REGISTRO DOI: 10.5281/zenodo.10095938
Vitor Albarado da Silva1;
Amon Naasson de Jesus da Silva Almeida2;
Pablo Augusto da Paz Elleres3
RESUMO
Este trabalho tem como objetivo desenvolver um sistema de gerenciamento e controle de qualidade em processos industriais, utilizando sensores de umidade e temperatura. Utilizando conceitos de Internet das coisas, indústria 4.0, microcontroladores e sob uma metodologia que inclui a coleta de dados, parametrização das conformidades, desenvolvimento do sistema de medição e tratamento dos dados até o envio ao servidor, que por sua vez retorna para um painel todas as informações de equipamentos e medições coletadas. Um processo que outrora era realizado de forma manual com um operador realizando a medição localmente, será automatizado, rápido, preciso e confiável. A ideia é além de monitorar, mas garantir que esses processos estejam em conformidade com os padrões, normas e políticas da indústria, bem como possibilitar a precoce identificação de riscos e inconformidades que eventualmente não tratadas se tornariam falhas, que por sua vez gerariam aumento de retrabalho e custos. Para tanto, utilizou-se 03 printers indicando as temperaturas e umidade padrão, sendo respectivamente: 23º C e 60% de umidade, e num cenário de erro de resfriamento (simulado) incidindo em 99º C e 27% de umidade, validando o funcionamento do sistema proposto.
Palavras-Chaves: Gerenciamento; Microcontroladores; Automação; Controle.
1 INTRODUÇÃO
No atual contexto da indústria nacional e mundial, o fator determinante que define o crescimento e longevidade de determinada indústria é a competitividade. Uma série de fatores são considerados para definir o grau de competitividade, como: a mão de obra, a tributação e o ambiente de negócios, a infraestrutura, a logística e a qualidade na entrega, que tem ganhado um papel de destaque na relação e na maneira como determinado setor é visto pelos seus clientes e competidores. Nesse sentido, é importante estabelecer políticas e ferramentas que promovam a qualidade na entrega do produto, não somente como um diferencial competitivo, mas também como a base que sustenta o negócio.
Dessa forma, implementar políticas de qualidade traz ganhos que envolvem alta conformação às especificações, baixas taxas de defeitos, redução de custos com retrabalhos, scraps, aumento da produtividade e impacta positivamente a sua própria competitividade. Portanto, deve-se buscar e adotar novas tecnologias e modelos operacionais que auxiliem na obtenção desses resultados, e a partir desse panorama geral surgem novos conceitos como a indústria 4.0.
A indústria 4.0 é um novo modelo operacional, caracterizado pelo uso de tecnologias como Internet das coisas, inteligência artificial, realidade aumentada e visão computacional nos processos produtivos, buscando otimizar, flexibilizar e impulsionar a cadeia produtiva da indústria.
Adequar-se às novas tendências e tecnologias do mercado é obrigatório. Pensando nisso, este projeto busca contribuir desenvolvendo um sistema que utiliza sensores de temperatura e umidade (DHT22) em conjunto com microcontroladores (ESP8266) para fazer a coleta e análise de dados em tempo real nos processos críticos, dados esses exibidos em dashboards e alertas permitindo o monitorando e proporcionando eficiência operacional na tomada de decisão.
Com isso, o objetivo desse artigo é garantir que esses processos atendam aos requisitos especificados de qualidade, bem como estejam em conformidade com os processos e a consonância dos produtos durante toda cadeia produtiva. A utilização dessa ferramenta permite acompanhar o desempenho e localizar sinais de falha ou riscos no processo, para que medidas de prevenção sejam tomadas antes que as falhas ocorram e comprometam o fluxo de produção, gerando assim redução de custos com manutenção, índice de defeitos, perda produtiva e melhoria contínua.
Dessa forma, a indústria estará mais posicionada em termos estratégicos e competitivos, garantindo maior eficiência, qualidade, inovação e capacidade de adaptação às novas demandas do mercado para entrega do seu produto ou serviço.
2 REFERENCIAL TEÓRICO
Durante a pesquisa foram utilizados alguns conceitos que alicerçam a temática do projeto, como automação, qualidade, controle de processos e indústria 4.0, este tópico apresenta de forma sucinta tais conceitos.
2.1 AUTOMAÇÃO
O conceito de automação, segundo Rosário (2009), é a utilização de qualquer dispositivo mecânico ou eletroeletrônico para controlar máquinas e processos. Uma definição ainda mais abrangente seria afirmar que a automação pode ser definida como a integração de conhecimentos, substituindo a observação, os esforços e as decisões humanas por dispositivos (mecânicos, elétricos, eletrônicos) e softwares concebidos por meio de especificações funcionais, tecnológicas e com uso de metodologias. Nesse contexto, o motor da humanidade é a criatividade, desde os primórdios da humanidade o ser humano inventa e busca formas de melhorar suas criações, automatizando tarefas e reduzindo a complexidade das atividades.
Desde sempre o ser humano utiliza sua criatividade para modificar o ambiente a sua volta, facilitar e melhorar sua condição de vida. A automação segue esse princípio e ainda o leva além. Com o crescimento da sociedade moderna e o aumento da competitividade de mercado, as pessoas têm de encontrar meios alternativos de realizar suas tarefas diárias, razão pela qual se pode dizer que a automação moderna tem como objetivo prover o conforto para seus usuários (QUESADA, 2017, p.12).
A automação, segundo Quesada (2017, p. 14), “[…] visa o conforto dos usuários, a agilidade de comunicação entre os diversos setores e níveis da produção, maior controle e supervisão dos processos industriais […]”.
A aplicação da automação em processos industriais tem ganhado cada vez mais destaque em todos os setores da indústria. Sua implementação na indústria muitas vezes visa garantir segurança aos processos.
Conforme Quesada (2017. P.14) “Uma das funções mais exploradas da automação é a segurança, tanto para o usuário quanto para as demais pessoas que estejam envolvidas no processo ou que estejam de visita no ambiente fabril.”
Outro setor onde a automação é utilizada fortemente para garantir a segurança é o de gerenciamento e controle da qualidade nos processos.
2.2 GERENCIAMENTO E CONTROLE DA QUALIDADE NOS PROCESSOS
Como citado anteriormente, qualidade é garantia da conformidade do produto e satisfação do cliente final, segundo Sousa (2022), “é possível compreender que qualidade se relaciona com atender necessidades, expectativas ou desejos das pessoas, em especial, dos clientes de uma determinada empresa”.
Ainda segundo Sousa (2022) “essas necessidades, expectativas e esses desejos são individuais e específicos de cada cliente, ou seja, para um serviço ou produto atender determinado consumidor, esse bem ou serviço precisa ser adequado ou apropriado para suas necessidades ou expectativas”.
Dessa forma, é de suma importância implementar mecanismos que atestem a qualidade do processo produtivo e, consequentemente, dos produtos para se manter competitivo no mercado.
O gerenciamento de processos vem com a proposta de manter a competitividade das empresas por intermédio da melhoria contínua e da refuncionalização da estrutura organizacional, buscando a qualidade dos produtos e serviços, agregando-lhes maior valor para atender às necessidades dos clientes. (MACHADO, 2016, P.16).
Conforme Mariani (2005, p.7), “para gerenciar os processos e, sobretudo, tomar decisões com maior precisão, se faz necessário trabalhar com base em fatos e dados, ou seja, informações geradas no processo buscando e interpretando corretamente as informações disponíveis como forma de eliminar o empirismo.”
Portanto, se faz necessário o uso de novas tecnologias e ferramentas que auxiliem na tomada de decisão, fazendo “a coleta, o processamento e a disposição clara das informações disponíveis, ou dados relacionados aos processos gerenciados dentro das organizações.” (Mariani, 2005).
2.3 INDÚSTRIA 4.0
Atualmente a indústria passa por um processo de transformação ainda mais profundo, onde toda a sua estrutura fabril é modificada e reorganizada com foco exclusivo em produtividade. Esse processo é a chamada quarta revolução industrial ou indústria 4.0. Trata-se da “integração de tecnologias de informação e comunicação que permitem alcançar novos patamares de produtividade, flexibilidade, qualidade e gerenciamento, possibilitando a geração de novas estratégias e modelos de negócio para a indústria” (Sacomano, 2018).
A indústria 4.0 se baseia na utilização de um conjunto de tecnologias usadas para vários fins que juntas compõem esse modelo de indústria, de acordo com Sacomano (2018) são elas “Sistemas ciber físicos (CPS), internet das coisas (IoT), internet dos serviços (IoS), descentralização dos processos de manufatura”. A ideia central é a união dessas tecnologias trabalhando em sincronia para modernizar a estrutura e entrega dos produtos.
Dentro da estrutura modular das fabricas inteligentes (smart factories) da Industria 4.0, sistemas ciber físicos (cyber-physical systems – CPS) monitoram processos físicos, criando uma cópia virtual do mundo físico, podendo tomar decisões descentralizadas. Por meio da internet das coisas, CPS comunicam-se e cooperam uns com os outros e com humanos em tempo real. Via internet dos serviços, serviços internos e externos à organização são oferecidos e utilizados pelos participantes da cadeia de valor. (SACOMANO, 2018, p. 33)
2.4 IOT
“A internet das coisas (Internet of things – IoT) consiste na conexão entre rede de objetos físicos, ambientes, veículos e máquinas por meio de dispositivos eletrônicos, permitindo a coleta e a troca de informações” (ALMEIDA, 2019).
Essa conexão entre os dispositivos é crucial, pois permite a coleta e monitoramento das variáveis importantes ao processo, fazendo a telemetria dessas informações e tomando decisões com base nos dados, como destacado por Almeida (2019) “O acompanhamento e a análise dos dados da produção em tempo real garantem maior assertividade na tomada de decisões, o que permitirá que o processo produtivo atenda às necessidades do cliente final.” Além disso, ter esses dados em tempo real permite realizar ajustes, correções de erros e inspecionar a integridade do processo in time afim de garantir a qualidade do produto.
O uso de IoT auxilia na inspeção do processo, qualidade do produto e tem se mostrado determinante no gerenciamento e controle de defeitos da indústria 4.0. Suas aplicações são infindáveis, um bom exemplo dessa aplicação é ilustrado por Almeida (2019), “Sensores espalhados em pontos estratégicos das máquinas permitem ao fabricante identificar baixos níveis de óleo, altas temperaturas, excesso de desperdício de materiais, vibrações e ruídos incomuns, queda dos níveis de produção ou padrões de tempo de execução que sugerem baixo rendimento”.
A IoT abre oportunidades para criar-se sistemas sofisticados de monitoramento e telemetria, que indiscutivelmente são essenciais nesse novo arranjo e cenário industrial.
3 MATERIAIS E MÉTODOS
Durante o desenvolvimento do projeto foram utilizadas uma gama de tecnologias e ferramentas que auxiliaram na obtenção do resultado. Este tópico apresenta as ferramentas, tecnologias e linguagens utilizadas. Para elucidar o tipo de pesquisa, inicialmente fora desenvolvida uma pesquisa bibliográfica e documental, Quanto aos procedimentos técnicos, utilizou-se os recursos de busca como: o Google Acadêmico e a biblioteca virtual SciELO, os quais permitiram realizar uma pesquisa bibliográfica e documental, com base em: artigos de periódicos (eletrônicos) e livros, que como destaca PRODANOV (2013, p. 36), tais procedimentos são aqueles a serem seguidos pelo pesquisador dentro de determinada área de conhecimento. O (s) método (s) escolhido (s) determinará (ão) os procedimentos a serem utilizados, tanto na coleta de dados e informações quanto na análise.
Também fora realizada uma pesquisa quantitativa, aferindo os referidos percentuais de temperaturas em três printers com vistas a validar o funcionamento do dispositivo proposto (com a temperatura e umidade indicadas na tela do sistema). Que conforme conforme Gil (2008, p. 17) apud PRODANOV (2013, p. 38), “este método se fundamenta na aplicação da teoria estatística da probabilidade e constitui importante auxílio para a investigação em ciências sociais”. Em relação aos materiais utilizados, à seguir serão explicados a finalidade e utilização de cada um no projeto proposto.
3.1 Arduino IDE
“O Arduino IDE é “um software que oferece uma série de recursos para programar placas Arduino, facilitando a gravação de códigos no microcontrolador da placa.” (Barreto, 2023). Foi utilizado para criação dos scripts de execução do microcontrolador, escolhido por sua interface que facilita o uso de bibliotecas e recursos disponíveis para vários tipos de dispositivo.
3.2 C++
“O C++ é uma linguagem de programação de nível médio, baseada na linguagem C. “O desenvolvimento da linguagem começou na década de 80, por Bjarne Stroustrup.” (XP Educação, 2022). Escolhida por ser ideal para criar scripts que são executados no microcontrolador, neste projeto foi utilizada para programar os scripts e programação dos sensores, bem como o envio de dados para um servidor MQTT.
3.3 MQTT
“MQTT é um “protocolo de mensagens que foi criado com o objetivo de oferecer um baixo consumo de rede, banda e dos demais recursos de software” (Santos, 2022). Este protocolo foi utilizado para enviar os dados obtidos pelo sensor para um servidor broker online.
3.4 ESP8266
“Os ESP8266’s (figura 1) são microcontroladores que já possuem tudo que é necessário para se conectar à Internet. Ou seja, eles são como um Arduino com integração Wi-Fi.” (Morais, 2017). Neste projeto foi utilizado para programar os sensores de temperatura e umidade, fazer a conexão com Wi-Fi e enviar os dados do sensor para o servidor MQTT.
3.5 Sensor DHT22
O DHT22 é “um dispositivo de baixo custo, usado para medição de umidade e temperatura do ar. O sensor de umidade é capacitivo e o sensor de temperatura é um termistor NTC, isto é um resistor sensível a variações de temperatura” (Eletrogate, 2019).
A sua construção que garante maior precisão na medição dos dados é um fator determinante para o uso neste projeto. Para tanto, fora utilizado um sensor similar, ou seja, DHT22, o qual será explicitado na figura 2 a seguir.
3.6 VueJs
“O Vue.js é um framework Javascript open source “bastante conhecido pela sua reatividade. Usado para construir SPA (Single Page Applications) e interfaces de usuário, tornou-se uma excelente opção, também, pelo fato de ter componentes reutilizáveis e proporcionar o desenvolvimento ágil” (Pinheiro, 2021). Neste projeto foi utilizado para criação dos dashboards e interfaces de usuário.
3.7 Protótipo
O projeto em destaque consiste no uso de um dispositivo microcontrolador ESP8266 e um sensor de temperatura e umidade DHT22, conforme figura 3 abaixo:
O sensor DHT22 pode medir temperatura de -40 a 80º Celsius e umidade de 0 a 100%, com taxa de precisão de 0,1 e 0,1% para temperatura e umidade, respectivamente. O modulo do sensor é composto por um sensor capacitivo e um termistor, responsáveis por capturar a temperatura, a umidade do ambiente e produzir o sinal de saída que trafega do pino 2 (Pino de saída) e recebido pelo microcontrolador em uma de suas entradas de dados.
O microcontrolador trata-se de um ESP-12E (Modulo WiFi) integrado com modulo WiFi ESP8266, este tipo de controlador é ideal para trabalhos de IoT, uma vez que o modulo WiFi integrado facilita a comunicação do equipamento com outros dispositivos na rede ou servidores externos, nele os dados obtidos com o sensor são recebidos e manipulados. Portanto, além de receber os dados este é responsável por armazenar código que gere o funcionamento do projeto, controlando o sensor, recebendo seus dados e enviando-os para um servidor. O Esquema do projeto pode ser visto em detalhes na figura 4 a seguir.
O sensor é alimentado pela porta 3V3 do controlador com uma tensão de 3,3v submetida a resistência de 10K ohm antes de chegar à porta 1. Em seguida, o pino de dados 2 é conectado à porta de dados D5 do controlador, é através dela que os dados trafegam.
Pôr fim, a porta 4 do sensor estabelece conexão com a saída terra do controlador, fechando o circuito.
Para elucidar o funcionamento do dispositivo proposto neste artigo, a figura 5 destaca o código que proporciona a configuração tanto do microcontrolador, quando dos sensores utilizados no sistema em questão.
O código em destaque na figura 5 (acima) é responsável por configurar o microcontrolador e os sensores, bem como, coletar os dados e enviar. Está dividido basicamente em 6 funções, o Setup inicia o script, prepara variáveis e inicia a função conectaWifi, que por sua vez, realiza a conexão com a rede WiFi disponível e ao final realiza a chamada da função connectMQTT armazenando seu retorno na variável mqttStatus, a função connectMQTT realiza a conexão com o servidor broker na nuvem, caso a conexão seja bem-sucedida, seu retorno será true.
A função FazerMedicoes, controla os sensores e realiza as medições armazenando os resultados em variáveis de temperatura e umidade, além de indicar caso haja erro na medição. Após isso, chama a função publicarDados que é executada caso o status da conexão do broker seja true, assim enviando um objeto com informações para o broker e finalizando o script.
Após coletados e enviados para um servidor, os dados são disponibilizados para uma aplicação web que exibe as informações. O sistema é dividido em duas telas principais a seguir:
A tela inicial (figura 6) apresenta o status dos sensores, se há dispositivo offline, quantidade de dispositivos ativos e dispositivos em alerta. Logo abaixo é exibida uma lista ocorrências com algumas informações dos equipamentos.
A segunda tela (figura 7) é um dashboard que agrupa as áreas monitoradas da empresa junto com os processos críticos, os dados obtidos e o status dos dispositivos. Na imagem tem-se o exemplo, de dispositivos na área de SMT de uma empresa inseridos em máquinas Printer. O dispositivo monitora a temperatura e umidade na máquina, que trabalha em condições ideais definidas pelos técnicos responsáveis, uma vez que os dados obtidos estejam fora do parâmetro definido, a imagem é exibida nas cores que indicam o status, verde para conforme e vermelho para não conforme.
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES
No primeiro cenário foram usadas como exemplo, máquinas impressoras de pasta de solda e adesivo para linha SMD (PRINTER), comumente usadas nas áreas de SMT da indústria. Este equipamento trabalha com uma condição ideal de operação para garantir o bom funcionamento e qualidade do produto, condição descrita na tabela 1.
Essa condição é definida pelo técnico responsável juntamente com o time de qualidade, que para este exemplo foi definida em no máximo 40º Celsius e 80% de umidade para o trabalho adequado. Qualquer valor fora desses parâmetros deve ser identificado pelo sensor e alertado no painel. A figura 8 abaixo demonstra no painel o status de conformidade da máquina de acordo com o padrão definido:
No segundo cenário (figura 9) foi simulado um erro de resfriamento do equipamento, fazendo assim que a temperatura interna elevasse consideravelmente. Como pode ser visto abaixo, o sensor detecta e alarma novamente o status do equipamento:
Com este estudo espera-se garantir que esses processos atendam aos requisitos especificados de qualidade, bem como estejam em conformidade com os processos e em consonância dos produtos durante toda cadeia produtiva. A utilização dessa ferramenta permite acompanhar o desempenho e localizar sinais de falha ou riscos no processo, para que medidas de prevenção sejam tomadas antes que as falhas ocorram e comprometam o fluxo de produção. Portanto, gerando assim redução de custos com manutenção, índice de defeitos, perda produtiva e melhoria contínua.
5 CONSIDERAÇÕES FINAIS
Nеstе artigo, foi desenvolvido um sistеma dе gеrеnciamеnto е controlе da qualidadе еm procеssos industriais, utilizando sеnsorеs dе umidadе е tеmpеratura, bеm como concеitos da Intеrnеt das Coisas (IoT) е a abordagеm da Indústria 4.0. O objеtivo principal еra automatizar, agilizar, tornar mais prеciso е confiávеl um procеsso quе antеriormеntе еra rеalizado manualmеntе por opеradorеs.
Os rеsultados obtidos com a implеmеntação dеstе sistеma foram significativos (com resultados de temperatura e umidade detectados numa situação padrão e em outra de falha). Primеiramеntе, a colеta dе dados еm tеmpo rеal pеrmitiu uma monitorização contínua dos procеssos críticos, garantindo quе еstivеssеm еm conformidadе com os padrõеs е normas da indústria. Isso rеsultou еm uma rеdução substancial dе еrros е dеfеitos nos produtos, o quе, por sua vеz, contribuiu para a diminuição dos custos com rеtrabalho е dеspеrdício dе matеriais.
Além disso, o sistеma proporcionou uma idеntificação prеcocе dе riscos е inconformidadеs nos procеssos. Isso é crucial, pois pеrmitiu quе mеdidas dе prеvеnção fossеm tomadas antеs quе as falhas ocorrеssеm е impactassеm nеgativamеntе o fluxo dе produção. Em outras palavras, o sistеma não apеnas monitorou a qualidadе, mas também contribuiu para a sua mеlhoria contínua.
A automação dеssе procеsso também trouxе еficiência opеracional na tomada dе dеcisõеs. Os dados colеtados pеlos sеnsorеs foram transmitidos para um sеrvidor, ondе foram procеssados е disponibilizados еm dashboards е alеrtas еm tеmpo rеal. Isso pеrmitiu quе os gеstorеs е técnicos tomassеm dеcisõеs informadas dе forma rápida, com basе еm informaçõеs atualizadas sobrе o status dos еquipamеntos е das mеdiçõеs.
A utilização de sеnsorеs dе tеmpеratura е umidadе DHT22, associados ao microcontrolador ESP8266, mostrou-sе uma еscolha acеrtada. A prеcisão dеssеs sеnsorеs foi fundamеntal para garantir a qualidadе das mеdiçõеs. Além disso, o uso do protocolo MQTT facilitou o еnvio dos dados para o sеrvidor, garantindo um baixo consumo dе rеcursos dе rеdе.
Pensando em futuras melhorias, poderiam ser incluídas no projeto outras tecnologias e dispositivos para aumentar ainda mais a área de abrangência do projeto, como sensores de fumaça, gás inflamável, detectores de presença e melhorias no sistema de monitoramento, como inclusão de recursos de notificações via Email ou SMS. Assim muitas outras áreas não só da indústria, mas de quaisquer negócios poderiam ser contempladas com os benefícios que o sistema de monitoramento oferece.
REFERÊNCIAS
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SANTOS, Guilherme. Protocolo MQTT: O que é, como funciona e vantagens. Publicado em: 20 de maio de 2022. Disponível em: <https://www.automacaoindustrial.info/mqtt/>. Acesso em: 06 setembro de 2023.
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1Discente do Curso de Engenharia da Computação da Fametro. E-mail:Vitor.jardina@gmail.com;
2Docente do Curso de Engenharia da Computação da Fametro. E-mail: amonky193@gmail.com;
3Docente do Curso de Engenharia da Computação da Fametro. E-mail: pabloelleres22@gmail.com