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AUTOMAÇÃO POR CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL (CLP)
Renato Dias^1
RESUMO
O emprego inadequado de energia elétrica, e de utilização da eletrônica tem sido motivo de repercussões, de geração de custos e de perdas para o sistema energético. O objetivo geral deste artigo consiste em apresentar a automatização de uma máquina de sopro com uso do CLP (Controlador Lógico Programável), baseado em microprocessadores. Para tanto, foram necessárias as análises: de funcionamento do projeto antigo e dos custos de produção e manutenção da máquina; dimensionamento dos contatores, válvulas e solenóides com suas respectivas potências e aplicações; de custos e benefícios quanto à aquisição e utilização do novo processo; elaboração do projeto de força, do comando hidráulico e pneumático; montagem do painel elétrico com os específicos dispositivos como: botoeiras, micro chaves, sensores de temperatura entre outros; desenvolvimento e instalação da automação e programação específica; além da execução dos testes finais. A pesquisa-diagnóstico buscou explorar a área de atuação e levantar as situações de riscos ou perdas, por meio de fontes primárias e secundárias, utilizando de instruções de programação com operações aritméticas e analógicas, textos explicativos e conclusivos, pertinentes à interpretação e utilização do software trazendo considerável retorno à empresa no que se refere à redução de custos, aperfeiçoamento dos processos, performance , ergonomia, e principalmente redução no emprego de energia.
Palavras Chave: Programação. Controlador Lógico Programável. Automação
1 INTRODUÇÃO
Nos últimos anos, os avanços da Ciência, por meio da própria tecnologia, têm proporcionado o entendimento de leis, materiais, processos industriais ou científicos, produtos entre outros, notadamente, nos campos da Física e Eletrônica. Recentes pesquisas na área, de acordo com o acervo consultado em Bibliografias relacionadas ao presente estudo, identificam que há uma busca constante em aperfeiçoar o rendimento e a qualidade dos sistemas, materiais e suas leis fundamentais.
Com a realidade do atual quadro econômico das empresas e do mercado de trabalho, no que refere a importância do conhecimento e das habilidades técnicas, as grandes descobertas profissionais dos indivíduos, em muitos casos, podem surgir com as possibilidades que o mercado oferece, dada a operacionalidade de máquinas e equipamentos, novas tecnologias e novos processos de produção.
As formas mais conhecidas de geração de energia disponíveis no momento, como por exemplo, a energia hidrelétrica, já apresetam resultados desfavoráveis dada a escassez dos recursos naturais, levando ao racionamento em alguns setores da atividade econômica, refletindo indicadores decrescentes quanto ao valor agregado, o nível de emprego de um modo geral, e principalmente, o preço.
(^1) Mestre e pesquisador do Programa de Pós Graduação em Engenharia Mecânica da UFSC. Professor de Tecnologia
em Processos de Produção Mecânica do SENAI e professor da ASSEVIM.r.dias@terra.com.br
Esta pesquisa, caracterizada como pesquisa-diagnóstico tem por objetivo proporcionar ao leitor o conhecimento da aplicabilidade dos aspectos teóricos estudados em áreas afins, que estão direcionados á economia de energia, tempo e qualidade de processos, nas empresas que tem como meta, segurança, produtividade e lucro.
No momento de decidir por determinado investimento, o projetista deve ter suficiente conhecimento da situação competitiva, buscando minimizar o esforço humano, e da máquina buscando obter maior produtividade. Considerando que os objetivos pesquisados, vêm ao encontro das diretrizes de mercado, no que se refere ao emprego da automação, ou à racionalização do uso dos recursos de tratamento da informação, as metas previstas pela empresa, em relação à Eletrônica, Controle e Processos que envolvem produção, máquinas e equipamentos.
Analisando a crescente demanda por energia de tais processos de máquinas e equipamentos, é notória a necessidade da automação, com o auxílio do CLP (Controlador Lógico Programável), pois os ganhos em escala são maiores, em virtude da maior produção com menor emprego de tempo em horas trabalhadas, implicando na redução de custos e na melhor performance de trabalho, realizado por meio do uso de energia elétrica e linguagens da informática.
O CLP (Controlador Lógico Programável), baseado em microprocessadores, possibilita a execução e o aperfeiçoamento de atividades mecânicas, elétricas, e eletrônicas que objetivam facilitar o funcionamento de máquinas, em que venha a ser utilizado, dado o processamento rápido das informações por meio da geração de sinais de entrada e saída analógicas ou digitais.
Por esta razão, e com o intuito de utilizar da melhor forma possível a energia elétrica, e os recursos da informática, notadamente os microprocessadores, unindo teoria e prática, o presente artigo busca viabilizar a Automação de uma Máquina de Sopro considerando, a adequação ao uso (Juran).
2 ABORDAGEM TEÓRICA
Este capítulo apresenta parte das informações que fundamentam teoricamente, o presente artigo por meio de enfoques como: processamento de dados e sistemas por meio do uso do CLP (Controlador Lógico Programável), Etapas, imagens e resultados obtidos na automação de uma máquina utilizada na indústria mecânica.
Demais elementos como forma e captação de sinais através de micro chaves, sensores de temperatura (analógico ou digital), microprocessadores e circuitos integrados, também foram utilizados.
2.1 Considerações Preliminares
O gradativo crescimento populacional que induz ao aumento por bens e serviços e por conseqüência à produção industrial, trazem como subproduto uma demanda cada vez maior de energia. A energia, propriedade de um sistema que lhe permite realizar trabalho (Theis, 2002), é algo que as pessoas e as indústrias precisam diariamente, muito embora, seu conceito não esteja claro para grande parte dos usuários. Não há uma explicação única que possa definir completamente toda a possibilidade de economizar energia, ainda que existam pesquisas constantes com o objetivo de otimizar o seu uso.
A introdução mássica da microeletrônica e da informática nos equipamentos mecânicos em geral, ocorreu intensivamente nos projetos de automação de máquinas, no decorrer das ultimas
desenvolvimento de novos produtos, serviços”. A competitividade dos regimes de produção, no novo arranjo sócio-econômico mundial, obriga as empresas à aperfeiçoarem os processos por meio de automação e programação, que interferem positivamente na produtividade, quando corretamente empregadas.
No que concerne ao uso de tecnologia com emprego de energia elétrica, relacionada com fenômenos físicos que envolvem cargas elétricas, ou da mecânica que na maior parte dos casos, necessita do emprego de energia elétrica, é fundamental que novas alternativas sejam alcançadas buscando um esforço contínuo para o atendimento das necessidades da demanda ou de seus processos de utilização, de forma adequada, pois devem ser convertidos em produtividade. Demais produtos peculiares à utilização da informação como microprocessadores, impulsionam mercados recentes na área da Automação como: sensores de proximidade indutivos, sensores fotoelétricos, pressostatos eletrônicos, termoelementos, transdutores linear de posição, entre outros; que podem possibilitar um efeito multiplicador de produção, manutenção e automação eletro-mecânicos.
3 AUTOMAÇÃO POR CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL (CLP)
Considerado um dos equipamentos mais recomendados no uso da automação de equipamentos e processos industriais no Brasil e em todos os países desenvolvidos, o CLP é um equipamento eletrônico programável baseado em microprocessadores. É projetado para funcionar em ambientes industriais, podendo controlar desde simples máquinas até automatizar uma planta completa.
Seu campo de aplicação chega a ser quase ilimitado e o conhecimento de suas potencialidades torna-se cada vez mais necessária a todos os profissionais envolvidos no planejamento, operação, e manutenção de processos industriais.
A estrutura do CLP composta por: Entradas, Unidade Central de Processamento (CPU) e Saídas, permite a monitoração contínua do estado da máquina (ou de seu processo) sob seu controle. É possível ainda, o processamento de dados externos por meio de programa gravado anteriormente na memória. Existem outros dispositivos tais como: temporizadores, contadores, sistemas de operações lógicas (se, ou, e, então, faça, liga, desliga), que o torna extremamente versátil e com possibilidades de ser aplicado em processos industriais de modo econômico, com confiabilidade, facilidade de manutenção e processamento rápido das informações.
Seria impossível mencionar todas as aplicações do CLP, porém, a título de exemplo pode ser utilizado para: Automação de máquinas (injetoras de plástico, extrusoras, prensas, plainas, máquinas, impressoras, robôs e manipuladores, câmaras de vácuo, bobinadeiras de motores), e, Controle de processos (siderúrgicos, químicos, medição e controle de energia, estufas e secadoras, supervisão de plantas industriais, sistemas de transporte e armazenamento).
Além da programação variável, segundo Bollmann (1997, p. 112), os CLPs apresentam ainda as seguintes vantagens em relação ao uso de relés para implementar as funções lógicas dos comandos: facilidade de instalação e montagem; simplicidade nas ligações com os demais componentes do comando; redução do tempo de implementação e alteração da lógica do comando, devido à facilidade de programação e reprogramação; integração fácil e simples com computadores; incorporação de um grande número de temporizadores, contadores, unidades de operações aritméticas. além de controladores PID e entradas e saídas analógicas; custo bem menor; tamanho e peso reduzidos; facilidade de expansão dos módulos de entrada e de saída pela modularidade da sua construção.
Para maior segurança, o sistema mecânico, elétrico e de programação, devem ser projetados concomitantemente de modo que, no caso de falta ou retorno de energia, o sistema ofereça condições de não provocar movimentos ou ações danosas ao operador. Para tanto, é fundamental o cuidado com a fiação, e o lay-out do sistema, pois não devem ser montados no mesmo painel do CLP: transformadores, contadores, solenóides, ou outros elementos eletromecânicos não concernentes ao controlador. É recomendável ainda, a instalação de fusíveis para proteção dos circuitos dos módulos de saída do CLP; ou seja, cada saída deve corresponder à respectiva carga descrita no programa.
Para ilustrar a característica de Programação Descritiva e por Ladder , pode ser considerado o seguinte exemplo:
ª No controle de determinada saída dependendo de quatro entradas, a programação seria:
1 2 3 4 10
pela Programação Descritiva (BCM):
ESTADO 1: SE FC1= E FC2=0 E LIGA=0 E FC4=1 ENTAO 10 LIGA 10
pela Programação por Ladder:
Para os dois casos deve ser identificado:
Fc1 (sinal da micro-chave) Fc2 (sinal da micro-chave) Liga (botoeira liga) Fc4 (sinal da micro-chave)
Se, forem consideradas as seguintes entradas:
Fc1 = 1 Fc2 = 0 Fc3 (liga) = 0 Fc4 = 1
Então, liga-se a saída 10.
Na Figura 1, podem ser observados os parâmetros definidos por Boolmann (1997): função lógica, equação booleana, símbolo, tabela verdade e execução elétrica como forma de comportamento de elementos lógicos em que a obtenção de um sinal em nível ‘1’ (fim de curso no braço mecânico com sensor ‘NA’, resulta na saída do sinal necessário. Já na segunda linha como tem-se uma negação, em que o mesmo sinal resulta no ‘não chaveamento do componente eletrônico’. No ultimo exemplo, será necessário dois sinais em nível ‘1’, para que se tenha o chaveamento total.
Pode ser observado que na linguagem de máquinas para microprocessadores os parâmetros determinados para leitura, seguem a linguagem de 0 e 1, ou seja, consideram-se valores positivos para interpretação em que a leitura é de: 1 e 0 igual a 0, e, 1 ou 0, igual a 1. Isto quer dizer que na álgebra booleana, a entrada de sinais, embora que diferentes, podem resultar em valores definidos por 0, ou 1, unidades mãe da matemática para a linguagem de máquinas.
4 AUTOMAÇÃO DE MÁQUINA PARA INDÚSTRIA MECÂNICA
O presente artigo é produto de estudos que traz o aperfeiçoamento dos processos de produção, por meio da automação de uma máquina de Sopro, utilizada na indústria mecânica, neste caso, em metalurgia. Para tanto, foi necessário o entendimento de questões relacionadas inclusive à ergonomia, e redução de custos que implicam em aumentos de produtividade.
A automação e programação de ferramentas, máquinas ou equipamentos envolve a compreensão de toda a linha de produção haja vista, que há conexão entre os setores no que se refere ao lead-time (tempo de entrada à saída) dos produtos a serem desenvolvidos. Para Rembold (1994, p. 14), as máquinas podem ser divididas em relação às suas funções e dependência entre linhas, economia e produtividade:
A machine tool can have single or double multifunctions. The individual workpiece is routed to selected machines for processing. Programming is done as with other machines tools, however, the designated route and handing of the part has to be included. Since this operation tries to approximate a flowline principle, high production rates can be obtained economically.
A afirmação do autor, pode ser melhor interpretada, observando-se a Figura 4, como exemplo de linha de produção na indústria mecânica.
FIGURA 4: Exemplo de comando na indústria mecânica
Fonte: adaptado de Rembold (1994, p. 15).
Na Figura 4, tem-se a aplicação do controle e monitoramento de uma linha de manufatura automatizada, controlada por computador, ligado diretamente aos CLPs, que por sua vez, executam os comandos pré-definitos pelo projeto da máquina em questão.
4.1 Automação da Máquina de Sopro
Para instalar o dispositivo CLP na Máquina de Sopro, em uma indústria mecânica, voltada ao desenvolvimento de produtos derivados do polipropileno que resultam em produtos plásticos como: potes para condicionamento, embalagens, brinquedos, e utensílios domésticos, foi necessário o cumprimento de algumas etapas referentes à automação que envolveu:
Várias visitas à empresa responsável pela parte mecânica para verificar a possibilidade de atendimento às necessidades do demandante; Análise de Funcionamento do projeto antigo e dos custos de produção e manutenção da máquina; Dimensionamento dos contatores, válvulas, solenóides com suas respectivas potências e aplicações; Análise dos custos e benefícios quanto à aquisição e utilização do CLP; Apresentação dos resultados parciais ao proprietário da empresa que solicitou a automação; Elaboração do projeto de força, do comando e do hidráulico; Inspeção visual; Montagem do painel elétrico com o respectivo CLP; Inspeção visual; Montagem dos elementos e comandos na máquina (Botoeiras, Fim de Curso, entre outros); Inspeção visual; Desenvolvimento e instalação da programação específica; Execução dos testes Finais.
Outras fases pertinentes à execução do projeto foram necessárias, entre elas: a elaboração dos desenhos técnicos, cálculos de dimensionamento; interpretação das instruções de programação com operações aritméticas e analógicas pertinentes a utilização dos softwares específicos como: MatLab, SolidWorks, Auto CAD/CAM, e de operacionalização do CLP, sendo que, na maior parte dos casos, novas visitas precisariam ser realizadas em campo, pois a instalação do CLP, envolve a organização de esquemas eletrônicos, como sinais analógicos e digitais, de forma detalhada e peculiar.
4.2 Imagem de Automação da Máquina de Sopro
Alguns exemplos das fases de execução do projeto de Automação da Máquina de Sopro serão apresentados nas ilustrações seguintes.
A Figura 5, possibilita identificar a montagem final em sua vista interna com os componentes, sendo possível visualizar (ao fundo), a entrada e saída do CLP. Outra vista da montagem final com os devidos componentes elétricos instalados pode ser observada na Figura abaixo. Observa-se os componentes de leitura e captação de sinais que retornam da máquina e posteriormente são enviados ao CLP já com fonte de alimentação instalada, além de saídas e entradas, analógicas e digitais, o comando principal de força, amperímetros, voltímetros, variador eletromagnético e fusíveis necessários a instalação do CLP.
controle de dados de informações e programação quando não fornecido via cabo por um computador, e, a parte frontal com seu visor cristal líquido, que mostra os dados referentes ao monitoramentos do funcionamento da máquina.
FIGURA 7: Características técnicas de um modelo do CLP
Fonte: O autor
4.3 Resultados Obtidos na Automação da Máquina de Sopro
Na Máquina de Sopro em análise, o produto com maior tempo de produção, e o mais produzido é o pote para doces. Matematicamente, com o processo anterior, foi observado o tempo de 56 segundos para a produção de cada peça. Já com o projeto proposto e atual o tempo de produção teve uma redução significativa de aproximadamente 1/3 do tempo anterior, que é de 22 segundos/peça. Considerando dados genéricos, se, for tomado por base 8 horas trabalhadas/dia, ou seja, apenas um turno, a diferença na produção seria de 795 peças, multiplicada por dois turnos, atualmente na empresa, a diferença total verificada seria de 1.590 peças.
Para exemplificar:
ª No processo anterior (manual):
Se, 8h x 60’ = 480’ e 480’ x 60” = 28.800”/56” tem-se aproximadamente a quantidade de 514 peças produzidas por turno.
ª No projeto proposto e atual (automatizado): Se, 8h x 60’ = 480’ e 480’ x 60” = 28.800”/22” tem-se aproximadamente a quantidade de 1. peças produzidas por turno.
O projeto proposto e atual, implica numa diferença de 795 peças por turno, considerando o valor/pç de R$ 0,08 de lucro estimado^2 , sendo possível obter ao final de um turno, uma diferença de R$ 63,80 do retorno sobre o investimento com a automação, por dia. Considerando: os gastos com mecânica e automação em torno de R$ 13.000,00, um mês de 22 dias úteis (dias trabalhados) com dois turnos, haverá uma produção que totaliza R$ 2.798,00 de lucro, ou seja, o valor destinado à automação e mecânica da Máquina de Sopro de R$ 13.000,00 dividido pelo lucro estimado em um mês, R$ 2.798,00, resulta em 4,6 meses, isto é, em 4 meses e 18 dias, tempo necessário para o retorno sobre o investimento inicial.
É importante ressaltar que, no processo anterior, os motores da Máquina de Sopro permaneciam ligados à espera do operador, sendo que, deveriam ser desligados, quando não havia ciclo de produção, ou, quando alguma atividade pertinente aquele processo deveria ser realizada. Na ocasião, ocorreriam esquecimentos contínuos em função da operação humana, implicando em perdas. Com a entrada do CLP, foi possível realizar na programação, o controle do tempo mínimo de dois minutos destinados a realização de qualquer atividade com o ciclo da máquina desligado. No caso, deste tempo ser ultrapassado, a saída doze (12) do CLP, desliga o solenóide (d10), desligando conseqüentemente as entradas de alimentação de tensão, que vem dos dois sinais de saída do CLP (8 e 9), e, posteriormente acionam os contatores C1 e C2 dos motores do Canhão de Alimentação e da Bomba Hidráulica. Com isso, relevante ergonomia é dispensada ao operador da máquina no que se refere à preocupação com os motores, e expressiva redução de custos no que se refere a economia de energia empregada no processo de produção.
A Potência de cada motor é de 5cv (3680w) para a Bomba Hidráulica e 10cv (7360w) para o Canhão de Alimentação. Analisando dados estatísticos da empresa quanto ao total de horas que os motores ficavam ligados, sem o fabrico de produtos (ciclos), chega-se a uma média considerável de 48 minutos por turno. Se forem considerados dois turnos, o tempo desperdiçado chega a 1:36h (uma hora, trinta e seis minutos) de motores ligados na Máquina de Sopro, sem haver produção alguma.
Estima-se com o projeto proposto, uma economia relevante quanto ao emprego de energia elétrica e dos desgastes das peças envolvidas (motores, mangueiras, conexões, bomba e bloco hidráulico, entre outros). Quanto à economia de energia, pode-se calcular o valor aproximado de um mês de trabalho da seguinte forma:
ª Potência consumida por dois motores : 15cv (11.040w ≅ 11kw) 3 ª Potência consumida em dois turnos de trabalho: 1:36h ∴ 13,2kw ª Em um mês de trabalho (22 dias útil) : 35:12h ∴38,72kw
A empresa utiliza a entrada de energia sem transformador próprio, conseqüentemente, o valor por kwh de pagamento, é idêntico ao residencial. Para a forma de cálculos, foi considerado um valor genérico próximo a data da entrega da Máquina de Sopro, que é de R$ 0,30476 / kwh. Para os dados obtidos anteriormente, tem-se, 38,72kw de desperdício no consumo de energia elétrica, resultando numa perda de R$ 11,80 por mês.
Já pode ser observado nas Figura 8 e 9, o projeto proposto com específicas melhorias, sendo que, considerado ainda como requisito a instalação de um outro comando e bloco hidráulico, com características funcionais, adaptadas ao funcionamento da máquina, que é apresentado nas Figuras 8 e 9, respectivamente.
(^2) Estimativas, valores aproximados.
houve necessidade de automatizar a máquina com o uso do Controlador Lógico Programável (CLP), a fim de eliminar tais problemas, que atualmente, encontra-se em plena aplicabilidade.
5 RESULTADOS OBTIDOS
O ambiente da empresa, considerado relativamente novo, não dispunha de muito espaço, e qualquer ação indevida poderia ativar movimentos perigosos, na máquina ou no processo, capazes de provocar danos materiais e acidentes pessoais. Os cuidados quanto à manutenção regular e preventiva do CLP exigem a checagem periódica de: bateria, limpeza, temperatura, vibração, ruído, por isso os testes foram feitos com todo cuidado, pois poderiam causar defeitos intermitentes. Todo o cuidado inicial também foi considerado com a programação, que permitiu não serem identificados erros de rede, ou retrabalho. Não havia no local, equipamentos tais como multímetros, bancadas, ou medidor de temperatura, computador portátil para fazer pequenas correções do Software, impossibilitando a realização dos testes, o que também implicou em deslocamentos e em perdas por espera.
Cabe ressaltar, a contribuição com a ergonomia para o operador, a redução de custos, a segurança e a confiabilidade quanto aos processos de produção, e ainda, que, com o projeto proposto, em prática, existe possibilidade de flexibilizar a produção, um dos fatores pertinentes à elasticidade preço dos bens e serviços, devido a sua viabilidade econômica.
6 CONSIDERAÇÕES FINAIS
O presente artigo requer a compreensão de elementos pertinentes ao conhecimento interdisciplinar de: Informática, Eletrônica de Potência, Pesquisa em Engenharia Elétrica, Mecânica Geral, Matemática, Sistemas de Potência, Mercado de Energia Elétrica, Microeletrônica, e, Controle e Servomecanismos, necessários para o desenvolvimento da programação, execução e manutenção do CLP.
Estão contidos no presente artigo aspectos pertinentes as seguintes etapas: pesquisa tecnológica, planejamento de engenharia, projeto e desenvolvimento de sistemas elétricos- eletrônicos e monitoração e controle do sistema de energia do processo estudado buscando apurar dados e informações com o intuito de resolver problemas, apresentar sugestões, criar ou aperfeiçoar o existente.
Já é possível identificar a performance e a margem de lucro para a Empresa quanto ao retorno sobre o investimento, notadamente que se refere à redução de custos, confiabilidade e produtividade. Tornou-se possível o entendimento da realidade, por meio da utilização de teoria e prática, da interação da Engenharia, Informática e Matemática com o uso de microprocessadores.
REFERÊNCIAS
BEULKE, R; BERTÓ, D. J. Estrutura e Análise de Custos. São Paulo: Saraiva, 2001.
BOLLMANN, A. Fundamentos da Automação Industrial Pneutrônica. São Paulo: ABHP, 1996.
HALLIDAY, H.W. Fundamentos de Física. 4ª. ed. São Paulo: LTC, 1995.
MERICO, L. F. K. Introdução à Economia Ecológica. Blumenau: Ed. FURB, 1996.
RIFKIN, J. A Era do Acesso. São Paulo: Makron Books, 2001.
SOUZA, D. J. Desbravando o PIC. São Paulo: Érica, 2000.
THEIS, I. Limites Energéticos do Desenvolvimento. Blumenau: Ed. FURB, 2002.
ZACARELLI, S. B. Estratégia e Sucesso nas Empresas. São Paulo: Saraiva, 2002.
