Simulador Multi-Axial
Tiago Teixeira de Sousa Brito
Dissertação de Mestrado
Orientador:
Prof. Dr. Francisco Freitas
Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica
Opção de Automação
iii
À minha Mãe.
v
Resumo
Pretende-se com o corrente trabalho o desenvolvimento de um simulador de vibrações que sirva os propósitos de simulação de modelos sísmicos e o de testes de vibrações em equipamentos eléctricos/electrónicos. Esta ferramenta quer-se tanto robusta quanto útil, devendo a simulação corresponder o mais fielmente possível às realidades correspondentes. A interacção da máquina com o utilizador deverá ser fácil e segura.
Tendo em conta que este projecto vem dar continuidade a outro já realizado, e durante o qual surgiu insatisfação comportamental por parte do simulador, tem-se a necessidade de melhoria do comando e resposta, bem como uma aproximação ao que poderá ser um produto final.
Para esse fim, proceder-se-á à substituição do autómato anterior por um superior, implementando uma programação de comando flexível, fiável, segura e com a obtenção de respostas mais rápidas.
No sentido de facilitar a comunicação Homem/máquina, será posteriormente desenvolvido um ambiente gráfico de simples utilização num software de SCADA –
Supervisory Control And Data Acquisition – da Vijeo® Citect ®. Ao utilizador será dada a possibilidade de escolha do modo de simulação, definição do valor das variáveis em jogo (tais como frequências, pressões, etc.), e com a possibilidade de visualizar graficamente dados gerados.
vii
Multi-Axial Simulator
Abstract
The following project has its main goal on developing a vibrations’ simulator in order to test seismic models and electrical/electronical equipment. Such work tool is intended to be as sturdy as useful, being the simulation accurate to each reality. The Man/machine interaction should be easy and safe.
Taking on account this project continues another one already concluded, and during which simulator’s behavioral dissatisfaction urged the need of improvement, this work’s needs are set to command and response’s advance, as well as an approach to what could be a final product.
PLC will be upgraded and a more versatile, flexible, reliable and safer command programming’s implemented, with the upward of quicker responses.
Towards the Man/machine communication’s favoring, a user-friendly SCADA’s graphic environment will then be developed. Users have the permission to choose simulation’s mode, define the variables’ values (such as frequency, pressure, etc), with the possibility of data’s acquisition and display.
ix
Agradecimentos
Gostaria de aproveitar a oportunidade para agradecer a todas as pessoas que contribuíram para o sucesso deste trabalho.
Ao Prof. Dr. Francisco Freitas devo o reconhecimento devido, pela disposição e disponibilidade, empenho e pelas palavras certas nas alturas precisas.
A todos os meus amigos e colegas da opção de automação, o mais sincero obrigado por ajudarem a tornar possível a junção das palavras “trabalho” e “prazer” na mesma frase.
Ao Tiago Teixeira, que sempre se disponibilizou a ajudar, sacrificando um ou outro fim-de-semana!
Uma distinção especial terá de ser feita para o Filipe Camacho Poeta Abrantes, que tem pouco de poeta, mas muito de amigo!
Por fim, e não menos importante, gostaria de agradecer aos meus pais, aos meus irmãos e à Filipa, por serem genuinamente bons para mim.
xi
Índice de Conteúdos
Resumo ... v Abstract ... vii Agradecimentos ... ix Índice de Conteúdos ... xiÍndice de Figuras ... xiii
Índice de Tabelas ... xvi
1 Introdução Geral e Objectivos ... 1
1.1 Noções breves sobre sismos ... 1
1.2 Noções breves sobre sismologia na construção de edifícios ... 2
1.3 Noções breves sobre vibrações ... 3
1.4 Contextualização da Dissertação ... 4
1.5 Objectivos ... 6
2 Exemplos de Simuladores ... 7
2.1 Simuladores Sísmicos ... 7
2.2 Simuladores de Vibrações ... 9
2.3 Simulador Multi-Axial FEUP ... 10
2.4 Conclusões ... 10
3 Simulador Multi-Axial FEUP ... 13
3.1 Estrutura do simulador ... 13
3.2 Accionamento ... 14
3.3 Descrição do sistema/princípio de accionamento ... 16
3.4 Princípio de funcionamento ... 17
4 Montagem Eléctrica/Electrónica ... 19
4.1 Autómato – M340 Telemecanique® Schneider Electric® ... 20
Índice de Conteúdos
xii
5 Arquitectura do sistema ... 25
5.1 Software Unity® ProS® V4.1 ... 26
5.2 Software SCADA – Vijeo® Citect® 7.10 ... 33
6 Estudo estático e dinâmico ... 39
6.1 Definição de eixo ... 40
6.2 Conjunto horizontal de actuadores ... 40
6.3 Princípio de funcionamento dos ensaios realizados ... 41
6.4 Estudo da resposta frequencial do simulador multi-axial ... 56
6.5 Estudo dinâmico do simulador multi-axial ... 64
6.6 Resposta dinâmica do simulador multi-axial ... 70
6.7 Ensaios com modelo sísmico ... 72
6.8 Limites frequenciais ... 76
7 Desenvolvimento do programa final ... 77
7.1 Introdução ... 77
7.2 Descrição da programação ... 77
7.3 Descrição do programa final ... 81
8 Resultados ... 93
9 Conclusões ... 95
10 Bibliografia ... 97
xiii
Índice de Figuras
Figura 1.1 – Ondas sísmicas ... 1
Figura 1.2 - Amplitudes vs Frequências ... 3
Figura 2.1 - E-Defense... 7
Figura 2.2 - Simulador sísmico MTS® ... 8
Figura 2.3 - Simulador de vibrações NTS® ... 9
Figura 2.4 - Simulador de vibrações CUBE® ... 10
Figura 2.5 - Simulador FEUP ... 10
Figura 3.1 – Estrutura e constituintes do simulador FEUP ... 13
Figura 3.2 – Fixação de carga no tampo móvel ... 14
Figura 3.3 - Músculo pneumático ... 14
Figura 3.4 – Válvula. Proporcional de pressão ... 15
Figura 3.5 - Válvula digital direcional... 15
Figura 3.6 - Actuação do simulador ... 16
Figura 4.1 - Platine do simulador multi-axial ... 19
Figura 4.2 – Autómato M340 ... 20
Figura 4.3 – Ligação dos elementos ao autómato ... 23
Figura 5.1 - Esquema da arquitectura do sistema ... 25
Figura 5.2 – Ícone Unity® ProS® ... 26
Figura 5.3 - Esquema da metodologia de programação ... 27
Figura 5.4 - Vista dos elementos constituintes do PLC no Unity® ProS® ... 28
Figura 5.5 - Lista das variáveis no Unity® ProS® ... 29
Figura 5.6 - Esquema em GRAFCET de uma Macro-Etapa ... 31
Figura 5.7 - Princípio de funcionamento da linguagem LD ... 32
Figura 5.8 - Ícone Vijeo® Citect® 7.10 ... 33
Introdução
xiv
Figura 5.10 - Definição dos parâmetros de comunicação no Unity® ProS® ... 35
Figura 5.11 - Express Wizard do Vijeo® Citect® ... 36
Figura 5.12 - Transposição das variáveis para o Vijeo® Citect® ... 37
Figura 5.13 - Ambiente gráfico no SCADA ... 37
Figura 6.1 - Esquema simplificado do circuito pneumático para um actuador ... 39
Figura 6.2 - Eixo de um músculo ... 40
Figura 6.3 - Disposição dos actuadores no plano horizontal ... 40
Figura 6.4 - Relação do deslocamento dos músculos secundários ... 40
Figura 6.5 - Sensibilidade dos sensores ... 42
Figura 6.6 - Centralidade da mesa ... 42
Figura 6.7 - Estrutura 1º método ... 45
Figura 6.8 - Deslocamento para 5ms actuação ... 45
Figura 6.9 - Deslocamento para 10ms actuação ... 46
Figura 6.10 - Deslocamento para 20ms actuação ... 46
Figura 6.11 - Descrição do funcionamento do timer off-delay ... 47
Figura 6.12 - Programação LD do 2º método ... 49
Figura 6.13 – Deslocamento para diferentes tempos de actuação ... 49
Figura 6.14 – Deslocamento para 10ms a diferentes pressões ... 49
Figura 6.15 – Deslocamento para 5ms a diferentes pressões ... 50
Figura 6.16 - Relação entre tempos de actuação e velocidades ... 51
Figura 6.17 – Deslocamento às diferentes velocidades ... 52
Figura 6.18 - Deslocamento para a 1ª velocidade a diferentes pressões ... 53
Figura 6.19 - Deslocamento para a 8ª velocidade a diferentes pressões ... 53
Figura 6.20 - Repetibilidade do deslocamento na admissão ... 53
Figura 6.21 - Repetibilidade do deslocamento na exaustão ... 54
Figura 6.22 – Princípio de funcionamento do modo seno ... 60
xv
Figura 6.24 - Velocidade do deslocamento com um actuador ... 65
Figura 6.25 - Aceleração do deslocamento com um actuador ... 65
Figura 6.26 - Amplitude do deslocamento com três actuadores... 66
Figura 6.27 - Velocidade do deslocamento com três actuadores ... 66
Figura 6.28 - Aceleração do deslocamento com três actuadores ... 66
Figura 6.29 - Resposta livre do sistema ... 67
Figura 6.30 - Amplitudes e período amortecido da resposta do sistema ... 69
Figura 6.31 - Resposta das válvulas digitais a 25Hz ... 71
Figura 6.32 - Modelo sísmico usado ... 72
Figura 6.33 - Deslocamentos com os três actuadores e provete ... 73
Figura 6.34 - Velocidades com os três actuadores e provete... 73
Figura 6.35 - Acelerações com os três actuadores e provete ... 73
Figura 6.36 - Oscilação a 2Hz ... 74
Figura 6.37 - 1º Modo de Vibração ... 75
Figura 7.1 - Estrutura do programa final ... 78
Figura 7.2 - Estrutura de uma macro-etapa ... 80
Figura 7.3 – Navegação no SCADA ... 83
Figura 7.4 – Layout da página inicial ... 83
Figura 7.5 – Layout do check-up eléctrico ... 83
Figura 7.6 – Layout do menu inicial ... 84
Figura 7.7 - Layout do modo velocidades ... 85
Figura 7.8 - Layout do modo seno ... 86
Figura 7.9 - Layout do ensaio 1 ... 87
Figura 7.10 - Layout do ensaio 2 ... 88
Figura 7.11 - Layout da manutenção ... 89
Figura 7.12 - Layout do modo manual ... 90
Introdução
xvi
Índice de Tabelas
Tabela 2.1 – Características de actuação do E-Defense ... 8
Tabela 2.2 - Características do simulador MTS® ... 8
Tabela 2.3 - Características do vibrador NTS® ... 9
Tabela 2.4 - Características do vibrador CUBE® ... 10
Tabela 2.5 - Características físicas do simulador FEUP ... 10
Tabela 5.1 - Energia total consumida ... 22
Tabela 5.1 - Parâmetros de comunicação no Vijeo® Citect® ... 35
Tabela 6.1 – Valores da sensibilidade dos sensores ... 42
Tabela 6.2 - Princípio de pressurização ... 44
Tabela 6.3 - Descrição da word %S4 ... 48
Tabela 6.4 - Resposta frequencial do modo normal ... 57
Tabela 6.5 - Repetibilidade frequencial modo normal ... 58
Tabela 6.6 - Descrição da word %SD20 ... 60
Tabela 6.7 - Resposta frequencial do modo seno ... 61
Tabela 6.8 - Repetibilidade frequencial do modo seno ... 62
Tabela 6.9 - Resposta em deslocamento a diferentes frequências e pressões ... 71
Tabela 6.10 - Simulação dos modos de vibração do provete ... 72
Tabela 6.11 - Limites frequenciais do sistema ... 76
Tabela 6.12 - Características dinâmicas máximas do simulador multi-axial ... 76
Tabela 7.1 - Descrição das etapas e acções ... 79
1
1 Introdução Geral e Objectivos
1.1 Noções breves sobre sismos
1As ondas sísmicas são ondas energéticas que atravessam o planeta Terra, resultantes de sismos ou explosões. São estudadas por sismólogos ou geofísicos e medidas, entre outros instrumentos, por sismógrafos e/ou acelerómetros. A sua velocidade de propagação depende da densidade do meio que atravessam, tendendo a aumentar com a profundidade. Estas ondas podem ser reunidas em dois grupos de maior relevância: as ondas de corpo e as de superfície.
Ondas de corpo
As ondas de corpo propagam-se desde o interior da Terra, numa trajectória similar à refracção da luz, devendo o seu comportamento à densidade e módulo da matéria, dependentes da temperatura, composição e fase. Dentro das ondas de corpo distinguem-se duas: as primárias, ondas P, e as secundárias, ondas S. As ondas P, são longitudinais, ou de compressão. Podendo atravessar qualquer tipo de material, estas ondas viajam nos sólidos até duas vezes mais depressa que as ondas S. No ar, estas ondas de pressão transformam-se em ondas sonoras, adquirindo portanto uma velocidade igual à do som. Uma vez que as ondas longitudinais não apresentam polaridade, a direcção de oscilação é ao longo da
1(Lee 2010) (K.E. Bullen 1993) (Wood 1986)
Introdução Geral e Objectivos
2
direcção da trajectória. As ondas S são transversais, o que implica ter matéria deslocada perpendicularmente à sua trajectória. Estas ondas apenas atravessam os sólidos, uma vez que os fluidos não resistem a esforços transversais.
Ondas de superfície
As ondas de superfície são análogas às ondas na água: propagam-se na superfície terrestre, diminuindo de intensidade com a profundidade. São mais lentas que as ondas de corpo e, devido à sua baixa frequência, longa duração e grande amplitude, podem ser o tipo de onda sísmica mais destrutivo. Existem dois tipos de ondas de superfície: as ondas Rayleigh e as ondas Love
Ondas Rayleigh
Descobertas em 1885 por John William Strutt, Lord Rayleigh, estas ondas resultam da interacção entre as ondas P e S, e deslocam-se como as ondas do mar, num movimento ondulante.
Ondas Love
O deslocamento sinusoidal do solo deve-se a estas ondas polarizadas horizontalmente, nomeadas após o britânico A.E.H. Love, autor do modelo matemático do seu comportamento em 1911. São as ondas de maior amplitude, superficiais e envolvem deslocações laterais.
1.2 Noções breves sobre sismologia na construção de edifícios
2Quando se projecta um edifício que possa vir a sofrer abalos sísmicos, deve imaginar-se o pior cenário possível, em termos de movimento esperado do solo, bem como a resposta da estrutura a essas solicitações.
A vibração horizontal, durante um sismo, é a principal responsável pelo dano ou colapso de estruturas. A maioria dos edifícios são projectados para suportar cargas elevadas, pelo que são resistentes a forças verticais. Os esforços horizontais são resultantes principalmente da força do vento, mas um eventual sismo pode representar esforços muito superiores.
3 A maior parte das vezes, grandes acelerações correspondem a frequências elevadas, muito acima da frequência natural de vibração da maioria dos edifícios. Por isso, valores de aceleração muito elevados, por si só, raramente conseguem que uma estrutura entre em ressonância e, por conseguinte, colapse.
Grandes acelerações podem estar associadas a impulsos de curta amplitude e de elevada frequência ou a impulsos de longa amplitude e de baixa frequência. No primeiro caso, a inércia das estruturas absorve a maior parte dos impulsos, sofrendo pequenas deformações. Já no segundo caso, uma aceleração mais moderada pode resultar numa deformação significativa da estrutura.
Edifícios com mais de 10 andares, grandes pontes, viadutos e barragens, têm uma frequência natural de vibração no intervalo entre 0,01 e 1Hz. Os sismos que ocorrem a grandes distâncias do local onde são medidos mostram-se ricos neste intervalo de frequências.
Figura 1.2 - Amplitudes vs Frequências
É muito difícil saber quais os parâmetros críticos e para que valores limite estão as estruturas a salvo, no entanto, e no contexto do presente trabalho, retiveram-se os seguintes valores como máximos de referência do comportamento das ondas sísmicas:
• Frequência – 15Hz; • Velocidade – 1600mm/s; • Aceleração – 9,81m/s2 (1G).
1.3 Noções breves sobre vibrações
Vibration: The variation with time of the magnitude of a quantity which is descriptive
of the motion or position of a mechanical system, when the magnitude is alternately greater and smaller than some average value or reference. Definição ISO 2041-1975
Introdução Geral e Objectivos
4
O funcionamento de máquinas é sempre acompanhado de vibrações e na prática, é muito difícil evitá-las. Frequentemente, vibrações de amplitude insignificante podem excitar as frequências de ressonância de certos componentes essenciais e tornarem-se amplificadas em fontes de vibração e de ruído mais importantes.
A presença de vibrações conduz, na maioria dos casos, a efeitos indesejáveis tais como amplitudes de movimento que excedem as previstas no projecto e que podem afectar o bom desempenho do equipamento, atingirem-se frequências em que a máquina ou estrutura entre em ressonância, dando origem a elevadas deformações ou tensões que possam levar à sua rotura, situações de instabilidade dinâmica que podem inclusivamente provocar colapso, forças exageradas transmitidas às fundações, transmissão de vibrações a outros equipamentos próximos, desgaste prematuro de componentes, manutenção frequente e onerosa dos equipamentos, fadiga de componentes e desconforto humano.
É na sociedade industrial moderna, onde a preocupação com os aspectos técnicos e económicos, que se traduz no binómio qualidade – custo, que se revela a necessidade de inovar e optimizar, o que, aliado a certos factores, tais como regulamentação, acções de grupos de consumidores e competitividade, pressionam os industriais a manufacturar produtos de melhor qualidade que produzam menos vibrações e menos ruído e que sejam mais ligeiros. O objectivo fundamental do estudo das vibrações mecânicas é, pois, a determinação do comportamento das máquinas e estruturas quando sujeitas a solicitações dinâmicas, a fim de se alcançar uma solução mais adequada e rigorosa para os problemas previstos ou que entretanto surjam durante o ciclo de vida do equipamento. (Rodrigues 2009)
1.4 Contextualização da Dissertação
1.4.1 Simulador Sísmico
A crosta terrestre é a camada de rocha mais externa da litosfera. Sendo a Terra um planeta parcialmente fundido, a sua crosta flutua sobre camadas de rocha fluida e, se for suficientemente fina, quebra-se em placas que se movem relativamente umas às outras.
A teoria de Alfred Wegener do início do século XX, na qual afirmou que o planeta Terra era, há cerca de 200 milhões de anos, formado apenas por um grande continente chamado Pangea, é a prova de que vivemos num planeta “vivo”.
5 Esta vida revela-se muitas vezes catastrófica para quem o habita, nomeadamente o ser humano, já que a movimentação das placas tectónicas representa uma libertação imensa de energia à qual está, invariavelmente, associada um sismo.
A escala de Richter, logarítmica, quantifica essa energia libertada. A título exemplificativo, o valor 7 na dita escala equivale à detonação de 31,6 Mega toneladas de TNT!
No entanto, a iguais valores de energia libertada não correspondem iguais consequências!
Comparem-se os sismos de 2 de Setembro de 2009, com epicentro próximo da ilha de Java, Indonésia, com o de 12 de Janeiro de 2010, no Haiti, ambos 7 na escala de Richter. Segundo fontes oficiais, o primeiro sismo matou 79 pessoas, desalojando mais de 25 000 e destruindo por completo cerca de 87 000 edifícios (incluindo residências, escritórios e edifícios públicos). Já o último, no Haiti, teve efeitos muito mais nefastos, acabando com a vida de 230 000 pessoas, ferindo leve ou gravemente 300 000, e desalojando um milhão! Duzentas e cinquenta mil habitações e trinta mil edifícios comerciais colapsaram ou foram severamente danificados. A cidade onde se verificou o epicentro foi destruída em cerca de 90%. (Wikipedia 2010)
Esta grande diferença de repercussões para a mesma intensidade sísmica deve-se, na sua maior parte, à localização do epicentro, mas também à densidade populacional e capacidade das infra-estruturas para resistir a abalos sísmicos.
De exemplos como este surgiu uma escala em que se avaliam os estragos causados e não a energia libertada, denominada por escala de Mercalli.
Partindo deste princípio, conclui-se que ter à disposição um simulador sísmico poderá significar a construção de infra-estruturas mais seguras e cada vez menos dispendiosas, de modo a que os habitantes de países mais pobres, e/ou outros frequentemente fustigados por terramotos, usufruam do seu direito a um quotidiano mais estável e seguro.
1.4.2 Simulador de Vibrações
Com a crescente complexidade e disponibilidade de sistemas electrónicos, surgiram, no início dos anos 60, os testes de vibrações, conseguindo-se uma maior fiabilidade dos produtos testados. A primeira missão lunar tripulada pelo homem foi das primeiras a usar este tipo de
Introdução Geral e Objectivos
6
testes. Antes das missões Apollo, os níveis de vibração sofridos pelas naves espaciais não eram totalmente compreendidos, bem como os potenciais efeitos negativos de vibrações em circuitos electrónicos. Um momento chave para a atribuição da importância devida a estes testes foi quando três membros do módulo Apollo morreram na sequência de um incêndio, em Janeiro de 1967, devido a um curto-circuito provocado por níveis elevados de vibração. Este evento obrigou a NASA a repensar os seus testes, resultando daí um aumento da duração e intensidade nos requisitos de testes de vibrações. Várias mudanças a nível de concepção e produção foram também introduzidas.
Sabe-se que as vibrações afectam desde juntas soldadas a cabos eléctricos e placas de circuitos. O resultado de falhas a estes níveis pode ser desastroso, afectando directamente a fiabilidade de produtos electrónicos e até mesmo a segurança humana.
1.5 Objectivos
Esta dissertação tem como objectivos o desenvolvimento de um simulador de vibrações com um favorável comportamento dinâmico (frequências, amplitudes, velocidades e acelerações), tanto no estudo de modelos sísmicos quanto no teste de vibrações em equipamentos. Pretende-se que a interacção com o utilizador, através de uma interface gráfica, seja prática, intuitiva e com a geração de dados para melhor se compreenderem os fenómenos associados a vários níveis de vibração. Todo o conhecimento adquirido poderá depois ser posto em prática na construção de equipamentos e infra-estruturas mais seguras, menos dispendiosas e que satisfaçam as normas de qualidade cada vez mais rigorosas no competitivo ambiente industrial.
7
2 Exemplos de Simuladores
Qualquer máquina é projectada tendo em vista uma finalidade específica. Cabe portanto ao projectista conhecer as especificações do cliente, de forma a entregar um produto que cumpra os requisitos pretendidos, pelo mínimo custo possível. Este equilíbrio entre desempenho e custo espelha-se nas capacidades de qualquer máquina.
Foi efectuada uma pesquisa a equipamentos projectados para as mesmas finalidades, estabelecendo-se um paralelismo entre opções construtivas tomadas e repercussões em termos de performances/custos.
2.1 Simuladores Sísmicos
2.1.1 Maior simulador sísmico – “E-Defense”
O maior simulador sísmico do mundo foi construído no Japão, em 2003, num esforço conjunto e ao longo de quatro anos, de várias entidades Japonesas e Norte Americanas. No sentido de prevenir tragédias de exemplos anteriores, o Instituto Nacional de Pesquisa para a Ciência Terrestre e Desastre pretendia testar a resistência de diversos edifícios à escala contra eventos sísmicos de grandes magnitudes. O custo total do projecto rondou cerca de 1,4 milhões de dólares. (Ohtani s.d.)
Exemplos de Simuladores
8
A actuação da estrutura móvel está descrita na Tabela 2.1.
Carga Máxima (ton) 1 200
Área (m2) 300
Tipo de Actuação Servo Controlo Electro-hidráulico
Direcção de Actuação XY Z
Aceleração Máxima (m/s2) >9 >15
Velocidade Máxima (mm/s) 2000 700
Deslocamento Máximo (mm) ±1000 ±500
Tabela 2.1 – Características de actuação do E-Defense
2.1.2 Simulador sísmico comercial MTS®
No campo dos simuladores sísmicos orientados para o ensaio de modelos, nota-se uma certa tendência para o tipo de actuação, área útil de trabalho, número de eixos usados, carga máxima e frequência de trabalho. A Figura 2.2 apresenta o simulador comercial da empresaMTS®, e pode ser considerado como um standard da tecnologia de simuladores sísmicos, dada a sua similitude com muitas outras máquinas concebidas para o mesmo efeito. As especificações encontram-se presentes na Tabela 2.2.
Graus de Liberdade 2
Accionamento Servo-hidráulico Capacidade de Carga (ton) 10
Deslocamento máximo (mm) ± 250
Ângulo máximo (o) -
Frequência máxima de trabalho (Hz) 50 Aceleração máxima (m/s2) 9,8
Atravancamento (m3) 36
Tabela 2.2 - Características do simulador MTS®
9
2.2 Simuladores de Vibrações
A excitação sinusoidal é usada para identificar ressonâncias, criar danos a frequências específicas ou excitar ruídos que sejam dependentes da frequência.
2.2.1 Simulador de vibrações NTS®, MB Dynamics®
Historicamente, as máquinas axiais não-simultâneas são as de eleição no que toca a testes de vibrações. Estes são conduzidos de forma sequencial, aplicando a vibração isoladamente em XX, YY ou ZZ ao elemento de teste. Após o teste num eixo, a máquina roda sobre si mesma e prossegue na direcção do eixo seguinte.
Como exemplo desta tecnologia, está representado o vibrador NTS, da MB Dynamics, Figura 2.3. O simulador de vibrações recorre ao accionamento eléctrico para a execução dos testes nos três eixos principais. Permite deslocamentos até 25 mm e rotações até 90o, podendo funcionar dentro de uma vasta gama de frequências.
Existem, no entanto, outras soluções no mercado que não recorrem à rotação do elemento de teste na realização dos ensaios.
2.2.2 Simulador de vibrações CUBE®
À empresa Team Corporation deve-se o desenvolvimento do CUBE®: uma solução que integra seis actuadores servo-hidráulicos de alta resposta numa máquina de reduzidas dimensões. Com 6 graus de liberdade, permite a execução de testes até 250 Hz com ondas sinusoidais no eixo vertical.
Graus de Liberdade 1
Accionamento Eléctrico
Capacidade de Carga (kg) - Deslocamento máximo (mm) 25
Ângulo máximo (o) 90
Frequência máxima de trabalho (Hz) 3000 Aceleração máxima (m/s2) 660
Atravancamento (m3) 0.4
Tabela 2.3 - Características do vibrador NTS® Figura 2.3 - Simulador
Exemplos de Simuladores 10 Graus de Liberdade 6 Accionamento Hidráulico Capacidade de Carga (kg) - Deslocamento máximo (mm) - Ângulo máximo (o) -
Frequência máxima de trabalho (Hz) 500 Aceleração máxima (m/s2) 2
Atravancamento (m3) ≈1
Tabela 2.4 - Características do vibrador CUBE®
2.3 Simulador Multi-Axial FEUP
O simulador multi-axial desenvolvido na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, abaixo apresentado na Figura 2.5, tem várias características singulares. Entre elas, pode considerar-se o accionamento pneumático, o reduzido atravancamento e o baixo peso, que significam sobretudo a sua portabilidade. Os cinco graus de liberdade de que dispõe, conferem-lhe um largo espectro possível de aplicabilidade, e são a razão de se poder usar o simulador FEUP tanto como um simulador sísmico como um de vibrações.
A actuação do simulador está a cargo de músculos pneumáticos – actuadores de simples efeito lineares.
Graus de Liberdade 5 Accionamento Pneumático Capacidade de Carga (kg) 100 Deslocamento máximo (mm) 20 Ângulo máximo (o) 3 Atravancamento (m3) 0,8
Tabela 2.5 - Características físicas do simulador FEUP
2.4 Conclusões
O accionamento da maioria dos simuladores pesquisados é hidráulico, sendo a sua actuação levada a cabo por cilindros assimétricos. A consequência directa destas opções
Figura 2.4 - Simulador de vibrações CUBE®
11 reflecte-se numa maior força disponível, uma relação linear entre força aplicada e deslocamento obtido, com melhores resultados em precisão e repetibilidade. No entanto, algumas máquinas requerem um grande atravancamento, principalmente se se propuserem a simular modelos reais em vez de modelos à escala.
Apesar disto, crê-se obter respostas dinâmicas justas para o simulador sísmico e para o efeito a que se propõe, evidenciando ainda outras qualidades.
Contudo, e sendo este um trabalho de cariz educacional, pretende-se sobretudo que o utilizador saiba reconhecer as soluções construtivas existentes, avaliar o peso de cada decisão no decurso de um projecto e a sua influência no posterior desempenho/custo da máquina. Dá-se, então, a liberdade para que o utilizador possa ser inventivo na procura de novas soluções para a resolução do problema proposto e, com isso, sentir a responsabilidade e dificuldades que um projecto acarreta, e superando-as aprendendo, ao mesmo tempo que o entusiasmo tem como pano de fundo interesses objectivamente académicos.
13
3 Simulador Multi-Axial FEUP
O presente trabalho vem dar continuidade ao projecto iniciado pelo colega Sílvio Augusto (2005/2006), com posterior desenvolvimento por parte dos colegas André Martins e Daniel Carvalho, no ano lectivo de 2006/2007. Com excepção do projecto estrutural, destes últimos alunos dependeu toda a concepção e materialização do simulador multi-axial.
3.1 Estrutura do simulador
Resumo dos Projectos Anteriores
14
O simulador multi-axial assenta numa estrutura rígida, hexagonal, construída usando perfis UNP 100. À estrutura fixa estão acoplados todos os restantes elementos eléctricos e pneumáticos necessários para o seu funcionamento, bem como a platine, não representada na Figura 3.1, que contém a instalação eléctrica assim como a electrónica de comando - autómato.
Para se poderem montar no simulador modelos sísmicos, equipamentos para teste de vibrações, cargas para ensaios ou qualquer outro objecto, o tampo encontra-se com vários furos roscados,Figura 3.2.
Figura 3.2 – Fixação de carga no tampo móvel
3.2 Accionamento
3.2.1 Músculos pneumáticos
O accionamento do simulador multi-axial é feito através de músculos pneumáticos. Estes foram escolhidos por terem uma grande capacidade de força e conseguirem executar pequenos movimentos. Uma das vantagens do accionamento pneumático, e também devido ao uso dos reservatórios, consiste no facto de se ter sempre uma baixa potência instalada, mas elevada potência de pico disponível. O princípio de construção do músculo pneumático assenta num tubo de borracha isotrópica cilíndrica e flexível, com duas falanges para a ligação nas extremidades. O músculo possui um reforço na borracha e uma malha entrançada. Quando pressurizado, o músculo alarga-se de encontro à malha entrançada que age para confinar a expansão, mantendo a forma
cilíndrica. A força de tracção tem o seu máximo no começo da contracção e vai diminuindo com o aumento da contracção (Martins e Gonçalves 2007).
Principais características dos músculos:
Figura 3.3 - Músculo pneumático
15 • Bom amortecimento;
• Boa relação força/peso;
• Sem o problema de colagem (“stick-slip”); • Força máxima de 6kN;
• Pressão máxima admitida de 6bar; • Comportamento altamente não-linear;
• Contracção máxima admitida de 25% do comprimento total; • Extensão máxima admitida de 3% do comprimento total.
3.2.2 Comando de potência
Para que cada músculo seja pressurizado, existe uma válvula digital, denominada de
válvula de admissão, que terá de ser actuada, bem como será necessário definir previamente uma pressão de funcionamento na válvula proporcional do conjunto a que estiver associado. Para se dar a exaustão do ar de dentro do músculo para a atmosfera, apenas será necessário actuar a válvula digital denominada por válvula de exaustão.
Cada válvula proporcional apresenta, como o próprio nome indica, uma proporcionalidade, directa entre o valor de comando eléctricoe a pressão de ar à saída. De resposta muito rápida, o deslocamento da gaveta é comandado através do sinal de entrada em tensão (0 a 10V), ou em corrente (4 a 20mA). Permite operar numa gama de pressões compreendida no intervalo de 0 a 6bar, e disponibiliza um sinal eléctrico analógico proporcional ao valor real de pressão, à saída.
As válvulas digitais, “tudo ou nada”, são extremamente rápidas, com tempos de comutação na ordem dos 4ms. Actuar a válvula significa levar o seu valor lógico a 1, permitindo a passagem do ar.
3.2.3 Comando automático
Para que se executasse o comando electrónico, tinha anteriormente sido utilizado um autómato da Schneider Electric, da gama Twido, de base modular, com a referência TWDA 40
DTK. Este autómato possui 24 entradas e 16 saídas digitais, ao qual se adicionaram três
Figura 3.4 – Válvula. Proporcional de pressão Figura 3.5 - Válvula digital direcional
Resumo dos Projectos Anteriores
16
módulos de expansão TWD AMI 8HT, com 8 entradas analógicas, e mais dois módulos de expansão TWD AMI 2HT com 2 saídas analógicas.
No trabalho anteriormente realizado, este autómato tinha revelado um elevado tempo de ciclo, da ordem dos 17ms, o que implicava um claro subaproveitamento das ultra-rápidas válvulas digitais pneumáticas.
3.3 Descrição do sistema/princípio de accionamento
A mesa do simulador, solidária com uma das extremidades de cada um dos actuadores pneumáticos, Figura 3.6, é a parte móvel do sistema.
Uma vez que os músculos pneumáticos são de simples efeito, com apenas três actuadores se cobre, em deslocamento, todo o plano horizontal.
O accionamento está a cargo de 3 conjuntos de músculos pneumáticos, num total de 7, sendo:
• 3 dispostos na horizontal, • 3 dispostos na vertical, e • 1 disposto na vertical, mas
numa posição central).
Para cada grupo de actuadores há uma válvula proporcional redutora de pressão e uma válvula de contrapressão.
Para cada músculo existem 2 válvulas
digitais (uma de admissão e uma de exaustão). A excepção vai para o actuador central, que não conta com nenhuma válvula digital, pois se destina a funcionar como uma mola de esforço contrário ao dos músculos verticais. Os actuadores verticais periféricos, encontram-se acoplados no topo à estrutura, e em baixo, a um conjunto espaçador-forquilha. Ao serem pressurizados, comprimem, reduzindo o seu comprimento e, portanto, elevando a mesa. O princípio de deslocamento horizontal é igual, com a nuance de que os músculos horizontais estão separados de 120º entre si. Isto significa que actuar simultaneamente todos os músculos a pressão igual não resulta num deslocamento. Não existe, portanto, no movimento horizontal qualquer necessidade de um actuador com movimento contrário aos outros.
Para medir o deslocamento da mesa móvel, encontram-se acoplados à estrutura 6 sensores de deslocamento indutivos (3 horizontais e 3 verticais).
17 A pressão máxima de funcionamento é definida no FRL. Também a pressão de contra-pressão é regulável manualmente.
3.4 Princípio de funcionamento
Figura 3.7 - Esquema simplificado do circuito pneumático para um actuador
O percurso do ar no simulador multi-axial inicia-se no FRL. Para garantir o bom funcionamento de todos os elementos constituintes do sistema, a pressão foi regulada para o valor máximo de 5,5 bar. Daqui, o ar segue para as três válvulas proporcionais, às quais está associado um diferente conjunto de actuação. Através de comando electrónico, a pressão disponível para os actuadores atravessa as válvulas proporcionais e enche os reservatórios. O armazenamento de ar imediatamente a montante de cada conjunto de actuação significa supressão instantânea de eventuais necessidades de caudal. Para a actuação de cada músculo existe, a montante e a jusante, uma válvula digital. Estas têm a designação de admissão e exaustão, respectivamente. Tal como o nome indica, para a entrada e saída de ar do interior do músculo, estas válvulas deverão ser actuadas. A sua montagem foi feita intencionalmente nos
Resumo dos Projectos Anteriores
18
extremos opostos de um actuador, garantindo desta forma, a circulação de ar renovado. A não verificação desta condição poderia conduzir a um aumento de temperatura, e por conseguinte, um aumento indesejado de pressão no interior dos músculos. O actuador central, porém, não conta com a presença de qualquer válvula digital. Funcionará unicamente como uma mola à tracção, em que a rigidez aumenta com a pressão no seu interior.
Antes da saída do ar para a atmosfera, existem duas válvulas redutoras de pressão (conjuntos horizontal e vertical) reguladas manualmente para o valor de 1 bar (relativo), para prevenir que nenhum dos músculos se encontre vazio durante o funcionamento da máquina.
19
4 Montagem Eléctrica/Electrónica
Pretendendo-se que o simulador multi-axial disponha das capacidades técnicas exigíveis para ser usado para fins científicos, como a simulação de modelos sísmicos ou o teste de vibrações a equipamentos, torna-se imperativo que o tempo de resposta do autómato corresponda adequadadamente. Para tal, procedeu-se à substituição do previamente utilizado por um com maior velocidade de processamento.
A substituição efectuada implicou uma reformulação de todo o esquema eléctrico, de modo a que as novas necessidades fossem satisfeitas.
A segurança, tanto do utilizador como da máquina, foi alvo importante de atenção. O resultado final da reestruturação levada a cabo está patente na nova platine do simulador, Figura 4.1.
Figura 4.1 - Platine do simulador multi-axial
A platine encontra-se dividida por andares, cada qual com a sua funcionalidade. O andar do topo está reservado para o comando automático, por parte do novo autómato – M340
Montagem Eléctrica/Electrónica
20
da Telemecanique, Schneider Electric. Enquanto o segundo poder ser visto como o andar de potência e segurança, por ter duas fontes de alimentação, um relé e seis disjuntores, o andar inferior tem como função estabelecer as ligações eléctricas vindas do exterior para o autómato e fontes de alimentação, i.e., 220VAC, sinais das válvulas, sensores e ainda o sinal de uma botoneira de emergência.
4.1 Autómato – M340 Telemecanique® Schneider Electric®
Após a montagem, que contou com a fonte de alimentação, processador e cartas I/O analógicas/digitais disponíveis, o autómato apresenta o aspecto da Figura 4.2.
Figura 4.2 – Autómato M340
4.1.1 Cartas I/O analógicas/digitais
DDI 1602 (1) – Entradas digitais
Módulo discreto de 24VDC, de lógica positiva (sink): os 16 canais de entrada recebem corrente dos sensores.
• Monitorização da actuação da botoneira de emergência, relé e 24VDC de potência.
DDO 1602 (2) – Saídas digitais
Módulo discreto de 24VDC, de lógica positiva (ou source): os 16 canais de saída fornecem corrente aos pré-actuadores.
• Comando das válvulas digitais, botão de emergência.
AMI 0410 (2) – Entradas analógicas
O módulo AMI 0410 é um aparelho de medição industrial de alto nível, com quatro entradas. Usado com sensores ou transmissores, executa monitorização, medição e controlo contínuo de funções de processo.
21 Este módulo disponibiliza as seguintes gamas para cada entrada, dependendo da selecção feita durante a configuração:
Tensão: +/-10 V; 0 – 5 V; 0 – 10 V; 1 – 5 V; +/- 5 V; Corrente: 0 – 20 mA; 4 – 20 mA; +/- 20 mA.
Funciona com entradas em tensão. Inclui quatro resistências conectadas ao bloco terminal para funcionar com entradas em corrente.
Resolução: 16 bits.
• Leitura dos sensores de deslocamento e valores de pressão nas válvulas proporcionais.
AMO 0210 (2) – Saídas analógicas
O módulo AMO 0210 tem duas saídas analógicas isoladas. Disponibiliza os seguintes intervalos para cada saída: Tensão: +/-10 V;
Corrente: 0 – 20 mA e 4 – 20 mA.
O intervalo é seleccionado durante a configuração. Resolução: 16 bits.
• Comando de pressão das válvulas proporcionais.
4.2 Instalação do autómato
A substituição do autómato anterior implicou um importante estudo de todas as suas especificações técnicas antes de poder ser implementado. Uma montagem incorrecta poderia resultar no dano do aparelho.
No sentido de satisfazer todas as necessidades que esta substituição requeria, foram analisados os consumos de potência exigidos por todos os elementos eléctricos do sistema.
Os cálculos efectuados para determinação da energia consumida encontram-se descritos na Tabela 4.1:
Montagem Eléctrica/Electrónica 22 Entradas analógicas Sensores de deslocamento 0,06 Saídas analógicas Válvulas Proporcionais 3 3,6 30 çã 100% 3,6 30 3 0,36 Saídas digitais Válvulas
digitais 12 3,7 24 1,85 Relé - 0,0375 Energia total consumida 0,06 " 0,36 " 1,85 " 0,0375 2,3 30 #0,06 " 0,36$ " 24 #1,85 " 0,0375$ 57,9
Tabela 4.1 - Energia total consumida
O autómato tem uma fonte que disponibiliza 10,8W de potência, no entanto, veio a demonstrar-se insuficiente para o efeito. Por uma questão de segurança e metodologia, foi decidido alimentar os dispositivos digitais e analógicos por duas fontes distintas. A fonte de potência do autómato ficou inibida de alimentar qualquer elemento exterior.
No campo da segurança, contou-se com a introdução de:
• 3 disjuntores fornecem, independentemente, energia às fontes de alimentação do autómato, dos elementos analógicos e dos digitais,
• 3 disjuntores fornecem a energia proveniente das respectivas fontes de alimentação às válvulas proporcionais, digitais e sensores de deslocamento, • um relé, cuja actuação fornece energia para todas as válvulas, e
• uma botoneira de emergência que, quando actuada, inibe o relé, parando todos os movimentos do simulador.
Foi, também, atribuído um código de cores aos cabos que fazem a ligação entre os elementos eléctricos e o autómato, consoante a sua funcionalidade.
23
4.2.1 Ligações ao autómato
25
5 Arquitectura do sistema
A conexão ao PLC – Programmable Logic Controller – efectua-se para duas finalidades: a transferência do programa e o seu comando por parte do utilizador.
Deve-se à programação desenvolvida no Unity® ProS® todo o comportamento do simulador multi-axial. Depois de se transferir o programa para o autómato via USB, o
software Vijeo® Citect® (SCADA) tem a função exclusiva de o comandar, através do ambiente gráfico criado.
A comunicação entre o PLC e o computador com o SCADA é em série e sobre o protocolo Modbus.
Arquitectura do Sistema
26
5.1 Software Unity® ProS® V4.1
Cada marca de autómatos tem o seu próprio software de programação. Como tal, foi usado o Unity® ProS® V4.1 para desenvolver, testar, fazer o debug, simular o projecto e gerir as aplicações criadas. A sua versatilidade, facilidade de utilização e extensa biblioteca de blocos de funções permite ao utilizador trabalhar eficientemente e sobre os sistemas operativos Windows® 2000® e Windows® XP®. As cinco linguagens de programação da norma IEC 61131-3 podem ser usadas na programação de qualquer acção. São elas: LD (Ladder Diagram), IL (Instructions List), ST (Structured Text), GRAFCET (Graphe
Fonctionnel de Commande, Etapes Transitions, o mesmo que SFC – Sequencial Function
Chart) e FBD (Function Block Diagram).
27
5.1.1 Metodologia de programação
Arquitectura do Sistema
28
5.1.2
Configuração do hardware e criação do projecto usando o
Unity® ProS®
A configuração do hardware e a criação do projecto são necessários para cada aplicação do Unity® ProS®.
Posto isto, as próximas etapas consistiram no seguinte:
• Configuração – estabelecer comunicação com o autómato;
• Declaração de variáveis (Variables & FB instances) – declaração de todas as variáveis;
• Programação – implementação do programa pretendido para o sistema;
• Ecrã de operador – ambiente gráfico usado para simulação e debugging do programa.
Configuração do hardware
Depois da configuração do processador, foi necessário escolher o bastidor disponível e quantas cartas I/O iam nele ser inseridas.
De seguida, e pela disposição correcta das cartas no autómato, foram seleccionados os módulos usados, associando as entradas e saídas correctamente.
Figura 5.4 - Vista dos elementos constituintes do PLC no Unity® ProS®
As entradas/saídas são imagens lógicas dos estados das variáveis discretas. Durante a programação no Unity® ProS® é possível a criação e declaração de variáveis.
29 Metodologia de implementação
As entradas/saídas podem ser declaradas usando: • O ecrã de configuração do módulo discreto; • O editor de dados (data editor).
Figura 5.5 - Lista das variáveis no Unity® ProS®
A localização topológica (address) das entradas é do tipo %I0.1.c e das saídas do tipo %Q0.1.c:
• 0 é o número do bastidor. Este valor é 0 sempre que a configuração do autómato consista num bastidor;
• 1 é o número do módulo. Significa que o módulo discreto está na primeira posição do bastidor;
• c representa o número do canal.
Declaração de variáveis
As variáveis podem ser de dois tipos:• bits internos – bits usados para armazenar estados intermédios durante a execução do programa;
• words internas – estas “palavras” são usadas para armazenar valores durante a execução do programa.
Arquitectura do Sistema
30
Programação
A aplicação consistiu em: • Programação;
o GRAFCET; o Ladder Diagram;
• Ecrã de operador – ambiente gráfico usado para simulação.
GRAFCET (SFC)
Esta linguagem sequencial consiste em etapas, transições e acções.
Estrutura
• Duas etapas estão obrigatoriamente separadas por uma transição;
• Uma etapa está activa caso a transição antecedente tenha sido activada e a precedente não;
• O fluxo do processo segue do final duma etapa para o início da seguinte, passando incondicionalmente por uma condição de transição;
• Os ramos são processados da esquerda para a direita, existindo a possibilidade de haver duas, ou mais, etapas activas;
• A última transição está sempre ligada a uma etapa do processo, através de um cabo ou por um “salto” (jump), criando-se um ciclo;
• Existem ainda as chamadas macro-etapas, que contêm um subconjunto de etapas, com as etapas inicial e final distinguíveis por duas barras superiores e inferiores.
31 Figura 5.6 - Esquema em GRAFCET de uma Macro-Etapa
Acções
• Uma acção pode ser uma variável Booleana ou uma secção em linguagem FBD (Function Block Diagram), IL (Instructions List), ST (Structured Text) e LD (Ladder Diagram);
• Uma etapa pode ter várias acções associadas, ou nenhuma. No último caso, a acção tem uma função de espera, até que a transição precedente fique activa. Caso a etapa contenha várias acções, estas são processadas sequencialmente e segundo a ordem em que tiverem sido introduzidas na etapa;
• Uma acção pode ser usada por diferentes etapas.
Por uma questão prática, todas as acções foram programadas em linguagem Ladder
Diagram.
Ladder Diagram (LD)
A estrutura de um LD corresponde a um grupo de objectos para comutação de uma bobine (variável). O lado esquerdo do editor é a fonte de alimentação de uma rung, por isso,
Arquitectura do Sistema
32
todos os objectos devem estar a si ligados. O lado direito é o neutro, ao qual todas as bobines e saídas FFB estão ligadas, directa ou indirectamente, criando um fluxo de energia.
Um grupo de objectos ligados apenas entre si denomina-se por rung.
Figura 5.7 - Princípio de funcionamento da linguagem LD
Objectos
Os objectos da linguagem de programação LD dividem-se em: • Contactos;
• Bobines;
• EFs e EFBs (Elementary Functions e Elementary Function Blocks); • DFBs (Derived Function Blocks);
• Procedimentos; • Elementos de control;
• Blocos de comparação e operação.
A sequência de processamento individual de objectos numa acção em LD é determinada pelo fluxo de informação da própria secção. As rungs são processadas de cima para baixo.
33
5.2 Software SCADA – Vijeo® Citect® 7.10
O software Vijeo® Citect® 7.10, compatível com os sistemas operativos Windows®
2000® e Windows® XP®, permite que o utilizador visualize e controle, em tempo real, todos os processos de uma rede industrial. Com a geração de relatórios, gráficos e alarmes, o operador não necessita de acompanhar a evolução dos acontecimentos, intervindo apenas quando necessário. A interacção com sistemas, muitas vezes complexos, é feita através de ambientes gráficos de fácil e agradável utilização.
Figura 5.8 - Ícone Vijeo® Citect® 7.10
O software de SCADA e o processador do autómato requerem que a comunicação se processe sobre RS-232/Modbus.
5.2.1 Modbus
Modbus é um protocolo de estrutura hierárquica, isto é, tem um master, que dá uma ordem a um, ou vários slaves, e aguarda resposta. A troca de dados pode ser feita por duas maneiras: RTU ou ASCII. No modo RTU (Remote Terminal Unit), o tamanho da mensagem é de 256 bytes, enquanto no modo ASCII é o dobro, 513 bytes. O Modbus RTU é um protocolo binário e mais crítico que o ASCII, no que toca a time delay.
Para que houvesse ligação física entre o PLC e o software, e por conseguinte, troca de informação, foi necessário fazer-se um cabo à medida.
Arquitectura do Sistema
34
Figura 5.9 - Pin-out do cabo série feito
Legenda: • RXD – Received Data; • TXD – Transmitted Data; • RTS – Request To Send; • CTS – Clear To Send; • Ground – Neutro (0V).
Os fios RTS e CTS, apesar de ligados, não são usados pelas definições do protocolo.
5.2.2 Implementação do software de SCADA
Como primeiro passo para se estabelecer uma comunicação entre máquinas tem-se a configuração do meio usado, seguindo os procedimentos impostos pelo protocolo. Posteriormente às etapas iniciais de configuração e addressing de variáveis, foi desenvolvido todo o grafismo. Nesse sentido, deu-se a seguinte sequência de trabalho:
• Configuração da comunicação; • Alocação de memórias (addressing);
• Transposição das variáveis para o Vijeo® Citect®; • Design do ambiente gráfico.
35
Configuração da comunicação
Configurar uma comunicação significa, fundamentalmente, estabelecer uma linguagem inteligível pelas máquinas para que se dê a troca de informação. Por outras palavras, pode dizer-se que a mensagem só é enviada e/ou recebida se estiver num formato pré-definido. Estabeleceram-se igualmente os valores dos parâmetros de comunicação.
Figura 5.10 - Definição dos parâmetros de comunicação no Unity® ProS®
Parâmetro Valor
Modo Escravo
Ligação RS232
Número do escravo 1
Delay entre frames 2ms
Baud rate 19200 bits/s
Paridade Even
Data bits RTU (8 bits)
Stop bits 1 bit
Tabela 5.1 - Parâmetros de comunicação no Vijeo® Citect®
Depois de se definir um cluster (grupo), o endereço de rede e os servidores no Vijeo®
Citect®, concluía-se o processo de configuração a partir do Express Wizard, bastando para isso seleccionar a porta série usada pelo computador, o autómato e o tipo de comunicação.
Arquitectura do Sistema
36
Figura 5.11 - Express Wizard do Vijeo® Citect®
Addressing
A alocação de lugares de memória (addressing) às variáveis definidas no programa é feita apenas para as variáveis que serão usadas pelo Vijeo® Citect®. Esta atribuição, que deverá ser unívoca, é feita para que o software saiba sempre onde as variáveis se encontram.
A morada de cada variável depende do seu tipo, e escreve-se na forma %M, para as Booleanas, ou %MW, para os inteiros, reais ou strings.
Por uma questão de organização, estabeleceram-se dois intervalos separados para as variáveis a ser “escritas” e para as que seriam “lidas” pelo Vijeo® Citect®, entre 1 a 150 e entre 200 a 250, respectivamente.
Transposição das variáveis para o Vijeo® Citect®
Na transposição das variáveis, é-lhes atribuído um nome. O tipo depende da variável e a localização é a definida anteriormente.
37
Figura 5.12 - Transposição das variáveis para o Vijeo® Citect®
Design do ambiente gráfico
Foi criado um ambiente gráfico agradável e simples para comandar o simulador da forma mais versátil e intuitiva possível.
39
6 Estudo estático e dinâmico
Pretendendo comandar-se o sistema com rigor, o mais vasto conhecimento da resposta dos actuadores a diversas condições de funcionamento era impreterível. Nesse sentido, foram realizados ensaios exaustivos ao conjunto de músculos horizontais.
Porém, antes que estes ensaios pudessem ser realizados, era necessário saber a relação entre o deslocamento da mesa e a variação na tensão de saída dos sensores de deslocamento, i.e., as suas sensibilidades.
Não foi adicionada qualquer carga à mesa.
Estudo Estático e Dinâmico
40
6.1 Definição de eixo
A actuação isolada de cada músculo pneumático faz-se sempre na mesma direcção (e em sentidos diferentes na pressurização e despressurização), por isso, definiu-se como eixo de cada actuador a direcção da força desenvolvida. Para a medição do deslocamento da mesa, existe um sensor indutivo por eixo, .
Notação usada
• Hx – Eixo Horizontal x; • Vx – Eixo Vertical x;
• SXHx – Sensor de deslocamento do Eixo Hx; • SXVx – Sensor de deslocamento do Eixo Vx.
6.2 Conjunto horizontal de actuadores
Define-se o músculo horizontal em estudo como sendo o principal, e os restantes como secundários.
O deslocamento obtido com uma determinada pressão no músculo principal é igual, mas de sentido contrário, ao obtido com pressurização equivalente dos músculos secundários.
Figura 6.2 - Eixo de um músculo
Figura 6.3 - Disposição dos actuadores no plano horizontal
Figura 6.4 - Relação do deslocamento dos músculos secundários
cos 60
0,5
41
6.3 Princípio de funcionamento dos ensaios realizados
Antes de começar qualquer ensaio era necessário garantir condições iniciais iguais em todos os conjuntos actuador+sensor.
Actuando todas as válvulas de admissão, pressurizaram-se igualmente os músculos horizontais. Conseguia-se ter, desta forma, a mesa centrada. Com este pressuposto, a distância dos sensores à mesa foi manualmente ajustada para o valor intermédio da gama de leitura, 5V.
6.3.1 Sensores de deslocamento
A determinação da sensibilidade dos sensores de deslocamento fez-se através de ensaios estáticos e desenrolou-se pelo seguinte processo:
• Deslocamento da mesa:
o Pressurizaram-se todos os músculos a 1bar;
o Pressurizou-se o músculo referente ao sensor em estudo (principal) até ao limite de leitura;
o Com a válvula de admissão sempre actuada, decrementou-se a pressão do músculo principal em degraus de 0,2bar;
o Quando todos os músculos se encontravam a 1bar, incrementou-se a pressão, simultaneamente, nos músculos secundários, pelo princípio descrito acima, actuando as suas válvulas de admissão e desactuando a do músculo principal;
o Depois de atingido o limite de leitura do sensor em estudo, despressurizaram-se os músculos secundários até que todos estivessem a 1bar.
• Em cada incremento/decremento de pressão:
o Mediu-se com um paquímetro, sobre o eixo do sensor em análise e numa referência fixa, o deslocamento da mesa;
o Registaram-se os valores medidos pelo paquímetro;
o Registaram-se os valores da tensão de saída dos sensores, lidos pelo autómato;
Estudo Estático e Dinâmico
42
Figura 6.5 - Sensibilidade dos sensores
Dentro do intervalo de 2 a 8V, os sensores apresentavam uma relação praticamente linear entre tensão e deslocamento, pelo que se pôde determinar a sua sensibilidade com rigor.
*+,-. ∆ ∆ Sensor Sensibilidade (mm/mV) SXH1 0,00154 SXH2 0,00164 SXH3 0,00164
Tabela 6.1 – Valores da sensibilidade dos sensores
Depois de sabida a sensibilidade dos sensores, foi feita uma verificação de centralidade da mesa, a pressões de admissão crescentes e decrescentes.
Nota-se um deslocamento da mesa em direcção ao actuador horizontal número 2. No entanto, tendo em conta o tipo de accionamento, pode considerar-se que para oito décimos de milímetro a mesa se mantém centrada nos diferentes níveis de pressão. 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 2000 4000 6000 8000 10000 D e sl o ca m e n to ( m m ) Tensão (mV)
Sensibilidade sensores de deslocamento
SXH1 SXH2 SXH3 0 1 2 3 4 5 6 5 4 3 2 1 0 -1,0 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Pressão (bar) D e sl o ca m e n to ( m m ) Centralidade da mesa SXH1 SXH2 SXH3
43
6.3.2 Caracterização dos músculos horizontais
Para os ensaios de caracterização dos músculos horizontais foi definido um procedimento dinâmico, através de pulsos de duração constante, primeiro para a condição de pressurização e, posteriormente, para a de despressurização. O tempo de actuação das válvulas digitais e pressão de funcionamento, para cada teste, foram as variáveis do processo.
Os ensaios desenrolaram-se pelos seguintes passos:
• Deslocamento da mesa (efectuado num único sentido por ensaio, caso fosse de pressurização ou despressurização):
o Pressurizaram-se todos os músculos à mesma pressão inicial;
o Definiu-se, na válvula proporcional, a pressão de funcionamento para o ensaio;
o O deslocamento da mesa dependia da pressurização/despressurização do músculo, obtida através de pulsos de actuação das válvulas digitais; o O número e duração de período dos pulsos eram previamente definidos; o Terminados os ciclos definidos, concluía-se o ensaio.
• Em cada pulso:
o Eram actuadas as válvulas de admissão/exaustão, durante o tempo definido;
o Registavam-se os valores do deslocamento da mesa, lidos pelo autómato;
o Traçaram-se gráficos com os registos obtidos do deslocamento da mesa.
Ao longo do corrente projecto referir-se-á várias vezes a 6bar como pressão de funcionamento. Esta apenas pretendeu garantir que a pressão máxima seria atingida, uma vez que se definiu um máximo de 5,5bar no FRL.
Antes de cada ensaio, os actuadores eram submetidos ao mesmo valor de pressão inicial, sempre inferior à pressão de funcionamento, desde 2 a 6bar, Tabela 6.2
Estudo Estático e Dinâmico 44 Pressão Inicial (bar) Pressão Funcionamento (bar) H1 H2 H3 HPrincipal 1 6 2 6 3 6 4 6 5 6 1 5 2 5 3 5 4 5 1 4 2 4 3 4 1 3 2 3 1 2
Tabela 6.2 - Princípio de pressurização
6.3.3 Descrição do 1º Método
O pressuposto consistiu no deslocamento da mesa móvel através de vinte pulsos, com a duração de 100ms cada. Em cada pulso, a admissão de ar ao actuador seria feita durante 5, 10 e 20ms. Pretendia registar-se o funcionamento dos músculos pneumáticos a uma dada diferença de tempos de actuação da válvula digital de admissão/exaustão, e pressão.
O valor do deslocamento, em cada impulso, era inserido num vector (array), e as variáveis eram definidas para a duração integral de cada ensaio.
A execução do primeiro método dependeu da activação/desactivação cíclica de duas etapas, com a duração de 50ms cada. Na primeira, a válvula digital encontrava-se actuada durante o tempo pretendido, através de um timer off-delay, e na segunda eram lidos e registados os valores do deslocamento. O processo decorria até serem contabilizados 20 pulsos.
45
Figura 6.7 - Estrutura 1º método
Resultados
Os gráficos apresentados correspondem às actuações de 5, 10 e 20ms durante um período constante, de 100ms. Os valores da legenda representam a diferença entre pressão de funcionamento e inicial, respectivamente. (Exemplo: 6/1 bar – pressão de funcionamento de 6bar, pressão inicial de 1bar.)
Figura 6.8 - Deslocamento para 5ms actuação 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 D e sl o c a m e n to ( m m ) Pulsos
H1 - 5/100ms - 1º Método
6/1 bar 6/2 bar 6/3 bar 6/4 bar 6/5 barEstudo Estático e Dinâmico
46
Figura 6.9 - Deslocamento para 10ms actuação
Figura 6.10 - Deslocamento para 20ms actuação
Análise dos resultados
Na análise dos primeiros resultados obtidos, houve alguns registos que não pareciam corresponder à verdade. Entre eles, e na actuação de 10ms, a sobreposição de deslocamentos a diferentes variações de pressão, e o deslocamento desproporcional para um ∆p igual a 5bar.
No último ensaio apresentado, notou-se sobretudo, a dificuldade em iniciarem-se os testes a partir do mesmo ponto.
Esperava ver-se mais significativamente a não-linearidade a que este tipo de actuadores está associado. Contudo, estes eram os primeiros ensaios a ser realizados, pelo que ainda não se podia inferir conclusivamente sobre o seu comportamento.
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 D e sl o c a m e n to ( m m ) Pulsos
H1 - 10/100ms - 1º Método
6/1 bar 6/2 bar 6/3 bar 6/4 bar 6/5 bar 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 D e sl o c a m e n to ( m m ) PulsosH1 - 20/100ms - 1º Método
6/1 bar 6/2 bar 6/3 bar 6/4 bar 6/5 bar47
Análise do método
A abordagem ao primeiro método foi vista, sobretudo, como uma introdução aos conceitos de programação de ensaios de caracterização e análise de resultados, mais propriamente que a tentativa de se chegar a uma conclusão definitiva.
Como tal, e na procura de uma solução final, analisou-se a eficiência e filosofia de princípio patentes neste método.
À partida, pensou-se que a utilização cíclica de etapas não seria uma boa opção no cumprimento do período imposto. No entanto, e por intermédio do osciloscópio, veio a observar-se que estes tempos eram executados com rigor.
Havia, porém, dois pontos que não poderiam corresponder a bons resultados: o temporizador off-delay e a leitura/registo do deslocamento.
O estado da saída do temporizador só é alternado caso a contagem interna do sistema atinja o valor de tempo pré-estabelecido. Para espaços de tempo reduzidos, como os que se puseram em prática, o contador interno era parado ou reiniciado sem que a saída tomasse o valor “0”. Esta implicação resultava no desempenho incorrecto da válvula digital.
