Anais do 13O Encontro de Iniciação Científica e Pós­Graduação do ITA –  XIII ENCITA / 2007Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos, SP, Brasil, Outubro, 01 a 04, 2007.

PLATAFORMA PARA MONITORAMENTO REMOTO DE SISTEMAS DE MANUFATURA

Emil Yoshigae NakaoITA – I nstituto Tecnológico de Aeronáutica. Praça Marechal Eduardo Gomes,50,Vila das Acácias – 12228­ 900.São José dos Campos ­ SPBolsista PIBIC­CNPqemilnakao@msn.com Carlos Eduardo Oliveira Silva ITA – I nstituto Tecnológico de Aeronáutica. Praça Marechal Eduardo Gomes,50,Vila das Acácias – 12228­ 900.São José dos Campos ­ SPcsilva@ita.br Pedro Paulo Gomes Domingues de Oliveira SantosITA – I nstituto Tecnológico de Aeronáutica. Praça Marechal Eduardo Gomes,50,Vila das Acácias – 12228­ 900.São José dos Campos ­ SPpedroita@ig.com.br

Emília VillaniITA – I nstituto Tecnológico de Aeronáutica. Praça Marechal Eduardo Gomes,50,Vila das Acácias – 12228­ 900.São José dos Campos ­ SPevillani@ita.br

Resumo.  Monitoramento remoto pode ser entendido como o processo de aquisição de dados de um sistema e sua  transmissão em  tempo real por um meio de comunicação a  um  local geograficamente  distinto.  Entre  as  diversas  aplicações   de   monitoramento   remoto   está   o   monitoramento   de   processos   de   manufatura.   O   CCM   (“ Centro   de  Competência em Manufatura” ), no ITA, desenvolveu duas frentes de pesquisa principais na área: o desenvolvimento de  software customizado para monitoramento remoto e a análise de aplicativos disponíveis comercialmente. Este trabalho  aborda a primeira frente de pesquisa, e apresenta a solução adotada para o monitoramento remoto da máquina CNC do  laboratório. A solução é composta de um programa cliente, que é executado em um computador remoto, e um programa  servidor,   responsável   pela   coleta   de   dados   em   si,   funcionando  no   computador   local.   Dentre   as   funcionalidades oferecidas estão a transmissão de vídeo e de dados obtidos da máquina CNC, a respeito do processo de usinagem em curso. Essas funcionalidades foram testadas individualmente, e depois reunidas em um aplicativo final.  

Palavras chave: monitoramento remoto, processo de manufatura

1. Introdução 

No atual cenário mundial, a indústria de manufatura enfrenta desafios sem precedentes, resultantes de um mercado global cada vez mais competitivo (Lee, 2003). A Internet e o processo de  e­business  aumentaram a velocidade nos processos de negócio e permitiram que empresas abandonassem a abordagem tradicional de aplicar  o conceito de integração restritamente a seus equipamentos no chão de fábrica, em detrimento de uma nova visão, mais ampla, que abrange todo o ciclo de vida do produto e a cadeia de suprimento.

A cooperação proporcionada pela  Internet  é considerada  bi­dimensional,  no sentido que abrange não apenas a integração horizontal entre entidades equivalentes, como também a integração vertical ao longo de toda a cadeia de suprimento   (fornecedores,  unidades  de  manufatura,  distribuidores  e  assistência   técnica)   (Hao et   al.,   2005).  Como resultado desta cooperação, tem­se sistemas de manufatura mais ágeis e flexíveis, com capacidade de gerar respostas rápidas em ambientes distribuídos.

Além disso, a globalização das últimas décadas impulsionou a distribuição geográfica de empresas, indústrias e equipes de trabalho. Um resultado desta globalização é a crescente necessidade de aplicações que se beneficiam do acesso a diversos equipamentos localizados em lugares geograficamente distintos: indústrias antes centralizadas em uma única planta, hoje se encontram espalhadas por diversas cidades, países e continentes. 

Estes fatores resultaram em uma necessidade sempre crescente de troca de informações referente a  atividades interdependentes.   Exemplos   são   informações   relativas   ao   desenvolvimento   de   projetos   em  conjunto,   informações referentes a peças em produção, entre outras. A resposta para esta necessidade está no conceito de e­manufacturing, que utiliza a   Internet  como meio eficiente  e   rápido para o  acesso remoto a dados,  com objetivo de   integrar   todos os elementos do processo produtivo. 

Usuários de programas baseados em Internet podem se comunicar, trocando informações e processos típicos de tecnologia através de uma estrutura de rede baseada no protocolo TCP/IP. Através do conceito de  e­manufacturing obtém­se uma nova possibilidade de aproveitamento desta estrutura dentro do sistema de manufatura (Adamczyk et al., 

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2003), o que inclui, por exemplo, a execução de processos e disponibilização remota de resultados em tempo­real para observação, acompanhamento ou manipulação (Yeung et al., 2003).

Dentro do conceito  de  e­manufacturing,  o  monitoramento  remoto de processos  de manufatura é  o   foco deste trabalho. Através do monitoramento do chão de fábrica é possível prever a variação do desempenho do sistema, o que pode ser utilizado para re­escalonamento dinâmico da produção e operações de manutenção, além da sincronização com atividades   dos   níveis   organizacionais   superiores   da   empresa   (Lee,   2003).  Além   disso,   a   integração   proporciona flexibilidade de configuração do sistema de manufatura. Por exemplo, um chão de fábrica caracterizado pela fabricação de grande variedade de produtos de lotes pequenos requer um controle dinâmico e monitoramento em tempo real capaz de adaptar­se a rápidas mudanças de capacidade de produção e funcionalidade. 

Do   ponto   de   vista   de   software,   o   monitoramento   remoto   pode   ser   implementado   através   de   programas computacionais   dedicados   ou   simplesmente   explorando   os   recursos   disponíveis   gratuitamente   nos   chamados navegadores. 

Do ponto de vista de hardware,  é  necessário a  obtenção e disponibilização de  informações dos processos em execução. Num futuro próximo, controladores de comando numérico computadorizado (CNC), sensores e atuadores, entre outros equipamentos, serão dotados de processadores embarcados com recursos do tipo plug­and­play flexíveis o suficiente para proporcionar uma integração imediata. Todavia, esta ainda não é a realidade. Uma nova capacitação de tecnologia é urgentemente requerida para incorporar às máquinas CNC tradicionais a capacidade de monitoramento remoto (Wang et  al.,  2004).  Particularmente,  em sistemas de manufatura de pequeno porte,  onde flui  uma menor produção, o custo de incorporação de recursos de e­manufacturing pode ser um fator limitante. O baixo custo é portanto um requisito necessário das soluções propostas (Kimura and Kanda, 2005).

De uma forma geral, a importância do desenvolvimento de sistemas de monitoramento remoto via Internet, vêm sendo indicada por diversos trabalhos não apenas no ambiente acadêmico, mas também através de soluções industriais (Wang et  al,  2001;Yeung and Huang,  2003).  Nesse contexto,  o  objetivo deste  trabalho é aplicar  este  conceito  ao laboratório CCM (Centro de Competência de Manufatura) do ITA (Instituto Tecnológico de Aeronáutica), através do projeto e implementação de um sistema de monitoramento remoto de uma máquina CNC. Dado o cunho acadêmico, educacional e de pesquisa da instituição, entre as possíveis aplicações, destaca­se o e­learning, ou educação à distância, tema que vem recebendo destacada atenção, além da facilitação da aquisição dos dados de experimentos  que são executados durante as pesquisas desenvolvidas no laboratório. 

Este trabalho foi desenvolvido como parte do Programa TIDIA/KyaTera (TIDIA­KyaTera, 2007), que tem como objetivo conectar laboratórios de pesquisa através de uma rede de fibra ótica de alta velocidade. A rede TIDIA/Kyatera deve ser  usada  como plataforma de   teste  para pesquisas  em diferentes  áreas,   incluindo monitoramento remoto de sistemas de manufatura. 

 2. Arquitetura do sistema de monitoramento remoto

               O sistema de monitoramento remoto proposto destina­se a processar informações da máquina­ferramenta CNC Hermle C600U do CCM, ITA ().  Essa máquina utiliza a   tecnologia HSM (High Speed Machine)  através do CNC Siemens modelo Sinumerik 840D, que controla os cinco eixos da máquina (X, Y, Z, A e C), além do eixo­árvore (Figura 2) e magazine de ferramentas.

Figura 1. Máquina Hermle C600U.

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Figura 2. Eixos da máquina.

O objetivo do sistema de monitoramento remoto é realizar a aquisição de dados de processos em execução na máquina e a disponibilização remota destes dados. 

Para realizar a aquisição de dados, é necessário entender onde e como é realizado o processamento e transmissão de dados dentro da máquina. A máquina em questão utiliza uma rede de comunicação serial proprietária da Siemens, denominada MPI. Essa rede interliga os diversos componentes da máquina, como IHM (Interface Homem­Máquina), teclado,  CNC (Comando Numérico Computadorizado),  CLP (Controlador Lógico Programável),  etc.  O sistema de aquisição deve, portanto, utilizar o mesmo tipo de comunicação. Além disso, ele deve ainda estar conectado a um computador local que realiza a disponibilização dos dados para Internet. No caso do computador local, a conexão do tipo PCI é amplamente utilizada. A partir destas duas restrições adota­se como solução para o hardware do sistema de aquisição de dados a placa PCI da marca Siemens, modelo CP 5611.

Os dados a serem monitorados são: posição dos eixos da máquina, velocidade dos eixos da máquina, e imagem da área de trabalho. Os dois primeiros tipos de dados são coletados pela placa CP 5611, conectada à rede MPI, já para a imagem é instalada junto à máquina uma webcam.

A Figura 3  ilustra a arquitetura utilizada no sistema de aquisição de dados. Através da programação da máquina CNC, a tarefa de usinagem é executada, gerando os movimentos dos eixos da máquina. Este processo é controlado e monitorado pelo CNC/CLP, que disponibiliza os dados desejados à placa CP5611, que por sua vez os disponibiliza ao computador local. 

Figura 3. Arquitetura do sistema de aquisição.

A aquisição de dados da máquina somente é possível porque o CNC utiliza um sistema de arquitetura aberta, que permite que os dados de CNC e CLP (até mesmo dados on­line) possam ser acessados e até modificados (este último com algumas limitações por questão de segurança) por programas aplicativos, através de bibliotecas DLL (Dynamic Linking Libraries). Este procedimento é ilustrado na .

Figura 4. Fluxo de dados na máquina.

Os dados transmitidos ao computador local são disponibilizados remotamente através de aplicativos dedicados. O computador local é chamado de servidor, pois contém o aplicativo que recebe os dados da máquina e envia para a Internet (Programa Servidor), disponibilizando­os para qualquer lugar do mundo, através do servidor de Internet local. 

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O computador que recebe os dados remotamente é chamado cliente, e, de acordo com a arquitetura adotada, também deve conter um aplicativo dedicado (Programa Cliente) para processamento e visualização dos dados recebidos. Este sistema é ilustrado na .

Figura 5. Arquitetura do sistema de monitoramento remoto.

Os dados  transmitidos pela placa CP5611 devem estar  em um formato adequado para o processamento pelos programas aplicativos do sistema (Programas Servidor e Cliente).  Com esta finalidade utiliza­se o protocolo DDE (Dynamic Data Exchange), que é um protocolo padrão de troca de dados entre aplicações Windows™.  O DDE é um protocolo relativamente lento, desenvolvido para trabalhar em sistema stand­alone, e posteriormente modificado para aplicações em rede (NetDDE), possuindo ainda variações como FastDDE e AdvancedDDE.

Para que os dados da máquina CNC possam ser convertidos em formato do protocolo DDE, é necessário utilizar um conversor NC­DDE. Este aplicativo é executado no servidor juntamente com o Programa Servidor. A  ilustra o fluxo de dados no computador local. 

Figura 6. Fluxo de dados no computador local.

Uma vez que os dados da máquina estão disponíveis no formato adequado para a livre utilização os mesmos são utilizados pelos Programas Servidor e Cliente. O desenvolvimento destes programas é apresentado na próxima seção. 3. Desenvolvimento de aplicativo dedicado para monitoramento remoto 

O desenvolvimento de um aplicativo dedicado para monitoramento remoto pode ser organizado nas seguintes etapas:

1) Especificação dos requisitos2) Definição da arquitetura do sistema3) Familiarização com as tecnologias necessárias4) Elaboração do aplicativo5) Execução de Testes

 3.1. Etapa 1: Especificação dos requisitos

        Esta etapa consiste em definir os recursos que serão incorporados à plataforma de monitoramento remoto. No caso da máquina Hermle do CCM, são especificados os seguintes recursos:

a) Recursos de manipulação de vídeo e imagem: o sistema deve permitir visualizar remotamente o processo através da transmissão  da   imagem captada  por  uma  webcam via   Internet.  Deve  ainda  permitir   gravar   e  visualizar  vídeos   e imagens.

b)  Recursos para visualização em tempo real de variáveis do processo:  visualização do valor  de  uma variável  do processo e construção de gráficos com evolução ao longo do tempo. 

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c)  Recursos de banco de dados:   criação  e  manipulação  de   tabelas  de  dados   e  gráficos   referentes  a  processos  de usinagem.

d) Recursos de comunicação entre usuário local e remoto: implementação de um ambiente do tipo ‘ chat’ , para troca de mensagens entre o usuário do computador local e o usuário do computador remoto.

3.2. Etapa 2: Definição da arquitetura do sistema

        Baseando­se na estrutura do sistema e nos recursos e equipamentos disponíveis para aquisição de dados, é definida a arquitetura do sistema a ser implementado. No caso do sistema de monitoramento remoto da máquina Hermle, esta arquitetura é a descrita na Seção 2.

3.3. Etapa 3: Familiarização com as tecnologias necessárias

               Antes da elaboração do aplicativo, é recomendável a familiarização com as tecnologias a serem utilizadas para implementação  dos  requisitos  especificados na  Etapa  1.  No caso  do  sistema  aqui  apresentado  esta   familiarização constituiu­se das seguintes atividades:

• Estudo das linguagens de programação utilizadas (C e C++);

• Familiarização com o ambiente de desenvolvimento Borland C++ Builder 6;  

• Pesquisa   e   desenvolvimento   de   programas   de   teste   referentes   à   captura   de   vídeo   com   uma   webcam   e   sua transmissão pela internet; 

• Pesquisa e desenvolvimento de programas de teste sobre o padrão de comunicação DDE, utilizado pelo servidor NC­DDE, para acesso aos dados coletados pela placa CP5611; 

• Pesquisa e desenvolvimento de programas de teste sobre a transmissão de mensagens de texto; 

• Pesquisa e desenvolvimento do suporte necessário para a implementação do banco de dados. Foram pesquisados diversos sistemas de armazenamento e acesso aos dados com o objetivo de encontrar o mais adequado para o fim proposto. O sistema adotado é o BDE (Borland Database Engine) uma vez que o programa foi desenvolvido no próprio Borland Builder, o que facilita o acesso aos dados. As informações são armazenadas em tabelas Paradox, convenientes para guardar os dados em questão, além de fazê­lo de forma ordenada (importante para a exibição de vídeo). A  apresenta a estrutura do banco de dados.

Figura 7. Estrutura do banco de dados.

3.4. Etapa 4: Elaboração do aplicativo

               O desenvolvimento do programa foi realizado no ambiente de desenvolvimento Borland C++ Builder 6. Este  ambiente possui como vantagens a facilidade de construção de interfaces gráficas amigáveis e a grande disponibilidade de componentes prontos para implementação de diversas funcionalidades, como por exemplo a transmissão de dados por sockets. 

Além do Borland C++, o projeto incluiu também o desenvolvimento de um módulo em Visual Basic 6, responsável por realizar a comunicação com a placa CP5611 e disponibilizar os dados coletados via DDE. A adoção do Visual Basic é devida à maior disponibilidade de funções nesta plataforma para programação no padrão DDE. Desta forma, ao inicializar o aplicativo são executados internamente dois programas adicionais. O primeiro é o próprio NC­DDE, que coleta os dados da placa. O segundo age como uma camada intermediária, sendo responsável por disponibilizar os dados de modo a ser possível ao aplicativo obter e disponibilizar os dados adequadamente. Esses são enviados ao computador remoto via sockets. Para a parte de base de dados foi utilizado ainda o Borland Database Desktop.               Conforme descrito na Seção 2,  o aplicativo é composto pelo Programa Servidor e pelo Programa Cliente. Atentando aos quesitos flexibilidade de uso e fácil acesso às informações desejadas, o Programa Cliente constitui­se de uma interface principal, com o vídeo do processo de usinagem e algumas informações acerca do processo obtidas da 

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máquina. São também disponibilizadas funções para captura de frames, vídeo e comunicação por mensagem de texto, além de gráficos das variáveis desejadas, em função do tempo ou de outros parâmetros configuráveis.

Janelas secundárias são usadas para configuração do programa e fornecimento de outras informações. O Programa Servidor inclui, além das funcionalidades do Programa Cliente, uma prévia do vídeo que será visualizado pelo cliente, implementada por sucessivas transmissões de quadros.

  A  Janelas   secundárias   são  usadas  para   configuração  do  programa  e   fornecimento  de  outras   informações.  OPrograma Servidor inclui, além das funcionalidades do Programa Cliente, uma prévia do vídeo que será visualizadopelo cliente, implementada por sucessivas transmissões de quadros. ilustra a interface principal do Programa Servidor, e a Fig. 8, a do Cliente.        Além da interface principal existe também uma janela de opções, na qual são especificados o hardware utilizado para a captura de vídeo e o endereço IP do computador com o qual é feita a comunicação. Os recursos implementados incluem também um visualizador de fotos tiradas do processo de usinagem, e um visualizador de vídeos gravados. Além disso, permite construir gráficos dos dados coletados, como por exemplo evolução no tempo da velocidade de rotação da ferramenta. 

Figura 8. Interface do Programa Servidor.

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Figura 8. Interface do Programa Cliente. 

No que se refere ao banco de dados, o aplicativo permite um sofisticado controle sobre as tabelas, podendo, além de manipulações convencionais, criar tabelas personalizadas de acordo com as necessidades de cada processo. Esta configuração pode ser realizada a cada novo processo de usinagem. Também é possível visualizar tabelas geradas por outros programas que sejam compatíveis com o sistema de tabelas Paradox.

3.5. Etapa 5: Testes

               As diversas funcionalidades do aplicativo foram testadas inicialmente de forma isolada. Numa segunda etapa foram realizados testes integrados dos diversos módulos do aplicativo. 

A seqüência de testes realizados foi:

• Teste do vídeo:  consistiu na captura de vídeo de uma  webcam  e transmissão de vídeo pela internet, utilizando sockets. Cada frame capturado pela câmera é transmitido por uma sequência de blocos de informação, que, caso não haja erro na transmissão, são reunidos no programa cliente para formar a imagem. O servidor envia um sinal a cada   início  de   frame,  para  orientar  o   cliente  na   composição  dos  frames.  Neste   caso   foi   possível  verificar  o desempenho   do   sistema   quanto   a   atrasos   de   tempo   na   transmissão   e   problemas   relacionados   ao   bloqueio momentâneo da imagem.

• Teste do chat: consistiu no envio de mensagens de texto por sockets.

• Teste da comunicação aplicativo­máquina: foi dividida em diversas etapas. Inicialmente foi testada a comunicação do aplicativo em desenvolvimento com o Microsoft Excel™,  com o objetivo verificar as rotinas DDE. Foram também analisadas   as   rotinas  para   construção   de   gráficos.   Em seguida   testou­se   a   comunicação  aplicativo   ­ NCDDE.

• Teste do banco de dados: primeiramente utilizou­se o Database Desktop para construção manual de tabelas a serem lidas pelo aplicativo. Em seguida testou­se a criação automática de tabelas sem o Database Desktop. Finalmente, foram feitos testes da manipulação de dados, incluindo a construção dos gráficos.

Anais do XIII ENCITA 2007, ITA, Outubro, 01­04, 2007, 

4. Conclusão

               Este  artigo  discute  o  conceito  de  e­manufacturing  e  apresenta  o  desenvolvimento  de  um aplicativo  para monitoramento   remoto   de   processos   de   manufatura.  Além   da   transmissão   de   dados   do   processo,   o   aplicativo desenvolvido apresenta recursos para transmissão de vídeo, manipulação de banco de dados e construção de gráficos.

A  solução   proposta   pode   ser   utilizada   para   o   acompanhamento   remoto   de   experimentos   assim   como   para finalidades didáticas.

O aplicativo desenvolvido é parcialmente independente da tecnologia da máquina. Enquanto que a comunicação com a máquina CNC, neste caso realizada pela placa CP5611, é uma solução específica para o controle Siemens, o restante da arquitetura especificada e o aplicativo desenvolvido podem ser utilizados em qualquer sistema. Neste caso, o único requisito é o desenvolvimento do conversor NC­DDE para o fornecimento dos dados no padrão usado pelo aplicativo.

Alguns dos testes de funcionalidades foram realizados exaustivamente até obterem êxito; as transmissões de vídeo e de dados da máquina­ferramenta para o aplicativo podem ser citados como exemplo. Quanto às limitações do projeto, pode­se citar  a   falta  de uma base  teórica inicial  em base de dados e engenharia de software,  o  que aperfeiçoaria consideravelmente o projeto. 

5. Agradecimentos

        Os autores agradecem o apoio financeiro das seguintes entidades: FAPESP, CNPq e CAPES. 6. Referências

Adamczyk, Z., Jonczyk, D., Kociolek, K. (2003).  “ A new approach to a CAD/CAM system as a part of distributed environment” , Journal of Materials Processing Technology 133(2003): 7­12.

Hao, Q.,  Shen,  W.,  Wang, L.   (2005).   “ Towards a cooperative distributed manufacturing management  framework” , Computers in Industry 56(2005): 71­84.

Kimura, T., Kanda, Y. (2005)  “ Development of a remote monitoring system for a manufacturing support system for small and medium­sized enterprises” , Computer in Industry 56(2005): 3­12.

Lee,   J.   (2003).   “ E­manufacturing—f undamental,   tools,   and   transformation” ,  Robotics   and   Computer   Integrated Manufacturing, 19(2003): 501­507.

TIDIA  –  KyaTera (2007). Advanced Internet Program, FAPESP, Brasil.  http://www.kyatera.fapesp.br. (acessado em 06/07).

Wang, C, et al. “ Implementation of remote robot manufacturing over Internet” .  Computers in Industry 45(2001): 215–229.

Wang,   L.,   Orban,   P.,   Cunningham,   A.,   Lang,   S.   (2004)   “ Remote   real­time   CNC   machining   for   web­based manufacturing” , Robotics and Computer­Integrated Manufacturing 20(2004): 563­571.

Yeung, K., Huang, J. (2003). “ Development of a remote­acces laboratory: a dc motor control experiment” . Computers in Industry 52(2003): 3005­311.