pois permitem coletar dados do processo, monitorá-lo e atuar sobre ele com controle em nível de supervisão. Para executar essas tarefas o sistema supervisório deve utilizar algum sistema computacional, ou software de supervisão, que seja capaz de se comunicar com o processo indiretamente através do hardware de controle. [4-7] Uma empresa da região de Fortaleza no estado do Ceará no Brasil, vendo a necessidade de ser competitiva, decidiu aumentar a qualidade dos produtos fabricados, optando pela implantação de um sistema de automação para a inspeção, distribuição e controle de produtos na área industrial dela. No presente trabalho será apresentada a metodologia de implantação de automação na mencionada empresa, que pode ser aplicada em outras automações do gênero. Originalmente os produtos eram fabricados em linhas diferentes e transportados até uma esteira principal, em que colaboradores faziam a verificação das características de peso e do código de barras. Após a implantação da automatização atingiu-se um estágio em que os produtos avançam até a esteira principal sem intervenção humana. No

2 final da esteira somente é preciso uma equipe pequena para poder fazer a última etapa do processo. Os custos foram reduzidos já que alguns dos colaboradores foram removidos enquanto que outros foram alocados para outras funções Também houve diminuição nos erros de inspeção, distribuição e controle dos produtos, aumentando a qualidade dos mesmos. Isto permitiu reduzir o preço dos produtos e a empresa pode ser mais competitiva no mercado. Fig.1. Layout da automação na área industrial. II. METODOLOGIA DE IMPLANTAÇÃO DA AUTOMAÇÃO. Verificou-se que na área de produção, existiam 5 máquinas que podiam produzir até 5 tipos de produtos diferentes entre si, os tipos de produtos produzidos em cada máquina definem-se em função da programação de produção. Cada máquina possui uma velocidade de produção diferente, em função do tipo de produto e possui sua própria esteira, independente das outras máquinas. Todos os produtos antes de ir para a área de distribuição têm que passar por um aparelho leitor de código de barras, para verificar se o código está legível e se faz parte da programação de produção. Depois o mesmo produto passa por uma máquina Check-weight para verificar se o peso está dentro dos limites aceitáveis pelo controle de qualidade. O grande problema ocorria no conflito dos colaboradores em fazer a verificação de código de barras e conferência do peso, pois só existia uma máquina de cada tipo, e depois os produtos se colocavam aleatoriamente na esteira principal, que os levava para a área de distribuição, acarretando perda de tempo e erros de inspeção, contagem e troca de produtos no armazenamento. Foram definidas duas principais atividades para a implantação do sistema de Automação, sendo a primeira a programação do CLP e Sistema Supervisório e a montagem do painel de comando. A segunda parte consistindo do sistema de identificação, inspeção, transporte, distribuição e contagem dos produtos. Antes de iniciar a automação, foi estudado e elaborado um algoritmo que atendesse todos os critérios de inspeção, distribuição e contagem dos produtos nas respectivas baias. O sistema foi projetado para ser controlado por um CLP programado através da linguagem Ladder, um computador e um sistema supervisório tipo SCADA. Se o produto for aceito pelos dois critérios, ele é levado através de uma esteira principal para a área de distribuição e colocado manualmente por colaboradores em racks, conforme o seu tipo, e na quantidade especificada pelo departamento de logística. Inicialmente foi realizado um detalhado estudo do layout da fábrica para aperfeiçoar o processo de distribuição e controle dos produtos fabricados. Verificou-se que a melhor alternativa é a distribuição apresentada na Figura 1, com a utilização e adaptação das esteiras existentes, além das criações de duas esteiras para

3 a distribuição de produtos em baias, onde serão colocados os racks para a armazenagem dos produtos. Como cada máquina tem uma velocidade independente, criou-se um sistema de ciclos de entrada do produto na esteira principal, em que o intervalo de cada ciclo é igual à velocidade da máquina mais rápida, para não reduzir a produtividade do sistema. Em cada final de esteira individual foi instalado um sensor ótico, que quando identifica a chegada do produto, a esteira para e aguarda o próximo ciclo para ser novamente acionada. Então, a cada ciclo, se houver produto pronto no final da esteira individual, ele é lançado na esteira principal. Estes produtos seguem na seqüência de saída, passando pelo código de barras e pelo check-weight se forem aprovados por ambos os testes, eles seguem para as baias especificadas anteriormente pelo operador. Em cada baia existe um display com o código do produto, a quantidade de total e a quantidade atual de cada rack, onde é armazenado o produto para ser enviando para o almoxarifado central. Quando o rack é completado, o sistema informa ao operador que está fazendo a armazenagem, gera e envia um novo arquivo para o banco de dados do SAP e recomeça a nova contagem de produto. Na Figura 1 apresenta-se o esquema do layout para a implantação da Automação. Foi utilizado um CLP modelo TP02/60MR da marca WEG, com as características conforme a tabela 1. Toda a programação foi desenvolvida em linguagem Ladder com a aplicação de instruções e interrupções básicas, matemáticas e especiais. Um aspecto interessante desta programação foi a utilização de transferência de instruções de um conjunto de banco de memória para outro conjunto, isto em 3 vezes em cada ciclo de lançamento do produto na esteira principal. Isto porque o tempo de saída dos produtos até sua chegada às baias ou células de rejeições é maior que o ciclo de saída dos produtos. Então estas informações são passadas para que não se perca as informações da máquina da qual saiu o determinado produto e em que baia ele está destinado. Todo o sistema de supervisório do sistema foi desenvolvido no software da ELIPSE, que suporta toda a parte de controle e acionamento de componentes, banco de dados, relatórios, geração de arquivos, comunicação com o CLP, Leitor de Código de Barras e o Check-weight. Na figura 2 apresenta-se a tela principal do supervisório SCADA. TABELA I Características técnicas do CLP utilizado na automação Item Característica Quantidade de entradas digitais 68 em 24VCC tipo PNP ou NPN Quantidade de saídas digitais 56 a relés 250V 2A Tensão de alimentação Vca 50/60Hz Fonte alimentação incorporada 24Vcc (+/- 10%) 300mA Capacidade de memória de 4kWords (RAM) programa Tipo de memória FLASH e RAM com bateria de back-up Tempo de varredura 1ms/k de instruções básicas Modos de operação Cíclico com interrupções por hardware e por tempo (10ms) Temporizadores/Contadores Até 256 por software Marcadores (Relés auxiliares) 2048 Contadores rápidos Até 4 contadores de 10kHz Registradores 3072 Words Tipo de Instruções Básicas, Matemáticas e Especiais Interrupções externas 4 modos de entrada de interrupções Comunicação Interface Serial RS-422 / RS 232 Relógio de tempo real Ano, mês, dia, hora, minuto e segundo Imunidade à ruído 1000Vp-p 1µs (Fase-Terra) Compatibilidade Eletromagnética Conforme Certificação CE Fig. 2. Apresentação da Tela principal do Supervisório tipo SCADA.

4 III. SISTEMA DE TRANSPORTE DOS PRODUTOS Após a aprovação pela diretoria do sistema proposto, foi definido inicialmente como seria modificado e adaptado o sistema mecânico de transporte e movimentação dos produtos através das esteiras individuais, da esteira principal e criada duas novas esteiras para a distribuição dos produtos. Para adequar ao layout da área de distribuição, foram projetadas duas esteiras perpendiculares à esteira principal, para a distribuição dos produtos em cada uma das 5 baias. Na Figura 3 observam-se as esteiras individuais. estão lançando os produtos, e conseqüentemente sua posição na esteira principal. Portanto, o sistema armazena que produtos foram lançados e em qual a seqüência entraram na esteira principal. Esta quantidade e seqüência são comparadas quando o produto passa pelo leitor de código de barras se forem confirmadas a seqüência e a quantidade de produtos lançados neste ciclo, o sistema segue normal, se não, é acionado um alarme para o operador tomar as respectivas providências. Fig. 4. Sistema de distribuição e contagem dos produtos nas respectivas baias. Fig. 3. Esteiras individuais para lançamento dos produtos por máquina na esteira principal. No final da esteira principal foi criado um desviador pneumático, que desloca o produto para o lado das esteiras de distribuição em que o produto deverá ser lançado, ou deixa passar direto caso o produto seja destinado à baia central 3. Nas extremidades destas esteiras serão destinados os produtos rejeitados por código de barras de um lado, e por peso do lado oposto, com a respectiva contagem nos displays específicos. As esteiras individuais de cada máquina modificaram o sistema de comando dos motores, que originalmente ficaria girando ininterruptamente. Na nova configuração, o sistema de tração através de um moto-redutor é parado quando o produto chega ao final destas esteiras. Quando inicial o novo ciclo, o moto-redutor é acionado até a chegada de um novo produto no seu final. Caso a máquina não produza neste ciclo, o sistema de tração fica ligado aguardando o próximo produto. Foram especificados dois tipos de identificação dos produtos com o objetivo de melhor controlar a produção, podendo identificar se cada produto produzido foi realmente encaminhado para a sua respectiva baia, tal e como se mostra na figura 4, ou se houve retirada ou colocação de produtos indevidamente. A primeira identificação do produto é durante o lançamento em cada ciclo da esteira individual na esteira principal. O sensor óptico instalado no final de cada esteira individual identifica se existe ou não produto para o lançamento neste ciclo, o sistema identifica quais esteiras IV. SISTEMA DE DISTRIBUIÇÃO E CONTAGEM DOS PRODUTOS Foi desenvolvido um sistema de sensores ópticos em cada entrada de baia nas esteiras de distribuição, de forma que, quando acionado, identifica a chegada de cada produto. E em função da programação, identifica se o determinado produto que está passando é o destinado àquela baia, se for, o sistema aciona a válvula pneumática, atua um cilindro pneumático tipo flap, que desloca o produto ortogonalmente, retirando da esteira de distribuição e destinando à sua respectiva baia. Em cada baia existe uma esteira onde é instalado sensor óptico, que quando o produto é deslocado para a sua baia é atuado o sensor ótico contador, que envia a informação para o CLP de que mais um produto foi armazenado no rack. Através da programação é feita a contagem de mais um produto no banco de dados e também incrementado mais um produto no display local. O sistema se mostra na figura 5. (a)

5 o local de rejeição definido no final de cada esteira de distribuição. Existe a contagem de produto por tipo de rejeição, tanto dentro do sistema para efeitos de controle, como através dos displays para que seja imediatamente corrigido o problema. (b) Fig 5. Sistema de (a) distribuição e (b) contagem dos produtos nas respectivas baias V. SISTEMA DE INSPEÇÃO DE PRODUTOS Em função do nível de qualidade desejado pelo controle de qualidade da empresa, o produto passa por duas inspeções. A primeira é quanto à verificação da qualidade da inscrição do código de barras, realizado pelo leitor de código de barras, mostrado na figura 6, pois se houver alguma imperfeição que prejudique a sua leitura poderá causar problemas de controle dos produtos no Cliente distribuidor. Este mesmo leitor de código de barras envia as informações lidas através de uma saída serial diretamente para o PC, que através do sistema supervisório compara com as quantidades e os códigos dos produtos que deveriam passar em função da seqüência de saídas das esteiras individuais. Caso ocorra alguma diferença, o sistema emite um alarme para o operador, que tomará as devidas providências. Fig. 7. Máquina check weight. VI. OPERACIONALIZAÇÃO DO SISTEMA DE AUTOMAÇÃO Após todos os estudos de otimização de layout, definição e especificação de equipamentos, programação dos softwares Ladder e Supervisório tipo SCADA, montagem do painel de comando e controle, testes em oficina para verificar se existe alguma pendência ou falha de programação, deve-se iniciar a implantação do Sistema de Automação no Cliente. Os passos são os seguintes: 1) Iniciar o Sistema A tela Acesso do Usuário (Figura 8) irá pedir que você se identifique. Para que alguém tenha acesso ao Supervisório, primeiro é necessário digitar seu nome e sua senha. Somente o usuário Administrador é que tem permissão para cadastrar outros usuários. Para isso clica-se no ícone Adicionar Usuário, e entra-se com o nome e senha para o novo usuário. Fig. 6. Leitor de código de barras A segunda inspeção é realizada pela máquina Checkweight, mostrada na figura 7 que verifica o peso de cada produto, que deverá estar dentro dos limites mínimos e máximos, em função dos critérios de compromisso de qualidade do fabricante e que não prejudique o cliente. A informação do peso de cada produto é comparada com o peso especificado para àquele produto que está passando pela máquina e verificado se está normal. Estas informações são enviadas pela saída serial diretamente para o PC, onde são armazenadas em um banco de dados para a emissão de relatórios. As inspeções são realizadas no final da esteira principal, antes do desviador pneumático. Se o produto for aprovado nas duas inspeções, ele segue o seu destino original da sua baia. Caso contrário se houver alguma rejeição de produto, o sistema identifica que defeito ocorreu e desvia o produto para Fig. 8. Tela de acesso do usuário ao sistema. Após ter entrado com seu nome e senha, o usuário terá acesso à tela Principal do Sistema. Nela o usuário poderá cadastrar produtos, definir o destino dos produtos, consultar os relatórios de produção e, é claro, supervisionar o funcionamento da planta. 2) Cadastro de produtos O cadastro de produtos é realizado na tela principal, clicando no botão Cadastro de Produtos. O usuário tanto poderá incluir os dados de um novo produto como poderá alterar as informações de um já cadastrado, ou apenas verificar as informações de um produto.

6 Para cadastrar os dados de um novo produto, basta que o usuário digitar as informações em cada um dos campos da tela Cadastro de Produtos (Produto, Código do Produto, Peso Nominal, Peso Máximo, Peso Mínimo e Código de Barras), em seguida clicar no botão Salvar. Na Figura 9 pode-se observar a tela com um produto cadastrado. Fig. 9. Tela com o produto cadastrado. Para excluir o cadastro de um produto do banco de dados, será necessário que o usuário clique no botão Produtos, selecione o produto que será excluído, e em seguida clique no botão delete. 3) Cadastro de baias O Sistema de cadastro de baias funciona da seguinte maneira: uma, ou mais, enfardadeiras podem enviar seus produtos para a mesma baia, mas a mesma enfardadeira não poderá enviar produtos para duas baias ou mais baias diferentes. Sabendo disto e visualizando a tela Principal, clica-se no botão Cadastro de Baias ou utiliza a tecla de atalho F3, que aparecerá a tela Cadastro de Baias. Nela o usuário definirá a baia de destino para os produtos de cada uma das enfardadeiras, e também qual o produto que as Enfardadeiras estarão enviando para suas respectivas baias. Na figura 10 pode-se observar a tela de cadastro de baias. O próximo passo é definir a quantidade limite de produtos que serão enviados para cada baia. Após definir o destino dos produtos de cada uma das enfardadeiras, ainda na tela Cadastro de Baias, clicar no botão Cadastro de Produtos por Baia, para passar para a próxima tela. Na tela Quantidade de Produtos, digitar a quantidade máxima de produtos que cada um dos racks de cada baia deverá receber. Ao digitar a quantidade desejada, pressionase o botão OK para confirmar a informação. consultados pelo sistema de Gestão SAP, pois este sistema tem acesso aos arquivos criados pelo supervisório. VII. CONCLUSÕES Foi feita uma otimização da uma área industrial, enfocando principalmente a sistemática de inspeção de produtos e a de distribuição dos produtos fabricados em racks. Após a implantação desta Automação, verificou-se que o fluxo de produção ficou mais enxuto, rápido e com menos (quase zero) erros no armazenamento de produtos. Infelizmente houve uma redução e deslocamento de alguns colaboradores para outras atividades. Mas esta implantação era vital para esta indústria manter sua competitividade no mercado. Sem esta otimização, poderiam ser perdidos muito mais colaboradores, pois teriam que fechar esta linha de produtos. VIII. AGRADECIMENTOS Os autores gostariam de agradecer à Universidade de Fortaleza pelo tempo de pesquisa concedido. Também gostariam de agradecer a IMPAR Tecnologia pelo apoio dado para a realização do presente trabalho. IX. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] R. L. A. Bastos, Novas Tecnologias Trabalho e Competitividade: Um Estudo de Firmas de Automação Industrial de Base Microeletrônica, tese de doutorado em Ciências Econômicas da UFRJ, Rio de Janeiro, Brasil, [2] R. B. de Souza, Uma Arquitetura para Sistemas Supervisórios Industriais e sua Aplicação em Processos de Elevação Artificial de Petróleo, tese de Mestrado em Engenharia Elétrica, UFRN, Natal, Brasil, [3] André Laurindo Maitelli. Controladores lógicos programáveis [4] ELIPSE ESCADA. Manual do Supervisório. Porto Alegre, RS, [5] Zhihao Ling and Jinshou Yu. The design of SCADA based on industrial ethernet. In 4th World Congress on Intelligent Control and Automation, June [6] Tutorial de Programação do Supervisório. Porto Alegre, RS, [7] WEG. Manual de Instalação e Programação do CLP TP02. Jaraguá do Sul, SC, Fig. 10. Tela de cadastro de Baias 4) Relatórios de produção Através do supervisório, podemos ter vários relatórios e consultas do que foi produzido, por intervalo de tempo, por tipo de produto e por baia. Todos os relatórios podem ser

7 X. BIOGRAFIAS Paulo Mello Engenheiro Eletricista formado pela Universidade de Fortaleza em 1981, pós-graduado em Engenharia de Segurança do Trabalho e em Qualidade e Produtividade. Foi Projetista, gerente de Qualidade e gerente Técnico da CEMEC de 1975 a Experiência em projetos e desenvolvimentos de produtos eletromecânicos de distribuição, controle de energia e Automação Industrial. Especialista em Automação Industrial UNIFOR. Juan Carlos Alvarado Alcócer Bacharel em Física formado pela Universidad de Costa Rica em 1988; Mestre pela Universidade Estadual de Campinas junto ao Departamento de Semicondutores Instrumentos e Fotônica em Engenharia Elétrica em 1993; Doutor pela Universidade Estadual de Campinas junto ao Departamento de Semicondutores Instrumentos e Fotônica em 1999; Professor da Universidade Federal do Ceará junto ao Departamento de Física entre 1999 e 2001; Professor do Centro de Ciências Tecnológicas da Universidade de Fortaleza de 2000 até a presente data; Coordenador da Especialização em Automação Industrial da Universidade de Fortaleza; orienta alunos de iniciação científica, iniciação à docência.