SISTEMA DE AUTOMAÇÃO DA AQUISIÇÃO DE DADOS PARA O CONTROLE DA QUALIDADE NA TRITEC MOTORS ADRIANO KÖHLER TARCÍSIO LUCAS DA CRUZ FILHO THOMÁS SIMON PEREIRA PROF. LUIZ ERLEY SCHAFRANSKI, DR RESUMO O presente trabalho apresenta a implementação de um sistema de aquisição de dados na fábrica de motores Tritec Motors, localizada em Campo Largo / PR. O objetivo da solução é oferecer subsídios para a estrutura de controle de qualidade dos processos e produtos fabricados na empresa, visando a manutenção de um sistema de melhoria contínua. São descritos os desafios presentes na montagem da solução do problema bem como os conceitos necessários para entendimento das particularidades do processo industrial estudado. 1 INTRODUÇÃO Os sistemas de automação industrial permitem às companhias de manufatura ganhos substanciais de produtividade e qualidade. A automação está cada vez mais presente no chão-de-fábrica, sendo fundamental para garantir a competitividade das empresas. Entretanto, a automação pode ir além do que apenas tornar os processos de fabricação mais rápidos e precisos. Atualmente, a informação disponível na linha de produção é primordial para a tomada de decisões na gestão das empresas. Ocorre que, na maioria das vezes, essa informação valiosa não chega até o nível administrativo ou chega de forma incompleta e com atraso. O emprego da automação na coleta instantânea de dados do chão-de-fábrica, tratamento e análise desses dados vem se tornando uma tendência no gerenciamento das plantas industriais. No caso da Tritec Motors, fábrica de motores à combustão instalada em Campo Largo, PR, existe a necessidade de melhoria da rastreabilidade de produtos, através do registro, organização e análise de dados de testes realizados ao longo da linha de montagem final e das linhas de sub-montagem do cabeçote e do bloco. Esses testes fazem parte das linhas acima citadas, ou seja, o produto é testado em diversas fases do processo produtivo. Dentro do escopo desse trabalho, destaca-se o teste de estanqueidade. Um exemplo de teste de estanqueidade é a verificação de vazamento na galeria de água do motor, basicamente através da pressurização dessa galeria e medição da variação de pressão ao longo de um tempo pré-determinado. Sob a ótica do registro dos valores medidos nos testes, encontram-se na empresa citada 3 casos: Equipamentos que possuem um sistema próprio para coleta e armazenamento dos resultados dos testes, inclusive registrando os dados com o número de série do produto testado, além de interface com o usuário para exposição desses dados e ferramentas de busca e análise; Equipamentos que registram os resultados de um número limitado de testes, sem ligação com o número de série do produto testado; e Equipamentos que não registram resultados de testes, apenas informando através de um sinal discreto se o teste atendeu às especificações ou não. Nas situações que se enquadram na primeira condição, não há necessidade de intervenção, considerando que o sistema atual é completo. Tratam-se de máquinas que realizam um teste a frio do motor, através do acionamento do virabrequim por um servomotor e medição de diversas grandezas, como, por exemplo, pressões de exaustão, tensão de ignição, sinal dos sensores do eixo de comando e de detonação.
A aquisição e análise de dados são feitas por microcomputadores, que repassam os resultados finais para um servidor 1, onde é realizado o registro definitivo. Esse sistema foi adquirido como uma solução completa e já foi concebido com todas as características citadas. No segundo caso têm-se os testes de torque, que são realizados em diferentes fases da montagem. Em cada máquina de teste, os dados são adquiridos e analisados por um microcomputador não conectado a nenhuma rede. Os resultados são registrados somente no disco rígido desse microcomputador, em um banco de dados próprio, e identificados por um número seqüencial sem relação com o produto. Além disso, o número de registros é limitado, sendo equivalente a aproximadamente um dia de produção. O terceiro caso corresponde aos testes de estanqueidade. São equipamentos dedicados, que apagam o resultado do último teste assim que um novo teste se inicia. Nos dois últimos casos citados, existe uma lacuna na rastreabilidade dos produtos fabricados na empresa, pois não há registro de todos os resultados de testes, identificados pelos números de série dos motores. Além disso, com a aquisição e registro desses dados, o controle estatístico pode ser melhorado, permitindo maior rapidez na correção de desvios no processo produtivo, confiabilidade nas análises de solução de problemas e identificação de oportunidades de melhoria. Observando que a necessidade de sistemas capazes de integrar automaticamente os equipamentos do chão-de-fábrica com os sistemas de informação das empresas está aumentando rapidamente, conclui-se que um estudo sobre o estado da arte nessa área, seguido pela implementação de um sistema na linha de montagem de uma fábrica terá grande valia. A solução trata de uma alternativa de baixo custo que pode ser usada para integração de linhas pequenas ou compostas por equipamentos sem possibilidade de comunicação através de barramentos de campo 2. Do ponto de vista acadêmico, o trabalho pode servir de guia para o estudo de sistemas supervisórios e de sistemas de informação, contemplando a parte técnica desses sistemas e também apresentando o ponto de vista do usuário (cliente) ao trazer conceitos relativos ao tipo de informação normalmente coletada pelo sistema, com foco em dados sobre a qualidade do produto. 2 METODOLOGIA O presente trabalho tem como escopo relatar a implementação de uma solução para a aquisição, armazenamento e apresentação ao usuário de dados relativos a testes de vazamento realizados por uma máquina da linha de montagem da Tritec Motors, visando garantir a rastreabilidade de produtos e fornecer informações para o sistema de controle de qualidade da empresa. O projeto deve possuir características que permitam a expansão da implementação para outros elementos do processo produtivo da Tritec Motors. O trabalho será baseado na filosofia de Inteligência de Planta, representando uma parcela de um sistema mais amplo. Para tanto, os ações para a solução do problema foram orientadas de acordo com alguns objetivos: OBJETIVOS: 1. Realizar uma breve descrição sobre o estado da arte em sistemas de aquisição de dados integrados aos sistemas de informação das empresas; 2. Implementar uma solução para aquisição e armazenamento de dados relativos à qualidade (resultados de testes de vazamento) na linha de montagem da Tritec Motors; 3. Compatibilizar a solução a ser implementada com as instalações atuais da fábrica da Tritec Motors; 4. Verificar a compatiblidade da implementação da solução para outros setores da Tritec Motors. 2.1 A FÁBRICA INTELIGENTE A cada ano os administradores de plantas industriais são desafiados a aumentar a produtividade de suas estruturas de manufatura para atender as necessidades dos clientes, os quais exigem gradativamente maior rapidez, qualidade, flexibilidade e agilidade no atendimento. Ao mesmo tempo, devido ao aumento da concorrência no atual mercado globalizado, as metas de redução de custos de fabricação são cada vez maiores, visando a manutenção da competitividade e mesmo da sobrevivência dos empreendimentos fabris. A montagem de uma estrutura de manufatura inteligente é um importante requisito para atingir estes objetivos. Seguindo esta tendência, é cada vez mais presente nas modernas plantas industriais o 1 Servidor é um equipamento de informática que executa sistemas de informação específicos, servindo a outros microcomputadores denominados clientes. 2 Barramento de campo ou Field Bus é uma descrição genérica para as redes de comunicação industriais.
acompanhamento de processos produtivos em tempo real. Este conceito de integração é comumente denominado de Inteligência de Planta ou Plant Intelligence, onde se preconiza que aja uma interação prática desde o chão-defábrica, passando pelos níveis de supervisão até a direção, onde as informações de qualquer ação tomada venham a ser registradas e analisadas. Utilizando-se das estruturas de automação em sinergia com os sistemas de informação, o acompanhamento de processos on line proporciona a geração de relatórios atualizados, auxiliando na tomada de decisões gerenciais. Várias características dos produtos fabricados e das linhas de montagem podem ser acompanhadas por estes sistemas interligados de manufatura. Por exemplo, dados sobre refugos de produção, não-conformidades, gargalos de processo, performance e resultados de testes realizados em componentes críticos em algum determinado período podem ser facilmente visualizados através do armazenamento destas informações em bases de dados centralizadas. Assim, o acesso a históricos de produção e o acompanhamento de tendências dos processos viabiliza-se, agilizando a tomada de ações corretivas para a melhoria contínua da performance e da qualidade nas unidades fabris. Outro aspecto peculiar das estruturas inteligentes de manufatura é a melhoria da rastreabilidade dos processos e produtos fabricados, garantindo a identificação de falhas na montagem ou na concepção dos projetos. Por exemplo, um produto que é recolhido no consumidor final por apresentar determinada nãoconformidade necessariamente passou por uma série de controles, que na verdade deveriam ter detectado o defeito na linha de montagem. Assim, o histórico de produção deve ser analisado para determinar qual o motivo do produto não ter sido rejeitado no processo. Outras áreas da estrutura industrial podem ser também otimizadas através do fluxo de informações em tempo real. A efetiva identificação da capacidade dos processos e células de manufatura possibilita uma programação de produção mais coerente com a demanda requerida. Os procedimentos de compra de matériasprimas e a programação de entrega de materiais por parte de fornecedores externos podem ser melhor gerenciados, possibilitando a diminuição de estoques e a redução de custos de produção. Para que estes benefícios descritos possam ser atingidos, não basta apenas um sistema de informações ou uma automação industrial eficiente, porém isolados. É condição essencial que o sistema de informação industrial opere em total interação com a automação industrial. Portanto, em uma solução que busca implementar a aquisição de dados para subsidiar o controle da qualidade, faz-se necessário compreender alguns aspectos de uma estrutura de automação na indústria. 2.2 A AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL Entende-se por automação qualquer sistema, apoiado por computadores, que substitua o trabalho humano e que vise soluções rápidas e econômicas para atingir os complexos objetivos das indústrias e serviços (MORAES, CASTRUCCI, 2001, p. 15). Quando se entende o conceito de automação, pode-se perceber que os elementos que participam desta implementação podem ser os mais variados. Desde um simples cabo de comunicação, até complexos sistemas de monitoramento, todos podem ser entendidos como elementos de um sistema de automação industrial. 2.2.1 Os Controladores Lógico Programáveis Um componente bastante presente nos sistemas de automação como elemento de controle são os Controladores Lógico Programáveis ou CLPs. Segundo Borges (1999), os CLPs são equipamentos eletrônicos de última geração utilizados em sistemas de automação flexível. Permitem desenvolver e alterar facilmente a lógica para acionamento das saídas em função das entradas. Desta forma, é possível utilizar inúmeros pontos de entrada de sinal para controlar pontos de saída de sinal (cargas). A idéia da implementação de CLPs em um processo automatizado é que ele concentre parte das informações para que possa garantir o andamento correto da produção, e que cada máquina, equipamento, motor e qualquer outro elemento participante do processo de automação passe a receber os comandos de funcionamento a partir de um ou mais CLPs. A linguagem de programação de CLPs mais comum atualmente é a Ladder (SILVEIRA, SANTOS, 1998). Apesar de apresentar elementos simples, como contatos abertos, contatos fechados e saídas, a linguagem Ladder está bastante evoluída, principalmente nos CLPs mais modernos, com blocos de comando especiais como, por exemplo, de controle de eixos e de comunicação de dados. A figura 1 demonstra alguns dos símbolos básicos utilizados na linguagem Ladder:
Figura 1: Símbolos básicos da Linguagem de Programação Ladder 2.2.2 Sistemas de Comunicação e Redes Industriais Uma das capacidades proporcionadas por um sistema automatizado de produção, é o de permitir o acesso a dados e informações diretamente dos elementos que participam da automação. Para isto, são utilizadas comunicações estabelecidas em padrões mundiais de comunicação digital, tais como os modelos normalizados pela IEEE e IEC 3, como comunicação Foundation Field Bus, Ethernet, serial RS-485, serial RS-232 e TCP/IP. Há ainda a alternativa de uso de protocolos proprietários, desenvolvidos por fabricantes de equipamentos, onde o protocolo específico servirá na comunicação, tal como Fipway desenvolvido e de propriedade do fabricante Schneider Electric. Segundo Canzian (2004), um canal de comunicação é um caminho físico entre o transmissor e receptor em uma rede de comunicação. Os sinais viajam através de meios físicos que podem ser fios metálicos, cabos coaxiais, fibras óticas, ondas de rádio, etc. A escolha do meio pelo qual um dado será transmitido é influenciada pela quantidade de informação que se deseja transmitir em uma unidade de tempo e da distância. Redes industriais podem estar baseadas em um ou mais padrões dentre os que foram mencionados. É normal que ocorra uma mescla destes padrões visto que é incomum uma padronização irrestrita em termos de maquinário e controladores lógicos. No caso específico da Tritec, a máquina de ensaio de vazamento conta com uma interface serial por onde ela envia os dados de cada teste. 2.2.3 Sistemas Supervisórios Os Sistemas Supervisórios foram concebidos e desenvolvidos para tornar-se uma interface amigável entre o operador e o sistema de produção. Desta forma, uma das condições para a implantação do sistema supervisório é garantir que haja automação industrial. O conceito então passar a ser de obter informações e dados sobre a produção a partir de equipamentos de automação, como máquinas, sensores, e CLPs para poder visualizar facilmente o ambiente industrial, e, caso necessário, agir sobre este sistema. Uma vez que o supervisório destina-se a uma implantação em uma planta industrial, este sistema deve ser capaz de reconhecer e comunicar-se com uma diversidade de dispositivos de diferentes procedências e fabricantes. Assim, permitirá que os vários, senão todos, elementos de um processo industrial possam ser interligados, monitorados e comandados. 2.3 QUALIDADE INDUSTRIAL Após a análise das teorias sobre os componentes de sistemas de informação e automação industrial que proporcionam a montagem do sistema de aquisição de dados descrito no presente trabalho, faz-se necessário pormenorizar os ganhos em termos de controle de qualidade com a utilização da solução implementada. 2.3.1 A Coleta de Dados para Controle da Qualidade A sistemática de controle de qualidade somente pode ser executada se houver um sistema de coleta de dados do processo (RIBEIRO, CATEN, 2001). A capacidade que o dado possui de delinear uma certa atividade do processo é de suma importância em indústrias que necessitam de alta precisão ou alta qualidade. Isto implica em um problema especial: o da 3 IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc. e IEC International Engineering Consortium são sociedades de direito privado e sem fins lucrativos que procuram discutir e elaborar padrões para a indústria elétrica, eletrônica, telecomunicações dentre outras, e estão estabelecidas nos Estados Unidos da América e na Europa, respectivamente.
capacidade de unir os dados de uma função organizacional a outras informações, como por exemplo os dados de uma corporação. O Controle da Qualidade e a monitoração direta da produção são requisitos essenciais para a montagem de sistemas de produção automatizados. Com a crescente concorrência de mercado talvez nenhum sistema de produção futuro poderá dispensar estes dois processos essenciais visando a qualidade do processo produtivo e para redução de custos da produção. A coleta de dados instantânea não é somente importante para a verificação da qualidade do que está sendo produzido, mas também para avaliações do próprio processo produtivo. Com o objetivo de realizar mudanças para redução no custo do equipamento de teste e no de produção, exige-se correções imediatas do processo. Para isso, a análise dos dados deve ser realizada sobre uma base de tempo real, ou seja, através de análises estatísticas dos dados provenientes de testes, com a utilização de algoritmos que permitam agilidade nas correções. Por sistema em tempo real, entende-se um sistema capaz de efetuar uma ação específica em tempo hábil, após a ocorrência de um determinado evento. As modernas máquinas, a automação industrial e os sistemas de gestão de informações utilizados hoje na manufatura oferecem a possibilidade de armazenamento e acompanhamento de todos os dados gerados durante o processo de manufatura em tempo real. 2.4 O AMBIENTE PARA IMPLEMENTAÇÃO A célula de teste onde foi implementada a solução descrita no presente trabalho está posicionada na linha de montagem do motor e é denominada de Leak Test 01. Neste local é realizado o teste de vazamento das galerias de água e óleo do motor através da pressurização dessas áreas e medição da variação de pressão ao longo de um período pré-determinado. O conjunto que procede o teste de estanqueidade é totalmente automatizado e possui os seguintes componentes: a estrutura mecânica na máquina de teste, o aparelho que procede o teste de vazamento (PMD02), o CLP que controla a máquina e o CLP do Painel Andon 4 da Linha de Montagem. Além da estrutura física junto a máquina, deve ser salientada a existência de um sistema supervisório central que comanda toda a produção da planta, no qual o CPL presente no painel Andon está conectado por uma rede padrão Ethernet. O sistema supervisório central está implementado no software Elipse E3 de fabricação da empresa Elipse do Brasil Ltda. A figura 03 a seguir resume as condições encontradas na planta industrial para a posterior implementação do sistema automático de coleta de dados. Figura 2: Topologia antiga da máquina de teste Leak Test 01. 4 Painel posicionado na linha de produção que descreve metas de produção, status de produção atualizados, resultados de testes e outras informações do processo produtivo.
2.5 MONTAGEM DO PILOTO Os equipamentos que compõe o sistema piloto temos os existentes: Máquina automática de teste de vazamento Thyssen PMD02 Painel Andon Rede industrial Schneider FIPWAY Rede Ethernet com protocolo de comunicação TCP/IP E tem-se ainda os equipamentos que devem serão instalados junto a Leak Test 01: Módulo de comunicação com cartão PCMCIA de porta serial para CLP Schneider Electric TSX Premium e cabo de comunicação serial DB25 Cabo de comunicação serial DB25 por DB25 Microcomputador padrão IBM PC para execução do Elipse E3 e sistema de Banco de Dados Microsoft Access 2000. A construção da solução seguiu as seguintes etapas: 1 Efetuar testes de comunicação serial entre PMD e um microcomputador para receber as informações de leitura e analisar como os dados são recebidos; 2 Instalar o módulo de comunicação no CLP Schneider Electric TSX Premium que controla a máquina de test Leak Test 01; 3 Instalar o cartão PCMCIA de comunicação serial no módulo de comunicação instalado na etapa anterior e conectar os cabos seriais DB9 dos equipamentos; 4 Garantir o fluxo de dados entre PMD02 e o CLP via comunicação serial; 5 Desenvolver o software do CLP da máquina para que os dados recebidos via comunicação serial sejam corretamente interpretados; 6 Desenvolver o software dos CLPs da máquina e de controle do Painel Andon nº2 para que estes comuniquem-se com os dados de leitura, permitindo que os dados estejam disponíveis para acesso via rede TCP/IP presente no CLP de controle do Painel Andon nº2; 7 No servidor secundário do Elipse E3, criar uma nova base de dados específica para o projeto; 8 Desenvolver uma rotina no software Elipse E3 que permita acesso do software as posições de memória do CLP de controle do Painel Andon nº2 com os dados de leitura do PMD02 ; 9 Criar um relatório padrão através das ferramentas do Elipse E3 que acesse o banco de dados e exiba um histórico das leituras de teste de vazamento na câmara de água e na câmara de óleo, relacionando o número de série, data e hora do teste e os valores obtidos no teste; 10 Efetuar uma conferência visual com os valores exibidos localmente no equipamento PMD02 para ceritificar-se da qualidade dos dados recebidos. Desta forma, a nova topologia de ligações da máquina Leak Test 01 foi a seguinte:
3 RESULTADOS O sitema de aquisição de dados para o controle da qualidade, descrito neste trabalho, visa a coleta em tempo real de informações de testes de produtos, através da utilização dos componentes de automação industrial e de uma rede local de comunicação de dados. Este sistema encontra-se instalado, em fase piloto, na linha de montagem do motor junto a máquina de testes de estanqueidade, Leak Test 01, na empresa Tritec Motors, em Campo Largo / PR. A implementação foi realizada pelos três componentes da equipe do Projeto Final em horários alternativos (visto que todos trabalham), num período de dez meses. Após permanecer em teste durante aproximadamente um mês, o sistema implantado mostrou-se extremamente eficiente na alimentação da base de dados criada pelo software supervisório. Em caso de necessidade de acompanhamento dos testes realizados, o sistema possibilita a consulta do desempenho dos produtos em tempo real. Caso desejem-se informações do desempenho do processo em datas anteriores, esta consulta também é facilmente efetuada com a estrutura montada. Desta forma, observa-se que todos os objetivos especificados na apresentação do trabalho foram alcançados pela equipe durante o desenvolvimento do projeto. 4 CONCLUSÕES Através da implementação efetuada, concluiu-se que a solução planejada pode ser expandida para outros setores da planta industrial, ou mesmo para todo o complexo fabril. Esta conclusão está baseada na estrutura já existente na empresa, onde praticamente todas as células de montagem e testes automatizadas encontram-se interligadas através de seus CLPs de controle por intermédio de uma rede FIPWAY interligando-os com os CLPs dos Painéis Andon que, por sua vez, possuem interface de comunicação Ethernet. Permitindo assim, que o Supervisório tenha acesso a qualquer dado que possa ser aquisitado na linha, através dos mesmos recursos utilizados neste projeto. 5 REFERÊNCIAS (BORGES, 2004) BORGES, Francisco C. D. Curso Profissionalizante Automação Telecurso 2000. Disponível em: <http://bibvirt.futuro.usp.br/textos/tem_outros/cursprofissionalizante/tc2000/automacao/auto macao.html>. Acesso em: 30 mai. 2004. (CANZIAN, 2004) CANZIAN, Edmur. MINICURSO sobre Comunicação Serial - RS232. CNZ Engenharia e Informática Ltda. Disponível em: <http://www.cin.ufpe.br/~hfn/mestrado/comun_serial.pdf>. Acesso em: 30 mai. 2004. (MORAES, CASTRUCCI, 2001) MORAES, Cícero C.; CASTRUCCI, Plínio de L. Engenharia de Automação Industrial. Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos, 2001. (RIBEIRO, CATEN, 2001) RIBEIRO, José L. D.; CATEN, Carla S. ten; Controle Estatístico de Processos. Porto Alegre: UFRGS, 2001. (SILVEIRA, SANTOS, 1998) SILVEIRA, Paulo R. da; SANTOS, Winderson E. Automação e Controle Discreto. São Paulo: Érica, 1998.