O ajuste da pressão de trabalho da válvula fica em função de suas condições de operação. Observa-se no gráfico 5.7 que a pressão aumenta sensivelmente com o
aumento da vazão. Em circunstâncias de variação das condições operacionais e quando for necessário um controle rigoroso de pressão, recomenda-se realizar o controle através de um sistema de malha fechada, uma vez que a pressão não mantém seu valor inicial.
1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
VAZAO l/m
PRESSAO bar
Curva caracteristica vazao x pressao 0mA
200mA 400mA
Gráfico 5.7 Curva característica vazão x pressão
5.3 – ESPECIFICAÇÕES DOS COMPONENTES
Para utilização dos componentes utilizados no sistema hidráulico foi necessário conhecer as características de cada componente.
5.3.1 – MOTOR HIDRÁULICO
Figura 5.6 Motor Hidráulico
Características do motor hidráulico
CARACTERISTICAS DO MOTOR HIDRÁULICO
Óleo recomendado Óleo mineral recomendado 22 cSt
Volume 12,9 cm³
Pressão de trabalho P 60 bar
Pressão maxima admissível Pmax 140 bar
5.3.2 – BOMBA DO CIRCUITO HIDRÁULICO
Figura 5.7 Circuito hidráulico das bombas
Para funcionamento do sistema foram utilizadas 2 bombas de engrenagens tipo gerotor ligadas em paralelo conforme figura 5.7 para atender a necessidade do projeto,
CARACTERISTICAS DAS BOMBAS HIDRÁULICA
Óleo recomendado Óleo mineral recomendado 22 cSt
Vazão uma bomba 5,5 l/min
Vazão duas bombas 10,58 l/min
Pressão de trabalho P 60bar
Pressão maxima admissível Pmax 120bar
5.3.3 – POTÊNCIOMETRO
Figura 5.8 Potenciômetro
O potenciômetro linear manda informação de posição do cilindro para o CLP, variando de 0 a 10v, para referência da posição realizando as mudanças no modulo de set point.
5.4 – VELOCIDADE DA BROCA
Conforme se vai avançando para a fase de construção de bancada, o cálculo correto dentro da técnica da velocidade de trabalho das máquinas operatrizes torna-se necessário.
Como este tipo de dispositivo é empregado em sistemas de produção em série, a operação de furação precisa ser regulada de acordo com recomendação técnica para se obter o máximo de rendimento por peça.
Para furação do ferro fundido, utiliza-se brocas de aço rápido com ângulo de corte de 115º a 120º e 10mm de diâmetro, a velocidade ideal neste tipo de aplicação é 25 a 28m/min, conforme dados retirado do livro SALLES, HEMUS, 2003. Para determinar rotação utilizaremos a formula. Equação (1).
De acordo com a equação (1) a rotação de operação da furadeira será de 796 Rpm a 891Rpm. Pode-se escolher o menor ou o maior valor, ou ainda um número médio entre os dois. Se a broca for de aço rápido de alta velocidade, faz-se a opção sempre pelo maior número, caso contrário, adota-se menor.
5.5 – MÓDULOS ELETRÔNICOS E AMPLIFICADORES
Uma tensão elétrica atua sobre o amplificador operacional (no nosso caso, da ordem de 0V a +10V). O amplificador converte o sinal de entrada em corrente elétrica, a qual energiza o solenóide da válvula proporcional controlando proporcionalmente a abertura do carretel. A abertura da válvula produz a movimentação dos atuadores hidráulicos que, geralmente dispõe de sistemas de medição para monitorar seu deslocamento. Um sinal proveniente dos sensores indica a posição ou deslocamento dos atuadores ao sistema de controle, o qual é transferido por sinal elétrico a um controlador programável (CP) sem realimentação (malha aberta).
5.5.1 – MÓDULO DE SET POINT
As funções do módulo de set point estão descritas na especificação técnica na figura 5.10. Na figura 5.9 mostra foto ao lado da simbologia do módulo.
Figura 5.9 – Módulo de set point
Os elementos de controle e as funções do módulo de set point estão descritos abaixo de acordo com a figura 5.10.
Figura 5.10 Módulo set point Funções
As funções do cartão de setpoint são as seguintes:
• Gerar valores de setpoint analógicos
• Gerar rampa
5.5.2 – MÓDULOS DE AMPLIFICAÇÃO
As funções do módulo de amplificação estão descritas na especificação técnica na figura 5.12. Na figura 5.11 mostra foto ao lado da simbologia do módulo.
Figura 5.11 – Módulo de amplificação
Figura 5.12 Módulo de amplificação
As funções do cartão amplificador são as seguintes:
• Converter a tensão da fonte em corrente elétrica;
• Amplificar sinal de controle procedente do potenciômetro adequando-o para válvula de controle;
• Compensação de não linearidade do sinal de controle
5.6 – SISTEMA ELÉTRICO
O sistema elétrico representado pelo circuito da figura 5.13 mostra o funcionamento do sistema hidráulico de furação com seus componentes.
Figura 5.13 Sistema elétrico de comando
5.7 – DIAGRAMA DE BLOCOS
O diagrama de blocos representado pela figura 5.14 mostra o funcionamento do dispositivo de furação com seqüênciamento de operação.
Figura 5.14 Diagrama de blocos
5.8 – PROGRAMA LADDER
O CLP utilizado tem 4 entradas analógicas. Os sinais analógicos aplicados nas entradas são convertidos por conversor analógico-digital dentro de um valor com uma resolução de 10 bits (210 = 1024 – 2 = 1022). O valor digital utilizado que equivale ao sinal da entrada analógica é explicado a seguir:
- O valor digital proveniente do conversor analógico-digital está no range de 0 a 1022. A tensão de entrada pode estar em um range de +10V a -10V resultando na resolução de:
Resolução = 20V/1022 = 0,01957V
- A relação entre a tensão de entrada (valor analógico) e o intervalo (valor digital) é a seguinte:
Resolução * valor digital = valor analógico + 10, então:
Valor digital = 1022/20V * (valor analógico + 10) Exemplo:
- Para achar o valor digital de 0 V o cálculo será o seguinte:
Valor digital = 1022/20 * (0+10) = 511
- Para inserir este valor (0 V) em uma operação no programa ladder utiliza-se V511.
- O CLP utilizado tem 2 saídas analógicas. Os valores digitais são convertidos por conversor analógico-digital com uma resolução de 8 bits (28 = 256 – 2 = 254). O valor digital utilizado que equivale ao sinal de saída analógica é explicado a seguir:
- O valor digital para ser convertido deve estar na faixa de 0 a 254. A tensão de saída pode estar em um range de +10V a -10V resultando na resolução de:
Resolução = 20V/254 = 0,07874V
- A relação entre a tensão de saída (valor analógico) e o intervalo (valor digital) é a seguinte:
Resolução * valor digital = valor analógico + 10, então:
Valor digital = 254/20V * (valor analógico + 10) Exemplo:
- Para achar o valor digital de 0 V o cálculo é, Valor digital = 254/20 * (0+10) = 127
- Para inserir este valor (0 V) em uma operação no programa ladder utiliza-se V127, sendo “V” o designador de um valor constante.
O programa ladder representado pela figura 5.15 mostra seqüência lógica do CLP para controle do sistema hidráulico.
TOFF0 10s Timer
( )
S
( )
( )
S
( )
S
( )
S2 M_0
S1 M_1
M_14
M14_9
M14_8
> =
( )
< ( )
( )
> =
( )
< =
> = ( )
( )
R
( )
R
( )
R
M_1 _1S M_3 M_0 M_2
M_2
M_2 _1S M_4 M_0 M_3
V870
V625 M_3
M_3 _1S
V535
M_5 M_0 M_4
M_4
M_4
_1S
V900
M_6 M_0 M_5
M_5
M_5
_1S
V970
M_6
M_14
M14_9
M14_8 Comando de
parada
Comando de partida
Avanço sem carga
Região de furação
Retorno do cilindro
Redução de velocidade de
parada
Desativação do último passo
V210 TO REF_P
( )
> =
( ) /
( )
_1S
V625
M_4 _1S
V620
RAMPA
M_3 I_2
V127 TO REF_M
>
( )
TOFF0
M_3
M_7
V254 TO REF_M
( )
( )
M_7
M_2 I_1
L_3
( )
M_3
L1
M_2
M_3
M_4
M_5
L2
M_4
M_5
M_7
I_3 Sinal para recuo do
cilindro
Avanço sem carga
Sinal de referência da região de
operação
Sinal de comando para fechar válvula
de alívio
Sinal de referência fora de operação
Ativação da função rampa do motor
Sinal binário para ativação de set
point
Retorno velocidade reduzida w5=0,1v
( )
Figura 5.15 Programa Ladder
5.8.1 – LISTA DE ALOCAÇÃO DO PROGRAMA LADDER
Abs.Op./ Símb.Op. Comentário
O0.0 L1 LÂMPADA SINALIZAÇÃO REGIÃO TRABALHO
O0.1 L2 LÂMPADA SINALIZAÇÃO REGIÃO TRABALHO O0.2 L3 LÂMPADA SINALIZAÇÃO REGIÃO TRABALHO O0.3 RAMPA RELÉ DE ATIVAÇÃO RAMPA VÁLVULA PRESSÃO
O0.4 I_1 SETPOINT AVANÇO W2 = -10V O0.5 I_2 SETPOINT RETORNO W3 = 10 VOLTS O0.6 I_3 SETPOINT VELOC.REDUZIDA W5 = 0.1 VOLT I0.0 S1 BOTÃO DE PARTIDA
I0.1 S2 BOTÃO DE PARADA F0.0 M_0 SINAL DE PARADA
F0.1 M_1 MEMÓRIA SINAL DE PARTIDA F0.2 M_2 MEMÓRIA DE AVANÇO SEM CARGA F0.3 M_3 MEMÓRIA REGIÃO DE FURAÇÃO F0.4 M_4 MEMÓRIA DE RETORNO DO CILINDRO
F0.5 M_5 RETORNO DO CILINDRO VELOCIDADE REDUZIDA F0.6 M_6 SINAL DE DESENERGIZAÇÃO ÚLTIMO PASSO F0.7 M_7 MEMÓRIA PARA RECUO DO CILINDRO F14.0 M_14 SINAL HABILITAÇÃO SENSOR POSIÇÃO
F14.8 M14_8 SINAL HABILITAÇÃO VÁLVULA LIMITADORA PRESSÃO F14.9 M14_9 SINAL HABILITAÇÃO SAÍDA MOTOR
R48 REF_P SINAL REFERÊNCIA PRESSÃO OPERAÇÃO R49 REF_M SINAL PARA MOTOR ELÉTRICO
R50 _1S SENSOR DE POSIÇÃO ANALÓGICO TOFF0 TEMPORIZADOR PARA RETORNO CILINDRO.
5.9 – CIRCUITO HIDRÁULICO DO DISPOSITIVO DE FURAÇÃO
.
M
1A
2A
0M1 0P1
0V1
0Z1 0Y
0Z2 0V2
65bar 60bar
1Y1 1Y2 2Y
1S
P T 1V3 A B
P T 2V1 A B
Figura 5.16 Circuito Hidráulico da Furadeira
5.9.1 – DESCRIÇÃO DOS EQUIPAMENTOS
0M1= Motor elétrico de acionamento da bomba hidráulica 0P1 = Bomba hidráulica
0V1 = Válvula de alívio 0Z1 = Filtro
0Z2 = Manômetro
0V2 = Válvula de alívio proporcional
0Y = Solenóide proporcional para controle da válvula de alívio 1V3 = Válvula direcional proporcional do cilindro hidráulico 1Y1 = Solenóide proporcional de avanço do cilindro
1Y2 = Solenóide proporcional de retorno do cilindro 2V1 = Válvula direcional proporcional do motor hidráulico
2Y = Solenóide proporcional de acionamento do motor hidráulico 1A = Cilindro de avanço e retorno da broca
2A = Motor hidráulico da rotação da broca 1S = Sensor de posição do cilindro hidráulico.
CAPÍTULO VI – CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES
6.1 – CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL: CONTEXTUALIZAÇÃO
O objetivo inicial do projeto era o de se utilizar o controle de velocidade do cilindro em malha fechada utilizando a estratégia de controle proporcional integral derivativo (PID). Após várias tentativas de elaboração do programa ladder deparou-se com algumas limitações do CLP, o qual não trabalha com números reais. Quando ocorre a realimentação, o valor de entrada analógica é comparado com o valor de referência para gerar uma saída também analógica (erro).
Contudo, como a resolução do módulo de entradas analógicas (10 bits) é diferente da resolução do módulo de saídas analógicas, não se pôde, com este modelo de CLP, gerar um sinal proporcional de realimentação. O valor digital após a conversão fica com um range de 0 a 1022. Como o erro é obtido nessa resolução de 10 bits, precisou-se converter este valor para a resolução da saída analógica que é de 8 bits. O range do valor digital da saída analógica antes da conversão para valor analógico novamente é de 0 a 254. Encontrou-se então um fator de 4,02 (1022 dividido por 254) para ser usado na divisão com o valor do erro gerado.
Tentou-se utilizar um temporizador para armazenar este valor e posteriormente efetuar a divisão através do programa ladder, mas o tempo ajustado no temporizador tem que ser um valor absoluto e não aceita, portanto, o valor de 4,02 necessário para a compatibilização do sinal que será enviado ao sistema pela saída analógica. Devido a esta característica do CLP não pode-se prosseguir com esta idéia inicial.
6.2 – FLUXÔMETRO
Pela inexistência no laboratório de hidráulica de um transdutor de vazão analógico e compatível com a vazão da bancada experimental foi instalado na linha de saída da válvula reguladora de vazão o rotâmetro, para realização dos
testes. No entanto, não foi obtida a precisão desejada nas respostas de medição da vazão. Os valores apresentados em algumas das planilhas foram observados através de um visor analógico do equipamento enquanto se variava a tensão através do módulo eletrônico.
6.3 – OBSERVAÇÕES A SEREM CONSIDERADAS
Este trabalho monográfico teve uma meta quando foi planejado. O seu objetivo foi alcançado com sucesso quando o processo de furação controlado por CLP efetivou sua operação de usinagem. Apesar de, a princípio, a meta fosse ter controle de posição e velocidade, o que não foi conseguido por motivos já relatados, as expectativas foram atendidas e superadas quando os resultados coletados forneceram uma gama de informações aos participantes que estiveram envolvidos na elaboração do projeto e um conhecimento significativo.
Uma melhoria para o futuro será a troca para um CLP que opere com números reais e contenha um algoritmo PID interno, com isso possibilitando o controle de todo o sistema em malha fechada.
Sugerimos a utilização de uma bomba de maior pressão, pois a utilizada no projeto limita-se a pressão máxima de 60bar, o que diminui a possibilidade de precisão e aumenta o atraso de resposta do sistema. Os manifolds foram um fator prejudicial causando perda de carga principalmente quando várias linhas eram conectadas a um ponto comum.
A observação do funcionamento do sistema foi um diferencial para comprovação das teorias relacionadas ao projeto e a prática do funcionamento, em que se observou a necessidade da coleta dos dados e organização de gráficos e planilhas dos valores em cada fase do processo.
CAPÍTULO V – BIBLIOGRAFIA
Referências Bibliográficas
WARNOCK, I.G. de. Programmable Controllers – Operation and Application.
Prentice Hall Europe, 1997.
SIMPSON, C. D. de. Programmable Logic Controllers. NJ.Regentes/ Prentice Hall. 1994.
CORRETI, J.A. de. Manual de Treinamento Básico de Controlador Programável. Sertãozinho, Centro de Treinamento SMAR. 1998.
SALLES, Lauro C. de. Manual Prático do Mecânico. Hemus 8ª Edição.
MORRE, J.A. de. Digital Control Devices, Equipments and application. ISA Press. 1986.
VIANNA, William S. de. Controlador Lógico Programável. Campos dos Goytacazes: CEFET, 2000.
BRAVO, Rafael de. Introdução à Hidráulica Proporcional. Campos dos Goytacazes: CEFET, 2004.
WWW.google.com/ senai/ctai/artigos/revista20032/rev4 10/08/2005
VON, Irlan L. Fundamentos de Sistemas Hidráulicos UFSC Florianópolis, 18p. (2003).
ANEXO I
7.1 – TABELAS COM DADOS DOS GRÁFICOS OBTIDOS NOS TESTES DE BANCADA.
VALORES DA VÁLVULA DIRECIONAL 3 POSIÇÕES HISTERESE SOLENÓIDE A
W1(V) 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0 IB(Ma) 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 60bar AVANÇO. 0.0 0.0 0.13 0.63 1.47 4.31 6.61 7.0 7.0 7.0 7.0 60 bar RECUO. 0.0 0.0 0.20 0.79 2.11 5.4 7.0 7.0 7.0 7.0 7.0
Anexo 5.1
VALORES DA VÁLVULA DIRECIONAL 3 POSIÇÕES HISTERESE SOLENÓIDE B
W1(V) 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0 IB(mA) 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 60bar AVANÇO. 0.0 0.0 0.0 0.45 1.26 3.88 6.66 6.95 6.97 6.97 6.97 60 bar RECUO. 0.0 0.0 0.32 0.9 2.12 5.09 6.97 6.97 6.97 6.97 6.97
Anexo 5.2
Anexo 5.3
VAZÃO X TENSÃO DA VÁLVULA PROPORCIONAL DIRECIONAL P - A
W1(V) 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0 IB(mA) 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 20 Bar 0.0 0.0 0.04 0.59 1.21 2.30 4.35 4.94 5.1 5.1 5.1 30 Bar 0.0 0.0 0.05 0.78 1.62 3.11 6.13 7.05 7.15 7.15 7.15
Anexo 5.4
HISTERESE DA VÁLVULA DE ALÍVIO PROPORCIONAL
W1(V) ( - ) 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0 IB(mA) 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 P FECHANDO 14.6 14.6 20.2 31.1 41.6 51.4 59.1 60.0 60.0 60.0 60.0 P ABRINDO 14.3 14.7 22.6 34.0 45.4 53.5 59.5 60.0 60.0 60.0 60.0
Anexo 5.5
VALORES DA VALVULA DIRECIONAL ALÍVIO: VAZÃO X PRESSÃO
VAZÃO (L/min) 1.0 2.0 3.0 4.0
PRESSÃO (bar) 5.5 6.9 8.7 11.9 IA= 0mA
PRESSÃO (bar) 14.0 15.5 17.6 20.0 IA=200mA
PRESSÃO (bar) 35.9 37.4 39.8 43.2 IA=400mA
Anexo 5.6
HISTERESE DA VÁLVULA PROPORCIONAL DIRECIONAL P - T (MOTOR)
W1(V) ( - ) 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0 IB(mA) 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 60bar AVANÇO. 0.0 0.0 0.32 1.04 2.4 4.34 8.18 9.18 9.82 9.82 9.82 60 bar RECUO. 0.0 0.0 0.65 1.82 3.06 6.13 9.18 9.34 9.82 9.82 9.82