Desenvolvimento de uma arquitetura de hardware modular para ambientes industriais

Abstract

A indústria tem sido marcada por uma alteração constante das suas legislações ambientais, necessidade de uma gestão eficiente da energia e dos recursos, tendência de zero defeitos, entre outros fatores. Estes fatores levaram ao aparecimento da Indústria 4.0, caracterizada por um controlo eficiente, flexível e fiável dos processos de produção. O desenvolvimento de um sistema de hardware modular desenhado para a indústria permite simplificar a gestão dos sistemas na indústria e um melhor controlo dos processos industriais, através da aquisição e tratamento de dados. Este sistema diminui a intervenção humana, com o conceito plug & play, facilitando a adição e substituição de novos módulos. Neste projeto, é desenvolvido um sistema de hardware modular para a indústria. Este sistema modular é constituído por um módulo principal de processamento (mPP) e os seguintes módulos específicos de expansão (mEX): o módulo de expansão de sinais elétricos (mSE) e o módulo de expansão de sinais de vibração (mSV). No desenvolvimento do mPP são apresentados os seus periféricos e meios de proteção para o meio industrial. Os mEX são constituídos pelos sensores, respetivos circuitos de condicionamento e pelo conversor analógico/digital, sendo estes responsáveis pela aquisição dos sinais de campo e a sua transmissão para o mPP. Os mEX desenvolvidos foram testados em ambiente industrial. Para a validação do mSE e do mSV, dois casos de estudo foram implementados recorrendo à inteligência computacional. O primeiro caso de estudo, relativo ao mSE, foi utilizado na captura do sinal de tensão e corrente de um quadro elétrico, e o método de desagregação de cargas foi aplicado para a monitorização do funcionamento de cada motor. O segundo caso de estudo, relativo ao mSV, foi utilizado na estimação do enchimento do moinho de cimento. Os resultados obtidos validam a arquitetura de hardware modular e os módulos industriais desenvolvidos. Este projeto apresenta o estudo desenvolvido e as características a ter em conta para o desenvolvimento e aplicação destes sistemas modulares na indústria, demonstrando a versatilidade dos mesmos para novas aplicações.

The industry has been marked by a constant change in environmental legislation, the need for efficient management of energy and resources, and the trend toward zero defects, among other factors. These factors led to the arising of Industry 4.0, characterized by efficiency, flexibility, and reliable control of production processes. The development of a modular hardware system designed for industry allows the management simplification of systems in industry and improvement in the control of industrial processes through data acquisition and processing. This system reduces human intervention, with the plug & play concept, simplifying the addition and replacement of new modules. In this project, a modular hardware system for the industry is developed. This modular system consists of a main processing module (mPP) and the following specific expansion modules (mEX): the electrical signals expansion module (mSE) and the vibration signals expansion module (mSV). In the development of the mPP, its peripherals and protection devices for the industrial environment are presented. The mEX are composed of sensors, their conditioning circuits, and an analog/digital converter, which are responsible for the acquisition of field signals and their transmission to the mPP. The developed mEX were tested in an industrial environment. For the validation of the mSE and the mSV two case studies were implemented using machine learning techniques. In the first case study, the module mSE was used to capture the voltage and current signals of an electrical switchboard, and the load disaggregation method was applied for monitoring the operation of each motor. In the second case study, the module mSV was used to estimate the cement mill filling. The results obtained validate the developed modular hardware architecture and the industrial modules. This project presents the developed study and the characteristics to be taken into account for the development and application of these modular systems in the industry, demonstrating their versatility for new applications.