desenvolvimento de um sistema de monitoramento da produção

Revista Interdisciplinar de Tecnologias e Educação [RInTE] – CNPq ARC 2015 – ISSN 2447-5955 01 a 03 de junho de 2016 – IFSP Câmpus Boituva - Capital Nacional do Paraquedismo

Desenvolvimento de um sistema de monitoramento da

produção, em tempo real, do setor de torneamento de uma

empresa metalúrgica em Portugal

Taynara Apoenã de Oliveira1

1Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de São Paulo (IFSP) – Campus

Cubatão - CEP: 11533 – 160 – Cubatão – SP – Brasil

[email protected]

Abstract. This work implement an portuguese company metallurgical a

system that uses Andon tool to monitor production in real time and to

control of visual form the activities of the organization turning sector. The

system has a master PLC that performs the reading of data received by

three servants controllers distributed in the industry. With this work, the

system is able to automatically detect when some machines of the sector

stop producing, either because of machine shutdown or breaks for

maintenance. It is also recorded the number of parts made by machine, to

assess the performance of the sector's production line.

Resumo. Este trabalho implementa numa empresa metalúrgica portuguesa

um sistema que utiliza a ferramenta Andon, a fim de monitorar a produção

em tempo real e controlar visualmente as atividades do setor de

torneamento da organização. O sistema possui um CLP mestre que executa

a leitura dos dados recebidos através de mais três controladores servos

distribuídos no setor. Com este trabalho, o sistema é capaz de detectar

automaticamente quando alguma máquina do setor parar de produzir, seja

por motivo de desligamento da máquina ou por pausas para manutenção.

Também é registrado o número de peças fabricadas, por máquina, para a

apreciação do desempenho da linha de produção do setor.

1. Introdução

O presente trabalho de conclusão de curso apresenta o projeto “Monitoramento da

Produção em Tempo Real” realizado numa empresa portuguesa de metalurgia,

localizada na região de Braga. O projeto foi desenvolvido apenas no setor de

torneamento, pois é onde se executa a atividade principal da empresa (fabricação de

peças torneadas) e se apresenta grandes dificuldades e falhas no controle da produção

das máquinas.

A implementação desta tecnologia surge do propósito de melhorar a gestão e o

controle da produtividade da organização neste setor e consequentemente nos outros

diversos. O sistema utiliza a ferramenta Andon para controlar e monitorar as atividades

do setor em forma de representações visuais. A supervisão da produção era feita através

da coleta de dados manual do engenheiro líder. A informação colhida era, por

conseguinte, armazenada em uma planilha de Excel. Todos os dias eram coletados os

números de peças produzidas no dia anterior por cada máquina presente no setor. Com


estas informações conseguia-se avaliar o grau de produtividade e desempenho das

máquinas e principalmente do setor em geral. As problemáticas deste tipo de

procedimento para monitorar a produção enfatizam-se de várias formas: o controle não

total da produção, consequentemente, o não registro dos tempos de produção perdidos e

de anomalias que acontecem durante a operação das máquinas.

Portanto, para aprimorar o monitoramento e controlar com maior precisão a

produção foi desenvolvido um sistema automático, capaz de coletar os dados, processa-

los e reproduzi-los em painéis Andon, para que, deste modo, os operadores e engenheiro

líder visualizem, em tempo real, a produtividade das máquinas. O sistema, para além da

contagem do número de peças fabricadas, também realiza o monitoramento, em tempo

real, do estado que se encontra cada uma das máquinas do setor: ciclo contínuo

(produzindo), desligada (sem alimentação) ou parada (produção interrompida, porém

energizada). Assim, consegue-se detectar automaticamente a paralização ou

desenergização da máquina em produção, registrando, ainda, os instantes de cada

acontecimento (hora e data em que a máquina foi desligada ou parada).

Os painéis Andon, quando recebem essas informações, sinalizam qual ou quais

máquinas estão sem produzir, bem como as que estão em produção contínua. Também

mostram o número de peças fabricadas, sendo possível avaliar o desempenho da linha

de produção do setor. Estas informações são atualizadas a cada cinco segundos.

A visualização dos painéis Andon é feita através de um televisor instalado no

setor, onde todos os trabalhadores da empresa possam ter acesso, principalmente, os

operadores das máquinas monitoradas.

2. Fundamentação teórica

De acordo com Snatkin et al. (2013), um sistema de monitoramento da produção, em

tempo real, pode ser definido como sendo a coleta de dados da produção sem a

intervenção humana. Uma das diversas vantagens de se instalar um sistema deste dentro

de uma indústria é o acesso imediato que se tem dos dados relacionados com a produção

de um setor, ou de vários setores da empresa (SNATKIN et al., 2013). Com a aquisição

desses dados os colaboradores e engenheiros líderes conseguem com mais facilidade

identificar as razões pelas quais deram-se certas situações, como paradas de produção,

perde de tempo de produção, e entre outros fatores.

Os requisitos mais importantes de qualquer sistema de monitoramento da

produção, apontado ainda por Snatkin et al., resumem-se em baixo custo, precisão e

facilidade em configurar a tecnologia em uma linha de produção. São características

relevantes a serem consideradas durante a escolha de um sistema que seja adequado a

necessidade e realidade de uma empresa. De acordo com Guo et al. (2015), as empresas

globais de manufatura têm premência em melhorar a visibilidade da produção, e o

desempenho na tomada de decisão.

Existem algumas ferramentas para controle e monitoramento utilizadas por

empresas com filosofia Lean Manufacturing (Manufatura enxuta), também conhecida

como Sistema Toyota de Produção. A filosofia baseia-se em uma gestão focada na

redução ou eliminação dos setes tipos de desperdício (superprodução, tempo de espera,

transporte, excesso de processamento, inventário, movimento e defeitos) melhorando a


qualidade, tempo e custo de produção (SOUZA; LINDGREN, 2012). Dentre os

princípios de Lean, para este trabalho destacam-se dois: Kanban e Gestão Visual.

O principal fundamento do sistema Kanban e Gestão Visual é tornar as

informações mais acessíveis tanto para os funcionários como para os responsáveis do

controle de produção, “demonstrando claramente os resultados obtidos do sistema

produtivo” (SOUZA; LINDGREN, 2012). Neste trabalho, foi utilizado a filosofia de

uma ferramenta de gestão visual chamada Andon.

O sistema Andon auxilia o operador a detectar anomalias durante a produção, as

possíveis causas e soluções. De acordo com Greenfield (2009) o sistema deve permitir

ao operador a parada imediata da produção quando detectados defeitos, para que, desta

forma, não se continue a produzir produtos fora dos padrões pré-estabelecidos pela

empresa ou cliente final. Utilizando este conceito, a produtividade das empresas

pode aumentar significativamente, pois os desperdícios e os reparos de produtos com

defeito diminuem, e a produção de produto com qualidade aumenta (Womack et al,

2004, apud BOVE, GERBER).

3. Projeto

A empresa realiza o processo de usinagem no seu setor de torneamento, onde estão

instaladas vinte e duas máquinas para a fabricação das peças torneadas. A relação de

máquinas pode ser observada a seguir:

Máquina Tornos DECO (4 quantidades);

Máquina Traub TD (5 quantidades);

Máquina Tornos Delta (2 quantidades);

Máquina Index ABC (1 quantidade);

Máquina Ergomat (1 quantidade);

Máquina Traub TNM (2 quantidades);

Máquina Multifuso GILDMAISTER (6 unidades);

Máquina Multifuso GILDMAISTER CNC (1 unidade).

No setor existem dois tipos de controle das máquinas: fabricação por controle

numérico computacional (CNC) e máquinas na qual executam operações de fabricação

através de controle mecânico (cames).

As máquinas são divididas por grupos, conforme a Figura 1. Cada máquina para

efeito de organização e controle, possui um número identificador que serve como

refrencia interna da empresa, por exemplo, o número 38.06 identifica a Delta 20 CNC

do Grupo 1 de máquinas.


Figura 1. Setor de torneamento da empresa (Adaptado dos documentos da

empresa)

3.1. Estrutura Lógica

O projeto possui algumas etapas de implementação, dividindo-se em fases: estudo da

área onde foi aplicado o sistema, definição de variáveis a serem monitoradas,

programação e instalação, e visualização final do sistema. A primeira e segunda fase

constituíram-se em estudar brevemente o funcionamento de cada máquina, por meio da

leitura de manuais, para identificar e definir os sinais elétricos a serem utilizados na

realização do monitoramento. Estes sinais são provenientes de algum contactor, relê ou

módulos controladores que estão dentro do quadro elétrico da máquina e que indicam

alguma ação da mesma, como por exemplo, o avanço mecânico de um eixo expulsador

de peça torneada ou a parada do ciclo de trabalho contínuo da máquina.

A terceira fase, programação e instalação, dependeu dos testes feitos diretamente

nas máquinas, a partir do que foi observado nos manuais de seus quadros elétricos. A

programação obdece uma ordem lógica estabelecida (monitorar as máquinas, registrar

os dados e atualizar a informação) e foi desenvolvida em simultâneo com o processo de

instalação dos materias fisícos (sensores e atuadores) do sistema de monitoramento. Por

conseguinte, os dados são tratados no servidor da empresa e transferidos para a saída de

dados, conforme a Figura 2.


Figura 2. Diagrama de blocos ilustrando a lógica do projeto

3.2. Estrutura Física

A estrutura física do projeto (Figura 3) é composta, principalmente, por atuadores que,

estimulados pelos sinais elétricos provinientes das máquinas, enviam respostas ao CLP

responsável por processa-las e, consequentemente, transmiti-las na forma de dados de

monitoramento para o servidor da empresa conectado a base de dados, responsável por

armazena-los. Sempre que houver atualizações no sistema, as informações na base de

dados são automaticamente atualizadas. O servidor, além da conexão com base de

dados da empresa, possui uma aplicação, a RECOLHADADOSPRODUCAO, que

realiza o processo de visualização final do sistema em forma de painéis Andon.

Figura 3. Estrutura física do sistema desenvolvido

O computador ligado à rede da empresa, demonstrado na Figura 3, está

localizado no setor de torneamento e disponível para os operadores das máquinas

realizar, durante seu trabalho, o registro de informações complementares para o

monitoramento da produção. Este registro é feito através de uma aplicação

desenvolvida e instalada no computador chamada RDados (Recolha Automática de

Dados).


Através da rede da empresa todos os dispositivos citados, assim como o

notebook, interagem-se entre si. Sempre que necessário, as alterações ou qualquer

outra observação é feita por meio do notebook conectado à rede.

3.3. Materiais

Para o desenvolvimento do projeto foi necessário entender assuntos como base de

dados, redes de comunicação, atuadores, além do funcionamento do setor de

torneamento, onde foi desenvolvido o projeto proposto.

O sistema possui um CLP mestre que executa a leitura dos dados recebidos

através de mais três modulos controladores escravos. Como atuadores foram utilizados

Relês AC e DC e em adição foram empregados nas máquinas TD, sensores indutivos de

metal.

3.3.1. Controlador NJ - Mestre

O CLP mestre é um módulo de CPU (Central Processing Unit ou Unidade Central de

Processamento, em português) da série NJ da companhia japonesa de componentes

eletrônicos Omron Corporation. O modelo utilizado no projeto foi o NJ501-1320.

O controlador (Figura 4) possui portas EtherNet/IP para conectar com a rede da

empresa, e EtherCAT para comunicar com os módulos de extensão espalhados pelo

setor de torneamento. Também contém em sua interface uma entrada USB para ser

ligado o notebook utlizado no planejamento.

Figura 4. Estrutura física do controlador NJ501-1320

3.3.2. Controlador NX – Escravo

Os controladores escravos da série NX, utilizados no projeto, são do modelo NX-

ECC201 (Figura 5). O equipamento tem uma capacidade de número de unidades NX

conectáveis de 63 (máximo). Em cada módulo NX podem ser conectados unidades NX-

ID (cartões de entradas) para aumentar o número de entradas do sistema. Neste trabalho


foram utilizadas dois tipos, NX-ID4442 e NX-ID5442, sendo que o primeiro possui

oito bits de entrada e o segundo dezesseis bits de entrada.

Figura 5. Estrutura física do controlador NJ501-1320

3.3.3. Relê AC e DC e sensores indutivos de metal

Os relês finder DC tipo 40.52, foram utilizados para tensões de 24VDC das máquinas, já

os relês finder AC tipo 40.52 foram utilizados nas máquinas Traub TD e nas Multifuso

GILDMAISTER, pois os contatores e os barramentos onde queria-se buscar os sinais

eram de 220VAC.

O sensor indutivo de metal tipo IEC201, modelo IEB3002BBPKG/AM/AS-514-

TPS, foi também instalado nas máquinas Traub TD para substituir os contadores

intalados antigamente nelas. Agora as peças são contadas através dos sinais de respostas

destes sensores.

3.4. Funcionamento

O sistema consta com a etapa de programação e de instalação, já mencionado

anteriormente, sendo que durante estas etapas foram feitas várias configurações de

software, assim como a instalação dos atuadores em máquina por máquina.

O software Sysmac Studio, no qual foi desenvolvido a lógica de programação de

todo o sistema responsável por realizar o monitoramento e coleta de dados, está presente

no computador do supervidor. Quando necessário pode-se realizar alterações no

programa e transferir para o CLP, que automaticamente executará as tarefas

comandadas.


Quando a máquina aciona um dos três atuadores (relês) instalados nela, um sinal

elétrico é enviado para uma das entradas do módulo controlador escravo. Esse sinal é,

por conseguinte, encaminhado, para o CLP mestre, presente no setor de manutenção.

Como o CLP é configurado para comunicar-se com a base de dados da empresa, todos

os seus dados são guardados na tabela de dados da base, e a partir dessa tabela é criado o

Painel Andon.

O supervisor poderá ir até seu computador e visualizar as mesmas informações

sinalizadas no Televisor Andon, através da aplicação Rdados (desenvolvida pelo

engenheiro informático), porém a aplicação também mostra e sinaliza a causa de uma

parada ou quais os tipos de peças que estão sendo fabricadas pelas máquinas em

produção. A Figura 6 demonstra o princípio de funcionamento do projeto

Figura 6. Fluxograma relativo ao princípio de funcionamento do sistema

4. Análise e Discussão dos Resultados

Os testes com as máquinas no setor de torneamento, após o projeto concluído,

mostraram o funcionamento eficiente e eficaz do sistema de monitoramento, em tempo

real, utilizando a ferramenta Andon, em relação ao controle realizado antes da

implementação. Os dados são coletados automaticamente por meio de um controle da

produção online. A Tabela 1 compara o monitoramento atual com o antigo.


Tabela 1. Resultados obtidos – Testes finais

Antes do

Projeto Projeto instaldo

Monitoramento da

Produção Manualmente

Automático e em Tempo

Real

Visualização de dados

(Produção, parada da

produção, etc)

Nenhuma Painel Andon

Registros de códigos de

paradas de máquinas Nenhum RDados

Registro de nova O.F Excel Software (RDados)

4.1. Limitações

Na implementação do projeto surgiram algumas questões quanto aos módulos de

entradas digitais, as ligações realizadas nos quadros das máquinas do grupo 1, a ligação

do quadro elétrico do controlador escravo do grupo 3 e a programação.

4.1.1. Módulos adicionais

Preliminarmente, cada módulo controlador escravo contava com apenas uma unidade de

pinos de entrada. Depois de desenvolvido o software, verificou-se a necessidade de mais

entradas, devido a quantidade de máquinas no setor. Como era preciso buscar na

máquina três sinais (contador, máquina parada e máquina desligada), a análise da

quantidade bits de entradas pode ser vista na Tabela 2.

Tabela 2. Número de entradas digitais por grupo de máquina

Quantidade de

máquinas

Nº Sinais elétricos

buscados

Quantidade de entradas

por grupo

(Total de bits)

Grupo 1 7 3 7x3 = 21 bits



Com base no número total de bits de entradas calculado para cada grupo, foi

escolhido e adotado para todos o NX-ID5442 de dezesseis bits, pois fornece, junto com

o outro NX-ID já existente nos controladores, entradas suficientes para o projeto.


4.1.2. Quadro elétrico – Máquina

Os primeiros testes realizados com as máquinas, ao fim da implementação, sinalizaram

erros de respostas. Os testes foram feitos em todos os grupos de máquinas e foi

verificado se os sinais elétricos estavam chegando ao CLP mestre. Para isso, o operário

simulava a máquina produzindo, e era observado no software se o contador respodia. O

mesmo ocorria para o dado de máquina parada e desligada.

Algumas complicações, durante esses ensaios, foram encontradas nas máquinas

Delta, TNM e Ergomat do Grupo 1. Quando simulou-se a máquina desligada o sinal não

era alterado no programa, porque o sinal buscado era incorreto. Estas máquinas não são

unicamente desligadas cortando a alimentação (sinal elétrico buscado), elas podem estar

desligadas, mas com alimentação. Em suas telas existe um botão On/Off que quando

acionado impede a máquina de produzir. Para resolver essa situação foi alterado o

programa, conforme a Figura 7. Para exemplificar no artigo, escolheu-se a máquina

38.06 (Delta), porém a lógica é a mesma para os outros dois modelos.

Figura 7. Alteração do programa para resolver o problema da Delta, Ergomat e

Traub TNM

Para que seja possível monitorar se a máquina está desligada, mesmo pelo botão

On/Off, foi acrescentado no programa métodos de temporização. Se a máquina estiver

com alimentação e a lâmpada desligada (indicando que a máquina não está parada),

verifica-se, de dois em dois minutos, se o contador está incrementando. Caso não esteja

(contador igual à zero) a saída Desliga_3806 é acionada.


Com a alteração, o monitoramento do estado das máquinas funcionou

corretamente para as três categorias.

4.1.3. Quadro elétrico – NX-ECC201

Com os testes realizados no Grupo 3 notou-se que os dados que chegavam não

correspodiam com a lógica programada. O problema era diferente do Grupo 1, pois

todos os sinais eram observados no software, porém estavam invertidos.

A falha não estava na ligação dos atuadores, mas sim na ligação do quadro

elétrico do módulo NX do grupo. O programa foi desenvolvido respeitando a ordem das

ligações dos bits de entrada (Bit 00 – Contador da Máquina 1 , Bit 01 – Estado

Desligada da Máquina 1, Bit 03 – Estado Parada da Máquina 1, Bit 04 – Contador da

Máquina 2, Bit 05 – Estado Desligada da Máquina 2, Bit 06 – Estado Parada da

Máquina 2, e assim sucessivamente).

Para não refazer as ligações no quadro, foram feitas no programa algumas

alterações, testando até que os dados correspondessem com o esperado, ou seja, quando

desligasse a máquina 31.01, o bit acionaria a saída Desliga_3101 no programa, ou se a

mesma estivesse em produção, o seu contador incrementaria. Assim, as entradas de bits

do Grupo 3 acionavam suas respectivas e corretas saídas e somavam corretamento os

seus respectivos contadores. Vale ressaltar que o ajuste na programação funcionou, pois

os testes foram individuais.

4.1.4. Programação

Durante, ainda, o desenvolvimento do projeto, o programa não estava realizando a

função de zerar o contador quando era inserido o valor 1 na variável Reset_Contador

dentro da base de dados. Toda vez que o engenheiro líder fazia este comando na base de

dados, para efeito de teste, o programa ficava preso no ramo apresentado na Figura 8.

Figura 8. Função de zerar o contador

O problema estava aparecendo, pois o bloco DB_Update, que atualiza as

informações na base dados, estava dublicado. Este bloco, diferente do DB_Select, tem

que ser nomeado diferente cada vez que é utilizado. Feita a correção, os contadores

sempre zeravam quando era enviado o bit 1 na sua respectiva variável Reset_Contador.

4.2. Trabalhos futuros

Para melhorar a interface de visualização dos dados da produção, pretende-se substituir

a aplicação RECOLHADADOSPRODUCAO por um sistema visual desenvolvido em

Labview. A Figura 9 demonstra a versão inicial dessa nova interface visual Andon.


Figura 9. Esboço do Sistema Visual Andon desenvolvido em Labview

Esta tela está sendo desenvolvida conforme a proposta da empresa e a

necessidade de algumas adaptações para a apresentação final no Instituto Federal de

Educação, Ciência e Tecnologia de São Paulo, Campus Cubatão.

5. Considerações Finais

Ao longo do desenvolvimento deste trabalho verificou-se alguns aspectos relevantes.

Considerando que a organização e a boa administraçao dos recursos podem gerar pontos

positivos para a empresa, como retornos financeiros, o sistema projetado de coleta de

dados automatizada trouxe melhoria com ênfase no índice de produtividade da empresa.

Isto ocorreu, pois o sistema monitora com eficiência no tempo de resposta e com

supervisão precisa.

A organização não possuia um controle de dados confiável, o que gerava

desperdícios de material e tempo de produção. Mas com a automação de controle da

produção, onde existe um sistema que trabalha quase em tempo real e utiliza a

ferramenta Andon como uma nova forma de gestão, estas questões foram diminuidas

consideravelmente ao analizar o quanto a efciência do setor aumentou. Sendo assim,

pode-se verificar que a qualidade do trabalho realizado no setor aumentou também.

Para que o projeto tivesse um bom funcionamento, os seguintes objetivos foram

alcançados:

Acompanhar a produção de peças, atualizar o número de contagem e

registrar os instantes das atualizações (em tempo real);

Averiguar se não houve alguma máquina parada ou desligada e registrar o

ocorrido, em tempo real, para, posteriormente, a situação ser sinalizada nos

painéis Andon;

Atender a condição de limpar o contador automaticamente.

Ao fim de cinco meses de testes, o sistema funcionou corretamente atendendo os

objetivos, uma vez que este efetua as atualizações dos dados na base de dados de cinco

em cinco minutos. A produção a nível geral no setor produtivo obteve um aumento de


19%, ou seja, a eficiência do setor antes de implementação era de 49% e em janeiro de

2016, com o sistema implementado, a eficiência do setor passou para 68%. O cálculo

desta eficiência é a média das eficiências de todas as máquinas do setor, sendo que a

eficiência de uma máquina é calcula segundo a seguinte formula:

Eficiência =

A eficiência das máquinas influência integralmente na eficiência global do setor,

pois são elas que fabricam os produtos solicitados pelos clientes. O controle da

produção de cada máquina com o sistema de monitoramento, em tempo real, tornou a

gestão do setor uma atividade automatizada, eliminando as decorrentes falhas humanas

de operação e comunicação.

O sistema é capaz de controlar todas as máquinas e evitar que os mesmos

problemas de manutenção se repitam. Os colaboradores do setor, com ajuda das outras

aplicações desenvolvidas ao longo do projeto, também são participativos no processo de

controle, pois podem registrar ocorrências apresentadas ao longo do trabalho, ajudando

a melhorar a supervisão do engenheiro líder.

Apesar das dificuldades quanto as ligações elétricas nas máquinas e a

comunicação com a base de dados, o sistema provou ser uma alternativa para a gestão

da produção do setor, além de melhorar a eficiência do mesmo.

6. Referências

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SOUZA, Natalia Henriques De, LINDGREN, Paulo. (2012). Implementação de um

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