SmartTrackingFab: Sistema de Monitorização e previsão de processos de fabricação de moldes

A monitorização e gestão do processo de fabricação de moldes de injeção revelam-se de extrema pertinência para assegurar a sua qualidade e eficiência e o cumprimento dos prazos de entrega aos clientes. Ao acompanhar-se em tempo real os fluxos das várias partes nas várias etapas de fabricação, é possível identificar potenciais problemas, prever desvios e agir de forma proativa. Este rastreio meticuloso permite otimizar o fluxo de trabalho, a implementação de ações preditivas e preventivas que visam reduzir riscos de incumprimento, ajustar a programação, realocar recursos, minimizar possíveis engarrafamentos e otimizar continuamente o processo. Desta forma, poder-se-á ter uma fabricação eficiente e ágil e permitir que o cumprimento dos prazos de entrega aos clientes é assegurado, fortalecendo a confiança e a satisfação dos mesmos. O rastreio minucioso das várias partes constituintes do molde, ao longo das diferentes áreas de maquinação e fabricação, desempenha um papel fundamental nesse processo.

Atualmente, os sistemas mais comuns de rastreamento e a localização de objetos em unidades industriais são realizados pelas tecnologias Radio Frequency Identification (RFID) e a Ultra-Wideband (UWB) [1]. A tecnologia RFID utiliza identificadores de radiofrequência (tags RFID) que, em conjunto com leitores, antenas e uma Unidade Central de Processamento (CPU) permitem a localização dos objetos, que possuem tags, num determinado espaço. A CPU recebe os dados da tag (a sua identificação tagID, a localização, a hora da deteção, entre outros) e guarda-os numa base de dados, sendo estes depois utilizados por sistemas de informação [2]. O rastreamento de objetos em tempo real baseado UWB utiliza pulsos de rádio de curta duração e largura de banda muito ampla para determinar a distância e a direção de um objeto em relação a um recetor. A determinação da localização das tags no espaço é baseada no Time of Flight (TOF) dos sinais, ou seja, são medidos os tempos de propagação dos pulsos de rádio entre um transmissor e vários recetores, neste caso, entre as âncoras e as tags distribuídas num determinado espaço. Com base nos tempos de voo e em algoritmos de processamento de sinal, é possível calcular as distâncias entre os dispositivos. Tipicamente, os sistemas UWB são mais vocacionados para a deteção de pessoas, veículos (empilhadores ou sistemas de transporte) e de objetos de grande porte [3]. Os sistemas de rastreamento baseados em RFID são relativamente mais baratos, as suas tags são de dimensões mais reduzidas e são também mais simples de usar, comparativamente aos sistemas baseados na tecnologia UWB. Após a análise destas duas tecnologias de rastreamento optou-se pela utilização da tecnologia RFID. A informação do rastreamento e localização dos objetos é continuamente enviada para sistemas de informação através de redes de comunicação existentes nas unidades industriais. Como atualmente estas alteram com alguma frequência os seus layouts, as redes de comunicação cabladas deixam de ser pertinentes, dando lugar, cada vez mais, às redes sem fios, designadamente baseadas nas tecnologias Long Range (LoRa) e Wireless Fidelity (Wi-Fi).

O sistema desenvolvido é composto por dois módulos, um de eletrónica e um de software, com o objetivo de monitorizar em tempo real as atividades de fabricação de moldes de injeção, rastreando a localização das suas partes constituintes, e efetuando previsões da sequência de atividades para a sua finalização, bem como do seu tempo estimado de conclusão.

O módulo de eletrónica utiliza a tecnologia de rastreamento RFID em conjunto com tags anti-metal para registar as ações de fabricação de cada molde em diferentes vertentes, tais como as relacionadas com a localização das suas partes constituintes durante as várias fases de maquinação e as correspondentes sequências e temporizações. As tags utilizadas possuem características físicas de estanquicidade e robustez que suportam a imersão no líquido usado nos processos de eletroerosão e apresentam grande imunidade face a interferências eletromagnéticas originadas por máquinas de corte, desbaste e polimento dos materiais metálicos. O módulo de eletrónica foi desenvolvido para poder comunicar com o módulo de software através de redes sem fios Wi-Fi.

O módulo de software destina-se à gestão da informação recebida do módulo de eletrónica, validando-a, registando-a numa base de dados e processando-a através de algoritmos específicos de Process Mining (PM) e de Machine Learning (ML), de modo a possibilitar a utilizadores credenciados a avaliação do estado de fabricação de um molde, a previsão do término da sua fabricação, e indicações sobre as sequências de atividades mais otimizadas para a sua conclusão.

MÓDULO DE ELETRÓNICA

O módulo de eletrónica incorpora vários módulos de aquisição (MA) de forma a monitorizar as várias áreas de produção e um módulo concentrador e encaminhador de dados, Gateway, ver Figura 1. Cada MA possui um microcontrolador da família do ESP32 com comunicação sem fios, um cartão memória flash não volátil Micro Secure Digital (microSD), que guarda localmente todos os dados adquiridos e as configurações de arranque do MA num ficheiro de texto (configfile.txt). Dispõe também de um Relógio em Tempo Real (RTC) que fornece uma referência temporal exata e precisa ao microcontrolador. Esta referência temporal é utilizada pelo microcontrolador para definir a data e hora em que uma determinada tag foi lida. O MA e Gateway são alimentados eletricamente por uma fonte de alimentação constituída por um conversor Direct Current to Direct Current (DC/DC) que suporta uma tensão de entrada máxima de 12VDC, o qual converte para uma tensão de saída de 3,3VDC e/ou 5VDC. Para reduzir o consumo energético foi desenvolvido um sistema de corte de energia que desativa o MA e Gateway sempre que a unidade de produção esteja parada como, por exemplo, durante a noite ou ao fim de semana. São ainda necessários dois conversores de comunicação série do tipo RS232-TTL, que fazem a interface entre os leitores/antenas e o microcontrolador. Atendendo às características dos cenários de aplicação, foram desenvolvidas duas soluções de comunicação alternativas para os módulos de aquisição: 1) MA Wi-Fi, que envia os dados adquiridos pelos leitores e antenas para os servidores através da rede sem fios Wi-Fi e 2) MA LoRa, que envia os dados para a Gateway através de tecnologia LoRa. A Gateway, que também se baseia num microcontrolador da família do ESP32 é responsável pelo encaminhamento dos dados, via LoRA e via Wi-Fi para os servidores. Com estas duas soluções de comunicação é possível tornar o sistema proposto escalável e ajustável aos vários cenários existentes na indústria do fabrico de moldes, nomeadamente porque as duas tecnologias se complementam, a rede de comunicação LoRa é mais adequada para aplicações que requerem longo alcance, baixo consumo de energia e transmissão de pequenas quantidades de dados, como é o caso dos dados das tags, enquanto a rede de comunicação Wi-Fi é adequada para a transferência rápida de grandes quantidades de dados, mas a mais curtas distâncias, [4-5].

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