FACULDADES INTEGRADAS DE SÃO PAULO – FISP
GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECATRÔNICA
JOSÉ RICARDO GARCIA
MARCIO LUIS DE SOUZA
Unidade ‘Fail-Safe’ de
Processamento de Velocidade
São Paulo
2010
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TCC-Eng- Mecatrônica-Jose Ricardo Garcia-Marcio Luis de Souza-2010-Final, Teses (TCC) de Mecatrônica
Desenvolvimento do projeto de uma unidade 'Fail-Safe' de processamento de velocidade, onde a função deste equipamento eletrônico é fazer a leitura angular de um motor e, após o processamento dessa informação, disponibilizar dois sinais lógicos de saída informando valores de velocidade pré-definidos, no caso 0 e 75rpm. Este projeto retrata um equipamento de segurança, desta forma, estão sendo consideradas as técnicas de análise, a validação de segurança e a confiabilidade em equipamentos el
Tipologia: Teses (TCC)
2011
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FACULDADES INTEGRADAS DE SÃO PAULO – FISP
GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECATRÔNICA
JOSÉ RICARDO GARCIA
MARCIO LUIS DE SOUZA
Unidade ‘ Fail-Safe ’ de
Processamento de Velocidade
São Paulo 2010
JOSÉ RICARDO GARCIA
MARCIO LUIS DE SOUZA
Unidade ‘ Fail-Safe ’ de
Processamento de Velocidade
Trabalho de conclusão de curso apresentado à Faculdades Integradas de São Paulo como requisito parcial à obtenção do título de Graduação em Engenharia Mecatrônica.
Orientador: Prof. Alexandre Erdmann Silva
São Paulo 2010
Eu, José Ricardo, dedico este trabalho aos meus pais e minha noiva Paula pelo apoio e amor dedicados, principalmente durante a execução deste trabalho. Dedico também aos Engenheiros Délio Panissi e Wagner Filho pelo incentivo e consultoria técnica.
Eu, Marcio, dedico este trabalho à minha esposa Ana Paula pelos momentos quando não foi possível eu lhe prestar a atenção merecida e aos meus pais que sempre me incentivaram a dar continuidade nos meus estudos.
AGRADECIMENTOS
A todos os nossos professores da FISP que nos proporcionaram um salto de conhecimento, atitude e habilidade muito importante para o prosseguimento da nossa vida profissional. Em especial, ao Prof. Alexandre Erdmann Silva, pela orientação nos prestada durante o desenvolvimento deste trabalho. A todos nossos companheiros do curso de Engenharia Mecatrônica e também a todos os demais que, diretamente ou indiretamente, colaboraram com a execução do nosso trabalho.
ABSTRACT
Development of the design of electronic equipment whose function is to read the angular velocity of an engine, after processing this information, provide two output logic signals indicating values of pre-defined speed, 0 and 75rpm. Because of this work have the idea to design a safety equipment, tools are used for analysis and validation of safety and reliability in electrical and electronics.
Keywords: Safety, Reliability, Motor Speed, Electronics, Railway, Automation.
LISTA DE FIGURAS
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Relacionamento Banco de Dados ........................................................... Tabela 2 – Critério de anúncio de falha.....................................................................
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
FMECA Failure Modes, Effect and Criticality Analysis FTA Fault Tree Analysis ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas LED Light Emissor Diode TGV Trem de Grande Velocidade CI Circuito Integrado PIC Programmable Interface Controller RPM Rotações por Minuto LCD Liquid Crystal Display PWM Pulse Width Modulatio CAD Computer Aided Design
1. INTRODUÇÃO
Qualquer máquina, por mais automatizada que seja, possui interface com o ser humano. Desde a revolução industrial, onde iniciaram-se com mais proximidade as relações entre o homem e a máquina, existem registros de acidentes causados pela falta de segurança de equipamentos, seja pelas próprias características do processo o qual a máquina foi projetada, seja pela falta de comprometimento com a segurança em seu projeto. Tecnicamente, movimentos automáticos da máquina e de alguns de seus componentes acabam tornando-se os principais fatores de acidentes no momento do seu manuseio pelo humano. A grande maioria desses movimentos é executada a partir do giro de motores. Condicionar o acesso de uma máquina ao funcionamento de seus motores é uma prática utilizada para reduzir a probabilidade de acidentes e, com isso, garantir a integridade física de quem está em contato com o equipamento em questão. Vejamos alguns exemplos: Consideremos um torno que produz uma determinada peça. O cabeçote onde são realizadas as operações de usinagem da peça é visível e possui uma tampa que protege o operador de que algum resíduo de material seja atirado em quem estiver ao redor da máquina. Em caso de abertura da tampa, o operador tem livre acesso as partes cortantes, deflagrando assim um potencial risco de acidente. O tipo de intertravamento mais comum é um ‘ micro-switch’ na tampa que atua no momento de abertura. Com a tampa aberta, não é possível iniciar o ciclo de trabalho da máquina. Essa prática reduz o risco de um acidente, porém não o elimina, visto que, no momento em que a tampa é aberta com o torno já em operação, apenas é cortado o comando do motor que provém os movimentos da máquina e, por conta da inércia, ainda haverá movimentos da máquina e, portanto, um potencial risco de acidente até que o motor pare completamente. Em resumo, a abertura da tampa condiciona o comando do motor. O processo descrito acima é válido no quesito de segurança, porém insuficiente. Em somatória a esse processo, um intertravamento mais eficaz é fazer um intertravamento utilizando uma condição contrária desta, ou seja, fazer com que o movimento do motor condicione a abertura da tampa. Pode-se projetar um dispositivo de travamento da tampa que somente seja liberado no momento em que
o motor estiver parado por completo. Com isso, o risco de acidentes causados pela interface do ser humano com a máquina em movimento é praticamente nulo. Outro exemplo completamente distinto, porém análogo, é o processo que intertrava o movimento de um trem de passageiros (Metrô, por exemplo) com a abertura e o fechamento de suas portas. É primordial que o trem não parta de uma estação sem que todas as suas portas de entrada e saída de passageiros estejam fechadas, qualquer movimento do trem, no momento em que o usuário do sistema esteja entrando ou saindo por uma de suas portas, pode causar um acidente. Por esse motivo, o estado das portas deve ser monitorado para que se condicione o comando dos motores do trem com o fechamento completo das portas. Analogamente ao exemplo do torno, mais importante do que condicionar o movimento do trem com o estado das portas, é condicionar a abertura das portas com o movimento do trem, ou seja, no caso de uma abertura indevida de portas com o trem em alta velocidade, as consequências de um acidente são muito mais catastróficas. Portanto, além do monitoramento do estado das portas, é de suma importância monitorar o giro do motores, informando de forma segura ao sitema de controle de portas, de que o trem não se encontra em movimento e dessa maneira seja autorizada a abertura das portas de uma estação. Um outro desafio de engenharia, neste contexto, é como fazer com que essa leitura de velocidade seja “entregue” de forma segura, com a menor possibilidade de falha possível. É neste ponto que os conceitos de equipamento “ Fail-Safe " são utilizados. Segundo Freitas (2008), o princípio básico do conceito de projeto “ Fail- Safe ”, de que falhas simples não podem causar acidentes catastróficos, pode ser verificado através da análise de que nenhuma falha simples leve à ocorrência do evento topo. Isso é feito por meio da análise dos “conjuntos de corte mínimos”. Um conjunto de corte mínimo é a menor combinação de falhas de itens (de hardware ou de software) que, se todas ocorrerem, causarão a ocorrência do evento topo. (UNITED STATES NUCLEAR REGULATORY COMMISSION, 1981).
3. FUNDAMENTOS TEÓRICOS
3.1. ANÁLISE DE SEGURANÇA
A análise de segurança serve para a identificação e caracterização dos perigos, para tomar ações necessárias para resolver os perigos identificados, verificação e validação. (BOMBARDIER, 2010).
- Identificação dos perigos – nesta fase, deverá ser desenvolvida uma lista com os perigos identificados para os sistemas dentro do escopo do projeto.
- Caracterização dos perigos – todos os riscos identificados devem sofrer uma classificação inicial de acordo com a sua severidade e probabilidade de ocorrência. Estes dois fatores em conjuntos definirão o índice de risco. Além do índice de risco, informações adicionais a respeito do perigo como descrição e efeitos no sistema deverão ser providenciadas.
- Ações necessárias para resolver os perigos identificados – após a identificação de todos os riscos (dentro do escopo definido) e a pré classificação dos mesmos, ações devem ser definidas (quando necessárias) para minimizar a severidade ou a probabilidade de ocorrência dos riscos, sendo que o objetivo final é atingir um índice de risco aceitável. Juntamente com as ações, um responsável também deve ser definido. As ações podem ser testes, análises ou verificações de projeto, por exemplo.
- Verificação – todas as ações definidas para lidar com os riscos devem ser verificadas para garantir que os objetivos estão sendo alcançados (redução dos riscos à um nível aceitável). Caso as ações não sejam efetivas, novas ações deverão ser realizadas de acordo com o processo já descrito. Uma vez que as ações gerem os resultados esperados, os riscos deverão ser re-classificados com os novos resultados, de forma a comprovar que os mesmos estejam dentro dos níveis aceitáveis.
- Validação – todos os passos descritos acima deverão sofrer um processo de validação. Os processos de execução e validação da análise deverão ser realizados por equipes diferentes, de forma a garantir a necessária independência no processo de análise de segurança como um todo.
3.1.1. ANÁLISE DO MODO, EFEITOS E DA CRITICIDADE DAS FALHAS (FMECA)
“Segundo SEIXAS (2002, b), a FMECA consiste de uma metodologia para examinar todos os modos de falha de um sistema (produto, processo e serviço), o efeito potencial da falha sobre o desempenho e segurança do sistema e a severidade desse efeito.” “Segundo SEIXAS (2002, b), a diferença entre FMEA e FMECA é que a primeira é uma técnica qualitativa utilizada na avaliação de um projeto, enquanto a segunda é composta do FMEA e da Análise Crítica (CA). A Análise Crítica é basicamente um método quantitativo o qual é usado para classificar os modos e efeitos de falhas críticas levando em consideração sua probabilidade de ocorrência.” Existem quatro tipos de FMECA:
- FMECA de Sistema – usada para analisar sistemas e subsistemas em seus conceitos iniciais e na fase de projeto. A FMECA de sistema é focada nos modos de falhas potenciais entre as funções do sistema causados por deficiências deste sistema.
- FMECA de Projeto – usada para analisar produtos antes que eles sejam liberados para início de produção. A FMECA de Projeto é focada em modos de falhas causados por deficiências do projeto.
- FMECA de Processo – usada para analisar processos em produção. A FMECA de Processo é focada nos modos de falha causada por deficiências no processo de produção.
- FMECA de Serviço – usada para analisar serviços antes que eles atinjam o cliente. A FMECA de Serviço é focada em modos de falhas causados por sistemas ou processos deficientes. Neste trabalho será utilizada a FMECA de sistemas de forma simplificada para identificar potenciais efeitos de falhas na segurança da unidade de “ Fail-Safe ” de processamento de velocidade. Para o desenvolvimento da FMECA, deve-se entender o que se espera do equipamento, em relação ao que ele desempenhará e ao que ele não desempenhará. Quanto melhor for a definição das características do equipamento, mais fácil será a identificação dos tipos de falhas potenciais e a definição de ações corretivas. As necessidades e as expectativas do cliente poderão ser determinadas
devem ser descritas todas as maneiras pelas quais o subcomponente em análise pode deixar de desempenhar sua função. Segundo HELMAN e ANDREY (1995), alguns modos de falhas gerais são: aberto, desbalanceado, poroso, encurtado, excêntrico, rugoso, deformado, mal montado, trincado, desalinhado, omitido e medidas em excesso. O campo “Efeitos” exibe os efeitos dos modos de falhas citados no parágrafo anterior. Os efeitos das falhas são as formas como os modos afetam o desempenho do sistema, do ponto de vista do cliente. De acordo com HELMAN e ANDREY (1995), alguns efeitos típicos em máquinas são: esforço de operação excessivo, vazamento de ar, funcionamento ruidoso, desgaste prematuro, consumo excessivo, baixa resistência, vapores tóxicos e escasso rendimento. O campo “Modo de Detecção” corresponde ao índice que avalia a probabilidade da falha ser detectada antes que o produto seja liberado para a produção. Deve-se assumir que a falha ocorreu, independente do índice de ocorrência. No campo “Gerenciamento de Falha” deve-se listar todos os efeitos possíveis para cada tipo de falha. Os efeitos devem ser claros e listados de forma a permitir a definição de ações corretivas para cada um deles. Um modo de identificar claramente as causas raízes ou reais de um problema, é utilizar as ferramentas da qualidade que possuem esta finalidade como o Diagrama de Ishikawa ou a análise dos “5 porquês”. Como exemplos de causas típicas de falhas, podem-se citar: especificação incorreta de material, vida do projeto assumida de forma inadequada, capacidade insuficiente de lubrificação e instrução inadequada de manutenção. Assim como exemplos de mecanismos típicos de falhas: fadiga, instabilidade do material, atrito, desgaste e corrosão.
3.1.2. ANÁLISE DA ÁRVORE DE FALHAS
Um método bastante utilizado para avaliar a confiabilidade dos sistemas é a FTA (Fault Tree Analysis) ou Análise da Árvore de Falhas. Sua utilidade consiste em determinar as causas de uma falha ou de um evento indesejável como a ocorrência de um acidente a partir de seus sintomas, relacionando-os com os componentes subsistemas ou eventos que poderiam tê-los causado. Segundo Martha Souza, este
método é considerado como uma ferramenta de dedução a partir da representação gráfica do “caminho” percorrido pela falha, resultando em uma análise que pode ser qualitativa ou quantitativa. Na montagem da árvore de falhas, há uma lógica a ser observada, pois um sintoma necessariamente tem um número finito e conhecido de causas, as quais, para máquinas, podem ser pesquisadas e determinadas com precisão, (conhecendo ao menos seu diagrama de blocos). Ainda, segundo os autores da área, o objetivo da construção de qualquer diagrama do tipo árvore é elaborar uma estrutura lógica para definir sua “raiz”, a origem do problema. Ao fazer uma análise para o FMECA, o mesmo se apresenta deficiente em não determinar os efeitos quando vários modos de falha ocorrem simultaneamente. A FTA, sendo iniciada pelo sintoma da falha, realiza a prospecção de suas prováveis origens levando em conta a necessidade da combinação de eventos anteriores para ocorrer o evento indesejável. Por este motivo, o método tem sua notação, constituído de símbolos que representam diferentes tipos de eventos e diferentes combinações possíveis dos mesmos portões lógicos, como mostra a Figura 2. Segundo Martha Souza, a construção da FTA segue três etapas: 1 – Elaboração do diagrama; 2 – Análises qualitativas e 3 – Análise quantitativa. Mas isto não é um procedimento rígido e, conforme a necessidade, os passo 2 e 3 pode coexistir. Martha Souza (2005)determina que [..] a origem do problema corresponde à parte qualitativa da análise. A FTA permite ainda calcular a probabilidade da ocorrência do evento falha denominado evento terminal, a partir dos vários eventos iniciais, desde que seja conhecida a probabilidade de falha de cada um dos componentes candidatos a causar o evento terminal.