Edição 229 - Controle & Instrumentação

Revista Controle & Instrumentação – Edição nº 229 – 2017

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Metrologia e garantia de qualidade na indústria 4.0

O primeiro a decretar a utilização de um padrão único para as medidas foi o Faraó Khufu. O padrão escolhido por ele foi feito de granito preto, chamado de ”Cúbito Real Egípcio” e seu comprimento era equivalente a distância do cotovelo até a ponta do dedo médio do faraó. O padrão foi muito eficiente pois garantiu que a base da Grande Pirâmide (2900 AC) fosse perfeitamente quadrada - o comprimento de cada lado não se desviou mais que 0,05%.

Hoje, o Bureau International des Poids et Mesures (BIPM) localizado em Sevres, França, é a instituição de máxima referência em metrologia no estabelecimento das grandezas e dos padrões metrológicos, bem como do Sistema Internacional de Unidades, o SI. O BIPM tem como missão assegurar e promover a comparação global entre as medições, incluindo o provimento coerente de um sistema internacional de unidades para descobertas e inovações científicas, manufatura industrial e comércio internacional, acrescentando-se a sustentabilidade da qualidade de vida e do meio ambiente global.

O BIPM define a metrologia como “a ciência da medição que abrange determinação experimental e teórica, em qualquer nível de incerteza e em qualquer campo da ciência e da tecnologia”. Outros dois importantes documentos internacionais, um da Organisation Internationale de Métrologie Légale (OIML) denominado Considerations for a Law on Metrology e o outro do BIPM, o Vocabularie Internationale de Métrologie (VIM), definem a metrologia como a ciência da medição e a sua aplicação cujo objetivo primeiro é fornecer confiabilidade, credibilidade, universalidade e exatidão às medidas.

E a metrologia faz parte da maioria dos processos de tomada de decisão no comércio, indústria, meio ambiente e saúde. Dela depende o sucesso econômico – que depende da manufatura e do comércio precisamente elaborados e de produtos e componentes convenientemente testados; os sistemas de navegação por satélite e a correlação internacional de tempo; a saúde humana - que depende criticamente da capacidade de um diagnóstico preciso, que vem da medição de equipamentos confiáveis; os consumidores precisam confiar nas quantidades fornecidas – seja de uma bomba de combustível ou de um pacote de arroz. A metrologia é essencial quando se trata de competitividade no mercado, uma vez que ela agrega valor ao produto. Existem diversas formas de medições que podem ser realizadas, e bom que seja assim pois a multiplicidade de métodos de medição de um mesmo item aumenta a confiabilidade dos resultados – quando seguidas as normas e padrões internacionais acordados. Os países têm sua base metrológica nos Institutos Nacionais de Metrologia (INM) como o National Institute of Standards and Technology (NIST) nos Estados Unidos, o Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) na Alemanha, o National Physical Laboratory (NPL) na Inglaterra, o Laboratoire National D’Essais (LNE) na França, e o Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia (Inmetro), no Brasil.

Os INM possuem corpo técnico de pesquisadores de excelência e de infraestrutura que lhes permite o desenvolvimento de pesquisas utilizadas em tecnologia de ponta fundamentais. Esforços internacionais têm sido feitos para definir, no futuro, todas as unidades fundamentais, como por exemplo, o segundo, o metro, o quilograma e o ampère, em função de constantes físicas, de modo a torná-las independentes de artefatos. Exemplo disso são as pesquisas para substituir a definição da unidade de massa, ainda hoje, o padrão físico “quilograma padrão” existente no BIPM - os experimentos com número de Avogadro e com a balança de Watt são os fundamentos da nova definição do quilograma. Eles representam duas possibilidades independentes para a nova definição – que deve ser divulgada em 2018. Caminha-se para um sistema único internacional, o que é desejável, uma vez que este pode impactar os setores industrial, científico, tecnológico e comercial. Para a indústria, os benefícios se refletem na eficiência da produção e na melhoria da qualidade. A aceitação de produtos no mercado externo é facilitada quando se tem estabelecido um sistema nacional de medição competente, cuja rastreabilidade e reconhecimento internacional estejam consolidados.

“Os acordos de reconhecimento mútuo entre organismos de acreditação são uma das formas mais efetivas de facilitar a eliminação de reavaliações nos países importadores, problema identificado pela Organização Mundial do Comércio (OMC) como umas das maiores barreiras técnicas ao comércio. O Inmetro, juntamente com organismos de acreditação congêneres de outros países, vem buscando estabelecer, por meio de cooperações regionais e internacionais, acordos que possam promover a confiança daqueles que se utilizam dos resultados dos processos de avaliação da conformidade.

Os acordos de reconhecimento mútuo entre organismos de acreditação, serão, cada vez mais, ferramentas facilitadoras do comércio e uma base técnica para os acordos de comércio exterior entre governos”, afirma Newton Bastos, Gerente de Contas Presys Instrumentos e Sistemas e diretor da Remesp.

Todo esse processo de unificação torna-se ainda mais importante quando o mundo começa a entrar em nova era na forma de fazer – produtos, serviços e negócios: a era da quarta revolução industrial, ou Indústria 4.0, baseada em conectividade.

“A proposta de se trabalhar com a Indústria 4.0 será a total conectividade dos calibradores utilizados com o sistema de calibração, além da troca de informações entre sistemas como o Isoplan e os ERPs. Esta solução refere-se a Metrologia 4.0, onde a metrologia será inteligente e em rede e que engloba as principais inovações tecnológicas. Graças aos conectores USB, à porta Ethernet e ao sistema de Wi-Fi os calibradores poderão ser conectados diretamente a softwares como o Isoplan para troca de informações de TAGs, dados de calibração, procedimentos, tarefas, vídeos. Aliado ao software de calibração, esse sistema permitirá obter e processar resultados de medição com maior facilidade reduzindo erros e aumentando a produtividade”, explica Newton Bastos.

Indústria 4.0 e a Internet Industrial das Coisas (IIoT) são termos que com frequência aparecem juntos quando se fala do futuro da produção, do trabalho e dos negócios. Isso porque os dois estão intimamente ligados já que o aumento da interconectividade que vem com a IIoT é um componente-chave para as fábricas inteligentes.

A mudança de paradigma resultante terá um impacto profundo em todos os aspectos do setor de fabricação, desde processos inteiros, passando por máquinas-ferramentas até metrologia e calibração por conta da tecnologia de sensores que nos permite coletar muito mais dados; no futuro, poderemos ter a medição de 100% do que for importante, o que significa que os dados para a garantia da qualidade e todos os parâmetros críticos não serão mais adquiridos por amostragem, mas por cobertura. Isso será uma mudança radical no controle de qualidade, porque dessa forma poderemos trabalhar muito próximos dos limites de tolerância.

Com toda a tecnologia e dados disponíveis, estratégias inteligentes e adaptativas de qualidade serão implementadas, como as estratégias de emparelhamento – pouco utilizada porque as pessoas não gostam de sua abordagem matemática. As estratégias de emparelhamento são uma opção óbvia se nem todos os componentes produzidos forem capazes de atender às tolerâncias especificadas.

Dessa forma, os dados serão cada vez mais adquiridos na própria linha de produção – e já se nota um movimento para incluir mais metrologia em linha e instrumentos de medição integrados ao processo que permitam minimizar os laços de controle. Com a medição acontecendo diretamente no processo, aumenta a demanda de metrologia aplicada em linha. Esse cenário eleva a metrologia a um negócio de projeto, fator de competitividade.

Esse movimento muito visível na indústria de processo pode não ser tão óbvio na manufatura já que há certa dificuldade de transformar uma máquina-ferramenta numa máquina de medição apenas com aplicação de sensores. Os custos são elevados e existem muitos fatores de interferência, como temperatura ou sujeira. Sem contar que peças cortadas em metais exigem um alto grau de precisão de medição. Some-se a isso o fato de que os usuários querem uma estrutura metrológica independente, que permita que as medidas sejam tomadas em paralelo à usinagem - medição simultânea. Mas empresas como a Bosch já utilizam esse procedimento mesmo para produtos de alta precisão como injetores.

A tecnologia possibilita que os sensores individuais sejam substituídos por redes de sensores - infraestrutura essencial para o uso de medidas inline com eficiência máxima. Se chegar a esse ponto, é possível uma fusão de dados de vários sensores, levando a um resultado metrológico mais amplo. E quando se fala em dados, a pré-condição básica é uma arquitetura de software harmonizada.

Dessa forma, a pirâmide de automação clássica está desaparecendo e fazendo com que o MES, que opera próximo ao processo, ganhe importância cada vez maior inclusive pela grande aceitação do padrão OPC / UA.

Ressalte-se que nem tudo precisa ser feito em tempo real. E de fato não é. Testes e calibrações ainda são frequentemente realizados de maneira tradicional, no final da cadeia de processo. Isso, em todo o mundo. Na Europa, o que domina são plantas mais antigas então, predominam os testes offline e se começa a equipar as linhas existentes com tecnologia de sensores. Na China, as plantas greenfield são idealizadas com grandes quantidades de tecnologia de sensores, já na “onda” da Indústria 4.0.

“Com a indústria 4.0 juntamente com o conceito de IoT, a otimização dos processos de calibração pode proporcionar ganhos na qualidade e lucratividade dos processos industriais. Dados e relatórios emitidos em tempo real permitem a verificação regular dos instrumentos padrões utilizados no processo fabril, avaliando tendências dos valores medidos e antecipando informações de possíveis falhas. Processos de calibração tradicionais onde antes a intervenção do técnico era necessária, são realizadas automaticamente neste conceito, diminuindo drasticamente retrabalhos consequentes de falha humana. Um ponto importante a ser destacado é sobre a capacitação dos profissionais que antes atuam nos processos de calibração tradicionais. Neste novo contexto, técnicos de calibração desempenharão cada vez menos o papel operacional, assumindo um perfil analítico e tornando-se fundamentais na avaliação dos resultados e tendências fornecidos em tempo real”, comenta Eric Bizarro, coordenador do Laboratório de Metrologia da Yokogawa América do Sul.

“Os dados provenientes de uma calibração, o controle de uma ou mais variáveis do processo, o controle metrológico dos instrumentos de medição, esses sim podem e devem se beneficiar da indústria 4.0. Uma vez que na indústria 4.0 esse controle e a comunicação passam a ser on line, utilizando-se da comunicação sem fio e da agilidade nas transmissões dessas informações, permitindo a rastreabilidade e monitoramento dessas medições remotamente por meio de diversos sensores distribuídos ao longo da planta industrial. Com relação a metrologia e indústria 4.0, o Brasil está só iniciando”, pontua o professor titular de metrologia do IFRJ, Alexandre Mendes.

O que é preciso notar é que essa “febre” baseada em sensores e dados deve aumentar a complexidade das fábricas aumentando, assim, o mercado de serviços de calibração e reparação – segundo recente estudo da Frost & Sullivan. O estudo conta, ainda, que a demanda por serviços avançados de calibração e reparação está sendo impulsionada por uma maior conectividade nas indústrias de usuários finais, como a automotiva, bem como a crescente penetração de produtos complexos nas indústrias aeroespacial e de defesa.

O mesmo estudo prevê que o mercado europeu passará de US $ 1,51 bilhão - em 2015 - para US $ 2,12 bilhões em 2022, com uma taxa de crescimento anual de 5%. O levantamento da Frost & Sullivan ressalta que a complexidade dos produtos inteligentes requer um nível superior de testes e atenção aos detalhes no estágio de projeto, intensificando a demanda por instrumentação sofisticada e precisa. Também identifica a automação de serviços de calibração e reparação como forte tendência porque a automação aumenta a consistência dos resultados e reduz os custos de calibração e tempo de reparo.

O estudo da Frost & Sullivan ressalta que, nos próximos 15 anos, a divisão entre inspeção tradicional e inspeção inline pode quase não existir mais já que as tecnologias vão gerar novas oportunidades para fabricantes de medição industrial, com inovações em produtos, softwares, processos de inspeção e TI que devem reinventar as atuais soluções.

Bom lembrar que o termo medição industrial no levantamento se refere a tecnologias como metrologia dimensional, monitoramento de condição, testes não destrutivos, instrumentação analítica e ferramentas de teste de materiais usadas para inspeção de qualidade, tecnologias usadas em diferentes estágios dos processos. Com o aumento da conectividade, surgiu e vem crescendo a medição industrial orientada para TI, integrando dados de medição de todo o processo e disponibilizando-os aos formadores de KPIs e tomadores de decisão. Essa integração reforça a garantia de qualidade em toda a organização, incluindo fornecedores, materiais recebidos e produção.

E ainda deve acontecer um salto na inspeção de qualidade com a combinação de software intuitivo e computação em nuvem. Porque a inteligência e a conectividade dos softwares de medição industrial permitem uma nova gama de serviços que podem ser agrupados em monitoramento, controle, otimização e autonomia, onde cada uma dessas etapas é valiosa e define a plataforma para a próxima: os recursos de monitoramento são a base para controle de medição, otimização de processos e autonomia. Então, um fornecedor de medição industrial deve escolher a combinação certa para gerar maior valor ao cliente. “A principal importância das ações de Calibração, será a de agregar qualidade aos serviços prestados, fornecendo suporte para a qualificação de equipamentos e validação de processos e principalmente dar atendimento e conformidade com as normas de qualidade, segurança e meio ambiente que a empresa busca atender. Além é claro, de dar sustentabilidade do negócio, devemos ter a disponibilidade de mão de obra, de equipamentos e serviços que agreguem valor na produção e o conceito do departamento de manutenção se transformar em parte integrante da produção, se possível com um forte Controle Estatístico de Calibrações em tempo real, no andamento da calibração”, destaca Newton.

“A calibração é indispensável para garantir a melhor performance de um instrumento utilizado dentro do processo produtivo e assegurar um bom nível de qualidade do produto final. A garantia de que o processo de medição esteja dentro de limites pré-estabelecidos e assegurando que o produto final atenda ou supere a expectativa dos clientes é endossada pelo processo de calibração. Além disso, ela deve ser compreendida não somente como um simples requisito para atender normas de qualidade, mas também como um fator determinante para garantir competitividade no mercado atual. A Yokogawa possui um laboratório no Brasil acreditado ao INMETRO de forma a proporcionar aos nossos clientes produtos com um alto nível de qualidade” comenta Eric Bizarro.

Grande parte dos países utiliza a maneira convencional de ramificar a rastreabilidade pela formação de redes nacionais de calibração e de ensaios, principalmente no que se refere às grandezas físicas. No Brasil, a Rede Brasileira de Calibração (RBC) e a Rede Brasileira de Laboratórios de Ensaios (RBLE), criadas pelo Inmetro, vêm atuando desde o início da década de 1980. Desta forma, os padrões nacionais fornecem rastreabilidade aos padrões de referência ou de trabalho dos laboratórios acreditados e estes aos padrões e instrumentos de medição utilizados nas indústrias. Atualmente existem 346 laboratórios acreditados integrando a RBC e laboratórios acreditados integrando a RBLE, segundo a revisão mais recente da Norma ABNT NBR ISO/IEC 17025. E o acordo de reconhecimento mútuo estabelecido pelo CIPM MRA propicia que os certificados de calibração emitidos por esses laboratórios sejam aceitos em qualquer dos 38 países membros da Comissão do Metro.

Newton Bastos, ressalta aqui a importância de se utilizar as palavras certas.

Ele destaca que se deve saber a diferença entre calibração, aferição, medição, com definições estabelecidas pelo VIM – Vocabulário Internacional de Metrologia – Portaria INMETRO 029 de 10/03/1995 onde calibração é uma operação que estabelece, numa primeira etapa e sob condições especificadas, uma relação entre os valores e as incertezas de medição fornecidos por padrões e as indicações correspondentes com as incertezas associadas; numa segunda etapa, utiliza esta informação para estabelecer uma relação visando à obtenção de um resultado de medição a partir de uma indicação.

Já o termo aferição não existe mais no VIM, tendo sido substituído por calibração.

E foi inserido o termo ajuste, que é o conjunto de operações efetuadas em um sistema de medição, de modo que ele forneça indicações prescritas correspondentes a determinados valores de uma grandeza a ser medida.

O professor Alexandre, resume: “Calibração é o processo no qual você obtém as características metrológicas de um instrumento de medição confrontando-o com um padrão. A característica mais marcante e que não pode faltar numa calibração é a Incerteza de medição do instrumento. Sem ela, uma calibração não é considerada uma calibração. O documento decorrente de uma calibração é o certificado de calibração. Aferição é uma palavra em desuso e que não consta no VIM, logo não devemos utilizá-la. Mas, no passado, era utilizada para designar verificação (ato de determinar o erro ou a tendência de um instrumento de medição). E medição é o ato de obter o valor quantitativo atribuído a uma grandeza. A metrologia, definida como a ciência das medições, é de fundamental importância para o processo produtivo, uma vez que só produzimos medindo e medindo com confiabilidade metrológica. Numa produção industrial devemos ter a otimização dos processos. Produzir melhor, com mais eficiência e a menor custo. Isso só é possível com processos controlados e calibrados.”

Diferente da metrologia legal, a metrologia industrial e científica é voluntária e muitas calibrações são baseadas em normas técnicas, também de caráter voluntário. Mas deve-se ressaltar a crescente procura e importância dada aos serviços acreditados de calibração e ensaios. E vale também ter em mente a diferença entre calibração, teste e validação!

Uma calibração é um processo que compara um conhecido (o padrão) contra um desconhecido (o dispositivo do cliente). Durante o processo de calibração, o deslocamento entre esses dois dispositivos é quantificado e o dispositivo do cliente é ajustado de volta à tolerância (se possível). Uma calibração verdadeira geralmente contém os dados “conforme encontrado” e “como à esquerda”.

A incerteza de medição deve constar também porque é um parâmetro, associado ao resultado de uma medição, que caracteriza a dispersão dos valores que poderiam razoavelmente ser atribuídos ao mensurando. O resultado de uma calibração permite a atribuição de valores ou mensurandos às indicações ou a determinação de correções em relação às indicações. Uma calibração também pode determinar outras propriedades metrológicas, como o efeito das quantidades de influência. O resultado de uma calibração pode ser gravado em um documento chamado às vezes de certificado de calibração ou de relatório de calibração.

Bizarro ressalta que a busca por produtos finais de alta qualidade e especificações cada vez mais atraentes ao consumidor final tem motivado industrias a investirem na acreditação de seus processos de calibração, de forma a obter maior credibilidade em seus processos produtivos. “Práticas e procedimentos são padronizados pela ISO/IEC 17025 e metodologias de cálculos de incerteza de acordo com EA- 4/02 – Expressão da Incerteza de medição na Calibração”.

Newton lembra que existem várias normas que a indústria em geral precisa atender com seus processos de fabricação com a calibração de instrumentos. “Dentre as muitas, podemos citar: ANSI ISA 62.382 – Norma para calibração em Malhas; Art. 480 – RDC 17 – Informa ações e necessidades de calibração dos instrumentos. A principal é a ISO IEC 17.025, onde alguns itens devem ser observados com atenção por um sistema de gestão metrológica.

A Validação e Verificação/Confirmação de desempenho - itens 5.4.2 e 5.4.5 da ISO/IEC 17025:2005; Cálculo de Incerteza - item 5.4.6 da ISO/IEC 17025:2005; Controle de Qualidade - item 5.9 da ISO/IEC 17025:2005; Conteúdo de Certificado de Calibração - item 5.10.2 e 5.10.4 e 5.10.7 da ISO/IEC 17025:2005; Capacitação Profissional – item 4.1.5 e 4.1.6 da ISO/IEC 17025:2005”.

Um teste é a operação técnica que consiste na determinação de uma ou mais características de um determinado produto, processo ou serviço de acordo com um procedimento especificado. E inspeção é uma avaliação da conformidade, medindo, observando, testando ou avaliando as características relevantes, atividade como medir, examinar, testar ou avaliar uma ou mais características de uma entidade e comparar os resultados com os requisitos especificados, a fim de determinar se a conformidade é alcançada para cada característica.

A certificação é um procedimento pelo qual um laboratório interno ou externo fornece garantias escritas de que um produto, processo ou serviço está em conformidade com os requisitos especificados. A verificação é uma conformação por exame e fornecimento de provas objetivas de que os requisitos especificados foram cumpridos. E a validação é a confirmação por exame e fornecimento de provas objetivas de que os requisitos específicos para um uso específico previsto estão preenchidos.

No Brasil, as redes de metrologia tiveram como base o programa de Tecnologia Industrial Básica (TIB), cujo objetivo foi organizar, expandir e melhorar a infraestrutura tecnológica necessária a uma indústria moderna ante a abertura de mercados. Em países cujo idioma é o inglês, pode-se encontrar a denominação MSTQ –Metrology, Standardization, Testing and Quality management.

Apesar de, na origem histórica, essas disciplinas serem relativamente independentes, um dos motivos para a construção do conceito da TIB foi o de proporcionar a consistência e a articulação dessas ferramentas entre si com o propósito de serem utilizadas de maneira eficiente. E, de fato, medição, normalização, ensaios e gestão da qualidade estão direcionados aos produtos e processos.

O Brasil é um dos países cujo sistema de TIB está integrado em uma mesma estrutura, o Sistema Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial (Sinmetro) e assim, o desenvolvimento da infraestrutura tecnológica tem dado suporte às atividades produtivas.

De acordo pesquisa da Marketsandmarkets sobre o “Mercado de serviços de calibração por segmentos de serviço (elétrico, mecânico, físico / dimensional, termodinâmico), por tipo (laboratórios internos, OEM, serviços de terceiros), por indústria e geografia de usuários finais - Previsão Global para 2013 - 2020 “, o mercado total foi avaliado em US$ 3.410,00 milhões em 2013 e deve atingir US$ 5.580,00 milhões até 2020, com um crescimento de 6.99% entre 2014 e 2020. Outro levantamento mostra que o mercado global para serviços de calibração deve chegar a US$7,4 bilhões até 2022, impulsionado pela crescente adoção de metrologia na fabricação.

Pode-se ver no dia a dia que a calibração vem crescendo apesar da turbulência econômica em todo o mundo – uma abordagem útil quando as empresas querem maximizar a produção global mantendo a infraestrutura existente nas melhores condições, com foco na manutenção preventiva e preditiva. O professor Alexandre acredita que a consciência da importância da metrologia nas indústrias vem crescendo cada vez mais, os processos e sistemas de medição, a utilização e analise de certificados de calibração, bem como melhores técnicas de medição, mais confiáveis e consequentemente mais criteriosas do ponto de vista metrológico vem se ampliando. “No momento, devemos investir mais na formação de recursos humanos em metrologia. A Sociedade Brasileira de Metrologia, na qual faço parte, está elaborando um projeto juntamente com o Mackenzie para oferecer em 2018 um curso de especialização a distância em metrologia. Nosso objetivo é disseminar a cultura metrológica formando, neste caso, especialistas em metrologia”. Segundo Newton Bastos, no Brasil, a inserção da calibração automática está crescendo face a demanda por redução de custos e agilidade no processo de calibração; internacionalmente, muitas empresas já atuam neste mercado. Os cenários se multiplicam e torna-se mais complexo compreender as consequências das mudanças para os fabricantes de tecnologia de medição industrial. Porque o futuro se desenrola em ambientes de maior risco e incerteza e, para vencer neste ambiente, fabricantes e usuários precisam de novo e maior rigor analítico.