Seis Grandes Desafios Resolvidos em Controles de Máquinas

Quando estiver projetando a próxima geração de sua máquina, as últimas tecnologias em sistemas de controle, arquiteturas de software e componentes eletromecânicos diferenciam seu sistema de automação dos competidores. Este artigo explora os maiores desafios de hardware e software que fabricantes de máquinas encontram atualmente e oferece uma solução baseada em desempenho para resolver estes desafios.

Desafios de Software

1. Combinando Múltiplas Arquiteturas de Software

Arquiteturas de software apropriadas para programar sua máquina dependem de métricas-chave de desempenho que precisam de otimização. Para melhorar o tempo de reação a falhas, você precisa de uma arquitetura “reativa”  baseada em eventos. Se seu sistema de inspeção automatizada demanda análises da imagem adquirida, você necessita uma arquitetura aprimorada para funções de processamento de sinais. Uma arquitetura máquina de estados é a melhor para seu processo em lote ou máquina de embalagens. Máquinas de processamento de semicondutor tipo wafer que necessitem de avançados algoritmos de controle baseados em modelo necessitam de uma arquitetura que suporte soluções com integração de tempo real. Máquinas que necessitem de medições em alta velocidade com análises em tempo real necessitam de uma arquitetura de fluxo de dados. Simples operações e lógicas aritméticas são melhor  desempenhadas com uma arquitetura sequencial como as que utilizam CLP (Controladores de Lógica Programável).

Identificar e aplicar a combinação certa de arquiteturas de software para resolver seu problema de automação é o desafio para o futuro. Linguagens baseadas em IEC 61131-3, como a lógica ladder e diagramas de blocos funcionais atendem a maioria das aplicações de fabricação discreta que envolvem principalmente operações liga/desliga. Entretanto, ao passo que máquinas modernas necessitam de múltiplas comutações e envolvem rotinas de manutenção preditiva, linguagens como o LabVIEW da National Instruments emergem como uma única plataforma de desenvolvimento que pode combinar máquinas de estados para modos definidos de operação, fluxo de dados para rotinas de monitoração, integração com soluções de tempo real para controles de precisão, eventos para resposta a falhas e lógica sequencial para operações liga/desliga.

Figura 1. Diferentes modelos de programação como máquina de estados, resolvedor de integrais, lógicas sequenciais, fluxo de dados e eventos são melhores executados em uma plataforma específica como um PC, CLP, PAC, DSP, FPGA e microprocessador

2. Escreva uma vez, execute em qualquer lugar

Enquanto o conceito “escreva uma vez, execute em qualquer lugar” ganha aceitação dos consumidores com as tecnologias .NET e Java, este ainda está longe da realidade no mundo da automação. Um programa compatível com IEC 61131-3 escrito em lógica ladder para um CLP pode não executar em um CLP similar de outro fabricante. Portanto, as empresas são forçadas a padronizar um único fabricante para assegurar a interoperabilidade, em muitos casos não resultando no melhor desempenho e aumentando o custo total do sistema completo.

O desafio para o futuro também é escrever seu código de controle uma vez e depois distribuir o mesmo programa em uma variedade de PCs, CLPs ou plataformas embarcadas. O engenheiro de automação precisa da capacidade de escolher entre CLP, controlador programável para automação (PAC), microprocessador, processador de sinais digitais (DSP) ou plataformas FPGA baseadas nos requisitos de custo/desempenho do sistema de automação. A plataforma gráfica para desenvolvimento NI LabVIEW oferece uma variedade de módulos que ajudam a distribuir o seu código em diferentes plataformas. Você pode desenvolver seu programa graficamente usando o LabVIEW, depois distribuir sua aplicação em um sistema operacional de tempo real utilizando o LabVIEW Real-Time, portar o seu código em FPGAs utilizando o LabVIEW FPGA, distribuir seu código em DSPs utilizando o LabVIEW DSP e usar o LabVIEW embedded para transferir o código para microprocessadores de 32-bits.

3. Validação do Sistema

Revisão de códigos, nos quais a maioria dos processos de desenvolvimento agora incluem e asseguram a confiabilidade do software criado. Entretanto, o firme acoplamento do software com o hardware nos atuais sistemas eletromecânicos necessita de sistemas completos de validação. Engenheiros estão mudando da fase somente de execução e movendo por através das fases “projeto-protótipo-distribuição”. A fase de projeto inclui simulação mecânica, térmica e características de fluxo dos componentes de hardware no sistema além de algoritmos e lógicas de controle que controlariam estes componentes. A fase de prototipagem envolve a prototipagem física ou virtual dos projetos mecânicos e de controle para ajudar no desenvolvimento de provas de conceito antes da implementação final. A fase de distribuição envolve a distribuição de algoritmos de controle e lógicas plataformas CLPs, PACs ou embarcadas e construção de componentes mecânicos, como servo-atuadores, pneumáticos e hidráulicos.

O desafio para engenheiros é executar cada fase de projeto, prototipagem e distribuição eficientemente sem perder tempo portando código para diferentes ferramentas de desenvolvimento em cada uma das fases. O LabVIEW oferece uma única plataforma de desenvolvimento para cada um das fases, com interfaces para ferramentas de projetos mecânicos (SolidWorks, COSMOSWorks, COSMOSMotion, MSC.ADAMS, MTS I-DEAS), matemáticos (MathCAD, Mathematica, The MathWorks, Inc. MATLAB®), eletrônicos (Multisim, Ansoft, Anadigm, SPICE), embarcados (Code Composer Studio) e controle (MATRIXx, The MathWorks, Inc. Simulink®, CarSim) para a fase de projeto; E/S analógicas, E/S digitais, movimento, visão e comunicações integradas na plataforma PC para a fase de prototipagem; e uma variedade de plataformas distribuíveis (PC, PAC, FPGA, DSP, microprocessador) para a fase de distribuição, dependendo dos requisitos de preço/desempenho.

Figura 2. O LabVIEW oferece um único ambiente para desenvolvimento gráfico de sistemas a partir do projeto para prototipagem e para a distribuição do sistema final.

Desafios de Hardware

Os futuros sistemas de automação irão desempenhar tarefas complexas em uma variedade de produtos diferentes, frequentemente de maneira simultânea. Os desafios de hardware em projetos de sistemas são para conseguir velocidade de operação, rendimento e tempo de operação enquanto completam uma tarefa complexa de automação.

1. Velocidade de operação

A velocidade de sua máquina afeta diretamente a velocidade de operação. Para conseguir velocidades maiores, utilize componentes mecânicos com menor atrito, como um motor linear ao invés de um fuso de esferas. Você pode aumentar a velocidade de sistemas de controle utilizando tecnologias embarcadas como FPGAs com taxas de loop de 1 MHz ao invés de CLPs tradicionais com taxas de loop de 1 KHz. Servo sistemas continuam a dominar máquinas que utilizam cada vez menos sistemas tradicionais baseados em engrenagens/câmeras.

Controladores programáveis para automação, como o CompactRIO da National Instruments, que incluem um FPGA programável e um processador de ponto flutuante executando um sistema operacional de tempo real são apropriados para aplicações de alta velocidade, como classificação ou construção.

2. Rendimento

Reduzir o desperdício com alta repetibilidade é a chave para conseguir altos rendimentos. Programar a máquina para seguir perfis desejados de controle de movimento é crítico para repetibilidade. Você pode conseguir isto sintonizando os motores com pequenos tempos de configuração e menor overshoot para uma resposta ao degrau. Para melhor sintonização, use métodos de controle baseados em modelo para atingir a sintonização correta dos parâmetros PID ou substituir algoritmos tradicionais de PID com algoritmos de controle baseados em modelo. Tecnologias, como inspeção automatizada e RFID possuem um grande papel na rejeição em classificações, o que aumenta a velocidade do processo. As ferramentas para projeto e simulação de controle do LabVIEW combinadas com oMódulo para Desenvolvimento LabVIEW SoftMotionajudam a criar controladores de movimentos personalizados com algoritmos de controle baseados em modelo, como um regulador quadrático linear (LQR) ou H-Infinity para melhor repetibilidade e maior rendimento. OMódulo para Desenvolvimento NI Visionajuda a criar sistemas de inspeção automatizada com mais 200 funções de processamento de imagem e visão de máquina.

Figura 3. Você pode implementar uma variedade de estratégias de controle incluindo PID, MFA e controle baseado em modelo para diminuir o tempo de lançamento do produto, reduzir o tempo de parada ou aumentar a repetibilidade.

3. Tempo de Operação

Uma moderna máquina de embalagem precisa trabalhar com mais de 10 produtos na mesma linha de produção. Isto não é somente a confiabilidade dos componentes no sistema, mas também tempos de alteração entre diferentes produtos que afetam o tempo de operação do sistema. Você pode diminuir o tempo de alteração configurando o algoritmo de controle para adaptar a diferentes tipos de condições com um produto diferente na linha. Controles adaptativos baseados em modelo é uma área emergente que elimina a sintonização e ajuda sistemas de controle se adaptarem a mudanças do sistema. Você pode aumentar a confiabilidade incorporando monitoração inteligente e manutenção preditiva como parte de um sistema. Monitoração de vibração, armazenamento de dados, alarmes e comunicação pela rede corporativa têm um papel importante no aumento da confiabilidade dos futuros sistemas.

Você pode distribuir um algoritmo de controle Cybosoft’s Model-Free Adaptive (MFA) em LabVIEW ou qualquer plataforma LabVIEW Real-Time ou LabVIEW FPGA para eliminar a sintonização e ajudar na adaptação de mudanças de carga no sistema. As plataformas NI Compact FieldPoint e o PXI podem ajudar a incorporar soluções de monitoração inteligente e manutenção preditiva com E/S analógicas de alta velocidade para monitoração de vibração, armazenamento de dados, alarmes e conectividade na rede corporativa

No futuro, a indústria de controle de máquinas irá encontrar desafios como a combinação de múltiplas arquiteturas de software, validação de sistemas, velocidade de produção, rendimento e tempo de operação em sistemas complexos de automação. O ponto chave para o sucesso em automação atualmente é selecionar componentes de hardware e software para seu sistema que são mais apropriados para as tarefas executadas e que podem ter as funcionalidades escaladas no futuro.

Rahul Kulkarni
Product Marketing Engineer
rahul.kulkarni@ni.com

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