Bancada festo

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Relatório Treinamento Modular Production System (MPS) - Festo
Aline E. Rubenich, Lucas T. T. Fernandez
Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Mato Grosso - Campus Cuiabá Cel. Octayde Jorge da Silva, Departamento da Área de Eletroeletrônica, Cuiabá, Brasil
Resumo—O presente relatório dedica-se a apresentação das atividades práticas realizadas na disciplina de Avaliação e Desempenho de Sistemas utilizando as Estações de Sistema de Produção Modular (Modular Production System - MPS) da Festo. Elas utilizam como método de controlar o sistema controlador lógico programável, que são implementados nas bancadas. E em seguida simulado no software Arena para analisar a modelagem do sistema realizado baseando no processo e no objetivo pré-estabelecido da bancada, consequentemente analisar possíveis erros e gargalos.
Palavras-chave—Avaliação e desempenho de sistemas, software Arena, bancada de manufatura, Controlador Lógico Programável.
Introdução
G
eralmente, as indústrias tem seu processo de linha de produção separados para melhoria de manutenção e conseguir visualizar a entrada e saída das partes de seu processo. A separação do processo vai de acordo com a complexidade do processo de produção e do produto. Como sistema geral, eles são interligados e sincronizados na realização da produção. Essas divisões de subsistemas podem ser divididas em distribuição, análise, processamento, manuseio, montagem e armazenamento.
	Devido ao aumento da demanda de produção, consequência da globalização da economia industrial, tem favorecido o surgimento de sistemas cada vez mais complexo onde envolve interligação de diversas áreas como sistemas de automatização, redes de computadores e comunicação, robótica, softwares de distribuição, controle do sistema de produção, e entre outra. Tais aplicação são gerenciadas por lógicas de controle que são pré-estabelecidas por um profissional da área qualificado.
O avanço tecnológico proporciona aumento de desempenho ao Sistema de manufatura (MS- manufacturing systems). A automação dos processos produtivos pela tecnologia implantada contribui para as empresas em termos de ganho de eficiência e confiabilidade.[7]
Para o uso adequado desta tecnologia é necessário a aplicação de técnicas de modelagem nos sistemas de controle desses processos que considerem os atuais requisitos da manufatura, tais como flexibilidade, autonomia, reatividade, proatividade, cooperação, habilidade social (i.e., consideração da interação humana nos processos), e recursos de aprendizagem.[7]
	Falhas são inevitáveis quando se trata de sistemas construídos e operados, mesmo considerando a vantagem de fazer um MS considerando o sistema de mecanismo para diminuição das possíveis falhas, como prevenção destes riscos é necessário o profissional ter qualificação para atuação no mercado, consequentemente capacitação de qualidade com experiências práticas da indústria e simulações de sistemas de processos. 
	Para que tenha interação do conhecimento teórico e prático a foram desenvolvidas bancadas experimentais, com finalidade de preparar os futuros profissionais a interação de diversas áreas visando experiência para futuros desenvolvimentos tecnológicos.
	Portanto, este trabalho aborda a aplicação de integração entre conhecimento adquirido na aula teórica, habilidades de raciocínio e com as ferramentas disponíveis de modelagem de sistemas de manufatura onde é composto por controladores lógicos programáveis (CLP) que serão implementados para simulação do processo em uma indústria real.
	
Fundamentação Teórica
Nesta seção serão discutidos alguns conceitos básicos sobre simulação, o software Arena e as estações da Festo utilizadas neste trabalho, para que haja uma compreensão melhor do assunto tratado.
Simulação
A simulação pode ser definida como uma ferramenta de apoio a tomadas de decisão que utiliza modelos para reproduzir um sistema em estudo e resolver problemas cuja solução analítica se mostre inviável. A crescente popularidade desta ferramenta pode ser atribuída aos avanços da tecnologia computacional, e a sua aplicabilidade no estudo de problemas complexos. [6]
A simulação é uma representação de um processo do mundo real, ela envolve a geração de um sistema artificial e, através da observação deste sistema são retiradas as conclusões a respeito das características de operação do sistema real.[9]
A simulação tem evoluído constantemente nas últimas décadas, pois à medida que os avanços das tecnologias de hardware e software crescem, é possível formular modelos mais específicos com maiores detalhes e operações complexas por meio de representações gráficas relativamente simples e gerar resultados mais consistentes e com menor tempo de resposta. Atualmente, é uma das ferramentas mais adotadas no auxílio à tomada de decisão em processos produtivos e para análise da estrutura de sistemas por meio da modelagem computacional [7].
As etapas para elaboração e desenvolvimento de um modelo de simulação: identificar o problema; formular o problema; coletar e processar dados do sistema real; formular e desenvolver o modelo; validar o modelo; modelo de documento para uso futuro; selecione o projeto experimental apropriado, estabelecer as condições experimentais rodar o modelo; executar simulações; interpretar e apresentar resultados [6].
Software Arena
O ARENA é um software estatístico pertencente a Rockwell Software. A modelagem no Arena acontece em um ambiente que engloba lógica e animação com ferramentas poderosas de análise estatística.[9] 
O software Arena é uma plataforma com um ambiente gráfico integrado de simulação. Nele contém diversos recursos para modelagem de processos, desenho, animação, análise estatística e análise de resultados. Não há necessidade de escrever linhas de código, pois todo o processo de criação da simulação é gráfico e visual, de maneira integrada. [5]
A construção do modelo é feita através da seleção do módulo que contém as características do processo a ser modelado. O modelador não precisa necessariamente conhecer a linguagem SIMAN para construir um modelo. Utilizando os templates disponibilizados pelo Arena, o usuário pode extrair um módulo (construção por blocos, drag-and-drop), localizá-lo no sistema analisado e parametrizá-lo de acordo com as características do sistema. Um painel de construção de modelos agrupa uma coleção de blocos, chamados de módulos, que são utilizados para construir e definir um processo. Esses módulos estão organizados sob três tipos de painéis conforme apresentado: [1]
Construção de Modelos:
Painel Básico de Processos: 
Função: Compreende os módulos mais usados na modelagem
Módulos: Create, Dispose, Process, Decide, Batch, Separate, Assign, Record, Entity, Queue, Resource, Variable, Schedule e Set.
Painel Avançado de Processos:
Função: Usado para modelagem de lógicas mais complexas.
Módulos: Delay, Dropoff, Expression, Failure, File, Hold , Match, Pickup, ReadWrite, Release, Remove, Search, Seize, Signal, Stateset, Statistic, Storage, Store, Unstore.
Painel de Transferência Avançado:
Função: Usado para movimentação de materiais, inclui esteiras e equipamentos de transporte
Módulos: Access, Activate, Allocate, Convey, Conveyor, Distance, Enter, Exit, Free, Halt, Leave, Move, PickStation, Request, Route, Segment, Sequence, Start, Station, Stop, Transport, Transporter.
Dessa forma, é possível simular os mais diversos ambientes, como linhas de produções industriais, tráfego de veículos, situações de abastecimento de guerra, logística, etc.[2]
Sistema de Produção Modular (MPS)
O MPS é um conjunto de módulos didáticos baseados em sistemas de produção combinado com estações de montagem ou componentes que permitem a configuração rápida para a produção de bens de baixa e média tecnologia. Existem duas categorias de elementos: as máquinas de processos primitivos que operam num estado de modificação do material por processos que usam a pressão, moldagem ou drilling, e a segunda categoria chamada de módulosde atuação que engloba o maquinário que realiza as movimentações na fábrica ou processos básicos como corte, colagem, etc. O sistema de produção modular é controlado por Controladores Lógicos Programáveis (CLPs) permitindo maior customização do processo baseado em tempos e movimentos. [5]
A estação MPS- Festo, no caso a que foi utilizada para desenvolvimento do trabalho, pode simular processo de produção fabril através de estações que podem atuar individualmente ou com combinações. 
O MPS-Festo apresenta os seguintes módulos: Distribuição (Distributing), Teste (Testing), Processamento (Processing), Mananipulação (Handling), Carregamento (Buffering), Robô (Robot), Montagem (Assembly), Perfuração (Punching), Classificação (Sorting), e entre outras.
Processing
 	 Na estação MPS (Modular Production System - Sistema Modular de Produção) - Processing (Processamento) através de uma mesa giratória as peças são transportadas e processadas. No processo ocorre a indexação ou prensa que tem objetivo de verificar a posição do orifício, após é realizado uma simulação de usinagem na abertura da peça.
Esta estação é composta por sensores e atuadores, como motores (furadeira). Esses sensores e atuadores podem ser controlados por meio do CLP (Controlador Lógico Programável) embutido na bancada e comunicado serialmente com um computador.[2] A programação dos sensores são realizadas na linguagem LADDER Conforme a Fig 1.
Fig. 1. Terminal de I/Os. Fonte: Festo
Após esse processo é encaminhada para próxima estação. 
Fig. 2. Estação de Processo. Fonte: Festo
Sorting
Na estação MPS - Sorting (Separação) que sua finalidade é a realização da classificação/separação das peças, separando pelas suas determinadas cores (metálica, vermelha e preta). As peças são detectadas no início da esteira através de um sensor óptico difuso e separadas para suas respectivas rampas.
As peças chegam da estação de processamento e são encaminhadas para uma esteira, que em seguida passam por um sensor para identificar a peça e depois são distribuídas em cada rampa de acordo com a cor da peça.
Esta bancada também é composta por sensores e atuadores, como o motor da esteira e um módulo desviador para separar a peça em determinada rampa. Eles são controlados por CLP conectado ao computador. [2]
As programações dos sensores são realizadas na linguagem LADDER Conforme a Fig 4
Fig. 3. Estação de separação. Fonte: Festo.
Fig 4. . Terminal de I/Os. Fonte: Festo.
Metodologia
Para desenvolvimento deste trabalho foram realizados N etapas.
1º) Realizada uma análise da tabela da Festo e da estação de processamento para identificar e verificar se os sensores e atuadores estavam funcionando corretamente e também identificando em quais portas estavam conectados ao CLP para sua programação que será a próxima etapa.
2º) Foi realizado o desenvolvimento da programação do CLP que é realiza na linguagem Ladder, testando cada programação de atuadores, passo a passo, para cada processo por meio do software TiaPortal. Esses teste de atuadores eram realizados para diminuir futuros erros.
3º) Após concretizado a programação da estação de processamento, foi feito os mesmos passos para a estação de separação, porém a programação da separação foi feita já pensando na programação do processo anterior. A programação foi feita no mesmo arquivo, ou seja, no mesmo arquivo do TIA, porém, em subpastas diferentes, pois o CLP não é o mesmo para os dois processos.
4º) Quando as duas bancadas estavam funcionando corretamente, foi realizada a interação entre as duas a fim de sincronização dos seguintes processos formando apenas um único processo.
5º) Com o processo já funcionando em harmonia e feito o vídeo do processo, foi montado o esquema de simulação no software Arena. O tempo entre chegadas das peças utilizado foi de vinte (10) segundos. Gerando o fluxograma da Fig 5.
Fig. 5. Diagrama da simulação no Arena. Fonte: Própria.
O tempo de perfuração é definido através do input Analayzer, onde foi realizado uma cronometragem média de todas as 12 peças da plataforma da bancada, obtendo o tempo médio de 5 segundos por peça, obtendo a expressão a ser inserida no arena conforme a fig. 6
Fig. 6. Expressão prensa da simulação no input Analayzer. Fonte: Própria
Da mesma forma foi feito para a fura fig 7, separa metálica(fig 8), vermelha(fig 9) e preta (fig 10).
Fig. 7. Expressão fura da simulação no input Analayzer. Fonte: Própria
Fig. 8. Expressão metálica da simulação no input Analayzer. Fonte: Própria
Fig. 9. Expressão vermelha da simulação no input Analayzer. Fonte: Própria
Fig. 10. Expressão preta da simulação no input Analayzer. Fonte: Própria
Programação TIA software
Processamento
A figura 11 mostra a primeira parte da programação, que seria o acionamento da mesa giratória. Podemos observer que ela tem um delay de 2s para atuação da mesa e segue a seguinte lógica: se ter objeto em um dos sensores capacitores (C1, C2 e C3) os atuadores de teste de profundidade (M5), que sobe e desce o modulo de perfuração (M_fura) e modulo de perfuração não estiverem acionados, então aciona a mesa giratória (M2)
Fig. 11. Programação TIA aciona mesa giratória. Fonte: Própria.
A figura 12 mostra o acionamento do teste de profundidade (M5), através de um comando set, que no caso se ela estiver em cima do Capacitor 2 (C2), ele fecha e em seguida aciona o M5, isso só vai acontecer se a mesa giratória não estiver ligada.
Fig. 12. Programação TIA aciona teste de profundidade. Fonte: Própria.
Através da figura 13 podemos observer que ela só realiza o Reset do teste de profundidade, ou seja, ele volta ao seu estado inicial
Fig. 13. Programação TIA desaciona teste de profundidade. Fonte: Própria.
Na figura 14, ela foi feita para acionamento do modulo de perfuração (furadeira) e de fixar a peça, porém isso só vai ocorrer se alguma peça estiver em cima do Capacitor 3 (C3) e a mesa giratória estiver parada os módulos irão atuar.
Fig. 14. Programação TIA aciona furadeira e fixa peça. Fonte: Própria.
O Acionamendo para a furadeira descer é demonstrado na figura 15, ela só vai descer se a peça estiver em cima do capacitor 3, fixada e a furadeira estiver ligada.
Fig. 15. Programação TIA desce a furadeira. Fonte: Própria.
	A programação para finalizar a parte de perfuração é mostrada através da figura 16. Podemos ver que a furadeira só vai subir se a peça permanecer no capacitor 3 e estiver fixada, assim ela sobe. E após um delay de 0,5 segundos ele reset todos os atuadores acionados durante a etapa de perfuração 
Fig. 16. Programação TIA volta ao estado inicial da furadeira. Fonte: Própria.
Para finalizar a programação do processamento, a figura 17 retrata a parte de expulsão da peça desta estação. Ela segue a seguinte lógica, se a mesa giratória estiver parada que é feita a leitura do sensor de indexação da mesa então aciona o atuador de expulsão das peças.
 
Fig. 17. Programação TIA expulsão da peça do processo. Fonte: Própria.
Separação
A primeira parte da programação demonstrada na figura 18, que é a parte de acionamento da esteira. A lógica dela é quando uma peça passa (PECA_MESA) pela parte inicial da esteira após o estação de processamento ela aciona a esteira (ESTEIRA_ON). E após é feira a leitura dos sensores de cores das peças para separação para irem para suas respectivas rampas.
Fig. 18. Programação TIA acionamento de esteira. Fonte: Própria.
Na figura 19, ocorre a separação das peças metálicas. Quando a leitura do sensor for não é preto (PRETO) e ser metálico(METALICO) então ele recua o atuador de parada do objeto (PARA_OBJ) e acionado o atuador de avanço um (ATUADOR_1), que no caso é a rampa onde irão as peças metálicas, porém logo após passar pelo sensor óptico (VOLTA), ele reset todos os atuadores.
Para as peças que não são pretas e são metálicas segue a mesma lógica das peças metálicas, porém o atuador que será set é o avança atuador 2 (ATUADOR_2). Conforme mostrado na figura 20,se comparar até o delay de ambos são iguais, isso para eficiência e qualidade do projeto, assim o interval entre as cores duas cores serão o mesmo. Porém ao ser feito o relatório, foi refletido que o tempo de chegada da rampa dos dois não serão os mesmo, pois o período em que eles ficarão na esteira são diferentes, podendo assim interferir no processo pensando em produção em grande escala.
Fig. 19. Programação TIA move peça metálica para sua rampa. Fonte: Própria.
Fig. 20. Programação TIA move peça não preta para sua rampa. Fonte: Própria.
	Para as peças pretas a lógica é diferente, como representado na figura 21, pois ele não vai ter nenhum avança atuador, pois para ele foi escolhido a ultima rampa, pois foi a ultima peça a ser programada, então após passar pelo sensor óptico ele apenas irá reset, voltando ao estado inicial da esteira e do recua de para da peça. 
Fig. 21. Programação TIA move peça preta para sua rampa. Fonte: Própria.
Resultados e Discussões
Através das simulações realizadas com o software Arena, foi possível obter, para uma simulação de dez (10) minutos e a unidade do sistema eram todas em segundos, os seguintes resultados.
A Fig. 22 apresenta um gráfico da quantidade de cada peça, que chegou.
Visto através da Fig 23 que a entrada teve em média duas peças a mais, de cada tipo, em relação a saída, significa que as peças que não saíram do sistema, estão na fila de algum dos processos. 
Fig. 22. Quantidade de peças. Fonte: Própria.
Fig. 23. Bloco do processo de prensa e perfuração. Fonte: Própria.
A Fig. 24 mostra o tempo de utilização das entidades estáticas dos processos. Nela é possível observar que não há sobrecarga das entidades nos processos, ou seja, não estão trabalhando sem parar. 
Fig. 24. Utilização das entidades estáticas. Fonte: Própria.
As vezes possui essa fila no processo e as vezes não possui fila.
Conclusão
Ao desenvolver este projeto, teve-se dificuldade relativamente considerável no início da programação do CLP, isso porque foi o primeiro contato com a linguagem ladder, além de não ter noção nenhuma de como é o funcionamento do CLP. Contudo, ao longo do desenvolvimento foram obtidos conhecimentos gradualmente da programação. 
Um item que devemos relevar neste trabalho é que foi interessante o contato com as CLPs, visto que são os equipamentos utilizados nas industrias atualmente, assim podendo vivenciar realidades da indústria através das bancadas de manufatura da Festo. Além de propiciar a visão em tempo real do processo das estações
Outro ponto importante é referente ao software Arena, pois com ele é possível a realização de uma simulação virtual em diferentes cenários, sendo prático e bem acessível a sua programação em blocos, facilitando no desenvolvimento de alternativas de melhoria para apresentar para empresa, ou seja, através do relatório que é gerado pelo software podemos ter noção se a nova modelagem do sistema que visa melhoria realmente atende as expectativa do sistema. Dessa forma, é possível obter informações e verificar problemas de um sistema.
Referências
A. Maria, Introduction to modeling and simulation. Winter Simulation Conference, 1997.
B.G. Macedo, N.C. Moraes. Relatório Estação MPS – Festo. 2016 
C. M. Nazário, C. R. F. Leite, H. C. Silva. Relatório da Bancada de Manufatura. 2016
Festo, MODULAR PRODUCTION SYSTEM MPS®,
Festo,Didac., 2015.
J.T. Guimarães, A.A Campos. Aplicação do modelo ADDIE no ensino de técnicas de projeto de sistemas de manufatura. 2012
K.C.F, Campos. Simulação em um Trecho Singelo de uma Malha Ferroviária utilizando o software Arena. Monografia. Universidade Federal de Ouro Preto. Monografia. Ouro Preto, 2006.
M. Mujica, M. Piera,M. Narciso. Revisiting state space exploration of timed coloured petri net models to optimize manufacturing system^as performance, Simulation Modelling Practice and Theory 18(9): 1225- 1241, 2010.
R. M. Silva, P. E Miyagi, D.J. Santos Filho. Design of active holonic fault-tolerant control systems, Springer IFIP Advances in Information and Communication Technology 349: 367-374, 2011.
Sakurada, Nelson, and Dario Ikuo Miyake. "Estudo comparativo de softwares de simulação de eventos discretos aplicados na modelagem de um exemplo de Loja de Serviços." Ouro Preto, MG (2003).