UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA E
INFORMÁTICA INDUSTRIAL
VITOR ALEXANDRE SANTOS
CASO DE ESTUDO DE SISTEMA DE EMULAÇÃO EM HARDWARE
PARA APLICAÇÃO COM CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL
DISSERTAÇÃO
CURITIBA 2016
VITOR ALEXANDRE SANTOS
CASO DE ESTUDO DE SISTEMA DE EMULAÇÃO EM HARDWARE
PARA APLICAÇÃO COM CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial da Universidade Tecnológica Federal do Paraná como requisito parcial para obtenção do grau de “Mestre em Ciências” - Área de Concentração: Engenharia de Automação e Sistemas.
Orientador: Prof. Dr. Carlos Raimundo Erig Lima
CURITIBA 2016
AGRADECIMENTOS
Agradeço primeiramente a Deus, pela minha vida e por tudo que me foi proporcionado.
À minha esposa Gabriela, pelo constante incentivo em todos os momentos, que nunca me deixou desistir de nada e esteve ao meu lado nas principais conquistas.
À minha filha Sofia, por ser sempre fonte inspiração em tudo que faço, e proporcionar os momentos mais felizes da minha vida.
À minha mãe Vilma, que sempre esteve ao meu lado e muito próxima, apesar da distância.
Ao meu pai Dirceu, pelo apoio e incentivo.
Em especial ao meu orientador Prof. Dr. Carlos Raimundo Erig Lima, pela dedicação e toda atenção demandada para a concretização desse trabalho.
RESUMO
SANTOS, Vitor Alexandre. Caso de estudo de sistema de emulação em hardware para aplicação com controlador lógico programável. 2016. 172 f. Dissertação
(Mestrado em Engenharia Elétrica e Informática Industrial) - Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial (CPGEI), Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR). Curitiba, 2016.
Este trabalho consiste em um caso de estudo de um emulador de planta industrial implementado em FPGA (Field Programmable Gate Array), a fim de simulação de sistemas em conjunto com um CLP (Controlador Lógico Programável). Com isso, fundamentado na indústria de manufatura, são confrontados resultados práticos de um protótipo de processo industrial com os resultados de um modelo aplicado em FPGA. Dessa maneira, tem-se como objetivo o auxílio em testes em níveis de validação de aplicação em desenvolvimento, aproximação de condições de chão de fábrica, otimização de controle de processo e treinamento em automação industrial baseada em CLP. Como proposta para os modelos, a pesquisa utiliza características de um sistema em malha fechada de controle de velocidade de esteira e a partir desse, um processo de sistema discreto, o qual utiliza como base um processo manufatureiro. Inicialmente a revisão bibliográfica apresenta trabalhos em torno de simulação de sistemas e emuladores baseados em hardware reconfigurável. Também são revisados temas relacionados à indústria de manufatura com a aplicação do CLP, assim como a técnica de modelagem GRAFCET. Em seguida, são apresentadas questões referentes à lógica reconfigurável em torno dos dispositivos FPGA. Na sequência da explanação do tema, é realizada a descrição dos protótipos utilizados, assim como os modelos desenvolvidos em FPGA para o emulador, e assim a realização das comparações dos dados. Com a apresentação dos resultados é possível a verificação da semelhança entre os dois sistemas, físico e modelado na FPGA. As pequenas diferenças detectadas nos resultados obtidos, em alguns pontos da simulação, são discutidas no final do trabalho.
Palavras-Chaves: Controlador lógico programável. Emulação. Simulação.
ABSTRACT
SANTOS, Vitor Alexandre. Case study of emulation system in hardware for application with programmable logic controller. 2016.172 f. Dissertação
(Mestrado em Engenharia Elétrica e Informática Industrial) - Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial (CPGEI), Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR). Curitiba, 2016.
This work is a case study of an industrial plant emulator implemented in FPGA (Field Programmable Gate Array), to simulate systems together with a PLC (Programmable Logic Controller). Based in manufacturing industry, practical results of an industrial process prototype are confronted with the results of an applied model in FPGA. The objective is to assist in testing application validation levels in development, approximation of factory floor conditions, optimization of control process and training in industrial automation based on PLC. As a proposal for the models, the research use characteristics of a closed loop speed control system and from this, a discrete system process, which uses as a basis a manufacturing process. Initially the bibliographic review presents works around simulation of systems and emulators based on reconfigurable hardware. Also are reviewed topics related to the manufacturing industry with the application of PLC, beside the GRAFCET modeling technique. Next, questions will set out questions about reconfigurable logic around FPGA devices. Following the explanation of the theme, we describe the used prototypes and the developed models developed in FPGA for the emulator. Finally the obtained data are compared. With the presentation of the results is possible to verify the similarity between the two systems, physical and modeling in the FPGA. The small differences detected in the results obtained, in some points of the simulation, are discussed at the end of the work.
Keywords: Programmable logic controller. Emulation. Simulation, Industrial
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Arquitetura interna do CLP. ... 35
Figura 2 - Exemplo de linguagem Ladder. ... 39
Figura 3 - Elementos básicos do GRAFCET. ... 40
Figura 4 - Ação contínua. ... 40
Figura 5 - Ação condicional. ... 41
Figura 6 - Ação com retardo. ... 41
Figura 7 - Ação limitada... 41
Figura 8 - Ação impulsional. ... 42
Figura 9 - Ação memorizada. ... 42
Figura 10 - Sequência única... 43
Figura 11 - Seleção de sequência. ... 43
Figura 12 - Salto de etapas. ... 44
Figura 13 - Repetição de sequência. ... 44
Figura 14 - Paralelismo de sequências. ... 45
Figura 15 - Diagrama em blocos do desenvolvimento do projeto... 50
Figura 16 - Diagrama em blocos dos ensaios aplicados. ... 52
Figura 17 - Emulação de processo de manufatura em FPGA para o CLP. ... 54
Figura 18 - Diagrama da sequência de apresentação dos temas. ... 55
Figura 19 - Diagrama em blocos do sistema de controle da esteira. ... 57
Figura 20 - Sistema de controle da esteira. ... 58
Figura 21 - Diagrama em blocos do circuito de controle do motor. ... 59
Figura 22 - Diagrama em blocos do circuito de encoder. ... 59
Figura 23 - Comparador de tensão. ... 60
Figura 24 - Bloco PID do CLP. ... 61
Figura 25 - Sistema de supervisão para controle do motor. ... 62
Figura 26 - Bando de dados. ... 63
Figura 27 - Diagrama em blocos do sistema de manufatura. ... 64
Figura 28 - Protótipo de planta física. ... 65
Figura 29 - GRAFCET da primeira linha do processo. ... 68
Figura 30 - GRAFCET da segunda linha do processo. ... 69
Figura 31 - Arquitetura de rede. ... 70
Figura 32 - Tela inicial do sistema de supervisão. ... 71
Figura 33 - Tela de processo automático. ... 71
Figura 34 - Tela de processo manual. ... 72
Figura 35 - Tela de arquitetura de rede. ... 72
Figura 36 - Placa didática DE1. ... 74
Figura 37 - Circuito de interface CLP - FPGA. ... 75
Figura 38 - Circuito de interface FPGA - CLP. ... 76
Figura 39 - Programa para gerar curva teórica a partir da curva real. ... 78
Figura 40 - Modelo em FPGA do sistema dinâmico da esteira. ... 80
Figura 41 - Máquina de estados da equação de diferenças. ... 81
Figura 42 - Diagrama da máquina de estados da equação de diferenças. ... 81
Figura 43 - Transições da máquina de estados da equação de diferenças. ... 82
Figura 44 - Somadores e subtratores da equação de diferenças. ... 82
Figura 45 - Bloco para valor de referência de contagem. ... 85
Figura 46 - Bloco divisor de frequência. ... 85
Figura 47 - Arquitetura do bloco do motor, placa de acionamento e encoder. ... 86
Figura 49 - Diagrama da esteira transportadora. ... 87
Figura 50 - Modelo da placa de acionamento do motor. ... 88
Figura 51 - Arquitetura interna do modelo de acionamento do motor. ... 88
Figura 52 - Bloco de divisão de frequência por doze. ... 89
Figura 53 - Arquitetura interna do bloco de divisão por doze. ... 89
Figura 54 - Bloco para conversão da velocidade angular em linear. ... 90
Figura 55 - Arquitetura interna do bloco de conversão. ... 90
Figura 56 - Relação de engrenagens. ... 91
Figura 57 - Conjunto completo de engrenagens utilizadas. ... 91
Figura 58 - Modelo da redução com engrenagens. ... 92
Figura 59 - Arquitetura interna do modelo da redução com engrenagens. ... 93
Figura 60 - Bloco para gerar valor de referência de contagem. ... 93
Figura 61 - Arquitetura interna do bloco de cálculo de referência. ... 94
Figura 62 - Bloco para emulação da esteira transportadora... 94
Figura 63 - Arquitetura interna do bloco da esteira. ... 95
Figura 64 - Diagrama dos sistemas de posicionamento e marcação. ... 96
Figura 65 - Máquina de estados dos posicionadores. ... 97
Figura 66 - Transições da máquina de estados dos posicionadores. ... 97
Figura 67 - Arquitetura interna do bloco dos posicionadores. ... 98
Figura 68 - Bloco para emulação dos posicionadores. ... 98
Figura 69 - Modelo da planta completa. ... 99
LISTA DE GRÁFICOS
Gráfico 1 - Não linearidade do sistema motor e esteira. ... 77
Gráfico 2 - Resposta dinâmica do sistema da esteira. ... 77
Gráfico 3 - Respostas do sistema da esteira e modelo dinâmico gerado. ... 79
Gráfico 4 - Curva do modelo estático do motor. ... 84
Gráfico 5 - Resultado da equação de diferenças no Signal Tap II. ... 103
Gráfico 6 - Resposta do PID para setpoint de 200 Hz. ... 104
Gráfico 7 - Resposta do PID para setpoint de 400 Hz. ... 105
Gráfico 8 - Resposta do PID para setpoint de 150 Hz. ... 106
Gráfico 9 - Ganho proporcional multiplicado por 2 para esteira. ... 106
Gráfico 10 - Ganho proporcional multiplicado por 2 para FPGA. ... 107
Gráfico 11 - Ganho proporcional multiplicado por 3 para esteira. ... 108
Gráfico 12 - Ganho proporcional multiplicado por 3 para FPGA. ... 108
Gráfico 13 - Frequência de saída do modelo da FPGA para a combinação 71. ... 110
Gráfico 14 - Frequência de saída do modelo da FPGA para a combinação 96. ... 110
Gráfico 15 - Frequência de saída do modelo da FPGA para a combinação 189. ... 111
Gráfico 16 - Frequência de saída do modelo da FPGA para a combinação 208. ... 111
Gráfico 17 - Frequência de saída do modelo da FPGA para a combinação 251. ... 112
Gráfico 18 - Análise do modelo da esteira. ... 113
Gráfico 19 - Análise do tempo de acionamento da esteira. ... 114
Gráfico 20 - Relação dos acionamentos da esteira do sistema físico. ... 115
Gráfico 21 - Relação dos acionamentos da esteira do modelo da FPGA. ... 117
Gráfico 22 - Análise do modelo do posicionador. ... 119
Gráfico 23 - Análise do tempo de avanço do posicionador. ... 119
Gráfico 24 - Análise de tempo de retorno do posicionador. ... 120
Gráfico 25 - Relação dos acionamentos do posicionador do sistema físico. ... 121
Gráfico 26 - Relação dos acionamentos do posicionador do modelo da FPGA. ... 123
Gráfico 27 - Esteira 1 e posicionador 1 para o sistema físico. ... 125
Gráfico 28 - Posicionador 2 e esteira 2 para o sistema físico... 126
Gráfico 29 - Encoders e sinalizadores para o sistema físico. ... 127
Gráfico 30 - Esteira 1 e posicionador 1 para o modelo da FPGA. ... 129
Gráfico 31 - Posicionador 2 e esteira 2 para o modelo da FPGA. ... 130
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Indicação dos sinalizadores da linha. ... 66
Tabela 2 - Relação das conexões do CLP com a FPGA. ... 83
Tabela 3 - Número de dentes das engrenagens utilizadas. ... 92
Tabela 4 - Valores de saída do sistema da esteira e da função de transferência. .. 102
Tabela 5 - Resultado da análise do sinal pulsado do modelo com o SIgnal Tap II. 112 Tabela 6 - Relação dos acionamentos da esteira do sistema físico. ... 114
Tabela 7 - Relação dos acionamentos da esteira do modelo da FPGA. ... 116
Tabela 8 - Relação dos acionamentos do posicionador do sistema físico. ... 120
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ... 13 1.1 MOTIVAÇÕES ... 16 1.2 OBJETIVOS ... 17 1.2.1 Objetivo Geral ... 17 1.2.2 Objetivos Específicos ... 18 1.3 ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO ... 18 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ... 20 2.1 TRABALHOS CORRETATOS ... 20
2.1.1 Trabalhos Sobre Simulação de Sistemas ... 21
2.1.2 Trabalhos Sobre Emulações em Hardware ... 26
2.1.3 Conclusões Sobre os Trabalhos de Simulações ... 30
2.2 SISTEMAS DE AUTOMAÇÃO ... 32
2.2.1 Automação de Manufatura ... 32
2.2.2 Controlador Lógico Programável ... 33
2.2.3 GRAFCET ... 39
2.3 COMPUTAÇÃO RECONFIGURÁVEL ... 45
2.4 CONSIDERAÇÕES FINAIS DO CAPÍTULO ... 47
3 METODOLOGIA ... 49
3.1 METODOLOGIA APLICADA NOS PROTÓTIPOS E MODELOS ... 49
3.2 METODOLOGIA APLICADA NOS ENSAIOS ... 51
3.3 CONSIDERAÇÕES FINAIS DO CAPÍTULO ... 55
4 CONSTRUÇÃO DOS PROTÓTIPOS FÍSICOS ... 56
4.1 SISTEMA DE CONTROLE DE VELOCIDADE DA ESTEIRA ... 56
4.1.1 Interfaces Eletrônicas para Controle de Velocidade da Esteira ... 58
4.1.2 Controle de Velocidade da Esteira em Malha Fechada... 60
4.1.3 Sistema de Supervisão e Bancos de Dados ... 61
4.2 PLANTA FÍSICA PARA SISTEMAS A EVENTOS DISCRETOS ... 63
4.2.1 Dispositivos Controlados e Monitorados ... 65
4.2.2 GRAFCET do Programa do CLP ... 67
4.2.3 Arquitetura de Rede do Sistema de Controle ... 69
4.2.4 Sistema de Supervisão da Planta ... 70
4.3 CONSIDERAÇÕES FINAIS DO CAPÍTULO ... 73
5 MODELOS EM FPGA PARA AS EMULAÇÕES DE PROCESSOS ... 74
5.1 CIRCUITOS ELETRÔNICOS PARA CONEXÃO DO CLP COM A FPGA ... 74
5.2 MODELO DO SISTEMA DE CONTROLE DE VELOCIDADE DA ESTEIRA ... 76
5.3 MODELO DA PLANTA FÍSICA ... 83
5.3.1 Levantamento do Modelo Estático do Motor ... 84
5.3.2 Elaboração do Bloco com Valores de Frequência do Motor ... 84
5.3.3 Desenvolvimento do Sistema da Esteira ... 86
5.3.4 Desenvolvimento do Sistema dos Posicionadores ... 96
5.3.5 Desenvolvimento da Planta de Manufatura ... 98
5.4 CONSIDERAÇÕES FINAIS DO CAPÍTULO ... 100
6 RESULTADOS E SUAS ANÁLISES ... 102
6.1 ANÁLISE DO SISTEMA EM MALHA ABERTA DA ESTEIRA ... 102
6.2 ANÁLISE DO SISTEMA EM MALHA FECHADA DA ESTEIRA ... 103
6.3 ANÁLISE DO MODELO ESTÁTICO DO MOTOR ... 109
6.4 ANÁLISE DA ESTEIRA TRANSPORTADORA ... 113
6.6 ANÁLISE DA PLANTA DE PROCESSO DE MANUFATURA ... 124
6.7 CONSIDERAÇÕES FINAIS DO CAPÍTULO ... 132
7 CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 134
7.1 CONCLUSÕES ... 134
7.2 PROPOSTAS PARA TRABALHOS FUTUROS ... 137
7.3 PUBLICAÇÕES ... 139
REFERÊNCIAS ... 140
APÊNDICE A - Tabelas de valores para os modelos estáticos ... 149
APÊNDICE B - Sistemas de Supervisão ... 153
APÊNDICE C - Redes Industriais ... 156
1 INTRODUÇÃO
A aplicação de testes em sistemas de controle industrial é indispensável para atividades de comissionamento de equipamentos, otimização de processos e aplicações de estratégias de controle. No entanto, rotinas de testes podem apresentar custos e tempos elevados para implementação (SOUZA et al, 2014).
Com base nos diversos sistemas dinâmicos que podem compor um processo industrial, como exemplo o controle de velocidade de um motor elétrico, ou até mesmo um processo de fabricação, os custos relacionados aos testes citados podem ser representados por despendido de matéria prima, tempo de máquina parada e até mesmo por montagens de protótipos em pequena escala. Neste âmbito, esses são alguns dos motivos que podem inviabilizar uma sequência de testes e ensaios em busca de melhorias para um determinado sistema de controle de processo (SOUZA et al, 2014).
Com isso, a prática do uso de ferramentas de simulação pode apresentar benefícios, ao permitir a execução dos testes apresentados de forma que não interfiram no processo produtivo (SOUZA et al, 2014).
Considerando o tema de simulação de sistemas, o qual é amplamente estudado por pesquisadores há muito tempo, diversos trabalhos mostram a relevância do assunto. Em Zhang et al (2016), Schlott, Rauscher e Sawodny (2016), Silva e Ribeiro (2012), Nogueira et al (2012), Kim et al (2011), Dixit, Patil e Chandorkar (2009), é possível a verificação de plataformas de simulação de sistemas, o que comprova a importância de estudo do tema.
Outros trabalhos mostram estudos para simulação de sistemas a partir de computação reconfigurável por meio de FPGA (Field-Programmable Gate Array). Em Fleming e Edrington (2016), Sarma e Dutt (2014), Banerjee e Gupta (2011) e Khoury et al (2011), é possível verificar trabalhos com base em FPGA para emulação de sistemas. Com esses emuladores construídos é possível a simulação de um determinado processo.
De forma análoga aos trabalhos de Fleming e Edrington (2016), Sarma e Dutt (2014), Banerjee e Gupta (2011) e Khoury et al (2011), essa dissertação apresenta a modelagem de sistemas estáticos e dinâmicos de um processo produtivo para emulação em FPGA. Com o uso do emulador citado é possível a realização de simulações com base em CLP (Controlador Lógico Programável), por exemplo.
Segundo Burhan, Azman e Talib (2015), o CLP possui grande aceitação na indústria e dessa forma, constitui a principal maneira de controle no ambiente fabril.
Em relação ao tema de controle industrial, o qual está diretamente ligado com a ampla utilização de CLP, outro tópico pode ser abordado referente à utilização de simuladores, o apoio no ensino para a área de programação de CLP.
Em Moraes e Castrucci (2007) é mostrado a necessidade de mão de obra especializada para a implementação de sistemas automatizados com base em conhecimentos relacionados ao CLP.
Para o mercado brasileiro, diversas empresas apresentam soluções para desenvolvimento de automação de processos industriais, no entanto, conforme Vieira (2007), as rotinas de programação de CLP são realizadas de forma empírica, utilizando a experiência profissional do programador, sem a adoção de nenhuma metodologia de desenvolvimento.
Apesar da normatização em torno das interfaces de desenvolvimento, como exemplo a interface TIA Portal e Simatic Manager da Empresa Siemens e o SoMachine e UnityPro da Empresa Schneider Electric, segundo a IEC 61131-3 e dos métodos de modelagem de sistemas para programação de CLPs, as implementações de sistemas de automação ainda convergem para métodos empíricos.
Relacionando a falta de metodologia da força de trabalho, apontada por Vieira (2007) com a necessidade de desenvolvimento de sistemas automatizados, trabalhos relacionados ao processo de aprendizagem apresentam elevada relevância.
No desenvolvimento acadêmico, em relação à área de controle industrial por meio de CLP, a importância de trabalhos práticos de laboratório com pequenas plantas didáticas, kits didáticos e simuladores, se mostra como fator imprescindível na formação dos alunos (RANGEL; SOARES; SOUZA, 2012), (WOLLENBERG; MOHAN, 2010), (PEREIRA; PALADINI; SCHAF, 2012).
Enfatizando o exposto pelos autores, o desenvolvimento de habilidades que estimulam a capacidade criativa é uma etapa importante no processo de aprendizagem dentro da área da engenharia (QUEIROZ et al, 2010) (CARVALHO et al 2010).
Tendo como base a situação descrita, atividades práticas relacionadas a sistemas de automação, salientando o equipamento CLP, são importantes em
grades curriculares. No entanto, exigem infraestrutura dedicada, tornando os laboratórios mais complexos, dependentes de maiores espaços físicos e com custos mais elevados (RANGEL; SOARES; SOUZA, 2012).
Com esse cenário, como auxilio no processo de aprendizado em cursos técnicos, de tecnologia e engenharia, e assim atingir a qualidade necessária para os novos programadores, tem-se a execução de atividades práticas em laboratórios de automação.
Contudo, para a execução de atividades em torno de sistemas de automação, faz-se necessário investimento em equipamentos para os laboratórios, os quais oneram custos. Assim, uma forma de proporcionar atividades práticas, sem grandes investimentos em equipamentos, é a utilização de ferramentas de simulação.
Conforme tratado anteriormente, a prática no uso de simuladores pode auxiliar em atividades práticas industriais, salientando as de comissionamento, otimização e estratégias de controle assim como em atividades práticas de laboratório em instituições de ensino.
Em função do previamente exposto, a proposta desse trabalho é validar o desenvolvimento de uma ferramenta para simulação. Assim, é apresentado um emulador de processo industrial, com base em processo de manufatura, a partir da utilização de hardware reconfigurável, com implementação em FPGA.
Tal abordagem visa facilidade na interpretação dos dados, elevada similaridade do modelo emulado com o sistema real e a proposta de um sistema de representação de modelos de plantas que possam auxiliar o ensino e a pesquisa de processos de controle a eventos discretos, particularmente focados em controladores lógicos programáveis.
Dessa forma, tem-se como objetivo nessa dissertação a apresentação de um emulador de processo de manufatura implementado em FPGA. Como validação dos dados recolhidos do emulador, tem-se como proposta a comparação com os dados obtidos em um protótipo físico de processo de manufatura. Assim, conforme a análise dos resultados dos dois processos, protótipo físico e emulado em FPGA, tem-se a validação do emulador.
1.1 MOTIVAÇÕES
Atualmente diversos trabalhos apresentam sistemas emulados fundamentados em hardware reconfigurável. Conforme citado na seção anterior, Fleming e Edrington (2016), Sarma e Dutt (2014), Banerjee e Gupta (2011) e Khoury et al (2011) apresentam trabalhos de sistemas emulados em FPGA.
De forma complementar aos trabalhos citados, Wojciechowski et al (2014), Schmitt et al (2014), Matoga et al (2015), Mayorga et al (2015) e Eider, Kunze e Poeschl (2016) também apresentam emulação de sistemas implementados em FPGA, o que comprova a relevância do tema, e dessa forma a motivação para a implementação do projeto proposto.
Conforme apresentado por Souza et al (2014), a necessidade de trabalhar com etapas de testes em processos industriais, seja para tratar de comissionamento de plantas, estratégias de controle ou otimização de sistemas, o desenvolvimento de uma ferramenta de baixo custo que possa suprir tais necessidades, também se mostra como agente motivador.
Com relação á área acadêmica, o presente trabalho destaca o auxílio no ensino e pesquisa de automação industrial. É proposta uma ferramenta de emulação de processo industrial, a qual pode fazer parte de bancadas de laboratórios em instituições de ensino, para uso em disciplinas correlatas ao tema, assim como suporte em projetos de pesquisa.
Quanto às disciplinas relacionadas à área de controle de processos industriais, ofertadas nos cursos da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR), tem-se também a utilização de uma ferramenta de baixo custo como material complementar para os laboratórios, o que também se caracteriza como agente de motivação.
Em Wenhua e Na (2010) é apresentada uma proposta de implementação de um simulador em CLP. Assim, determinadas rotinas industriais podem ser emuladas por um CLP. Dessa forma, para a aplicação proposta, um CLP é o emulador para o outro CLP, o de controle.
No entanto, a limitação da ferramenta de simulação é diretamente dependente da limitação do CLP. Considerando médios e grandes processos industriais, um CLP capaz de controlar, assim como simular a planta em questão possui custo elevado.
Com isso, outra questão motivadora para este trabalho de pesquisa é a apresentação de uma ferramenta de simulação para processos industriais de baixo custo e com elevado desempenho, por tratar de emulação em hardware.
Outro fator de motivação é a interdisciplinaridade em torno das áreas relacionadas. Esse trabalho propõe a utilização de dispositivos reconfiguráveis em hardware, porém a aplicação do mesmo é para a área de automação industrial. Com isto, a estrutura laboratorial construída para auxiliar o ensino de uma determinada disciplina pode ser usada para auxiliar no desenvolvimento de outra disciplina. Não por menos, em Rocha Filho et al (2006), a interdisciplinaridade é citada como uma característica importante, a qual impõe ao aluno uma visão global dentro de um processo.
Além disto, a possibilidade da diminuição do número de bancadas em um laboratório de ensino de automação e controle, particularmente focado em CLP, é uma forte motivação para o trabalho. Isto é alcançado pela possiblidade de representar diversos sistemas clássicos estudados em tais laboratórios, utilizando-se de uma placa com uma FPGA e suas interfaces. Além da redução de custo em relação aos sistemas reais, resta a grande flexibilidade na otimização de modelos previamente construídos ou na construção de modelos totalmente novos.
Importante salientar que o processo de automação discreto é utilizado apenas como exemplo, dentro do objetivo de validação do método de emulação. No entanto, como o dispositivo utilizado para a modelagem é reconfigurável em hardware, pode-se aplicar o mesmo para tratamento e análipode-se de uma automação de processo contínuo, apenas alterando o modelo implementado. Dessa forma, o trabalho tem como ponto principal a validação somente, deixando o setor a ser aplicado livre e em concordância com o objetivo de quem possa utilizá-lo.
1.2 OBJETIVOS
1.2.1 Objetivo Geral
Apresentar um caso de estudo de sistema de emulação de processo industrial com implementação em FPGA, a fim de controle por meio de CLP.
1.2.2 Objetivos Específicos
• Construir um sistema em malha fechada para controle de velocidade de esteira, assim como um protótipo de planta física de processo de manufatura composta de sistema mecânico, sistema de controle e automação fundamentada em controlador lógico programável, redes industriais e sistema de supervisão.
• Desenvolver na FPGA, o modelo dinâmico equivalente ao sistema de controle de velocidade da esteira e o modelo da planta de manufatura.
• Desenvolver o sistema de automação para os processos, protótipo e modelo em FPGA, sob as questões do programa do CLP, com base em técnicas de modelagem de sistemas sequenciais, assim como o sistema de supervisão, integração com banco de dados e redes industriais.
• Armazenar os dados obtidos do funcionamento dos sistemas físicos, assim como os dados resultantes dos processos de simulação, retirados dos modelos desenvolvidos na FPGA.
• Validar o método de emulação de processos industriais por meio da
comparação dos resultados de ambos os sistemas.
1.3 ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO
Este trabalho é formado por sete capítulos, descritos a seguir: • Capítulo 1 - Introdução;
Apresentação do tema, motivações, objetivo geral, objetivos específicos e estrutura do trabalho.
• Capítulo 2 - Fundamentação teórica;
Revisão bibliográfica dos assuntos referentes ao trabalho de pesquisa, como trabalhos sobre simulação de sistemas, emulação de sistemas em hardware, conceitos de automação de manufatura, apresentação do CLP, modelagem GRAFCET e computação reconfigurável.
• Capítulo 3 - Metodologia;
Apresentação da metodologia utilizada na construção dos sistemas físicos e modelos em FPGA, assim como uma explanação da aplicação dos ensaios necessários para a validação dos testes.
• Capítulo 4 - Construção dos protótipos físicos;
Apresentação das etapas de construção dos protótipos necessários para a validação do sistema modelado na FPGA, assim como a elaboração do sistema de automação, composto por modelagem do programa do CLP, sistema de supervisão, aplicação das redes industriais e configuração do banco de dados.
• Capítulo 5 - Modelos em FPGA para as emulações de processos;
Desenvolvimento dos modelos dos sistemas físicos em FPGA, tanto para o de malha fechada de controle de velocidade da esteira quanto para o protótipo físico de planta industrial de manufatura.
• Capítulo 6 - Resultados e suas análises;
Verificação dos resultados obtidos com os sistemas físicos, assim como a verificação dos resultados obtidos com os modelos implementados na FPGA e a comparação dos mesmos.
• Capítulo 7 - Considerações Finais;
Apresentação das conclusões do trabalho, sugestões para trabalhos futuros e publicações obtidas com o projeto de pesquisa.
• Referências Bibliográficas; • Apêndices;
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Nesse capítulo é apresentada a revisão bibliográfica relacionada ao tema da pesquisa. Inicialmente, na seção 2.1 a revisão traz uma análise de trabalhos correlatos, onde é tratado do estado da arte de temas como simulações de sistemas e emulações em hardware, o qual é o objetivo central deste trabalho. Em seguida, na seção 2.2, é analisado o estado da técnica com abordagem de temas relacionados com o desenvolvimento de sistemas de automação industrial com base na indústria de manufatura, devido às características do processo industrial utilizado para o emulador proposto. São revisados assuntos em torno do CLP, pois o objetivo na utilização do emulador apresentado é para a utilização em conjunto com esse equipamento, assim como as técnicas de desenvolvimento com o GRAFCET, devido à aplicação do mesmo junto aos sistemas de manufatura. Por fim, na seção 2.3 são revisados assuntos em torno de computação reconfigurável baseada em hardware, utilizando a FPGA para implementação do emulador e na seção 2.4 as considerações finais para o capítulo.
2.1 TRABALHOS CORRETATOS
O tema central desse projeto de pesquisa está na simulação de processos industriais com implementação em hardware.
Assuntos referentes à simulação de sistemas são discutidos em diversos trabalhos há muito tempo, como exemplo em Aktan (1996), Casini (2003), Mossin (2007), Pinho (2008) e Dixit, Patil e Chandorkar (2009). Vieira (2006) salienta que o processo de simulação não é um tema atual, despertando o interesse desde 1974, como é apontado em seu trabalho.
No entanto trabalhos recentes relacionados à simulação, como em Kim et al (2011), Silva e Ribeiro (2012), Nogueira et al (2012), Pontes (2012), Santos et al (2013), Martins (2013), Schlott, Rauscher e Sawodny (2016) e Zhang et al (2016) evidenciam a importância do tema em questão.
De forma semelhante, diversos trabalhos de simulação relacionados ao desenvolvimento de emuladores baseados em hardware, conforme Dufour et al (2006), Wojciechowski et al (2014), Schmitt et al (2014), Matoga et al (2015),
Fleming e Edrington (2016), Mayorga et al (2015) e Eider, Kunze e Poeschl (2016) , justificam o desenvolvimento do trabalho proposto nesta dissertação.
Nas subseções 2.1.1 e 2.1.2, trabalhos relacionados à simulação de sistemas, assim como emulação em hardware com base em FPGA são tratados de forma mais detalhada, com objetivo de um melhor acompanhamento do estado da arte desta dissertação.
2.1.1 Trabalhos Sobre Simulação de Sistemas
Há décadas trabalhos em torno de simulações de sistemas para as áreas da engenharia são desenvolvidos. Como exemplo, em Aktan et al (1996), é apresentado um sistema de simulação para utilização na área de controle. Em Casini et al (2003), é apresentado um simulador de sistemas dinâmicos com o software Matlab/Simulink. Em Mossin (2007) é apresentado um laboratório para experiências na área de automação e controle industrial, assim como em Martins (2013) é apresentado um sistema de simulação com controlador lógico programável e interface homem máquina para experiências com processos industriais.
Segundo Cheng, Feng e HSU (2006) a simulação pode ser utilizada para avaliação de sistemas e melhoria no desempenho de um determinado processo, assim como Harrel, Ghosh e Bowden (2000), os quais salientam que a simulação é uma modelagem de um sistema em computador, com a finalidade na imitação de um processo em questão, com o intuito da avaliação e melhorias no desempenho.
Vieira (2006) apresenta um trabalho sobre a viabilidade de atividades de simulação em processos industriais. O autor enfatiza o objetivo em torno de tal assunto, o qual busca aumento de desempenho de processos já existentes, garante que novos processos sejam testados antes de suas implementações e utiliza o modelo para prever o comportamento futuro de um sistema O autor ainda apresenta ferramentas de simulação como o ARENA (Rockwell Software Automation Inc), AutoMod (Autosimulation) e ProModel (ProModel Corporation), assim como apresenta áreas de aplicação de simulação como logística, ferrovias, siderurgia, manufatura, petróleo e celulose.
Em Banks et al (2005), é afirmado que a simulação é amplamente aplicada em sistemas de manufatura para análise de problemas complexos.
Considerando os trabalhos desenvolvidos que tratam de temas em torno de simulações de sistemas, diversos formatos são analisados. Trabalhos como os de Aktan et al (1996), Mossin (2007) e Martins (2013) apresentam simuladores a partir de laboratórios remotos, permitindo experiências em diversos segmentos na área de engenharia com acesso remoto aos equipamentos. Por meio de conexões de redes, acesso à internet, navegadores web, têm-se a integração com tais laboratórios.
Para Casini et al (2003), Oliveira (2003) e Nogueira et al (2012), as ferramentas de simulação tratam de sistemas dinâmicos, voltados para disciplinas da área de controle em cursos de engenharia. Dessa forma os autores apresentam projetos representativos de sistemas dinâmicos com foco no estudo de estratégias de controle.
Em Pinho (2008) e Santos et al (2013) são apresentados trabalhos correlatos ao tema de simulação com objetivo no estudo de técnicas de otimização de sistemas. Os trabalhos tratam de sistemas de eventos discretos integrados a simuladores computacionais, assim como Pontes (2012), que apresenta em sua Tese de Doutoramento um ambiente de simulação de sistema de manufatura.
Com relação aos trabalhos de manufatura, Junqueira (2001), Duarte et al (2004), Braghirolli (2009), Lucca et al (2009), Simão et al (2009), assim como Curzel e Lüders (2014), também apresentam trabalhos relacionados à simulação de sistemas discretos relacionados à processos de manufatura.
Outros formatos de trabalhos também são analisados nessa seção de revisão bibliográfica. Em Dixit, Patil e Chandorkar (2009), assim como Zhang et al (2016), são verificados plataformas de simulação com base em sistemas RTOS (Real Time Operating System), os quais tratam de projetos baseados em tempo real.
Por fim, em Silva e Ribeiro (2012) é verificado um sistema de simulação com base em emulação de um processo produtivo para fins didáticos. Dessa forma é possível a simulações de ambiente de chão de fábrica com intuito de estudo do mesmo. Em Schlott, Rauscher e Sawodny (2016) é apresentado um emulador de sistemas físico, com objetivo no estudo de técnicas de controle para o projeto desenvolvido.
Com relação aos trabalhos sobre acesso remotos a laboratórios para fins de simulação, e por consequência atividades didáticas em torno dos mesmos, Aktan et al (1996) apresentam atividades em torno do controle de um braço robótico, um
motor de corrente contínua e uma suspensão magnética. Com isso, atividades práticas podem ser aplicadas em disciplinas correlatas aos temas propostos. Com as simulações nos laboratórios tem-se a possibilidade de atividades práticas. Importante salientar que os autores evidenciam a necessidade de experiências práticas no processo de aprendizagem, as quais são proporcionadas por atividades de laboratório.
Mossin (2007) apresenta um trabalho sobre a utilização de laboratórios remotos para experiências na área de automação e controle. Nesse contexto, o autor apresenta uma arquitetura de sistema de automação a distância, fazendo uso da internet para o acesso dos elementos de campo. Em seu trabalho, Mossin aplica a utilização de tais laboratórios para o ensino de controle de sistemas distribuídos via rede de campo no protocolo Foundation Fieldbus.
Complementando o exposto por Mossin (2007) e Aktan et al, Martins (2013) apresenta um laboratório para estudo de automação de processos industriais. Em seu trabalho, Martins implementa um processo industrial, o qual é conectado à um controlador lógico programável S7-1200 e uma interface homem máquina, ambos da empresa Siemens. Com o auxílio de outros softwares, é desenvolvido um sistema para integração com o laboratório, por meio de acesso remoto, permitindo a utilização de todas as funcionalidades disponíveis no mesmo, por meio de uma interface simples para simulações de um processo industrial à distância.
Em relação a simuladores de sistemas dinâmicos Casini et al (2003) desenvolvem uma plataforma de simulação representada pelo controle de um motor de corrente contínua, um tanque para controle de nível, um sistema de levitação magnética e um helicóptero com dois graus de liberdade. O acesso aos sistemas dinâmicos se dá por meio de um navegador web em conjunto com o software Matlab/Simulink.
Complementando o trabalho de Casini et al (2003), Nogueira et al (2012) apresentam um trabalho de simulação de sistemas de primeira e segunda ordem. O módulo didático é fundamentado em um microcontrolador com interface para sinais de entradas e saídas. No controlador do módulo apresentado têm-se os modelos das plantas simuladas. Este protótipo tem como objetivo a realização de testes experimentais relacionados a sistemas de controle.
Da mesma forma Oliveira (2003) desenvolve um sistema baseado em modelagem para a simulação de sistemas dinâmicos, enfatizando um estudo na
implementação de controladores de posição de juntas robóticas. Com isso, o autor desenvolve um estudo dos elementos constituintes de uma junta robótica, com motor de corrente contínua, redução, acoplamento mecânico, entre outros. Assim define o controle a ser utilizado, incluindo a geração de trajetórias para o projeto implementado com o sistema em malha de controle. Por fim, Oliveira valida seus algoritmos utilizados em seu modelo didático por meio de uma bancada experimental, desenvolvida em pequena escala.
Considerando a atividade de simulação para sistemas de manufatura, sob o contexto de sistemas de eventos discretos, Santos et al (2013) apresentam um método para simulação sob o conceito de controle supervisório modular local. É adaptada uma proposta de simulação de eventos discretos para o tratamento de sistemas compostos de várias plantas e supervisores. Para as simulações propostas pelos autores, são considerados sistemas flexíveis de manufatura, sistemas integrados de manufatura, linha de transferência industrial, célula de manufatura e sistema de manufatura.
Seguindo o propósito de simulações de sistemas voltados para processos de manufatura, Pinho (2008) salienta que métodos de otimização com simulação a eventos discretos, apesar de possuírem diversas aplicações no setor manufatureiro, possuem baixo desempenho quando analisados a partir do viés do tempo computacional. Dessa forma, o autor propõe uma metodologia para otimização de modelos de simulação a partir de algoritmos genéticos, com o intuito na obtenção de maior eficiência no processo de simulação quando comparada com ferramentas comerciais conhecidas.
Pontes (2012) salienta que o processo manufatureiro tem se tornado cada vez mais complexo e de difícil operacionalização e com isso, dificilmente o responsável pelo sistema terá toda informação necessária para antever questões relativas à execução de seu processo. Em contrapartida, as indústrias não dispõem de recursos, assim como tempo para análise de manufatura em tempo real. Dessa forma Pontes (2012) justifica o processo de simulação de sistema de manufatura e assim apresenta em seu trabalho um ambiente para simulação baseado em features e realidade virtual. Com os features da peça e modelos tridimensionais baseados em realidade virtual, Pontes (2012) desenvolve a simulação do processo de manufatura e com isso consegue extrair dados de simulação, assim como ações de tomadas de decisão como tempo total de manufatura, custo e tempo por recurso de fabricação e
movimentação, tempo de espera em fila e taxa de utilização de cada recurso de um processo sem causar interferência na linha de montagem de uma empresa.
Segundo os conceitos sobre sistemas a eventos discretos, Junqueira (2001) trata da modelagem de sistemas flexíveis de manufatura sob o aspecto das redes de Petri interpretadas. Nesse processo de modelagem Junqueira propõe uma metodologia para modelagem de um sistema de movimentação de materiais em ambiente fabril. Assim, como estudo de caso, apresenta uma modelagem de um sistema de movimentação simplificado aplicado em uma Empresa Automobilística situada na cidade de São Paulo.
Em Duarte et al (2004) é apresentado um método de simulação para fins didáticos onde uma esteira transportadora e um silo de material são controlados por CLP. Assim, a quantidade de material escoada do silo, por meio de uma válvula, é dada através de uma balança digital. Com sensores de posição, são detectados os recipientes a serem preenchidos. Nesse sistema, a interação dos dispositivos de automação se dá através da simulação computacional, onde por meio de ferramentas gráficas, é possível a verificação do controle do processo com o CLP.
Braghirolli (2009) afirma que o meio em que as empresas estão inseridas é caracterizado por mudanças frequentes no desenvolvimento de seus produtos. Com isso, essas empresas precisam saber lidar com essas variações. Visando a otimização do fluxo de trabalho e a não interferência no processo de produção, o qual causaria impacto nos custos, Braghirolli apresenta a simulação computacional nas células de manufatura estudadas, procurando por melhorias no setor produtivo.
Para análise de etapas de projeto, assim como análise do ciclo de vida de sistemas de manufatura, uma ferramenta computacional chamada Analytice II é desenvolvida no Departamento Acadêmico de Informática da UTFPR. Segundo Lucca et al (2009),o Analytice II é uma ferramenta de projeto e simulação e foi elaborado visando a modularidade em relação aos recursos de produtos de simulação.
Simão et al (2009) utiliza o software Analytice II para apresentar um trabalho com a proposição da utilização de metamodelo para compor um controle orientado à notificações, a partir de um sistema de manufatura holônico.
Curzel e Lüders (2014) propõem modelos fundamentados em máquinas de estados finitos ou FSM (Finite State Machine) para modelagem e aplicação em sistemas de manufatura simulados em computador.
Nese trabalho os autores utilizam uma planta virtual de separação de itens disponibilizada em uma ferramenta computacional e por meio das FSMs, modelam os sistemas componentes da aplicação e com isso desenvolvem o controle da planta simulada, utilizando a FPGA como alternativa ao uso de controladores industriais ou CLPs.
Em relação aos trabalhos baseados em simulação em tempo real, Dixit, Patil e Chandorkar (2009) apresentam um trabalho de simulação para sistemas eletrônicos de potência com o conceito hardware-in-the-loop (HIL). O trabalho é apresentado com o objetivo de utilização em laboratório de ensino, tendo como característica o baixo custo e a disponibilidade de altas velocidades de simulação, o que é garantido pela plataforma de hardware digital e software de gerenciamento em tempo real.
De forma complementar ao exposto por Dixit, Patil e Chandorkar (2009), Zhang et al (2016) apresentam uma plataforma híbrida para emulação de sistemas de potência, combinando um sistema baseado em hardware-in-loop com um sistema baseado em tempo real.
Com relação a trabalhos de emulação de sistemas, Silva e Ribeiro (2012) apresentam uma plataforma para ensino de sistemas de automação fundamentado em redes industriais. O trabalho proposto tem por função emular um processo, o qual emprega sistemas robóticos, eletropneumática, controle de posição e velocidade com objetivo de estudo na área de redes industriais.
De forma análoga ao trabalho de Silva e Ribeiro (2012), Schlott, Rauscher e Sawodny (2016) propõe um sistema de emulação por meio da modelagem de um guindaste. Dessa forma, com a simulação do guindaste é possível o estudo de atividades em torno do controle necessário para esse tipo de sistema.
2.1.2 Trabalhos Sobre Emulações em Hardware
Quanto ao desenvolvimento de sistemas de emulação baseados em hardware, diversos trabalhos são tratados nessa seção, para análise do estado da arte do assunto em questão.
Em Dufour et al (2006), é implementado um emulador de máquinas síncronas de imã permanentes. Como exemplo os autores utilizam um servomotor, com a modelagem implementada em FPGA. De forma semelhante ao emulador proposto
por Dufour et al (2006), no trabalho de Fleming e Edrington (2016), assim como no trabalho de Schmitt et al (2014), é apresentado uma plataforma de emulação de servomotor utilizando o conceito de hardware-in-the-loop.
Tomando como referência trabalhos fundamentados em hardware-in-the-loop, Mayorga et al (2015), assim como Eider, Kunze e Poeschl (2016) também apresentam plataformas de emulação em torno deste tema.
Em Khoury et al (2011) é apresentado um emulador em FPGA para testes em torno de um inversor de fonte de tensão, VSI (Voltage Source Inverter), para aplicação automotiva.
De forma semelhante, em Wojciechowski et al (2014) é apresentado um emulador térmico implementado em FPGA para estudo em aplicações de microprocessadores.
Ainda em Banerjee e Gupta (2011), Sarma e Dutt (2014), e Matoga et al (2015), outros formatos de projetos de emuladores implementados em hardware são desenvolvidos, os quais serão detalhados na sequência dessa seção.
Em relação à simulação de sistemas em hardware, com foco em emulação de máquinas elétricas, Dufour et al (2006) mostram a modelagem de um sistema de acionamento com motor de imã permanente. Os autores justificam que a utilização de métodos de simulação é uma prática comum na área da Engenharia Industrial. Como vantagem da simulação, o acionamento do motor pode ser testado em situações críticas sem causar danos ao motor real. A utilização de simulação fundamentada em hardware, em um chip FPGA, é justificada devido aos pequenos intervalos de tempos de amostragem, normalmente abaixo de dez microssegundos. Este requisito de tempo computacional tão baixo é necessário para a não inclusão de atrasos no sistema e com isso não influenciar nos testes finais.
Dufour et al (2006) também salientam que um motor real não possui latência elevada, e por isso necessita de tempos tão baixos para a simulação. Dessa forma, foi utilizado um sistema fundamentado em FPGA para poder trabalhar com tempos tão baixos para o processo de simulação.
De forma análoga ao trabalho de Dufour et al (2006), Fleming e Edrington (2016) utilizam o conceito hardware-in-the-loop para o desenvolvimento de uma plataforma de emulação em hardware. Assim, os autores apresentam um projeto de emulação em tempo real para sistemas de relutância comutada, por meio de circuitos magnéticos de servomotor. Os autores salientam que a utilização de
sistemas de emulação implementados em hardware, fornece uma gama maior de dinâmicas observáveis, melhorando de forma significativa o processo de simulação.
Complementando os trabalhos de Dufour et al (2006) e Fleming e Edrington (2016), Schmitt et al (2014) também apresenta um sistema de emulação de máquina síncrona de imãs permanentes. Schmitt et al (2014) também aplicam o conceito hardware-in-the-loop para o desenvolvimento do projeto, assim como utilizam o emulador em processos de simulação em tempo real.
No emulador proposto por Mayorga et al (2015), o conceito hardware-in-the-loop também é utilizado. Os autores desenvolvem um emulador com propostas de sistemas de controle em tempo real fundamentado em FPGA. São apresentados técnicas complexas de controle, com a utilização de lógica fuzzy e controle PI (proporcional e integral). Mayorga et al (2015) salientam que sistemas embarcados a partir de FPGA, diminuem a carga computacional de um sistema, permitindo maior desemprenho em um determinado sistema.
Contudo, os autores também afirmam que métodos de desenvolvimento de sistemas de controle em hardware limitam a aplicação de técnicas para a implementação de sistemas complexos. Ainda assim, devido à redução de tempo computacional, o projeto proposto utiliza aplicação em hardware. Os controles fuzzy e PI apresentados são modelados, e assim auxiliam na geração dos códigos VHDL (VHSIC Hardware Description Language), utilizados na implementação do emulador em FPGA.
Ainda tratando de trabalhos de emulação a partir do conceito hardware-in-the-loop, Eider, Kunze e Poeschl (2016) apresentam um projeto com implementação em FPGA para emulação de múltiplos sensores aplicados com o protocolo 1-wire. Os sensores emulam variáveis de temperatura. Os dados gerados pelo emulador são recolhidos por um computador. São utilizados vinte e quatro sensores em quatro barramentos 1-wire. Os autores justificam a utilização de FPGA para o emulador proposto devido às mesmas atenderem a requisitos críticos de operação, e dessa forma podendo ser utilizadas em sistemas de tempo real.
Outros modelos de emuladores fundamentados em hardware são apresentados por Khoury et al (2011) e Wojciechowski et al (2014). Khoury et al (2011) apresentam um emulador de inversor de fonte de tensão para aplicação automotiva.
Os autores justificam o propósito do emulador implementado em FPGA para aplicação de testes dedicados em sinais PWM. O objetivo do trabalho é apresentar um sistema de emulação com base FPGA que permita rotinas de testes com estratégias de controle PWM. O sistema é dedicado ao barramento DC do conversor, para análise do circuito a partir dos capacitores eletrolíticos, assim permitindo análises em torno do desgaste desse componente.
Em Wojciechowski et al (2014) é proposto um sistema de emulação térmico. É analisada, a partir de sistemas microprocessados, a análise de sensores de temperatura. Estes sensores são implementados em FPGA e são utilizados com fontes de calor sintéticas. O sistema permite a utilização de potências artificialmente altas. O emulador térmico consiste em um conjunto de fontes de calor a ssim modela a dissipação de energia.
Outros trabalhos, como os de Banerjee e Gupta (2011), Sarma e Dutt (2014), e Matoga et al (2015) , também tratam de emulação em hardware. Banerjee e Gupta (2011) apresentam uma plataforma de sistemas múltiplos, utilizando processamento paralelo da FPGA em multi-estágios. Os autores salientam que os sistemas fundamentados em software não possuem o desempenho equivalente a projetos em hardware. Com emuladores baseados em hardware é possível a elaboração de projetos complexo, com elevado desempenho, facilidade de manutenção e fidelidade.
Em Sarma e Dutt (2014) é apresentado uma plataforma de emulação e prototipagem em FPGA com base em sistema CPSoC (Cyber-Physical Systems-on-Chip). Um sistema CPSoC consiste na representação virtual de um processo embarcado em um determinado hardware.
Em Matoga et al (2015) é proposta um plataforma baseada em hardware modular com implementação em FPGA. Os autores afirmam que em etapas finais de um processo de fabricação de circuito integrado, rotinas de verificação de hardware são executadas. Atualmente as diversas rotinas de verificação são realizadas com ferramentas virtuais que possuem baixas velocidades. Para isso é proposto a utilização de um emulador em hardware para os processos, e assim a tomada de elevado desempenho.
2.1.3 Conclusões Sobre os Trabalhos de Simulações
Diversos trabalhos relacionados ao tema de simulação de sistema para a área de engenharia foram consultados para análise do estado da arte desta dissertação. Inicialmente foram estudados trabalhos relacionados a simuladores de sistemas e na sequência simuladores com base em emuladores implementados em hardware.
Os formatos dos trabalhos de simulação consultados trataram de laboratórios remotos, simuladores de sistemas dinâmicos, simuladores para atividades de otimização, simuladores para sistemas de manufatura, simuladores baseados em tempo real e simuladores baseados em emuladores de sistemas físicos.
Por meio destes trabalhos, foi comprovado o que Rangel, Soares e Souza (2012), Wollenberg e Mohan (2010), Pereira, Paladini e Schaf (2012) apresentaram, em relação à necessidade de atividades práticas em atividades de ensino. Dessa forma, foi verificado como uma ferramenta de simulação pode ser importante em disciplinas relacionadas aos cursos técnicos, tecnologias e engenharias.
Em determinados trabalhos, como os de Pinho (2008), Santos et al (2013) e Souza et al (2014), foi possível a verificação de como um trabalho de simulação podem auxiliar em atividades práticas em um processo industrial. Como exemplo, em Souza et al (2014) é enfatizado que um trabalho de simulação pode auxiliar atividades de controle e comissionamento em processo industriais, sem a interferência no processo. Assim como Souza et al (2014), em Pinho (2008) e Santos et al (2013) foi possível a verificação da utilização de simuladores para otimização de processos.
Com isso, em relação aos diversos trabalhos consultados, várias vantagens no processo de simulação foram levantadas, como exemplo:
• Baixo custo do sistema simulado em comparação com um sistema físico. • Facilidade na reconfiguração do sistema modelado.
• Fácil integração de um sistema em rede.
• A possibilidade de utilização de ferramentas de especificação formal para descrição dos modelos, como exemplo para a área de CLP a modelagem em GRAFCET.
No entanto, os processos de simulação também apresentam desvantagens. Conforme apontado em Banks et al (2009), tem-se as seguintes situações:
• A utilização do processo de simulação requer conhecimento técnico em relação ao simulador ou emulador utilizado.
• A análise dos resultados adquiridos podem apresentar difíceis interpretações. • Quanto à utilização de plataformas desenvolvidas em software, o tempo
computacional pode influenciar no resultado final.
Com relação ao último apontamento de Banks et al (2009), em torno dos tempos computacionais para ferramentas implementadas em software, Fleming e Edrington (2016), Eider, Kunze e Poeschl (2016), Mayorga et al (2015), Matoga et al (2015), Schmitt et al (2014) e Banerjee e Gupta (2011) evidenciam essa característica como deficiência para as plataformas baseadas em software, e assim justificam a utilização de hardware, com implementação em FPGA, por exemplo.
De forma análoga ao proposto pelos autores, em relação à utilização de FPGA, este projeto de pesquisa busca pelas mesmas características para simulação de processo de manufatura, já que os mesmos possuem como perfil elevada dinâmica em determinadas partes do sistema.
Como exemplo, têm-se os sinais obtidos de sensores de encoders, que são sinais com elevada frequência, sinais de saídas pulsadas para controle de motores de passo e servomotores que também são de alta frequência, assim como processamento de vários sistemas em paralelo.
Assim, conforme apresentado por Fleming e Edrington (2016), Eider, Kunze e Poeschl (2016), Mayorga et al (2015), Matoga et al (2015), Schmitt et al (2014) e Banerjee e Gupta (2011) em relação ao desempenho de sistemas baseados em hardware em relação aos sistemas baseados em software, tem-se como objetivo a utilização de tal característica de desempenho a favor do projeto de pesquisa. Unir kits didáticos disponíveis nos laboratórios da UTFPR com a elaboração de ferramentas de apoio em disciplinas relacionadas à área automação.
Assim, além das características técnicas apresentadas, tem-se o aproveitamento dos laboratórios montados, sem a necessidade de novos investimentos, também se tem a aplicação da interdisciplinaridade citada por Rocha Filho et al (2006), assim como a apresentação de um novo formato de trabalho
prático para a área de estudo e pesquisa em torno projetos que possam envolver CLPs.
2.2 SISTEMAS DE AUTOMAÇÃO
Esta seção trata da revisão de assuntos relacionados ao estado da técnica desta dissertação. Inicialmente, na subseção 2.1.1 trata do tema de automação de manufatura, perfil de processo utilizado nesse trabalho de pesquisa. Na sequência, na subseção 2.2.2 é apresentado o controlador lógico programável, equipamento utilizado neste trabalho de pesquisa, para estudo nas simulações propostas. Por fim, na subseção 2.2.3 é tratada a modelagem GRAFCET, utilizada para os sistemas de automação com base em processo de manufatura.
2.2.1 Automação de Manufatura
Entre os vários segmentos da automação industrial, a manufatura é um processo de automação que está associada com aumento de produtividade e aumento de qualidade em produtos. O conceito de manufatura ultrapassa o relacionamento com bens produzidos, como também avança para a produção de serviços (MIYAGI et al, 2007).
Ainda segundo o autor, no início da década de 1990, o mercado internacional se caracterizava por possuir elevado nível tecnológico. Com isso, as indústrias apresentavam características positivas para os produtos manufaturados, como exemplo o preço baixo, a qualidade final e consequentemente a competitividade. Como forma de busca de resultados melhores, e com isso ser mais competitiva, a indústria nacional insere ações na área de manufatura. Como exemplo de ação, a eliminação de desperdícios se torna fator predominante na melhoria do processo manufatureiro (ZANESCO, 2002).
Ainda na década de 1990, um produto manufaturado se apresentava competitivo apenas em termos de baixo custo. Nas décadas seguintes, tal característica se torna satisfatória no ponto de vista de qualidade e confiabilidade também. Com isso, o conceito de FMS (Flexible Manufacturing System), sistema flexível de manufatura se destaca, trazendo consigo controles complexos por computador assim como máquinas de controle numérico, os quais possuem grande
flexibilidade em caráter de configuração e adequação sistêmica (MIYAGI et al, 2007).
Segundo Morosan e Sisak (2013), um sistema flexível de manufatura pode retornar para o operador, informações da planta de acordo com os dados de entradas. Dessa forma o sistema pode ser capaz de escolher a melhor solução para o processo de manufatura.
Ainda dentro desse cenário, termos como tempo padrão, setup de máquinas, métodos de trabalho, fluxograma de processo, balanceamento de linha, layout, entre outros, são importantes na busca por melhoria dos processos. Outras formas de busca apresentam sistemas de simulação computacional e métodos de otimização (MIYAGI et al, 2007), (MOROSAN; SISAK, 2013).
Segundo Miyagi et al (2007), sistemas de eventos discretos (SEDs) trazem estudos relacionados a evolução de um sistema dinâmico de acordo com a ocorrência de eventos, os quais ocorrem, em geral, em intervalos de tempos irregulares e desconhecidos.
Ainda segundo o autor, técnicas de modelagem com fundamento em SEDs, como exemplo as redes de Petri, entrelaçam-se com o desenvolvimento de automação de manufatura, podendo ser consideradas como base de uma representação internacional para especificação de funções de controle em sistemas de automação industrial (MIYAGI et al, 2007).
Finalmente, como dispositivos centrais no desenvolvimento de sistemas automatizados industriais, os CLPs são considerados como equipamentos de realização de funções de controle mais efetivo e versátil. Possui elevada flexibilidade de configuração devido ao fato de ser programável, fornecendo meios facilitados em alteração de controle de uma planta industrial (MIYAGI et al, 2007).
2.2.2 Controlador Lógico Programável
O controlador lógico programável, ou simplesmente CLP, como normalmente é chamado no meio industrial, pode ser definido como dispositivo eletrônico de controle capaz de armazenar instruções para executar funções dentro de um processo. Normalmente o CLP trata de instruções como contagem, temporização, operações lógicas e aritméticas, manipulação de dados e comunicação em redes industriais (GEORGINI, 2000). Dessa forma, torna-se um equipamento com forte
aceitação em sistemas automatizados (YULIN; CHUNJIAO; NING, 2011), (BURHAN; AZMAN; TALIB, 2015).
Segundo Natale (2000), o CLP pode ser considerado como um computador com as mesmas características de um computador pessoal, porém com aplicação restrita à área de automação de processos industriais. A atuação dentro de um sistema de controle é realizada com a leitura de variáveis de entradas, normalmente representadas por sensores, e com a comparação com o programa desenvolvido, trata da atualização das saídas, normalmente representadas por atuadores como motores, válvulas, sinalizadores entre outros (NATALE, 2000).
De acordo com Moraes e Castrucci (2007), o procedimento descrito por Natale é o ciclo de execução ou scan da unidade central de processamento1 (UCP), quando o CLP se encontra em modo run de operação, ou seja, está executando o programa de controle desenvolvido.
Por ser um dispositivo flexível, o CLP necessita de terminais de programação, os quais comumente são representados por computadores pessoais com a ferramenta de desenvolvimento instalada. Além de permitir a gravação do programa aplicativo desenvolvido, o terminal de programação também permite diagnóstico da aplicação, alteração online com o CLP, monitoramento de variáveis, programação de instruções, entre outros.
Outras questões relevantes sobre o CLP, como arquitetura interna, entradas e saídas de dados digitais e analógicos, entradas e saídas de pulsos rápidos e linguagens de programação serão tratadas de forma individual.
a. Arquitetura Interna
Quanto à arquitetura interna, de forma geral os blocos componentes de um CLP, tratada na literatura, descrevem as seguintes partes: CPU, memória de programa, memória de dados, interface de entradas digitais e analógicas, interface de saídas digitais e analógicas e comunicações (PIRES, 2002). A Figura 1 mostra um diagrama em blocos da arquitetura interna de um CLP.
1
Figura 1 - Arquitetura interna do CLP. Fonte: Adaptado de PIRES (2002, p. 236).
O bloco da CPU é o elemento central responsável pela execução do programa desenvolvido, o qual é armazenado na memória de programa.
Com a memória de trabalho, resultados de equações lógicas e aritméticas são armazenados e com eles, tomadas de decisões em instruções são realizadas. Ainda tratando da memória de trabalho, a qual contém a área de imagem das entradas e saídas, digitais e analógicas, esta é responsável pela atualização das entradas e saídas físicas do CLP (PIRES, 2002).
b. Periféricos de Entradas e Saídas Digitais e Analógicas
Os periféricos de entradas e saídas do CLP podem ser de dois tipos, digitais ou analógicos. As interfaces de dados digitais são responsáveis pela aquisição de sinais discretos em amplitude, assim como o controle de atuadores com os mesmos tipos de sinais. Normalmente as entradas e saídas digitais possuem acopladores ópticos para isolação elétrica dos circuitos eletrônicos, proporcionando proteção para o CLP (MORAES; CASTRUCCI, 2007).
As entradas digitais promovem o monitoramento de chaves de comando, chaves de fim de curso, sensores de proximidade indutivos e capacitivos, chaves de pressão, chaves de temperatura, chaves de fluxo, chaves de nível, sensores
fotoelétricos reflexivos e barreira, entre outros (MORAES; CASTRUCCI, 2007). As entradas digitais podem assumir os seguintes níveis lógicos de entrada, representados pelos valores 0 ou1, os quais representam se a entrada está com tensão aplicada ou não. Os valores comuns de tensão são de 24 Vcc para nível lógico 1 e 0 Vcc para nível lógico 0 (FRANCHI; CAMARGO, 2008).
Ainda segundo Franchi e Camargo (2008), as entradas digitais possuem isolação elétrica por meio de acopladores ópticos e podem ser do tipo PNP ou tipo fonte (sourcing) e NPN ou tipo dreno (sinking) (2008).
Já as saídas digitais promovem o controle de elementos atuadores como válvulas solenóides, contatores, alarmes, relés de interface, sirenes, sinalizadores, entre outros. Também possuem valores definidos de acionamentos, representados pelos níveis lógicos 0 e 1. O valor de tensão de saída depende do tipo de saída aplicada (FRANCHI; CAMARGO, 2008).
As saídas digitais também possuem acoplamento óptico devido à proteção e podem ser dos seguintes tipos: eletrônica com transistor de saída, eletrônica com um TRIAC2 de saída e com relé.
Uma saída comumente utilizada é a com saída com transistor, a qual controla uma tensão de 24 Vcc. Já a saída com TRIAC controla cargas com tensão alternada e a saída com relé com tensões contínuas e alternadas (FRANCHI; CAMARGO, 2008).
Quanto às entradas analógicas, são responsáveis pelo monitoramento de variáveis contínuas em amplitude, sendo as mais comuns no setor industrial as medições de tensão elétrica e corrente elétrica. Um sensor analógico, como exemplo o de temperatura, disponibiliza uma tensão ou corrente proporcional a temperatura monitorada. Possuem faixas de medição, sendo as mais encontradas de 0 a 10 Vcc para leitura em tensão e 0 a 20 mA ou 4 a 20 mA para leitura em corrente (GEORGINI, 2000).
As saídas analógicas disponibilizam tensão elétrica com faixa de 0 a 10 Vcc e corrente elétrica com faixas de 0 a 20 mA e 4 a 20 mA. São utilizadas com conversores de sinais, inversores de frequência, válvulas proporcionais, resistências elétricas, acionamento de motores CC entre outros.
2
Um TRIAC (Triode for Alternating Currente) é um componente eletrônico equivalente a dois retificadores controlados (SCR) em antiparalelo (AHMED, 2000).
