FÁBIO MUCKENFUHS
DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA DE MONITORAMENTO E
CONTROLE DE PROCESSOS PRODUTIVOS A PARTIR DO
CONCEITO DE IoT
Ijuí 2020
DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA DE MONITORAMENTO E
CONTROLE DE PROCESSOS PRODUTIVOS A PARTIR DO
CONCEITO DE IoT
Trabalho de Conclusão de Curso de Engenharia Elétrica apresentado como requisito parcial para obtenção do título de Engenheiro Eletricista.
Orientador: Prof. Dr. Maurício de Campos
Ijuí 2020
DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA DE MONITORAMENTO E
CONTROLE DE PROCESSOS PRODUTIVOS A PARTIR DO
CONCEITO DE IoT
Este Trabalho de Conclusão de Curso foi julgado adequado para a obtenção do título de ENGENHEIRO ELETRICISTA e aprovado em sua forma final pelo professor orientador e pelo membro da banca examinadora.
Ijuí, 03 de agosto de 2020
Prof. Dr. Maurício de Campos Doutor pela Universidade Federal de Campina Grande - Orientador Prof. Me. Eliseu Kotlinski Coordenador do Curso de Engenharia Elétrica/UNIJUÍ BANCA EXAMINADORA Prof. Dr. Manuel Martín Pérez Reimbold Doutor pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul
Dedico este Trabalho de Conclusão de Curso aos meus familiares e a todos meus amigos que sempre me deram apoio no decorrer da graduação.
Agradeço primeiramente a Deus, por ter proporcionado ao meu ser as oportunidades de estudar, por ter me dado saúde, força de vontade e perseverança para sempre seguir em frente, e ainda por ter nos conduzido sempre com segurança no trajeto entre as cidades de Panambi e Ijuí.
Agradeço aos meus pais que nunca desistiram de me incentivar a voltar aos estudos e buscar uma graduação, de olho em um futuro melhor.
Agradeço ao meu irmão que por diversas vezes se uniu aos nossos pais naquela conversa de que seria muito bom buscar a graduação.
Agradeço a minha esposa que muitas vezes teve que ficar em casa, pois não podíamos sair devido aos compromissos da faculdade e por sempre ter me incentivado nos momentos mais difíceis.
Agradeço ao meu filho, que por diversas vezes sentou ao meu lado para fazer suas lições da escola enquanto eu fazia os trabalhos da faculdade.
Agradeço a todos os professores pela dedicação demonstrada em sala de aula e fora dela quando tínhamos alguma dúvida.
Agradeço ao professor Dr. Maurício de Campos, pela ajuda na escolha do tema, ainda lá na disciplina do PTCC, por logo ter mostrado interesse no assunto e por se disposto a ser meu orientador, sempre me incentivando a acreditar nas minhas capacidades.
Agradeço a Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul, pelos recursos disponibilizados para as aulas, teóricas e práticas, pelos colaboradores sempre a disposição para nos ajudar e pela qualidade do estudo oferecido.
Agradeço aos colegas, alguns formados, que nunca negaram auxílio para sanar minhas dúvidas.
Agradeço às empresas onde trabalhei durante minha graduação, pois de certa forma cada uma contribuiu um pouco com este processo de aprendizado.
Agradeço todas as dificuldades que enfrentei; não fosse por elas, eu não teria saído do lugar.
MUCKENFUHS, Fábio. Desenvolvimento de um Sistema de Monitoramento e Controle de Processos Produtivos a Partir do Conceito de IoT. 2020. Trabalho de Conclusão de Curso. Curso de Engenharia Elétrica, Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ, Ijuí, 2020.
Diante do aumento da concorrência e da crise que as empresas estão enfrentando, a busca por soluções inteligentes para a gestão dos processos é essencial. Cada vez mais os processos produtivos precisam ser enxutos, livres de desperdícios, conforme define o método
Lean manufacturing. As informações disponíveis em tempo real ajudam muito no sucesso da
gestão de processos. Nesse sentido, os sensores instalados nas máquinas e linhas de produção devem possuir conectividade e devem disponibilizar as informações via internet. Nesse contexto, no presente trabalho foi desenvolvido um sistema de monitoramento e controle de processos produtivos baseado no conceito de IoT. Esse conceito está diretamente relacionado ao conceito de Indústria 4.0, amplamente discutido pelas indústrias nos tempos atuais. O dispositivo desenvolvido possui embarcado um módulo ESP 32 e é capaz de receber comandos utilizando o protocolo MQTT e também através deste mesmo protocolo pode publicar as informações sobre o seu status. O protocolo MQTT é baseado na publicação e assinatura de tópicos. As informações são disponibilizadas na nuvem, IBM Cloud, na Plataforma IBM Watson IoT, em tempo real. Foi desenvolvido também, um aplicativo, que é executado em uma aplicação Web nessa mesma plataforma da IBM e pode ser acessado simultaneamente por diversos usuários. A utilização desse conceito de IoT permite o tratamento das informações diretamente na nuvem. A velocidade de resposta foi uma das qualidades obtidas no sistema desenvolvido.
Palavras-chave: Internet. Engenharia Elétrica. Automação. Produção. Internet das Coisas.
MUCKENFUHS, Fábio. Development of a Monitoring and Control System for Productive Processes Based on the IoT Concept. 2020. Undergraduate thesis. Electrical Engineering Course, Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ, Ijuí, 2020.
In the face of increased competition and the crisis that companies are facing, the search for intelligent solutions for the management of processes is essential. Increasingly, production processes need to be lean, free from waste, as defined by the Lean manufacturing method. The information available in real time helps a lot in the success of the process management. In this sense, sensors installed on machines and production lines must have connectivity and must make information available via the internet. In this context, this work developed a monitoring and control system for production processes based on the concept of IoT. This concept is directly related to the concept of Industry 4.0, widely discussed by industries today. The developed device has an ESP 32 module on board and is able to receive commands using the MQTT protocol and also through this same protocol can publish information about its status. The MQTT protocol is based on the publication and subscription of topics. The information is made available in the cloud, IBM Cloud, on the IBM Watson IoT Platform, in real time. An application was also developed, which runs on a Web application on the same IBM platform and can be accessed simultaneously by several users. The use of this IoT concept allows the treatment of information directly in the cloud. The response speed was one of the qualities obtained in the developed system.
Keywords: Internet. Electrical Engineering. Automation. Production. Internet of Things. Lean Manufacturing. MQTT. Industry 4.0.
Figura 1 – Resumo – Visão macro do Lean Manufacturing ... 25
Figura 2 – Diagrama do PIC 18F4620... 27
Figura 3 – Diagrama em blocos do PIC18F4620 ... 29
Figura 4 – Diagrama em blocos - display LCD 16X2 ... 31
Figura 5 – Padrão de caracteres display LCD ... 32
Figura 6 – Diagrama em blocos do módulo Wi-Fi ESP 32 ... 33
Figura 7 – Características do módulo ESP 32 ... 34
Figura 8 – Disposição dos pinos – módulo Wi-Fi ESP 32 ... 35
Figura 9 – Aplicação típica de rede Mesh ... 36
Figura 10 – Modelo de publicação e assinatura no protocolo MQTT ... 38
Figura 11 – Linha de produção utilizando Protocolo MODBUS ... 39
Figura 12 – Frame do Protocolo MODBUS ... 39
Figura 13 - Diagrama em blocos - DS 1302 ... 40
Figura 14 - Diagrama dos pinos do DS 1302 ... 41
Figura 15 – Dashboard para controle de produção ... 42
Figura 16 – Controle de produção – estrutura baseada em hardware ... 44
Figura 17 – Controle de produção – estrutura baseada em software, com hardwares independentes ... 45
Figura 18 – Módulo NodeMCU ESP32 DEVKIT V1 ... 47
Figura 19 – Configuração dos pinos disponíveis no NodeMCU-32S ... 48
Figura 20 – Ambiente Node-RED – criação de aplicativos ... 51
Figura 21 – Esquema eletrônico do sistema de monitoramento ... 53
Figura 22 – Acionamento da entrada digital com resistor pulldown ... 56
Figura 23 – Drive de acionamento dos relés das saídas do sistema ... 57
Figura 24 – Circuito de saída para os LEDs do sistema ... 58
Figura 25 – IDE Arduino ... 59
Figura 26 – Código fonte – Parte 1... 60
Figura 27 – Código fonte – Parte 2... 60
Figura 28 – Tela com dados da Plataforma IBM Watson IoT... 61
Figura 29 – Código fonte – Parte 3... 62
Figura 30 – Código fonte – Parte 4... 62
Figura 34 – Código fonte – Parte 8... 65
Figura 35 – Código fonte – Parte 9... 66
Figura 36 – Código fonte – Parte 10 ... 67
Figura 37 – Código fonte – Parte 11 ... 68
Figura 38 – Código fonte – Parte 12 ... 68
Figura 39 – Circuito montado na protoboard ... 69
Figura 40 – Aparência do aplicativo elaborado ... 70
Figura 41 – Monitor serial IDE Arduino ... 71
Figura 42 – Publicações na Plataforma IBM Watson IoT ... 72
Figura 43 – Status de conexão dos dispositivos cadastrados no IBM ... 73
Figura 44 – Aplicativo com comando para acionar S2 e lendo temperatura ... 74
Figura 45 – Dispositivo com a saída 2 acionada ... 74
Figura 46 - Aplicativo com comando para acionar S1, lendo a entrada digital como 100 e lendo temperatura ... 75
Figura 47 – Dispositivo com a saída 1 acionada e com a entrada digital acionada ... 75
Figura 48 - Aplicativo com comando para acionar S1 e S2, lendo a entrada digital como 100 e lendo temperatura... 76
Figura 49 – Dispositivo com as duas saídas acionadas e com a entrada digital acionada ... 76
Tabela 1 – Descrição multifunção dos pinos do PIC18F4620 ... 27 Tabela 2 – Descrição dos pinos Display LCD 16X2 ... 31 Tabela 3 – Descrição dos pinos do DS 1302 ... 41
A Ampère
AD Analógico/Digital
AM/PM Ante Meridiem/Post Meridiem CI Circuito Integrado
CPU Central Processing Unit
EEPROM Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory I/O In/Out
IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers IHM Interface Homem Máquina
LCD Liquid Crystal Display LED Light Emitting Diode PIB Produto Interno Bruto
PIC Peripheral Interface Controller RAM Random Access Memory
RTC Real-Time Clock
SPI Serial Peripheral Interface
SRAM Static Random Access Memory USB Universal Serial Bus
V Volt W Watt
CNI Confederação Nacional da Indústria
IBGE Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística ID Identification
STP Sistema Toyota de Produção PDCA Plan, Do, Check, Action CC Corrente Contínua
MQTT Message Queue Telemetry Transport TCP Transmission Control Protocol IP Internet Protocol
GPIO General Purpose In / Out Vcc Volt – Corrente Contínua
1 INTRODUÇÃO ... 16 1.1 Objetivos de Pesquisa ... 20 1.1.1 Objetivo Geral ... 20 1.1.2 Objetivos Específicos ... 20 1.2 Organização do Trabalho ... 21 2 REFERENCIAL TEÓRICO ... 22
2.1 Lean Manufacturing – Sistema de Produção Enxuta... 23
2.2 Microcontroladores ... 26
2.3 Display LCD de 2 linhas x 16 colunas ... 30
2.4 Módulo Wi-Fi ESP 32 ... 33
2.5 Infraestrutura de Rede MESH ... 35
2.6 Protocolo MQTT ... 36
2.7 Protocolo MODBUS RTU ... 38
2.8 Real Time Clock (RTC) DS1302 ... 40
2.9 Dashboard ... 41
3 OPÇÕES DE DESENVOLVIMENTO DO PROJETO ... 43
3.1 Estrutura de Projeto Baseada em Hardware ... 43
3.2 Estrutura de Projeto Baseada em Software com Hardware Descentralizado . 45 4 DESENVOLVIMENTO DO PROJETO ... 47
4.1 Definição do Microcontrolador e Módulo Wi-Fi ... 47
4.2 Definição do Serviço de Nuvem ... 49
4.3 Definição do Aplicativo – Dashboard ... 50
4.4 Funcionamento do Sistema ... 51
4.5 Esquema Eletrônico ... 52
4.7 Desenvolvimento do Código Fonte ... 58
5 RESULTADOS ... 69
5.1 Testes para Comprovação do Funcionamento do Sistema ... 73
6 CONCLUSÃO ... 78
REFERÊNCIAS ... 80
APÊNDICES ... 82
1 INTRODUÇÃO
No Brasil, em 2018, a participação da indústria no Produto Interno Bruto (PIB) passou de 21% para 22%, isso em função da expansão da indústria extrativista e do segmento de serviços industriais de utilidade pública, que inclui serviços de eletricidade e gás, água, esgoto e descontaminação. No entanto, a participação da indústria de transformação, responsável pelo beneficiamento da matéria-prima, transformando-a em produtos para os consumidores, voltou a cair em 2018, atingindo 11,3% no Produto Interno Bruto (PIB) brasileiro, sendo a pior marca desde 1947, reflexo de um impacto maior da crise econômica, segundo dados do Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE), ilustrados na publicação “A Importância da Indústria no Brasil” elaborada pela Confederação Nacional da Indústria (CNI, 2019). Essa indústria de transformação ainda apresenta de forma muito lenta sua recuperação em comparação aos demais setores da economia brasileira.
Nesse sentido, empresas que estão mais adaptadas a Indústria 4.0 como conceito de produção, possuem capacidade de recuperação em tempo reduzido, pois apresentam uma menor inércia produtiva para atender as mudanças repentinas no perfil de compra dos consumidores.
O termo Indústria 4.0 é um termo de origem alemã. Segundo o diretor executivo da VDI Brasil (Associação de Engenheiros Brasil – Alemanha), Johannes Klingberg, (2019), desde 2011, quando o termo Indústria 4.0 foi utilizado pela primeira vez, em uma publicação da VDI (Associação de Engenheiros Brasil – Alemanha), na Feira de Hannover, principal evento mundial de tecnologias para a indústria, o conceito se expandiu no mundo de maneira considerável.
Ao contrário do conceito criado sobre esse assunto, a introdução da Indústria 4.0 não é representada pela automação de linhas produtivas e nem pela robotização de processos produtivos repetitivos, ou ainda, pela inserção de novas tecnologias. Essas evoluções e modernizações são contempladas na terceira revolução industrial. Portanto a Indústria 4.0 consiste fundamentalmente, em implementar a conectividade entre os mais diversos processos produtivos existentes e torná-los digitalmente interligados, além de permitir o monitoramento
_____________________________________________________________________________________ forma a contribuir com a evolução do processo produtivo, minimizar perdas e aumentar a eficiência.
Segundo Klingberg (2019), “Ferramentas como robótica, computação em nuvem ou
machine learning estão disponíveis faz tempo”. Esses elementos representam a parcela
identificada como responsável pela automação dos processos produtivos.
Ainda segundo Klingberg (2019), “A novidade é a integração destas ferramentas, [...] e todos os meios de produção precisam se comunicar entre si para elaborar de forma cooperativa e automatizada as soluções para a produção”. Isso representa a conectividade entre as diversas ferramentas coexistentes nos processos produtivos.
Uma pesquisa realizada pela Federação das Indústrias do Estado de São Paulo (FIESP) em parceria com o Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial (SENAI-SP), ajudou a dimensionar o grau de conhecimento do setor empresarial a respeito do conceito de Indústria 4.0, bem como dos desafios a serem enfrentados durante sua implementação. O principal objetivo dessa pesquisa foi identificar o nível de conhecimento e de maturidade das empresas devido ao pouco tempo de inserção desse tema no Brasil (VDI-BRASIL, 2018).
Os resultados dessa pesquisa apontaram que apenas 41% das indústrias brasileiras utilizam um sistema de produção enxuta, também conhecido como lean manufacturing, considerado como um pré-requisito importante para a Indústria 4.0. Além disso a pesquisa revela outro dado interessante, preocupante, pois 32% dos entrevistados ainda não tinham nem sequer ouvido falar em Indústria 4.0, também conhecida como a quarta revolução industrial, ou manufatura avançada. Esses termos indicam a mudança na forma de produzir, baseada em tecnologias e principalmente em dispositivos autônomos que possibilitam a comunicação entre si ao longo de toda a cadeia de valor. A principal conclusão a se extrair desses estudos é a necessidade urgente de disseminação de conhecimentos e experiências a respeito da Indústria 4.0 no Brasil, buscando a recuperação na defasagem da implementação desses conceitos (VDI-BRASIL, 2018).
Os resultados mostram a importância de disseminar, em nível introdutório, o que é a 4ª Revolução Industrial, o que ela significa, quais são as tecnologias, expectativas e riscos, para que as empresas possam seguir os próximos passos necessários para a implementação. O mesmo se aplica ao lean manufacturing, que precisa estar presente em 100% das empresas. (VDI-BRASIL, 2018).
Atualmente, é essencial que os engenheiros adotem os conceitos destes processos bem como, a lean manufacturing ao mesmo tempo em que estão desenvolvendo algum novo produto. Dessa forma torna-se possível a padronização de componentes na montagem dos produtos, o que leva a simplificação de processos devido a menor diversidade de itens a introduzir na montagem. Isso também contribui para a diminuição de deslocamentos e movimentações de colaboradores na busca de materiais, levando a redução dos esforços físicos dos mesmos. Todos esses fatores somados garantem a redução dos tempos de processamento dos produtos, elevando a produtividade e a competitividade da empresa.
Um sistema de produção enxuta, também chamado de lean manufacturing ou de Sistema Toyota de produção, consiste em um processo produtivo onde o principal objetivo é “fazer mais com menos”, ou seja, deve-se utilizar o mínimo possível de matéria-prima, executar a produção com o menor desperdício possível tanto de materiais quanto de tempo (mão-de-obra), deve-se gastar o menor tempo possível com trocas de ferramentas ou com movimentações desnecessárias dos colaboradores e dos produtos. Em outras palavras, devem ser removidas do processo produtivo todas as atividades que não agregam valor real ao produto final, afinal, o consumidor somente paga pelo que ele enxerga.
A fabricação em linha seriada é um dos métodos produtivos mais utilizados em empresas com produção em larga escala, como por exemplo, na indústria automobilística, na indústria da aviação, na indústria de eletroeletrônicos, entre outros. Nesse método cada colaborador (ou grupo de colaboradores) é responsável pela montagem de determinada parcela do produto final, e assim, ao final da linha o produto encontra-se completo e funcional, no entanto, nenhum colaborador tem conhecimento sobre a montagem total do mesmo.
Um dos grandes desafios dos gestores de linhas produtivas de alto desempenho é reconhecer e mitigar os desperdícios existentes em seus processos produtivos. Essas deficiências podem ocorrer, por deficiência ferramental, por imperícia técnica dos colaboradores e também, por matéria-prima defeituosa. O primeiro passo nesse caso, resume-se em identificar onde se localiza esse desperdício, ou seja, em qual etapa do processo ou em qual posto de trabalho as tarefas não estão sendo executadas como planejado. Essas falhas, causam o desbalanceamento da linha como um todo. A partir desse diagnóstico, podem-se estudar as causas e se estabelecer um plano de ação buscando corrigir o problema.
_____________________________________________________________________________________ Nesse contexto, uma das funções de um sistema de monitoramento é justamente auxiliar nesta avaliação de forma a se definir em qual etapa do processo produtivo o processo não está sendo executado de forma adequada, onde está ocorrendo o desperdício, e ainda, o que pode ser aprimorado. Nesse sentido, diversos sensores, transmissores e atuadores podem ser utilizados em conjunto com microcontroladores para desempenhar essa função.
Existem diversas possibilidades e estratégias para realizar esse monitoramento, entre elas por exemplo, a implementação de cartões e leitores de identificação por rádio frequência (RFID) em locais estratégicos do processo produtivo permitindo o rastreamento de produtos. Entre as falhas que este sistema pode identificar está a sinalização de falta de matéria-prima em algum posto de trabalho, conforme anteriormente apresentado.
Pode-se citar, por exemplo, a empresa VALPRI, indústria de embalagens plásticas flexíveis, em Campinas – SP:
No sentido de atualização tecnológica, os primeiros passos rumo à digitalização da empresa foram dados com a implementação da tecnologia RFID, utilizada para identificar e registrar os motivos das paradas não programadas das máquinas que ocorrem durante a produção, o tempo de ociosidade e outras informações relevantes. O uso de cartões RFID tornou possível a coleta de dados que fornecem uma visão holística da empresa, detectando os pontos que deveriam ser melhorados. (VDI-BRASIL, 2019). Outra importante função que pode ser desempenhada pelo sistema de gestão de processos é a indicação de status da produção. Isto possibilita ao gestor ter informações em tempo real do que está sendo produzido e em que etapa do processo de produção encontra-se cada produto. Além disso, é possível também que as linhas de montagem sejam mais flexíveis, fabricando produtos diferentes, mas com similaridade no processo de manufatura, realizando de forma equilibrada a transição entre um modelo e outro, podendo sinalizar esta mudança.
As informações da produção neste caso podem então ser monitoradas através de, por exemplo, um aplicativo instalado em um smartphone ou Tablet. Neste caso ainda, todos os sistemas produtivos interligados poderiam estar disponíveis para acesso instantâneo, a partir de qualquer lugar da empresa, ou até mesmo de fora da empresa, à todas as informações e indicadores relativos ao processo. Nesse sistema poderia ainda ser incluído o Check-list de verificação do produto, o qual deve ser preenchido ao final de cada linha, como forma de garantir a qualidade.
Outro ponto importante que um sistema deste tipo pode prover é o da segurança aliada a qualidade. Isto porque, para um gestor poderia ser implementado e seria possível a partir do sistema um controle de liberação do posto de trabalho somente para colaboradores capacitados a desempenhar as tarefas. Ou seja, para atuar naquele posto de trabalho, o colaborador teria de passar por uma checagem da identificação (ID) antes da liberação.
Ao final de todas estas etapas o gestor teria uma visão sistêmica da produção e a mesma também estaria disponível aos demais envolvidos no processo dentro da organização.
1.1 OBJETIVOS DE PESQUISA 1.1.1 Objetivo Geral
Projetar e desenvolver um sistema de monitoramento e controle de linhas de produção seriadas com gestão dos processos, buscando a mitigação de desperdícios de recursos humanos mediante a disponibilização das informações em tempo real com tratamento das mesmas na nuvem, baseado na tecnologia da Internet das Coisas (IoT).
1.1.2 Objetivos Específicos
Realizar um levantamento das principais dificuldades enfrentadas pelos gestores de linhas produtivas;
Revisar a bibliografia sobre produção enxuta;
Estudar métodos de conectividade entre equipamentos;
Escolher os microcontroladores adequados às funções a serem desempenhadas; Desenvolver a programação para os microcontroladores;
Montar um protótipo do sistema básico;
Realizar testes práticos em uma linha de montagem; Coletar os dados e analisar os resultados.
_____________________________________________________________________________________ 1.2 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO
O presente trabalho está dividido e organizado em seis capítulos, conforme descrição realizada a seguir.
O segundo capítulo aborda o referencial teórico, trazendo os principais conceitos de componentes e seus princípios de funcionamento, além de abordar conceitos de IoT e outros protocolos de comunicação.
O terceiro capítulo relata as opções de desenvolvimento para o sistema de monitoramento e seus diferenciais com relação a custos e formas de implementação.
O quarto capítulo remete ao desenvolvimento do projeto deste sistema de monitoramento e controle de processos produtivos, com a parte de hardware e com a parte de código fonte.
O quinto capítulo apresenta os resultados obtidos ao final do desenvolvimento do projeto do sistema.
O sexto capítulo realiza o fechamento das ideias e apresenta as conclusões oriundas da realização do trabalho, além disso expõe possíveis sequências para trabalhos futuros.
E por fim, ainda são descritas as referências bibliográficas consultadas para a elaboração do Trabalho de Conclusão de Curso.
2 REFERENCIAL TEÓRICO
A indústria de transformação está em constante evolução. De acordo com o desenvolvimento de novas tecnologias, novas formas de desempenhar as tarefas vão surgindo, simplificando os processos ou até automatizando os mesmos, mas sempre buscando facilitar a vida dos colaboradores, diminuindo os esforços físicos e aumentando a produtividade e a competitividade da empresa. Esses avanços técnicos também alteram a maneira como os seres humanos produzem seus bens. A essas evoluções tecnológicas de produção dá-se o nome de revolução industrial.
Como exemplo disso a história traz as quatro revoluções industriais que ocorreram até os dias atuais segundo a breve linha do tempo destacada a seguir.
A Primeira Revolução Industrial teve início no século 18, onde a principal mudança foi a troca do trabalho braçal ou o emprego de animais pelas máquinas movidas a vapor. Tem-se o início da exploração da energia a vapor e da mecanização da produção. A produção mecanizada de roscas aumentava em torno de 8 vezes o volume produzido em relação as roscas produzidas em rodas de fiar simples no mesmo tempo. A energia do vapor era conhecida, no entanto, o seu uso para fins industriais representou um grande avanço e alavancou a elevação da produtividade humana. Nesta fase, os músculos foram substituídos por motores a vapor como fonte de energia mecânica. Apenas cerca de 100 anos depois surge o navio a vapor e também a locomotiva movida a vapor possibilitando melhorais no transporte de bens, mercadorias e de pessoas por longas distâncias em menores tempos (DESOUTTER, 2019).
A Segunda Revolução Industrial ocorre no século 19, depois da descoberta da eletricidade, onde as principais mudanças foram a substituição das máquinas a vapor por máquinas movidas por motores elétricos e também a introdução da produção em linhas de montagem. Henry Ford (1863-1947) foi o pioneiro neste método de produção, tomando como base a produção em massa de um matadouro em Chicago, onde os porcos passavam em correias transportadoras e cada açougueiro realizava apenas uma parte dos cortes. Os princípios da produção em linhas seriadas foram introduzidos por Henry Ford na produção automobilística, onde o resultado da montagem de veículos em partes foi a diminuição do tempo de produção,
_____________________________________________________________________________________ com consequente redução de custos em comparação a montagem realizada em apenas uma estação de trabalho (DESOUTTER, 2019).
A Terceira Revolução Industrial, também conhecida como “Indústria 3.0”, teve seu início nos anos 70, no século 20, onde com o surgimento da eletrônica de potência em maior escala e também da automação, passam a fazer parte dos processos, os computadores programáveis por memória e os controladores lógicos programáveis (CLP). É nessa fase da evolução industrial que surgem os robôs nas linhas de montagem e os processos passam a ficar cada vez mais automatizados, com pouca ou nenhuma interferência humana. Como exemplo, podem ser citados os robôs de solda (DESOUTTER, 2019).
Atualmente, está sendo implantada a chamada Quarta Revolução Industrial, também conhecida como “Indústria 4.0”. Essa revolução é representada pela conectividade entre os mais diversos processos produtivos existentes na cadeia de valor na indústria, onde pela aplicação de tecnologias de informação e comunicação os processos ficam mais dinâmicos e autônomos. Pode ser considerada uma continuação da Terceira Revolução Industrial, pois antes de estar autônomo um processo precisa estar automatizado. Qualquer sistema que esteja sendo controlado por um computador é mais facilmente expandido por uma conexão de rede. Assim pode-se afirmar que os processos produtivos passam a permitir a comunicação com outras estações de trabalho, bem como a geração de relatórios online com informações sobre si mesmos. Sob este ponto de vista as fábricas estão cada vez mais inteligentes, nas quais sistemas de produção, componentes e pessoas se comunicam por intermédio de uma rede e a produção é quase autônoma (DESOUTTER, 2019).
2.1 LEAN MANUFACTURING – SISTEMA DE PRODUÇÃO ENXUTA
Lean manufacturing é o nome dado ao Sistema Toyota de Produção (STP) e representa
um método baseado em uma abordagem sistemática na busca de identificar e eliminar os desperdícios em uma linha produtiva, com foco na melhoria contínua, usando fluxo de material puxado e sempre buscando a qualidade total. Por desperdício entende-se toda e qualquer atividade que não agrega realmente valor ao produto final (VARGAS, 2019).
- Conceito Jidoka, que consiste no equipamento ter a capacidade de parar a produção e sinalizar em caso de algum problema;
- Conceito JIT (just-in-time), que significa entregar o que é pedido, quando e onde for solicitado. Serve para eliminar estoques desnecessários e aumentar a produtividade.
Um sistema enxuto de produção proporciona redução de quantidade, custos e tempo, ou seja, exige um menor esforço físico dos colaboradores, requer um menor espaço para a fabricação, requer menor investimento em ferramentas, proporciona estoques menores, menos tempo necessário de planejamento, menos fornecedores e redução dos níveis de defeitos, além de garantir uma maior variedade de produtos em uma mesma linha de produção (VARGAS, 2019).
Tudo o que fazemos é olhar para a linha do tempo, do momento em que o cliente nos dá um pedido até quando recebemos o pagamento. E estamos reduzindo esse tempo removendo os desperdícios. Taiichi Ohno (vide-presidente/Toyota), considerado por muitos como o pai do Lean Manufacturing. (VARGAS, 2019).
Taiichi Ohno, em seu trabalho de desenvolvimento de um sistema de produção enxuto relacionou o que foi chamado de “Os 7 desperdícios” na indústria, também chamados de “muda” pelos japoneses, sendo eles, a espera, o defeito, o transporte, a movimentação, o excesso de estoque, o excesso de produto acabado, o mau ou super processamento. São considerados desperdícios pois não agregam valor nenhum ao produto final e toda empresa que busca a satisfação de seus clientes deve combatê-los firmemente. A essência do lean manufacturing é justamente reduzir esses desperdícios com base nos pilares Jidoka e JIT e com a utilização das diversas ferramentas disponíveis (VARGAS, 2019).
Os 7 desperdícios presentes da indústria:
- Espera >> Tempo de espera por materiais, pessoas, equipamentos e informações; - Defeito >> Qualquer defeito no produto trará prejuízos à organização, seja por retrabalho ou reparo necessário, ou pior ainda, pelo impacto no cliente;
- Transporte >> Todo deslocamento de material de um local para outro, que não agrega valor ao produto;
- Movimentação >> Todo movimento de pessoas que não agrega valor ao produto, para buscar ferramentas, peças, informações;
- Excesso de estoque >> Matéria-prima mais do que o necessário, seja por falta de confiança na entrega do fornecedor, seja por problemas de qualidade, seja por inacurácia na programação, etc. Alto inventário esconde problemas;
_____________________________________________________________________________________ - Excesso de produto acabado >> Produção de mais do que é necessário e requerido para atender o cliente;
- Mau ou super processamento >> São operações que não agregam valor ao produto. Não é percebido valor pelo cliente. (VARGAS, 2019).
Um quadro resumo está disponível na Figura 1, com a ilustração da visão macro do Sistema Toyota de Produção, onde percebe-se a presença dos dois pilares do lean manufacturing,
Jidoka e JIT, bem como dos 7 desperdícios na indústria a serem combatidos.
Figura 1 – Resumo – Visão macro do Lean Manufacturing
Fonte: www.gestaoindustrial.com/lean-manufacturing (2019).
Diversas ferramentas estão disponíveis para tratamento e eliminação de tais desperdícios, pois desde o princípio gradativamente foram sendo incorporadas, formando um robusto conjunto de soluções, cada uma com sua especialidade e com suas particularidades.
Dentre as principais ferramentas estão o 5S, o Setup Rápido, o KanBan, o Heijunka, a Gestão Visual, o Evento Kaizen, o Poka Yoke, o PDCA entre outras. Porém, um estudo mais aprofundado de cada uma delas cabe em outra oportunidade, visto que o objetivo principal deste projeto é desenvolver um equipamento capaz de auxiliar os gestores a encontrar alguns desperdícios nos processos produtivos, principalmente de tempo, por inatividade do colaborador ou por falta de matéria prima.
2.2 MICROCONTROLADORES
Microcontroladores são componentes eletrônicos programáveis, e possuem diversos pinos que podem ser configurados como entrada digital ou saída digital de acordo com as necessidades do projeto. Podem ainda conter entradas analógicas, portas de comunicação, RTC (Real Time
Clock), entre outras funções especiais. Microcontroladores são alimentados em corrente contínua
(CC), geralmente com valores de até 5 Vcc e o seu ciclo de funcionamento está baseado no ritmo determinado pelo “clock”, podendo este ser definido por um cristal de quartzo conectado aos pinos externos do chip, ou em alguns casos, pelo cristal interno do mesmo, quando este estiver disponível.
Como exemplo de microcontrolador pode ser citado o microcontrolador PIC 18F4620, do fabricante Microchip Technology, conforme detalhamento técnico e características expostas a seguir.
Este microcontrolador, é indicado para aplicações que necessitam de boa comunicação, pois possui conexões I2CTM, SPITM, UART, 36 portas configuráveis como entrada ou saída digitais, além de 13 canais de conversão A/D de 10 bit, memória EEPROM de 1024 bytes e 64
Kbytes de memória flash (MICROCHIP, 2008).
Os microcontroladores possuem multifuncionalidade em seus pinos, porém quando uma função está designada para um pino específico, este não poderá executar outra função simultaneamente.
Na Figura 2 está ilustrado um diagrama dos pinos do PIC 18F4620, e na sequência, na Tabela 1, estão descritas as diversas funções disponíveis para cada pino.
_____________________________________________________________________________________ Figura 2 – Diagrama do PIC 18F4620
Fonte: Datasheet – Microchip Technology Inc. (2008, p. 02).
Tabela 1 – Descrição multifunção dos pinos do PIC18F4620
PINO Nome Função
1 MCLR/VPP Reset externo e programação
2 RA0/AN0 I/O digital ou entrada AD0
3 RA1/AN1 I/O digital ou entrada AD1
4 RA2/AN2/Vref- I/O digital ou entrada AD2 ou entrada baixa de referência do A/D
5 RA3/AN3/Vref+ I/O digital ou entrada AD3 ou entrada Alta de referência do A/D
6 RA4/TOCKI/C1OUT I/O digital ou entrada TMR0
7 RA5/AN4/SS/HLVDIN I/O digital, entrada do AD4, entrada do SPI e Detector de HLV
8 RE0/RD/AN5 I/O digital, Leitura da Porta Paralela e entrada do AD5 9 RE1/WR/AN6 I/O digital, Escrita da Porta Paralela e entrada do AD6 10 RE2/CS/AN7 I/O digital, Seleção da Porta Paralela e entrada do AD7
11 VDD Positivo da Fonte de Alimentação
12 VSS Negativo da Fonte de Alimentação
14 OSC2/CLKO/RA6 Saída do Cristal e saída do Clock externo 15 RC0/T1OSO/T13CKI I/O digital, saída do 2 oscilador e entrada do contador
externo Timer1/Timer3
16 RC1/T10S1/CPP2 I/O digital, entrada do 2 oscilador saída CCP2 17 RC2/CCP1/P1A I/O digital e saída do Módulo CCP1
18 RC3/SCK/SCL I/O digital, I/O do Clock serial para modo SPI e I/O do
Clock serial para modo I2C
19 RD0/PSP0 I/O digital e Porta de Comunicação Paralela 20 RD1/PSP1 I/O digital e Porta de Comunicação Paralela 21 RD2/PSP2 I/O digital e Porta de Comunicação Paralela 22 RD3/PSP3 I/O digital e Porta de Comunicação Paralela 23 RC4 / SDI / SDA I/O digital, Entrada SPI e I/O I2C
24 RC5 / SD0 I/O digital e saída de dados SPI
25 RC6 / TX / CK I/O digital, Transmissão UART e Clock de sincronismo UART
26 RC7 / RX / DT I/O digital, Recepção UART e Dados do UART 27 RD4 / PSP4 I/O digital e Porta de Comunicação Paralela 28 RD5 / PSP5 / P1B I/O digital e Porta de Comunicação Paralela e saída
CCP1
29 RD6 / PSP6 / P1C I/O digital e Porta de Comunicação Paralela e saída CCP1
30 RD7 / PSP7 / P1D I/O digital e Porta de Comunicação Paralela e saída CCP1
31 VSS Negativo da Fonte de Alimentação
32 VDD Positivo da Fonte de Alimentação
33 RB0/INT0/FLT0/AN12 I/O digital, entrada de Interrupção Externa 0, falha PWM e AD12
34 RB1 / INT1 / AN10 I/O digital, entrada de Interrupção Externa 1 e entrada AD10
35 RB2 / INT2 / AN8 I/O digital, entrada de Interrupção Externa 2 e entrada AD8
36 RB3 / CCP2 / AN9 I/O digital Módulo CCP2 e entrada AD9 37 RB4 / KNI0 / AN11 I/O digital entrada de Interrupção por Mudança de
Estado, entrada AD11
38 RB5 / PGM / KBI1 I/O digital, Interrupção por Mudança de Estado e Habilita ICSP baixa tensão
39 RB6 / PGC / KBI2 I/O digital, Interrupção por Mudança de Estado e ICSP
in-circuit Debuger
40 RB7 / PGD / KBI3 I/O digital, Interrupção por Mudança de Estado e ICSP
in-circuit Debuger
_____________________________________________________________________________________ Na Figura 3, a seguir, o diagrama em blocos representa os blocos lógicos de funcionamento do microcontrolador PIC 18F4620.
Figura 3 – Diagrama em blocos do PIC18F4620
Este microcontrolador possui pinos de entradas e saídas digitais suficientes para o acionamento de sinalizadores externos, ou alarmes, e ainda para a conexão com display LCD e com teclados de configuração.
USART endereçável > O módulo de comunicação serial opera em padrão RS232 e fornece suporte para o protocolo de barramento LIN (Local Interconnect Network). Além disso, possui a vantagem de possibilitar a detecção automática da taxa de transmissão serial e um gerador de transmissão (baud rate) na faixa de 16 bits para uma melhor resolução (MICROCHIP, 2008).
Outra característica importante a ser observada neste microcontrolador é a vida útil da memória, capaz de suportar até 100.000 ciclos de programação e 1.000.000 de ciclos na EEPROM. Além disso, a retenção de dados em memória flash, na EEPROM é estimada em 100 anos (MICROCHIP, 2008).
2.3 DISPLAY LCD DE 2 LINHAS X 16 COLUNAS
Diversos projetos apresentam a necessidade de realizar alguma interação com o ser humano, sendo esta realizada através de uma Interface Homem Máquina (IHM) do sistema, geralmente composta por teclas de configuração/programação e por algum display, geralmente de LCD (display de cristal líquido).
Um dos modelos mais simples de display disponível no mercado é o display LCD 16x2 (16 colunas x 2 linhas). Trata-se de um módulo básico amplamente utilizado nos mais variados circuitos eletrônicos onde seja necessário exibir alguma mensagem ao operador. Os displays LCD são de baixo custo, são de fácil conexão física, permitem a exibição de caracteres especiais e possuem iluminação de fundo (back light) para facilitar a visualização noturna das informações.
Neste display LCD é possível exibir até 16 caracteres em cada linha e o mesmo possui 2 linhas disponíveis, totalizando 32 caracteres. Cada um desses caracteres é constituído por uma matriz de 5x8.
O registro de comando armazena as instruções de comando fornecidas ao display LCD. Um comando é uma instrução dada ao LCD para fazer uma tarefa predefinida, como inicializar, limpar a tela, configurar a posição do cursor, controlar a exibição, etc. O registro de dados
_____________________________________________________________________________________ armazena os dados a serem exibidos no LCD. Os dados enviados são o valor ASCII correspondente ao caractere a ser exibido no display LCD.
Na Figura 4 está ilustrado o diagrama em blocos do funcionamento do display. Figura 4 – Diagrama em blocos - display LCD 16X2
Fonte: Datasheet – Xiamen Amotec display CO.LTD (2008, p. 05).
Na Tabela 2 estão indicados os pinos do display LCD com respectiva descrição e função. Tabela 2 – Descrição dos pinos Display LCD 16X2
PINO Nome Função
1 VSS Alimentação Negativa- ground
2 VDD Alimentação Positiva
3 V0 Ajuste do contraste
4 RS Interrupção externa
5 R/W Registro seleção de sinal
6 E Libera o sinal 7 DB0 Linha de dados 8 DB1 Linha de dados 9 DB2 Linha de dados 10 DB3 Linha de dados 11 DB4 Linha de dados 12 DB5 Linha de dados 13 DB6 Linha de dados 14 DB7 Linha de dados
15 LED+ Alimentação positiva backlight
16 LED- Alimentação negativa backlight
A Figura 5 apresenta o padrão de caracteres importante para a programação de um microcontrolador, pois representa a relação de caracteres padrão que podem ser utilizados em um display LCD.
Figura 5 – Padrão de caracteres display LCD
Fonte: Datasheet – Xiamen Amotec display CO.LTD (2008, p. 14)
As informações exibidas em um LCD podem ser dados como data, hora, valores de alguma leitura, alguma contagem de tempo, acesso a alguma programação, textos e valores em geral. Qualquer informação exibida em um display LCD é formada através desses caracteres.
_____________________________________________________________________________________ 2.4 MÓDULO WI-FI ESP 32
O módulo Wi-Fi ESP 32 é utilizado em projetos que necessitam de conexão sem fios entre equipamentos ou entre um equipamento e uma rede qualquer. Esse módulo permite operações em redes de topologia “Mesh”, ou seja, em malha, melhorando o alcance da comunicação.
O ESP 32 foi projetado pelo fabricante Espressif Systems especialmente para aplicativos móveis, eletrônicos portáteis e principalmente para Internet das Coisas (IoT). Ele opera na frequência de 2,4 GHz e apresenta baixo consumo de energia, permitindo operações alimentadas com baterias (ESPRESSIF, 2019).
A Figura 6 ilustra o diagrama em blocos do módulo ESP 32. Figura 6 – Diagrama em blocos do módulo Wi-Fi ESP 32
A grande vantagem desse módulo é que ele é um microcontrolador com Wi-Fi e
Bluetooth integrados. Portanto, além de conectividade, ele também possui diversas entradas e
saídas, digitais e analógicas, simplificando e facilitando muito qualquer projeto.
O ESP 32 apresenta características muito favoráveis para o desenvolvimento de projetos de elevada complexidade, pois como pode ser visto na Figura 7, o mesmo possui 36 entradas e saídas digitais, conversores AD de 12 bits, frequência de 160 MHz, processamento em dois núcleos, além das conectividades Wi-Fi e Bluetooth, citadas anteriormente.
Figura 7 – Características do módulo ESP 32
Fonte: www.filipeflop.com/blog/esp32 (2018).
A Figura 8 ilustra a disposição e a função de cada pino do módulo ESP 32, permitindo a visualização das várias funções disponíveis no mesmo.
_____________________________________________________________________________________ Figura 8 – Disposição dos pinos – módulo Wi-Fi ESP 32
Fonte: Datasheet – Espressif Systems (2019, p. 6).
Esse módulo ESP 32 também é encontrado embarcado em diversos modelos de placas de desenvolvimento, tornando mais fácil o acesso às conexões dos pinos, como é o caso do NodeMCU ESP 32 DEV KIT V1.
2.5 INFRAESTRUTURA DE REDE MESH
Segundo Zhou, Wang e Rao (2008), uma infraestrutura de rede sem fio em malha (WMN
– Wireless Mesh Network) é uma rede hierárquica composta por clientes em malha, roteadores de
malha e entradas. Os roteadores de malha constituem um backbone de malha sem fio, ao qual os clientes da malha são conectados como uma topologia em estrela e os gateways são escolhidos entre os roteadores mesh que fornecem acesso à Internet.
Nessa infraestrutura, segundo Zhou, Wang e Rao (2008), todos os clientes da malha, designados como “nós” da rede, podem se conectar a qualquer outro nó em sua proximidade. A
Figura 9 ilustra uma aplicação típica de rede sem fio em malha e as diversas possibilidades de conexão podem ser contempladas.
Figura 9 – Aplicação típica de rede Mesh
Fonte: IEEE Transactions on Mobile Computing – Volume 7 (2008, p. 1012).
A lógica, segundo Zhou, Wang e Rao (2008), é que cada cliente da rede em malha opera como um repetidor, e dessa forma sempre haverá um ponto de acesso próximo do outro. Sempre haverá no mínimo um equipamento roteador responsável pelo fornecimento de acesso à Internet nessa rede. Com esse funcionamento os usuários podem se locomover com maior liberdade dentro das áreas sem o risco de perder o acesso à rede.
2.6 PROTOCOLO MQTT
O protocolo MQTT (Message Queue Telemetry Transport) foi desenvolvido com base na pilha TCP/IP, e acabou tornando-se o padrão para comunicações de IoT (YUAN, 2017).
O MQTT foi inventado e desenvolvido inicialmente pela IBM no final dos anos 90. Sua aplicação original era vincular sensores em pipelines de petróleo a satélites. Como seu
_____________________________________________________________________________________ nome sugere, ele é um protocolo de mensagem com suporte para a comunicação assíncrona entre as partes. Um protocolo de sistema de mensagens assíncrono desacopla o emissor e o receptor da mensagem tanto no espaço quanto no tempo e, portanto, é escalável em ambientes de rede que não são confiáveis. Apesar de seu nome, ele não tem nada a ver com filas de mensagens, na verdade, ele usa um modelo de publicação e assinatura. No final de 2014, ele se tornou oficialmente um padrão aberto OASIS, com suporte nas linguagens de programação populares, usando diversas implementações de software livre. (YUAN, 2017).
Nesse protocolo os bytes de dados são organizados em mensagens com carga útil de comando e de dados e são transmitidos pela rede TCP/IP. Diversas mensagens estão disponíveis para definir o tipo de comando, dentre elas uma mensagem CONNECT, SUBSCRIBE,
CONNACK, SUBACK, UNSUBSCRIBE, PUBLISH. Para cada mensagem de comando existe uma
tabela com os parâmetros de conteúdo a ser publicado conforme a ação requerida (YUAN, 2017). O MQTT é baseado no modelo de publicação e assinatura, onde existem somente dois tipos de entidades na rede, sendo um “message broker” e inúmeros clientes, publicantes ou assinantes. Nessa situação o broker é responsável por gerenciar as mensagens recebidas e encaminhar aos clientes assinantes do tópico publicado. Um cliente pode ser qualquer equipamento conectado a rede (YUAN, 2017).
O cliente conecta-se ao broker. Ele pode assinar qualquer "tópico" de mensagem no broker. Essa conexão pode ser uma conexão TCP/IP simples ou uma conexão TLS criptografada para mensagens sensíveis.
O cliente publica as mensagens em um tópico, enviando a mensagem e o tópico ao broker.
Em seguida, o broker encaminha a mensagem a todos os clientes que assinam esse tópico. (YUAN, 2017).
A Figura 10 ilustra um modelo de publicação e assinatura utilizando o protocolo MQTT para sensores IoT, e nela podem ser visualizadas todas as entidades presentes na comunicação, sendo o broker, ao centro, e os clientes ao redor, representados pelos sensores, administradores e armazenadores da rede.
Figura 10 – Modelo de publicação e assinatura no protocolo MQTT
Fonte: www.ibm.com/developerworks/br/library/iot-mqtt-why-good-for-iot/index.html (2019).
Diversos sensores podem se conectar simultaneamente ao servidor, tanto para publicar em tópicos, quanto para assinar tópicos, e o mesmo pode ocorrer com os usuários, onde vários podem visualizar as informações em tempo real de forma simultânea (YUAN, 2017).
2.7 PROTOCOLO MODBUS RTU
Em um protocolo de comunicação MODBUS RTU existe a interação entre dispositivos escravos e o Mestre na rede. Nesse protocolo o Mestre não abre comunicação com somente um dispositivo de cada vez, mas sim ele joga na rede a qual ele pertence uma sequência de bits (comandos), contendo o endereço do dispositivo que está sendo chamado e as informações a serem entregues. O destinatário da mensagem tem um tempo previsto para acusar sua atividade na rede, caso contrário aparece um código de erro (BRAGA, 2019).
O modo RTU (Unidade de Transmissão Remota) é o mais utilizado atualmente e é esse modo que define como os dados são formatados antes da transmissão. O RTU tem essa preferência pois o seu frame é composto em binário, onde cada byte contém dois caracteres de 4 bits cada (BRAGA, 2019).
_____________________________________________________________________________________ A Figura 11 ilustra uma linha de produção e seus respectivos dispositivos e sensores, cada um com o seu endereço na rede, sendo controlados pelo Mestre, representado pelo CLP ou computador.
Figura 11 – Linha de produção utilizando Protocolo MODBUS
Fonte: www.newtoncbraga.com.br (2019).
Na Figura 12 está mostrada a composição dos bits e como os mesmos são distribuídos dentro de um frame do protocolo MODBUS.
Figura 12 – Frame do Protocolo MODBUS
Fonte: www.newtoncbraga.com.br (2019).
Essa composição dos bits é válida tanto para o dispositivo Mestre na rede como para os dispositivos escravos nessa mesma rede.
2.8 REAL TIME CLOCK (RTC) DS1302
O circuito integrado DS1302, desempenha a função de um relógio com calendário em tempo real (RTC), fornece todos os dados do tempo e da data como segundos, minutos, horas, dia, mês e ano. A data é ajustada automaticamente conforme o número de dias do mês, além disso possui correção para o ano bissexto. O relógio pode ser ajustado no formato de 12 horas AM/PM ou 24 horas (MAXIM, 2015).
Possui interface de comunicação serial a 3 fios (CE, I/O, SCLK), tornando-se bastante simples a comunicação. O DS1302 possui baixo consumo de energia, com potência dissipada de apenas 1 uW (MAXIM, 2015).
A Figura 13, ilustra o diagrama em blocos de seu funcionamento.
Figura 13 - Diagrama em blocos - DS 1302
Fonte: Datasheet - Maxim Integrated (2015, p.03).
E a Figura 14, ilustra o diagrama com a posição e a descrição de cada um dos pinos do DS 1302.
_____________________________________________________________________________________ Figura 14 - Diagrama dos pinos do DS 1302
Fonte: Datasheet - Maxim Integrated (2015, p.01).
A Tabela 3 contém a descrição da função de cada pino do DS 1302.
Tabela 3 – Descrição dos pinos do DS 1302
PINO Nome Função
1 VCC2 Fonte primária quando configurado para duas fontes
2 X1 Entrada do cristal a 32.768kHz
3 X2 Entrada do cristal a 32.768kHz
4 GND Alimentação Negativa
5 CE Entrada Alta quando leitura ou escrita
6 I/O Pino de Dados bidirecional
7 SCLK Entrada para sincronizar os dados
8 VCC1 Alimentado com bateria para manter os dados
Fonte: Datasheet - Maxim Integrated (2015, p.01).
Conforme indicado, o DS 1302 pode operar com duas fontes de tensão, sendo uma principal e a segunda proveniente de bateria, para manter a memória em caso de falta de energia na fonte principal. Ele também utiliza, para definição do clock, um cristal de 32.768 kHz.
2.9 DASHBOARD
Dashboard é o nome dado a um painel de visualização, que tem por função centralizar um
conjunto de informações, podendo ser indicadores de processos, tempos, medidas, permitindo a gestão do processo visualizado. O dashboard vai de encontro ao conceito de gestão à vista, compartilhando todas as informações com a equipe, auxiliando na tomada de decisões (GOMES, 2017).
Um dashboard com enfoque em questões técnicas, infraestrutura por exemplo, serve para a análise do desempenho e da disponibilidade de dispositivos, aplicações e das tecnologias aplicadas aos processos da empresa. Os dashboards para a gestão de negócios oferecem um panorama dos indicadores da performance geral da organização nessa área. (GOMES, 2017).
Para projetos de automação e monitoramento, o dashboard pode ser representado por um aplicativo instalado em um smartphone ou Tablet, através do qual é possível publicar e se inscrever nos tópicos hospedados na nuvem, recebendo de forma online todas as informações do processo monitorado.
A Figura 15 ilustra um exemplo de dashboard muito frequentemente utilizado nas indústrias para o controle dos processos produtivos.
Figura 15 – Dashboard para controle de produção
Fonte: www.opservices.com.br/o-que-e-um-dashboard (2017).
Todos os dados disponíveis no dashboard estão sendo disponibilizados em tempo real, e permitem uma visão muito ampla de todos os detalhes da produção, desde quantidade produzida, máquinas em operação ou paradas, motivo e tempo de parada de máquina, entre outros.
_____________________________________________________________________________________
3 OPÇÕES DE DESENVOLVIMENTO DO PROJETO
Durante a pesquisa constatou-se que o desenvolvimento do projeto poderia ocorrer de diversas formas diferentes, dentre as quais, as principais que podem ser destacadas são:
Estrutura do projeto baseada em hardware, onde todos os sensores e equipamentos se conectam a um módulo central, por conexão cabeada ou wireless, dependendo do sensor. Neste caso, todo o processamento dos dados ocorre nesse mesmo módulo, e as informações processadas são apenas disponibilizadas através da rede para o armazenamento na nuvem;
Estrutura do projeto baseada em software, com hardware descentralizado, onde cada sensor e cada equipamento pode se conectar diretamente com a rede, por conexão wireless, disponibilizando os dados para armazenamento na nuvem. Neste caso, todo o processamento ocorre em um software específico, hospedado nessa nuvem, o qual é responsável por disponibilizar os resultados processados para os usuários do sistema.
A seguir as duas opções estão ilustradas e explicadas mais detalhadamente. Após a avaliação do custo x benefício de cada uma delas, o projeto mais viável foi escolhido para o desenvolvimento deste trabalho.
3.1 ESTRUTURA DE PROJETO BASEADA EM HARDWARE
Nesse modelo de projeto o componente principal está representado por um módulo controlador central de processos, o qual tem a função de receber as informações de todos os sensores de todas as máquinas ou postos de trabalho, armazenar esses dados e controlar suas saídas para realizar os comandos necessários na linha produtiva. Além disso, esse controlador deve processar as informações recebidas e disponibilizar via rede os dados processados, para armazenamento na nuvem, permitindo uma posterior consulta dos gestores aos mesmos. Neste caso, os gestores também podem enviar comandos remotamente, e alterar informações dentro do controlador central. A Figura 16 ilustra dois conjuntos de sensores e dois módulos controladores centrais considerados como exemplo para esse modelo de estrutura de controle de processos.
Figura 16 – Controle de produção – estrutura baseada em hardware
Fonte: Autoria própria (2020).
Nesse modelo, os sensores atuam de forma secundária e devem se conectar ao módulo central, sendo cada conjunto de sensores ao seu módulo respectivo. Geralmente, cada módulo central controla uma linha de produção específica ou uma máquina qualquer. A conexão dos sensores pode ocorrer de forma cabeada, com cabos blindados, ou de forma wireless, através de um protocolo de comunicação, que pode ser considerado o protocolo MODBUS RTU.
Todo o processamento das informações recebidas, bem como a tomada de ação sobre o processo fica por conta desses módulos controladores centrais, que também ficam responsáveis por enviar os dados processados ao banco de dados, que por sua vez pode estar hospedado em uma nuvem, ou pode estar em um servidor local.
Entre as desvantagens desse modelo de controle está o risco de parada de uma linha de produção inteira em caso de queima ou mal funcionamento de um módulo controlador.
Outra desvantagem, está no custo que é mais elevado, pois cada módulo controlador deve conter no mínimo um microcontrolador, citado anteriormente neste trabalho, bem como display
_____________________________________________________________________________________ para visualização e teclas para programação e controle. Além disso, deve estar equipado com dispositivo de comunicação sem fios para os sensores e para a rede da empresa.
3.2 ESTRUTURA DE PROJETO BASEADA EM SOFTWARE COM HARDWARE DESCENTRALIZADO
Nesse modelo de projeto não existe o módulo controlador central e os componentes principais passam a ser os próprios sensores e atuadores presentes nas máquinas ou nos postos de trabalho. Além disso, nesse formato não existe o processamento local das informações, pois cada equipamento envia seus dados diretamente para a nuvem, permitindo um tratamento posterior dos mesmos. Porém, os gestores ainda podem enviar comandos remotamente, e alterar informações de parametrização através do software de gerenciamento. A Figura 17 ilustra dois conjuntos de sensores enviando suas informações diretamente para a nuvem, mas de forma individual, cada um envia seus dados, como exemplo para esse modelo de estrutura de controle de processos.
Figura 17 – Controle de produção – estrutura baseada em software, com hardwares independentes
Conforme mencionado anteriormente, nesse modelo, os sensores atuam de forma primária e devem se conectar diretamente na rede, de forma individual. Podem existir diversos sensores em cada linha de produção ou em cada máquina. A conexão dos sensores pode ocorrer de forma cabeada, com cabos blindados, mas a grande maioria ocorre de forma wireless. Isso se deve a facilidade de instalação quando não é necessária a montagem de tubulações e a passagem de cabos. Neste caso, a comunicação ocorre através do protocolo MQTT, especialmente desenvolvido para essas situações.
Todo o processamento das informações recebidas, bem como a tomada de ação sobre o processo fica por conta de um software de gerenciamento, que deve estar hospedado na nuvem, acessível tanto aos sensores e atuadores, como também aos gestores do processo. Este software também fica responsável por enviar os dados processados ao banco de dados, que por sua vez, também pode estar hospedado em uma nuvem.
Uma vantagem desse modelo de controle está no menor risco de parada total de uma linha de produção em caso de queima ou mal funcionamento de um sensor. Isso se deve ao fato de um sensor ser responsável por apenas uma parcela das informações da linha, e no caso de sensores imprescindíveis ao funcionamento da mesma, pode-se adotar a instalação de sensores redundantes, elevando a garantia de funcionamento da linha.
Outra vantagem está no menor custo de implementação deste sistema, pois neste caso não existe a necessidade de aquisição dos módulos controladores centralizadores, apenas são necessários os sensores e atuadores com conexão Wi-Fi, tantos quantos forem solicitados pela aplicação.
_____________________________________________________________________________________
4 DESENVOLVIMENTO DO PROJETO
Por questões de custo, simplicidade de implantação, e melhor utilização dos recursos disponíveis no processamento e no armazenamento em nuvem, optou-se pelo desenvolvimento do projeto baseado em processamento dos dados em software hospedado na nuvem, utilizando informações oriundas de diversos equipamentos conectados diretamente à rede, sendo esta, correspondente a segunda opção apresentada anteriormente.
4.1 DEFINIÇÃO DO MICROCONTROLADOR E MÓDULO WI-FI
O projeto foi desenvolvido com base no módulo NodeMCU ESP32 DEVKIT V1, ilustrado na Figura 18, o qual possui embarcado o chip ESP WROOM 32 produzido pela Espressif. Esse módulo é um microcontrolador, que possui 36 entradas e saídas no total, considerando as digitais e as analógicas. Todos os pinos GPIO são configuráveis conforme a necessidade de projeto.
Figura 18 – Módulo NodeMCU ESP32 DEVKIT V1
Fonte: Autoria própria (2020).
As características elétricas desse NodeMCU são muito favoráveis para o desenvolvimento de projetos de monitoramento com baixo custo de implementação. Algumas das principais podem ser citadas como por exemplo, o processamento que ocorre em dois núcleos, devido as
características da CPU, muito boa por sinal, equipada de um processador Dual-Core LX6 de 32 bits, e outro ponto positivo está no clock que pode ser ajustado de 80 MHz até 240 MHz (ESPRESSIF, 2019).
Conforme destacado, as 36 GPIO disponíveis são configuráveis, e destas, 18 podem ser usadas como conversor AD de 12 bits. Além disso, o módulo ESP 32 possui 512 kB de memória RAM e suporta até 16 MB de memória flash externa, embora nesse NodeMCU utilizado estejam disponíveis 4 MB de memória flash (ESPRESSIF, 2019).
A Figura 19 ilustra todas as opções de configurações para os pinos de conexão do NodeMCU ESP32 DEVKIT V1, embora nesse projeto somente sejam necessárias 2 saídas digitais para o acionamento dos relés, 2 saídas digitais para o acionamento dos LEDs, uma entrada digital para leitura de um botão e uma entrada analógica para a leitura de temperatura de um LM35.
Figura 19 – Configuração dos pinos disponíveis no NodeMCU-32S
_____________________________________________________________________________________ O ESP 32 possui Bluetooth V4.2 integrado e Wi-Fi embutido, padrão 802.11 B/G/N, operando na faixa de 2.4 GHz. Pode operar nos modos Client, Access Point ou Station + Access
Point, de acordo com a necessidade do projeto (ESPRESSIF, 2019).
A tensão de operação do ESP 32 está definida em 3,3 Vcc e a corrente máxima suportada em cada pino é de 12 mA (ESPRESSIF, 2019).
Esse módulo permite operações em redes de topologia “Mesh”, ou seja, em malha, melhorando o alcance da comunicação e o protocolo de comunicação utilizado será o MQTT. Este protocolo de comunicação MQTT será utilizado na comunicação dos dispositivos locais com a rede local com acesso a internet para envio das informações para o processamento na nuvem.
A gravação do arquivo executável no módulo, bem como a conexão do ESP 32 com o computador para utilização do monitor serial ocorre via porta mini USB, disponível nesse NodeMCU.
4.2 DEFINIÇÃO DO SERVIÇO DE NUVEM
Para o serviço de nuvem, foi definido para o sistema, a plataforma IBM Watson, designada como “IBM Watson IoT Platform”, na qual esse serviço é ofertado de forma gratuita no plano LITE, até um limite de 500 sensores ou dispositivos conectados e transferência de dados de até 200 MB. Após o acesso ao site da IBM, foi necessário cadastrar um usuário e uma senha para uso da plataforma.
Na sequência foi necessário realizar o cadastro do dispositivo na plataforma, onde foi definido o tipo de dispositivo “ESP32” e o ID do dispositivo “001”. Após o cadastro realizado foi disponibilizado pela plataforma, um ID da organização “xxxxx” e um TOKEN de acesso “xxxxxxxxxxxxxxxxxx” os quais são sigilosos e por esse motivo não podem ser mostrados nesse relatório. Esses dados servem para validar a conexão dos dispositivos móveis com a Plataforma IBM Watson IoT (IBM Cloud), para realizar a publicação e a inscrição de tópicos, portanto devem ser inseridos no código fonte do sistema, gravado no ESP 32, conforme será demonstrado mais adiante.
