PROJETO DE MODERNIZAÇÃO DA JIGA DE ENSAIOS DE DISPOSITIVOS MECÂNICOS DE SOBREVELOCIDADE DE TURBINAS

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LUCAS BÚRIGO ESPÍNDOLA

PROJETO DE MODERNIZAÇÃO DA JIGA DE ENSAIOS DE

DISPOSITIVOS MECÂNICOS DE SOBREVELOCIDADE DE

TURBINAS

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PROJETO DE MODERNIZAÇÃO DA JIGA DE ENSAIOS DE

DISPOSITIVOS MECÂNICOS DE SOBREVELOCIDADE DE

TURBINAS

Trabalho de Conclusão de Curso do curso de Engenharia Mecatrônica do Instituto Federal de Santa Catarina.

Orientadora:

Profa. Dra. Cynthia Beatriz Scheffer Dutra

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PROJETO DE MODERNIZAÇÃO DA JIGA DE ENSAIOS DE

DISPOSITIVOS MECÂNICOS DE SOBREVELOCIDADE DE

TURBINAS

Este trabalho foi julgado adequado para obtenção do título de Engenheiro Mecatrônico em 19/02/2021 e aprovado em sua forma final pela banca examinadora do Curso de Engenharia Mecatrônica do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa Catarina.

Florianópolis, 19 de fevereiro, 2021.

Banca Examinadora:

________________________________ Cynthia Beatriz Scheffer Dutra, Profa. Dra. Eng.

________________________________ Adriano Regis, Prof. Me. Tecn.

________________________________ Eduardo Yuji Sakurada, Prof. Dr. Eng.

________________________________ Tiago Nunes de Sousa, Eng. Mec.

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AGRADECIMENTOS

Agradeço aos meus pais pelo apoio nesta etapa, à minha namorada, Ana, pelo apoio em todos os momentos e auxílio na construção deste trabalho. Agradeço à Reivax pela oportunidade de realizar este projeto. Agradeço aos colegas da Reivax que me auxiliaram no desenvolvimento deste projeto, em especial à equipe de software que sempre prestou todo o suporte necessário para o desenvolvimento do programa deste projeto. Agradeço ao IFSC e seu corpo docente por todos os ensinamentos que me possibilitaram chegar até aqui, em especial à minha orientadora por todo o suporte durante o desenvolvimento deste trabalho. E por fim agradeço aos amigos e colegas que de alguma forma me auxiliaram no desenvolvimento deste projeto, em especial ao colega Felipe que acompanhou o desenvolvimento deste projeto desde o início.

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EPÍGRAFE

“O universo que observamos possui exatamente as propriedades que deveríamos esperar se houvesse, no início das coisas, nenhum designer, nenhum propósito, nenhum mal ou bondade, nada, apenas indiferença cega e implacável. “ Richard Dawkins

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RESUMO

Neste projeto de engenharia, em parceria com a empresa Reivax, empresa de tecnologia com foco em controle e automação de usinas, levantou-se necessidades de modernização para a máquina de ensaios para dispositivos mecânicos de sobrevelocidade, realizando a automação do equipamento. A principal demanda do maquinário era a falta da automação, tornando o processo lento e repetitivo. Para solucionar essa demanda, desenvolveu-se um conjunto de melhorias para a jiga de testes de dispositivos de sobre velocidade mecânicos para turbinas, automatizando o processo do ensaio, tornando-o mais rápido e eficiente. Essas melhorias consistem na utilização de novo sensoriamento de deslocamento do pêndulo, além da automação dos processos de partida e parada da máquina. Com a aplicação dessas soluções, obteve-se redução de tempo e assertividade nos ensaios, garantindo melhores resultados e relatórios técnicos com maior qualidade.

Palavras-chave: Modernização. Automação. Engenharia. Turbinas. Ensaios de sobrevelocidade.

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ABSTRACT

In this engineering project, in partnership with the company Reivax, technology company with focus on power plant control and automation, the modernization necessities for the testing machine for overspeed mechanical devices were identified, carrying out the automation of the equipment. The main demand of the machinery was the lack of automation, making the process slow and repetitive. To solve this demand, a set of improvements was developed for the mechanical over speed devices for turbines test jiga, automating the test process, making it faster and more efficient. Those improvements consist in the use of a new pendulum movement sensor, in addition to the automation of the starting and stopping processes of the machine. With the application of such solutions, it obtained gains in time and assertiveness in the tests, ensuring better results and technical reports with higher quality.

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Matriz elétrica nacional 2017 ... 12

Figura 2 - Dispositivo mecânico de sobrevelocidade ... 14

Figura 3 - Pêndulo mecânico de sobrevelocidade ... 15

Figura 4 - Máquina de ensaios de sobrevelocidade ... 16

Figura 5 - Desenho do equipamento ... 16

Figura 6 - Comportamento da deformação de uma mola ... 18

Figura 7 - Posicionamento do sensor fim-de-curso ... 19

Figura 8 - Exemplo de instalação de sistema de monitoramento de velocidade ... 22

Figura 9 - Motor de indução ... 23

Figura 10 - Representação do campo magnético girante em três instantes diferentes de tempo: (a) tempo t1, (b) tempo t2, (c) tempo t3 ... 24

Figura 11 - Diagrama de Blocos de um inversor de frequência... 25

Figura 12 - Retificação de uma onda senoidal ... 25

Figura 13 - Inversor Ageon ... 26

Figura 14 - Controlador CPX Can 3.0 ... 27

Figura 15 - Diagrama de blocos ISO02 ... 27

Figura 16 - Interface xVision ... 29

Figura 17 - Interface SEC ... 30

Figura 18 - Estrutura do laboratório ... 32

Figura 19 - Estrutura da máquina ... 33

Figura 20 - Painel ... 33

Figura 21 - Suporte mecânico ... 37

Figura 22 - Montagem do suporte ... 38

Figura 23 - Novo modelo de suporte ... 39

Figura 24 - Diagrama da aplicação ... 39

Figura 25 - Potenciômetro deslizante ... 40

Figura 26 - Aplicação simplificada ... 41

Figura 27 - Aplicação com ISO02 ... 42

Figura 28 - Aplicação com o potenciômetro ... 43

Figura 29 - Características do inversor ... 45

Figura 30 - Tela setup ... 46

Figura 31 - Tela gráficos ... 47

Figura 32 - Tela Operação ... 48

Figura 33 - Modelo IHM ... 49

Figura 34 - Configuração da IHM ... 50

Figura 35 - Configuração de variável ... 50

Figura 36 - Simulação tela gráficos ... 51

Figura 37 - Ensaio com ISO02 e multímetro ... 53

Figura 38 - Ensaio operacional ... 55

Figura 39 - Instalação do suporte ... 56

Figura 40 - Procedimento de salvamento de gráficos ... 57

Figura 41- Fluxograma de testes ... 60

Figura 42 – Comparativo ... 62

Figura 43 - Painel atualizado ... 64

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LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Tabela de fatores de correção ... 22

Tabela 2 - Comparativo entre ESP32 e ESP8266 ... 28

Tabela 3 - Seleção de equipamentos ... 34

Tabela 4 - Seleção de sensores ... 35

Tabela 5 - Seleção da alimentação ... 36

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SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO ... 12

1.1. Contextualização ... 12

1.1.1. O setor de geração de energia ... 12

1.1.2. A empresa ... 12

1.1.3. Segurança nas usinas ... 13

1.1.4. Definição do problema ... 14 1.2. Justificativa ... 20 1.3. Objetivos ... 20 1.3.1. Objetivo geral ... 20 1.3.2. Objetivo específico ... 20 2. DESENVOLVIMENTO ... 21 2.1. Fundamentação teórica ... 21

2.1.1. Sistemas de monitoramento de velocidade ... 21

2.1.2. Motores Elétricos ... 23

2.1.3. Inversor de frequência ... 25

2.1.4. Controlador programável - CPX Can 3.0 Reivax ... 26

2.1.5. Amplificador Isolador Configurável de três vias - ISO02... 27

2.1.6. Microcontrolador e Módulo WiFi - ESP32 ... 28

2.1.7. Software para IHM (Interface Homem Máquina) - xVision ... 29

2.1.8. Sistema de Edição de Configurações - SEC ... 29

2.2. Metodologia ... 31

2.2.1. Requisitos ... 31

2.2.2. Infraestrutura ... 32

2.2.3. Levantamento e seleção de equipamentos ... 34

2.2.4. Ensaios pré-operacionais ... 36

2.2.5. Desenvolvimento da solução ... 37

2.2.5.1. Escopo Mecânico ... 37

2.2.5.2. Escopo eletrônico... 39

2.2.5.3. Escopo de software Reivax ... 43

2.2.6. Ensaios para validação ... 50

2.2.6.1. Ensaios simulados ... 50

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2.2.7. Apresentação dos resultados ... 60

2.2.8. Análise e discussão dos resultados ... 65

3. CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 67

REFERÊNCIAS ... 68

APÊNDICES ... 70

APÊNDICE A – Fluxograma de operação ... 71

APÊNDICE B – Ensaios em Solidworks ... 73

APÊNDICE C – Desenho mecânico ... 81

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1. INTRODUÇÃO

1.1. Contextualização

1.1.1. O setor de geração de energia

Segundo o International Energy Agency (Agência Internacional de energia, IEA 2018) a matriz elétrica global ainda utiliza as fontes não renováveis como principal combustível para geração de energia. Por outro lado, segundo a Empresa de Pesquisa Energética (EPE 2017) a matriz elétrica brasileira tem a geração hidráulica como a principal fonte de energia elétrica. Dados da EPE (2018) indicam que 65% de toda matriz elétrica brasileira é baseada em hidrelétricas, como vemos na figura 1, com uma oferta total de 407,3TWh em 2017.

Figura 1 - Matriz elétrica nacional 2017

Fonte: Relatório síntese, EPE (2018).

1.1.2. A empresa

Dentro deste contexto, atua a empresa Reivax, parceira deste projeto. Nascida em abril de 1987, a Reivax iniciou suas atividades fornecendo equipamentos e serviços de controle e automação para máquinas síncronas, e em pouco tempo consolidou-se como uma referência no fornecimento de sistemas e soluções para o controle da geração de energia. Hoje, a Reivax é referência no fornecimento de

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Sistemas de Excitação para geradores e motores síncronos, além de Reguladores de Velocidade para turbinas hidrelétricas e a gás, além de soluções de automação para turbinas hidrelétricas.

A Reivax, além dos equipamentos puramente eletrônicos, desenvolve sistemas hidráulicos para as usinas, projetando desde válvulas distribuidoras de grande vazão até pequenas unidades hidráulicas para pequenas centrais hidrelétricas (PCHs).

1.1.3. Segurança nas usinas

Tendo estes dados em vista, pode-se observar a necessidade do desenvolvimento de tecnologias de segurança para as plantas de geração hidráulica. Com isso tem-se o desenvolvimento de dispositivos de segurança contra sobrevelocidade das turbinas hidráulicas, pois esta é uma das causas da redução da vida útil da máquina e de incidentes técnicos nestas plantas. Por sua vez, para o desenvolvimento destas tecnologias de forma segura, são projetados dispositivos de ensaio, a fim de validar estes equipamentos.

As primeiras proteções contra falhas de regulação de velocidade são eletrônicas, realizando a parada de máquina executando a lógica a partir do controlador da Reivax. Essa operação de forma resumida e genérica, realiza a lógica de ativação das bobinas eletrônicas das eletroválvulas do circuito de potência hidráulica. Essa operação realiza o fechamento ou desvio da tomada de água, eventualmente ativação de sistema de frenagem mecânica, realizando a parada da turbina.

Por fim, a última proteção da turbina, considerando uma situação onde há também falha elétrica no sistema, é o sistema mecânico de sobrevelocidade. Dentre estes sistemas, pode-se citar os dispositivos centrífugos. Estes dispositivos funcionam acoplados aos eixos das turbinas, deslocando uma massa devido à força centrífuga da rotação do eixo da turbina. Por sua vez, esta massa deslocada deverá atuar em um dispositivo de segurança eletrônico e hidráulico, baseado na lógica de funcionamento de cada usina.

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1.1.4. Definição do problema

Neste projeto, tem-se como o dispositivo centrífugo um pêndulo, que atua com a combinação de uma massa e uma mola. O deslocamento deste dispositivo aciona uma válvula hidráulica que atua sobre os sistemas de emergência da usina.

Figura 2 - Dispositivo mecânico de sobrevelocidade

Fonte: Reivax (2020).

O pêndulo, conforme observa-se na figura 2, encontra-se instalado em uma roda dentada, a qual por sua vez encontra-se fixada ao eixo da turbina de uma determinada usina hidrelétrica. Ao iniciar a operação da máquina, e por isso o giro da turbina, tem-se o deslocamento da massa do pêndulo, a qual move-se na direção do vetor normal do vetor velocidade da turbina. Pode-se de forma simplificada explicar que a massa do pêndulo se desloca devido à força centrífuga causada pela rotação da turbina. Observa-se a estrutura interna do pêndulo mecânico na figura 3.

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Figura 3 - Pêndulo mecânico de sobrevelocidade

Devido às diferentes características das turbinas existentes no mercado, o pêndulo fabricado pela Reivax foi desenvolvido para atender de forma mais que satisfatória e segura a necessidade de operação de cada usina. Para isso pode-se selecionar diferentes tipos de mola, adequando-se à operação de cada usina.

Tendo isso em vista e visando garantir que o produto selecionado através de cálculos matemáticos seja o mais adequado para a aplicação na usina, desenvolveu-se uma máquina para ensaios em fábrica. Esta máquina tem como o objetivo simular mecanicamente a rotação de uma turbina, sendo que foi projetada de forma a possibilitar a instalação do pêndulo em diferentes diâmetros, o que possibilita atender às características de diversas turbinas existentes no mercado. A rotação é feita por um motor trifásico acoplado ao suporte do pêndulo, o qual tem por objetivo posicioná-lo no diâmetro equivalente ao diâmetro de instalação do pênduposicioná-lo na usina. A máquina é apresentada na figura 4.

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Figura 4 - Máquina de ensaios de sobrevelocidade

Fonte: Departamento de Engenharia Mecânica Reivax (2020).

O pêndulo mecânico, conforme comentado anteriormente, é fixado a um suporte, o qual tem por objetivo posicioná-lo no diâmetro equivalente ao eixo de instalação na usina. O suporte consiste em uma pá com furações a cada 10mm onde o pêndulo pode ser instalado. Esta estrutura garante grande flexibilidade à máquina, atendendo diversos diâmetros de eixos de turbina. Observa-se a estrutura da máquina na figura 5.

Figura 5 - Desenho do equipamento

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Os parâmetros necessários para o início do ensaio devem ser fornecidos pelo cliente que está adquirindo o pêndulo mecânico da Reivax. As informações necessárias são: o raio de instalação do pêndulo, ou seja, a distância do ponto de instalação do pêndulo ao centro do eixo da turbina, a rotação nominal da turbina e por fim o percentual de sobrevelocidade admitido pela turbina. Com estes dados pode-se executar de forma adequada o ensaio.

Tendo conhecimento das velocidades e raio de instalação define-se a mola mais adequada para a aplicação. Esta decisão é feita baseando-se em estudo executado pelo departamento de engenharia mecânica da Reivax. Apresenta-se um exemplo deste estudo para um modelo de molas utilizado no pêndulo na figura 6. Observa-se que o deslocamento da massa, ou seja, a compressão da mola, é maior conforme mais veloz for a rotação. Além disso, observa-se que um eixo com maior diâmetro leva a um deslocamento maior da massa em relação ao aumento de velocidade. Esta situação é explicada com as equações de aceleração centrípeta, observando que há uma relação entre velocidade e raio da trajetória.

𝑨𝒄 = ((𝒘 ∗ 𝒓)²)/𝒓

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Onde:

Ac = Aceleração centrípeta (rad/s²) w = velocidade (rad/s)

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Figura 6 - Comportamento da deformação de uma mola

Fonte: Departamento de engenharia mecânica Reivax (2020).

Com o pêndulo instalado na posição indicada pelos dados fornecidos pelo cliente, deve-se ajustar a distância entre o pêndulo em posição de repouso e o sensor fim-de-curso. Este sensor tem como objetivo sinalizar a velocidade em que o pêndulo atinge o sensor. As distâncias de ensaio são definidas com os dados de sobrevelocidade da usina, utilizando as informações dos gráficos do comportamento da deformação de uma mola desenvolvidos pela Reivax. A sinalização é feita em um computador em um software projetado pela Reivax. Observa-se na figura 7 que o posicionamento do sensor é feito utilizando medidas padrão.

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Figura 7 - Posicionamento do sensor fim-de-curso

Feita a montagem aciona-se manualmente a máquina, que efetua a rotação do motor e, conforme a velocidade aumenta, ocorre o deslocamento da massa devido a deformação da mola. Ao atingir o fim de curso, o qual simula o gatilho do dispositivo de sobrevelocidade, a máquina deve ser desligada manualmente e em seguida deve ser feito o registro manualmente da velocidade em que o fim de curso foi atingido e a distância (Gap) pré-definida. Estes dados são obtidos através de duas entradas digitais, acionadas por um fim de curso mecânico e um sensor indutivo, sendo que os sinais são processados por um controlador programável desenvolvido pela Reivax, a CPXcan 3.0, e podem ser lidos na interface gráfica em um computador conectado à CPX Reivax.

Tendo em vista a forma de operação atual da máquina, percebe-se que existem oportunidades de automatizar os procedimentos para acelerar o ensaio, melhorar as condições para o operador e para garantir resultados mais assertivos, eliminando possíveis falhas humanas na análise dos dados obtidos pela máquina.

Com isto pode analisar as seguintes questões:

● Quais as etapas do ensaio trariam o maior ganho de tempo e assertividade ao serem automatizadas?

● Qual o ganho de tempo e assertividade após as etapas de automação do processo em comparação com o método manual existente?

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1.2. Justificativa

Tendo em vista a necessidade do desenvolvimento de tecnologias para proteção de sobrevelocidade de turbinas e o constante processo de automatização dos processos, observa-se uma demanda para a melhoria dos equipamentos de ensaio.

Visando garantir resultados assertivos, de forma rápida, tem-se como uma necessidade a modernização dos equipamentos utilizados para os ensaios dos dispositivos centrífugos de sobrevelocidade de turbinas. Este projeto, aplicando as técnicas de automação mais atuais, visa modernizar a jiga de ensaios de sobrevelocidade.

1.3. Objetivos

1.3.1. Objetivo geral

Automatizar os processos envolvidos no ensaio do dispositivo de sobrevelocidade da empresa Reivax.

1.3.2. Objetivo específico

Avaliar quais etapas dos ensaios no ensaio do dispositivo de sobrevelocidade da empresa Reivax tem a necessidade de automatização.

Aplicar melhorias em software e, caso necessário, em hardware, para automatizar os processos definidos como tendo necessidade de automatização.

Analisar os resultados do novo sistema em comparação com o antigo sistema manual, analisando a redução de tempo e assertividade dos ensaios.

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2. DESENVOLVIMENTO

2.1. Fundamentação teórica

2.1.1. Sistemas de monitoramento de velocidade

Os sistemas de monitoramento de velocidade de turbinas utilizados pela Reivax consistem, de forma simplificada, em uma roda dentada e sensores indutivos. Estes sensores atuam como sensores de presença, emitindo um sinal eletrônico ao controlador quando acionado. Segundo o fabricante Balluff (2020), o funcionamento destes sensores baseia-se no efeito da interação de campos eletromagnéticos e condutores metálicos. De forma mais detalhada, segundo Thomazini Daniel e de Albuquerque Pedro (2008), pode-se explicar seu funcionamento da seguinte forma:

A presença de um objeto altera esse campo e o circuito eletrônico do sensor pode descobrir a alteração. Um sensor de proximidade indutivo inclui um circuito oscilador LC, um comparador de sinal e um chaveador. A bobina deste circuito oscilador gera um campo eletromagnético de alta frequência. Esse campo é emitido à face do sensor. Se um objeto metálico se aproxima da face do sensor, são induzidas correntes de Foucault. As perdas resultantes tiram energia do circuito oscilador, reduzindo as oscilações. O comparador de sinal atrás do oscilador LC converte essa informação em um sinal bem definido.

Utiliza-se a roda dentada como elemento a ser lido pelos sensores. Observando que a roda possui ‘’dentes’’, ou seja, seu perfil possui vales e picos (ver figura 8), pode-se entender que a leitura de velocidade dos sensores consiste na interpretação da frequência em que cada sensor detecta os picos e vales da roda. Tendo conhecimento das dimensões da roda dentada e dos sinais dos sensores, o software Reivax calcula a velocidade em que a turbina está girando. Os dados de velocidade obtidos serão utilizados para a automação da usina, garantindo o funcionamento correto da unidade geradora.

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Figura 8 - Exemplo de instalação de sistema de monitoramento de velocidade

A roda dentada deve ser instalada ao eixo da turbina, por sua vez os sensores devem estar instalados em local próximo, garantindo que a distância entre os sensores e a roda se encontra adequada para a leitura dos sensores. Deve-se considerar as informações fornecidas pelo fabricante com relação às distâncias ideais para leitura do sensor, observando que, além da distância deve ser considerado o material da peça que está sendo lida, pois as características magnéticas dos materiais influenciam a leitura do sensor. Para exemplificar esta questão, observa-se a tabela 1, a qual apresenta os fatores de correção que devem ser aplicados para sete diferentes materiais, sendo que o material de referência é o Fe 360.

Tabela 1 - Tabela de fatores de correção

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2.1.2. Motores Elétricos

Os motores elétricos trifásicos são, dentro das categorias de máquinas elétricas, um dos componentes mais utilizados na indústria. No setor de geração de energia observa-se que a utilização deste tipo de máquina também é muito comum. Aplicam-se estes motores, por exemplo, nos conjuntos motobomba das unidades hidráulicas das usinas. Para este projeto, tem-se o motor trifásico como fonte do movimento de rotação da máquina.

Segundo Rodrigues Wlamir (2007), os motores elétricos têm como definição básica a transformação de energia elétrica em energia mecânica. Sua estrutura física de propulsão consiste em duas partes, o estator e o rotor. Além disso pode-se entender a estrutura mecânica de um motor elétrico a partir da figura 9:

Figura 9 - Motor de indução

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Observa-se que o funcionamento de motores trifásicos consiste na aplicação de uma tensão trifásica ao enrolamento trifásico do estator. Para melhor entendimento apresenta-se a figura 10. Esta tensão será responsável pela resposta de torque do motor. Para um melhor entendimento, segundo Del Toro (1999):

A aplicação de uma tensão trifásica ao enrolamento trifásico do estator do motor de indução cria um campo magnético girante que, por efeito de transformador, induz uma força eletromotriz de trabalho no enrolamento do rotor. a fem induzida no rotor é chamada de fem de trabalho porque faz uma corrente circular através dos condutores do enrolamento de armadura. Esta se associa com a onda de densidade de fluxo girante para produzir torque, de acordo com a Eq. (3-27). Consequentemente, podemos considerar o campo girante como a chave para a operação do motor de indução.

Figura 10 - Representação do campo magnético girante em três instantes diferentes de tempo: (a) tempo t1, (b) tempo t2, (c) tempo t3

Fonte: DEL TORO, V. Fundamentos de Máquinas Elétricas (1999).

Por sua vez, para complementar a explicação supracitada, entende-se como campo girante, segundo o Professor Joel Rocha Pinto da Faculdade de Engenharia de Sorocaba (2011), um campo magnético cujos polos com enrolamento estático,

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mudam de posição girando, na periferia da máquina. A partir destes conceitos pode-se entender o funcionamento deste tipo de máquina elétrica.

2.1.3. Inversor de frequência

O controle de velocidade do motor neste projeto é feito por um inversor de frequência do fabricante Ageon, com capacidade para operar motores de até 2 cv. Segundo Oliveira Wesley (2013), os inversores de frequência são equipamentos que têm como função transformar a tensão da rede, de amplitude e frequência fixas, em uma tensão de amplitude e frequência controláveis. Sua estrutura funcional consiste em 4 grandes blocos, o retificador, o filtro, o inversor e a unidade de controle; observa-se na figura 11 a estrutura do inversor.

Figura 11 - Diagrama de Blocos de um inversor de frequência

Fonte: WEG Automação. Guia de Aplicação de Inversores de Frequência (2019).

O primeiro bloco, denominado retificador, e considerando o mesmo como um retificador de onda completa, tem como objetivo retificar a tensão da fonte de alimentação do inversor, ou seja, tem como objetivo alterar o formato de onda, levando todas as ondas para os semiciclos positivos, invertendo as ondas do semiciclo negativo para o semiciclo positivo. observa-se um exemplo de retificação de uma onda senoidal por um retificador de onda completa, também conhecido como retificador em ponte na figura 12.

Figura 12 - Retificação de uma onda senoidal

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O segundo bloco, denominado filtro, que nivela a tensão de saída, fazendo com que esta tensão se aproxime de uma tensão de corrente contínua. O terceiro bloco consiste no inversor propriamente dito. Pode-se ver o modelo utilizado neste projeto na figura 13.

Figura 13 - Inversor Ageon

Fonte: Manual de Instruções Ageon Software: v2.5.1 (2020).

2.1.4. Controlador programável - CPX Can 3.0 Reivax

Será utilizado neste projeto o controlador programável desenvolvido e fabricado pela Reivax. Este equipamento denomina-se CPX Can, e é utilizado em processos de automação das usinas, sendo instalado em reguladores de tensão, reguladores de velocidade e reguladores síncronos. Segundo apresentado no Manual do Usuário deste equipamento:

O CPXCAN 3.0 é um módulo de aquisição, registro e controle desenvolvido para uso em reguladores de tensão e reguladores de velocidade, além de aplicações integradas de regulação e automação.

O modelo utilizado nesta aplicação é apresentado na figura 14. Este modelo foi atualizado para uma nova versão, porém as suas configurações superam todas as demandas de controle e automação necessários para este projeto. A interface do equipamento é composta pelos seguintes itens:

● 16 entradas analógicas, para medição de nível, posição, grandezas elétricas, entre outros;

● 8 saídas analógicas para atuadores e indicadores em painéis; ● 8 saídas PWM para acionadores IGBT e indicações através de

condicionamento;

● 6 entradas rápidas para medição de frequência;

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● 4 saídas digitais para atuação de dispositivos de chaveamento. ● Os seguintes canais de comunicação estão disponíveis:

● Ethernet;

● Serial 232 ou 485; ● CAN.

Figura 14 - Controlador CPX Can 3.0

Fonte: Autor (2020).

2.1.5. Amplificador Isolador Configurável de três vias - ISO02

O ISO02 é um amplificador e isolador analógico configurável de propriedade e projeto Reivax. O produto é amplamente utilizado nas soluções de automação de usinas da Reivax, mostrando-se como um equipamento eficiente e versátil para diversas situações. Conforme descrito no manual do usuário da Reivax:

Dentre inúmeras aplicações, o ISO02 pode ser utilizado em conjunto com medidores analógicos, registradores, controladores, inversores de freqüência, CLPs, controladores de processo, registradores gráficos, atuadores, transdutores, resistores shunt, etc.

A estrutura funcional do ISO02, apresentada em forma de um diagrama de blocos, permite entender o funcionamento do equipamento. Na figura 15 pode ser visto o diagrama de blocos supracitado.

Figura 15 - Diagrama de blocos ISO02

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Este equipamento possui a característica de poder trabalhar em diferentes configurações, sendo que o usuário poderá alterá-las por meio de chaves instaladas na placa do equipamento. Quanto a entrada tem-se as seguintes opções: -10V a 10V, 0V a 10V, 2V a 10V, -20mA a 20mA, 0mA a 20mA, 4mA a 20mA, 0V a 60mV e 0mV a 100mV. Para as saídas tem-se as seguintes configurações: -10 a +10 V e -20 a +20 mA, -5 a +5 V e -10 a +10 mA, 0 a +10 V e 0 a +20 mA, 2 a +10 V e 4 a +20 mA, 0 a +5 V e 0 a +10 mA, 0 a +2,5 V e 0 a +5 mA. Além disso, é possível selecionar dois tipos de filtros, sendo eles: Passa-baixa 100 Hz e Passa-baixa 100 Hz + Passa-baixa 30 Hz.

2.1.6. Microcontrolador e Módulo WiFi - ESP32

O ESP32 é um microcontrolador projetado e desenvolvido pela empresa chinesa ESPRESSIF SYSTEMS, a qual é situada em Shanghai. O módulo ESP32 é a evolução do antigo modelo de microcontrolador ESP8266 também desenvolvido e projetado pela ESPRESSIF SYSTEMS, porém trazendo diversas melhorias tecnológicas à placa. A tabela 02 apresenta os principais dados técnicos da placa ESP32, bem como um comparativo entre os dois modelos citados.

Tabela 2 - Comparativo entre ESP32 e ESP8266

Fonte: CNX Software (2016).

Dentre as características apresentadas na tabela 02 pode-se citar o grande avanço na capacidade de processamento do microcontrolador com a utilização de um processador Dual-core com arquitetura de 32-bit. Além disso, pode-se destacar que o módulo possui um processador auxiliar de baixo consumo de energia, utilizado para realizar tarefas como interagir com conversores ADC (Analogic Digital Conversor).

O microcontrolador possui módulos WI-FI e Bluetooth, os quais, segundo o fabricante e desenvolvedor ESPRESSIF:

O ESP32 pode funcionar como um sistema autônomo completo ou como um dispositivo escravo para um MCU hospedeiro, reduzindo a pilha de comunicação sobre o processador principal da aplicação. O ESP32 pode fazer interface com outros sistemas para fornecer funcionalidade Wi-Fi e Bluetooth através de suas interfaces SPI / SDIO ou I2C / UART. (traduzido do Inglês)

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2.1.7. Software para IHM (Interface Homem Máquina) - xVision

O xVision é uma ferramenta de manipulação de telas para construção de IHMs que funciona em plataformas Windows. Na figura 16, pode ser visto o aspecto geral da ferramenta. De forma resumida, o xVision é subdividido em dois softwares:

● xVision Edition: É a plataforma de configuração de telas.

● xVision RunTime: É o executável responsável por externar a IHM, que previamente foi montado na plataforma xVision Edition.

Figura 16 - Interface xVision

2.1.8. Sistema de Edição de Configurações - SEC

Para configurar as funcionalidades da CPX Can, a Reivax utiliza um software desenvolvido pela própria empresa, o qual é denominado Sistema de Edição de Configurações, usualmente chamado de SEC. Pode-se entender melhor a funcionalidade deste software a partir da descrição do catálogo da Reivax:

O programa destina-se a gerar um conjunto de arquivos de configurações do SBE. Estes arquivos são utilizados para configurar o Núcleo de Execução de Programas Aplicativos, identificar o Módulo de Aquisição Registro e Controle, configurar o Núcleo de Registro de Sinais, a Fila de Registros, o Núcleo de Registro de Eventos, Servidor de FTP e outras funções do SBE.

Além da característica de programação do SBE, é possível ainda utilizá-lo como ferramenta de depuração de programas aplicativos. Para isso o SEC apresenta as funções de visualização e ajuste de valores online.

O SEC é uma ferramenta de desenvolvimento que pode ser usado tanto para a criação de novos modelos ou para a manutenção dos mesmos.

A interface básica de projeto pode ser vista na figura 17. O programa é utilizado para desenvolver toda a lógica de controle do controlador projetado pela Reivax.

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Figura 17 - Interface SEC

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2.2. Metodologia

2.2.1. Requisitos

Buscou-se definir os requisitos deste projeto em conjunto com a equipe de engenharia mecânica da Reivax. Esta definição foi feita de maneira colaborativa para que os futuros operadores dos ensaios pudessem opinar sobre as reais necessidades técnicas e resultados esperados para um bom desempenho dos testes futuros.

Tendo em vista o objetivo principal do ensaio de sobrevelocidade mecânica, que é a definição da distância de instalação entre o pêndulo mecânico e o dispositivo mecânico de sobrevelocidade, e que o curso total de deslocamento do pêndulo é de 20mm, definiu-se o primeiro requisito; a leitura do deslocamento do pêndulo com curso de leitura de 20mm.

Devido à natureza do ensaio, por ser uma máquina rotativa, observou-se a necessidade de utilizar tecnologias sem fio. Com este comentário entende-se que o segundo requisito é a necessidade da utilização de tecnologias de comunicação sem fio. Ainda relacionado à natureza do ensaio e devido a necessidade de utilização de tecnologias sem fio, tem-se o requisito de alimentação dos componentes através de baterias recarregáveis.

Além dos requisitos supracitados, observou-se a necessidade de realizar a parada automática da máquina. Este requisito consiste em realizar o desligamento automático do motor elétrico e aplicação do freio magnético existente na máquina ao atingir uma velocidade determinada pelo operador. A parada automática é necessária para aumentar a segurança da operação da máquina, bem como para prevenir danos aos componentes instalados no sistema.

Pode-se citar como requisito deste projeto a integração dos sensores com o equipamento atualmente instalado na bancada, ou seja, o controlador da Reivax, a CPX Can 3.0. Por ser um produto da propira empresa, apresenta as informações (relatórios e gráficos) de acorodo com os padrões já estabelecidos pela Reivax.

Como sabe-se que os dados desejados pelo ensaio são a velocidade da máquina e o deslocamento do pêndulo em um determinado momento (o qual é definido por dados de entrada), tem-se como requisito de saída do ensaio um gráfico relacionando a velocidade de rotação da máquina com o deslocamento do pêndulo. Com o gráfico o operador poderá avaliar de forma assertiva os dados que necessita para realizar a instalação do pêndulo em campo.

A fim de otimizar ainda mais o ensaio, considera-se como requisito adicional o controle de velocidade do motor elétrico da máquina. O requisito foi discutido com a equipe de engenharia mecânica visando adicionar uma segunda camada de proteção em software ao sistema assim melhorando a usabilidade do equipamento. Com isto o operador não precisa monitorar a velocidade e operar o inversor de frequência, o qual é responsável pelo ganho de velocidade do motor e da curva de aceleração.

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2.2.2. Infraestrutura

O local onde será instalado o equipamento é o laboratório de engenharia mecânica da Reivax, o qual está instalado na sede da matriz da empresa, no bairro João Paulo em Florianópolis/SC. O laboratório compreende duas salas de testes, sendo uma para equipamentos hidráulicos e outra para ensaios do pêndulo.

A estrutura existente para o ensaio consiste na máquina em si, no painel de controle da máquina e em um computador que é utilizado como IHM e também para registrar os resultados dos ensaios, conforme visto na figura 18.

Figura 18 - Estrutura do laboratório

A máquina consiste em uma estrutura metálica treliçada, fixada ao chão por meio de parafusos chumbadores. Nesta estrutura, em seu centro, fica instalado o motor elétrico responsável pelo movimento de rotação do ensaio. Um mancal e um acoplamento são utilizados para ligar o motor ao eixo girante da pá onde é instalado o pêndulo. A pá consiste em uma chapa de aço cortada em forma retangular com todos os pontos de furação correspondentes aos possíveis pontos de instalação do pêndulo. Além disso, outros três componentes estão instalados no corpo da máquina, sendo eles: inversor de frequência, botões de partida e parada de emergência e o sensor fim-de-curso. O sensor fim-de-curso fica instalado na tampa superior da estrutura da máquina, acoplado em uma estrutura em acrílico, que por sua vez é instalada a um fuso, o qual tem como objetivo permitir a alteração da posição do sensor. A estrutura pode ser vista na figura 19.

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Figura 19 - Estrutura da máquina

O painel de controle fica instalado ao lado da máquina, fixado à parede e pode ser visto na figura 20. No painel encontram-se instalados os seguintes componentes: Controlador CPX, fonte de alimentação 24vcc, isoladores, conjunto de bornes, chaves contatoras de campo, módulo de entradas e saídas de sinais.

Figura 20 - Painel

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2.2.3. Levantamento e seleção de equipamentos

A seleção dos equipamentos pode se dividir em 3 (três) grupos, sendo eles, transmissor de sinal, sensores e fontes de alimentação para os circuitos. Cada grupo foi avaliado visando uma solução com custo-benefício otimizado, ou seja, economicamente viável e operacionalmente adequada.

Para o primeiro grupo, ou seja, dos transmissores, avaliou-se 2 opções, transmissores de sinal industrial, sendo que dentre eles o selecionado foi do fabricante Steute com a tecnologia sem fio sWave (tecnologia registrada pela marca), e solução com microcontroladores integrados com placas de comunicação WiFi e bluetooth.

Para realizar a seleção do produto mais adequado conforme supracitado, fez-se a tabela onde foram definidas cinco categorias de características para avaliação dos possíveis tipos de transmissores a serem utilizados. A tabela 03 apresenta as categorias em ordem de importância, as quais são explicadas a seguir:

1. Preço: custo de aquisição do produto, custo benefício do equipamento; 2. Aplicabilidade: capacidade de transmissão de dados na aplicação,

facilidade de instalação na máquina;

3. Alimentação: possibilidade de alimentar o equipamento com baterias; 4. Durabilidade: durabilidade do equipamento para a aplicação;

5. Prazo de entrega: prazo de entrega do produto. Tabela 3 - Seleção de equipamentos Equipamento /

Categoria de avaliação

ESP32 Transmissor Steute

Preço R$119,00 R$1107,57

Aplicabilidade Viável Viável

Alimentação Fácil Difícil

Durabilidade Média Alta

Prazo de entrega 5 dias úteis 30 dias úteis

A tabela 04 apresenta os critérios de avaliação em sequência de importância. A partir desta analise pode-se selecionar o produto para a etapa de transmissão e recepção de dados, sendo a placa ESP32 como a melhor opção para o andamento do projeto.

Além da seleção do componente responsável pela transmissão dos sinais, fez-se avaliação comparativa de fez-sensores para aplicação no projeto. Nesta etapa, em um primeiro momento, foram avaliados os principais tipos sensores, buscando definir de forma qualitativa e por eliminação os candidatos. Foram considerados os transdutores de posição do tipo LVDT, as fitas potenciométricas, os sensores ultrassônicos e os sensores indutivos de deslocamento. A tabela 4 apresenta a avaliação dos itens citados.

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Foram definidos seis critérios para avaliação dos possíveis tipos de sensores a serem utilizados. A tabela 4 apresenta as categorias em ordem de importância, as quais são explicadas a seguir:

1. Aplicabilidade: nível de dificuldade de se aplicar o sensor ao processo; 2. Instalação: nível de dificuldade de instalação do equipamento para a

leitura da movimentação do pêndulo;

3. Sensibilidade à força centrípeta: força centrípeta pode influenciar o resultado da leitura do deslocamento;

4. Sensibilidade à vibração: vibração da máquina pode dificultar a leitura do sensor;

5. Precisão: a precisão do sensor atende a necessidade do ensaio de 0,1mm;

6. Alimentação: nível de dificuldade de alimentar o sensor com baterias do tipo 18650.

Tabela 4 - Seleção de sensores LVDT Potenciômetro deslizante Sensor ultrassônico Sensor indutivo analógico

Aplicabilidade Difícil Fácil Fácil Fácil

instalação Difícil Fácil Fácil Fácil

Sensibilidade à força

centrípeta

Sim Sim Não Não

Sensibilidade à vibração

Pouco Pouco Intermediário Pouco

Precisão Adequada Adequada Ruim Adequada

Alimentação Difícil Fácil Fácil Intermediária

A tabela 5, refere-se à forma de alimentação dos componentes que deverão ser instalados à máquina. Neste caso observa-se que o primeiro requisito e principal necessidade é a mobilidade do dispositivo, ou seja, necessita-se que o sistema de alimentação seja móvel. Além disso, tem-se os seguintes requisitos enumerados em ordem de importância e suas explicações:

1. Capacidade de carga: capacidade de alimentar todos os componentes que devem estar instalados na máquina;

2. Tamanho: tamanho que torne possível a instalação das baterias na máquina;

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Tabela 5 - Seleção da alimentação Bateria 18650 2200 mAh (duas unidades) Power Bank 4000 mAh Bateria 9v (duas unidades) Capacidade de carga

Adequada Adequada Inadequada

Tamanho Adequado Adequado Adequado

Aplicabilidade Fácil Intermediária Díficil

Preço R$64,90 R$59,90 R$28,90

2.2.4. Ensaios pré-operacionais

Para este projeto foram executados ensaios pré-operacionais para validar o desenvolvimento da solução como um todo. Parte destes ensaios foram executados de forma simulada, sem todos componentes definidos na etapa de levantamento e seleção de equipamentos. Esta forma de trabalho teve como objetivo validar as definições e ideias do projeto anteriormente à realização das compras dos produtos, evitando custos indesejáveis ao projeto.

O primeiro ensaio realizado foi relacionado à resistência mecânica e capacidade de envio do sinal por parte da placa ESP32 durante a operação da máquina. Para executar este ensaio, foi desenvolvido um programa que envia um sinal ao computador a cada 0,1 segundos, em seguida foi instalada a placa à pá de suporte do pêndulo. Com a montagem pronta e a comunicação entre a placa e o computador funcionando, liga-se a máquina, verificando se alguma falha de comunicação ocorre. Observou-se que a comunicação não foi perdida em nenhuma faixa de velocidade testada.

Além disso, foram feitos testes de consumo de carga da bateria pela placa. Dois tipos de testes foram executados. O primeiro teste consistiu em realizar uma carga completa da bateria, alimentar a placa com a mesma e por fim enviar o sinal Bluetooth de forma constante para um computador e monitorar o tempo que a bateria levaria para ser totalmente consumida. Observou-se que a bateria alimenta a placa por mais de 12 horas contínuas, o que é considerado adequado aos ensaios visto que os ensaios atualmente levam aproximadamente 3 horas e que se busca reduzir o tempo de ensaio em aproximadamente 30 a 40% com as atualizações deste projeto. O segundo teste foi feito utilizando o protocolo WiFi, comunicando as duas placas entre si e observando o tempo em que a bateria leva para ser consumida por total. Neste caso o tempo foi semelhante ao ensaio anterior.

Dentro do escopo de engenharia mecânica, pode-se pontuar as simulações em Solidworks da estrutura de suporte das placas e baterias. Esta estrutura, durante o ensaio, estará submetida a dois esforços principais, a resistência do ar e a força

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centrípeta. Para simular estes dois esforços, a peça foi submetida a duas forças nos mesmos sentidos e direções da força centrípeta e resistência do ar. Como resultado dos ensaios simulados, pode-se perceber que a estrutura projetada, considerando o material PLA (ácido polilático) conforme sugestão do fornecedor, pode ser utilizada na aplicação.

2.2.5. Desenvolvimento da solução

Nesta etapa, no primeiro momento desenvolveu-se um fluxograma, apresentado no APÊNDICE A – Fluxograma de operação, para definir e facilitar o entendimento do funcionamento desejado da máquina após a modernização. Tendo o correto entendimento do projeto, foram delimitadas três grandes áreas de desenvolvimento, sendo elas: mecânica, eletrônica e software Reivax. Todas essas áreas, com o andamento do projeto, serão interligadas, resultando em um produto final completamente integrado.

2.2.5.1. Escopo Mecânico

Tendo todos os equipamentos selecionados, conforme descrito no capítulo anterior e, portanto, tendo todas as dimensões dos equipamentos que serão instalados na máquina, pode-se projetar o suporte em que serão instaladas as baterias e placas. Para um melhor acoplamento do conjunto de baterias para o sensor indutivo, considera-se a utilização de um case para baterias com capacidade de duas baterias. Este suporte irá carregar em seu interior os seguintes componentes: Placa ESP 32 com bateria 18650 acoplada, placa reguladora de tensão com função de pull

up, placa conversora de sinal analógico para digital, case com duas baterias 18650.

Devido à complexidade da estrutura, foi definida a impressão 3D como método de fabricação. Pode-se observar a estrutura projetada na figura 21.

Figura 21 - Suporte mecânico

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A peça foi instalada à pá rotativa da máquina, sendo que, para reduzir os esforços sofridos pela peça, o ponto de instalação definido é próximo ao eixo de rotação da máquina. Esta proximidade reduz significativamente os esforços relacionados à resistência do ar, força centrípeta e vibrações. Esta redução se dá devido à características físicas dos esforços relacionados aos movimentos rotativos, sendo que em uma mesma velocidade, quanto mais distante do eixo de rotação, maior a força; o mesmo se aplica à resistência do ar, visto que quanto maior a distância em relação ao eixo, maior a distância percorrida, e, portanto, maior a quantidade de ar deslocado. Tendo isso em vista, observa-se na figura 22 o local de instalação da peça.

Figura 22 - Montagem do suporte

Foram executados ensaios de resistência mecânica em software visando garantir que a peça não ruísse durante os ensaios dos pêndulos. Os resultados obtidos indicam que a peça, conforme figura 21, não seria adequada à utilização nos ensaios do pêndulo. Portanto foi desenvolvido um segundo modelo, com a mesma configuração para o posicionamento dos componentes eletrônicos, porém com a estrutura mais robusta, retirando as abas e reposicionando os pontos de furação para a passagem dos parafusos. Após a alteração novos ensaios foram executados, apresentando resultados satisfatórios para a aplicação. Os resultados dos ensaios são apresentados no APÊNDICE B – Ensaio em Solidworks. A figura 23 mostra a nova configuração da peça, além disso pode ser visto o desenho técnico da peça no APÊNDICE C – Desenho mecânico. O ponto de instalação indicado na figura 22 se mantém o mesmo, alterando apenas a estrutura da peça.

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Figura 23 - Novo modelo de suporte

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2.2.5.2. Escopo eletrônico

Além do escopo mecânico, tem-se o escopo eletrônico, o qual contempla o sensoriamento do pêndulo e todos os componentes necessários para transmitir o sinal para o controlador da Reivax. Fazem parte desta etapa as placas ESP 32, o sensor e todos os componentes necessários para o correto funcionamento destes dois dispositivos principais. Pode-se entender a forma de aplicação na figura 24.

Figura 24 - Diagrama da aplicação

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Dentro do projeto eletrônico observou-se a necessidade de validar a aplicação final, ou seja, a apresentação do gráfico da curva de velocidade x deslocamento na IHM no computador, antes de realizar a compra dos sensores finais. Para solucionar este problema, utiliza-se a segunda melhor opção apresentada no capítulo de seleção de materiais. O componente utilizado é um potenciômetro linear deslizante que simula a resposta do sensor indutivo para a placa ESP 32. Para a instalação na máquina será feito um suporte provisório que posteriormente deve ser substituído pelo suporte do sensor indutivo. O potenciômetro utilizado é apresentado na figura 25, com a configuração de 30mm com 10kohms de resistência.

Figura 25 - Potenciômetro deslizante

Desta forma, o potenciômetro irá transmitir um sinal de tensão para a placa ESP 32, representando assim o sinal analógico de tensão do sensor indutivo que será utilizado na aplicação final. Os ensaios para validar a operação do potenciômetro em bancada foram feitos utilizando uma matriz de contatos, alimentando o potenciômetro com a saída de tensão da placa ESP 32 e em seguida enviando o sinal de tensão do potenciômetro para a ESP 32 pela entrada analógica da mesma. Observou-se que é possível realizar a operação equivalente ao sensor indutivo de forma satisfatória. Pode-se entender a aplicação com o potenciômetro na figura 26.

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Figura 26 - Aplicação simplificada

Em direção à aplicação final, o passo seguinte foi o projeto do software de comunicação dos dados dos sensores entre as placas. O método de comunicação utilizado foi o WiFi. O APÊNDICE D – Software de comunicação apresenta o código implementado para estabelecer a conexão entre as placas. Para o desenvolvimento e testes do software, foi utilizado o ambiente do programa Arduino IDE.

Após o projeto do software de envio de dados, desenvolveu-se um segundo software de recepção, interpretação e reenvio do sinal. Este segundo software é embarcado na segunda placa ESP 32 que deve ser instalada no painel de controle da máquina de testes do pêndulo. Conforme pontuado, esta segunda placa tem como objetivo receber o sinal da placa instalada na máquina, interpretá-lo e enviá-lo para o controlador CPX de forma que a mesma possa realizar a transdução do sinal e gerar o gráfico de deslocamento. Para tal, foi definido que, baseado nas opiniões dos especialistas em CPX da Reivax e para manter o padrão utilizado em campo para leituras de distância ou deslocamento, o sinal utilizado será analógico em tensão. Tendo isso em vista, o software embarcado na segunda placa converte o sinal digital recebido pela primeira em um sinal analógico em tensão; a operação de conversão é feita no próprio hardware da segunda placa. Pode-se entender o software embarcado na segunda placa ao analisar também o APÊNDICE D – Software de comunicação.

Para proteção da entrada analógica da CPX, foi sugerido por parte da equipe da Reivax a utilização de um isolador. Utilizou-se o componente ISO02, de projeto e fabricação Reivax. Este componente irá receber o sinal de tensão do microcontrolador ESP 32 e em seguida enviar este sinal para a CPX. Para entender a nova instalação analisa-se a figura 27, que apresenta a nova configuração incluindo o novo componente ISO02.

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Figura 27 - Aplicação com ISO02

Para validar o funcionamento da etapa supracitada, garantindo que o sinal enviado para a CPX é adequado ao processo, fez-se a montagem em bancada, realizando a leitura do sinal de tensão na saída da segunda placa ESP 32 com o auxílio de um multímetro. Foi constatado que o funcionamento do sistema é adequado para a aplicação final.

Além disso, devido à resposta satisfatória dos ensaios com o potenciômetro, decidiu-se realizar ensaios reais com o equipamento diretamente na máquina. Para a realização destes ensaios foi necessário desenvolver um suporte para o potenciômetro de forma que fosse possível o contato entre a extremidade frontal do pêndulo e a alavanca utilizada para variar a resistência do potenciômetro.

O suporte consiste em uma base com furação para instalação do pêndulo e com um bloco para fixar o potenciômetro deslizante. Além disso, foi adicionado uma pequena chapa metálica para reduzir o efeito de alavanca no potenciômetro. Esta pequena chapa será fixada com um parafuso na face frontal do pêndulo. Na figura 28 pode ser vista a configuração projetada.

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Figura 28 - Aplicação com o potenciômetro

Neste projeto observou-se a necessidade de utilizar uma saída analógica da CPX. A saída analógica deverá controlar a velocidade de rotação do motor, conforme descrito nos capítulos a seguir, realizando também as logicas de partida e parada da máquina. Com isso, ainda visando a proteção elétrica da CPX, foi selecionado um equipamento eletrônico para realizar a conexão elétrica entre a saída da CPX com a entrada do inversor de frequência. Para a saída analógica foi especificado um ISO02.

2.2.5.3. Escopo de software Reivax

Para a etapa do desenvolvimento do software na plataforma de desenvolvimento Reivax utilizou-se de dois recursos já descritos anteriormente no capítulo de fundamentação teórica, sendo eles o software SEC e o software xVision. De forma resumida, o primeiro é utilizado para programar as lógicas de controle da CPX, o segundo utiliza-se para desenvolver a IHM do projeto.

Para o desenvolvimento da lógica de controle da CPX, utilizou-se como base dois projetos existentes. O primeiro projeto utilizado é o sistema atualmente existente, antes da modernização proposta, que faz a leitura do sensor pick-up e a transdução do mesmo para gerar a curva de velocidade. O segundo refere-se a leitura de sensores de medição de posição, sendo que o sinal dos sensores para este programa deve ser analógico, além disso, o segundo software também executa a transdução do sinal.

Tendo isso em vista, pode-se entender a utilidade dos softwares citados para o novo. O primeiro software não sofre alterações, visto que a leitura de velocidade se mantém igual, inclusive com o sensor existente. O segundo software necessitou ser alterado para adequar-se à nova forma de operação proposta. Adicionou-se ao software a lógica de segurança de parada de máquina automática. Esta modificação é feita para que a máquina pare automaticamente quando o pêndulo se desloca mais

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que o considerado adequado, conforme estudo dos especialistas da Reivax, ou quando a máquina supera a velocidade definida como referência de disparo.

Além das etapas de softwares citadas nos parágrafos anteriores, fez-se novas atualizações no programa geral. Devido ao requisito de partida e parada automática, adequou-se o software para que fosse possível realizar a partida e parada do motor através do controle da CPX, sem a necessidade de se partir ou parar a máquina pelo botão físico do inversor de frequência. Para realizar esta alteração, foi incluído na lógica de controle dois botões, sendo um que realiza a partida da máquina, habilitando que o software envie o sinal de controle para o inversor, e o outro desabilita o envio do sinal de controle, realizando a parada da máquina.

Ainda visando automatizar o procedimento do ensaio, outra adequação foi feita, a qual refere-se ao controle de velocidade da máquina. A velocidade da máquina é controlada a partir de um inversor de frequência, o qual, antes da modernização, era controlado por um potenciômetro instalado ao seu lado. Para automatizar esta etapa foi feita a substituição do potenciômetro por uma saída analógica da CPX. Para funcionar adequadamente, foi desenvolvida uma nova etapa de software para realizar o envio do sinal realizando o controle a partir do feedback de velocidade do pick-up e da referência (setpoint) definido pelo operador, baseado nos dados de entrada de cada ensaio.

A lógica de funcionamento desta etapa consiste em aumentar a tensão na entrada do inversor de forma progressiva, baseando-se na comparação do sinal de velocidade dos pick-ups com a referência definida pelo operador. Pode-se ver as possibilidades de controle do inversor na figura 29. O inversor, ao ser controlado pela entrada analógica de tensão, irá aumentar progressiva e proporcionalmente a frequência enviada ao motor elétrico, fazendo com que a velocidade oscile conforme varia-se o sinal de tensão recebido pelo equipamento. Além disso, o software reconhece quando a leitura de velocidade atinge o valor de velocidade máxima definido pelo operador. Ao reconhecer que a máquina atingiu a velocidade definida como referência, é executada a parada automática. Esta parada automática consiste em desabilitar o envio do sinal de controle pela CPX, com isso o sinal enviado será zero, o que faz com que o motor pare. Vale destacar que o sistema de controle projetado utiliza controle proporcional e integrativo.

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Figura 29 - Características do inversor

Fonte: Ageon (2020).

Além do desenvolvimento do software embarcado no controlador da Reivax, projetou-se uma nova interface homem-máquina (IHM) para o procedimento de ensaio. Entende-se a motivação de se projetar uma nova IHM para que a operação do ensaio seja mais intuitiva, rápida e fácil, podendo ser executada por qualquer funcionário da equipe de engenharia mecânica da Reivax.

A IHM, assim como as lógicas de controle, é projetada em software Reivax. O software utilizado chama-se Xvision, e a versão utilizada é a 303.08, sendo que os principais detalhes do software foram explicitados no capítulo de Fundamentação Teórica. Durante o desenvolvimento da IHM foram utilizados os padrões de telas mais utilizados pela Reivax, adequando-se quando necessário, buscando manter o padrão de usabilidade e design utilizado nos produtos Reivax. Para realizar a comunicação entre os dois softwares, bem como entre a CPX e a IHM, utiliza-se o protocolo de comunicação Modbus.

O projeto da IHM considerou as lógicas operacionais do software embarcado na CPX e as possíveis facilidades operacionais para o operador. Com isso, desenvolveu-se uma IHM com uma tela inicial e três outras telas principais, sendo a primeira uma tela feita principalmente para o operador definir as referências do ensaio,

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a qual é denominada ‘’Setup’’. Esta primeira tela, além das áreas para inserir as referências do ensaio, possui campos para observação dos valores lidos pela CPX. Na primeira tela também será possível comandar a partida ou parada do ensaio através de dois botões localizados na lateral direita da tela. Pode-se ver os itens citados na figura 30.

Figura 30 - Tela setup

A segunda tela foi projetada para mostrar o gráfico do ensaio, ou seja, a principal função desta tela é a visualização do gráfico de deslocamento e velocidade. Além do gráfico, visando facilitar a usabilidade da tela, foram adicionados botões de partida e parada, assim o operador pode realizar o início e fim do ensaio diretamente pela tela do supervisório, na aba ‘’gráficos’’, como pode-se ver na figura 31. Como o resultado do ensaio deverá ser apresentado em relatórios aos clientes Reivax, adicionou-se um botão para exportar e salvar as curvas observadas no ensaio. Outra facilidade implementada foi a utilização de dois campos para visualização numérica da velocidade e do deslocamento. Estes dois campos foram adicionados para facilitar a rápida interpretação do andamento do ensaio. Estas configurações podem ser vistas também na figura 31.

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Figura 31 - Tela gráficos

A terceira tela, figura 32, consiste em uma terceira forma de analisar os dados do ensaio, apresentando monitores com valores reais e mostradores com ponteiros. Nesta tela é possível observar os valores definidos como referências pelo usuário, os valores lidos durante o ensaio em tempo real, e os botões de comando para partir e parar a máquina. Para facilitar a utilização da IHM, os blocos de referência de velocidade e deslocamento foram definidos como editáveis, assim o operador pode alterar as referências também nesta tela. Ainda referente à terceira tela, vale ressaltar que os campos de referência de velocidade e deslocamento foram programados para que o operador tivesse a possibilidade de alterar os seus valores, sem precisar mudar para a tela de setpoints.

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Figura 32 - Tela Operação

Para o operador realizar a seleção destas telas, utilizam-se botões posicionados na base inferior da tela do programa. Cada botão é nomeado de acordo com sua respectiva tela. Pode-se visualizar o modelo desenvolvido na figura 33.

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Figura 33 - Modelo IHM

Para realizar a interligação entre os softwares, conforme citado anteriormente, utiliza-se o protocolo de comunicação Modbus. Realizada a comunicação entre os softwares, aplicando o mesmo endereço de IP em ambos, deve então ser feita a configuração de cada item gráfico da IHM. Esta configuração direciona os comandos para o SEC através de Tags nomeados e configurados no Xvison da mesma forma que no SEC, utilizando o mesmo endereço de modbus. Ao realizar este link entre os softwares é possível simular a operação da máquina para verificar se a IHM e o SEC foram projetados de forma adequada em relação à aplicação final. Pode-se ver o painel de configurações dos itens da IHM na figura 34.

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Figura 34 - Configuração da IHM

Além disso, destaca-se a necessidade de configurar adequadamente o tipo de variável que será impressa na IHM. Para tal, deve-se levar em conta o tipo de variável utilizada no projeto do SEC e definí-la da mesma forma nas configurações do xVison. Observa-se na figura 35 um exemplo de configuração de variável no software xVision.

Figura 35 - Configuração de variável

2.2.6. Ensaios para validação

2.2.6.1. Ensaios simulados

Pode-se simular o funcionamento real de operação da máquina a partir de um modo de operação de simulação do SEC. Este modo de operação permite que o usuário force valores nas variáveis que compõem o programa, simulando o comportamento dos componentes físicos da máquina, tais como o sensor de velocidade, as lógicas de partida e o sensor de deslocamento.

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Tendo isso em vista, ativa-se no SEC, o modo de operação de simulação e em seguida inicia-se a operação da IHM no Xvision. Neste modo de operação é iniciada a tela de operação da IHM e pode-se observar o funcionamento da mesma conforme os dados do SEC. Para simular a operação da máquina, conforme comentado anteriormente, é possível forçar um valor nas entradas das variáveis dos programas do SEC, com isso vê-se a resposta da IHM ao receber um sinal. Foi possível verificar que os gráficos apresentaram os resultados de forma adequada, tornando a visualização do andamento do ensaio ágil e prática. Na figura 36 vê-se o resultado de uma simulação na tela de gráficos.

Figura 36 - Simulação tela gráficos

Além da tela do gráfico, observou-se um comportamento adequado dos mostradores com ponteiros. Ainda na tela dos mostradores com ponteiros, foi possível visualizar os dados de referências definidos pelo usuário e também realizar a partida e a parada da máquina com os botões posicionados na lateral direita da tela. Na tela de setpoint, foi possível alterar os dados de entrada, observando que os valores foram corretamente inseridos no SEC. Além disso, foi realizado o teste de parada automática. Ao atingir a referência definida pelo usuário, observou-se que o sinal de controle é levado a zero realizando assim a parada automática da máquina.

Validado o comportamento do software projetado no SEC e da IHM, tornou-se possível iniciar os ensaios funcionais. Estes ensaios consistem em validar o

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funcionamento dos softwares com a CPX, garantindo que todos os sinais se comportem da forma esperada, conforme definido em projeto. Para dar início a esta atividade, fez-se, no primeiro momento, o processo de embarcar o novo programa aplicativo no controlador da Reivax, a CPXcan 3.0. Com o software instalado, fez-se a montagem e cabeamento do circuito de ensaio. Foi feita uma montagem em protoboard das placas ESP 32 e do potenciômetro que substitui o sensor indutivo. Em seguida, conectou-se a saída de tensão da placa ESP 32, na ISO02 e por fim as conexões elétricas desta com a CPX.

Feitas todas as conexões elétricas, inicia-se a operação do software embarcado na CPX com a utilização do SEC. Nesta etapa, objetiva-se verificar o estado de cada sinal que faz parte do programa projetado. Para realizar a comunicação entre a CPX e o laptop que opera o SEC é feita a conexão destes por meio de um cabo Ethernet. Para realizar a comunicação ambos devem estar configurados com o mesmo IP. Verificada a comunicação entre a CPX e o laptop com o SEC, pode-se iniciar a operação do ensaio. O primeiro sinal verificado é o de velocidade. Com o SEC operando, verifica-se, ao realizar o movimento do motor da máquina, a variação da leitura e consequente ganho de sinal na variável conectada à entrada digital que, por sua vez, conecta-se ao sensor indutivo de velocidade. O sinal foi corretamente lido pelo SEC, confirmando o funcionamento desta etapa do software. Verificou-se a leitura de deslocamento que neste momento é simulada com um potenciômetro em bancada. Novamente foi possível ler o sinal no SEC, o qual é recebido em uma das entradas analógicas da CPX. Foi possível comparar o sinal lido no SEC com o sinal de tensão no multímetro, conforme mostrado na figura 37, onde é possível ver a forma em que o sinal foi lido pelo multímetro, conectando-o diretamente ao ISO02. Ademais, vale observar que se faz o ajuste da saída de tensão da ISO02 para que este sinal seja adequado a leitura pela CPX. Este ajuste é feito em um conjunto de chaves instaladas no corpo do equipamento. Vale ressaltar que este sinal é relacionado a leitura de deslocamento do pêndulo.