Monitoramento ambiental para aprimoramento do processo de rotomoldagem

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA E ELETRÔNICA CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELETRÔNICA

Samuel Nelson Krehnke

Monitoramento ambiental para aprimoramento do processo de rotomoldagem

Florianópolis 2020

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Trabalho de Conclusão de Curso do Curso de Gra-duação em Engenharia Eletrônica do Departamento de Engenharia Elétrica e Eletrônica da Universidade Federal de Santa Catarina para a obtenção do tí-tulo de Bacharel em Engenharia Eletrônica.

Orientador: Prof. Richard Demo Souza, Dr.

Florianópolis 2020

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Ficha de identificação da obra elaborada pelo autor,

através do Programa de Geração Automática da Biblioteca Universitária da UFSC.

Krehnke, Samuel Nelson

Monitoramento ambiental para aprimoramento do processo de rotomoldagem / Samuel Nelson Krehnke ; orientador, Richard Demo Souza, 2020.

51 p.

Trabalho de Conclusão de Curso (graduação)

-Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Graduação em Engenharia Eletrônica, Florianópolis, 2020. Inclui referências.

1. Engenharia Eletrônica. 2. Internet das Coisas na Indústria. 3. Rotomoldagem. 4. LoRaWAN. 5. Monitoramento Ambiental. I. Souza, Richard Demo . II. Universidade Federal de Santa Catarina. Graduação em Engenharia Eletrônica. III. Título.

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Este Trabalho de Conclusão de Curso foi julgado adequado para obtenção do Título de “Bacharel em Engenharia Eletrônica” e aprovado em sua forma final pelo Curso de

Graduação em Engenharia Eletrônica.

Florianópolis, 17 de Dezembro de 2020.

Prof. Fernando Rangel de Sousa, Dr. Coordenador do Curso

Banca Examinadora:

Prof. Richard Demo Souza, Dr. Orientador

Prof. Carlos Aurélio Faria da Rocha, Dr. Avaliador

Universidade Federal de Santa Catarina UFSC

Prof. Glauber Gomes de Oliveira Brante, Dr(a).

Avaliador

Universidade Tecnológica Federal do Paraná UTFPR

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Este trabalho é dedicado a sociedade e a indústria brasileira que investem em uma educação superior pública, gratuita e de qualidade. Aos meus pais, irmãs e professores.

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AGRADECIMENTOS

Gostaria de agradecer primeiramente a Deus pelo dom da vida e por todas as coisas que são dadas por Ele e através dEle.

Agradeço muito ao professor orientador Richard Demo Souza pelos ensinos recebidos e pela oportunidade de realizar esse trabalho no ambiente industrial. Muito obrigado pelas horas dedicadas. Agradeço a Universidade Federal de Santa Catarina pelo ensino, pelos professores e orientadores que propagam o conhecimento e por toda estrutura que a Universidade dispõe aos alunos.

Agradeço meus pais, Dorly e Nelson Krehnke, pela educação e pelos esforços para que pudesse chegar até aqui. Agradeço minhas irmãs Mônica, Suzana e Caroline que sempre estiveram dispostas a acompanhar o percurso da graduação. Agradeço aos cunhados pela companheirismo e pelo incentivo.

Agradeço a Martha Luisa Moecke pelas revisões feitas e especialmente pelo com-panheirismo durante os últimos 4 anos. Também a família Moecke que me recebeu e incentivou nessa etapa.

Agradeço todos os professores que fizeram parte da minha formação desde criança e fomentaram a busca pelo conhecimento.

Quero agradecer a Krenke Brinquedos Pedagógicos LTDA por disponibilizar estru-tura, recursos e tempo dos operadores para a realização das medidas e pelo conhecimento passado.

Agradeço a minha madrinha Mariam, e seu esposo Roberto Cidral pela moradia, pela estrutura disponibilizada e por todas as conversas que tivemos durante esse tempo em Florianópolis na UFSC.

Agradeço ao Carlos Emanuel, ao Jacson e aos amigos próximos pela amizade e parceria.

Agradeço aos amigos que estiveram presentes durante toda a etapa de formação acadêmica e também de desenvolvimento desse trabalho, por disponibilizarem tempo para discussão de ideias e aprimoramentos no trabalho. Agradeço a todos os grupos que me acolheram e que ajudaram a construir o pensamento crítico. Agradeço a MUNIL, a equipe Céu Azul Aeronaves e ao grupo de pesquisa UFSCKite

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“Em todo o espaço há energia... é uma questão de tempo até que os homens tenham êxito em associar seus mecanismos ao aproveitamento desta energia.

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RESUMO

O mundo virtual e mundo físico estão se unindo. A Internet das Coisas está unindo e ampliando a percepção de realidade das pessoas e possibilitando uma nova revolução nas indústrias. O estudo apresenta as tecnologias que conectam o mundo físico ao mundo virtual e as diversas opções que o mercado dispõe. É especialmente voltado para a indústria de polímeros, especificamente no processo de rotomoldagem, em que existem diversas opções de medições no processo e de conexões do ambiente industrial com o ambiente virtual. As medidas realizadas apontam algumas atitudes que podem ser tomadas para a melhoria do processo. A busca por melhorias no processo traz uma apresentação da tecnologia LoRaWAN e soluções disponíveis no mercado para que os dados coletados sejam disponibilizados para os operadores afim de melhorar o processo.

Palavras-chave: Internet das Coisas na Indústria. Processo de Rotomoldagem. Lo-RaWAN.

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ABSTRACT

The virtual and the physical world are merging. The Internet of Things is uniting and expanding people’s perception of reality and enabling a new revolution in industries. The present study shows the technologies that connect the physical world to the virtual world and the various options that the market offers. It is especially focused at the polymer industry, specifically in the rotational moulding process, where there are several measurement options in the process and connections between the industrial environment and the virtual environment. The measures indicate to some actions that can be taken to improve the process. The search for improvements in the process brings a presentation of LoRaWAN technology and solutions available on the market, doing that the data collected is made available to operators in order to improve the process.

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1 – Camadas de redes . . . 19

Figura 2 – Alcances e aplicações dos diferentes tipos de redes . . . 20

Figura 3 – Rede estrela . . . 22

Figura 4 – Rede em malha . . . 22

Figura 5 – Caixa da água rotomoldada . . . 28

Figura 6 – Playground rotomoldado . . . 28

Figura 7 – Funil agrícola rotomoldado . . . 29

Figura 8 – Boia marítima rotomoldada . . . 29

Figura 9 – Caixa de inspeção para saneamento rotomoldado . . . 30

Figura 10 – Tanque de combustível para caminhões rotomoldado . . . 30

Figura 11 – Molde sendo carregado . . . 32

Figura 12 – Molde entrando no forno e iniciando a rotação bi-axial . . . 33

Figura 13 – Resfriamento com aspersão de água . . . 34

Figura 14 – Molde aberto e peça sendo retirada . . . 35

Figura 15 – Estágios de aquecimento do polímero dentro do forno . . . 36

Figura 16 – Perfil típico de aquecimento de um forno de rotomoldagem . . . 37

Figura 17 – Termo-higrômetro TH50 . . . 40

Figura 18 – Percepção de temperatura da peça com relação a temperatura ambiente 41 Figura 19 – Percepção de temperatura da peça com relação a umidade relativa do ar 42 Figura 20 – Recorte da tabela de aplicações de tecnologia sem fio na indústria . . . 43

Figura 21 – Kit da STM com STM32L072CZY6TR MCU . . . 44

Figura 22 – Unidade inercial e sensorial IKS01A2 . . . 44

Figura 23 – Disponibilidade de gateways TTN mais próximos a Guaramirim, escala 5km . . . 45

Figura 24 – Dashboard apresentando temperatura ambiente e umidade relativa do ar ao longo do tempo . . . 46

Figura 25 – Notificação (em vermelho) via push do aplicativo TagoIO num celular android . . . 47

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LISTA DE TABELAS

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LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

CSS Chirp spread spectrum

e2e End to End

IHM Interface Homem Máquina

IIoT Internet das Coisas na Indústria ou Industrial Internet of Things IoT Internet das Coisas ou Internet of Things

ISM Industrial, científico e médico

LAN Local Area Network

LoRa Long Range

LP Low Power ou Baixa Potência NAN Neighborhood Area Network NB-IoT Narrow Band - Internet of Things OSI Open Systems Interconections

PAN Personal Area Network

QoS Quality of Service ou Qualidade de Serviço

RCA Root Cause Analysis

SF Spreading Factor ou Fator de Espalhamento

TTN The Things Network

VLBR Very Low Bit Rate

WAN Wide Area Network

ZC ZigBee Coordinator

ZED ZigBee End Device

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SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO . . . . 14

1.1 OBJETIVOS . . . 15

1.1.1 Objetivo Geral . . . 15

1.1.2 Objetivos Específicos . . . . 15

2 INTERNET DAS COISAS NA INDÚSTRIA . . . . 16

2.1 ARQUITETURA, CONECTIVIDADE E PADRÕES . . . 17

2.1.1 Oportunidades na Análise da Planta de Produção . . . . 17

2.2 REDES . . . 18 2.2.1 Camadas de Rede . . . 19 2.2.1.1 Camada de Aplicação . . . . 19 2.2.1.2 Camada de Transporte . . . . 19 2.2.1.3 Camada de Rede . . . . 19 2.2.1.4 Camada Física . . . 20

2.2.2 Dimensão das Redes . . . . 20

2.2.2.1 PAN . . . 20 2.2.2.2 LAN . . . . 21 2.2.2.3 NAN . . . 21 2.2.2.4 WAN . . . . 21 2.2.3 Topologias de Rede . . . 21 2.2.3.1 Estrela . . . 21 2.2.3.2 Malha . . . . 22

2.3 TECNOLOGIAS SEM FIO . . . 23

2.3.1 Wi-Fi . . . . 24 2.3.2 Bluetooth . . . . 24 2.3.3 ZigBee . . . . 24 2.3.4 LPWANs . . . . 24 2.3.4.1 LoRaWAN . . . 25 2.3.4.2 SigFox . . . 25 2.3.5 Celular . . . . 25 3 PROCESSO DE ROTOMOLDAGEM . . . . 27

3.1 COMPARAÇÃO ENTRE PROCESSOS DE TRANSFORMAÇÃO DE PLÁS-TICO . . . 30 3.2 O PROCESSO DE ROTOMOLDAGEM . . . 31 3.2.1 Carregamento . . . . 31 3.2.2 Aquecimento . . . . 32 3.2.3 Resfriamento . . . . 33 3.2.4 Desmoldagem . . . . 34

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3.3 CRITÉRIOS PARA ROTOMOLDAGEM . . . 35

3.4 CARACTERÍSTICAS ÚNICAS DA ROTOMOLDAGEM . . . 35

3.4.1 Aquecimento do Molde . . . . 36 3.4.2 Resfriamento do Molde . . . . 38 4 DESENVOLVIMENTO . . . . 39 4.1 SENSORES . . . 41 4.2 CONTROLADORES . . . 41 4.3 GATEWAY . . . 44 4.4 APLICAÇÃO . . . 45 5 PRIMEIROS RESULTADOS . . . . 46 6 CONCLUSÃO . . . . 49 REFERÊNCIAS . . . . 50

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1 INTRODUÇÃO

A Internet das Coisas ou Internet of Things (IoT) não é um termo que surgiu na última década, sendo responsável por uma grande crise na economia mundial, descrita em (ECONOMIST, 2002) e (EDWARDS, 2016), conhecida como a Bolha da Internet. O lançamento do consórcio World Wide Web foi um dos maiores eventos da década de 1990, ao ponto que muitos começaram a investir em negócios on-line, as famosas empresas pontocom. Apesar de uma estrutura bastante embrionária, a quantidade de negociações feitas cresceu exponencialmente. A bolsa de valores Nasdaq, dedicada à tecnologia, teve os melhores rendimentos até os anos 2000. Nesse tempo, surgiram as mais diversas ideias e start-ups inovadoras que já imaginavam um mundo interconectado. Nessa perspectiva, diversas empresas iniciaram projetos que estabeleceram relação entre eletrodomésticos e a web, o mesmo ocorreu no ramo de brinquedos, propondo soluções on-line, de maneira que toda sugestão merecia atenção e investimentos. No entanto, devido a incapacidade em realizar tais planos, seja pela falta de recursos financeiros ou tecnológicos, o resultado foi o estouro da bolha em 2001, restando pouco dessas companhias. Porém, as ideias estavam lançadas, incentivando diversos pesquisadores, inventores e entusiastas a buscarem soluções, prevendo um futuro promissor.

Sob essa óptica, a IoT idealizada seguiu sendo desenvolvida, foi assim que depois de muitas pesquisas e anos de progresso nessa área, a tecnologia wireless ganhou espaço. Uma das demandas era reduzir o consumo de energia, sendo providos com novas tecnologias de chips. Todas as redes ganharam tecnologias importantes para poderem se conectar sem fio, desde aquelas de baixo consumo e curto alcance até inovações de alta taxa de dados mesmo para longos alcances.

Os vários dispositivos conectados ao receberem e produzirem dados, podem indicar comportamentos, falhas e desempenho anormal, possibilitando o seu armazenamento de modo on-line. Evidentemente, a compreensão da indústria acerca dessa possibilidade trouxe melhorias na performance de maquinários, da mesma maneira que trouxe condições para a redução de custos e aumento da lucratividade.

Muito da instrumentação nas indústrias ocorre de maneira cabeada, levando infor-mações para a central que é observada pelo analista responsável pela tomada de decisão. A possibilidade de dispositivos sem fio trouxe uma nova perspectiva, pois instrumentos e ferramentas que antes precisavam ficar fixos puderam, desta forma, estar presentes no meio do processo. Porém, alguns setores da indústria ainda engatinham na parte de monitoramento de processos, principalmente em países emergentes e subdesenvolvidos.

Consoante a isso, a rotomoldagem trata-se de um método de manufatura de po-límeros que tipicamente é conhecido por depender muito dos sentimentos do operador, conforme (CRAWFORD, 2003). Em virtude disso, busca-se trazer a IoT mais próximo desse processo, iniciando assim uma base de dados para análise. A detecção de parâmetros

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Capítulo 1. Introdução 15

que envolvem o processo de rotomoldagem é um problema que pode trazer resultados importantes para melhoria do processo. Conforme as estimativas de (AHUJA; RAWAT, 2018) indicam um crescimento no mercado de rotomoldagem de 17% ao ano desde 2017 até 2024, ou seja, crescendo três vezes nesse período. Tal indicativo revela uma boa previsão de crescimento no mercado, como cliente em potencial faz-se necessárias novas tecno-logias e implementações que possibilitem maior controle, com o intuito de aumentar a produtividade e eficiência no processo.

1.1 OBJETIVOS

Para a elaboração do projeto foram definidos os seguintes objetivos. 1.1.1 Objetivo Geral

Apresentar e integrar a IoT dentro do ambiente industrial, focado no processo de rotomoldagem. Nessa integração será usada comunicação sem fio.

1.1.2 Objetivos Específicos

• Buscar correlação entre temperatura ambiente e o resultado final da peça produzida • Propor ações que melhorem e otimizem o processo de rotomoldagem.

• Implementar um sistema que traga informações ao operador para intervir no pro-cesso.

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16

2 INTERNET DAS COISAS NA INDÚSTRIA

A IoT tem sido amplamente discutida no setor industrial. Nesse universo, surgiu o termo Internet das Coisas na Indústria ou Industrial Internet of Things (IIoT), focado no ramo empresarial, que é protagonista da famosa indústria 4.0. Nessa perspectiva, surgem algumas diferenças importantes entre a IoT e a IIoT, principalmente com relação aos objetivos finais de conexão do mundo físico com o virtual. Tradicionalmente, já existem inúmeros sistemas que conectam o mundo físico com um sistema informatizado de controle, através de sensores e transdutores, que são acessadas por Interface Homem Máquina (IHM).De modo que, a IIoT surge para levar essas informações produzidas pelos sistemas

para Internet, além das novas oportunidades que surgem com dispositivos móveis.

O conceito da IoT surgiu há algumas décadas com o intuito de conectar o mundo físico ao mundo virtual. Possibilitando uma interação entre os acessórios e dispositivos utilizados pela humanidade com a Internet Por meio do qual, traz uma evolução no setor industrial conforme (SISINNI et al., 2018). A IoT pretende conectar dispositivos que hoje ainda não possuem sistemas embarcados, como eletrodomésticos e medidores de consumo de água, enquanto a IIoT se utiliza de mecanismos já existentes para conectar-se à Internet, como as máquinas que atualmente já são automatizadas, além de possibilitar a conexão dos sensores e atuadores através de redes sem fio. Em suma, nesse ambiente industrial tipicamente existe um volume grande de informações que precisam ser transmitidas, sendo necessária uma conexão extremamente robusta para aplicações de controle em máquinas, com uma latência muito baixa, segura e confiável.

A indústria 4.0 é dita como a nova revolução industrial, que se caracteriza pelo alto nível de informatização e pela intensificação de utilização de sistemas ciber-físicos. A ideia por detrás é a utilização de tecnologias como a IoT e computação em nuvem para serem aplicadas inteligências artificias, com o intuito de existirem fábricas inteligentes. As fábricas inteligentes possibilitam a personalização profunda dos produtos fabricados e provém datas de entrega mais precisas.

Conforme (HERMANN; PENTEK; OTTO, 2016) a implementação da indústria 4.0 traz interoperabilidade entre máquinas e usuários, a virtualização dos processos físicos, a descentralização do controle de produção e de desenvolvimento de produtos, capacidade de análise em tempo real, fabricação e informações orientadas e monitoradas, além de modularidade para alterações no processo e na linha de produção. Assim, dentro dos conceitos da Indústria 4.0 observa-se a possibilidade de otimizações em tempo real nos processos de fabricação, e através das informações coletadas e enviadas a uma central, é possível fazer análises com inteligência artificial, por exemplo. Por conseguinte, essa inteligência esta apta a unir informações de diferentes máquinas para otimizar o processo como um todo, da mesma forma que ocorre em empresas como a Bosh, apresentado por (LADE; GHOSH; SRINIVASAN, 2017).

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Capítulo 2. Internet das Coisas na Indústria 17

2.1 ARQUITETURA, CONECTIVIDADE E PADRÕES

Para a aplicação da IIoT faz-se necessário analisar o modelo de negócio que será implementado, de modo que a arquitetura se mantém muito parecida. Em algum lugar os desenvolvedores precisarão acessar e gerenciar os dados coletados pelos dispositivos para análise. Esse ambiente, que geralmente será virtual, deve ser acessível, robusto e seguro.

A tecnologia de conectividade depende de cada caso. Ao passo que, existem situa-ções que demandam conexões muito rápidas com latência muito baixa, em contrapartida, outras situações exigem um fluxo grande de dados. Atenta-se para o fato de que tal comu-nicação pode ser cabeada, com a possibilidade de as indústrias conectarem os dispositivos aos seus hubs Como também pode ser sem fio, seguindo a atual tendência do mercado, por permitir uma maior praticidade em acoplar dispositivos, além de possibilitar a instalação em dispositivos móveis.

Atualmente, algumas organizações buscam definir padrões para a IIoT, de modo a tornar a interoperabilidade dos sistemas possível. Um dos principais focos é com a utilização de redes 5G, ainda em desenvolvimento e início de implementação. Um desafio semelhante para a IIoT e IoT tem sido a busca por um baixo consumo de energia. Entretanto, para muitas aplicações da IIoT faz-se necessário uma comunicação de duas vias limitando o uso de algumas tecnologias de baixo consumo.

Nessa perspectiva, conforme (CANDELL et al., 2018), o ambiente industrial é conhecido por ser bastante ruidoso, de modo que, o desempenho em tempo real pode ficar comprometido. É comum na planta industrial máquinas que tenham um consumo elevado de energia, trabalhando com correntes altas. Do mesmo modo, costuma ser um ambiente em que existem muitas chapas de metal, podendo proporcionar uma condição desfavoravel de trabalho quando se trata da propagação de ondas sem fio. Assim, é essencial encontrar tecnologias de comunicação que sejam robustas e que suportem o crescimento com a adição de novos dispositivos a rede.

Nota-se que a indústria dispõe de algumas bandas específicas para trabalhar, co-nhecidas como bandas ISM, de uso industrial, médico e científico. Tais bandas são diversas vezes ocupadas por dispositivos sem fio, de modo que, faz-se necessário novos sistemas e modulações para utilizarem essas bandas possam coexistir com dispositivos já operando. Além disso, a segurança é um ponto fundamental, pois, os dados transmitidos contém informações de fabricação e de controle de uma empresa. A segurança precisa garantir que ataques externos à indústria não causem danos à linha de produção e que os registros não sejam roubados, expostos ou vendidos para concorrentes.

2.1.1 Oportunidades na Análise da Planta de Produção

Segundo (LADE; GHOSH; SRINIVASAN, 2017) algumas oportunidades surgem pela informatização das indústrias:

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• A redução no tempo de teste e calibração: medindo as variáveis ambientais locais para calibração próximas ao local de fabricação. É possível fazer a calibração e testes de medição durante o processo, evitando levar para laboratórios específicos. O tempo de produção diminui, aumentando a produtividade. Já é oferecido comercialmente, por exemplo pela Mitutoyo (MITUTOYO, s.d.).

• Aumento da qualidade: melhora e adianta a identificação de peças defeituosas, através de sistemas automatizados e ainda buscando as causas que são a raiz de algum possível defeito, usando análises Root Cause Analysis (RCA);

• Redução de custos de garantia: sendo rastreado e controlado em tempo real todo o processo de fabricação, é possível garantir com mais precisão a qualidade das peças, diminuindo o custo de reposição futura.

• Aumento da produção: o desempenho das máquinas pode ser analisado, alterado e melhorado ao longo do tempo.

• Manutenção preditiva: fazendo medições de temperatura, umidade, ruído e vibração por exemplo, é possível construir um plano de manutenção preditiva, diminuindo os custos de manutenção e as paradas de máquinas.

Existem inúmeras ferramentas para análise dos dados disponíveis para a indústria. A maioria das opções comerciais se encontram em nuvens, como as citadas por (LADE; GHOSH; SRINIVASAN, 2017), que são, por exemplo, Predix Platform1, Bosch IoT Suite2, IBM Cloud3_{, Microsoft Azure}4 _{e a Amazon AWS IoT}5_{. Logo, a IIoT ao disponibilizar os}

dados na Internet possibilita a utilização desses serviços. Existe ainda a alternativa de se utilizar um servidor interno para fazer as análises dos dados. Porém, trata-se de um mercado que tem convergido para as opções em nuvem.

2.2 REDES

Para a conexão em rede, tem-se os diversos dispositivos finais, e existe todo um protocolo de camadas para integrar tal informação a um nó, que pode se interligar a outros nós conectados à Internet que interconectam a outros dispositivos finais, provendo uma conexão End to End (e2e).

1 _{https://www.ge.com/digital/iiot-platform} 2 _{https://www.bosch-iot-suite.com/} 3 _{https://www.ibm.com/cloud} 4 _{https://azure.microsoft.com/pt-br/} 5 https://aws.amazon.com/pt/iot/

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2.2.1 Camadas de Rede

Quando se pensa em redes faz-se necessário entender as camadas que compõem os sistemas. O modelo da Open Systems Interconections (OSI) prevê sete camadas, mas segundo (LETHABY, 2017) pode-se simplificar para quatro. A Figura 1 mostra um resumo das camadas.

Figura 1 – Camadas de redes

Fonte: https://en.wikipedia.org/wiki/File:UDP_encapsulation.svg

2.2.1.1 Camada de Aplicação

Na quarta camada (quinta, sexta e sétima camada no modelo da OSI), a de mais alto nível, tem-se a interação direta com o usuário. É conhecida como camada de aplicação. Nessa camada está por exemplo o protocolo http, em que o usuário coloca um endereço de uma página com hiperlinks, onde o conteúdo está disponível para a interação com o usuário.

2.2.1.2 Camada de Transporte

A terceira camada (quarta camada no modelo OSI) é a camada de transporte. Nessa camada é feita a distribuição dos acessos para as aplicações.

2.2.1.3 Camada de Rede

A segunda camada (terceira no modelo OSI) contém os protocolos para conexão com a Internet. Nessa camada fica o protocolo IP, responsável por conectar o dispositivo a Internet.

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2.2.1.4 Camada Física

A primeira camada (primeira e segunda no modelo OSI) é a camada mais baixa. Nessa camada é feita a conexão física dos dispositivos, e onde ocorre a comunicação em vias de fato. Os dados podem ser então transmitidos via cabos Ethernet, ou via sem fio, através da tecnologia Wi-fi por exemplo.

Para IoT é necessário tecnologias que sejam muito eficazes, especialmente conexões sem fios, por ser inviável conectar dispositivos móveis com cabos. É importante definir se o dispositivo final precisa estar conectado diretamente na Internet, pois o processamento de um protocolo IP aumenta o consumo e a complexidade do dispositivo. Dispositivos que não estão diretamente ligados precisam de um gateway de Internet.

2.2.2 Dimensão das Redes

O tamanho físico das redes ajuda a indicar que tecnologia deve ser usada. Com relação ao alcance, pode-se caracterizar em quatro classes, conforme a Figura 2.

Figura 2 – Alcances e aplicações dos diferentes tipos de redes

Fonte: (LETHABY, 2017)

2.2.2.1 PAN

A primeira classe é conhecida como rede Personal Area Network (PAN), uma rede de alcance pessoal, ou muito próximo. A rede pessoal tem o alcance de poucos metros, e atualmente é dedicada principalmente ao monitoramento do estilo de vida, como passadas e batimentos cardíacos. Um uso que tem um fluxo maior de dados é para a transmissão

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de voz entre fones de ouvidos e aparelhos celulares, uma tendência que a cada geração nova de dispositivos está crescendo, conforme (BLUETOOTH. . . , 2018).

2.2.2.2 LAN

A segunda classe é das áreas locais de rede Local Area Network (LAN). O alcance dessas redes é geralmente de algumas dezenas até centenas de metros. São redes que têm um fluxo de dados muito alto, pois geralmente conectam dispositivos à Internet, possibilitando o acesso a conteúdos de mídias e streaming. Na rede LAN usualmente utiliza-se conexões com e sem fio. Um exemplo dessas redes são as redes dentro de uma empresa, nos quais vários computadores podem estar ligados, além de impressoras, medidores de temperatura e máquinas de produção.

2.2.2.3 NAN

A classe Neighborhood Area Network (NAN) é conhecida como a rede de uma vizinhança, ou de um bairro. Geralmente redes sem fio com alcance muito longo. Apesar de transmitir com potência alta o tráfego de dados costuma ser baixo. Uma aplicação deste tipo de rede ocorre por exemplo, no monitoramento de rede de distribuição de água em cidades.

2.2.2.4 WAN

A classe mais abrangente é a classe Wide Area Network (WAN), sendo redes que tem alcances muito grandes. Pode-se inclusive contar com conexões via satélite.

2.2.3 Topologias de Rede

A topologia da rede é a forma em que os dispositivos estão conectados entre si Para IoT as tecnologias para transmissão sem fio utilizam predominantemente redes em topologia estrela (star) e em malha (mesh).

2.2.3.1 Estrela

Nesta topologia, ilustrada na Figura 3, o nó central recebe toda a informação e é responsável por conectar cada dispositivo à Internet. A vantagem desse tipo de rede é a facilidade de roteamento, visto que não existem intermediários entre o cliente e o nó central. Uma desvantagem é o alcance limitado, pois todos os clientes precisam estar conectados ao nó central.

As conexões centralizadas reduzem a probabilidade de falha na rede, visto que a falha de um cliente ou de canal irá afetar apenas aquele cliente, deixando-o isolado. O problema mais grave nesse modelo é que a falha no transmissor central interrompe o funcionamento de toda a rede. Um exemplo tradicional é o Wi-Fi.

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Figura 3 – Rede estrela

Fonte: https://pt.wikipedia.org/wiki/Topologia_de_rede#/media/Ficheiro:NetworkTopologie s.png

2.2.3.2 Malha

A Figura 4 apresenta um modelo em que os nós tem liberdade para se interconec-tarem. Nesse tipo de rede existem alguns nós espalhados que servem como gateways de internet e controladores da rede, de maneira que cada dispositivo final se conecte no nó que tenha melhor disponibilidade para aquela situação.

Figura 4 – Rede em malha

Fonte: https://pt.wikipedia.org/wiki/Topologia_de_rede#/media/Ficheiro:NetworkTopologie s.png

As redes Mesh são muito utilizadas pois garantem disponibilidade mesmo que um nó perca comunicação, e podem fornecer mais de um caminho, aumentando a confiabi-lidade. Além disso esse tipo de rede tem um longo alcance, mesmo com baixa potência de transmissão. Em algumas aplicações tem-se dezenas e até centenas de nós, permitindo um número muito grande de usuários. A grande desvantagem é o processamento adicional e a memória extra necessária nos nós, que aumentam o consumo e a complexidade. Um exemplo famoso é a tecnologia ZigBee 6.

6

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2.3 TECNOLOGIAS SEM FIO

Atualmente existe um número muito grande de diferentes tecnologias sem fio dispo-níveis, e a escolha precisa passar por um estudo levando em conta alguns fatores, conforme pontua (DUNKO et al., 2017):

• ambiente: o local e as condições de realização de uma comunicação, que determinam a potência, alcance de comunicação e manutenção;

• tamanho do dispositivo: se o encapsulamento for muito pequeno limita a utilização de antenas e da fonte de energia;

• custo: sempre existe um limite de capital em um projeto, pode ser inicialmente ignorado, porém introduz limites em todas as variáveis;

• quantidade de informação: o volume e a frequência de informação transmitidas e recebidas, bem como o tempo de armazenamento necessário determinam quantidade de memória dos dispositivos conectados e outros locais de armazenamento;

• manutenção: troca de bateria ou calibração de um sensor são fatores que tem que ser levados em conta e trazem importantes parâmetros para o projeto;

• potência: é necessário decidir entre uma fonte de energia externa, baterias ou ainda fontes como painéis solares, que influenciam diretamente na potência do rádio, para transmissão e recepção de dados, e no processamento local;

• processamento embarcado: o processamento local exige mais demanda de potência, e traz uma maior funcionalidade ao dispositivo, podendo realizar diversas funções; • direção da informação: se o dispositivo vai apenas transmitir dados em direção ao

gateway ou se vai ter que receber também;

• segurança: geralmente ignorado nos projetos, mas sua negligência pode servir de porta para possíveis invasões no sistema todo.

Além desses pontos, ainda pode-se notar a importância da latência, que para apli-cações que envolvem segurança humana precisa ser extremamente baixa e, por segurança, também deve existir um sistema de redundância. Um dispositivo com fio tem pouca mo-bilidade. Outra questão é que o mercado de dispositivos IoT e IIoT tem migrado para conexão sem fio, pela praticidade que esses dispositivos apresentam, por existirem soluções robustas e que podem ter consumo de energia muito reduzido, aumentando muito o tempo de vida de baterias.

A seguir lista-se algumas das principais tecnologias sem fio em uso na IoT e na IIoT atualmente.

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2.3.1 Wi-Fi

A tecnologia Wi-Fi é baseada nos protocolos IEEE 802.11, e foi desenvolvida para substituir o padrão utilizado nos cabos ethernet. É amplamente utilizado tanto em residências, como em ambientes públicos e corporativos. Tipicamente opera em 2.4 GHz, porém, diversos dispositivos já vem com compatibilidade 5 GHz, onde existem mais canais. Os protocolos para o Wi-Fi são bastante complexos, logo, exigem um processamento embarcado robusto nos dispositivos.

Os novos rádios Wi-Fi já tem um consumo de energia bem menor se comparado a rádios mais antigos. Para dispositivos que operam com taxas de dados bem baixas é possível manter um dispositivo funcionando com duas baterias AA por mais de um ano, segundo (LETHABY, 2017).

2.3.2 Bluetooth

Desenvolvido para comunicação entre dispositivos, o Bluetooth opera em 2.4 GHz, usando o padrão IEEE 802.15.1. É uma tecnologia PAN, tipicamente conhecida pelo seu baixo alcance e consumo de energia. Existe uma versão conhecida como low energy, que tem um consumo menor de energia se comparado com o Bluetooth tradicional.

A partir da versão 4.2, o Bluetooth recebeu suporte para redes IP, e também recebeu a possibilidade de utilizar redes Mesh para aumentar o alcance.

2.3.3 ZigBee

Desenvolvido para criar uma rede mesh, ZigBee é um protocolo de médio alcance, seguro e robusto. Com mais de 1 bilhão de dispositivos ao redor do mundo trata-se uma tecnologia bastante difundida no mercado. Opera em 2.4 GHz, mas tem protocolos para operar em sub Ghz também.

Existem três tipos de dispositivos nas redes ZigBee. Um dispositivo coordenador, o ZigBee Coordinator (ZC), que coordena a topologia da rede e administra as informações de configuração. Serve como gateway , então precisa estar sempre ligado. Os dispositivos roteadores ZigBee Router (ZR) distribuem os dados pela rede e também precisam estar sempre ligados. Os dispositivos finais ZigBee End Device (ZED) são geralmente alimen-tados por baterias e são os mais simples da rede. Estão sempre nas pontas com alguma função para obter dados ou executar alguma tarefa.

Tal tecnologia aceita taxas altas de transmissão de dados, de até 250 kbps e tem alcance típico de até 100 metros em comunicação ponto a ponto.

2.3.4 LPWANs

Atualmente exitem dispositivos que podem operar durante alguns anos antes de precisarem trocar as baterias, especialmente os que trabalham com LPWAN, conforme

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(MEKKI et al., 2019). A sigla LP se refere a low power, indicando um baixo consumo. Além disso, o alcance desse tipo de rede é de dimensões de uma cidade.

Em troca do grande alcance o fluxo de bits fica limitado, tendo taxas de transmissão muito baixas, mas que pra muitos fins de monitoramento são o suficiente.

2.3.4.1 LoRaWAN

A tecnologia Long Range (LoRa) opera utilizando a banda não licenciada Industrial, científico e médico (ISM) abaixo de 1 GHz. Utilizando a modulação Chirp spread spectrum (CSS), que tem um espectro espalhado, permite uma boa resistência contra ruídos. É bastante seguro e de baixo consumo.(DUNKO et al., 2017) espera que um dispositivo LoRaWAN possa ter uma durabilidade de bateria maior do que dez anos e um alcance acima de 15 Km.

Utiliza fatores de espalhamento espectrais, nominados como Spreading Factor ou Fator de Espalhamento (SF). Um SF maior aumenta o alcance, porém, diminui a taxa de transmissão. Pode ter taxas de transmissão desde 300 bits por segundo até 50kbps. Diferentes SFs podem ser recebidos pelo mesmo gateway.

Pode ser bidirecional, apesar de não ser indicada para intervenções constantes. Ainda está em desenvolvimento por parte da LoRa Alliance7_{, aliança criada para este fim.}

2.3.4.2 SigFox

A francesa SigFox8 _{desenvolveu uma tecnologia proprietária para redes de longo}

alcance e com baixo consumo. Opera também utilizando a banda não licenciada ISM abaixo de 1 GHz, com uma banda muito estreita, de 100 Hz. Além disso, funciona com taxas de transmissão de dados baixíssimas, menores que 100 bps, e baixa frequência de transmissão, menos que 140 mensagens por dia. O alcance indicado por (DUNKO et al., 2017) é de mais de 40 km.

Uma das características desse sistema é que a SigFox é a proprietária da infraestru-tura de pontos de acesso, assim, é necessário ter coberinfraestru-tura fornecida pela empresa para poder operar, o que deixa a disponibilidade hoje bastante regionalizada.

2.3.5 Celular

Nas redes celulares existem algumas tecnologias que podem ser utilizadas para IoT. Podem ter taxas de transmissão muito elevas, utilizando o 4G (LTE), porém, o consumo de energia é elevado. O uso de bandas licenciadas torna o custo mais elevado, porém garantem uma Quality of Service ou Qualidade de Serviço (QoS) indiscutivelmente melhor que opções em espectros não licenciado.

7

https://lora-alliance.org/

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Exite também a tecnologia Narrow Band - Internet of Things (NB-IoT) que oferece uma solução mais simples e mais eficiente energeticamente falando do que o uso do LTE direto. Essa tecnologia usa uma banda de 200 KHz e serve para aplicações que requerem uma comunicação mais frequente.

Por fim, o padrão 5G que ainda está sendo implementado ao redor do mundo promete uma conexão mais eficiente ainda para dispositivos IIoT, porém, ainda é pouco disponível.

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3 PROCESSO DE ROTOMOLDAGEM

A rotomoldagem é um processo de manufatura de polímeros que tem como carac-terísticas a baixa pressão (pressão atmosférica) e alta temperatura para a fabricação de peças completamente de plástico. Da mesma forma que outros métodos de transformação de plástico, a rotomoldagem tem suas características positivas e negativas. O princípio de formação de peças por fusão do material e moldagem em um molde rotacionando vem de muito tempo atrás. Na indústria plástica começou a ser desenvolvida na década de 1940. O processo de moldagem com rotação de dois eixos já era utilizado na Suíça na formação de objetos com ovos de chocolate, sendo assim, um dos primeiros registros de utilização desse processo. Segundo (CRAWFORD, 2003) a primeira patente envolvendo esse processo é datado de 1855.

O primeiro polímero a ser rotomoldado foi o PVC fluido, conhecido comercialmente como plastisol, na fabricação de bolas e bonecas. Esse processo ainda é bastante utilizado na fabricação de peças atualmente. A introdução do Polietileno em pó ajudaram a expandir as possibilidades do processo de rotomoldagem para manufatura de polímeros. O polietileno correspondeu a 90% de todo material processado em 2003, segundo (CRAWFORD, 2003). Isso é devido principalmente à estabilidade desse polímero e pelas propriedades de fluidez do pó polietileno.

A rotomoldagem é um processo concorrente com a termoformagem, a injeção de plástico e a formagem por sopro, para peças ocas. A rotomoldagem se destaca por oferecer a possibilidade de formar peças com mais complexidade que os processos concorrentes, ter uma espessura mais uniforme e por deixar pouquíssima tensão residual nas peças produzidas. Hoje, tipicamente é um processo utilizado para a fabricação de caixas da água (Figura 5), brinquedos (Figura 6), peças agrícolas (Figura 7), boias marítimas (Figura 8),

(29)

Capítulo 3. Processo de rotomoldagem 28

Figura 5 – Caixa da água rotomoldada

Fonte: https://www.leroymerlin.com.br/caixa-dagua-polietileno-100l-azul-fortlev_8986670 0

Figura 6 – Playground rotomoldado

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Figura 7 – Funil agrícola rotomoldado

Fonte: https://www.mfrural.com.br/detalhe/307852/distribuidor-adubo-duplo-triton-rotax-1300

Figura 8 – Boia marítima rotomoldada

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Figura 9 – Caixa de inspeção para saneamento rotomoldado

Fonte: Acervo pessoal

Figura 10 – Tanque de combustível para caminhões rotomoldado

Fonte: https://www.terradeasfalto.com.br/acessorios-linha-pesada/tanque-de-combustivel-plastico-300l-mercedes-benz-1634-1935-universal

3.1 COMPARAÇÃO ENTRE PROCESSOS DE TRANSFORMAÇÃO DE PLÁSTICO Para uma peça de plástico que se deseja fabricar, geralmente pode-se observar a possibilidade de fabricação em mais do que um tipo de processo. O processo de rotomol-dagem produz peças ocas e tipicamente peças grandes demais para serem produzidas no processo de injeção, logo, os concorrentes diretos são a termoformagem e o sopro.

A Tabela 2 apresenta uma comparação entre a rotomoldagem e outros dois processos difundidos na indústria.

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Tabela 2 – Comparação entre métodos de manufatura de polímeros Métodos de manufatura

Fatores Sopro Termoformagem Rotomoldagem

Polímeros disponíveis Limitado Amplo Limitado

Forma do plástico Pelets Chapas Micronizado

ou líquido

Custo do molde Alto Moderado Moderado ou baixo

Tensão residual

na peça Alto Moderado Baixo

Detalhes na peça Muito bons Bons Adequados

Espessura da parede da peça Pouco uniforme, principalmente em arestas Pouco uniforme, principalmente em arestas Muito uniforme

Tempo de manufatura Rápido Rápido Devagar

Trabalho físico do

operador Mínimo Moderado Intenso

Fonte: (CRAWFORD, 2003)

3.2 O PROCESSO DE ROTOMOLDAGEM

O processo de rotomoldagem consiste em quatro principais etapas:

3.2.1 Carregamento

Com o molde aberto, faz-se a adição do polímero micronizado, preparado e dosado, conforme a Figura 11. O molde precisa ser bem fechado para evitar a perda de material nas emendas e pelo aumento da pressão interna.

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Figura 11 – Molde sendo carregado

3.2.2 Aquecimento

Com o molde carregado e fechado pode-se iniciar o processo de aquecimento. O molde vai para dentro do forno, onde um queimador de alta performance aquece o interior do forno. A partir desse momento inicia-se o movimento bi-axial do molde, conforme a Figura 12, que mostra um molde de cobertura de Playground modelo Chinês da Krenke Brinquedos.

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Figura 12 – Molde entrando no forno e iniciando a rotação bi-axial

O aquecimento pode ser feito por uma chama de gás natural, de gás liquefeito de petróleo, por queima de diesel, em chama aberto ou até mesmo com aquecimento por infra-vermelho.

O tempo de forno tem que ser o necessário para aquecer o molde acima da tempe-ratura de fusão do polímero. Conforme o molde vai esquentando, o polímero vai entrando em fusão, e aderindo nas paredes do molde.

No processo de aquecimento o polímero libera gases, que precisam ser liberados pelo molde através de um suspiro, evitando a sobrepressão, que pode resultar em explosão. 3.2.3 Resfriamento

Outra etapa em que o molde precisa ficar rotacionando em dois eixos é o resfri-amento, conforme a Figura 13. Durante o resfriamento é necessário se atentar muito à temperatura e à possibilidade de utilizar-se aspersão de água.

A aspersão de água é muito útil pra aumentar a troca de calor do molde com o ambiente. O princípio é o mesmo que o suor na pele. O processo físico de evaporação da

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água exige muita energia, pra vencer o calor latente de evaporação. Logo ao evaporar água pode-se roubar muito calor do molde. Em dias úmidos o ar já está saturado de vapor de água, limitando assim a utilização de aspersão de água no processo de resfriamento.

Figura 13 – Resfriamento com aspersão de água

3.2.4 Desmoldagem

Com a peça já moldada abre-se o molde para a retirada. Não exite uma indicação de temperatura máxima para extração da peça, pois em temperaturas em que o operador consegue acessar o molde, o polímero já está cristalizado e consolidado com a forma definida.

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Figura 14 – Molde aberto e peça sendo retirada

3.3 CRITÉRIOS PARA ROTOMOLDAGEM

No geral, para se escolher o processo de rotomoldagem se avalia alguns pontos: • Fabricação de peças ocas com volume grande;

• Objetos com formas muito complexas, como revoluções; • Peças com dimensões muito grandes;

• Quando o volume de peças não compensa o custo de um molde muito caro para outro processo;

• Para peças sem definição absoluta de projeto e dimensões.

3.4 CARACTERÍSTICAS ÚNICAS DA ROTOMOLDAGEM

Segundo (COMMAND, 1975) o processo de rotomoldagem é característico por iniciar com o molde e a matéria prima em temperatura ambiente. É então aquecida para a fusão dos plástico e novamente tem que retornar pra temperatura ambiente através do resfriamento.

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3.4.1 Aquecimento do Molde

O tempo de fusão do polímero micronizado é afetado pela característica da coales-cência, o processo químico de aglutinação de pequenas partículas para formar algo maior. No processo de coalescência pequenos pacotes de gás precisam se desprender dos micro grãos e afetam diretamente a temperatura do processo. Essas bolhas não conseguem se mover no plástico derretido, podendo ficar aprisionadas, prejudicando o resultado final do produto. A Figura 15 mostra o comportamento das partículas dentro do molde.

Figura 15 – Estágios de aquecimento do polímero dentro do forno

Fonte: (CRAWFORD, 2003)

Tipicamente os únicos controles do processo são: a temperatura do forno, o tempo dentro do forno e o tempo de resfriamento. Cada uma dessas variáveis tem importância e alteram algumas características diferentes no produto final.

O tempo de forno pode ser muito curto, no ponto de cozimento ou sobreaquecer a peça. Quando a peça fica pouco tempo no forno, não ocorre a fusão total da peça, ou seja, parte do material não terá se aglutinado, tendo assim um desperdício de material, bem como a perda da resistência máxima da peça. O efeito de baixa temperatura de cozimento

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pode ser também pela baixa temperatura escolhida para o forno. Conforme as estações do ano, principalmente nos meses mais frios, a temperatura ambiente tem bastante efeito no tempo de forno. É necessário realizar uma compensação em tempo de forno para acertar o ponto da peça. O tempo ideal de forno é quando todas as partículas tem tempo para se aglutinarem, e então formarem uma peça lisa, sem poros.

O sobrecozimento é um problema que deve ser observado com atenção. Quando o polímero sobreaquece ele entra em degradação. A peça pode ter até uma aparência muito boa, porém as propriedade mecânicas do plástico já foram alteradas.

A Figura 16 apresenta um perfil de aquecimento de um forno de rotomoldagem. A temperatura do ar interno do molde representa uma temperatura semelhante a do polímero. Entre os pontos A e B o polímero está na fase de fusão. Nessa etapa é necessário que o ar entre as partículas possa sair para evitar bolhas na peça final. Se o molde for retirado nessa etapa o sub aquecimento pode ocorrer, não fundindo todo o material carregado. Entre B e C é o período para formação de uma parede uniforme para a peça. Nessa etapa o subaquecimento leva a uma peça com paredes irregulares. Outra preocupação nessa etapa é o sobreaquecimento, pois como o polímero já mudou de fase a temperatura pode subir bem mais depressa do que entre os pontos A e B, além de existir um efeito de inércia térmico do molde para o polímero. Segundo (COUTINHO; MELLO; SANTA MARIA, 2003) a temperatura de início de degradação do polietileno é em torno de 300 graus Celsius.

Figura 16 – Perfil típico de aquecimento de um forno de rotomoldagem

Fonte: (COMISSO; LIMA; CARVALHO, 2013)

No processo comercial é encontrado o tempo ideal de forno por tentativa e erro, tendo muito a ver com a habilidade do operador. O aspecto final da peça pode indicar o

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sobreaquecimento, devido ao odor característico de queimado, que surge da oxidação dos polímeros.

3.4.2 Resfriamento do Molde

A etapa de resfriamento, etapa C em diante da Figura 16, tem um período de temperatura constante, entre os pontos D e E. Nesse período é onde ocorre a cristalização, então é muito importante não iniciar a abertura do molde nesse período. Em máquinas ma-nuais isso não ocorre pois essa temperatura é muito elevada para os operadores acessarem o molde, porém em máquinas automáticas é necessário se atentar a isso.

Como o resfriamento não é uniforme, devido às características do produto, podem surgir tensões residuais se o gradiente de temperatura do molde for muito elevado, preju-dicando o aspecto final da peça por empenamento e podendo acarretar em alterações das propriedades mecânicas, como fragilidade e tensão de escoamento, conforme (COMISSO; LIMA; CARVALHO, 2013).

O resfriamento é feito com auxílio de aspersão de água em quase todos os ciclos de rotomoldagem, aumentando a troca de calor do molde com o ambiente, e diminuindo o tempo de resfriamento. Resulta em uma peça com características mecânicas diferentes do que uma peça resfriada somente com ar, para um mesmo polímero. É necessário se atentar à umidade relativa do ambiente, pois com o ar muito saturado reduz a evaporação da água, e então, ao invés de evaporar e retirar mais calor, a água fica depositada na parte externa do molde, prejudicando o resfriamento do molde.

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4 DESENVOLVIMENTO

Dentre as dificuldades no processo de rotomoldagem na Krenke Brinquedos Pe-dagógicos está o controle de temperatura do molde e do polímero. O resfriamento e o aquecimento dependem muito da temperatura ambiente. A etapa de resfriamento é parametrizada pela sensibilidade e experiência do operador.

Observou-se um problema na detecção de parâmetros e variáveis para o aprimo-ramento do processo. A partir da ideia de melhoria do processo iniciou-se a medição de temperatura ambiente e da umidade relativa do ar no local da máquina, pois, são dois parâmetros que influenciam no processo de rotomoldagem.

Para fazer as medidas afim de identificar tais parâmetros, foi adquirido um termô-metro com higrôtermô-metro embutido, do modelo TH50, da Incoterm, da Figura 17. O medidor foi colocado próximo a um dos locais de resfriamento de uma máquina Shutler1_{, com forno}

de 3,5 metros. Os operadores dos três turnos foram orientados a anotarem manualmente, de ciclo em ciclo, a temperatura ambiente e a umidade relativa do ar em uma planilha, disponibilizada no computador. Além disso, foram marcados os tempos de forno, os tempos de resfriamento e a quantidade de tempo que houve aspersão de água e a percepção do resultado final da peça, que esta ligada a experiência do operador. Essas mediadas foram realizadas manualmente devido hás dificuldades referentes a pandemia, e para se ter umas ideia inicial dos parâmetros envolvidos.

A partir de então, observou-se que os operadores não mantiveram uma rotina constante de anotação dos parâmetros solicitados. Foram analisados dados referente a 17 dias corridos do mês de Novembro de 2020, com 75 anotações.

Com os dados coletados pode-se observar que a percepção de que a peça estava muito quente ocorreu quando a temperatura ambiente estava mais alta, conforme a Figura 18. A média de temperatura ambiente para a percepção de peça “muito quente” foi de 34, 4◦C, com desvio padrão de 2, 73. Pode-se observar também que em temperaturas ambientes mais baixas a percepção de peça “ok” foi em uma temperatura ambiente média de 26, 8◦C, com desvio padrão de 2, 51. Para a percepção de quente a temperatura ambiente média ficou em 31, 4◦C, com desvio padrão de 3, 08.

Observou-se que a umidade relativa medida, que foi de 24% a 83%, não influenciou na percepção de temperatura final, pois a distribuição foi bastante semelhante, como mostra no histograma da Figura 19. As médias de umidade relativa ficaram em 45, 6%, 53, 9% e 46, 5% para percepções de temperatura “muito quente”, “ok” e “quente”, res-pectivamente, com desvios padrões em torno de 12. Pode ser que extremos de umidades relativas, acima dos 95%, influenciem no processo, porém, no intervalo analisado de 17 dias, que foi um período curto, não ocorreram valores assim.

Em uma peça que sai “muito quente” percebe-se três problemas: a moleza da peça,

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Capítulo 4. Desenvolvimento 40

Figura 17 – Termo-higrômetro TH50

Fonte: https://www.incoterm.com.br/solucoes-em-medicao/termo-higrometros-digitais-eletr ica/produto/termo-higrometro-digital-incoterm-com-maxima-e-minima-th50-4208

dificuldade de encostar e dificuldade em movimentar a peça. Essa moleza pode acarretar em deformação na peça, pois como as peças são ocas, algumas das faces sofrerão com a força da gravidade, abaulando, além da face apoiada no chão poder ficar plana em caso de peças com formas curvadas. O fato de ser difícil de manusear a peça muito quente dificulta ainda mais o posicionamento correto para o acabamento.

Quando a peça sai “ok” percebe-se que a peça não deforma mais no armazenamento, porém quanto mais fria a peça, mais difícil é a realização do acabamento, já que o plástico estará mais rígido.

A peça saindo “quente” pode ter pouca deformação por ainda estar mole, mas geralmente o efeito é muito pequeno, segundo a experiência dos operadores. Além disso, para o acabamento, a moleza adicional do plástico comparado com as peças “ok” dá uma vantagem para o acabamento das peças.

Outra coisa que se pode observar é que se o processo está no regime “ok”, o tempo de resfriamento pode ser diminuído, para obter-se peças quentes. A redução do tempo de resfriamento diminui o tempo total de ciclo. Considerando que por dia é realizado um total de 24 ciclos de 60 min, a redução de 2 minutos por ciclo permite o ganho de 1 ciclo a cada 30 ciclos, aumentando a produtividade da máquina, representando um dia a mais de produção a cada um mês e meio.

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Figura 18 – Percepção de temperatura da peça com relação a temperatura ambiente

automaticamente o operador de tomar decisões para melhorar o ciclo de trabalho da máquina. O sistema proposto informa a temperatura e umidade relativa do ar, indicando quais parâmetros da receita devem ser ajustados manualmente, como tempo de forno, tempo de resfriamento e tempo de aspersão de água.

4.1 SENSORES

Existe uma grande variedade de sensores e transdutores para medir temperatura e umidade no mercado. Esses termômetros e higrômetros costumam ser conectados a placas que fazem a leitura analógica do sinal ou também são transdutores já calibrados que transmitem esses dados a um controlador.

4.2 CONTROLADORES

As informações disponibilizadas pelo termômetro e pelo higrômetro precisam ser recebidas e disponibilizadas para o usuário. Existem alguns controladores capazes de receber esses dados e exibir para o operador. Observando o mercado é possível encontrar dispositivos que se conectam através de cabos de redes, através de cabos USB e também por meios sem fio.

Um desses dispositivo é o Arduino, muito versátil, que pode ser conectado via USB, cabo de ethernet e também sem fio através de placas acessórias de hardware com transmissores Wi-Fi, por exemplo. Outro dispositivo também conhecido e que tem conexão

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Figura 19 – Percepção de temperatura da peça com relação a umidade relativa do ar

sem fio é o ESP8266. Ele já vem preparado para fazer o uso de rede wireless, e pode ser conectado a sensores comerciais de temperatura e umidade.

Por sua vez, o Kit de desenvolvimento modelo STM32L0 da STMicroelectronics2

utiliza um microcontrolador STM32L072CZY6TR MCU que é capaz de operar com LoRa e SigFox. Está descrito em (STMICROELECTRONICS, 2019). É uma opção que opera utilizando redes de baixo consumo de energia e longo alcance. O Kit foi desenvolvido como uma ferramenta de aprendizado para tecnologias Low Power ou Baixa Potência (LP) e inclui diversas funções nativas para desenvolvimento, incluindo pinos que seguem o formato do Arduino UNO R3, que é a placa mais conhecida para desenvolvimento do mundo. Tem um modem LoRa de longo alcance, provendo um bom alcance e boa imunidade à interferências.

Uma tabela desenvolvida por (CANDELL et al., 2018) apresenta o uso de diversas tecnologias sem fio para a diversas aplicações de IIoT, conforme o recorte na Figura 20. Para uma atividade de monitoramento fabril encontra-se à disposição redes IEEE 802.11, IEEE 802.15.4 TDMA, IEEE 802.15.4 CSMA e Very Low Bit Rate (VLBR) WAN. Considerou-se que a latência não afeta a decisão do operador, pois o processo de rotomoldagem trabalha com ciclos na ordem de dezenas de minutos. Tipicamente redes IEEE 802.15.4 tem um baixo alcance comparado as outras tecnologias. Rádios que operam com VLBR WAN (as LPWANs, como definido neste trabalho) geralmente tem uma latência maior, porém, o consumo de energia é bem menor para um alcance maior.

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LoRaWAN e SigFox são representantes das VLBR WAN’s. Dispositivos que utilizam IEEE 802.11 tipicamente consomem mais energia do que as outras tecnologias indicadas, pois tem taxas bem mais elevadas de transmissão de dados e latências menores.

Figura 20 – Recorte da tabela de aplicações de tecnologia sem fio na indústria

Fonte: (CANDELL et al., 2018)

O kit da STMicroelctronics foi disponibilizado pelo professor orientador, junto com a Shield modelo X-NUCLEO-IKS01A2, descrita em (STMICROELECTRONICS, 2016). Ele se conecta através de I2C, protocolo com fio de baixa velocidade, dedicado a sistemas embarcados. É compatível com Arduino UNO R3. Analisando as indicações de (CANDELL et al., 2018) é possível observar que se trata de uma boa escolha de dispositivo,

visto o baixo consumo de energia, a robustez, o cumprimento dos requisitos de latência e a disponibilidade do equipamento.

Dessa forma o dispositivo da STMicroelctronics STM32L072CZY6TR MCU foi selecionado com a shield IKS01A2, que contém um giroscópio 3D, um acelerômetro 3D, um magnetômetro 3D, um termômetro, um higrômetro, um barômetro e ainda conta com portas analógicas, digitais e outras interfaces de comunicação. Estão apresentadas nas Figuras 21 e 22.

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Figura 21 – Kit da STM com STM32L072CZY6TR MCU

Fonte: https://www.hackster.io/trexsantillan/lora-based-switchgear-temperature-and-humi dity-monitoring-1717ca

Figura 22 – Unidade inercial e sensorial IKS01A2

Fonte: https://www.hackster.io/trexsantillan/lora-based-switchgear-temperature-and-humi dity-monitoring-1717ca

4.3 GATEWAY

A tecnologia LoRaWAN já tem uma cobertura bastante ampla pelo Brasil, porém em Guaramirim, como pode ser visto nas Figura 23, não existe nenhum gateway ligado à rede aberta The Things Network (TTN)3, portanto, é necessário a instalação de um gateway de Internet para realizar os testes dentro da indústria. A rede TTN é uma rede global de IoT com a intensão de ser construída, mantida e operada pelos próprios usuários do serviço. Tem uma infraestrutura que começou a ser construída em 2015 em Amsterdã e hoje conta com um alcance em mais de 70 países.

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A escolha de tecnologia de rede LoRaWAN em relação a SigFox foi pela possibilidade montar a própria infraestrutura de rede com gateway próprio, além de não precisar desembolsar valores referentes a mensalidade do sistema SigFox.

Figura 23 – Disponibilidade de gateways TTN mais próximos a Guaramirim, escala 5km

Fonte: https://www.thethingsnetwork.org/

Um modelo comercial disponível pode ser adicionado à rede da empresa para disponibilizar acesso ao dispositivo. O gateway transmite os dados para um servidor. Através do serviço da TTN é possível habilitar o dispositivo LoRaWAN para acessar o gateway.

4.4 APLICAÇÃO

Para a aplicação existem serviços gratuitos para redes LoRaWAN, que dispõem de um ambiente bastante versátil e gratuito. Um desses serviços é o TagoIO4_{, que busca}

informações da TTN. O serviço da TagoIO opera em nuvem e disponibiliza a conexão de diversos dispositivos diferentes de IoT. Através das configurações disponibilizadas é possível realizar inúmeros processamentos com os dados recebidos, além da visualização elegante das medidas e o envio de mensagens de alerta. O serviço disponibilizado pela TagoIO compreende soluções de controle de dispositivos, armazenamento de dados, processamento e execução de análises dos dados, além da integração de diversos dispositivos.

4

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5 PRIMEIROS RESULTADOS

A primeira etapa foi a criação de uma aplicação na TTN, a rede de gateways abertos LoRaWAN. Com os dados de identificação do dispositivo foi possível configurar o Kit de desenvolvimento STM32L0. Utilizou-se um período de envio de dados de 10 minutos, tempo que garante duas medições dentro do menor ciclo operado pela máquina Shutler. No Brasil, a operação LoRa ocorre na sub banda 2 do espectro ISM na faixa de 915 MHz.

Foi preparado um painel de exibição, Figura 24, para apresentação dos resultados na plataforma TagoIO.

Figura 24 – Dashboard apresentando temperatura ambiente e umidade relativa do ar ao longo do tempo

Fonte: https://admin.tago.io/public/dashboard/5fc3eab42322660027b733a7/c62d8fde-5dd1-43 f0-b09b-4ef4710078c6

As ações foram encaminhadas para o operador e para o gerente de produção através de notificações do tipo push, Figura 25, usando o aplicativo da TagoIO. A aplicação informa que conforme a temperatura ambiente varia, é necessário mudar os parâmetros de tempo de resfriamento e aquecimento. O operador deve então alterar manualmente a receita para adequar o resultado final da peça. O interessante de usar o aplicativo da TagoIO é a possibilidade de ver o painel de exibição diretamente pelo celular, criado para observação

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Capítulo 5. Primeiros Resultados 47

dos dados, conforme Figura 26.

Figura 25 – Notificação (em vermelho) via push do aplicativo TagoIO num celular android

É importante ressaltar que as dificuldades decorrentes da pandemia limitaram a execução de um teste em campo. Todos os dados da implementação foram obtidos à distância, com o termo higrômetro e o gateway operando em Florianópolis, na residência do orientador. Porém, toda a implementação está pronta e não precisa sofrer nenhuma modificação para ser feita diretamente na empresa.

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Capítulo 5. Primeiros Resultados 48

Figura 26 – Dashboard no app

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6 CONCLUSÃO

É interessante notar que a IIoT traz uma facilidade muito grande pra implantação de sistemas de monitoramento, o que se aplica ao processo de rotomoldagem. Como no projeto desenvolvido, tem-se a possibilidade de utilizar um dispositivo de custo não muito elevado. A partir do momento da implantação de um gateway, que é a parte mais cara, a adição de novos dispositivos que coletam dados é relativamente mais barata.

Os resultados trazidos ao operador através das notificações podem trazer um ganho bom para empresa, diminuindo o tempo médio por ciclo, e, consequentemente, aumentando o número de ciclos por dia.

Observa-se que as medidas feitas através do operador no termo higrômetro na no Capítulo 4 não contemplaram medidas de temperaturas muito baixas, pois a época do ano em que foram feitas não permitia. Por observação do operador é possível dizer que em meses frios é necessário uma notificação lembrando de aumentar o tempo de forno quando a temperatura ambiente é muito baixa, pois, se verifica que as peças saem cruas com o mesmo tempo de receita que em meses quentes. Além de aumentar a temperatura ou o tempo de forno, é possível reduzir o tempo de resfriamento, pois a temperatura ambiente menor aumenta a troca de calor entre o molde e o ambiente.

Outros resultados também podem ser obtidos usando um termo-higrômetro. Através da temperatura e da umidade relativa do ar é possível aferir qual o grau de conforto térmico existente no ambiente industrial, em tempo real. Para melhorar a precisão da estimativa da temperatura ambiente um anemômetro pode ser instalado em conjunto com o kit da STM. Dependendo da sensação térmica no ambiente de trabalho, a empresa precisa arcar com o custeio da insalubridade. Se for controlada, pode reduzir um custo para empresa, melhorando o ambiente de trabalho para o funcionário e evitando um possível passivo trabalhista futuro.

O registro manual dos dados pelo operador é um procedimento que nem sempre dá certo. Baseado na tabela que originou o histograma da Figura 18, pode-se observar que não houve regularidade na anotação dos valores, sendo que muitas vezes era esquecido pelo operador, principalmente, durante a troca de turno ou retorno do intervalo de refeição. Uma possível melhoria é a adição de alguns botões para que o operador possa registrar a percepção de temperatura da peça, concentrando todos os dados em um servidor, para acesso futuro, e possivelmente melhorando a recorrência do feedback do operador.

O futuro do mercado IIoT é promissor, e utilizará várias tecnologias diferentes para conexão com a internet. Observou-se que a tecnologia LoRaWAN pode ser usada no contexto do projeto em questão. O desempenho no ambiente industrial será testado assim que possível.

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REFERÊNCIAS

AHUJA, Kunal; RAWAT, Amit. Rotomoulding Powder Market Size By Product (Polyethylene, [Linear Low-Density Polyethylene, High-Density Polyethylene,

Medium-Density Polyethylene, Low-Density Polyethylene], PVC Plastisol), By Application (Tanks, Containers, Automotive, Construction, Material Handling, Leisure, Toys), Industry Analysis Report, Regional Outlook,

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