UNIVERSIDADE TECNOL ´OGICA FEDERAL DO PARAN ´A DEPARTAMENTO ACAD ˆEMICO DE EL ´ETRICA
CURSO DE ENGENHARIA EL ´ETRICA
FELIPE LUZA
ESTUDO DE VIABILIDADE E PROJETO DE UM
SISTEMA DE CONTROLE DE CARGA DE UM
ELEVADOR DE GR ˜
AOS
TRABALHO DE CONCLUS ˜AO DE CURSO
PATO BRANCO 2018
FELIPE LUZA
ESTUDO DE VIABILIDADE E PROJETO DE UM
SISTEMA DE CONTROLE DE CARGA DE UM
ELEVADOR DE GR ˜
AOS
Trabalho de Conclus ˜ao de Curso de graduac¸ ˜ao, apresentado `a disciplina de Trabalho de Conclus ˜ao de Curso 2, do Curso de Engenharia El ´etrica da Coordenac¸ ˜ao de Engenharia El ´etrica - CO-ELT - da Universidade Tecnol ´ogica Federal do Paran ´a - UTFPR, C ˆampus Pato Branco, como requisito parcial para obtenc¸ ˜ao do t´ıtulo de Engenheiro Eletricista.
Orientador: Prof. Dr. Kleiton de Morais Sousa
PATO BRANCO 2018
TERMO DE APROVAC¸ ˜AO
O Trabalho de Conclus ˜ao de Curso intitulado ESTUDO DE VIABILIDADE E PROJETO DE UM SISTEMA DE CONTROLE DE CARGA DE UM ELEVADOR DE GR ˜AOS do acad ˆemico Felipe Luza foi considerado APROVADO de acordo com a ata da banca examinadoraN◦ 201 de 2018.
Fizeram parte da banca examinadora os professores:
Prof. Dr. Kleiton de Morais Sousa
Prof. Dr. Cesar Rafael Claure Torrico
Eng. Luan Ruaro Marcante
A Ata de Defesa assinada encontra-se na Coordenac¸ ˜ao do Curso de Engenharia El ´etrica
Dedico este trabalho primeiramente `a Deus, por ser sempre presente em minha vida, autor do meu destino, meu guia. Aos meus pais N ´evio Luza e T ˆania Luza e `a minha irm ˜a Camile Luza.
AGRADECIMENTOS
Aos professores do curso de Engenharia El ´etrica da Universidade Tec-nol ´ogica Federal do Paran ´a, por todos os ensinamentos adquiridos durante todo o percurso at ´e aqui, especialmente `a pessoa do professor Jorge Luis Roel Ortiz, que acreditou no meu potencial, em um momento que eu estava pensando em desistir, e me motivou a continuar lutando.
Ao meu orientador Kleiton De Morais Sousa pelo suporte e tempo dedicado para o desenvolvimento deste trabalho.
A empresa Patoeste Eletro Instaladora LTDA, pela confianc¸a e credibilidade para o desenvolvimento deste trabalho.
RESUMO
Atrav ´es deste trabalho ser ˜ao mostrados os passos utilizados para desen-volver uma soluc¸ ˜ao baseada em automac¸ ˜ao industrial, para solucionar o problema de desarme por sobrecarga de elevadores de gr ˜aos, do tipo elevadores de caneca, equipamentos esses que s ˜ao muito comuns nas ind ´ustrias de beneficiamento, ou re-cebimento de gr ˜aos.
O trabalho aborda o problema de desligamento de elevadores por sobre-carga, existente em uma ind ´ustria do tipo unidade de beneficiamento de sementes. Analisa a estrutura de automac¸ ˜ao industrial atual instalada, e mostra as estrat ´egias utilizadas para desenvolver a soluc¸ ˜ao para solucionar o problema.
Os m ´etodos utilizados para o desenvolvimento da soluc¸ ˜ao foram an ´alises pr ´evias, das necessidades espec´ıficas que deveriam ser atendidas seguido de um es-tudo da teoria de controladores, e equipamentos de automac¸ ˜ao industrial dispon´ıveis no mercado, de modo a encontrar uma soluc¸ ˜ao vi ´avel.
Definidos os equipamentos necess ´arios para o funcionamento do novo sis-tema, o mesmo foi montado em um laborat ´orio, assim foi poss´ıvel testar todos os subsistemas que o comp ˜oem .
O sistema principal ´e composto por um subsistema de controle de abertura de um cilindro pneum ´atico, e um subsistema de controle de corrente de um motor de induc¸ ˜ao trif ´asico. Todo o monitoramento e operac¸ ˜ao do sistema principal se fez por meio de uma interface homem m ´aquina.
Todos os testes efetuados em laborat ´orio forneceram resultados satisfat ´orios, no subsistema de controle de abertura do cilindro pneum ´atico. A resposta seguiu a refer ˆencia com o erro dentro da toler ˆancia permitida. Tamb ´em no subsistema de con-trole de corrente do motor, os ensaios mostraram que a resposta ´e condizente com o que se esperava.
ABSTRACT
Through this paper will be showed the steps used to develop a solution based on industrial automation, to solve the problem with disarm by overload in grain elevators, type mug elevators, equipment which are very common in processing or receiving grain industries.
The paper approaches the problem with the disconnection of elevators by overload, in an industry type processing grains. It analyzes the present industrial au-tomation structure installed, and shows the strategies used to develop the solution to solve the problem.
The methods used on the developing of the solution were previous analyzes of the specific needs that should be attended followed by the controller theory study, and industrial automation equipment available on the market, in order to find a viable solution.
Defined the required equipment to the new system operation, it was as-sembled in a laboratory, that way it was possible to test all the subsystems which compounded it.
The main system is compounded by an opening control of a pneumatic cy-linder subsystem, and a current control of a three-phase induction engine subsystem. All the monitoring and the operation of the main system were done by an interface man machine.
All the tests performed in laboratory provided satisfactory results, in the ope-ning control of a pneumatic cylinder subsystem. The answer followed the reference with the error in the allowed tolerance. Also in the current control of the engine subsystem, the trials showed that the answer matches with what was expected.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Esquema b ´asico de funcionamento de um CLP . . . 16
Figura 2: Fluxograma CLP . . . 17
Figura 3: CLP M580 . . . 18
Figura 4: N´ıveis de redes ISA-95 . . . 19
Figura 5: Rampa de acelerac¸ ˜ao ATS22 R . . . 21
Figura 6: Bornes de controle ATS48 R . . . 22
Figura 7: Tipos de v ´alvulas pneum ´aticas direcionais . . . 23
Figura 8: Sensor indutivo . . . 24
Figura 9: Sensor Laser . . . 25
Figura 10: Sensor magn ´etico . . . 26
Figura 11: Sensor deslocamento linear . . . 26
Figura 12: Sistema em malha aberta . . . 27
Figura 13: Sistema em malha fechada . . . 27
Figura 14: Histerese controle ON/OFF . . . 28
Figura 15: Controlador PID . . . 28
Figura 16: Bancada de testes . . . 33
Figura 17: Detalhe cilindro pneum ´atico . . . 34
Figura 18: Esquema de controle UBS . . . 35
Figura 19: Ligac¸ ˜oes entre os equipamentos . . . 36
Figura 20: Atuador pneum ´atico UBS . . . 37
Figura 21: Diagrama de blocos controle pneum ´atico . . . 38
Figura 22: Rotina do bloco de controle pneum ´atico . . . 39
Figura 23: Resposta do controlador para histerese igual a zero . . . 40
Figura 24: Resposta do controlador para histerese igual a um. . . 41
Figura 26: Diagrama de blocos controle de carga . . . 43
Figura 27: Ensaio controlador PI . . . 44
Figura 28: Fluxograma modo controle por corrente . . . 46
Figura 29: Fluxograma modo controle por abertura. . . 48
Figura 30: Fluxograma modo controle manual. . . 49
Figura 31: Tela principal . . . 51
Figura 32: Inicializac¸ ˜ao do sistema . . . 52
Figura 33: Motor com carga pr ´oxima `a m ´axima . . . 53
Figura 34: Motor em sobrecarga . . . 53
Figura 35: Protec¸ ˜ao atuada . . . 54
Figura 36: Tela modo parametrizac¸ ˜ao . . . 55
Figura 37: Simulador do controle pneum ´atico . . . 56
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Equipamentos existentes . . . 31 Tabela 2: Equipamentos bancada de testes . . . 33
LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS
BIOS Basic Input / Output System (Sistema b ´asico de entrada e sa´ıda) CCM Centro de Comando de Motores
CLP Controlador L ´ogico Program ´avel
CPU Central Process Unit (Unidade cental de processamento) I/O Input / Output (Entrada/Sa´ıda)
IHM Interface Homem M ´aquina
ISA Idustrial Society Automation (Sociedade da Automac¸ ˜ao Industrial)
Kd Ganho Derivativo
Ki Ganho Integral
Kp Ganho Proporcional
PI Proporcional Integral
PID Proporcional Integral Derivativo
PWM Pulse Width Modulation (Mdulac¸ ˜ao de largura de pulso) SCR Silicon Controlled Rectifier (Retificador controlado de silicone) UBS Unidade de Beneficiamento de Sementes
SUM ´ARIO
1 INTRODUC¸ ˜AO . . . 12
1.1 MOTIVAC¸ ˜AO . . . 12
1.2 PROPOSTA DO TRABALHO . . . 13
1.3 OBJETIVOS GERAIS E ESPEC´IFICOS . . . 14
1.3.1 Objetivo geral . . . 14
1.3.2 Objetivos Espec´ıficos . . . 14
1.4 ORGANIZAC¸ ˜AO DO TRABALHO . . . 15
2 DISPOSITIVOS UTILIZADOS NA AUTOMAC¸ ˜AO INDUSTRIAL . . . 16
2.1 CONTROLADOR L ´OGICO PROGRAM ´AVEL . . . 16
2.2 REDES INDUSTRIAIS . . . 18
2.3 SOFT STARTER . . . 20
2.4 V ´ALVULAS PNEUM ´ATICAS . . . 22
2.4.1 V ´alvula de controle direcional . . . 22
2.4.2 Nomenclatura . . . 23
2.5 SENSORES INDUSTRIAIS . . . 24
2.5.1 Sensores indutivos . . . 24
2.5.2 Sensor fotoel ´etrico laser . . . 25
2.5.3 Sensor magn ´etico . . . 25
2.5.4 Sensor de deslocamento linear . . . 26
2.6 SISTEMAS DE CONTROLE . . . 26
2.6.1 Controle On/Off . . . 27
2.6.2 Controle Proporcional - Integral - Derivativo . . . 28
3 PARAMETRIZAC¸ ˜AO E COMISSIONAMENTO . . . 31
3.1 ESTUDO DOS EQUIPAMENTOS ATUAIS NO CLIENTE . . . 31
3.2 CRIAC¸ ˜AO DE BANCADA DE TESTES . . . 32
4 RESULTADOS E DISCUSS ˜AO . . . 37
4.1 REALIZAC¸ ˜AO DE ENSAIOS . . . 37
4.1.1 Controle de refer ˆencia da v ´alvula da moega . . . 37
4.1.1.1 Ensaio histerese igual a zero . . . 40
4.1.1.2 Ensaio histerese igual a um . . . 41
4.1.1.3 Ensaio histerese igual a dois . . . 42
4.1.1.4 Ensaio de variac¸ ˜ao de press ˜ao pneum ´atica . . . 42
4.1.2 Controle de corrente do motor do elevador . . . 43
4.1.3 Teste das condic¸ ˜oes de funcionamento do sistema . . . 46
4.1.3.1 Controle por % Corrente . . . 46
4.1.3.2 Controle por % Abertura . . . 48
4.1.3.3 Controle manual . . . 49
4.2 SUPERVIS ´ORIO . . . 50
12
1 INTRODUC¸ ˜AO
Atualmente, observa-se uma constante preocupac¸ ˜ao em simplificar proces-sos, atrav ´es de mecanismos eficazes para maximizar a produc¸ ˜ao, facilitar a m ˜ao de obra, utilizando-se de t ´ecnicas, softwares, ou equipamentos espec´ıficos em uma de-terminada m ´aquina ou processo industrial.
Com o avanc¸o da produc¸ ˜ao industrial em grande escala, criou-se a neces-sidade da Automac¸ ˜ao Industrial, cuja func¸ ˜ao ´e operar sistemas com grande complexi-dade, reduzindo a interfer ˆencia humana durante a operac¸ ˜ao, com menor consumo de energia e mat ´erias primas, diminuindo a emiss ˜ao de res´ıduos que possam agredir o meio ambiente, al ´em de garantir maior produtividade `a industrializac¸ ˜ao, pois o sistema s ´o ´e desligado para manutenc¸ ˜ao.
A automac¸ ˜ao industrial de um sistema ´e um procedimento mediante o qual as tarefas de produc¸ ˜ao que s ˜ao realizadas por operadores humanos s ˜ao transferi-das a um conjunto de elementos tecnol ´ogicos levando-se em considerac¸ ˜ao poss´ıveis eventualidades que possam ocorrer mantendo sempre a seguranc¸a e a qualidade ( SIL-VEIRA, 2017).
Neste trabalho apresentamos um Estudo de Viabilidade e Projeto de um Sistema de Controle de Carga de um Elevador de Gr ˜aos, inovando um projeto j ´a exis-tente, atendendo a necessidade e demanda apresentada pelo cliente. Os meios e t ´ecnicas utilizados nessa proposta, est ˜ao ricamente descritos.
1.1 MOTIVAC¸ ˜AO
Em plantas industriais que trabalham com transporte de produtos a granel, e utilizam diversos equipamentos diferentes para que o produto v ´a de um ponto A at ´e um ponto B, como ´e o caso da ind ´ustria em estudo, se faz necess ´ario um sistema de desligamento em cascata, para que se caso algum problema ocorra em um dos equipamentos do processo, todos os outros equipamentos `a montante, devem ser desligados de modo a evitar o transbordo de produto.
Nas ind ´ustrias que trabalham com gr ˜aos, a maior causa de desligamentos de m ´aquinas ocorrem nos elevadores de gr ˜aos. O desligamento costumeiramente est ´a
1.2 Proposta do trabalho 13
relacionado com o acionamento da protec¸ ˜ao de sobrecarga de seu motor. Quando um elevador desliga, todos os equipamentos que o abastecem s ˜ao imediatamente desligados, inclusive outros elevadores.
Ao ser desligado o elevador, o conjugado mec ˆanico que traciona suas con-chas desaparece, assim se ocorrer uma falha quando em pleno transporte, o elevador ir ´a estar com suas conchas carregadas com gr ˜aos e com isso podem acontecer dois problemas, o primeiro deles ´e de o elevador n ˜ao ter trava de protec¸ ˜ao contra invers ˜ao de giro e assim, ir ´a permitir que a esteira que move as conchas gire para o sentido contr ´ario at ´e que todos os gr ˜aos que est ˜ao carregados, sejam despejados no p ´e do elevador, ocasionando assim um transbordo de gr ˜aos. J ´a se o elevador possuir um sistema de trava contra invers ˜ao de sentido de giro, e o elevador pare carregado, sua in ´ercia para uma posterior partida ser ´a muito grande, dependendo do tamanho do equipamento e n ˜ao ser poss´ıvel religar sem antes descarreg ´a-lo.
Sendo assim, a motivac¸ ˜ao principal deste trabalho ´e desenvolver um sis-tema que evite a sobrecarga desses equipamentos, atuando nas v ´alvulas que de-terminam o fluxo de gr ˜aos que ir ´a fluir por todos os equipamentos de cada linha de transporte.
1.2 PROPOSTA DO TRABALHO
Neste trabalho ser ´a proposto um sistema baseado em automac¸ ˜ao industrial para monitoramento e controle da corrente el ´etrica de motores de induc¸ ˜ao trif ´asicos, que equipam elevadores de gr ˜aos, do tipo elevador de caneca, de modo a evitar des-ligamentos n ˜ao previstos por motivo de sobrecarga, ajustando o fluxo de gr ˜aos que entram no elevador.
O sistema principal, ser ´a composto por dois controladores, um respons ´avel por garantir a abertura precisa do atuador pneum ´atico, e um segundo controlador que ir ´a efetivamente gerar um sinal de controle para o atuador pneum ´atico.
Para ajustar o fluxo de gr ˜aos que ir ´a ser elevado pelo elevador, ser ´a utili-zado um sistema de cilindro pneum ´atico acoplado a uma v ´alvula proporcional. Ser ´a implementado um controlador do tipo ON/OFF na v ´alvula pneum ´atica que aciona o cilindro pneum ´atico de modo a garantir que a abertura da v ´alvula obedec¸a uma re-fer ˆencia determinada.
O controle do motor do elevador ir ´a mensurar a corrente de uma das fases do motor, e ir ´a ser do tipo Proporcional Integral.
1.3 Objetivos gerais e espec´ıficos 14
Al ´em do desenvolvimento dos dois controladores, o trabalho tamb ´em ir ´a desenvolver uma Interface Homem M ´aquina (IHM), de modo a tornar mais intuitiva a operac¸ ˜ao do sistema. Tamb ´em foram implementados modos de controle e sistemas de seguranc¸a para tornar o funcionamento do elevador mais robusto, esses t ´opicos est ˜ao listados abaixo:
• Tr ˆes modos de controle (% Carga, % Abertura, Manual); • Detecc¸ ˜ao de sobrecarga no motor do elevador;
• Detecc¸ ˜ao de moega vazia;
• Condic¸ ˜ao de abertura inicial da v ´alvula;
1.3 OBJETIVOS GERAIS E ESPEC´IFICOS 1.3.1 OBJETIVO GERAL
Realizar estudo de viabilidade de instalac¸ ˜ao de um sistema de controle da carga de um elevador de gr ˜aos que possa ser integrado com o sistema de automac¸ ˜ao j ´a existente.
1.3.2 OBJETIVOS ESPEC´IFICOS
• Determinar os equipamentos que dever ˜ao ser adquiridos ou reconfigurados. • Desenvolver uma plataforma para testes em laborat ´orio do sistema de controle. • Desenvolver um sistema de controle para o atuador pneum ´atico da v ´alvula de
sa´ıda da moega.
• Desenvolver um sistema de controle para a corrente do motor do elevador. • Criac¸ ˜ao de uma interface visual para utilizac¸ ˜ao dos controles ou
comissiona-mento.
• Programar controlador l ´ogico.
• Elaborar orc¸amento para implantac¸ ˜ao de uma unidade do sistema para testes na ind ´ustria.
1.4 Organizac¸ ˜ao do trabalho 15
1.4 ORGANIZAC¸ ˜AO DO TRABALHO
O texto foi organizado visando melhor compreens ˜ao das etapas necess ´arias para o desenvolvimento da soluc¸ ˜ao apresentada.
• Cap´ıtulo 2: Aborda as caracter´ısticas e aspectos de funcionamento dos diversos equipamentos e componentes utilizados;
• Cap´ıtulo 3: Explica os passos tomados durante o desenvolvimento do trabalho; • Cap´ıtulo 4: Apresenta e discute os resultados obtidos;
16
2 DISPOSITIVOS UTILIZADOS NA AUTOMAC¸ ˜AO INDUSTRIAL
Este cap´ıtulo ´e dedicado a falar sobre todos os componentes utilizados no sistema de automac¸ ˜ao da UBS que foram primordiais para o desenvolvimento do trabalho proposto, como controladores l ´ogicos program ´aveis; Redes de comunicac¸ ˜ao; V ´alvulas pneum ´aticas direcionais; Sensores de deslocamento; Tipos de controladores utilizados. Todos esses t ´opicos ser ˜ao tratados ao longo do cap´ıtulo.
2.1 CONTROLADOR L ´OGICO PROGRAM ´AVEL
Os CLP’s surgiram na ind ´ustria como alternativa para a substituic¸ ˜ao dos comandos que utilizavam a l ´ogica de rel ´es. Sua grande proposta ´e o fato de poder ser facilmente reprogramado para alterac¸ ˜ao da l ´ogica de seu funcionamento sem a necessidade de alterac¸ ˜oes el ´etricas em pain ´eis e tamb ´em seu tamanho reduzido.
O CLP pode ser representado basicamente por 3 partes: Os m ´odulos de entrada, unidade central de processamento, do ingl ˆes Central Process Unit (CPU), e m ´odulos de sa´ıda. Figura 1.
Figura 1: Esquema b ´asico do funcionamento de um CLP. Fonte: Adaptado de https://goo.gl/6ahMUV p.16.
Durante o seu funcionamento o CLP realiza uma sequ ˆencia de operac¸ ˜oes denominada de ciclo de varredura. Quando o CLP ´e iniciado um programa semelhante a BIOS de um computador faz a verificac¸ ˜ao geral dos componentes de hardware, ve-rificando se tudo est ´a funcionando perfeitamente, e se existe um programa de usu ´ario salvo na mem ´oria. A este processo ´e dado o nome de inicializac¸ ˜ao. Se tudo estiver em ordem a CPU comec¸a ent ˜ao executar o programa do usu ´ario, e ent ˜ao comec¸a um ciclo repetitivo chamado de ciclo de varredura que consiste em verificar o estado das entradas, armazenar esta leitura na mem ´oria interna, fazer a comparac¸ ˜ao desta imagem com o programa do usu ´ario e ent ˜ao atualizar as sa´ıdas de acordo com os
2.1 Controlador L ´ogico Program ´avel 17
resultados das operac¸ ˜oes l ´ogicas do programa do usu ´ario (WEG, 2012).
O fluxograma da Figura 2 representa melhor do ciclo de trabalho do CLP.
Figura 2: Fluxograma de trabalho do CLP. Fonte: Adaptado deWEGp.9.
A maioria dos CLP’s encontrados no mercado s ˜ao modulares, portanto s ˜ao facilmente dimensionados para uma aplicac¸ ˜ao espec´ıfica e al ´em disso s ˜ao facilmente adaptados para uma ampliac¸ ˜ao em suas entradas e sa´ıdas. Na Figura 3 est ´a um CLP com cart ˜oes para v ´arias aplicac¸ ˜oes.
Para os dispositivos de entrada de um CLP existem diversos modelos sendo que os mais comuns utilizados s ˜ao cart ˜oes de entradas digitais e entradas anal ´ogicas, que s ˜ao os mais utilizados pois para a maioria das aplicac¸ ˜oes eles recebem sinais di-gitais de sensores indutivos, magn ´eticos e capacitivos ou finais de curso, que s ˜ao no formato digital, e os anal ´ogicos recebem sinais de sensores de dist ˆancia, desloca-mento, temperatura, e at ´e sinais de refer ˆencia de velocidade de outros dispositivos, como por exemplo, inversores de frequ ˆencia. O mesmo se aplica para os dispositivos de sa´ıda.
Existem tamb ´em dispositivos de entrada e sa´ıda que trabalham com sinais pulsados, como PWM ou trem de pulso, esses por ´em s ˜ao utilizados para aplicac¸ ˜oes mais espec´ıficas, como por exemplo controle de posic¸ ˜ao utilizando servo motores, ou
2.2 Redes industriais 18
para controles ON/OFF, PID, e similares (ELECTRIC, 2017b).
Al ´em de cart ˜oes de entrada e sa´ıda, como s ˜ao chamados os dispositivos citados acima, o CLP pode se comunicar com outros equipamentos com a utilizac¸ ˜ao de protocolos de rede industrial como EthernetIP R, PROFBUS R, MODBUS-TCP R, MODBUS-RTU R, CANOPEN R.
Figura 3: CLP M580 da Schneider Electric com cart ˜oes de entrada, sa´ıda eR comunicac¸ ˜ao.
Fonte: https://goo.gl/5EWaiq.
2.2 REDES INDUSTRIAIS
As redes industriais surgiram da necessidade de trocar diversas informac¸ ˜oes simultaneamente entre o CLP e todos os dispositivos controlados por ele, e tamb ´em entre outros CLP’s e sistemas de supervis ˜ao de maneira mais r ´apida e robusta.
Com as redes industriais ´e poss´ıvel com apenas um cabo transmitir e re-ceber informac¸ ˜oes entre uma grande quantidade de equipamentos. Esta quantidade ´e definida pelo tipo de protocolo de comunicac¸ ˜ao e meio f´ısico utilizado, e o n´ıvel de rede da aplicac¸ ˜ao. A norma utilizada para determinar os n´ıveis nas redes industriais ´e a Idustrial Society Automation - 95 (ISA-95). Figura 4.
2.2 Redes industriais 19
Níveis de pirâmide Protocolos
Ethernet MAC TCP/IP ControlNet Profibus FMS Fieldbus HSE Fieldbus H1 CAN Profibus DP,PA HART Asl LonWorks InterBus Nível 5: Gerenciamento corporativo Mainframe Nível 4: Gerenciamento de planta Workstation Nível 3: Supervisão Workstation, PC, IHM Nível 2: Controle CLP, PC, CNC, SDCD Nível 1: Dispositivos de campo, sensores e atuadores Sensores digitais e analógicos Administração de recursos da empresa. Neste
nível encontram-se os softwares para gestão de vendas e financeira.
Nível responsável pela programação e pelo planejamento da produção, realizando o controle e a logística de suprimentos.
Permite a supervisão do processo. Normalmente possui banco de dados com informações relativas ao processo.
Nível onde se encontram os equipamentos que
executam o controle automático das atividades da planta.
Nível das máquinas, dos dispositivos e dos componentes da planta. Ethernet MAC TCP/IP
Figura 4: N´ıveis de redes ISA-95 Fonte: https://goo.gl/djWJjr
A primeira camada apresenta as redes industriais no n´ıvel de bit, que s ˜ao utilizadas para interligar componentes discretos, como sensores, bot ˜oes, fins de curso, indicadores luminosos e alguns atuadores.
A segunda camada apresenta as redes no n´ıvel de dispositivo, onde ´e poss´ıvel a interligac¸ ˜ao de dispositivos como CLP’s, remotas, inversores de frequ ˆencia, etc. ´E nessa camada que ´e efetuado o controle do processo.
A terceira camada como o nome j ´a diz ´e a camada supervis ˜ao, neste n´ıvel nos temos soluc¸ ˜oes para realizar a supervis ˜ao do processo industrial. Existem diver-sas formas de supervisionar o que est ´a acontecendo no campo, como tamb ´em fazer o controle remoto. Uma outra func¸ ˜ao realizada nesta camada ´e de bancos de dados, onde ´e feito o armazenamento das informac¸ ˜oes de processo, para uma an ´alise futura do comportamento da malha de controle.
O n´ıvel 4 ´e respons ´avel pelo planejamento, controle e log´ıstica dos supri-mentos. Para realizar a gest ˜ao dos suprimentos, s ˜ao usadas ferramentas de
geren-2.3 Soft starter 20
ciamento que utilizam como base o banco de dados e relat ´orios gerados no n´ıvel 03, utilizando os sistemas de supervis ˜ao.
´
Ultimo n´ıvel da pir ˆamide da automac¸ ˜ao industrial sai do ˆambito de produc¸ ˜ao e controle de processos e vai para o ˆambito corporativo, focado na ´area de vendas e gest ˜ao dos recursos. Essas informac¸ ˜oes tem como intuito gerar melhores resultados financeiros para a empresa (ANDRADE, 2018).
2.3 SOFT STARTER
A Soft Starter ´e um dispositivo eletr ˆonico composto por pontes de tiristores do tipo Silicon Controlled Rectifier (SCR) acionadas por um circuito eletr ˆonico, com a finalidade de controlar a tens ˜ao de partida do motor, bem como sua desenergizac¸ ˜ao, fazendo assim, com que os processos de energizac¸ ˜ao e desenergizac¸ ˜ao do motor sejam suavizados. A Soft Starter pode substituir os tradicionais modos de ligac¸ ˜ao estrela-triangulo, chave compensadora e partida direta (ANDRADE, 2017).
Al ´em de possuir a vantagem do controle da corrente durante a partida, a chave eletr ˆonica apresenta, tamb ´em, a vantagem de n ˜ao possuir partes m ´oveis ou que gerem arco el ´etrico, como nas chaves eletro-mec ˆanicas. Este ´e um dos pontos fortes das chaves eletr ˆonicas, pois sua vida ´util ´e mais longa. Ainda, como um recurso adicional, a Soft Starter apresenta a possibilidade de efetuar a desacelerac¸ ˜ao suave para cargas de baixa in ´ercia (WEG, 2014)
Por ser um equipamento que ´e controlado eletronicamente, alguns outros tipos de controle s ˜ao encontrados no mesmo equipamento, sendo alguns deles:
• Controle do tempo de acelerac¸ ˜ao e desacelerac¸ ˜ao do motor; • Limitac¸ ˜ao de corrente;
• Conjugado de partida;
• Frenagem por corrente cont´ınua;
• Protec¸ ˜ao do acionamento por sobrecarga; • Protec¸ ˜ao do motor contra sobreaquecimento;
2.3 Soft starter 21
Os par ˆametros principais a serem programados para as aplicac¸ ˜oes mais usuais s ˜ao, Tens ˜ao Inicial, Rampa de acelerac¸ ˜ao. Podendo haver muitos outros mais, de acordo com o fabricante e modelo do equipamento utilizado. A Figura 5 mostra o gr ´afico de acelerac¸ ˜ao durante a partida, nesse gr ´afico ´e poss´ıvel entender a utilizac¸ ˜ao dos par ˆametros citados anteriormente, onde Tens ˜ao inicial est ´a definida como 30% da tens ˜ao nominal, e o par ˆametro Rampa de acelerac¸ ˜ao pode ser definido no intervalo entre 1-60 segundos. 100% 30% 10% PARTIDA 0 Tensão (V) Tempo (s) 1-60
Figura 5: Rampa de acelerac¸ ˜ao ATS22 .R Fonte: Adaptado do Manual do Equipamento.
As Soft Starters mais modernas possuem terminais de entradas digitais, entradas anal ´ogicas e sa´ıdas tamb ´em digitais e anal ´ogicas, possibilitando assim o acionamento e monitoramento dos seus par ˆametros remotamente. Tamb ´em ´e encon-trado no mercado Soft Startes com protocolos de comunicac¸ ˜ao integrados como por exemplo as fam´ılias ATS22 R e ATS48 R da Schneider Electric, Figura 6 que contam com o protocolo de comunicac¸ ˜ao Modbus-RTU R, facilitando ainda mais seu uso em plantas automatizadas.
2.4 V ´alvulas pneum ´aticas 22
Figura 6: Bornes de controle ATS48 .R Fonte: Manual do Equipamento.
2.4 V ´ALVULAS PNEUM ´ATICAS
Em sistemas de automac¸ ˜ao industrial ´e comum encontrar transdutores que usam forc¸a pneum ´atica para converter sinais el ´etricos em forc¸a mec ˆanica. Para isso s ˜ao utilizados cilindros pneum ´aticos que convertem a forc¸a pneum ´atica em mec ˆanica para ent ˜ao produzir movimento. Esses cilindros podem se comportar de diferentes maneiras, conforme a necessidade de cada aplicac¸ ˜ao. Para definir como ir ´a se com-portar o cilindro, s ˜ao utilizadas uma gama de v ´alvulas pneum ´aticas, que tem como func¸ ˜ao orientar o fluxo de ar para entrar ou sair do cilindro e s ˜ao classificadas como:
• V ´alvula de controle direcional. • V ´alvula de bloqueio.
• V ´alvula de controle de fluxo. • V ´alvula de controle de press ˜ao.
2.4.1 V ´ALVULA DE CONTROLE DIRECIONAL
Sua func¸ ˜ao ´e orientar em que direc¸ ˜ao o fluxo de ar ir ´a fluir para as extremi-dades do cilindro e como ele dever ´a se comportar. Essas v ´alvulas s ˜ao classificadas de acordo com a quantidade de vias existentes e a quantidade de manobras que pode de-senvolver, segundo uma nomenclatura definida como quantidade de vias/ quantidade de posic¸ ˜oes.
2.4 V ´alvulas pneum ´aticas 23
2.4.2 NOMENCLATURA
Vias: Quantidade de dutos por onde ocorre fluxo de ar, sendo necessaria-mente sempre maior que 2, sendo que as mais comuns s ˜ao 2, 3, 4, e 5 vias, podendo conter at ´e mais. Sua representac¸ ˜ao se d ´a com o uso de flechas, que indicam o ca-minho do fluxo, por ´em nem sempre o sentido, e tamb ´em o uso de um s´ımboloT que representa o bloqueio do fluxo de ar.
Posic¸ ˜oes: Refere-se ao n ´umero de posic¸ ˜oes est ´aveis que o seu elemento de distribuic¸ ˜ao interno pode obter. Bem como a quantidade de vias, esse n ´umero n ˜ao pode ser inferior a 2, sendo as mais comuns, 2 e 3, podendo tamb ´em possuir mais. ´E representada por um ret ˆangulo do qual ´e dividido em quadrados, sendo que o n ´umero de quadrados representa a quantidade de posic¸ ˜oes que a v ´alvula pode executar conforme o seu acionamento. Figura 7.
Exemplo: 1 2 3 4 5 1 2 1 2 3 1 2 3
Válvula Duas vias e Duas posições 2/2
Válvula Três vias e Duas posições 3/2
Válvula Três vias e Três posições 3/3
Válvula Cinco vias e Tres posições 5/3
Figura 7: Tipos de v ´alvulas pneum ´aticas direcionais. Fonte: Autoria pr ´opria.
O acionamento dessas v ´alvulas pode ser feito por terminais fim de curso, alavancas mec ˆanicas e tamb ´em por solenoides, sendo esse ´ultimo o mais comumente encontrado nos sistemas de automac¸ ˜ao devido `a sua facilidade de instalac¸ ˜ao.
2.5 Sensores industriais 24
2.5 SENSORES INDUSTRIAIS
Criados em 1950, os sensores tornaram-se ao longo dos anos pec¸as fun-damentais `a automac¸ ˜ao industrial. Estes produtos s ˜ao respons ´aveis pela detecc¸ ˜ao de quaisquer movimentac¸ ˜oes no ambiente fabril, seja para contagem de material, con-trole de direc¸ ˜ao, at ´e n´ıvel de fluidos e verificac¸ ˜ao de material dentro de recipientes (ENGEREY, 2017).
Existem sensores para as mais diferentes aplicac¸ ˜oes. Os tipos de sensores industriais podem ser: Sensores de Press ˜ao, Sensores de Temperatura, Sensores de N´ıvel, Sensores de Vaz ˜ao, Sensores de deslocamento e ainda os mais comuns que s ˜ao do tipo ON/OFF que s ˜ao os Sensores Indutivos, Capacitivos, Fotoel ´etricos, Magn ´eticos e ´Oticos (SILVA, 2010).
Por quest ˜oes de conveni ˆencia, apenas os sensores utilizados no desenvol-vimento do projeto ser ˜ao melhor explicados, sendo eles os sensores do tipo indutivo, fotoel ´etrico a laser, magn ´etico, e deslocamento linear.
2.5.1 SENSORES INDUTIVOS
Os sensores indutivos s ˜ao equipamentos eletr ˆonicos capazes de detectar objetos met ´alicos (Figura8). Surgiram com o objetivo de substituir as tradicionais cha-ves fim de curso. A detecc¸ ˜ao ocorre sem que haja o contato f´ısico entre o sensor e o objeto met ´alico, n ˜ao havendo desgaste e aumentando a vida ´util de ambas as partes. O princ´ıpio de funcionamento ´e baseado na gerac¸ ˜ao de um campo eletromagn ´etico de alta frequ ˆencia, desenvolvido por uma bobina em um n ´ucleo de ferrite e um circuito oscilador (ENGEREY, 2017)
Figura 8: Sensor indutivo. Fonte: https://goo.gl/LyVwtN.
2.5 Sensores industriais 25
2.5.2 SENSOR FOTOEL ´ETRICO LASER
Sensores fotoel ´etricos usam luz vis´ıvel ou infravermelha para detectar di-ferentes tipos de objetos sem contato, independentemente de sua consist ˆencia. Ao contr ´ario dos sensores indutivos ou capacitivos, eles possuem dist ˆancias sensoras bem maiores. Figura 9.
As suas aplicac¸ ˜oes mais comuns s ˜ao controle de posic¸ ˜ao, contagem, tri-agem e classificac¸ ˜ao. Eles s ˜ao aplicados principalmente na ind ´ustria automotiva, construc¸ ˜ao de m ´aquinas, linhas de montagem, sistemas de armazenamento e trans-porte.
Sensores fotoel ´etricos operam com o princ´ıpio de emiss ˜ao e recepc¸ ˜ao de luz. Um diodo emite luz que ´e cortada ou refletida por um objeto e o evento ´e posteri-ormente processado (ENGEREY, 2017).
Figura 9: Sensor laser. Fonte: https://goo.gl/fUEfjc
2.5.3 SENSOR MAGN ´ETICO
Estes sensores s ˜ao ativados por campos magn ´eticos e s ˜ao adequados especialmente para detecc¸ ˜ao de posic¸ ˜ao do ˆembolo em cilindros pneum ´aticos. De-vido ao fato de que campos magn ´eticos podem penetrar metais n ˜ao magnetizados, esse tipo de sensor detecta ´ım ˜as permanentes instalados no ˆembolo dos cilindros pneum ´aticos atrav ´es do seu corpo de alum´ınio (Figura 10).(ENGEREY, 2017).
2.6 Sistemas de controle 26
Figura 10: Sensor magn ´etico. Fonte: https://goo.gl/TWct4x
2.5.4 SENSOR DE DESLOCAMENTO LINEAR
Tamb ´em conhecido como Transdutor linear, esse sensor transmite um si-nal asi-nal ´ogico de acordo com o posicionamento de seu elemento sensor. ´E poss´ıvel encontrar diferentes tipos de transdutores lineares para aplicac¸ ˜oes na ind ´ustria, cada um com diferentes princ´ıpios de funcionamento: princ´ıpio indutivo, magnetostritivo, ou potenciom ´etrico s ˜ao os mais usuais (Figura 11). (ENGEREY, 2017).
Figura 11: Sensor deslocamento linear. Fonte: https://goo.gl/XrSCxR.
2.6 SISTEMAS DE CONTROLE
Um sistema de controle consiste em subsistemas e processos (ou plantas) constru´ıdos com o objetivo de se obter uma sa´ıda desejada com um desempenho desejado, dada uma entrada especificada. (NISE, 2012)
2.6 Sistemas de controle 27
em malha aberta e em malha fechada, com esses dois tipos de sistemas ´e poss´ıvel controlar qualquer sistema din ˆamico.
O sistema em malha aberta Figura 12 tem como caracter´ıstica principal a n ˜ao correc¸ ˜ao do sinal de sa´ıda caso haja uma perturbac¸ ˜ao na planta. Em outras pa-lavras, quando o controlador ´e projetado, ele ir ´a sempre obter uma resposta fixa para determinada refer ˆencia, por ´em se por algum motivo o sistema sofrer uma perturbac¸ ˜ao diferente da projetada, a mesma ser ´a somada `a resposta esperada resultando assim em um valor de sa´ıda diferente do esperado.
Figura 12: Sistema em malha aberta. Fonte: (NISE, 2012) p.36.
J ´a nos sistemas em malha fechada (Figura 13) isso n ˜ao ir ´a acontecer, pois nesse sistema ´e realizada a chamada realimentac¸ ˜ao negativa, que nada mais ´e do que subtrair do sinal de refer ˆencia o sinal obtido na sa´ıda do sistema, o valor resultante ´e chamado de erro. Desse modo quando o sinal de sa´ıda for diferente do valor de refer ˆencia, o valor do erro ser ´a diferente de zero, e assim o controlador ir ´a compensar, at ´e que o valor zero seja alcanc¸ado.
Figura 13: Sistema em malha fechada. Fonte: (NISE, 2012) p.36.
2.6.1 CONTROLE ON/OFF ´
E a forma de controlador mais simples que existe e consiste em um circuito comparador que compara o sinal de entrada com dois sinais de refer ˆencia, chamados de limite inferior e superior, (Figura 14). Quando o sinal de entrada fica menor que o limite inferior, a sa´ıda do controlador ´e ativada e o atuador ´e acionado com sua
2.6 Sistemas de controle 28
pot ˆencia m ´axima. Quando o sinal de entrada fica maior que o limite superior, a sa´ıda ´e desligada e o atuador desligado. A diferenc¸a entre o limite superior e o inferior ´e chamada de histerese. Normalmente, a histerese ´e ajust ´avel de forma tal que a refer ˆencia fique entre o limite inferior e o superior (CAMARGO, 2012).
Váriavel controlada
Referência Limite Superior
Limite Inferior
Tempo
Figura 14: Histerese controle ON/OFF. Fonte: Adaptado de (CAMARGO, 2012) p.7.
2.6.2 CONTROLE PROPORCIONAL - INTEGRAL - DERIVATIVO
O controlador do tipo Proporcional-Integral-Derivativo (PID) ´e o algoritmo de controle mais usado na ind ´ustria e tem sido utilizado em todo o mundo para sis-temas de controle industrial. A popularidade de controladores PID pode ser atribu´ıda em parte ao seu desempenho robusto em uma ampla gama de condic¸ ˜oes de fun-cionamento e em parte a sua simplicidade funcional, que permite aos engenheiros oper ´a-los de uma forma simples e direta (INSTRUMENTS, 2011).
Em um sistema de controle PID o valor da ac¸ ˜ao de controle ´e calculado conforme a Figura 15, o sinal de controle ´e um somat ´orio das parcelas proporcional, integral e derivativa. Os coeficientes de cada parcela podem ser calculados para que se obtenha uma resposta transit ´oria de acordo com as necessidades de projeto.
Figura 15: Controlador PID. Fonte: https://goo.gl/PcCNY8.
2.6 Sistemas de controle 29
Comumente em CLP’s existem blocos de func¸ ˜ao PID prontos, em que ´e necess ´ario apenas definir os valores do ganho proporcional (Kp), ganho integral (Ki) e ganho derivativo (Kd ), tamb ´em podem haver outros par ˆametros de acordo com o equipamento utilizado.
Todos os ganhos citados acima possuem caracter´ısticas pr ´oprias na res-posta final do controle, essas caracter´ısticas est ˜ao explicadas a seguir:
• Ganho Proporcional (Kp):
A componente proporcional depende apenas da diferenc¸a entre o ponto de ajuste e a vari ´avel de processo. Esta diferenc¸a ´e referida como o termo de erro. O ganho proporcional Kp determina a taxa de resposta de sa´ıda para o sinal de erro. Por exemplo, se o termo de erro tem uma magnitude de 10, um ga-nho proporcional de 5 produziria uma resposta proporcional de 50. Em geral, aumentando o ganho proporcional ir ´a aumentar a velocidade da resposta do sistema de controle. No entanto, se o ganho proporcional ´e muito grande, a vari ´avel de processo pode comec¸ar a oscilar. Se Kp ´e aumentado ainda mais, as oscilac¸ ˜oes ficar ˜ao maior e o sistema ficar ´a inst ´avel e poder ´a oscilar at ´e mesmo fora de controle, se o sistema for de ordem superior a dois, ou em sistemas com atraso(INSTRUMENTS, 2011).
• Ganho Integral (Ki):
A componente integral Ki soma o termo de erro ao longo do tempo. O resultado ´e que mesmo um pequeno erro far ´a com que a componente integral aumente lentamente. A resposta integral ir ´a aumentando ao longo do tempo a menos que o erro seja zero, portanto, o efeito ´e o de conduzir o erro de estado estacion ´ario para zero(INSTRUMENTS, 2011).
• Ganho Derivativo (Kd):
A componente derivativa Kd faz com que a sa´ıda diminua se a vari ´avel de pro-cesso est ´a aumentando rapidamente. A derivada de resposta ´e proporcional `a taxa de variac¸ ˜ao da vari ´avel de processo. Aumentar o par ˆametro do tempo deri-vativo far ´a com que o sistema de controle reaja mais fortemente `a mudanc¸as no par ˆametro de erro aumentando a velocidade da resposta global de controle do sistema.
Na pr ´atica, a maioria dos sistemas de controle utilizam o tempo derivativo muito pequeno, pois a derivada de resposta ´e muito sens´ıvel ao ru´ıdo no sinal da
2.6 Sistemas de controle 30
vari ´avel de processo. Se o sinal de realimentac¸ ˜ao do sensor ´e ruidoso ou se a taxa de malha de controle ´e muito lenta, a derivada de resposta pode tornar o sistema de controle inst ´avel (INSTRUMENTS, 2011).
Para calcular os ganhos de um PID, existem diversos m ´etodos de sintonia que utilizam a resposta ao degrau da planta em malha aberta, sendo o mais utilizado o m ´etodo de Ziegler Nichols, maiores detalhes sobre esse m ´etodo dispon´ıvel em ( PE-REIRA, 2017) .
31
3 PARAMETRIZAC¸ ˜AO E COMISSIONAMENTO
De modo a executar melhor o desenvolvimento da soluc¸ ˜ao proposta, optou-se por deoptou-senvolver uma bancada de testes em laborat ´orio para que o sistema optou-seja testado exaustivamente antes de liberar o projeto para implantac¸ ˜ao na industria, pro-porcionando maior seguranc¸a e menor tempo de instalac¸ ˜ao e comissionamento, pois muitos problemas n ˜ao previstos na etapa de projeto surgem durante o per´ıodo de testes.
3.1 ESTUDO DOS EQUIPAMENTOS ATUAIS NO CLIENTE
Para o melhor desenvolvimento do controlador, se fez necess ´ario entender como os componentes de hardware j ´a existente na ind ´ustria funcionam para posteri-ormente indicar quais dever ˜ao ser as alterac¸ ˜oes necess ´arias para que o sistema fun-cione. Sendo assim, foi efetuada uma consulta in loco na industria e os equipamentos encontrados est ˜ao dispostos na Tabela 1.
Equipamentos existentes
Equipamento Marca Modelo Func¸ ˜ao
Controlador L ´ogico Program ´avel WAGO 750-352 Controla todos os acionamentos da planta Manda informac¸ ˜oes para o supervis ´orio
Remotas das moegas WAGO 750-881 Faz a comunicac¸ ˜ao de I/O de um local remoto com o CLP principal, utilizando protocolo de rede Ethernet/IP
Soft Starter Schneider Electric ATS-22 Faz a partida suave dos motores dos elevadores em estudo O comando atualmente ´e feito usando os bornes de I/O Conjunto Pneum ´atico Camozzi 364-011-02 Abrir e fechar a comporta na sa´ıda das moegas
Tabela 1: Equipamentos existentes
Foi constatado que o sistema de automac¸ ˜ao da ind ´ustria funciona utilizando um CLP principal que fica localizado dentro do Centro de Comando de Motores (CCM) e outros CLP’s que ficam em pontos estrat ´egicos em campo. Esses CLP’s que ficam em campo s ˜ao chamados de “Remotas” e sua func¸ ˜ao ´e ser uma extens ˜ao do CLP principal, contendo diversos cart ˜oes de I/O, anal ´ogicos ou outros cart ˜oes conforme a necessidade. A utilizac¸ ˜ao desse recurso evita o uso de uma grande quantidade de fios de controle do campo at ´e o CCM.
A ´area onde est ˜ao localizadas as moegas ´e atendida por uma dessas re-motas, sendo que a mesma tem a func¸ ˜ao de receber os sinais dos sensores de v ´alvula aberta e fechada, embuchamento e rotac¸ ˜ao dos elevadores, n´ıvel de gr ˜aos das
mo-3.2 Criac¸ ˜ao de bancada de testes 32
egas, entre outros sinais que est ˜ao nos equipamentos que n ˜ao s ˜ao relevantes para esse trabalho, mas tamb ´em s ˜ao controlados por CLP. Como durante a construc¸ ˜ao da ind ´ustria uma margem foi deixada nos cart ˜oes das remotas para futuros equipa-mentos, como ´e o caso deste trabalho, os cart ˜oes de entrada anal ´ogica dessa re-mota acomodam tranquilamente a instalac¸ ˜ao do sensor de deslocamento do cilindro pneum ´atico, que por sua vez pode ser feita sem muitos problemas, sendo necess ´aria apenas a instalac¸ ˜ao f´ısica do mesmo junto ao cilindro pneum ´atico, e a sua instalac¸ ˜ao el ´etrica .
O CLP principal aciona todos os motores utilizando o controle por sinais digitais, e com isso n ˜ao ´e poss´ıvel o monitoramento ativo das grandezas el ´etricas dos motores. Os motores dos elevadores costumam ser de pot ˆencia maior que 15 CV, devido `a grande carga que movem, sendo assim, para a sua partida s ˜ao utilizadas Soft Starters do modelo ATS-22 da Schneider Electric, esse modelo conta com uma porta de comunicac¸ ˜ao MODBUS-RTU. Essa comunicac¸ ˜ao permite que diversos par ˆametros de acionamento, controle e monitoramento sejam gravados/lidos.
Por serem equipamentos de marcas diferentes a Soft Starter e o CLP pricipal, a comunicac¸ ˜ao entre ambos n ˜ao ´e poss´ıvel, pois a Schneider Electric uti-liza o MODBUS e a WAGO utiuti-liza ETHERNET/IP sendo assim, ´e necess ´ario um terceiro equipamento que trabalhe como um gateway que consiga estabelecer uma comunicac¸ ˜ao. O equipamento escolhido para essa func¸ ˜ao foi o CLP TM241CEC24T da Schneider Electric. Essa escolha foi feita pelo custo acess´ıvel do equipamento e a facilidade de implantac¸ ˜ao.
Tamb ´em pensando em implantac¸ ˜oes futuras em outras empresas que tal-vez n ˜ao tenham um sistema de automac¸ ˜ao t ˜ao completo, optou-se por desenvolver a l ´ogica de controle com o TM241CEC24T em outras palavras, o sistema ir ´a se tor-nar plug-in-play que ir ´a necessitar apenas de um comissionamento inicial e uma IHM para que funcione. O caso da UBS em estudo, o sistema novo ir ´a apenas trocar informac¸ ˜oes com o controlador principal.
3.2 CRIAC¸ ˜AO DE BANCADA DE TESTES
Para o desenvolvimento do trabalho foi constru´ıda uma bancada de testes em laborat ´orio, para que fosse poss´ıvel testar partes do sistema em malha aberta e em malha fechada, em ambiente controlado. A bancada foi desenvolvida de modo a recriar o ambiente real j ´a existente na UBS. Os equipamentos utilizados est ˜ao
descri-3.2 Criac¸ ˜ao de bancada de testes 33
Equipamentos bancada
Equipamento Marca Modelo Func¸ ˜ao
Controlador L ´ogico Program ´avel Schneider Electric TM241-CEC24T Efetuar a leitura dos registradores da Soft Starter por rede MODBUS-485 Comunicac¸ ˜ao com o CLP da UBS
Soft Starter Schneider Electric ATS-22 Acionar um motor de induc¸ ˜ao de testes Transdutor de deslocamento
linear OPKON ERTL500DI4 Efetuar a leitura do deslocamento do cilindro pneum ´atico Conjunto Pneum ´atico Camozzi 364-011-02 Simular a abertura e fechamento da v ´alvula da moega Motor de induc¸ ˜ao trif ´asico WEG - Simular motor do elevador
Tabela 2: Equipamentos bancada de testes
tos na Tabela 2.
A bancada montada est ´a mostrada na Figura 16.
1
2
4
3
5
Figura 16: Bancada de testes. Fonte: Autoria pr ´opria.
A figura 16 mostra uma vis ˜ao ampla da bancada de testes, os equipamen-tos est ˜ao referenciados com uma numerac¸ ˜ao que est ´a explicada abaixo:
1. CLP TM241CEC24T. 2. Soft Starter ATS-22.
3. Conjunto cilindro pneum ´atico e sensor de deslocamento linear. 4. Motor de induc¸ ˜ao.
5. Plataforma de programac¸ ˜ao.
A Figura17 mostra em detalhes como foi feita a instalac¸ ˜ao do sensor de deslocamento ao cilindro pneum ´atico.
3.2 Criac¸ ˜ao de bancada de testes 34
1
2
3
Figura 17: Detalhe cilindro pneum ´atico. Fonte: Autoria pr ´opria.
1. Sensor de deslocamento linear. 2. Cilindro pneum ´atico.
3. V ´alvula direcional 5/3 vias de duplo solenoide.
3.2.1 FUNCIONAMENTO DA BANCADA
Quando o sistema for instalado na UBS seu diagrama de ligac¸ ˜oes ir ´a ser como est ´a representado na Figura 18, por ´em laborat ´orio uma vers ˜ao um pouco menor do sistema foi criada, pois n ˜ao houve a necessidade de utilizac¸ ˜ao de uma remota, portanto foram utilizadas as proprias entradas e sa´ıdas do CLP. As ligac¸ ˜oes ficaram como est ´a ilustrado na (Figura 19).
3.2 Criac¸ ˜ao de bancada de testes 35 ETHERNE T/I P SD EA ED SD ETHERNET/IP ETHERNE T/I P REMOTA CLP PRINCIPAL CLP NOVO SUPERVISÃO MODBUS-RTU
Figura 18: Esquema controle UBS. Fonte: Autoria pr ´opria.
O componente chave da bancada ´e o controlador TM241CEC24T, esse controlador possui 14 entradas digitais e 10 sa´ıdas digitais, protocolos de comunicac¸ ˜ao Ethernet/IP, MODBUS-RTU e CANOPEN, tamb ´em possui slots de expans ˜ao para di-versos cart ˜oes,para mais detalhes (ELECTRIC, 2017a).
Foi criada uma rede de comunicac¸ ˜ao MODBUS-RTU entre o CLP e a Soft Starter, essa rede permite ler e escrever em diversos registradores da Soft Starter. Essa comunicac¸ ˜ao permite ler em tempo real a corrente em cada fase, e tamb ´em obter sinais de estado do equipamento.
Como na UBS j ´a existe um CCM e a proposta do trabalho ´e modificar o menos poss´ıvel o que j ´a existe, o controle de liga/desliga e reset da Soft Starter ir ´a continuar, utilizando os terminais de entrada digital como ´e atualmente. Para isso foram utilizadas as sa´ıdas digitais do CLP da bancada para simular esses comandos. Na parte de atuac¸ ˜ao do sistema, foi utilizado um cilindro pneum ´atico e v ´alvula 5/3 vias com acionamento com duplo solenoide. O sensor de deslocamento li-near foi fortemente acoplado paralelamente com o cilindro pneum ´atico garantindo que n ˜ao houvesse deslocamento entre ambos, ocasionando erros de medic¸ ˜ao do
desloca-3.2 Criac¸ ˜ao de bancada de testes 36
mento. O sinal do sensor de deslocamento ´e do tipo anal ´ogico com escala de 4-20mA. Como citado anteriormente nas caracter´ısticas do TM241CEC24T o equipamento n ˜ao possui entrada anal ´ogica, com isso um cart ˜ao de entrada anal ´ogica foi instalado no CLP para se fosse poss´ıvel a leitura do deslocamento.
Junto com o cilindro pneum ´atico foram instalados sensores magn ´eticos que tem como func¸ ˜ao determinar o fim de curso m ´aximo e m´ınimo do embolo, esses sen-sores s ˜ao do tipo digitais, e foram utilizadas as entradas digitais nativas do CLP para efetuar essa leitura.
As ligac¸ ˜oes el ´etricas dos sinais de controle foram feitos como est ´a exposto na (Figura 19). EA ED SD ETHERNE T/I P MODBUS-RTU SD SUPERVISÃO CLP NOVO
Figura 19: Ligac¸ ˜oes entre os equipamentos. Fonte: Autoria pr ´opria.
37
4 RESULTADOS E DISCUSS ˜AO
4.1 REALIZAC¸ ˜AO DE ENSAIOS
Para validar o funcionamento do projeto proposto, primeiramente foram fei-tos ensaios separados de todos os sub sistemas que o comp ˜oe, s ˜ao eles o sistema de controle de posic¸ ˜ao da v ´alvula da moega, seguido do sistema de controle de carga do motor do elevador de gr ˜aos, e por fim os controles adicionais solicitados pela UBS. Os controladores utilizados para garantir a exatid ˜ao da abertura do cilindro pneum ´atico e controle da carga do motor do elevador foram simultaneamente controle ON/OFF e Proporcional-Integral.
4.1.1 CONTROLE DE REFER ˆENCIA DA V ´ALVULA DA MOEGA
A correta abertura da v ´alvula da moega ´e parte essencial para o funcio-namento do controle da corrente do motor, pois ela ´e o atuador do sistema princi-pal. Essa v ´alvula ´e acionada por um cilindro pneum ´atico comandado por uma v ´alvula pneum ´atica do tipo direcional 5/3 vias com duplo solenoide. Figura 20.
2
3
1
Figura 20: Atuador pneum ´atico UBS. Fonte: Autoria pr ´opria.
4.1 Realizac¸ ˜ao de ensaios 38
Onde:
1. Cilindro pneum ´atico.
2. V ´alvula pneum ´atica direcional 5/3 vias de duplo solenoide.
3. Acoplamento mec ˆanico com a v ´alvula dosadora da sa´ıda da moega.
O diagrama de blocos do subsistema de controle pneum ´atico est ´a mostrado na Figura 21. O controlador escolhido para esse subsistema foi do tipo ON/OFF, devido `as caracter´ısticas do acionamento da v ´alvula direcional pneum ´atica ser do tipo dupla solenoide.
Figura 21: Diagrama de blocos controle pneum ´atico. Fonte: Autoria pr ´opria.
Esse subsistema ir ´a atuar diretamente nas solenoides da v ´alvula pneum ´atica 5/3 vias do Item 2 da Figura 20, o sinal de sa´ıda do subsistema ser ´a no formato PWM por ser uma forma de modulac¸ ˜ao que funcionou bem para essa aplicac¸ ˜ao. Foram utilizadas duas sa´ıdas de PWM do controlador, uma para cada solenoide, como est ´a explicito na Figura 22.
Uma rotina foi implementada no CLP utilizando linguagem Ladder para re-alizar esse controle. O programa recebe o sinal em escala 4-20mA do transdutor de deslocamento e converte em uma escala de 0-100 %. A l ´ogica desse programa est ´a exemplificada na Figura 22 .
O cilindro pneum ´atico ´e acoplado diretamente na v ´alvula da moega de modo que quando est ´a com sua extens ˜ao total, a v ´alvula se encontra totalmente fechada e quando est ´a completamente retra´ıdo, a v ´alvula est ´a com sua abertura m ´axima, sendo assim o valor mostrado pelo sensor para abertura m ´axima da v ´alvula tende a 0%. Para resolver esse problema, e o valor lido ser em relac¸ ˜ao `a abertura da v ´alvula e n ˜ao do cilindro, o valor mostrado pelo sensor foi subtra´ıdo do valor de abertura m ´aximo. Essa operac¸ ˜ao garante que o valor da refer ˆencia do controle ´e com-pat´ıvel com o valor da realimentac¸ ˜ao.
4.1 Realizac¸ ˜ao de ensaios 39
Para que o controlador acione a solenoide correta na hora de atuar, foi desenvolvida uma l ´ogica que analisa o valor do erro, se o mesmo for maior que 0 significa que o controlador tem que atuar na solenoide respons ´avel por abrir a v ´alvula, e caso for menor que 0, dever ´a acionar a solenoide respons ´avel por fechar a mesma. Durante os testes apenas com essa l ´ogica notou-se que o sistema se com-portava de modo muito inst ´avel e, para qualquer perturbac¸ ˜ao m´ınima, a resposta de abertura era muito brusca. Ent ˜ao algumas melhorias foram implementadas para me-lhorar a resposta e o regime permanente, sendo elas a implementac¸ ˜ao de uma Histe-rese e variac¸ ˜ao no Raz ˜ao C´ıclica do PWM para quando a v ´alvula estivesse pr ´oxima da refer ˆencia, na Figura 22 a vari ´avel Ajuste desempenha o ponto de alterac¸ ˜ao da Raz ˜ao C´ıclica.
A Histerese resolveu o problema dos acionamentos constantes das sole-noides e esforc¸o desnecess ´ario do cilindro pneum ´atico e da v ´alvula direcional. A estrat ´egia de variac¸ ˜ao da Raz ˜ao C´ıclica diminuiu consideravelmente o sobre sinal na ac¸ ˜ao de controle.
Os valores tanto da Histerese quanto da Raz ˜ao C´ıclica maior e Raz ˜ao C´ıclica menor foram obtidos de forma emp´ırica. Esses valores ir ˜ao mudar quando o sistema for instalado na UBS, pois a in ´ercia de todo conjunto mec ˆanico da v ´alvula da moega ´e muito maior do que nas condic¸ ˜oes de laborat ´orio com o cilindro pneum ´atico atuando sem nenhuma carga.
J ´a o valor da Histerese pode ser mudado de acordo com a precis ˜ao de-sejada do controlador, esse fen ˆomeno foi simulado em laborat ´orio Figuras 23, 24 e
Razão cíclica menor Razão cíclica
maior
% Razão cíclica
Figura 22: Rotina do bloco de controle pneum ´atico. Fonte: Autoria pr ´opria.
4.1 Realizac¸ ˜ao de ensaios 40
25.
Durante os ensaios os valores de Raz ˜ao C´ıclica maior e Raz ˜ao C´ıclica me-nor utilizados foram 10% e 5% respectivamente e os degraus foram 0%, 25%, 50%, 75%, 100%, 75% , 50%, 25% e 0%. Os gr ´aficos das Figuras 23, 24 e 25, foram gerados utilizando valores medidos diretamente no CLP, eles foram obtidos com a ferramenta TRACE do software de programac¸ ˜ao do CLP.
4.1.1.1 ENSAIO HISTERESE IGUAL A ZERO
0 10 20 30 40 50 60 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 Histerese = 0 Tempo [s] Abertura [%] Ref. Sensor
Figura 23: Resposta do controlador para Histerese igual a zero. Fonte: Autoria pr ´opria.
O primeiro ensaio comprova a efic ´acia do controlador para Histerese igual a zero, pois na maioria dos degraus dados o erro ´e nulo em regime permanente, apenas no valor de degrau de 100% isso n ˜ao acontece.
A justificativa para o erro n ˜ao ser nulo para esse caso, deve-se ao fato de que o ajuste da escala do transdutor de deslocamento linear foi muito justo, e assim durante o ensaio com as vibrac¸ ˜oes sofridas a cada acionamento da solenoide que aciona a v ´alvula, o sensor pode ter se deslocado em relac¸ ˜ao ao cilindro alguns mil´ımetros, ou at ´e mesmo a exist ˆencia de folga nos acoplamentos mec ˆanicos, gerou um erro ´ınfimo no final de escala. Esse mesmo erro ocorreu em todos os testes, mas como esse valor ´e muito pequeno pode ser desconsiderado.
4.1 Realizac¸ ˜ao de ensaios 41
Neste primeiro ensaio uma pequena variac¸ ˜ao foi simulada no sinal de re-fer ˆencia, diminuindo-o de 25% para 24% para observar como o sistema se comporta para pequenas mudanc¸as na refer ˆencia. Com esse teste, ficou evidente que para pequenas variac¸ ˜oes na refer ˆencia e nas condic¸ ˜oes de laborat ´orio, em que o cilindro estava excursionando livremente sem grande inercia acoplada, de fato pode existir um sobre sinal.
4.1.1.2 ENSAIO HISTERESE IGUAL A UM
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 Histerese = 1 Tempo [s] Abertura [%] Ref. Sensor
Figura 24: Resposta do controlador para Histerese igual a um. Fonte: Autoria pr ´opria.
Pode-se observar uma grande melhora na resposta obtida em relac¸ ˜ao ao primeiro ensaio. Permitindo uma Histerese de 1%, o sistema n ˜ao apresentou sobre sinal em nenhum dos degraus. Tamb ´em se observa que por mais que o sistema permita um erro na resposta, em alguns casos o erro foi nulo, mostrando assim que nem sempre haver ´a erro.
4.1 Realizac¸ ˜ao de ensaios 42
4.1.1.3 ENSAIO HISTERESE IGUAL A DOIS
0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 Histerese = 2 Tempo [s] Abertura [%] Ref. Sensor
Figura 25: Resposta do controlador para Histerese igual a dois. Fonte: Autoria pr ´opria.
O ensaio com Histerese igual a 2 tamb ´em mostra que a resposta do des-locamento segue a refer ˆencia como esperado pois, a curva referente `a medic¸ ˜ao do sensor de deslocamento segue a refer ˆencia conforme os diferentes n´ıveis s ˜ao apli-cados. Nota-se que houve um pequeno sobre sinal no tempo logo ap ´os os 10 s, provavelmente isso ocorreu por algum motivo espor ´adico, pois n ˜ao foi mais observado esse fen ˆomeno nos outros degraus.
4.1.1.4 ENSAIO DE VARIAC¸ ˜AO DE PRESS ˜AO PNEUM ´ATICA
De modo a validar a robustez do sistema em condic¸ ˜oes anormais de funci-onamento outro ensaio foi efetuado simulando operac¸ ˜ao do controlador em condic¸ ˜oes de variac¸ ˜ao de press ˜ao na linha de ar comprimido, a press ˜ao nominal da linha ´e 10 bar. O sistema operou normalmente at ´e a faixa de 7 bar, com press ˜oes menores a essa, o sistema funcionou com falha, pois quando o erro se aproximava de 0, e a Raz ˜ao C´ıclica menor era selecionada, o cilindro parava de se mover. Para press ˜ao menor que 2 bar, o sistema ficou totalmente inoperante. N ˜ao foram feitos testes para press ˜ao maior que a nominal por motivos de seguranc¸a, tanto o compressor do labo-rat ´orio, quanto os componentes pneum ´aticos tem indicac¸ ˜oes de advert ˆencia para n ˜ao
4.1 Realizac¸ ˜ao de ensaios 43
ultrapassar a press ˜ao nominal.
Ap ´os os ensaios comprovou-se ent ˜ao que o controle pneum ´atico de fato funcionou, pois para todos os casos o sistema seguiu a refer ˆencia tendo um tempo de resposta excelente seguindo a refer ˆencia em tempo menor a 0,4 s em todos os degraus aplicados durante os testes. Esse tempo de resposta ´e limitado apenas pelos aspectos construtivos da v ´alvula, do cilindro pneum ´atico e da inercia do conjunto.
Os equipamentos utilizados com a finalidade de medir abertura e abrir e fechar o cilindro pneum ´atico proporcionaram uma grande precis ˜ao, ficando dentro de uma margem de +-2%, sendo mais preciso do que o necess ´ario para o tipo de planta que foi empregado.
A possibilidade de escolher faixas de ajuste grosso e fino da raz ˜ao c´ıclica, bem como um valor de erro admitido permite que ao instalar o sistema na ind ´ustria, o sistema pode ser facilmente reprogramado para funcionar da melhor forma poss´ıvel nas condic¸ ˜oes reais.
4.1.2 CONTROLE DE CORRENTE DO MOTOR DO ELEVADOR
O controlador escolhido para a corrente do motor do elevador ´e do tipo Proporcional Integral, pois a vari ´avel controlada ´e do tipo cont´ınua no tempo. O con-trolador foi escolhido por facilidade de implementac¸ ˜ao na plataforma utilizada, pois no CLP utilizado j ´a existe um bloco de func¸ ˜oes para essa finalidade.
A malha de controle est ´a representada na Figura 26, a ac¸ ˜ao de controle do PI ir ´a ter como finalidade ser a refer ˆencia do sistema de abertura da v ´alvula da moega, por isso foi importante validar o controlador de abertura no t ´opico anterior.
Motor do Elevador
Figura 26: Diagrama de blocos controle de carga.
No CLP foi criada uma nova rotina somente para esse controle, por j ´a existir um bloco de func¸ ˜ao pronto no software de programac¸ ˜ao, a programac¸ ˜ao dessa etapa foi bastante simplificada.
4.1 Realizac¸ ˜ao de ensaios 44
fases do motor medido diretamente na Soft Starter. A medic¸ ˜ao se d ´a diretamente em unidades de corrente (A), portanto foi utilizado o mesmo bloco de convers ˜ao de escalas utilizados no controle pneum ´atico para converter a corrente em uma escala de 0-100%. Os limites de corrente m ´aximo e m´ınimo para essa escala foram entre 0 e a corrente nominal do motor utilizado no laborat ´orio.
Para os testes do controlador PI, n ˜ao foi poss´ıvel simular o sistema din ˆamico real em laborat ´orio, ent ˜ao a soluc¸ ˜ao encontrada para comprovar o funcionamento em malha fechada do controle, a corrente do motor real lida pela Soft Starter foi subs-titu´ıda por uma vari ´avel interna do CLP com a mesma escala 0-100% na entrada da realimentac¸ ˜ao do bloco do PI, assim permitindo que o valor da corrente do motor lido pelo controlador fosse facilmente modificado utilizando o software de programac¸ ˜ao.
Os ganhos do controlador nos testes de laborat ´orio foram definidos em-piricamente, de modo a conseguir que o sistema se comportasse de forma lenta o suficiente para conseguir manualmente modificar, tanto o valor de refer ˆencia quanto o valor da corrente fict´ıcia no software de programac¸ ˜ao. Esses ganhos logicamente dever ˜ao ser alterados quando o sistema for instalado na UBS.
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 x 104 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 Controle PI Tempo [ms] Abertura/Carga [%] Ref. Simulação. Abertura
Figura 27: Ensaio controlador PI. Fonte: Autoria pr ´opria.
A Figura 27 mostra o ensaio de malha fechada do controlador. A linha verde ´e a % Carga fict´ıcia do motor citado anteriormente, devido `a padronizac¸ ˜ao de escalas, tanto a refer ˆencia do PI quanto o valor da % Abertura podem ser mostrados no mesmo
4.1 Realizac¸ ˜ao de ensaios 45
gr ´afico.
Partindo de condic¸ ˜oes iniciais arbitrarias, o sistema sofreu perturbac¸ ˜oes tanto aumentando como diminuindo o valor da refer ˆencia de corrente do motor. Esse ensaio n ˜ao tem validade para mostrar par ˆametros de resposta como overshoot, rise time, seetling time, apenas mostrar que o controlador abre e fecha a v ´alvula da moega conforme o erro vai mudando.
Os modos autom ´aticos de controle de corrente n ˜ao puderam ser testados nas condic¸ ˜oes reais de funcionamento, devido `a falta de tempo h ´abil e pessoal para executar testes in loco. Mas nos testes de laborat ´orio em que foram simuladas car-gas diferentes no eixo do cilindro e no eixo do motor de teste, o sistema se mostrou robusto e pouco suscet´ıvel a falhas, pois durante esses testes, em nenhum momento o controle se comportou de maneira inesperada.
4.1 Realizac¸ ˜ao de ensaios 46
4.1.3 TESTE DAS CONDIC¸ ˜OES DE FUNCIONAMENTO DO SISTEMA
Para atender `as necessidades solicitadas pelo cliente, ambas as rotinas criadas para os controles de abertura da v ´alvula da moega, quanto a do controle de corrente do motor foram aprimoradas.
De modo a atender as condic¸ ˜oes de funcionamento solicitadas, para a condic¸ ˜ao de funcionamento controle por corrente, o sistema deve funcionar conforme o fluxograma da Figura 28. Para o modo de controle de refer ˆencia de abertura, o com-portamento est ´a mostrado no fluxograma da Figura 29, e finalmente o ´ultimo modo de controle ´e o modo de controle manual, Figura 30, esse modo de controle ´e o mais semelhante ao sistema que est ´a instalado na UBS.
4.1.3.1 CONTROLE POR % CORRENTE
Figura 28: Fluxograma modo controle por corrente. Fonte: Autoria pr ´opria.
4.1 Realizac¸ ˜ao de ensaios 47
Quando o modo de operac¸ ˜ao autom ´atico por controle de corrente ´e seleci-onado, ao pressionar o bot ˜ao para ligar o motor do elevador, o sistema espera a Soft Starter efetuar a partida do motor, e somente continua com a rotina do programa se n ˜ao houver nenhum tipo de falha do mesmo, nesse momento a Soft Starter comuta um de seus rel ˆes indicando que a partida e a rampa de acelerac¸ ˜ao ocorreram sem nenhum problema.
Ao receber o sinal que est ´a tudo em funcionamento, o sistema ir ´a permitir uma abertura inicial da v ´alvula da moega por um tempo, ambos os valores de % abertura, quanto o tempo de perman ˆencia nessa condic¸ ˜ao s ˜ao emp´ıricos e podem ser alterados conforme a necessidade. Essa abertura inicial se faz necess ´aria por existir um atraso de transporte de massa consider ´avel do momento que a v ´alvula abre, at ´e que o carregamento do motor se estabilize, ou seja, quando o elevador est ´a a vazio, ir ´a ter uma corrente notavelmente menor que em condic¸ ˜ao de transporte de gr ˜aos, sendo assim, se n ˜ao houver essa abertura, e o controle de corrente atuar logo no in´ıcio, poder ´a entender que o motor est ´a funcionando com folga e ir ´a abrir demasiadamente a moega e assim quando o elevador carregar, poder ´a desarmar por sobrecarga.
Ap ´os a abertura inicial da v ´alvula da moega, o subsistema de controle de carga do motor ir ´a comec¸ar a atuar, controlando a abertura de modo a seguir a re-fer ˆencia estipulada. Durante esse per´ıodo de funcionamento normal, existir ´a o moni-toramento constante do motor e do n´ıvel de gr ˜aos na moega. Se por algum motivo o motor sofrer sobrecarga por um tempo maior que o pr ´e programado, ou alguma outra pane, um aviso luminoso ir ´a aparecer na tela do sistema de supervis ˜ao. O controlador ser ´a imediatamente desligado e a v ´alvula da moega ir ´a ser totalmente fechada, at ´e que seja apertado um bot ˜ao de reset no supervis ´orio. Caso o motor sofra um des-ligamento, todo o processo dever ´a ser iniciado novamente. O bot ˜ao de reset s ´o ir ´a retomar o funcionamento normal em casos de sobrecarga moment ˆanea.
Se detectado que o n´ıvel do sensor laser da moega est ´a em n´ıvel baixo, o controlador ser ´a desativado e a v ´alvula completamente fechada automaticamente, e assim permanecer ´a at ´e que o n´ıvel do sensor atinja um valor tamb ´em pr ´e estabele-cido, que indique que h ´a produto dentro da moega, ap ´os isso, o sistema ir ´a automati-camente reiniciar o processo.
4.1 Realizac¸ ˜ao de ensaios 48
4.1.3.2 CONTROLE POR % ABERTURA
Figura 29: Fluxograma modo controle por abertura. Fonte: Autoria pr ´opria.
A utilizac¸ ˜ao do modo de controle autom ´atico por refer ˆencia % Abertura a primeira vista parece ser igual ao controle autom ´atico por refer ˆencia % Corrente, s ´o que existem algumas peculiaridades.
Todos os crit ´erios de protec¸ ˜ao contra transbordo ir ˜ao continuar ativos, como mostra no fluxograma da Figura 29.
O que muda nesse modo em relac¸ ˜ao ao modo citado anteriormente, ´e que a % Carga nesse modo ir ´a ser apenas monitorada, mas n ˜ao existir ´a controle autom ´atico algum sobre ela, cabendo ao operador da planta fazer esse controle. Esse modo ´e o equivalente a remover o controlador PI do sistema de controle da planta e manter apenas o controle pneum ´atico.
4.1 Realizac¸ ˜ao de ensaios 49
4.1.3.3 CONTROLE MANUAL
Figura 30: Fluxograma modo controle manual. Fonte: Autoria pr ´opria.
Por fim controle manual ´e o modo de operac¸ ˜ao que ir ´a dar total autonomia ao usu ´ario para operar em condic¸ ˜oes n ˜ao usuais da planta. Esse modo de operac¸ ˜ao permite abrir ou fechar a v ´alvula da moega com o motor desligado, e todos os crit ´erios de protec¸ ˜ao contra transbordo s ˜ao removidos.
Para usar esse modo de operac¸ ˜ao pode ser implementado futuramente um controle de usu ´arios dentro do supervis ´orio da UBS, permitindo que apenas pessoas capacitadas o utilizem, devido `a grande responsabilidade que ´e oper ´a-lo.
As necessidades do cliente foram todas atendidas com esse trabalho, dei-xando assim o sistema como um todo muito mais seguro, e com menores chances de desarme e transbordo de gr ˜aos em caso de pane.
O sistema ainda ir ´a permitir novos sistemas de seguranc¸a futuros, se assim for necess ´ario, como por exemplo monitorar a press ˜ao do sistema pneum ´atico na linha que alimenta os cilindros, e exibir algum aviso na tela ou evitar o acionamento do sistema caso detecte baixa press ˜ao.
4.2 Supervis ´orio 50
4.2 SUPERVIS ´ORIO
Por se tratar de um sistema com vari ´aveis a serem monitoradas e controla-das, se fez necess ´aria a implementac¸ ˜ao de uma interface homem m ´aquina (IHM) para facilitar a utilizac¸ ˜ao. Foi utilizado o software Somachine 4.3, fornecido pela Schneider Electric. Esse software ´e utilizado para a programac¸ ˜ao dos controladores da tinha TM241.
A seguir est ˜ao imagens de todas as telas desenvolvidas para o controle do processo. Como foi citado no comec¸o deste trabalho, o sistema dever ´a ser instalado em uma ind ´ustria onde j ´a existe um sistema de supervis ˜ao com sua pr ´opria IHM, sendo assim, a interface desenvolvida servir ´a apenas de base para atualizac¸ ˜ao da IHM existente.
Essa interface pode ser aplicada do jeito que est ´a, em ind ´ustrias onde n ˜ao h ´a sistemas complexos de automac¸ ˜ao industrial, podendo ser instaladas telas de mo-nitoramento em pontos estrat ´egicos da planta, para que um operador consiga monito-rar e opemonito-rar o sistema.
Todos os sistemas de seguranc¸a implementados na sec¸ ˜ao anterior ficam melhor explicados com o uso de interfaces gr ´aficas. As imagens a seguir foram feitas utilizando o modo de comissionamento para que fosse poss´ıvel simular valores de % Carga no motor.
As imagens a seguir est ˜ao posicionadas de modo a representar o funcio-namento do sistema, comec¸ando pelo momento de partida do motor, at ´e o momento que os sistemas de seguranc¸a entram em ac¸ ˜ao.
A tela inicial do sistema de controle do elevador est ´a mostrada na Figura 31. ´E nessa tela que se encontram as principais informac¸ ˜oes que o operador deve monitorar.
4.2 Supervis ´orio 51
Figura 31: Tela principal. Fonte: Autoria pr ´opria.
Na parte superior est ˜ao os bot ˜oes que controlam o acionamento e desli-gamento do sistema, logo `a direita encontra-se um indicador luminoso do estado de funcionamento do motor.
Mais para o meio da tela no lado esquerdo est ˜ao posicionados os bot ˜oes para selecionar os modos de controle, com suas respectivas barras para setar os valores de refer ˆencia a serem mantidos para os controles autom ´aticos, e para o caso do controle manual optou-se por criar dois bot ˜oes para incrementar ou decrementar a abertura em um valor fixo a cada clique. Essa estrat ´egia foi escolhida para evitar que um erro humano abra acidentalmente demasiadamente a v ´alvula. No lado direito da tela est ˜ao os indicadores de carga do motor e abertura da v ´alvula, ambos em escala percentual, tendo como limites 0-160% para a carga do motor e 0-100% para a abertura da v ´alvula.
Finalmente na parte inferior da tela est ˜ao localizados os bot ˜oes de modo de parametrizac¸ ˜ao e bot ˜ao de reset geral. O bot ˜ao de parametrizac¸ ˜ao d ´a acesso `a um menu que ser ´a explicado mais para frente no texto.
