PROCESSO DE MANUFATURA IMPLEMENTADO EM HARDWARE RECONFIGURÁVEL PARA SIMULAÇÃO DE CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL

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1 PROCESSO DE MANUFATURA IMPLEMENTADO EM HARDWARE RECONFIGURÁVEL PARA SIMULAÇÃO DE CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL VITOR ALEXANDRE SANTOS 1, CARLOS RAIMUNDO ERIG LIMA CPGEI Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial, UTFPR Universidade Tecnológica Federal do Paraná Av. Sete de Setembro, 3165, Curitiba, PR s: vitorsantoss@gmail.com, erig@utfpr.edu.br Abstract This work presents an industrial plant model developed in reconfigurable hardware to simulate the same from programmable logic controller (PLC). Thus, based on the manufacturing industry, a real process compared to the model developed in FPGA (Field -programmable gate array). Thus, system optimization test, PLC application development and training become more significant, without the need for physical infrastructure, allowing an actual test process even in the laboratory. PLC data ( plan and model ) have to interface a supervisory system and a database. Initially, the article presents the CLP and the automation of manufacturing followed by FPGA. As a result, the physical plant, PLC programming and the model developed in the FPGA is presented. Finally, the acquired results and suggestions for further work are shown. Keywords Programmable Logic Controller, Simulation, FPGA, Applications in Automation. Resumo Este trabalho consiste na implementação de um modelo de planta industrial em hardware reconfigurável a fim de simulação da mesma a partir de controlador lógico programável (CLP). Dessa forma, com fundamento na indústria de manufatura, um processo real é analisado e comparado com um modelo desenvolvido em FPGA (Field-programmable gate array). Com isso, testes de otimização de sistemas, desenvolvimento de aplicação de CLP e treinamentos se tornam mais significativos, sem a necessidade de infraestrutura física de uma planta, permitindo testes de um processo ainda em laboratório. Para a análise dos resultados, os dados oriundos de um sistema físico são comparados com os dados relativos ao modelo da FPGA. A interação dos resultados com os dados do CLP (planta e modelo) possuem como interface um sistema de supervisão industrial e um banco de dados. Inicialmente o artigo apresenta questões referentes ao CLP e automação de manufatura seguida pelos conceitos referentes à FPGA. Na sequência, é realizada a explanação da planta física, programação do CLP e o modelo desenvolvido na FPGA. Finalizando o artigo são mostrados os resultados adquiridos e sugestões para desenvolvimentos de novos trabalhos. Palavras-chave Controlador Lógico Programável, Simulação, FPGA, Aplicações em Automação. 1 Introdução Na última década, assuntos relacionados ao campo da automação industrial têm se destacado no setor fabril. Questões como otimização de processos, segurança humana em máquinas, redução de custos, qualidade final dos produtos entre outros, têm colocado em evidência esse tema, como apontam Moraes e Castrucci (2007). Ainda segundo Moraes e Castrucci (2007), a partir dessa condição do cenário industrial em relação à automação, a necessidade por mão de obra especializada é elevada. Relacionando essa necessidade prática do mercado de trabalho com o ensino na área de automação, estudos de Rangel et al (2012) apresentam que atividades práticas de laboratório se mostram como fatores imprescindíveis na formação dos alunos. Enfatizando o exposto por Rangel et al (2012), Queiroz et al (2010) e Carvalho et al (2010) salientam que o desenvolvimento de atividades práticas relacionadas a criatividade é uma etapa importante durante a aprendizagem. Tomando como ponto de partida os pontos levantados sobre o processo de aprendizagem, e relacionando os mesmos com o estudo na área de controlador lógico programável (CLP), a necessidade de atividades em torno de tal assunto se mostra relevante para o domínio pleno dentro da área da automação. No entanto, tais atividades demandam laboratórios mais complexos, maiores espaços físicos e com isso acabam agregando custos elevados, segundo Rangel et al (2012). A partir desse ponto, uma forma de auxilio no processo de aprendizagem de CLP que não traduza em despendimento de grandes valores monetários e não possua demanda de grande espaço físico, é a utilização de métodos de simulação. Em Banks et al (2009) foi proposto um método de simulação de eventos discretos baseada em software, onde foi utilizado o Arena da Empresa Rockwell Automation. Dentre as diversas vantagens apontadas por Banks et al (2009), algumas desvantagens também foram salientadas. A simulação requer treinamento especializado, os resultados são de difíceis interpretações e o software pode consumir um tempo computacional elevado durante a execução, entre outras. Observando essas questões, a proposta deste trabalho é apresentar um modelo implementado em hardware reconfigurável para simulação de uma planta industrial, e assim o desenvolvimento de automação fundamentada em CLP. Como exemplo, é utilizado parte de um protótipo desenvolvido para tal

2 estudo. Os resultados obtidos são apresentados para validação do método empregado, no entanto, somente com o modelo de planta implementado na FPGA, conectada ao CLP, já é possível verificar o processo de controle sendo executado, através de sinalizadores conectados à FPGA. em processamento ou em pontos de entradas e saídas de dados possuem grande aceitação de mercado. Segundo Georgini (2000), o controle distribuído através de terminais remotos viabiliza as ligações de sensores e atuadores, reduzindo a demanda de cabos condutores em grandes distâncias de acionamentos. 2 Automação Industrial Dentro do cenário industrial, Frey e Litz (2000) salientam que o CLP é um equipamento de elevada aceitação. Segundo Georgini (2000) o CLP é um dispositivo eletrônico tratado como computador industrial capaz de armazenar instruções para desenvolver funções de controle como sequências lógicas, contagem, temporização, entre outras. Atua em operações lógicas e aritméticas, manipula dados em redes e possui grande aceitação em sistemas automatizados industriais. A partir do CLP, três questões de grande relevância para um sistema automatizado e para o trabalho proposto devem ser tratadas: desenvolvimento de programa de CLP, redes de comunicação com terminais remotos e sistemas de supervisão. 2.1 Desenvolvimento de Programa de CLP Sobre o desenvolvimento de aplicações para CLP, um método utilizado, principalmente na indústria de manufatura é o GRAFCET, modelo customizado baseado em conceitos teóricos como Máquina de Estados e Redes de Petri, salientam Georgini (2000), Franchi e Camargo (2008). O método GRAFCET é fundamentado em etapas, ações e transições. Em determinado instante do sistema uma etapa pode estar ativa ou inativa. A ação associada somente é realizada se a etapa estiver ativa. A transição que conecta a etapa precedente à próxima etapa, representa a mudança de estado do sistema. A Figura 1 mostra um exemplo de GRAFCET. 2.3 Sistemas de Supervisão Sistemas de supervisão ou sistemas supervisórios, como também são conhecidos, são sistemas digitais para monitoração e operação de uma planta em que gerenciam variáveis de processo. Essas variáveis são monitoradas continuamente, com uma taxa definida pelo desenvolvedor e podem ser armazenadas em banco de dados para registro histórico. Os sistemas de supervisão permitem acesso local e remoto, assim como os servidores de dados. Normalmente são desenvolvidos a partir de IHM (Interface Homem Máquina) ou sistema SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition), aquisição de dados e controle supervisório. 3 Computação Reconfigurável Sistemas baseados em computação reconfigurável são sistemas que alteram parte de seu software ou hardware a fim de adaptação a uma tarefa. Sistemas de software reconfigurável são comuns, onde somente uma alteração de dados de memória, pode fazer com que o sistema se comporte de maneira diferente. A utilização de software reconfigurável tem como vantagem a flexibilidade na alteração, porém sua velocidade de execução é limitada. De acordo com a necessidade do sistema, os tempos de processamento dos softwares podem não ser aceitáveis. A utilização de hardware reconfigurável, como exemplo a FPGA (Field Programmable Gate Array), mantém a vantagem da flexibilidade do desenvolvimento e modificação da aplicação e não insere tempos de execução elevados, possuindo melhor desempenho. Tratando de uma das desvantagens apontadas por Banks et al (2009), sobre os tempos elevados de execução na simulação baseada em software, a utilização de FPGA tem como motivação principal o maior desempenho e com isso melhores resultados Figura 1. Exemplo de GRAFCET utilizado para partida direta de motor 2.2 Redes de Comunicação com Terminais Remotos De acordo com as descrições técnicas da Profibus e da Profinet, ambas disponibilizadas no site da Associação Profibus Brasil, sistemas distribuídos, tanto 4 Planta Física e Modelo Desenvolvido O método utilizado para testar a simulação é o recolhimento dos dados de uma planta física composta de botões, sensores, motores e sinalizadores, e assim comparar com os dados do modelo implementado na FPGA. A planta é controlada por um CLP S CPU 1214C da família Simatic da Empresa Siemens. O conceito de automação distribuída é utilizado, tendo

3 uma unidade remota ET200S - IM151-3 também da família Simatic da Empresa Siemens conectada ao CLP. A rede utilizada para a comunicação do CLP com a unidade remota é a Profibus DP. Para isso, acoplado ao CLP, tem-se um módulo mestre da rede Profibus DP, o CM Por meio de uma rede Profinet o CLP se comunica com um sistema de supervisão desenvolvido para o controle e monitoração da planta. Esse sistema é desenvolvido com a ferramenta Elipse E3 da Empresa Elipse Software. No ambiente de supervisão, um banco de dados é desenvolvido para registro de histórico, o qual é configurado por registro através de eventos. A partir desse banco de dados, os registros são impressos em uma planilha para análise dos resultados. A planta construída é composta de diversos componentes encontrados em uma automação de manufatura, no entanto, para tratar uma porção menor de informações, é utilizada somente uma parte da totalidade da planta. O segmento utilizado nos testes possui uma esteira para movimentação de peças, a qual, por meio de um comando por botão, encaminha a peça para uma máquina ferramenta de marcação de ponto de referência. Ao chegar ao processo de marcação de pontos, a esteira é desligada e um sistema acionado por servomotor faz a marcação. Depois de marcada, a peça é retirada com auxílio de outro servomotor, finalizando o processo. A esteira utilizada possui controle de velocidade e monitoração por meio de sensor de pulso acoplado no eixo da engrenagem final. Sensores de posição identificam a posição da peça e sinalizadores informam a etapa que o processo se encontra. A Figura 2 mostra a parte da planta física utilizada. Para o desenvolvimento do programa do CLP é utilizado o método de GRAFCET, já que esse auxilia no desenvolvimento de sistemas de automação sequencial. A automação contempla o controle manual e automático do processo físico presente, no entanto, para simulação do processo manual, apenas chaves e sinalizadores são suficientes para a monitoração. Para o processo automático, variáveis da planta são necessárias, podendo ser visualizado através do sistema de supervisão. A Figura 3 mostra o GRAFCET do programa do CLP para a planta desenvolvida. Figura 3. GRAFCET do programa do CLP Para a monitoração do processo e registro das variáveis de dados, é implementado um sistema de supervisão, mostrado na Figura 4. Figura 2. Planta física utilizada Figura 4. Sistema de supervisão A partir das considerações físicas da planta, como comprimento total da esteira, velocidade linear da saída da redução utilizada na esteira, entre outros, são desenvolvidos módulos para simulação. Como exemplo tem-se o módulo da esteira, módulo para comportamento de acionamento do sensor fotoelétrico de presença de peça na esteira, comportamento do sensor fotoelétricos de presença de peça na máquina ferramenta, dos servomotores para marcação de pontos e retirada de peça.

4 O hardware mostrado na Figura 5 foi desenvolvido para integração da placa de desenvolvimento DE1, a qual contém a FPGA com o modelo da planta, com o CLP. Figura 5. Hardware de conexão da FPGA com o CLP Como exemplo de modelo aplicado, é mostrado na Figura 6 o módulo para simulação do controle de velocidade da esteira. O protótipo da esteira simula um acionamento por meio de inversor de frequência dentro da indústria, onde, com uma combinação de duas entradas digitais, movimenta o motor com velocidades definidas. A placa para acionamento desse motor possui duas entradas digitais as quais o CLP controla, intituladas como B0 e B1, assim é possível obter três velocidades diferentes e parar o motor. Como é acoplado na saída da redução um sensor de pulsos, conforme a velocidade da esteira, uma frequência pulsante é obtida, também modelada para a FPGA.. 5 Análise dos Resultados Depois de colocado em funcionamento, o sistema de supervisão gerencia o CLP conectado primeiramente à planta física e depois ao circuito da FPGA. O banco de dados do sistema de supervisão registra o momento onde o botão de inicio de processo é pressionado, o acionamento e desacionamento da esteira, a contagem do sensor de pulso, a presença de peça no inicio da esteira e na máquina ferramenta, os acionamentos dos servomotores de marcação e retirada de peça e dos sinalizadores. São registrados três processos completos para a planta física e três para o modelo da FPGA. Como o volume de informações é elevado, a análise dos mesmos por meio de tabelas é deficiente, ficando a visualização mais fácil com métodos gráficos. Primeiramente são mostrados na Figura 7 os gráficos da esteira de três processos registrados. É possível verificar que o comportamento da esteira é semelhante em todos os processos e que o intervalo entre eles foi de cinco minutos. Nesse gráfico, tem-se no eixo horizontal uma estampa de tempo, e no eixo vertical o acionamento em questão. O valor 1 no eixo vertical representa que a esteira está acionada e o valor 0 que está desacionada Considerando que essa análise apresentou o mesmo perfil de resultado para todos os dispositivos componentes da planta, é realizada uma média aritmética dos tempos de acionamentos e retirado o valor que mais se repetiu durante o ciclo para os acionamentos e desacionamentos. Figura 6. Modelo de controle de velocidade da esteira Todas as funções utilizadas da planta foram modeladas para a FPGA, apesar das mesmas não serem mostradas devido à extensão do assunto. Figura 7. Resultado da esteira da planta para três processos registrados

5 Seguindo a metodologia descrita para todos os dispositivos, é possível verificar o comportamento do processo completo por meio da Figura 8. acontece no passo seguinte da modelagem do GRA- FCET, é possível verificar nos gráficos que o valor de contagem permanece constante por um intervalo de tempo. Assim que a esteira é desacionada é possível verificar o acionamento do servomotor de marcação de ponto na peça, e após seu retorno, o acionamento do servomotor de retirada de peça. Após o retorno do último servomotor, o processo é finalizado e o sinalizador verde é acionado novamente indicando que a linha está livre e com peça para poder efetuar a marcação. Para os testes realizados a partir do modelo implementado na FPGA os resultados se mostram próximos do modelo real. Para os gráficos da planta física, pequenas diferenças são verificadas nos gráficos, principalmente com relação ao acionamento da esteira, já que a mesma, devido ao atrito das partes mecânicas, em determinados testes apresentavam valores diferentes. Essa diferença foi pouco significativa, por isso os gráficos apresentaram a média dos tempos de acionamentos. Um resultado mais uniforme do modelo digital é verificável, principalmente por meio do sensor de contagem de pulsos, mostrado pela Figura 9. Figura 8. Resultado do processo completo registrado pela planta física Ela mostra a condição inicial da presença de peça no inicio da esteira. Na sequência, ao pressionar o botão de inicio de processo, o motor da esteira é acionado, assim como o sinalizador vermelho, indicando que a linha está ocupada. O desligamento do sinalizador verde também acontece nesse momento, indicando que a linha não está disponível. Com o sensor de pulsos, é possível verificar uma contagem inicial, e depois a reinicialização da mesma. Como descrito anteriormente, a placa possibilita o controle do motor em até três velocidades. No primeiro acionamento, a esteira funciona com uma velocidade baixa, em determinado momento, segundo o programa do CLP, a contagem do sensor faz com que a velocidade da esteira mude para um valor mais elevado, com isso a incidência de pulsos é maior, fazendo com que a contagem seja maior também. Quando o sensor de presença na máquina ferramenta detecta a presença de peça, uma pequena temporização é realizada na esteira, e assim fazendo o seu desligamento. Como a inicialização do contador do sensor de pulsos Figura 9. Resultado do processo completo registrado pelo modelo da FPGA

6 Uma consideração sobre o modelo foi observada na simulação de carregamento da esteira. Como uma chave ligada em uma entrada digital da FPGA foi utilizada para tal simulação, é possível verificar a interferência no acionamento da mesma. Ao enviar o comando de inicio de processo, oriundo de entradas digitais da FPGA, também apresentou resultados com interferências, devido à chave. 6 Conclusão Este trabalho comtempla um método de simulação de processo industrial para desenvolvimento de aplicação fundamentada em CLP. Tanto do ponto de vista do ensino de disciplinas dos cursos voltados para automação industrial, quanto laboratórios de desenvolvimento, um método de simulação pode contribuir significativamente. Em situações de desenvolvimento de programa de CLP, muitas vezes a automação fica para o estágio final de uma obra, pois ela depende diretamente da infraestrutura física, instalações elétricas e mecânicas. Com o auxilio de um sistema de simulação real, testes de validação de programas podem ser realizados em etapas iniciais de desenvolvimento. Análise de parâmetros de chão de fábricas podem ser identificados com antecedência, assim como ensaios em torno de otimização de sistemas, já que, com os sistemas em pleno funcionamento, uma intervenção pode dispender quantidades significativas em valores em função das matérias primas utilizadas. Muitas vezes, desenvolvedores deixam de testar novos parâmetros para não por o processo produtivo em risco. Com a análise dos resultados, foi possível verificar que em nível lógico de sistemas sequenciais de manufatura o método de simulação respondeu de forma positiva. No entanto, diversos formatos de automação ainda devem ser testados, ficando como sugestão para novos trabalhos. Como exemplo, automação se sistemas contínuos devem ser analisados, utilizando estratégias de controle sobre variáveis como pressão, vazão, nível e temperatura. Como resultado final, é verificado que esse método pode ser aplicado em situações práticas de ensino e desenvolvimento, no entanto permite diversas alterações e melhorias tanto em nível de modelos implementados quanto soluções industriais que demandem tal necessidade. Associação Profibus Brasil. (2015) Descrição Técnica da Profinet. Disponivel em: a_profinet.pdf [Acesso: 24 de Abril de 2015]. Banks, J,; Carson, J. S., Nelson, B. L., Nicol, D. M., (2009). Discrete-Event System Simulation. New York: Prentice Hall. Carvalho, R. T., Baldioti, H. R., Silva, N. L., Gomes, F. J., (2010). Módulo Laboratorial para Educação em Controle, em Tempo Real, Baseado em Linux/RTAI. Congresso Brasileiro de Automatica. Franchi, C., M., Camargo, V., L., A. de, (2008). Controladores Lógicos Programáveis Sistemas Discretos. São Paulo: Érica. Frey, G., Litz, L., (2000). Formal Methods in PLC Programming. IEEE Conference on Systems Man and Cybernetics. Georgini, M., (2000). Automação Aplicada Descrição e Implementação de Sistemas Sequenciais com PLCs. São Paulo: Érica. Moraes, C., C., de, Castrucci, P., de L., (2007). Engenharia de Automação Industrial. Rio de Janeiro: LTC Editora. Queiroz, F., P., Freitas, L., P., Gawa, V., A., Gomes, F., J., (2010). Desenvolvimento de uma Plataforma HILS para Educação em Controle de Processos Baseada em FOSS. Congresso Brasileiro de Automática. Rangel, J., J. de, A., Soares, M., B., Souza, A., A. de, (2012). Modelos de Simulação a Eventos Discretos como Ambiente de Treinamento em Controle Digital. Revista Vertices. Rockwell Automation. (2015) Arena. Disponivel em: [Acesso: 04 de Março de 2015]. Referências Bibliográficas Associação Profibus Brasil. (2015) Descrição Técnica da Profibus. Disponivel em: ca/profibus_desc_tec_2012.pdf [Acesso: 24 de Abril de 2015].