Orientador: Luis Alberto Martinez Riascos / Tese (doutorado) - Universidade Federal do ABC. Programa de Pós-Graduação em Energia, 2013

Made available in DSpace on 2014-06-12T17:36:12Z (GMT). No. of bitstreams: 2 arquivo2555_1.pdf: 2355246 bytes, checksum: 67878edb28caadb5dda261416c723874 (MD5) license.txt: 1748 bytes, checksum: 8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33 (MD5) Previous issue date: 2010 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Do total de energia consumida no país, aproximadamente 43% é consumida pelo setor industrial e do total da energia elétrica consumida na indústria, cerca de 60% destinase aos motores elétricos. Depois da energia elétrica, o ar comprimido é a forma de energia mais consumida na indústria. É também a forma de energia mais onerosa e, também a mais negligenciada. A falta de um projeto adequado e de uma manutenção regular faz com que os sistemas de ar comprimido, muitas vezes, representem uma fonte de desperdício de energia elétrica. Este trabalho descreve a aplicação da modelagem, controle e inteligência artificial para melhorar a eficiência energética em sistemas industriais. Apresenta ainda oportunidades de melhoria da eficiência do sistema, mostrando a influência da pressão de trabalho no consumo de energia, bem como o desperdício devido a vazamentos. A implementação do sistema de controle aplicada em sistemas de ar comprimido é apresentada com os dados experimentais obtidos no Laboratório de Otimização de Sistemas Motrizes da Universidade Federal de Pernambuco. Comparações quanto ao consumo de energia são realizados usando as estratégias de controle convencionais e a proposta neste trabalho

Made available in DSpace on 2014-06-12T17:36:51Z (GMT). No. of bitstreams: 2 arquivo2624_1.pdf: 8516783 bytes, checksum: 6d0f8f4a723a2ea3cd31f060df4e74e5 (MD5) license.txt: 1748 bytes, checksum: 8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33 (MD5) Previous issue date: 2011 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Uma série de normas sobre sistemas de qualidade, denominada ISO 9000, estimularam as indústrias mundiais a garantirem padrões rígidos para se tornarem competitivos no mercado internacional. Assim, obter um controle eficiente sobre as máquinas e processos é extremamente necessário para obtenção de um desempenho satisfatório no aspecto de sistemas de controle. Nesta dissertação, apresenta-se uma sistemática para solução de um conjunto de parâmetros do controlador proporcional-integral (PI) para estabilização de determinada planta, sobretudo a sistemas com retardo onde a complexidade do sistema aumenta. Assim, é apresentado o Teorema de Hermite Biehler, onde é possível encontrar a solução através de uma sistemática, de maneira contrária aos métodos convencionais, como o critério de Routh-Hurwitz que esbarra em desigualdades polinomiais de difícil solução. É mostrada, também, a modelagem matemática apresentando o Método do Relé, e que alguns sistemas típicos industriais podem ser caracterizados em três categorias. Por fim, realizá-se um experimento prático, de maneira a consolidar toda a abordagem da dissertação

Devido às necessidades do mundo moderno, os sistemas de automação têm aumentado sua complexidade, fazendo com que sejam desenvolvidas ferramentas de engenharia cada vez mais poderosas para modelá-los e analisá-los. Em sistemas de automação industrial, os Controladores Lógicos Programáveis (CLPs) têm sido amplamente empregados. Os CLPs são geralmente programados por meio da linguagem de programação Ladder, uma das cinco linguagens definidas pela IEC 61131-3. Entretanto, apesar da linguagem de programação Ladder ser flexível e de fácil aprendizado por parte dos usuários, ela apresenta limitações quanto à: detecção de erros no algoritmo de controle do sistema de automação; torna as modificações muito trabalhosas e não possibilita a simulação, análise de performance e análise operacional do sistema. Este trabalho de pesquisa apresenta o desenvolvimento e os testes da metodologia denominada MARPASI - Metodologia de Aplicação das Redes de Petri em Automação de Sistemas Industriais. Como o desenvolvimento da MARPASI foi efetuado baseado na teoria de Redes de Petri, este trabalho também apresenta uma revisão bibliográfica sobre o tema de aplicação de Redes de Petri para a programação de CLP. A MARPASI possibilita analisar um sistema de automação por meio das Redes de Petri e na geração da linguagem de programação Ladder. Portanto, o emprego da MARPASI contribui para a otimização do processo de engenharia de automação e também para a programação mais eficiente de CLPs. / Due to the needs of the modern world, the systems of automation have increased their complexity, forcing the development of ever more powerful engineering tolls to shape and analyse them. In systems of industrial automation, the Programmable Logic Controllers (PLCs), have been widely applies. The PLCs are generally programmed through the use of the Ladder programming language, one of the five languages defined by the IEC 61131-3. Unfortunately, while the Ladder programming language is flexible, and easily learned by its users, it evinces limitations concerning: error detection in the control algorithm of the automation system: makes modifications very laborious and does not allow any simulation, performance analysis and operational systems analysis. This study presents the development and tests of the methodology denominated as MARPASI - Methodology of the application of Petri Net in the automation of industrial systems. Since the development of MARPASI was made based on Petri Net Theory, this study also presents a bibliographic review about the theme of the application of Petri Net for the programming of PLC. MARPASI makes it possible to analyse a system of automation through Petri Net and in the generation of the Ladder programming language. Because of these, the utilization of MARPASI contributes for capacities, the optimization of automation engineering processes, and also for a more efficient programming of the PLCs.

A laminação a frio de aços planos é um processo industrial de grande complexidade, executado num ambiente bastante agressivo e caracterizado por parâmetros incertos, grandes tempos de atraso, múltiplas entradas e múltiplas saídas e por forte interação entre as diversas variáveis (GUO, 2000). As referências necessárias para o controle de tal processo são obtidas por meio de um modelo matemático, responsável pela sua otimização. Dadas as particularidades do processo, o modelo deve ser do tipo adaptativo, ou seja, deve ter seus parâmetros continuamente ajustados com base nos resultados efetivamente obtidos durante a operação. A adaptação do modelo é essencial para a consecução dos requisitos de qualidade do produto e, em conseqüência, para a viabilidade da planta. Este trabalho primeiramente investiga as estratégias tradicionalmente empregadas no desenvolvimento de modelos adaptativos para o processo de laminação de aços, identificando os pontos fortes e deficiências de tais técnicas. Com o objetivo de minimizar essas deficiências e aperfeiçoar o desempenho do modelo, o trabalho propõe em seguida a utilização de ferramentas de Inteligência Computacional (mais especificamente, Redes Neurais Artificiais) para tornar mais eficiente a adaptação de dois importantes parâmetros: o limite de escoamento do material e o coeficiente de atrito entre a tira e os cilindros de trabalho. O texto apresenta os fundamentos teóricos, a metodologia de desenvolvimento e a implantação da solução, bem como os resultados preliminares obtidos com a aplicação da proposta num laminador real. Finalmente, discutem-se esses resultados, apresentam-se as conclusões, sumarizam-se as contribuições da pesquisa e se sugerem futuras linhas de pesquisa para extensão dos resultados. / Flat steel cold rolling is a complex industrial process, carried out into a very harsh environment, characterized by uncertain parameters, large delay times, multiple inputs and outputs, and having a strong interaction between the diverse variables (GUO, 2000). The control system of such a process obtains its setpoints from a mathematical model, responsible for process optimization. Given process peculiarity, the mathematical model must have adaptive features, that is, its parameters need to be continuously adjusted, on the basis of actual operational results. Adaptation is an essential characteristic for achieving product quality requirements and, as a consequence, for the plant feasibility itself. First of all, this work surveys the strategies commonly used in the development of cold rolling adaptive models, pointing out their strengths and deficiencies. Following to this, aiming at the minimization of such deficiencies and by this way improving the performance of the model, this work proposes the application of Computational Intelligence techniques (specifically Artificial Neural Networks) in order to bestow greater effectiveness to the adaptation of two important parameters, namely, the material flow stress and the friction coefficient between rolled strip and rolling cylinders. The text presents the theoretical foundations, the methodology and the implementation of the solution, as so the preliminary results after its application in a real steel mill plant. Finally, the text presents the conclusions, sums up the contributions of the research work and suggests further research to improve the results.

O presente trabalho trata da implementação de um sistema de visão robótica para reconhecimento de formas bidimensionais e transformação do contorno em trajetória para um manipulador industrial. A aquisição da imagem ocorre através de uma câmera CCD sobre a área específica de captura. O uso de uma webcam também é testado. A imagem captada é enviada para o computador com processamento realizado em MATLAB, através de rotina de software de controle, escrita em VB.NET. São analisadas variações de contraste e resolução com objetos distintos, onde o sistema identifica os pixels que delimitam o contorno do objeto utilizando limiarização pelo Método de Otsu e algoritmos morfológicos. A posição de cada pixel é processada, transformada em coordenadas cartesianas e enviada para o controle do manipulador robótico, que efetua a trajetória, simulando um processo industrial. A transmissão ao controle do manipulador é realizada em protocolo especial, via porta paralela de um microcomputador à placa de aquisição de sinais digitais do controle do manipulador. Um processo de simulação em uma célula de manufatura proposto para validar o sistema, identifica objetos distintos que chegam de forma desordenada através de uma esteira transportadora. / This work approaches the implementation of a robotics vision system to recognize 2D forms and contour transformation in trajectory to an industrial manipulator. The image acquisition occur by CCD video camera on the specific capture area. A webcam system is also tested. The captured image is sent to a MATLAB computer processing, through a control software routine, written in VB. NET. The contrast and resolution changes are analyzed with different objects where the system identifies the pixels of object contour using Otsu’s Thresholding Method and morphological algorithms. The position of each pixel is processed, transformed in cartesian coordinates and sent to the robotic manipulator control, which executes the trajectory simulating an industrial process. The transmission to the manipulator control is realized in a special protocol, using the parallel port of computer and a digital signal acquisition card of the manipulator control. A simulation process in a manufacturing cell is aimed to validate the system, identifying distinct objects that coming in a disorientated form from a belt conveyor.

O processo de fabricação de papel é uma tecnologia multidisciplinar, na qual a maior parte do processo de produção consiste em uma série de operações e sistemas correlacionados. Com a evolução tecnológica a fabricação de papel moderna passou a ser uma instalação industrial de grande complexidade, com processos e máquinas contínuas de alta tecnologia e elevada capacidade de produção, levando a maioria das indústrias papeleiras no mundo à necessidade de ser controlada por modernos computadores e sistemas de automação. Esta dissertação apresenta a análise da integração do sistema de automação aplicada ao processo de fabricação de papel, visando a integração da automação desde o chão de fábrica até o sistema supervisório, utilizando o modelo da estrutura hierárquica para automação industrial, e a interface de operação. Inicialmente será apresentado o processo de fabricação de papel, em seguida, os sistemas convencionais de automação, na etapa seguinte a estrutura hierárquica do sistema de automação e finalmente o desenvolvimento da integração da automação, abordando a metodologia utilizada, aplicação e benefícios. Dentre os benefícios obtidos destacam-se a estrutura organizada no sistema de automação, a interface de operação amigável, o controle do processo na sala de controle, a disponibilidade dos dados de chão de fábrica na sala de controle, a redução no tempo de solução de anomalias, estabilidade no processo, redução de insumos e refugos. / Papermaking is a comprehensive technology, in which most of the production process consists of a series of related operations and systems. Throughout the technological evolution, modern papermaking has become an industrial plant of great complexity, with continuous high-tech processes and machines, and high production capacity, which lead most paper mills in the world to the need of being controlled by modern computers and automation systems. This dissertation presents the analysis of integrated automation system applied to papermaking process, in order to integrate the automation system in all levels, from operation to supervisory system, using the model of hierarchical structure for industrial automation and operator interface. Initially the process of papermaking will be presented, then, conventional automation systems. The following section will be the hierarchical structure of the automation system and, finally, the development of the integration of automation, covering the methodology, application and benefits. Among the benefits, the organized structure in the automation system, the friendly operation interface, process control in the control room, the availability of plant floor data in the control room, the reduction in solution time anomalies, process stability, reduction of inputs and waste will be will be highlighted in this work.

Este trabalho descreve os requisitos para definição, implantação, manutenção e melhoria de sistemas de gestão de energia no ambiente industrial com um enfoque sistemático no que se refere às rotinas de melhoria contínua para eficiência energética. Para tanto, propôs-se a estruturação de uma plataforma automatizada visando o monitoramento, verificação e gerenciamento de recursos energéticos compatível com um sistema de gestão de energia normatizado, incluindo os requisitos de uso e consumo de energia, além do monitoramento, documentação, comunicação, melhores práticas de projeto, aquisição de equipamentos, sistemas, processos e recursos humanos envolvidos no desempenho energético. A estratégia de análise do uso da energia proposta neste trabalho baseou-se na metodologia de monitoramento e gestão de índices que consiste em uma abordagem sistemática na utilização de recursos energéticos objetivando alcançar o melhor resultado econômico através da gestão permanente do consumo de energia. Além disso, propôs-se a inclusão dessa metodologia como um procedimento na fase de planejamento da norma ISO50001, a qual estabelece os conceitos para a implantação de sistemas de gestão de energia. Visando integrar as ferramentas associadas a este cenário, esta plataforma contempla o uso de um sistema de supervisão associado a um aplicativo (Soft-PLC) que executa a aplicação de controle do uso de energia em um ambiente industrial com automação distribuída compatível com a norma IEC61131. O projeto do aplicativo de controle do uso de energia foi conduzido adotando-se diferentes linguagens de programação definidas na IEC para executar todos os procedimentos de medição, monitoração e gestão exigidos pelo sistema, incluindo análise comparativa com as “melhores práticas”, uso de tecnologias inovadoras, abordagem de produto e serviço, auditoria energética e conformidade com marcos regulatórios. Os resultados decorrentes da adoção de uma plataforma baseada em automação para o gerenciamento energético incluem elevada flexibilidade, adaptabilidade e usabilidade do sistema. Além disso, um projeto de automação neste cenário de plataforma aberta tende a apresentar menores custos de desenvolvimento e implantação. / This work describes the requirements for the definition, implementation, maintenance and improvement of energy management systems in the industrial environment with a systematic approach concerning continuous improvement routines for energy efficiency. For this purpose, it was proposed the establishment of a framework based on automation to implement monitoring, verification and management of energy resources compatible with a standardized energy management system, including requirements for energy use and consumption, in addition to monitoring, documentation, communication, project best practices, equipment acquisition, systems, processes and human resources involved in energy performance. The strategy of energy use analysis proposed in this work is based on the methodology of monitoring and targeting that consists of a systematic approach in the use of energy resources in order to achieve the best economic result through the permanent management of energy consumption. Furthermore, this work includes that system as a procedure in the planning phase of ISO50001 standard which establishes the concepts for energy management systems implementation. In order to aggregate all tools associated to this scenario, this paper proposes the use of a supervisory tool integrated to a real-time software (Soft-PLC) that runs the control application and a factory floor distributed system automation hardware in an IEC61131 compatible environment. The project of the control application of energy use was conducted using different programming languages defined in IEC to perform all the procedures of measurement, monitoring and management required by the system, including comparative analysis with the "best practices", use of innovative technologies, product and service approach, energy audit and compliance with regulatory milestones. The expected results of adopting an automation-based platform for energetic management include system flexibility, adaptability and usability. Besides, a project of automation in this scenario of open platform tends to introduce lower development and deployment costs.

A competitividade no mercado atual, aliado a uma demanda por qualidade e produtividade dos produtos, tem gerado um aumento significativo no emprego de robôs nos processos produtivos das indústrias. Entretanto, estes equipamentos estão sujeitos a apresentar problemas, mais especificamente, erros de exatidão e repetitividade em suas operações. Nesse contexto, a proposta deste trabalho consiste em aperfeiçoar o entendimento da metodologia existente para avaliação de desempenho de robôs industriais, apresentada pela norma ISO 9283, "Manipulating industrial robots - Performance criteria and related test methods", de modo a viabilizar sua aplicabilidade em testes instrumentalizados para robôs industriais. O dispositivo de avaliação de desempenho elaborado consiste num sistema conhecido como cubo-berço, projetado, construído e aplicado em um robô industrial, pertencente ao laboratório de usinagem e robótica da Universidade Federal do Rio Grande do Sul - UFRGS. As características de exatidão e repetitividade unidirecionais de posicionamento foram mensuradas experimentalmente com base nos critérios constantes na norma específica. Os dados foram obtidos da medição dos erros tridimensionais entre as posições atingidas nos ensaios e as posições programadas no robô de teste, através de um sistema de medição prático e de baixo custo. O dispositivo de medição é constituído por três relógios digitais, montados ortogonalmente em cada eixo do sistema de coordenadas do robô, sob uma estrutura metálica rígida, e conectados a um sistema informatizado, para a coleta e registro dos dados. Os resultados apresentados se mostraram satisfatórios, viabilizando o uso da metodologia apresentada na norma, assim como, do dispositivo de avaliação de desempenho projetado neste estudo. / The competitiveness in the current market, ally to a demand for quality and productivity of the products, has generated a significant increase in the job of robots in the productive processes of the industries. However, these equipments can present some problems, more specifically, errors precision and repeatability errors in operations. The proposal of this paper consists of perfecting the agreement of the existing methodology for evaluation of industrial robots performance, presented for norm ISO 9283, "Manipulating industrial robots - Performance criteria and related test methods", to make possible its applicability in instrumentation tests for industrial robots. The projected device consists of a known system as cube-cradle, projected, constructed and applied in an industrial robot installed on the robotics laboratory of the Rio Grande do Sul Federal University - UFRGS. The precision and repeatability characteristics of positioning had been experimentally measures on the constant criteria basis in the specific norm. The data had been gotten of the three-dimensional measurement errors between the test positions reached and the robot programmed positions, through a practical measurement system and low cost. The measurement device is constituted by three digital gages, assembled in each axle of the robot coordinate basis system, under a metallic structure, and connected to a electronic system, for the data collection and registers. The presented results had shown satisfactory, making possible the use of the methodology presented in the norm, as well, of the projected device of performance evaluation in this study.

A constante evolução dos sistemas produtivos amplia a importância dada aos projetos de instalações industriais, onde os sistemas celulares possuem uma importância especial, pois tem maior tendência de utilização na atualidade pela engenharia industrial. O sistema celular adota conceitos de tecnologia de grupo, permitindo produzir pequenos lotes e ganhar vantagens econômicas semelhantes às obtidas com produção em massa, não perdendo a flexibilidade da produção por processo. Com a evolução da computação, sistemas integrados de apoio à decisão no planejamento e implantação destes projetos foram surgindo e auxiliando para se ter arranjos físicos adequados as novas exigências de produção, mas o custo de aquisição e desenvolvimento de softwares específicos ainda é bastante elevado. Este trabalho apresenta uma solução computacional para o projeto de células através do desenvolvimento de um aplicativo que traduz o resultado de um algoritmo de tecnologia de grupo em opções gráficas de diferentes concepções físicas para o layout da célula, propondo uma função integradora, associando-se uma biblioteca de modelos gráficos de máquinas-ferramenta para representar no chão-de-fábrica diferentes opções de fluxos para o layout. A interface, desenvolvida em Visual Basic, permite tanto o processamento do algoritmo para definição dos grupos de máquinas, baseado em análise de fluxo de produção, quanto a representação no sistema gráfico e interação necessária com banco de dados em padrão Microsoft Access. O modelamento é representado em ambiente gráfico do software Solid Edge, que permite a customização necessária para gerar, de modo automatizado, uma interface para o projeto de layout. Na definição das fronteiras dos agrupamentos, ou seja, na delimitação da célula, utiliza-se uma metodologia que os identifica automaticamente, sendo que na maioria dos trabalhos realizados anteriormente estes não previam rotinas automáticas, ficando geralmente a cargo do usuário esta identificação. O sistema desenvolvido tem aplicação como ferramenta no planejamento e projeto de layout, à medida que lança mão de recursos de uma plataforma gráfica comercial (CAD) para representar de modo automatizado, o resultado de algoritmos que normalmente seriam apenas informações textuais. Este trabalho complementa outras aplicações realizadas anteriormente que limitavam-se às definições de células, sem representá-las graficamente, além de possibilitar a escolha da forma de fluxo a ser assumida pela célula, representando um elemento importante para apoio à decisão a quem esteja projetando ou promovendo melhorias em um ambiente industrial. / The constant evolution of production systems increases the importance given to industrial installation projects where the cellular systems have a special importance because of their strong trend to be used today by industrial engineering. The cellular system adopt concepts of group technology making it possible to produce small batches and gain economic advantages similar to those obtained with mass production without losing flexibility in the manufacturing process. With the evolution of computing, integrated systems that give support to the decision process in planning and implementing these designs arose and helped to have physical arrangements adequate for the new production requirements, but the cost of acquiring and developing specific software is still quite high. This paper presents a computational solution for the design of cells by developing an application that translates the result of a group technology algorithm into graphical options of different physical concepts for cell layout, proposing an integrative function, associating a library of machine-tool graphical models to represent on the plant floor different flow options for the layout. The interface is developed in Visual Basic and allows both the processing of the algorithm for defining groups of machines based on production flow analysis as well as a representation on the graphic system and interaction necessary with the database in a Microsoft Access standard. The modeling is represented in a graphical environment using Solid Edge software, which allows the customization needed to generate, in an automated manner, an interface for the layout design. When defining the boundaries of the clusters or limiting the cell, a methodology is used that automatically identifies them, and in most of the designs done previously they did not plan for automatic routines and often this identification became the responsibility of the user. The system developed has an application as an important tool in planning and designing the layout as it makes use of resources of a commercial graphics platform (CAD) to represent automatically the result of algorithms that would normally be just textual information. This paper complements other applications made before that were limited to the definitions of cells without representing them graphically, and makes it possible to choose the form of flow to be assumed by the cell, representing an important element in the decision making process for those who are designing or promoting improvements in an industrial environment.