a e st
ra
do
e m
9n
ge n
h
a
ri
a
9l
e tro
té
cn
i
ca
t ro
j
e to
e L
m
p
l
e m
e n
ta
ç
ão
de u
m
a
/ é
l
u
l
a
de
S o
l
da
du
ra
R
o
b o
ti
za
da
–
9stá
gi
o
n
a
a
o
to
f
i
l
R
o
b o
ti
cs S .
A .
R
e l
a
tó
ri
o
de 9st
á
gi
o
a
p
re se n
t
a
do
p
a
ra
a
o
b t
e n
ç
ã
o
do
gr
a
u
de a e st
re e m
9n
ge n
h
a
ri
a
9l
e t
ro
t
é
cn
i
ca
–
Áre a
de 9sp
e ci
a
l
i
za
ç
ã
o
e m
A u
t
o
m
a
ç
ã
o
e
/ o
m
u
n
i
ca
ç
õ
e s e m
S i
ste m
a
s L
n
du
st
ri
a
i
s
Autor
R
a
f
a
e l
V i
e i
ra
. ra
n
co
h rie ntadore s
5 o
u
to
r Cre de ri
co
a
i
gu
e l
do
/ é
u
a
a
rq
u
e s do
s S a
n
to
s
t ro
f
e sso
r
do
5 e p
a
rt
a
m
e n
t
o
de 9n
ge n
h
a
ri
a
9l
e t
ro
t
é
cn
i
ca
L
n
st
i
tu
t
o
S u
p
e ri
o
r de 9n
ge n
h
a
ri
a
de / o
i
m
b ra
S upe rvisor
9n
ge n
h
e i
ro
a
i
gu
e l
R
e i
s
a o
to
f
i
l
R
o
b o
t
i
cs.
A G R A D E C I M E NT O S
Gostaria de agradecer ao meu orientador, Professor F rederico Miguel Santos, a forma como orientou o meu trabalho de mestrado. Os seus conselhos e a sua preocupaçã o com o meu trabalho contribuíram decisivamente para a realizaçã o da parte prática e para a elaboraçã o deste relatório. A gradeço também ao meu monitor de projeto na Motofil R obotics, E ngenheiro Miguel R eis, o seu auxílio sempre que foi oportuno e os constantes conselhos, em particular, no esforço desenvolvido para me dar todas as informações necessárias. À Motofil R obotics, pela oportunidade de trabalhar em projetos ambiciosos e de grande valor para o meu futuro e por toda a disponibilidade. A os meus colegas, que passaram o semestre a elaborar um trabalho semelhante de dissertaçã o, mas que, sempre que necessário, deram a sua opiniã o, ajuda e principalmente motivaçã o, quando o caminho se tornou por vezes mais sinuoso. A todos os que nã o foram mencionados, mas estiveram envolvidos e me ajudaram no desenvolvimento deste trabalho, agradeço também profundamente. Por último, mas em primeiro plano, gostaria de agradecer à minha família, em especial aos meus pais, pelo facto de terem investido e acreditado sempre em mim, proporcionando-me a oportunidade de estar a terminar um curso superior.
R E S UM O
E ste relatório tem como objetivo descrever o estágio do Mestrado em E ngenharia E letrotécnica, na área da A utomaçã o e C omunicações em S istemas Industriais, ministrado no Instituto Superior de E ngenharia de C oimbra, pertencente ao Instituto Politécnico de C oimbra.
E ste estágio foi efetuado na empresa Motofil R obotics S .A . cuja área de atividade ocupa os segmentos da automaçã o industrial e controlo de processos.
O estágio proporciona uma oportunidade de interaçã o direta com o mercado de trabalho, permitindo desenvolver os conhecimentos e competê ncias adquiridos ao longo do percurso académico. D urante a realizaçã o deste estágio foram abordadas diversas áreas da automaçã o industrial destacando-se as áreas de projeto e da programaçã o de HMI e PL C .
Inicialmente o estágio consistia em percorrer todas a etapas do processo de criaçã o das máquinas produzidas durante o decorrer do estágio, posteriormente surgiu a oportunidade de desenvolver um HMI. O desenvolvimento deste produto também facilitou a aproximaçã o a programaçã o dos autómatos Siemens (PL C ) e F anuc (PMC ). D urante o acompanhamento das máquinas foram adquiridos conhecimentos de instalações elétricas, programaçã o, projeto elétrico e pneumático, conhecimentos dos vários tipos de soldaduras e parâmetros, protocolos de comunicaçã o (Profinet, Profibus, E thernet, C an), parametrizaçã o de variadores e sistemas de segurança (B arreiras óticas, Profisafe, R eles de Segurança).
O balanço desde estágio é muito positivo e constituiu uma excelente oportunidade para uma integraçã o bem-sucedida no mercado de trabalho na área de automaçã o, pois permitiu a aplicaçã o prática dos conhecimentos adquiridos durante o percurso académico assim como a aquisiçã o de novas técnicas e métodos de trabalho aplicados no meio industrial.
Neste documento encontram-se descritos os principais pressupostos teóricos que fundamentam as diversas tecnologias utilizadas nos projetos descritos, assim como explicações aprofundadas das diversas etapas associadas ao desenvolvimento dos respetivos projetos.
A B S T R A C T
T his report is intended to describe an Industry Internship of the Master's degree in E lectrical E ngineering, in the area of A utomation and C ommunications in Industrial S ystems, taught at the C oimbra Institute of E ngineering, a School belonging to the Polytechnic Institute of C oimbra.
T his internship Ras carried out at Motofil R obotics S.A ., an automation company Rith an area of activity centered in the segments of industrial automation and process control.
T he internship provides an opportunity for direct interaction Rith the labor market, alloRing developing and applying the knoRledge and skills acquired along the academic studies. D uring this internship, several areas in the industrial automation field Rere addressed, especially the areas of project and programming HMIs and PL C s.
Initially, the internship consisted in going through all the process stages needed to creating the machines. L ater, the opportunity arose to develop a neR brand HMI to replace the already used Siemens, B eijer, and an operator panel Rith buttons. T he development of this product also facilitated the approach to the programming of the Siemens (PL C ) and F anuc ( PMC ) automatons. During the folloR-up of the machines Rere acquired knoRledge of electrical installations, programming, electrical and pneumatic design, knoRledge of various types of Relding and parameters, communication protocols (Profinet, Profibus, E thernet, C an), parameterization of inverters and security systems ( Optics, Profisafe, S afety R elays).
T he assessment is very positive and provided an excellent opportunity for a successful integration in the labor market in the area of automation, since it alloRed the practical application of the knoRledge acquired during the academic course as Rell as the acquisition of neR techniques and Rorking methods applied in the industrial environment.
In this document, the main theoretical basis supporting the various technologies that are used in the developed projects are described, as Rell as detailed explanations for the various phases associated Rith the development of each of the projects.
ÍND I C E
A G R A DE C IME NT OS ... iii
R E SUMO ... v
A B ST R A C T ... vii
ÍND IC E ... ix
ÍND IC E DE F IGUR A S ... xi
ÍND IC E DE T A B E L A S ... xiii
S IMB O L O G IA ... xv
A B R E V IA T UR A S ... xvii
INT R OD UÇ Ã O ... 1
1.1 A presentaçã o da empresa Motofil R obotics ... 1
1.2 Objetivos ... 3
1.3 Organizaçã o do documento ... 3
E stado da A rte ... 5
2.1 Soldadura por A rco E létrico ... 7
MMA ... 7
MIG/MA G ... 7
TIG ... 7
A rco Submerso ... 8
Plasma ... 8
C onceitos de F uncionamento ... 8
2.2 A utomaçã o e R obótica ... 9
T ipos de A utomaçã o ... 9
C lassificaçã o de R obôs ... 10
R obôs Industriais ... 12
R obôs na soldadura ... 14
B raços R obóticos ... 16
2.3 Sistemas de C ontrolo ... 17
Programmable L ogic C ontroller (PL C ) ... 17
Norma IE C 1131-3 ... 20
C omponentes E létricos ... 25
Soluções D esenvolvidas ... 29
3.1 T ipos de máquinas Mesa H e C oluna de S oldadura ... 29
Mesa H ... 29
C oluna de Soldadura Simples ... 32
Quadros E létricos ... 34
3.2 Programaçã o de autómatos e robôs ... 37
Programaçã o S iemens ... 37
C onsola de programaçã o F anuc (Teach Pendant): ... 40
3.3 C riaçã o e Implementaçã o de HMI W eintek ... 42
Siemens ... 43
F anuc ... 44
T rabalho desenvolvido – C oluna de soldadura ... 44
3.4 Desenvolvimento de Seam T racker ... 56
Soluçã o Utilizada ... 57
T rabalho D esenvolvido ... 58
T estes ... 63
C onclusões ... 65
B ibliografia ... 67
– E squema E létrico Mesa H ... 71
- Grafcet Modo A utomático Mesa H ... 97
- Manual de Operador Mesa H ... 99
– Parametrizaçã o do V ariador da Mesas H ... 111
Í
ND IC E D E F IG UR A S
F igura 2.1 - General Motors instala o 1º robô industrial em NeR J ersey (1961) [ 1] ... 5
F igura 2.2 – L inha de produçã o de carroçarias A utoE uropa. [ 3] ... 9
F igura 2.3 - R elaçã o entre os tipos de automaçã o. [4] ... 10
F igura 2.4 - C lassificaçã o de robôs [ 5] ... 11
F igura 2.5 - Humanóide T oyota [ 5] ... 11
F igura 2.6 – R obô de soldadura A R C Mate 100iC /12 [ 8] ... 14
F igura 2.7 - C omponentes de um Sistema R obotizado de S oldadura. [ 9] ... 15
F igura 2.8 - Manipulador antropomórfico utilizado em soldadura. [ 10] ... 16
F igura 2.9 - C omponentes de um PL C [ 13] ... 19
F igura 2.10 - C iclo de funcionamento de PL C [ 13] ... 20
F igura 2.11 – Monitorizaçã o e C ontrolo R emoto [15] ... 23
F igura 2.12 - HMI Industrial [ 17] ... 24
F igura 2.13 - A rquitetura de rede [ 19] ... 25
F igura 2.14 - Disjuntor de MT de vácuo até 24K V [ 20]... 26
F igura 2.15 - F onte de alimentaçã o D R T -240 da Mean W ell [ 21] ... 27
F igura 2.16 - Gama de variadores de velocidade da Nord [ 22]... 27
F igura 2.17 - Sistema de barreiras óticas Sick [ 23] ... 28
F igura 3.1 - L ayout geral da célula [ 24] ... 30
F igura 3.2 - Á reas de trabalho de uma mesa H [ 24] ... 31
F igura 3.3 - C oluna de Soldadura Simples [ 24] ... 32
F igura 3.4 - C abeçal nos dois extremos na C oluna de S oldadura [ 24] ... 33
F igura 3.5 – C ontrolador F anuc parte de controlo e de potê ncia [ 24] ... 34
F igura 3.6 – Quadro E létrico C oluna de Soldadura [ 24] ... 35
F igura 3.7 - PL C S iemens S7-1200 [ 24] ... 36
F igura 3.8 – Siemens E T 200S ... 36
F igura 3.9 - ST E P 7: D o processo para o projeto [27]... 38
F igura 3.10 - C onsola de programaçã o F anuc monocromática [ 8] ... 40
F igura 3.11 - Indicadores de estado para consola policromática [ 24] ... 41
F igura 3.13 - A rquitetura F anuc L adder [ 28] ... 42
F igura 3.14 - HMI W eintek [ 30] ... 43
F igura 3.15 - Integraçã o entre Simatic S7-1200 e o HMI W eintek [ 30] ... 43
F igura 3.16 - A rmário E létrico [ 24] ... 45
F igura 3.17 – Menu Inicial ... 45
F igura 3.18 - E crã Informações Gerais [ 24] ... 46
F igura 3.19 - E crã Menu G eral [ 24] ... 47
F igura 3.20 – L ed do variador de velocidade Ok [24] ... 47
F igura 3.21 – Monitorizaçã o dos canais de alimentaçã o do Mico [ 24] ... 48
F igura 3.22 – R elé de segurança Sirius da Siemens [24] ... 48
F igura 3.23 – Menu de Soldar [ 24] ... 49
F igura 3.24- Menu de A larmes ... 51
F igura 3.25 – Menu D efinições ... 52
F igura 3.26 – Menu de E statísticas ... 52
F igura 3.27 – Menu de Manutençã o ... 53
F igura 3.28 – Menu de A juste do F uncionamento do Slide ... 54
F igura 3.29 - Menu Mover ... 55
F igura 3.30- S eam T racker da A rc Products [ 33] ... 57
F igura 3.31- R egulaçã o horizontal e de altura. [ 34] ... 57
F igura 3.32 - J oystick da A PE M ® [ 35] ... 58
F igura 3.33 - Palpador do Seam T racker desenvolvido (fase de testes) ... 60
F igura 3.34 - Seam T racker desenvolvido na Motofil ... 60
F igura 3.35 - C omando de controlo manual do Seam T racker ... 61
Í
ND IC E D E T A B E L A S
S IMB O L O G IA
amper e (símbolo: A ) - É a unidade de corrente elétrica do Sistema Internacional de Unidades (SI), que representa a intensidade de corrente elétrica.
gr ama (símbolo: g) - É a unidade básica de massa do Sistema Internacional de Unidades (SI). gr aus C elsius (símbolo: °C ) – É uma unidade de medida de temperatura.
her tz (símbolo: H z) - É a unidade de frequê ncia derivada do S istema Internacional de Unidades (SI), para a frequê ncia. É expressa em termos de ciclos por segundo, a frequê ncia de um evento periódico.
k g - Múltiplo do SI para g e representa 103g. k H z - Múltiplo do SI para H z e representa 10
3
Hz. k W - Múltiplo do SI para W e representa 103W .
metr o (símbolo: m) - É a unidade de medida derivada do S istema Internacional de Unidades (SI), para medir comprimentos.
micr ossegundo (símbolo: µ s) - Múltiplo do SI para segundo e representa 10-6s. milímetr o (símbolo mm) - Múltiplo do SI para metr o e representa 10-3m.
segundo (símbolo: s) - É a unidade de frequê ncia derivada do Sistema Internacional de Unidades (SI), para medir intervalos de tempo.
volt (símbolo: V ) – É a unidade de tensã o elétrica do S istema Internacional de Unidades (SI), que representa a diferença de potencial elétrico entre dois pontos.
A B R E V IA T UR A S
A C - Alternating current
A C /D C - Alternate C urrent / D irect C urrent
C A N - C ontroller Area NetRork C C D - C harge-C oupled Device C I M - C omputer Integrated Manufacturing
C NC - C omputer Numerical C ontrol C PU - C entral P rocessing Unit D C - Direct C urrent
D C S - D istributed C ontrol System F B D - F unction Block D iagram H M I - Human–Machine Interface I /O - Input/Output
I E C - International E lectrotechnical C ommission
I L - Instruction L ist I P - Internet Protocol
I S O - International Organization for Standardization
L C D - L iquid C rystal D isplay L D - L adder D iagram
L E D - L ight-E mitting D iode
M I G /M A G - Metal Inert Gas / Metal Active Gas
M M A - Manual Metal Arc M PI - Multipoint Interface
P I D - Proportional–Integral–D erivative P L C - P rogrammable L ogic C ontroller P M C - Programmable Motion C ontrol
P PP - Picking, Packing, e Palletizing ou P lacing
SA W - Submerged Arc Welding
SC A D A - Supervisory C ontrol and Data Acquisition
SC A R A - Selective C ompliance Articulated Robot Arm
SF C - Sequential F unction C hart ST - Structured Text
T C P - Transmission C ontrol P rotocol T I G - Tungsten Inert Gas
INT R OD UÇ Ã O
Nos últimos anos, no sector da indústria, tem-se assistido a um mercado extraordinariamente competitivo. D aí resulta a necessidade de desenvolver e construir produtos de uma forma rápida e eficiente, que sej a associada a baixos custos e, acima de tudo, que possuam muito boa qualidade final. R azões como estas levam a que a indústria esteja obrigatoriamente sujeita a uma necessidade de melhoria constante, para aumentar a sua produtividade e garantir uma posiçã o de destaque no mercado em que se encontra inserida.
Neste contexto, é importantíssimo que as indústrias possuam células robotizadas para garantir celeridade nos processos de fabrico, acomodar a introduçã o de alterações regulares nos produtos fabricados e permitir que as alterações do produto nã o façam com que o investimento inicial tenha constituído um desperdício de recursos escassos. Utilizando células robotizadas, as alterações no processo normal de funcionamento nã o implicam, em geral, custos elevados, apenas exigindo a reprogramaçã o das mesmas. E stas aliam a regularidade no funcionamento ao rigor no fabrico, aos baixos custos de produçã o e a uma elevada qualidade nos resultados das tarefas que desempenham. A realizaçã o de tarefas em que a sua execuçã o se torna mais fácil utilizando robôs, é possível muitas vezes devido ao desenvolvimento de células de dimensã o bastante elevada.
F azem parte integrante das células robotizadas, maioritariamente, os robôs manipuladores. E stes podem desempenhar variadíssimas tarefas e garantir um trabalho realizado, em quantidade e qualidade, muitíssimo superior aos de um operador humano. Para os administradores das empresas, sã o encarados como um meio para atingir um fim: uma de mã o-de-obra mais barata, mais precisa e regular, que resulta num processo produtivo mais rápido e que gera produtos com melhor qualidade. D o ponto de vista dos operadores humanos permite libertá-los do desempenho de tarefas pesadas e repetitivas, por vezes em ambientes muito agressivos.
A ssim, cada vez mais, a indústria aposta na automatizaçã o robotizada, de modo a poder obter produtos de forma mais rápida, com menos desperdícios, de melhor qualidade e com um baixo custo.
1.1 A p res entaçã o d a empres a Mo tofil R obotic s
F undada em 1981, a Motofil R obotics iniciou a sua atividade especializando-se na fabricaçã o de motores elétricos, fio esmaltado e equipamentos de soldadura.
A tualmente, a Motofil R obotics S.A é a sede do Grupo Motofil, constituído juntamente com as seguintes empresas:
Motofil Serviços, L da; Motofil A eronáutica, L da; Motomig – S oldadura, L da; A C N – Máquinas Industriais L da; irm2 – Sistemas, L da;
Motofil C utting – E quipamentos de corte, L da; Motofil B rasil;
Motofil México.
A Motofil R obotics apresenta uma gama muito variada de soluções robotizadas para a soldadura por arco e resistê ncia. Desenvolve e integra, igualmente, aplicações de manipulaçã o, corte e quinagem flexível, entre outros.
O produto é concebido e fabricado segundo uma filosofia de construçã o tipo má quina-ferramenta, sendo as estruturas e demais componentes maquinados, estabilizados e retificados, utilizando igualmente componentes comerciais de primeira qualidade, mundialmente reconhecidos.
E m 2008 foi criada a Motomig S oldadura com a missã o de produzir fio de soldadura de elevada qualidade e produtividade. Produçã o de fio SG2 para a soldadura Mag e A S para arco submerso. A Motofil Serviços surgiu em A bril de 2009 para fornecer serviços de corte, construçã o soldada e peças maquinadas de elevada qualidade e a um preço competitivo.
A ssente na sua estratégia de crescimento e para dar resposta aos seus clientes na área de corte, nasce em 2010, a Motofil E quipamentos de C orte, L da uma empresa destinada à conceçã o de máquinas de: C orte térmico por oxicorte, corte térmico por plasma, misto com oxicorte + plasma + furaçã o e fresagem, corte térmico com laser.
A Motofil A eronáutica surge em 2013 como um desafio, trabalhar para um sector exigente como o da A eronáutica, iniciando a atividade com o fornecimento de ferramentas e moldes para esta indústria.
A tualmente o G rupo Motofil exporta para vários países como: E spanha, A ustria, F rança, A lemanha, R epublica C heca, B rasil, México, E stados Unidos, estando em curso a expansã o de novos mercados.
Sendo a exportaçã o uma forte aposta do Grupo Motofil foram criadas as delegações no B rasil, México, E spanha e E stados Unidos.
indústrias onde os processos produtivos exigem, cada vez mais, a inclusã o de aplicações robotizadas.
Para responder eficazmente à s exigê ncias competitivas, apostam na constante formaçã o de colaboradores e clientes.
O grupo Motofil R obotics apresenta-se hoje, como uma empresa em constante desenvolvimento e bem posicionada no mercado internacional.
1.2 O bjetiv o s
O principal objetivo deste estágio é proporcionar um primeiro contacto com o mundo do trabalho, facilitando a integraçã o no mesmo, através da participaçã o nas diversas atividades desenvolvidas pela empresa, de modo a aplicar e desenvolver os conhecimentos adquiridos ao longo do percurso académico.
Para a realizaçã o deste estágio foi proposto um acompanhamento de todas as etapas de conceçã o das máquinas de soldadura de modo a compreender as técnicas, programas, e ferramentas que sã o usadas no dia-a-dia. Numa primeira fase o acompanhamento e posterior produçã o dos quadros elétricos e montagem da instalaçã o. Numa segunda fase a parte de projeto elétrico e pneumatico, execuçã o de esquemas e manuais. T erceira parte programaçã o de HMI e programaçã o de autómatos. Por último testes de funcionamento e entrega da máquina no cliente.
1.3 O rg aniz açã o do do c u mento
E ste documento encontra-se dividido em cinco capítulos:
• O presente capítulo contém a introduçã o ao relatório, a apresentaçã o da empresa onde foi realizado o estágio, os objetivos e a organizaçã o do documento;
• No segundo capítulo sã o abordadas as principais tecnologias e equipamentos que fundamentam os trabalhos realizados durante a realizaçã o do estágio;
• No terceiro capítulo encontra-se uma introduçã o a algumas das máquinas sobre as quais foi possível desenvolve trabalho ao longo do estágio e as tecnologias presentes nas mesmas;
• O quarto capítulo consiste na exposiçã o do trabalho de instalaçã o, parametrizaçã o e arranque das máquinas na fábrica e no cliente;
E s tado da A rte
Na A utomaçã o industrial associada à R obótica Industrial os robôs industriais sã o aqueles que apresentam o melhor rácio entre o custo de produçã o por unidade de produto, em relaçã o ao volume de produçã o, para pequenos/médios volumes de produçã o. E stes trazem vantagem a nível produtivo da robótica, visto que com as características atuais de mercado (elevada concorrê ncia, produtos em parte definidos pelos clientes, produtos com tempo de vida curtos, uma maior qualidade a menor preço, entre outros), as empresas nã o produzem para terem grandes stocks, produzem apenas em pequena ou média escala, ou seja, consoante as encomendas que surgem. E stes motivos levaram à crescente implementaçã o de robôs, e a utilizaçã o quer em ambiente industrial, quer em processos de investigaçã o e desenvolvimento. E sses desafios de integraçã o e desenvolvimento tê m como base a interaçã o dos operadores humanos com os robôs manipuladores, pois estes coabitam em ambiente industrial. Nestas circunstâncias, é necessário criar interfaces que possibilitem a sua comunicaçã o/ interaçã o.
F i gura 2. 1 - G eneral M otors i nstal a o 1º robô i ndustri al em N eR J ersey ( 1961) [ 1]
produtivo automatizado é um processo que foi estudado e racionalizado em fases. E ste encontra-se organizado em células flexíveis de fabrico, cada uma destas realiza um determinado número de tarefas sobre as matérias-primas ou produtos semi-acabados, até que estes cheguem a ser o produto final a entregar ao cliente. O percurso entre o armazém de matérias-primas até ao armazém de produtos acabados apresenta várias fases, que estã o associadas à transiçã o de uma célula flexível para a seguinte. Os locais onde se armazenam os produtos semi-acabados nas diferentes fases de transiçã o denominam-se buffers. Os produtos semiacabados poderã o passar por vários estados do produto até este representar um produto acabado.
A s várias etapas pelas quais os produtos necessitam de percorrer até serem finalizados ou até mesmo para a sua identificaçã o, obrigou as empresas a desenvolverem meios de obter informações detalhadas, em tempo real, sobre as várias fases de produçã o. Isto levou à criaçã o de uma organizaçã o hierarquizada do processo, o que permitiu tornar o mesmo mais eficiente, mais equilibrado e com níveis de produtividade mais elevados. Permitindo assim, que, durante o processo de produçã o, haj a troca de informaçã o entre os vários níveis funcionais das empresas, tornando-o assim, um processo integrado. Quem desenvolve os equipamentos de automaçã o industrial tem perfeita noçã o da organizaçã o moderna das empresas, assim sendo, adapta os seus equipamentos aos ambientes destas, para que se consiga uma exploraçã o exaustiva dos mesmos.
No mercado nacional, os sistemas com organizaçã o do tipo C IM ( C omputer Integrated Manufacturing) usam os robôs antropomórficos para aplicaçã o de soldadura por arco, soldadura por pontos, carga/descarga de máquinas e manipulaçã o em geral (incluindo PPP – Picking, Packing, e Palletizing ou Placing(F igura 2.1)).
Na indústria atual, o uso da robótica industrial vai desde as micro-empresas até as maiores empresas nacionais, sendo que, por vezes, estas chegam a ter número semelhante de trabalhadores e de manipuladores instalados. A indústria automóvel é o grande cliente de manipuladores industriais (o caso da A utoE uropa e de alguns fabricantes de componentes), que realizam tarefas de soldadura e manipulaçã o. No entanto, os produtores de bens de consumo e equipamentos também apresentam alguma relevância. T ê m surgido novas aplicações para setores inesperados, como por exemplo: cortiça (produçã o de rolhas e paletizaçã o de aglomerados), fruticultura (movimentaçã o intermédia na embalagem e final de linha), vinho (paletizaçã o), calçado (colagem), vidro ( recolha do vidro para moldes e paletizaçã o), madeira (paletizaçã o e movimentaçã o intermédia), plásticos (extraçã o de máquinas de injeçã o, soldadura, corte, controlo de qualidade) e moldes (maquinaçã o).
2.1 S old ad ura por A rc o E létric o
E xistem diferentes processos de soldadura por arco elétrico utilizando corrente alternada, corrente contínua e corrente pulsada. A lguns dos processos sã o manuais e outros mecanizados. O mais comum é o elétrodo revestido MMA (Manual Metal A rc), MIG/MA G (Metal Inert Gas/Metal A ctive Gas) e T IG (T ungsten Inert Gas). E xiste também a soldadura (e corte) por plasma e a soldadura por arco submerso, que habitualmente sã o mecanizados.
MMA
O processo de soldadura por elétrodo revestido é o processo de soldadura por arco elétrico mais comum, utilizando habitualmente elétrodos revestidos com comprimento de cerca de 200-400 mm. O arco é estabelecido entre a extremidade do elétrodo e a peça a ser soldada, derretendo o elétrodo dentro da junta. C ada elétrodo leva cerca de 45 a 90 segundos para ser consumido, formando entã o o cordã o de soldadura. E ste processo é levado a cabo quer com corrente alternada quer contínua, com uma tendê ncia nos últimos anos para a corrente contínua. A lém disso, estã o também a ser cada vez mais utilizadas pequenas máquinas com tecnologia inverter (inversor), particularmente em serviços de manutençã o e em usos domésticos. A corrente de soldadura depende da dimensã o do elétrodo, das características das peças a soldar e principalmente do tipo de material e espessura, variando normalmente na gama 40-400 A . Neste tipo de equipamento, o comprimento dos cabos varia entre os 3m e os 10m, tendo os mais usuais 3 ou 4m.
MIG /MA G
Nos processos de soldadura por MIG/MA G, o elétrodo é substituído por uma bobine de arame que é alimentada de forma contínua através da tocha. E stes processos sã o normalmente semiautomáticos, podendo contudo ser robotizados. A soldadura pode processar-se de forma continuada por vários minutos, sendo normalmente limitada pelo tamanho da peça a soldar ou pela necessidade do soldador mudar de posiçã o. O processo MIG /MA G é predominantemente contínuo, contudo recentemente foi desenvolvido um processo a corrente alternada mas que nã o é muito utilizado. A lém disso, a corrente de soldadura pode ser pulsada a 10-150 Hz entre um baixo nível de intensidade de corrente (50 A ) e um valor elevado de pico (habitualmente 400-600 A ).
T IG
A rc o S ubmers o
A soldadura por arco submerso é um processo mecanizado semelhante ao processo MIG/MA G, em que o arco é submerso sob o fluxo de soldadura ao longo da junta, em vez de ser protegido com um gás de proteçã o. E ste tipo de soldadura é efetuada utilizando corrente contínua ou alternada com intensidades até os 1500 A , ou eventualmente superiores.
P las ma
O processo de soldadura por plasma é semelhante ao T IG, contudo o elétrodo está recuado na tocha e o arco do plasma é apertado por meio de um orifício estrito. E ste processo pode ser manual ou mecanizado e utiliza normalmente corrente contínua ou pulsada. Pode também ser utilizado para cortar caso o ar seja substituído por um gás inerte.
C o nc eitos d e F unc io namento
2.2 A utomaçã o e R obótic a
Pode designar-se por automaçã o em contexto industrial como uma tecnologia que engloba sistemas mecânicos e eletrónicos assistidos por computador na operaçã o e controlo de produçã o. Pode-se dar como exemplo as linhas de montagem, centros de maquinagem e robôs.
T ip os de A uto maçã o Podemos definir 3 tipos de automaçã o:
A utomaçã o dedicada
Mais indicada para tarefas específicas onde o volume de produçã o é elevado. O projeto é fundamental uma vez que abarca um grande investimento inicial e a mudança de componentes pode conduzir à obsolescê ncia do sistema.
E stes sistemas sã o eficientes e fiáveis e tê m um custo de operaçã o relativamente reduzido. E xemplo: a automaçã o dedicada é encontrada na indústria automóvel, na produçã o de componentes do motor e transmissã o (F igura 2.2). [ 2]
F i gura 2. 2 – L i nha de produçã o de c arroçari as A utoE uropa. [ 3]
A utomaçã o pr ogr amável
F i gura 2. 3 - R el açã o entre os ti pos de automaçã o. [ 4]
A utomaçã o flexível
C onforme se pode observar na F igura 2.3, a automaçã o flexível está entre a automaçã o dedicada e a automaçã o programável, o que leva a crer que tenha algumas das caraterísticas de uma e outra. V erifica-se, entã o, que a automaçã o flexível é programável para diferentes configurações de um dado produto, por sua vez, a variedade dessas configurações é limitada. [ 2]
Uma das grandes diferenças entre a automaçã o flexível e programável é que nesta última os produtos sã o produzidos em lotes e no final podem ser reconfigurados/programados para produzir lotes de outro produto, já na automaçã o flexível podem ser produzidos vários produtos ao mesmo tempo no mesmo sistema de produçã o. [ 2]
Os robôs industriais sã o utilizados, quer em sistemas de automaçã o flexível quer em sistemas de automaçã o programável.
C las s ific a çã o d e R ob ô s
F i gura 2.4 - C l assi f i c açã o de robôs [ 5]
R obôs H umanóides: conforme o nome indica, tê m o aspeto do ser humano (F igura 2.5) e é possível interagir com praticamente todos os elementos com que o ser humano se relaciona. S ã o constituídos por cabeça, tronco, membros superiores e membros inferiores. [6]
F i gura 2. 5 - H umanói de T oy ota [ 5]
R obôs I ndustr iais: sã o capazes de manusear peças, ferramentas ou dispositivos, através de movimentos programados para a realizaçã o de uma variedade de tarefas e serã o falados com mais detalhe no próximo capítulo [ 6]
R o bô s Indu s triais
Os robôs sã o máquinas programáveis possuidoras de vários mecanismos de interface com outros equipamentos, tornando os robôs equipamentos flexíveis por natureza uma vez que se podem adaptar à s mais diferentes tarefas. E sta importante caraterística aumenta a disponibilidade dos elementos robotizados para alterações de tarefas e operações, o que é crucial para responder de forma ágil a alterações de mercado ou à introduçã o de novos produtos. [ 7]
Nas fábricas modernas atualmente verifica-se uma grande mistura de trabalho humano e trabalho realizado por máquinas automáticas tais como robôs manipuladores e móveis, autómatos programáveis, equipamentos hidráulicos e pneumáticos, máquinas ferramenta. Os robôs manipuladores substituem os operários humanos nos seguintes contextos [ 7]:
T r abalho per igoso para ser es humanos: é considerado o uso de um robô industrial quando o ambiente no qual a tarefa é desempenhada é perigoso, inseguro, nocivo à saúde, desconfortável, ou de certa forma, desagradável. A lguns processos sã o fundiçã o, forjamento, pintura por pulverizaçã o (spray) e soldadura por arco elétrico.
Peças de difícil manuseio: Peças ou ferramentas muito pesadas para que pessoas manuseiem encontram-se dentro das capacidades de um grande robô. S e a tarefa envolve o manuseio de peças ou ferramentas que sã o pesadas ou difíceis de manipular, um robô industrial pode ser disponibilizado para realizar a tarefa.
O per açã o em múltiplos tur nos: a substituiçã o por um robô proporciona retorno financeiro mais rápido pois o robô pode ser equivalente a vários trabalhadores, uma vez que pode trabalhar ininterruptamente.
A s aplicações na indústria onde os robôs manipuladores sã o mais utilizados [ 7]: 1. Soldadura por arco elétrico e soldadura por pontos;
2. E mpacotamento e paletizaçã o; 3. Manipulaçã o e transporte; 4. C orte e acabamento; 5. Montagem;
6. A bastecimento de máquinas;
7. A plicaçã o de materiais para selagem e colagem; 8. Pintura;
9. Inspeçã o.
Os robôs industriais seguem os seguintes parâmetros [ 6]:
Graus de liberdade: para controlar por completo a orientaçã o do extremo de um braço robótico podem ser necessários 6 eixos – 3 eixos para alcançar qualquer ponto no espaço e mais 3 eixos (2 sentidos de giro e aperto);
C inemática: a disposiçã o dos membros e juntas determinam os movimentos de um robô. A s categorias cinemáticas incluem os articulados, cartesianos, paralelos e SC A R A ; A mbiente de trabalho: a regiã o de um espaço que um robô pode alcançar;
C apacidade de carga;
V elocidade: a rapidez com que um robô pode mexer o braço;
Precisã o: o quã o próximo da regiã o desejada o robô pode alcançar. A precisã o pode variar com a velocidade e com o ambiente de trabalho e pode ser aumentada através da calibraçã o;
C ontrolo dos movimentos: para o desempenho de tarefas como a soldadura, os movimentos do braço devem ser controlados ( velocidade e orientaçã o), já para outro tipo de tarefas tais como montagens repetitivas, o robô apenas precisa executar rapidamente um número limitado de posições pré-programadas;
F onte de energia: podem ser utilizados motores elétricos (mais rápido – usado em aplicações como pintura a spray) ou atuadores hidráulicos (mais forte – usado em aplicações de movimentaçã o de cargas pesadas);
R o bô s n a s o ld adura
Os robôs concebidos especificamente para executarem aplicações de soldadura por arco, sã o caracterizados pelas suas dimensã o reduzida, com motores extremamente rápidos, uma excelente aceleraçã o e uma boa capacidade de repetiçã o entre ciclos. D evido a sua agilidade a carga útil suportada por este tipo de robôs é reduzida e ronda os 5 a 20kg dependendo dos modelos com alcances até 2 metros. E stes estã o pensados para suportar as ferramentas de soldadura (T ocha, C abos, A limentador de fio), a rondar os 5 a 15kg conforme as características dos equipamentos, embora possam ser utilizado para outras tarefas como PPP. (F igura 2.8)
F i gura 2.6 – R obô de sol dadura A R C M ate 100i C /12 [ 8]
2.2.4.1 S oldadura po r A rc o E létric o
Quando a soldadura por arco é realizada manualmente requer a utilizaçã o de um técnico especializado – soldador – assistido por outro operário – o preparador – que prepara as partes a soldar. O ambiente de trabalho nã o é agradável na medida em que há calor intenso, fumos, faíscas, correntes elétricas elevadas e emissã o de raios ultravioletas que obrigam a utilizaçã o de viseiras protetoras. É por este motivo que se considerou a automaçã o por sistemas dedicados ou por sistemas robotizados. [ 7]
Soluções [ 7] :
C orreções no processo produtivo de tal forma que os componentes a soldar nã o criem problemas durante o processo. E sta alternativa é muito interessante pois contribui para a qualidade total do produto final e simplifica o processo de soldadura. A desvantagem é que aumenta os custos de produçã o dos referidos componentes e envolve um acréscimo de trabalho.
Garantir que o robô possa acomodar e compensar erros dimensionais geométricos e de preparaçã o de j untas a soldar durante o processo. E sta soluçã o passa pela utilizaçã o de diversos tipos de sensores como sistemas de visã o, do processamento da informaçã o recolhida e atuaçã o em tempo real para que seja possível o seguimento da junta e a correçã o de parâmetros de soldadura (F igura 2.7F igura 2.1). E sta alternativa representa uma área com muito potencial de aplicaçã o ainda em fase de desenvolvimento.
B raço s R o bótic o s
Os braços robóticos usados para manipulaçã o de objetos ou posicionamento de ferramentas, foram desenvolvidos para imitar o “braço humano” na realizaçã o de tarefas. D este modo é possível fazer uma analogia dos sete graus de liberdade do “braço humano” para o braço robótico, uma junta de trê s graus de liberdade (o ombro), seguida de uma junta com um grau de liberdade (o cotovelo) e por outra com trê s graus de liberdade (o punho). A grande maioria dos robôs manipuladores tem, geralmente, seis eixos, que lhe permitem atingir qualquer posiçã o/orientaçã o no seu espaço de trabalho, desde que nã o atinjam os pontos de singularidade. A existê ncia das singularidades representa uma perda de mobilidade no manipulador industrial, mas, desde que conhecidas, estas podem ser evitadas aquando da realizaçã o do trabalho. C omo no braço humano, os robôs manipuladores industriais usam as primeiras juntas para posicionamento (no homem representam o cotovelo e o ombro) das juntas seguintes. A s últimas juntas dos robôs (representando o punho do ser humano), sã o utilizadas para pequenos aj ustes de posiçã o ou orientar o elemento-terminal (última junta do robô ou um qualquer tipo de ferramenta acoplada). (F igura 2.8)
O punho tem geralmente duas configurações: pitch-yaR-roll (Y X Z ), como o punho humano, ou roll-pitch-roll (Z Y Z ), também denominado de punho esférico E ste último é o mais usado na robótica de manipulaçã o devido à sua maior simplicidade, apesar de apresentar singularidades.
2.3 S is temas d e C ontrol o
A A utomaçã o Industrial visa principalmente a produtividade, qualidade e segurança dos processos. Num sistema típico, toda a informaçã o dos sensores é concentrada num controlador programável que define o estado dos atuadores, de acordo com o programa em memória. C om o aparecimento de instrumentaçã o inteligente, as funções executadas no controlador programável tem uma grande tendê ncia a serem migradas para os instrumentos de campo. Uma contribuiçã o adicional importante dos sistemas de A utomaçã o Industrial é a conexã o do sistema de supervisã o e controlo com sistemas corporativos de administraçã o das empresas. E sta conectividade permite a partilha de dados importantes da operaçã o diária dos processos, contribuindo para uma maior agilidade no processo de decisã o e maior confiança nos dados que suportam as decisões dentro da empresa, para assim melhorar a produtividade.
P ro g rammab le L og ic C ontroller ( P L C )
“Os controladores lógicos programáveis – PL C ’s - sã o desenvolvidos para efetuar tarefas de lógica programada, temporizaçã o, contagem e operações matemáticas em alta velocidade, substituindo contatores auxiliares, temporizadores e contadores eletromecâ nicos com vantagens como a otimizaçã o de espaços, facilitando significativamente as atividades de manutençã o”. [ 11]
E ste conceito nasceu dentro da indústria automóvel americana, especificamente na Hydronic Division da General Motors, em 1968. E ste aparecimento foi devido à grande dificuldade de mudança dos painéis de comando a cada alteraçã o efetuada na linha de montagem, uma vez que tais mudanças implicavam altos gastos de tempo e dinheiro. Sobre a liderança do engenheiro R ichard Morley, foi preparada uma especificaçã o que refletia as necessidades de muitos utilizadores de circuitos que utilizavam relés, nã o só da indústria automóvel, mas em toda a indústria de manufatura em geral. Nascia assim, um equipamento bastante versátil e de fácil utilizaçã o, que tem vindo a ser progressivamente melhorado, diversificando cada vez mais os sectores industriais e as suas aplicações, o que se traduz num mercado que movimenta muitos milhões de E uros por ano. D esde o seu aparecimento até hoje, muita coisa evoluiu nos controladores lógicos, como a variedade de tipos de entradas e saídas, o aumento da velocidade de processamento, a inclusã o de blocos lógicos complexos para tratamento das entradas e saídas e principalmente o modo de programaçã o e a interface com o utilizador. PL C é o tipo de controlador de maior aplicaçã o na indústria. Possui elevada capacidade de processamento. F unciona em tempo real, é projetado para controlar múltiplas entradas e saídas e também para funcionar em ambientes hostis, pois suporta grandes variações de temperatura e tem imunidade a ruídos elétricos e elevada resistê ncia a vibraçã o e impacto. Os programas sã o geralmente construídos numa aplicaçã o específica num computador e depois transferidos para o PL C por cabo ou via rede, sendo armazenados em memórias nã o voláteis.
T odos os PL C s possuem as seguintes caraterísticas [ 12]:
C ontadores: permitem a contabilizaçã o de atividades. Na maioria dos PL C , os contadores sã o de alta velocidade para utilizações mais exigentes;
Timers: permitem a implementaçã o de funções de temporizaçã o;
R egistos: permitem a escrita e consulta de dados em memória. A capacidade de memória aumenta muito com a gama do PL C e podem guardar desde bits a double Rords; E ntradas e Saídas D igitais e A nalógicas: à s entradas sã o usadas para receber sinais dos
vários dispositivos que constituem o sistema onde está instalado o PL C , já as saídas sã o utilizadas para atuar periféricos escravos. A lguns PL C tem um esquema modular, permitindo a expansã o de I/O com módulos dedicados a funções específicas;
Possibilidade de ligaçã o remota: de modo geral, todos os PL C permitem comunicações por ligações ponto-a-ponto, normalmente por R S 232 ou R S485. Os mais avançados, podem suportar redes E thernet baseadas em T C P/IP, redes C A N e Profibus, etc.; Operações lógicas elementares: permitem manipular informaçã o e construir sequê ncias
lógicas de instruções essenciais ao seu funcionamento;
F unções matemáticas: muito úteis para cálculo de determinadas variáveis. O número das possíveis funções matemáticas depende muito da gama do PL C utilizado;
F unções avançadas de controlo: por exemplo, blocos PID já construídos e configuráveis pelo utilizador é uma das funções normalmente existente nos PL C de gama média e alta; A tualmente, os PL C apresentam velocidades de execuçã o da ordem de 0,5 a 1.8 µ s por
instruçã o, o que é uma performance bastante considerável.
2.3.1.1 C omponen tes d e P L C s
A estrutura caraterística de um PL C (F igura 2.9) é:
E ntradas: C omutadores, botões, sensores (sensores fotoelétricos, sensores de proximidade, Pressostatos, Detetores de nível, Sondas de T emperatura e V acuostatos) e E ncoders (C odificadores incrementais ou absolutos) . [ 13] Permite a ligaçã o dos captores que lhe estã o associados, transformando o sinal elétrico num sinal lógico 0 ou 1.
Saídas: Permite agir sobre os pré-acionadores que lhe sã o associados e transformam o estado lógico ( 0 ou 1) num sinal elétrico. Podem ser válvulas, motores; atuadores; relés de controlo; alarmes; lâmpadas; contadores e bombas.
F i gura 2. 9 - C omponentes de um P L C [ 13]
2.3.1.2 C ic lo de F unc ioname nto
O ciclo de funcionamento de um PL C tem 4 etapas continuamente repetidas – processadas em loop: (F igura 2.10) [ 13]
1. L eitura das entradas: lê o estado das entradas; 2. E xecuçã o do programa: processa o programa; 3. A tualizaçã o das saídas: liga / desliga as saídas;
F i gura 2. 10 - C i c l o de f unc i onamento de P L C [ 13]
No rma IE C 1131-3
A crescente complexidade na programaçã o dos PL C ’s motivou a necessidade de normalizar as linguagens. Sobre a direçã o do IE C (International E lectrotechnical C ommission) foi definida a norma IE C 1131-3 (3ª parte da norma IE C 1131, atualmente identificada por IE C 61131) para a programaçã o dos PL C ’s, tendo em A gosto de 1992 alcançado o estatuto de norma internacional.
E sta norma é a terceira parte das cinco que constituem a norma IE C , e foi criada com o objetivo de unificar os diferentes padrões de linguagem usados pelos vários fabricantes de dipositivos de controlo programáveis em 1979. E ste grupo tinha como objetivo analisar o projeto completo de PL C s (inclusive hardRare), instalaçã o, testes, documentaçã o, programaçã o e comunicações e designou 8 frentes de trabalho para desenvolver diferentes partes da norma para PL C s. E sta norma contém:
IE C 1131-1- Informações gerais (1992)
E stabelece as definições gerais dos termos utilizados na norma e identifica as principais características relevantes para a seleçã o e aplicaçã o de controladores programáveis e seus periféricos;
IE C 1131-2- E specificações e ensaios de equipamentos ( 1992)
C ontém os requisitos mínimos para as características funcionais, condições de serviço, características de construçã o e condições de segurança e testes aplicáveis aos controladores programáveis e periféricos associados;
IE C 1131-3- L inguagens de programaçã o (1993)
E specifica a sintaxe e a semântica de um conjunto unificado de linguagens de programaçã o para controladores programáveis
IE C 1131-4- Guias para o utilizador (1994)
IE C 1131-5- Serviços de comunicaçã o
C ontém informaçã o sobre as comunicações entre PL C ’s de diversos fabricantes, assim como comunicações entre outros sistemas que utilizem o mesmo protocolo de comunicações.
R esumindo, a IE C 1131-3 é a única norma global para programaçã o de C ontrolo Industrial. Uma interface de programaçã o padrã o permite a pessoas com diferentes capacidades e formações, criar elementos diferentes de um programa durante estágios diferentes do ciclo de vida de um softRare: especificaçã o, projeto, implementaçã o, teste, instalaçã o e manutençã o. A norma IE C 1131-3 e pode ser dividida em duas partes:
E lementos comuns;
L inguagens de Programaçã o.
A norma inclui a definiçã o da linguagem Sequential F unction C hart (SF C ), usada para estruturar a organizaçã o interna do programa, e de cinco linguagens: L ista de Instruçã o (IL ), T exto E struturado (ST ), D iagrama de B locos de F unções (F B D ), Diagrama de C ontactos (L D ) e D iagrama L adder (L D ).
V antagens da norma IE C 1131-3:
D iminuiçã o dos problemas de formaçã o;
Homogeneidade na documentaçã o das aplicações: estrutura de programas idê ntica, objetos pré-definidos, etc;
V ariedade de linguagens standard: cada funçã o de uma aplicaçã o pode ser programada na linguagem que melhor se adapte para assegurar o melhor resultado; F acilidade para a portabilidade dos programas.
2.3.2.1 L ing uag ens d e P rog rama çã o
C om o objetivo de tornar a norma adequada a uma grande variedade de aplicações, foram definidas cinco linguagens de programaçã o para PL C ’s (gráficas e textuais), constituindo estas uma forte base para uma boa programaçã o dos PL C ’s. [ 14]
L ista de Instruções – Instruction L ist (IL )
T exto E struturado – Structured Text (ST )
O ST é uma linguagem de alto nível, cuja sintaxe é parecida com a da linguagem Pascal. A utilizaçã o de texto estruturado torna a linguagem ST fácil de utilizar. A linguagem ST pode ser empregue para realizar rapidamente aplicações que operam com uma grande variedade de variáveis de diferentes tipos de dados, incluindo valores analógicos e digitais. A ST é uma linguagem adequada para a implementaçã o de algoritmos matemáticos complexos. Deste modo, esta linguagem pode também ser utilizada para simplificar longos programas elaborados em diagramas de contactos ou diagramas de funções.
Diagrama de F unções – F unction Block D iagram (F B D )
O F B D permite o desenvolvimento de programas em ambiente gráfico, através da utilizaçã o de blocos de funções existentes na biblioteca de blocos de funções do IE C . A linguagem F B D é adequada para o desenvolvimento de aplicações que envolvem o fluxo de informaçã o ou dados entre componentes de controlo. O F B D é particularmente cómodo de utilizar do ponto de vista de técnicos habituados a trabalhar com circuitos de portas lógicas, já que a simbologia utilizada em ambos é equivalente.
Diagrama de C ontactos – L adder D iagram (L D )
O L D é uma linguagem de programaçã o gráfica que utiliza um conj unto de símbolos de programaçã o normalizados. Os símbolos tradicionais do L D sã o as bobines e os contactos. No entanto, o IE C permite a inserçã o de blocos de funções no programa, tornando a linguagem mais versátil. E sse passo tem em vista a migraçã o progressiva dos tradicionais esquemas lógicos com relés para métodos mais avançados de diagramas de blocos de funções. O L D está principalmente orientado para resolver problemas de automatismos combinatórios
Gráfico Sequencial de F unções – Sequential F unction C hart (SF C )
O SF C é uma linguagem gráfica que proporciona uma representaçã o do processo em forma de diagrama, particionando-se o programa em sequê ncias lógicas. F oi especialmente desenvolvida para resolver problemas de automatismos sequenciais. O gráfico é constituído por um conjunto de etapas e transições. A s acções a executar sã o associadas à s etapas e as condições a cumprir à s transições. C omo consequê ncia das aplicações industriais funcionarem em forma de etapas, o SF C é a forma lógica de especificar e programar em mais alto nível um programa para PL C s.
Human Mac hine Interfac e (HMI)
Pode-se definir HMI como:
C anal de comunicaçã o entre o homem e o computador, através do qual interagem, com vista atingir um objetivo comum;
C onjunto de comandos de controlo do utilizador mais as respostas do computador, constituídos por sinais (gráficos, acústicos e tácteis);
Parte de um sistema computacional com a qual uma pessoa entra em contacto físico, percetual e conceitual.
E m suma, uma HMI permite disponibilizar informaçã o, alertas e comandos para um utilizador interagir com uma máquina ou sistema de automaçã o. O hardRare utilizado pela HMI é normalmente equipamento dedicado, embora possam ser utilizados dispositivos de utilizaçã o quotidiana, como um tablet.
F i gura 2. 11 – M oni tori z açã o e C ontrol o R emoto [ 15]
Quando uma interface é bem projetada, ela é intuitiva, agradável e controlável. Os utilizadores sentem-se seguros ao realizar as suas ações. A importância da interface torna-se evidente, pois todos somos utilizadores e alguns aspetos reforçam esta importância, tais como [ 16] :
A umento da complexidade dos sistemas;
Os obj etivos destes interfaces sã o os de produzir sistemas seguros, funcionais, versáteis. E sses objetivos podem ser resumidos como:
D esenvolver ou melhorar a segurança; Utilidade;
E fetividade;
Usabilidade: neste contexto, o termo sistemas refere-se nã o somente ao hardRare e softRare, mas a todo o ambiente que usa ou é afetado pelo uso da tecnologia computacional.
D urante o projeto de interface é necessário que se faça uma análise mais detalhada, como especificaçã o de requisitos, módulo de qualidade e perfil dos utilizadores. A participaçã o do utilizador durante o processo de desenvolvimento da aplicaçã o é de extrema importância, pois ajuda a diminuir os erros, propicia a maior interaçã o e entendimento do utilizador, cativa a curiosidade e interesse e, por fim, ajuda a ter maior aceitaçã o do produto [ 16].
E m acréscimo, as HMI sã o passíveis de inclusã o no projeto original da máquina ou sistemas de automaçã o, ou mesmo posteriormente em projetos de remodelaçã o tecnológica motivada pela necessidade de dotar sistemas de produçã o de maior capacidade e eficiê ncia ou implementar normas de segurança e higiene no trabalho e/ou ambientais (F igura 2.12).
F i gura 2. 12 - H M I I ndustri al [ 17]
2.3.3.1 S is temas H MI / S C A D A
A s HMI podem encontrar-se no domínio industrial como elemento de interface de sistemas SC A D A (Supervisory C ontrol and Data Acquisition) e D C S (Distributed C ontrol System) que controlam e monitorizam processos, ou em máquinas singulares, designadamente C NC ( C omputer Numerical C ontrol).
F i gura 2. 13 - A rqui tetura de rede [ 19]
V antagens da utilizaçã o de um sistema HMI / SC A D A [18] (F igura 2.13):
A umentar a eficiê ncia: a partir das informações geradas em tempo real permite identificar falhas e consequentemente otimizar as tomadas de decisã o para manter o processo de operaçã o;
Operar remotamente no processo: permite intervençã o no processo remotamente; A nalisar as tendê ncias: é possível tomar ações proactivas para maximizar a produçã o
baseado no histórico das informações da base de dados;
A larmes: sinaliza em tempo real, alguma falha no processo e regista essa falha na base de dados para consultas futuras;
C riaçã o de relatórios e gráficos: possibilidade da criaçã o de relatórios e gráficos sobre os alarmes e tendê ncias.
C o mponente s E létric os
2.3.4.1 Q uad ro s D is juntores
Um quadro de distribuiçã o é um equipamento elétrico designado a receber energia elétrica de uma ou mais fontes de alimentaçã o e distribui-las a um ou mais circuitos. E m qualquer instalaçã o elétrica, é necessário saber como realizar os procedimentos correspondentes à execuçã o de um projeto elaborado previamente, em conformidade com as especificações previstas na norma ISO 13849/2006 (norma que regulamenta a segurança de máquinas – partes dos sistemas de comandos relativos à segurança).
Os disjuntores protegem os circuitos que alimentam as cargas em todo o ambiente (seja residencial ou comercial). E xistem dois barramentos contendo os condutores neutro e de proteçã o onde o primeiro deve estar isolado eletricamente do quadro de distribuiçã o e o segundo (de proteçã o) deve estar acoplado a ele, constituindo portanto a proteçã o dos circuitos contra choques no contato indevido com superfícies conduzindo energia, sendo que este encontra-se ligado ao aterramento geral da instalaçã o.
F i gura 2. 14 - D i sj untor de M T de v ác uo até 24K V [ 20]
“O disjuntor E volis associado a um conjunto de componentes e ferramentas de design forma uma oferta completa para construir um quadro de distribuiçã o Masterpact (MT ) personalizado. A gama E volis proporciona tranquilidade aos nossos parceiros, os fabricantes de quadros”. [ 20]
2.3.4.2 F ontes de A limentaçã o
F i gura 2.15 - F onte de al i mentaçã o D R T - 240 da M ean W el l [ 21]
2.3.4.3 V ariadores
Um variador de velocidade A C , também conhecido como conversores de frequê ncia, variadores de frequê ncia ou inverters, é uma unidade eletrónica de potê ncia para o controlo contínuo da velocidade de motores de induçã o. O controlo da velocidade economiza energia, protege a rede elétrica e a máquina, assim como incrementa a qualidade e o volume de produçã o.
F i gura 2. 16 - G ama de v ari adores de v el oc i dade da N ord [ 22]
D estaques técnicos [ 22] :
C ontrolo vetorial de corrente sem sensores, que assegura rotações constantes e torques muito elevados na partida em caso de cargas variáveis;
200 % De reserva para sobrecarga, levando a maior segurança operacional em guindastes e aplicações elevatórias;
Um chopper de frenagem integrado para a operaçã o em 4 quadrantes;
Um filtro de rede integrado, como base para um desempenho ideal de compatibilidade eletromagnética fazem parte do equipamento básico de toda a gama, assim como um PID - ou controlador de processo;
Os controladores assumem as tarefas de controlo da sua aplicaçã o de forma independente;
Pode-se escolher entre Inversores com fonte 24 V integrada ou conexã o separada para a alimentaçã o externa.
2.3.4.4 B arreiras Óti c a s (B O )
Um sistema de barreiras óticas é constituído por uma barreira emissora e uma barreira recetora de luz infravermelha, os quais por norma sã o monitorizados por relê s de segurança. O funcionamento deste sistema consiste na emissã o de luz por parte da barreira emissora e receçã o da luz emitida por parte do recetor, formando uma barreira de luz entre os dois (F igura 2.17). O emissor e recetor devem permanecer alinhados e sem obstáculos que impeçam a criaçã o da barreira de luz, caso contrário é detetado a sua interrupçã o, sendo atuadas as saídas de segurança. E ste tipo de equipamento é muito utilizada por motivos de segurança, sendo muitas vezes colocado em pontos de acesso as máquinas para criar uma área de segurança entre a máquina e o operador.
S oluções D es env olv idas
Durante o período de estágio na Motofil as soluções desenvolvidas incidiram sobre a melhoria de máquinas já existentes e que estã o constantemente a sofrer alterações por vários motivos, como por exemplo inovações, pedidos específicos de clientes, entre outros. V isto que no decorrer do estágio o funcionamento da empresa nã o permitiu o acompanhamento do início ao fim de uma instalaçã o por diversos motivos tais como clientes no estrangeiro, longos períodos de projeto e montagem. Optou-se entã o por definir uma linha de trabalho em que fosse possível passar por todos os passos, para isso foi necessário acompanhar vários projetos e intervir apenas em partes de projeto, em alterações de projeto ou melhorias. Para a elaboraçã o deste relatório de estágio o foco permanece em dois modelos de máquina, Mesa H e a C oluna de S oldadura, pois foram os que mais tempo ocuparam e onde foi possível desenvolver e adquirir mais conhecimento. O trabalho desenvolvido durante todo o estágio abordou diversas áreas, como por exemplo programaçã o robôs (F anuc); programaçã o de autómatos Siemens e F anuc; protocolos de comunicaçã o (E thernet, Profinet, C an, Profibus); desenvolvimento de HMI’s (B eijer e W eintek); projeto elétrico (S E E E lectrical); escolha, pesquisa e seleçã o de materiais; e desenvolvimento de um apalpador (Seam T racker).
3.1 T ip os de máquina s Mes a H e C oluna de S o ldadura
Neste capítulo será abordada uma descriçã o das duas máquinas onde foi possível desenvolver mais trabalho durante o tempo de estágio. A s máquinas abaixo descritas podem variar em dimensões e características, pois as soluções que sã o produzidas na Motofil sã o moldadas as especificidades dos clientes, e das peças a operar.
Mes a H
F i gura 3.1 - L ayout geral da c él ul a [ 24]
Modo de funcionamento:
1. Montagem das peças no gabarito e posterior validaçã o do mesmo pelo operador; 2. A mesa gira de maneira a que o gabarito montado e validado passe para a zona do robot
e, por sua vez, o que estava no robot, passa para a área de trabalho do operador ficando a espera de nova peça e validaçã o;
3. O robot tem a funçã o de soldar as peças montadas no gabarito validado;
F i gura 3. 2 - Á reas de trabal ho de uma mesa H [ 24]
L egenda:
A . - A ro para gabarito; B . - Painel de comando; C . - Z ona do robô; D . - Z ona do operário; E . - C ontrolador;
C o luna de S oldadura S imples
“E quipamento em construçã o soldada, de elevada rigidez por forma a garantir uma flexã o mínima do braço, sendo que os movimentos sã o garantidos por meio de guias lineares de precisã o. C ontém 5 eixos motorizados e 6 eixos de movimentaçã o (X , W, Z Y, y1, y2), para soldadura MIG/ MAG , TIG e SAW” [ 24]. O sistema de soldadura é fornecido pela Motofil ou pelo cliente podendo ser SA W em tanden, simples, MIG/MA G, T IG ou ainda combinado.
F i gura 3. 3 - C ol una de S ol dadura S i mpl es [ 24]
É constituído por (ver dimensões na T abela 3.1):
C arro: monitorizado, eixo X – movimento de translaçã o horizontal sobre carris; C oluna: motorizado opcionalmente, rotaçã o W – coluna montada sobre uma roda de
coroa que permita a rotaçã o entre 0 – 180º ;
B raço: motorizado, eixo Z vertical e eixo Y horizontal – montado sobre um carro com deslocamento vertical;
C abeçal de soldadura: está montado sobre um carro individual, acoplado ao braço ou fixo na extremidade do braço (F igura 3.4);
F i gura 3. 4 - C abeçal nos doi s ex tremos na C ol una de S ol dadura [ 24]
T abel a 3. 1 - C araterísti c as T éc ni c as das C ol unas de S ol dadura [ 24]
Mode los
C aracterís tic as técnic a s Unidade C B 3030 C B 4040 C B 5050 C B 6060 C B D 6060 C B 6030+30
C urs o do braço ( Y ) mm 3000 4000 5000 6000 3000+3000
C urs o da c oluna (Z bas e) mm 3000 4000 5000 6000 6000
A ltura mínima ( braço – solo)
C / c arro mm N.A . 1450 1550 1550
S / ca rro mm 630 1090 885 885
A ltura máxima ( braço – solo)
C / c arro mm N.A . 5350 6370 7600 7600
S / ca rro mm 3450 4720 5740 6935 6935
A ltura máxima total (B )
C / c arro mm N.A . 6630 7630 9200 9200
S / ca rro mm 5000 6000 7000 8535 8535
C omprimento tota l braço ( A ) mm 4300 5300 6300 7890 8390
V eloc ida de máxima braço mm/min 1800@ 50HZ
V eloc idade máxima c oluna mm/min 1800@ 50HZ
V eloc idade máxima c arro mm/min 1500@ 50HZ
V eloc idade máxima c a be çal e s lide
mm/min 1400
P otência ac ionamento bra ço kW 2x0,55
P otência ac ionamento c oluna kW 0,55
P otênc ia a c iona mento c arro kW 0,75
P otênc ia a c ionamento c abe çal e s lide
kW S ervo motor D C
C omprimento do ca rro ( C ) mm N.A . 1800 2400
L arg ura do ca rro ( D ) mm N.A . 1800 2300
D is tâ nc ia e ntre carris (E ) mm N.A . 1450 ( variável) 1960(variáv el)
A ltura do c arro ( F ) mm N.A . 630 665
Q uadros E létric os
Nos quadros elétricos produzidos nas instalações da Motofil podemos destacar dois tipos de estrutura de quadros, um é instalado dentro do controlador do robô ficando assim a ser o quadro elétrico geral da célula, o outro é o típico quadro/armário elétrico presente em todas as estruturas industriais.
Quadros dentro dos controladores F anuc (A utómato - PMC ) mesa H versã o simples:
E ste tipo de instalaçã o é feita para economizar gastos de maneira a fornecer uma soluçã o de baixo custo ao cliente, com todas as funcionalidades e equipamentos necessários. D este modo nã o é instalado um quadro elétrico na instalaçã o e é aproveitado o espaço dentro do controlador F anuc. Para tal é necessário instalar duas platinas uma com a parte de alimentaçã o, proteçã o e distribuiçã o de potê ncia da máquina a outro com a parte de controlo a 24V D C com os sinais e alimentaçã o de componentes de controlo e comando instalados na porta do controlador como é possível ver na F igura 3.5.
F i gura 3.5 – C ontrol ador F anuc parte de c ontrol o e de potê nc i a [ 24]
Quadros elétricos:
No caso das instalações mais básicas com dimensã o e complexidade reduzida como na coluna de soldadura (F igura 3.3) é utilizado um quadro elétrico como na F igura 3.6 este caso específico tem como principais características: vários variadores da Nord para controlar os movimentos da coluna e um autómato da gama S 7-1200 da Siemens com trê s módulos de expansã o de sinais digitais e um de sinais analógicos. D evido a dissipaçã o do calor os dispositivos com maior dissipaçã o encontram-se na parte superior do quadro elétrico (variadores e fontes de alimentaçã o), junto ao ventilador do quadro. E sta gama de autómatos veio substituir a antiga gama do S 7-200 a qual usava comunicaçã o R S 485 e Profibus, neste momento é possível programar autómatos diretamente via protocolo E thernet, com recurso a uma programaçã o mais simples e intuitiva num módulo compacto e expansível (F igura 3.7).
