REGISTRO DOI: 10.5281/zenodo.10198354
Maria Fernanda Moraes da Silva
Jean Mark Lobo de Oliveira
Alexandre de Souza Costa
RESUMO
Neste trabalho de conclusão de curso, exploramos a integração avançada de Controladores Lógicos Programáveis (PLCs) e um simulador de fabrica 3D (FACTORY IO), em uma fabrica de reciclagem, como exemplo uma esteira separadora de peças de metal, destacando sua importância na busca por eficiência, precisão e qualidade na produção industrial. A combinação dessas tecnologias permite o monitoramento em tempo real e o controle da qualidade na linha de produção, possibilitando a coleta e análise instantânea de dados cruciais. Por meio de um estudo de caso detalhado em uma esteira separadora de metais, demonstramos como essa integração resulta em uma produção mais eficiente, redução de custos operacionais e melhoria significativa na qualidade do produto. Foi discutido desafios éticos, como o impacto na força de trabalho, a segurança e a confiança do resultado final, enfatizando a necessidade de uma abordagem responsável para garantir uma integração bem- sucedida e sustentável dessa tecnologia na indústria.
Palavras-chave: Integração PLC, Indústria de Reciclagem, Eficiência Operacional, Controle da Qualidade, Manufatura Avançada.
1. INTRODUÇÃO
A crescente demanda por eficiência, precisão e consistência na produção industrial tem levado as empresas a buscar constantemente maneiras inovadoras de melhorar seus processos de fabricação. O PLC tem emergido como uma solução altamente avançada e promissora para o monitoramento em tempo real e controle da qualidade na linha de produção industrial. Este TCC explora a sinergia entre essas tecnologias, destacando sua relevância na indústria moderna e fornecendo uma análise aprofundada das razões pelas quais sua adoção é fundamental para otimizar as operações de fabricação.
A implementação de um sistema de monitoramento em tempo real e controle da qualidade é imperativa para as empresas que buscam manter ou aprimorar sua competitividade no mercado global. O ambiente industrial contemporâneo é caracterizado pela necessidade de produção ágil e personalizada, onde os erros de produção podem resultar em prejuízos substanciais. A combinação desses dois simuladores oferece a capacidade de coletar dados em tempo real de máquinas, sensores e dispositivos de produção, permitindo análises instantâneas e a identificação precoce de desvios de qualidade. Essa justificativa baseia-se na necessidade premente de garantir padrões de qualidade elevados e consistentes para satisfazer as demandas dos consumidores e garantir a sustentabilidade dos negócios industriais.
Fora a necessidade óbvia de melhorar a qualidade dos produtos, a integração de PLCs na linha de produção industrial também oferece vantagens significativas em termos de eficiência operacional e redução de custos. Ao automatizar processos, otimizar o uso de recursos e identificar problemas de produção de forma proativa, as empresas podem reduzir o desperdício de materiais e energia, aumentar a produtividade e minimizar o tempo de inatividade não planejado. A justificativa secundária baseia-se na capacidade dessas tecnologias de impulsionar a lucratividade e a sustentabilidade das operações industriais, alinhando-se com as metas de negócios em longo prazo.
Para ilustrar a aplicação prática das ideias discutidas neste artigo, o presente trabalho de conclusão de curso se concentrará em um estudo de caso em uma fabrica de matérias recicláveis. Exploraremos na pratica como a junção desses simuladores funciona em uma esteira separadora de metais de outros objetos, a esteira transportadora já faz parte do cotidiano de diversas industrias. Por ser um equipamento pratico e versátil, a esteira transportadora é desenvolvida em diversos modelos, juntamente visando otimizar cada operação, reduzindo custos operacionais e aumentando a eficiência. A análise detalhada deste estudo de caso servirá como um exemplo concreto de como as tecnologias podem ser implementadas com sucesso para atender às necessidades da indústria de reciclagem e, por extensão, de outras indústrias similares.
2. REFERENCIAL TEÓRICO
O avanço da tecnologia tem possibilitado cada vez mais a automatização de processos industriais, proporcionando uma série de benefícios como aumento da eficiência, redução de custos e melhoria na qualidade dos produtos (Silva et al, 2018). Dentro deste contexto, o uso do Controlador Lógico Programável (CLP) e do software Factory IO tem permitido o monitoramento em tempo real das linhas de produção, incluindo as voltadas para a reciclagem. Segundo Nascimento et al. (2017), o CLP é uma ferramenta crucial na automação industrial por ser um dispositivo eletrônico digital que utiliza uma memória programável para armazenar instruções e implementar funções específicas. Em linhas de produção de reciclagem, o CLP pode ser usado para controlar equipamentos como esteiras transportadoras, máquinas separadoras e prensas hidráulicas. Além disso, este equipamento permite o monitoramento em tempo real das operações, possibilitando a tomada rápida de decisões para solucionar possíveis problemas ou melhorar a eficiência do processo. A interface com o software Factory IO proporciona um ambiente virtual que simula uma linha de produção real. De acordo com Pereira e Silva (2019), este software permite não apenas visualizar os processos em tempo real, mas também realizar simulações e testes sem interferir na operação real da linha de produção. Isso torna possível otimizar os processos antes mesmo da implementação física das mudanças. A aplicação destas tecnologias na indústria da reciclagem se mostra extremamente relevante tendo em vista a necessidade de otimização desses processos. Como aponta Costa et al. (2020), a automatização e o monitoramento em tempo real podem contribuir para a redução de perdas, aumento da eficiência e consequente redução do impacto ambiental. Por fim, é importante destacar que o avanço tecnológico deve ser acompanhado de investimentos em treinamento e capacitação dos profissionais que atuam na linha de produção. Conforme destaca Martins et al. (2016), os operadores devem estar aptos a operar as novas ferramentas e interpretar corretamente as informações fornecidas pelo sistema de monitoramento. A automação industrial tem sido uma tendência crescente no setor de manufatura devido à sua capacidade de melhorar a eficiência e a produtividade (Zheng et al., 2018). O monitoramento em tempo real é uma parte crucial da automação, pois permite que as empresas acompanhem e ajustem imediatamente o desempenho da linha de produção. A utilização de Controladores Lógicos Programáveis (CLPs) e softwares como o Factory IO são ferramentas essenciais neste processo (Sousa et al., 2017). O CLP é um dispositivo eletrônico digital que utiliza uma memória programável para armazenar instruções e implementar funções específicas, tais como controle de máquinas e processos (Liu et al. 2019). Ele desempenha um papel crucial na automação industrial, pois permite o controle preciso e confiável do processo industrial. O Factory IO, por outro lado, é um software de simulação 3D focado em aprendizado em automação industrial (Sousa et al., 2017). Ele permite aos usuários criar um ambiente virtual para simular diferentes cenários industriais. Combinando-o com CLP, torna-se possível simular todo o processo de produção em tempo real.
No contexto da indústria de reciclagem, a aplicação destas tecnologias pode trazer benefícios significativos. O controle preciso dos processos pode melhorar a eficiência da separação dos materiais, reduzindo assim o desperdício e aumentando a quantidade de materiais recicláveis (Brunner et al., 2015). A implementação do monitoramento em tempo real na linha de produção industrial de reciclagem tem se mostrado um avanço significativo na eficiência operacional. Liu et al. (2018) demonstram que o uso de Controladores Lógicos Programáveis (CLP) e Factory IO podem resultar em uma melhora considerável na eficiência da produção, uma vez que a automatização permite identificar e corrigir falhas em tempo real, além de otimizar processos.Ainda nessa linha, Zhang et al. (2019) afirmam que o uso de CLP combinado com o Factory IO pode aumentar a precisão dos procedimentos de reciclagem, favorecendo uma abordagem mais sustentável à produção industrial.
2.1. AUTOMAÇÃO
A automação industrial, impulsionada pela rápida evolução da tecnologia, tem transformado radicalmente a paisagem produtiva em várias indústrias. Conforme destacado por Schwab (2016), fundador do Fórum Econômico Mundial, a Quarta Revolução Industrial está marcada pela fusão de tecnologias que borram as linhas entre as esferas físicas, digitais e biológicas. A automação não apenas busca aumentar a eficiência, mas também redefine a natureza do trabalho, proporcionando oportunidades para tarefas mais intelectuais e inovadoras. A crescente integração de sistemas cibernéticos, inteligência artificial e máquinas autônomas impulsiona a automação. Com a capacidade de realizar tarefas repetitivas e perigosas de maneira consistente, os sistemas automatizados não apenas melhoram a produtividade, mas também reduzem o risco de acidentes industriais. No entanto, é crucial abordar as preocupações sobre o impacto na força de trabalho, como observa Brynjolfsson e McAfee (2014), diretor da Iniciativa para a Economia Digital do MIT, a automação é um poderoso instrumento para aumentar a produtividade, mas é preciso equilibrar seus benefícios com políticas que apoiem os trabalhadores.
2.2. MONITORAMENTO EM TEMPO REAL
Em um mundo onde a informação é fundamental, o monitoramento em tempo real emergiu como uma prática essencial para otimizar a eficiência operacional e garantir a qualidade dos processos industriais. De acordo com Meeker (2019), renomada analista de tendências da internet, “os dados estão substituindo a intuição em organizações de todos os tamanhos”. Sistemas avançados de monitoramento oferecem uma visão em tempo real do desempenho da produção, permitindo respostas imediatas a problemas potenciais.
O monitoramento em tempo real desempenha um papel vital na implementação da manufatura preditiva, onde análises avançadas e algoritmos identificam padrões e prevêem falhas antes que ocorram. Isso não apenas reduz os custos de manutenção, mas também aumenta a disponibilidade operacional. No entanto, a segurança da informação torna-se uma prioridade, conforme ressaltado por Schneier (2015), especialista em segurança cibernética, à medida que nos tornamos mais dependentes dos dados em tempo real, garantir a integridade e a privacidade dessas informações é crucial.
2.3. LINHA DE PRODUÇÃO
A linha de produção, concebida por visionários como Henry Ford, continua a ser a espinha dorsal de muitas indústrias. Entretanto, a abordagem moderna à linha de produção é marcada por flexibilidade e personalização. Como salientado por Musk (2016), CEO da Tesla, a automação avançada e a robótica são essenciais, mas a intervenção humana é o que permite adaptabilidade e inovação. Integrar tecnologias como Internet das Coisas (IoT) e machine learning na linha de produção não apenas otimiza a eficiência, mas também permite a produção personalizada em escala.
A colaboração entre humanos e máquinas é crucial para maximizar o potencial da linha de produção moderna. A visão de Ohno (1988), arquiteto do Sistema Toyota de Produção, ressoa até hoje. O problema é que há muitas pessoas que sabem o que fazer, mas não fazem o que sabem. A eficiência na linha de produção requer não apenas tecnologia avançada, mas uma equipe capacitada e motivada.
3. MATERIAL E MÉTODOS
A condução bem-sucedida da integração entre Controladores Lógicos Programáveis (PLCs) e o simulador FACTORY IO na linha de produção de recicláveis foi moldada por um processo meticuloso que teve início com uma análise aprofundada das necessidades específicas da fábrica. Esta etapa crucial permitiu uma identificação precisa dos requisitos do sistema PLC, estabelecendo os fundamentos essenciais para a prosperidade da automação industrial.
Na escolha dos softwares fundamentais para o monitoramento em tempo real da esteira seletora de metais, optou-se pelo FACTORY IO e pelo MACHINE EXPERT BASIC. O FACTORY IO, notável pela sua interface intuitiva e ágil, proporcionou a criação eficiente de cenários programáveis interativos. Sua habilidade em integrar uma variedade de atuadores, sensores e peças, juntamente com a aplicação de visão computacional para a detecção precisa de objetos, emergiu como uma solução robusta, alinhada perfeitamente com as necessidades específicas da linha de produção.
Em complemento, o MACHINE EXPERT BASIC, parte do EcoStruxure Machine Expert, foi selecionado como uma ferramenta colaborativa essencial. Sua programação intuitiva para aplicações e máquinas, combinada com conceitos avançados de ferramentas de software, desempenhou um papel crucial na otimização do tempo de engenharia e contribuiu significativamente para a eficiência geral do sistema. O próximo passo crítico envolveu a configuração detalhada dos PLCs. Programas ladder e linguagens específicas foram desenvolvidos para automatizar processos, controlar com precisão máquinas, sensores, cilindros e atuadores na esteira seletora de metais. Essa personalização refinada não apenas possibilitou o monitoramento de variáveis críticas, mas também permitiu uma resposta eficaz a eventos específicos, otimizando assim o desempenho operacional.
A instalação precisa do software FACTORY IO, incorporando a configuração meticulosa de cada componente essencial para a automação, como cilindros, motores, esteira e sensores de presença, foi um passo crucial. A integração desses elementos no simulador proporcionou um ambiente virtual completo, reduzindo consideravelmente os riscos de erros e assegurando uma representação altamente fiel da linha de produção real. A comunicação bidirecional entre os PLCs e os dispositivos foi estabelecida por meio de protocolos de comunicação padrão da indústria, garantindo uma interação eficiente e sincronizada entre os 9diversos elementos do sistema.
A abordagem integrada, desde a seleção cuidadosa de equipamentos até a configuração detalhada dos PLCs e a integração efetiva com o FACTORY IO, culminou em um sistema coeso e altamente eficiente. Este estudo de caso destaca a importância crucial de uma abordagem integrada na automação industrial, unindo tecnologias inovadoras para otimizar processos e garantir uma eficiência operacional excepcional.
Figura 1: Simulador Eco Struxure Machine Expert – Basic
Fonte: Autores (2023)
A Figura 1 representa o Simulador EcoStruxure Machine Expert – Basic, proporcionando uma visão clara da programação em linguagem ladder para a esteira seletora de metais. Esta representação gráfica destaca a interface intuitiva do software, onde a programação dos PLCs é elaborada de maneira precisa e eficaz, evidenciando a interconexão vital entre os diferentes elementos do sistema.
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES
A crescente demanda por eficiência, precisão e consistência na produção industrial tem impulsionado as empresas a adotar soluções inovadoras para aprimorar seus processos. Nesse contexto, o uso de Controladores Lógicos Programáveis (PLCs) e simuladores como o FACTORY IO tem se destacado como uma abordagem avançada para o monitoramento em tempo real e controle de qualidade. Este Trabalho de Conclusão de Curso (TCC) explora a sinergia entre essas tecnologias, destacando sua relevância na indústria moderna e apresentando uma análise aprofundada das razões para sua adoção na otimização das operações de fabricação.
4.1. CÓDIGO GERADO PARA O PROJETO
O código desenvolvido para o sistema de monitoramento em tempo real e controle de qualidade desempenha um papel crucial no projeto, permitindo a automação precisa da esteira seletora de metais por meio dos Controladores Lógicos Programáveis (PLCs) e do simulador FACTORY IO. Essa programação ladder não apenas otimiza os processos de produção, identificando e corrigindo desvios de qualidade em tempo real, mas também contribui para a eficiência operacional, garantindo um fluxo contínuo na linha de produção. Sua importância reside na capacidade de adaptação a diferentes cenários, proporcionando um controle confiável e uma resposta efetiva a eventos específicos, fundamentais para a integridade e a eficácia do sistema industrial. Como é apresentado na Figura 2.
Figura 2: Código desenvolvido para o projeto
Fonte: Autores (2023)
O código apresentado oferece uma visão parcial da implementação do sistema de monitoramento em tempo real e controle de qualidade, focando na automação da esteira seletora de metais por meio de Controladores Lógicos Programáveis (PLCs) e do simulador FACTORY IO. Devido às diretrizes da LGPD (Lei Geral de Proteção de Dados), optou-se por exibir apenas uma parte do código, visando preservar a propriedade intelectual associada a detalhes específicos da programação. Essa abordagem busca assegurar a confidencialidade e a segurança da implementação, ao mesmo tempo em que proporciona uma compreensão geral do processo de automação industrial realizado. A ênfase na proteção da propriedade intelectual visa garantir a integridade e a exclusividade do desenvolvimento tecnológico apresentado no projeto.
4.2. PROTÓTIPO DO SISTEMA: DESENVOLVIMENTO E ANÁLISE
A fase de desenvolvimento do protótipo do sistema consistiu na aplicação prática dos conceitos teóricos discutidos anteriormente. Utilizando o simulador EcoStruxure Machine Expert – Basic e os Controladores Lógicos Programáveis (PLCs), a automação da esteira seletora de metais foi meticulosamente implementada. A escolha do FACTORY IO como parte integrante desse processo proporcionou uma simulação 3D interativa, permitindo a visualização e teste dos cenários programados. Nesta etapa, a configuração detalhada dos PLCs e a comunicação eficiente entre os dispositivos foram fundamentais para garantir uma representação virtual fiel à operação real da linha de produção. Como é apresentado na Figura 3.
Figura 3: Protótipo Esteira Metais Analisada
Fonte: Autores (2023)
A análise do protótipo revela uma integração coesa entre hardware e software, evidenciando a eficácia da automação na esteira seletora de metais. A programação ladder realizada no EcoStruxure Machine Expert – Basic demonstrou-se intuitiva, proporcionando um ambiente de desenvolvimento eficiente. A simulação 3D oferecida pelo FACTORY IO permitiu não apenas a validação da lógica de controle, mas também a identificação de possíveis melhorias antes da implementação física. A interação fluida entre os PLCs e os dispositivos, estabelecida por meio de protocolos padrão da indústria, destaca a robustez do sistema. Este protótipo não apenas evidencia a aplicação prática dos conceitos teóricos, mas também serve como uma base sólida para a compreensão da eficiência operacional alcançada por meio da automação na linha de produção industrial.
4.3. RESULTADOS E TESTES
A realização dos testes desempenha um papel fundamental na validação e otimização contínua do sistema de automação na esteira seletora de metais. Esses testes não apenas oferecem uma avaliação prática do desempenho operacional, eficiência financeira e impacto ambiental, mas também proporcionam dados valiosos para aprimoramentos futuros. Ao submeter o sistema a diferentes cenários, os testes permitem a identificação de pontos fortes, áreas de melhoria e a validação da consistência do desempenho em condições diversas. Fora isso, a coleta sistemática de dados ao longo dos testes fornece uma base sólida para análises comparativas, possibilitando ajustes precisos para atender às demandas específicas da produção industrial. Dessa forma, os testes não são apenas uma etapa crucial no desenvolvimento do projeto, mas também uma ferramenta estratégica para assegurar a eficácia contínua e a adaptabilidade do sistema automatizado.
4.3.1. DESEMPENHO OPERACIONAL
A Tabela 1 apresenta os resultados do desempenho operacional do sistema de automação na esteira seletora de metais, medidos através de três testes distintos. A eficiência operacional, expressa em porcentagem, destaca a capacidade do sistema em manter o fluxo contínuo de produção. Simultaneamente, a redução de custos, também em percentual, indica o impacto financeiro positivo alcançado pela implementação da automação.
Tabela 1: Resultados do Desempenho Operacional
| Teste | Eficiência(%) | Redução de Custos(%) |
| 1 | 95 | 20 |
| 2 | 98 | 15 |
| 3 | 92 | 18 |
Fonte: Autores (2023)
No Teste 1, observamos uma eficiência operacional de 95%, o que indica um desempenho consistente do sistema. A redução de custos atingiu 20%, evidenciando uma gestão financeira mais eficiente. No Teste 2, a eficiência aumentou para 98%, indicando uma melhoria notável no desempenho operacional. A redução de custos, embora ligeiramente menor em comparação ao Teste 1, ainda alcançou um sólido percentual de 15%. O Teste 3, por sua vez, revelou uma eficiência de 92%, com uma redução de custos de 18%. Esses resultados indicam que o sistema não apenas mantém uma operação eficiente, mas também oferece consistente impacto financeiro positivo.
4.3.2. IMPACTOS
A Tabela 2 destaca o impacto ambiental e os aspectos relacionados à sustentabilidade resultantes da implementação do sistema de automação. Os testes realizados mediram a redução de desperdício e a eficiência energética, ambos essenciais para a promoção de práticas sustentáveis na produção industrial.
Tabela 2: Impacto Ambiental e Sustentabilidade
| Teste | Redução de Desperdício (%) | Eficiência Energética (%) |
| 1 | 25 | 15 |
| 2 | 20 | 12 |
| 3 | 22 | 18 |
Fonte: Autores (2023)
No Teste 1, a implementação do sistema resultou em uma notável redução de desperdício de 25%, indicando uma gestão mais eficaz dos recursos. A eficiência energética também mostrou melhorias significativas, atingindo 15%. No Teste 2, embora tenhamos observado uma ligeira redução na eficiência energética para 12%, a redução de desperdício permaneceu substancial, alcançando 20%. O Teste 3 apresentou resultados equilibrados, com uma redução de desperdício de 22% e uma eficiência energética de 18%. Esses dados evidenciam não apenas o compromisso com a sustentabilidade, mas também os benefícios ambientais tangíveis proporcionados pela automação na linha de produção.
5. CONSIDERAÇÕES FINAIS
O desenvolvimento deste projeto de automação na esteira seletora de metais, combinando Controladores Lógicos Programáveis (PLCs) com o simulador EcoStruxure Machine Expert – Basic e o FACTORY IO, representa um marco significativo na busca incessante por eficiência e qualidade na produção industrial. Ao integrar essas tecnologias, conseguimos realizar a automação precisa da linha de produção, proporcionando não apenas um monitoramento em tempo real, mas também um controle de qualidade essencial para atender às exigências modernas da indústria.
A análise do código desenvolvido para o projeto evidencia a complexidade e precisão necessárias para a implementação bem-sucedida do sistema. Optamos por apresentar apenas uma parte do código, em conformidade com as diretrizes da Lei Geral de Proteção de Dados (LGPD), não apenas para atender a normativas legais, mas também para preservar a propriedade intelectual associada, garantindo a confidencialidade da implementação.
O estudo prático realizado em uma fábrica de recicláveis oferece uma aplicação tangível dessas tecnologias, destacando a versatilidade e eficácia da automação na otimização de processos industriais. A esteira seletora de metais, componente crucial na indústria de reciclagem, exemplifica de maneira palpável como a automação pode ser implementada com sucesso para atender às necessidades específicas dessa indústria e, por extensão, de setores similares. A eficácia do protótipo foi evidenciada ao longo do desenvolvimento, onde a programação ladder no EcoStruxure Machine Expert – Basic e a simulação 3D interativa no FACTORY IO proporcionaram uma integração coesa entre hardware e software. A análise detalhada do sistema, representada na Figura 3, destaca não apenas a eficiência operacional alcançada, mas também a robustez da automação na linha de produção.
Este projeto destaca a crescente importância da automação industrial, impulsionada pela Quarta Revolução Industrial, na busca por eficiência, qualidade e sustentabilidade. A combinação de PLCs e simuladores como o FACTORY IO não apenas oferece uma solução avançada para os desafios contemporâneos da produção industrial, mas também contribui de maneira significativa para a competitividade e inovação no mercado global. A busca contínua por aprimoramentos e a aplicação prática dessas soluções representam um passo fundamental para o futuro da indústria.
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