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Automação e Controlo de um Sistema de Armazenamento de Bicicletas, Teses (TCC) de Gestão Ambiental

Instituto Superior de Educação de Garça (ISEG)Gestão Ambiental

Este documento discute sobre a automação e controlo de um sistema de armazenamento de bicicletas, incluindo a história do conceito de compartilhar bicicletas, diferentes configurações do sistema bikedispenser, e a proposta de um modelo para um protótipo do sistema de armazenamento inteligente. O documento também aborda a identificação do utilizador e o movimento automático de bicicletas.

Tipologia: Teses (TCC)

2023

Compartilhado em 02/01/2024

ri-ss-6 🇧🇷

2 documentos

1 / 111

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bg1

INSTITUTO SUPERIOR DE ENGENHARIA DE LISBOA

Departamento de Engenharia Mecânica

ISEL

Automação e controlo de um sistema de armazenamento

de bicicletas

PAULO ANDRÉ GUIA SILVA GONÇALVES

(Licenciado em Engenharia Mecânica)

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre

em Engenharia Mecânica

Orientadores:

Doutor Mário José Gonçalves Cavaco Mendes

Licenciado Luis Afonso Melo

Júri

:

Presidente: Prof. Doutor João Carlos Quaresma Dias

Vogais:

Prof. Doutor José Alberto de Jesus Borges

Prof. Nuno Paulo Ferreira Henriques

Prof. Doutor Mário José Gonçalves Cavaco Mendes

Prof. Luís Afonso Melo

Dezembro de 2011

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INSTITUTO SUPERIOR DE ENGENHARIA DE LISBOA

Departamento de Engenharia Mecânica

ISEL

Automação e controlo de um sistema de armazenamento

de bicicletas

PAULO ANDRÉ GUIA SILVA GONÇALVES

(Licenciado em Engenharia Mecânica)

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Orientadores:

Doutor Mário José Gonçalves Cavaco Mendes

Licenciado Luis Afonso Melo

Júri:

Presidente: Prof. Doutor João Carlos Quaresma Dias

Vogais:

Prof. Doutor José Alberto de Jesus Borges

Prof. Nuno Paulo Ferreira Henriques

Prof. Doutor Mário José Gonçalves Cavaco Mendes

Prof. Luís Afonso Melo

Dezembro de 2011

v

AGRADECIMENTOS

É com muita satisfação que expresso aqui o mais profundo agradecimento a todos aqueles que

tornaram este trabalho possível.

Gostaria antes de mais agradecer ao Professor Mário Mendes, orientador desta dissertação, pelo seu

apoio, disponibilidade e incentivo, demonstrados desde o início, e essenciais ao desenvolvimento deste

trabalho.

Gostaria também de agradecer ao Professor Luís Melo, co-orientador desta dissertação, pelo seu apoio,

pelas suas sugestões e conhecimentos de motores, essenciais ao desenvolvimento do projecto.

Ao Professor Joaquim Infante Barbosa pelo seu apoio e esclarecimentos dados a nível da estrutura.

Ao Eng.º Vitor Medeiros e ao Eng.º Henry Simões da Infaimon pelos esclarecimentos prestados sobre

os sistemas de visão artificial.

À minha família que sempre me acompanhou durante a minha vida académica, por todo o apoio,

motivação e incentivo que sempre me deram para seguir em frente.

À Rita, por todo o carinho, motivação, compreensão, apoio e ajuda dados. Simplesmente pela pessoa

especial que é para mim.

Aos meus amigos mais próximos pela força e motivação.

vii

RESUMO

A crescente procura da bicicleta como meio de transporte alternativo torna relevante a criação e

desenvolvimento de infra-estruturas de apoio, tais como ciclovias e parques para bicicletas.

Os sistemas tradicionais de parqueamento de bicicletas com recurso a correntes e cadeados não

fornecem segurança nem comodidade. No entanto, começam a surgir, em várias cidades do mundo,

parque automáticos onde é possível guardar uma bicicleta em segurança, protegendo-a quer das

intempéries quer de actos de vandalismo.

Este trabalho apresenta uma proposta para um parque automático de armazenamento de bicicletas,

com recurso a caixas individualizadas que garantem a sua segurança, e também de outros bens que

podem ser guardados junto da mesma, como por exemplo um capacete ou uma mochila.

O sistema proposto no âmbito deste trabalho é um complemento às alternativas existentes. As

vantagens apresentadas pelo sistema proposto são: a sua construção modular e personalizada; e a

possibilidade de instalação num terreno plano, sem recurso a obras de construção civil.

O objectivo foi criar um projecto de automação e controlo de um protótipo, com base na proposta

apresentada. O projecto de automação e controlo engloba a escolha dos sensores e dos actuadores.

Para o dimensionamento dos motores foi necessário recorrer a um cálculo simplificado da estrutura do

robô manipulador. Foi feita a escolha dos sensores, actuadores e do controlador com base nos

requisitos funcionais. A programação foi desenvolvida numa linguagem normalizada.

O modelo desenvolvido poderá servir de base para um projecto multidisciplinar entre vários

departamentos do Instituto e dessa cooperação poderá surgir um novo projecto optimizado para

produção e de menor custo.

PALAVRAS-CHAVE: Automação, Parque automático de bicicletas, Mobilidade sustentável,

Autómatos programáveis, Sensores, Actuadores.

xi

SÍMBOLOS E ABREVIATURAS

Abreviaturas

AR/RS - Automated Storage and Retrieval Systems.

CPU - Central processing unit.

FDB - Function Diagram Blocks.

GPRS/3G - General packet radio service/3ª Geração.

GRAFCET - Gráfico Funcional de Comandos Etapa-Transição.

HDPE - High density polyethylene.

HMI - Human-Machine Interface.

I/O - Input/Output.

ID - Identification Number.

IDAE - Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energia.

IEC - Internacional Electrotechnical Commission.

IL - Instruction List.

ISEL - Instituto Superior de Engenharia de Lisboa.

LAD - Ladder Diagram.

MA - Módulos de armazenamento.

NA - Normalmente aberto.

NF - Normalmente fechado.

PLC - Programmable logic controller.

PID - Proportional integral derivative.

PIN - Personal Identification Number.

PROFIBUS - Process Field Bus.

PROFINET - Process Field Ethernet

RFID - Radio frequency Identification.

SFC - Sequential Function Chart.

ST - Structured Text.

UA - Unidade de armazenamento.

VEF - Variador electrónico de frequência.

ZED - Zona de entrega/devolução.

xiii

xvii

xix

1. INTRODUÇÃO ÍNDICE GERAL
- 1.1. ASPECTOS GERAIS
- 1.2. OBJECTIVO DO TRABALHO
- 1.3. ESTRUTURA E ORGANIZAÇÃO DA DISSERTAÇÃO
1. PARQUES AUTOMÁTICOS DE BICICLETAS PELO MUNDO: ESTADO DA ARTE
- 2.1. INTRODUÇÃO
- 2.2. INCENTIVOS AO USO DA BICICLETA
- 2.3. BIKE-SHARING
- 2.4. SISTEMAS DE ARMAZENAMENTO AUTOMÁTICO DE BICICLETAS
  - 2.4.1. Biceberg
    - 2.4.1.1. Descrição.........................................................................................................................................................
    - 2.4.1.2. Funcionamento
    - 2.4.1.3. Instalação e recursos necessários.....................................................................................................................
    - 2.4.1.4. Vantagens e limitações
  - 2.4.2. B-Igloo
    - 2.4.2.1. Descrição.........................................................................................................................................................
    - 2.4.2.2. Funcionamento
    - 2.4.2.3. Instalação e recursos necessários...................................................................................................................
    - 2.4.2.4. Vantagens e limitações
  - 2.4.3. Cycle Tree – Multi-Level Mechanical Bicycle Parking System...........................................................
    - 2.4.3.1. Descrição.......................................................................................................................................................
    - 2.4.3.2. Funcionamento
    - 2.4.3.3. Vantagens e limitações
  - 2.4.4. Bikedispenser
    - 2.4.4.1. Vantagens e limitações
- 2.5. ARMAZÉNS INTELIGENTES...........................................................................................................................
  - 2.5.1. Funcionamento....................................................................................................................................
- 2.6. CONCLUSÃO
1. SISTEMA PROPOSTO PARA ARMAZENAMENTO AUTOMÁTICO DE BICICLETAS
- 3.1. INTRODUÇÃO
- 3.2. ANÁLISE DAS NECESSIDADES
  - 3.2.1. Objectivo do Sistema
  - 3.2.2. Requisitos do sistema
  - 3.2.3. Utilizações Tipo e Locais de Instalação xiv
- 3.3. PROPOSTA DO SISTEMA
  - 3.3.1. Unidade de Armazenamento...............................................................................................................
  - 3.3.2. Módulos de Armazenamento
  - 3.3.3. Robô Manipulador
    - 3.3.3.1. Carris principais de movimento do robô (base do robô):
    - 3.3.3.2. Elevador:
    - 3.3.3.3. Plataforma superior:
  - 3.3.4. Módulo de recepção/entrega
  - 3.3.5. Configuração adoptada
- 3.4. CONCLUSÃO
1. DIMENSIONAMENTO DA ESTRUTURA DO ROBÔ MANIPULADOR
- 4.1. INTRODUÇÃO
- 4.2. PLATAFORMA SUPERIOR
  - 4.2.1. Cargas aplicadas
  - 4.2.2. Escolha dos componentes
  - 4.2.3. Determinação da potência motora necessária
  - 4.2.4. Cálculo aproximado da massa da plataforma superior
- 4.3. ELEVADOR
  - 4.3.1. Cargas aplicadas
  - 4.3.2. Escolha dos componentes
  - 4.3.3. Cálculo da potência necessária
  - 4.3.4. Cálculo aproximado da massa do elevador
- 4.4. BASE DO ROBÔ............................................................................................................................................
  - 4.4.1. Determinação das cargas aplicadas
  - 4.4.2. Escolha dos componentes
  - 4.4.3. Cálculo da potência necessária
- 4.5. CONCLUSÃO
1. DESENVOLVIMENTO DO SISTEMA DE CONTROLO
- 5.1. INTRODUÇÃO
- 5.2. ESCOLHA E SELECÇÃO DOS COMPONENTES DE ENTRADA E SAÍDA
  - 5.2.1. Variadores Electrónicos de Frequência
  - 5.2.2. Sensores
    - 5.2.2.1. Controlo do sistema em anel fechado
    - 5.2.2.2. Controlo com base em sensores fim de curso
  - 5.2.3. Módulo de fixação da UA
  - 5.2.4. Portas automáticas
  - 5.2.5. Sistema de pesagem
  - 5.2.6. Sistema de verificação do conteúdo da UA - 5.2.6.1. O problema da verificação do interior da UA xv - 5.2.6.2. Selecção do sistema de visão artificial
    - 5.2.7. Leitor RFID
    - 5.2.8. Autómato programável........................................................................................................................
      - 5.2.8.1. Lista de pontos
      - 5.2.8.2. Selecção do PLC
      - 5.2.8.3. Interface HMI (Human-Machine Interface)
- 5.3. INSTALAÇÃO ELÉCTRICA
- 5.4. DESENVOLVIMENTO DO PROGRAMA DE CONTROLO - 5.4.1. Descrição de funcionamento e lógica de controlo - 5.4.2. Estrutura e Organização do Programa de Controlo - 5.4.3. Lista de símbolos - 5.4.4. Exemplo de uma função
- 5.5. ENSAIO DO PROGRAMA
- 5.6. CONCLUSÃO
1. CONCLUSÕES GERAIS E TRABALHO FUTURO...................................................................................
- 6.1. CONCLUSÕES GERAIS
- 6.2. PRINCIPAIS PROBLEMAS
- 6.3. TRABALHOS FUTUROS
ANEXO I - CATÁLOGOS DOS FABRICANTES
ANEXO II - LISTAGEM DO PROGRAMA DE AUTOMAÇÃO E CONTROLO - AII-I- LISTA DE SÍMBOLOS - AII-II- OB1 “MAIN PROGRAM”........................................................................................................................ - AII-III- FC1 “FC_MOTOR_CONTROL” - AII-IV- FC2 “FC_COMPARE” - AII-V- FC3 “FC_SEARCH_EMPTY” - AII-VI- FC4 “FC_SEARCH_ID” - AII-VII- FC5 “FC_GO_POSITION” - AII-VIII- FC6 “FC_GO_HOME” - AII-IX- FC7 “FC_CHECK”........................................................................................................................... - AII-X- FC8 “FC_REGISTER” - AII-XI- FC9 “FC_OPERATION”.................................................................................................................. - AII-XII- DB1 “DB_DADOS”
Tabela 2.1 - Quadro síntese das características dos equipamentos estudados ÍNDICE DE TABELAS
Tabela 4.1 - Excerto da tabela de selecção de motores para o sistema DLS3
Tabela 4.2 - Cálculo da massa da plataforma superior
Tabela 4.3 - Características dos perfis de construção usados
Tabela 4.4 - Excerto da tabela de selecção do sistema HDSL para vida de 10000km
Tabela 4.5 - Características do motor do elevador.................................................................................................
Tabela 4.6 - Listagem de componentes e determinação da massa total do elevador
Tabela 4.7 - Características do sistema redutor+motor do robô
Tabela 5.1 - Características dos VEF escolhidos
Tabela 5.2 - Resumo da quantidade e tipo de sensores de fim de curso necessários
Tabela 5.3 - Principais características da garra HGPLE
Tabela 5.4 - Lista das características mais importantes do sistema AT12
Tabela 5.5 - Características do sistema de visão artificial Teledyne DALSA
Tabela 5.6 - Resumo das entradas e saídas necessárias para o PLC
Tabela 5.7 - Características técnicas do autómato e dos módulos adoptados
Tabela 5.8 - Descrição dos componentes usados na interface HMI
Tabela 5.9 - Descrição de funcionamento das funções usadas no programa de controlo.
Tabela 5.10 - Lista de símbolos
Figura 2.1 - Sistema de Bike-Sharing ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 2.2 - Modelos do sistema BiceBerg com capacidades desde 23 a 92 bicicletas
Figura 2.3 - Sistema de recepção e devolução de bicicletas do Biceberg em Barcelona
- prefabricadas e sua disposição. A direita, aspecto final da estrutura............................................................... Figura 2.4 - Estrutura subterrânea construída em placas de betão pré-fabricado. A esquerda, aspecto das placas
Figura 2.5 - Aspecto exterior do sistema b-igloo
Figura 2.6 - Esquema explicativo da constituição do sistema b-igloo
Figura 2.7 - Aspecto da zona de recepção e entrega das bicicletas.
Figura 2.8 - Vista do interior de um silo do sistema Cycle Tree............................................................................
Figura 2.9 -Parque de bicicletas na estação Kasai em Tóquio
Figura 2.10 - Vista exterior do sistema Bikedispenser
Figura 2.11- Diversas configurações do sistema Bikedispenser
Figura 2.12 - Armazém inteligente, com destaque para o robô transelevador
Figura 2.13 - Robô transelevador (a) e sistema de extracção lateral (b)
Figura 3.1 - Exemplos de configurações possíveis do sistema de armazenamento.
Figura 3.2 - Exemplo ilustrativo de uma unidade de armazenamento.
Figura 3.3 - Exemplo de um módulo de armazenamento.
Figura 3.4 - Caracterização dos componentes do robô manipulador.
Figura 3.5 - Localização da zona de recepção/devolução
Figura 3.6 – Configuração da estrutura adoptada - Vista em planta.
Figura 3.7 - Configuração da estrutura adoptada - Corte AA’.
Figura 3.8 - Configuração da estrutura adoptada - Corte BB’.
Figura 4.1 - Diagrama de forças da plataforma superior........................................................................................
Figura 4.2 - Exemplo de um actuador linear. Sistema DLS da Hepco...................................................................
Figura 4.3 - Diagrama de esforços do elevador
Figura 4.4 - Detalhe do sistema de transmissão linear.
Figura 5.1 - Várias etapas de projecto de um sistema de controlo
Figura 5.2 - Exemplo de um variador electrónico de frequência
Figura 5.3 - Esquema de ligações do VEF a esquerda e pormenor da ligação do controlo a dois fios
Figura 5.4 - Exemplo de um sensor mecânico de fim de curso
Figura 5.5 - Localização dos sensores X0 a X6 (vista em planta).
Figura 5.6 - Localização dos sensores Y1, Y01, Y2 e Y02.
Figura 5.7 - Localização dos sensores ZED, Z0 e Z1 (vista alçado).
Figura 5.8 - Exemplo de uma garra paralela industrial
Figura 5.9 – Exemplo dos dedos da garra e as suas posições de abertura e fecho (vista em planta). xx
Figura 5.10 - Explicação detalhada da montagem da garra no carrinho do actuador linear (alçado).
Figura 5.11 - Processo de fixação e deslocamento da UA.
Figura 5.12 - Célula de carga Siemens SIWAREX R - RN series
Figura 5.13 - Exemplo da distribuição das células de carga e dos estabilizadores................................................
- detecção de imperfeições (a esquerda) Figura 5.14 - Imagens obtidas por um sistema de visão artificial para verificação das dimensões (a direita) e
Figura 5.15 - Sistema de visão artificial Teledyna DALSA
Figura 5.16 - Bancada de ensaios com o controlador S7-314 IFM.
Figura 5.17 - Exemplo de interface com o utilizador.
Figura 5.18 – Circuito de potência e de comando do parque.
- de bicicletas. Figura 5.19 - Fluxograma que descreve o processo de funcionamento do parque automático de armazenamento
Figura 5.20 - Descrição da organização do ficheiro de base de dados
Figura 5.21 - Esquema de organização dos blocos dentro do programa principal.