Simulador Multi-Axial

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1 Tiago Teixeira de Sousa Brito Dissertação de Mestrado Orientador: Prof. Dr. Francisco Freitas Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Opção de Automação Julho de 2011

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3 À minha Mãe. iii

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5 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. v

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7 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. vii

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9 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. ix

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11 Índice de Conteúdos Resumo... v Abstract... vii Agradecimentos... ix Índice de Conteúdos... xi Índice de Figuras... xiii Índice de Tabelas... xvi 1 Introdução Geral e Objectivos Noções breves sobre sismos Noções breves sobre sismologia na construção de edifícios Noções breves sobre vibrações Contextualização da Dissertação Objectivos Exemplos de Simuladores Simuladores Sísmicos Simuladores de Vibrações Simulador Multi-Axial FEUP Conclusões Simulador Multi-Axial FEUP Estrutura do simulador Accionamento Descrição do sistema/princípio de accionamento Princípio de funcionamento Montagem Eléctrica/Electrónica Autómato M340 Telemecanique Schneider Electric Instalação do autómato xi

12 Índice de Conteúdos 5 Arquitectura do sistema Software Unity ProS V Software SCADA Vijeo Citect Estudo estático e dinâmico Definição de eixo Conjunto horizontal de actuadores Princípio de funcionamento dos ensaios realizados Estudo da resposta frequencial do simulador multi-axial Estudo dinâmico do simulador multi-axial Resposta dinâmica do simulador multi-axial Ensaios com modelo sísmico Limites frequenciais Desenvolvimento do programa final Introdução Descrição da programação Descrição do programa final Resultados Conclusões Bibliografia ANEXO A Elementos eléctricos/electrónicos xii

13 Índice de Figuras Figura 1.1 Ondas sísmicas... 1 Figura Amplitudes vs Frequências... 3 Figura E-Defense... 7 Figura Simulador sísmico MTS... 8 Figura Simulador de vibrações NTS... 9 Figura Simulador de vibrações CUBE Figura Simulador FEUP Figura 3.1 Estrutura e constituintes do simulador FEUP Figura 3.2 Fixação de carga no tampo móvel Figura Músculo pneumático Figura 3.4 Válvula. Proporcional de pressão Figura Válvula digital direcional Figura Actuação do simulador Figura Platine do simulador multi-axial Figura 4.2 Autómato M Figura 4.3 Ligação dos elementos ao autómato Figura Esquema da arquitectura do sistema Figura 5.2 Ícone Unity ProS Figura Esquema da metodologia de programação Figura Vista dos elementos constituintes do PLC no Unity ProS Figura Lista das variáveis no Unity ProS Figura Esquema em GRAFCET de uma Macro-Etapa Figura Princípio de funcionamento da linguagem LD Figura Ícone Vijeo Citect Figura Pin-out do cabo série feito xiii

14 Introdução Figura Definição dos parâmetros de comunicação no Unity ProS Figura Express Wizard do Vijeo Citect Figura Transposição das variáveis para o Vijeo Citect Figura Ambiente gráfico no SCADA Figura Esquema simplificado do circuito pneumático para um actuador Figura Eixo de um músculo Figura Disposição dos actuadores no plano horizontal Figura Relação do deslocamento dos músculos secundários Figura Sensibilidade dos sensores Figura Centralidade da mesa Figura Estrutura 1º método Figura Deslocamento para 5ms actuação Figura Deslocamento para 10ms actuação Figura Deslocamento para 20ms actuação Figura Descrição do funcionamento do timer off-delay Figura Programação LD do 2º método Figura 6.13 Deslocamento para diferentes tempos de actuação Figura 6.14 Deslocamento para 10ms a diferentes pressões Figura 6.15 Deslocamento para 5ms a diferentes pressões Figura Relação entre tempos de actuação e velocidades Figura 6.17 Deslocamento às diferentes velocidades Figura Deslocamento para a 1ª velocidade a diferentes pressões Figura Deslocamento para a 8ª velocidade a diferentes pressões Figura Repetibilidade do deslocamento na admissão Figura Repetibilidade do deslocamento na exaustão Figura 6.22 Princípio de funcionamento do modo seno Figura Amplitude do deslocamento com um actuador xiv

15 Figura Velocidade do deslocamento com um actuador Figura Aceleração do deslocamento com um actuador Figura Amplitude do deslocamento com três actuadores Figura Velocidade do deslocamento com três actuadores Figura Aceleração do deslocamento com três actuadores Figura Resposta livre do sistema Figura Amplitudes e período amortecido da resposta do sistema Figura Resposta das válvulas digitais a 25Hz Figura Modelo sísmico usado Figura Deslocamentos com os três actuadores e provete Figura Velocidades com os três actuadores e provete Figura Acelerações com os três actuadores e provete Figura Oscilação a 2Hz Figura º Modo de Vibração Figura Estrutura do programa final Figura Estrutura de uma macro-etapa Figura 7.3 Navegação no SCADA Figura 7.4 Layout da página inicial Figura 7.5 Layout do check-up eléctrico Figura 7.6 Layout do menu inicial Figura Layout do modo velocidades Figura Layout do modo seno Figura Layout do ensaio Figura Layout do ensaio Figura Layout da manutenção Figura Layout do modo manual Figura Geração de gráficos no SCADA xv

16 Introdução Índice de Tabelas Tabela 2.1 Características de actuação do E-Defense... 8 Tabela Características do simulador MTS... 8 Tabela Características do vibrador NTS... 9 Tabela Características do vibrador CUBE Tabela Características físicas do simulador FEUP Tabela Energia total consumida Tabela Parâmetros de comunicação no Vijeo Citect Tabela 6.1 Valores da sensibilidade dos sensores Tabela Princípio de pressurização Tabela Descrição da word %S Tabela Resposta frequencial do modo normal Tabela Repetibilidade frequencial modo normal Tabela Descrição da word %SD Tabela Resposta frequencial do modo seno Tabela Repetibilidade frequencial do modo seno Tabela Resposta em deslocamento a diferentes frequências e pressões Tabela Simulação dos modos de vibração do provete Tabela Limites frequenciais do sistema Tabela Características dinâmicas máximas do simulador multi-axial Tabela Descrição das etapas e acções Tabela Descrição da macro-etapa e acções xvi

17 1 Introdução Geral e Objectivos 1.1 Noções breves sobre sismos 1 As 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 Figura 1.1 Ondas sísmicas 1 (Lee 2010) (K.E. Bullen 1993) (Wood 1986) 1

18 Introdução Geral e Objectivos 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 São as ondas de maior amplitude, superficiais e envolvem deslocações laterais. 1.2 Noções breves sobre sismologia na construção de edifícios 2 Quando se projecta um edifício que possa vir a sofrer abalos sísmicos, deve imaginarse 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. 2 (Singh 1995) (K.E. Bullen 1993) (Washington University 2010) 2

19 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 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/s 2 (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

20 Introdução Geral e Objectivos 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 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. 4

21 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 e destruindo por completo cerca de edifícios (incluindo residências, escritórios e edifícios públicos). Já o último, no Haiti, teve efeitos muito mais nefastos, acabando com a vida de pessoas, ferindo leve ou gravemente , 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 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 5

22 Introdução Geral e Objectivos 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. 6

23 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 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.) Figura E-Defense 7

24 Exemplos de Simuladores A actuação da estrutura móvel está descrita na Tabela 2.1. Carga Máxima (ton) Área (m 2 ) 300 Tipo de Actuação Servo Controlo Electro-hidráulico Direcção de Actuação XY Z Aceleração Máxima (m/s 2 ) >9 >15 Velocidade Máxima (mm/s) Deslocamento Máximo (mm) ±1000 ±500 Tabela 2.1 Características de actuação do E-Defense 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 empresa Figura Simulador sísmico MTS MTS, 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/s 2 ) 9,8 Atravancamento (m 3 ) 36 Tabela Características do simulador MTS 8

25 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 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 90 o, podendo funcionar dentro de uma vasta gama de frequências. 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/s 2 ) 660 Atravancamento (m 3 ) 0.4 Tabela Características do vibrador NTS Figura Simulador de vibrações NTS Existem, no entanto, outras soluções no mercado que não recorrem à rotação do elemento de teste na realização dos ensaios 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. 9

26 Exemplos de Simuladores 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/s 2 ) 2 Atravancamento (m 3 ) Tabela Características do vibrador CUBE 1 Figura Simulador de vibrações 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 (m 3 ) 0,8 Tabela Características físicas do simulador FEUP Figura 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 10

27 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. Dáse, 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. 11

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29 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 Figura 3.1 Estrutura e constituintes do simulador FEUP 13

30 Resumo dos Projectos Anteriores 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 Accionamento Músculos pneumáticos Figura 3.2 Fixação de carga no tampo móvel 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 Músculo pneumático

31 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 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. Figura 3.4 Válvula. Proporcional de pressão Comando automático Figura Válvula digital direcional 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 15

32 Resumo dos Projectos Anteriores 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. sendo: O accionamento está a cargo de 3 conjuntos de músculos pneumáticos, num total de 7, 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 Figura Actuação do simulador 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). 16

33 A pressão máxima de funcionamento é definida no FRL. Também a pressão de contrapressão é regulável manualmente. 3.4 Princípio de funcionamento Figura 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 17

34 Resumo dos Projectos Anteriores 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. 18

35 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 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 19

36 Montagem Eléctrica/Electrónica 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 M 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. 20

37 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: 21

38 Montagem Eléctrica/Electrónica Entradas analógicas Saídas analógicas Saídas digitais Sensores de deslocamento Válvulas Proporcionais Válvulas digitais 0,06 3 3,6 30 çã 100% 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, ,85 0, ,9 Tabela 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. 22

39 4.2.1 Ligações ao autómato Figura 4.3 Ligação dos elementos ao autómato 23

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41 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. Figura Esquema da arquitectura do sistema 25

42 Arquitectura do Sistema 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 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). Figura 5.2 Ícone Unity ProS 26

43 5.1.1 Metodologia de programação Figura Esquema da metodologia de programação 27

44 Arquitectura do Sistema 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 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. 28

45 Metodologia de implementação As entradas/saídas podem ser declaradas usando: O ecrã de configuração do módulo discreto; O editor de dados (data editor). Figura 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. 29

46 Arquitectura do Sistema 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. 30

47 Figura 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. Diagram. Por uma questão prática, todas as acções foram programadas em linguagem Ladder 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, 31

48 Arquitectura do Sistema 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 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. 32

49 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 Ícone Vijeo Citect 7.10 O software de SCADA e o processador do autómato requerem que a comunicação se processe sobre RS-232/Modbus 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. 33

50 Arquitectura do Sistema Figura 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 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. 34

51 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 Definição dos parâmetros de comunicação no Unity ProS Parâmetro Modo Ligação Valor Escravo RS232 Número do escravo 1 Delay entre frames Baud rate Paridade Data bits 2ms bits/s Even RTU (8 bits) Stop bits 1 bit Tabela 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. 35

52 Arquitectura do Sistema Figura 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. 36

53 Figura 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. Figura Ambiente gráfico no SCADA 37

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55 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. Figura Esquema simplificado do circuito pneumático para um actuador 39

56 Estudo Estático e Dinâmico 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. Figura Eixo de um músculo 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 Disposição dos actuadores no plano horizontal cos 60 0,5 Figura Relação do deslocamento dos músculos secundários 40

57 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 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; Cálculo da sensibilidade dos sensores através dos registos obtidos. 41

58 Estudo Estático e Dinâmico Sensibilidade sensores de deslocamento Deslocamento (mm) SXH1 SXH2 SXH Tensão (mv) Figura 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 1,0 Centralidade da mesa 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 Deslocamento (mm) 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0-0,2-0,4-0, SXH1 SXH2 SXH3 se mantém centrada nos diferentes -0,8 níveis de pressão. -1,0 Pressão (bar) Figura Centralidade da mesa 42

59 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

60 Estudo Estático e Dinâmico Pressão Inicial (bar) Pressão Funcionamento (bar) H 1 H 2 H Descrição do 1º Método H Principal Tabela Princípio de pressurização 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. 44

61 Figura 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.) H1-5/100ms -1º Método Deslocamento (mm) /1 bar 6/2 bar 6/3 bar 6/4 bar 6/5 bar Pulsos Figura Deslocamento para 5ms actuação 45

62 Estudo Estático e Dinâmico H1-10/100ms -1º Método Deslocamento (mm) /1 bar 6/2 bar 6/3 bar 6/4 bar 6/5 bar Pulsos Figura Deslocamento para 10ms actuação H1-20/100ms -1º Método Deslocamento (mm) /1 bar 6/2 bar 6/3 bar 6/4 bar 6/5 bar Pulsos Figura 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. 46

63 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. Figura Descrição do funcionamento do timer off-delay 47

64 Estudo Estático e Dinâmico Como foram usadas duas etapas distintas, uma para actuação e outra para leitura e registo do valor de deslocamento, podia ter-se um delay até 45ms entre estas duas acções. Obviamente, os ensaios não se poderiam reger por este tipo de normas, pelo que foi necessário repensar a programação. Em última análise, os resultados foram descartados, não tanto pelos valores em si, mas pelo princípio usado Descrição do 2º Método Uma vez que o primeiro método experimental não apresentava a fiabilidade pretendida, impôs-se a implementação de um novo método empírico, totalmente renovado. Em termos estruturais, eliminou-se a utilização de duas etapas, correndo as acções apenas numa. Com isto, era necessário que o ciclo usado para actuação do conjunto horizontal pretendido e registo dos valores de deslocamento lidos fosse interno à acção. Para o efeito, usou-se um Up Counter, cujo valor orientava as acções a ser postas em prática. Para incrementar o valor do contador, fez-se uso de uma base de tempo de 10ms, como se se tratasse de um interruptor actuado de 10 em 10ms. O ensaio terminava automaticamente nos ciclos definidos e era feito o reset ao contador. %S4 TB10MS Base de tempo: 10 ms Um temporizador interno regula a variação do estado deste bit. Assíncrono em relação ao ciclo do PLC. Gráfico: Tabela Descrição da word %S4 O princípio dos testes manteve-se igual: 20 pulsos, período de 100ms, e válvulas actuadas por 10, 20 e 50ms. O registo do deslocamento era agora feito aquando da actuação das válvulas. 48

65 Figura Programação LD do 2º método Resultados H1-6/1bar -2º Método 6 Deslocamento (mm) ms -adm. 20ms -adm. 10ms -adm. 10ms -ext. 20ms -ext. 50ms -ext. -6 Pulsos Figura 6.13 Deslocamento para diferentes tempos de actuação H1-6 bar; 10/100ms -2º Método 8 Deslocamento (mm) /1 bar 6/2 bar 6/3 bar 6/4 bar 6/5 bar 6 bar -ext. 5 bar -ext. 4 bar -ext bar -ext. -8 Pulsos 2 bar -ext. Figura 6.14 Deslocamento para 10ms a diferentes pressões 49

66 Estudo Estático e Dinâmico H1-6 bar; 50/100ms -2º Método 8 Deslocamento (mm) /1 bar 6/2 bar 6/3 bar 6/4 bar 6/5 bar 6 bar -ext. 5 bar -ext. 4 bar -ext. 3 bar -ext. -8 Pulsos 2 bar -ext. Figura 6.15 Deslocamento para 5ms a diferentes pressões Análise dos resultados Os gráficos demonstram o comportamento dos actuadores na admissão e exaustão, primeiro para diferentes velocidades de actuação mantendo a mesma diferença de pressões, e depois para diferentes pressões à mesma velocidade. Tanto a velocidade (declive das rectas) quanto o deslocamento se apresentam mais significativos na admissão; As actuações de 10ms, por serem lentas o suficiente, começam a revelar a nãolinearidade no comportamento dos músculos; Para os tempos de actuação de 20 e 50ms, o sinal de deslocamento parece saturar. Isto significa somente que o deslocamento máximo relativo foi atingido; A mesa não apresenta deslocamentos significativos com os músculos a 2bar. Ainda não havia sido encontrada uma forma de iniciar os ensaios sempre do mesmo ponto de referência. Esta tarefa parecia impossível de concretizar fisicamente, dada a natureza dos actuadores. Análise do método A introdução de um interruptor actuado em cada 10ms mostrou ser uma ferramenta robusta e, principalmente, viável no comando de actuações rápidas. 50

67 Com esta programação, foram anulados alguns duns problemas sentidos anteriormente, mas, não todos. A duração do período continuava a ser cumprida rigorosamente, ou pelo menos, não parecia interferir negativamente na evolução do processo, enquanto que o tempo de actuação das válvulas era flutuante. Pensou-se que as acções, dependentes do valor do contador, estivessem a ser prejudicadas no desempenho das suas funções. Poderia também o princípio, todo ele, estar errado. A diferença de 1ms é muito mais significativa em 10 que em 100ms, não se notando na duração de um período, mas intervindo negativamente na actuação das válvulas Descrição do 3º Método A experiência ganha por tentativa erro, pondo de parte vários conceitos e adquirindo outros, conduzia a uma programação traduzível em registos rigorosos e fiáveis. Reparou-se na potencialidade de aplicação usando interruptores actuados a cada 10ms e, com a junção de transições negativas às positivas desta mesma base de tempo, conseguirse-ia ter acções fiáveis e repetitivas em intervalos de 5ms. Deste princípio, surgiu o conceito implementado no terceiro método, o qual foi denominado por velocidades. Com a ideia do novo método de programação, reduziu-se o período para 40ms. Assim, e dividindo-o pelos 5ms da base de tempo, conseguiu ter-se 8 diferentes tempos de actuação por cada período, aos quais foram associados números de velocidades. Dispunha-se agora de 8 velocidades diferentes, mais a zero, para o que pretendia ser um rigoroso comando do simulador. Tendo o período 40ms, optou-se por aumentar o número de ciclos dos ensaios para 25, ficando cada teste com a duração de 1s. Figura Relação entre tempos de actuação e velocidades 51

68 Estudo Estático e Dinâmico Substituiu-se o bloco de contagem por uma variável que desempenharia a mesma função, mas que se julgava necessitar menor poder computacional, e obter com isso, maior rigor nos ensaios efectuados. Foram também feitos dez ensaios à repetibilidade para a admissão e exaustão. Com a duração periódica de 40ms e de 9 impulsos por ensaios, a actuação da válvula de admissão/exaustão fazia-se durante 20ms. A pressão de funcionamento imposta foi de 6bar, com a inicial, para os ensaios de admissão, de 3. Por fim, e por ainda haver dúvidas quanto ao processo de leitura e registo dos valores de deslocamento, este passou a ser feito para os valores máximos por impulso, em vez dos lidos aquando da actuação da válvula digital. Assim, eliminava-se o registo de valores lidos em altura imprópria, sem a existência de qualquer atraso. Resultados H1-6/1bar - Velocidades ª - adm. 7ª - adm. 6 6ª - adm. 4 5ª - adm. 4ª - adm. Deslocamento (mm) ª - adm. 2ª - adm. 1ª - adm. 1ª - ext. 2ª - ext. -4 3ª - ext. 4ª - ext. -6 5ª - ext. 6ª - ext. -8 7ª - ext. -10 Pulsos 8ª - ext. Figura 6.17 Deslocamento às diferentes velocidades 52

69 8 H1-1ª Velocidade 6 4 6/1 bar 6/2 bar Deslocamento (mm) /3 bar 6/4 bar 6/5 bar 2 bar -ext. 3 bar -ext bar -ext. 5 bar -ext bar -ext. -8 Pulsos Figura Deslocamento para a 1ª velocidade a diferentes pressões 10 H1-8ª Velocidade Delocamento (mm) Pulsos 6/1 bar 6/2 bar 6/3 bar 6/4 bar 6/5 bar 2 bar -ext. 3 bar -ext. 4 bar -ext. 5 bar -ext. 6 bar -ext. Figura Deslocamento para a 8ª velocidade a diferentes pressões 6/3 bar; 20/40ms - admissão 3,5 Deslocamento (mm) 3 2,5 2 1,5 1 ensaio 1 ensaio 2 ensaio 3 ensaio 4 ensaio 5 ensaio 6 0, Pulsos ensaio 7 ensaio 8 ensaio 9 ensaio 10 Figura Repetibilidade do deslocamento na admissão 53

70 Estudo Estático e Dinâmico 6 bar; 20/40ms - exaustão Deslocamento (mm) ensaio 1 ensaio 2 ensaio 3 ensaio 4 ensaio 5 ensaio 6 ensaio 7 ensaio 8-7 ensaio 9-8 Pulsos ensaio 10 Figura Repetibilidade do deslocamento na exaustão Análise dos resultados A partir da 5ª velocidade, a velocidade de deslocamento da mesa é igual à máxima, tanto na admissão quanto na exaustão. A diferença reside no deslocamento máximo num caso e noutro; O deslocamento máximo obtido é de aproximadamente 10mm, em cada sentido; As velocidades de exaustão são inferiores às de admissão, para o mesmo número de velocidade e diferença de pressão; Existe maior repetibilidade de movimento para a exaustão, característica que se deve, principalmente, à borracha dos actuadores. Na admissão, com um volume crescente de ar no interior dos músculos, a borracha fica sob tensão, comprimindo-o; na exaustão, e uma vez sob pressão, a tendência do actuador será a de adquirir a sua forma natural, facilitando o escape do ar. Este será também o motivo para não se observarem deslocamentos significativos com o músculo a 2bar: o músculo não estará ainda suficientemente deformado. Sendo impossível zerar a mesa para um mesmo ponto inicial, estabeleceu-se um limite em que se considerava a mesa como centrada. Depois, o valor dos sensores indutivos era zerado, tendo desta forma um deslocamento relativo muito próximo do absoluto, como se pode verificar pelos limites máximos atingidos em cada configuração de velocidade e pressão. 54

71 Análise do método A implementação deste último método trouxe, finalmente, resultados nos quais se confiava. Só sabendo que os valores obtidos eram válidos se poderia realmente analisar os actuadores pneumáticos disponíveis no simulador para, posteriormente, ser compreendido o seu funcionamento quando sujeitos a diferentes condições, e extrapolá-lo para o funcionamento da mesa. 55

72 Estudo Estático e Dinâmico 6.4 Estudo da resposta frequencial do simulador multi-axial A programação desenvolvida até à data tinha respondido positivamente aos requisitos dos ensaios. A utilização da base de tempo de 5ms tinha mostrado ser uma ferramenta precisa e de grande utilidade. Contudo, conheciam-se as limitações do seu uso. Enquanto todas as actuações e respostas do simulador não fossem tão rigorosas quanto o possível, não se poderia passar à fase de programação definitiva. Em termos de actuação, as frequências eram sentidas como o ponto crítico. Ainda não tinha sido feito nenhum estudo comportamental do sistema e anteviam-se problemas na resposta das válvulas digitais a tempos reduzidos Modo Normal Vs Modo Seno Modo Normal O terceiro método de programação foi a base de partida para o modo denominado por normal. Não usando o conceito de velocidades, este método definiu-se pelo uso das actuações de 5ms para cálculo das frequências pretendidas pelo utilizador. Sendo a frequência um ciclo, no caso do simulador tem-se uma frequência de actuação quando se pressuriza e despressuriza o músculo. Para isso, as válvulas digitais de admissão e exaustão têm de ser actuadas uma vez cada, por ciclo. A duração entre essas acções determina a frequência. Dado que estas acções se davam através da contagem do número de impulsos de 5ms, a frequência esperada teria de contemplar o dobro do tempo de uma acção, para a pressurização e despressurização. A duração de uma destas acções, em número de impulsos, correspondia à sua duração, em tempo, dividida por 5ms, truncando as casas decimais, uma vez que não existem meios impulsos. Foram feitos alguns testes para perceber os limites possíveis desta metodologia, com os resultados descritos na Tabela 6.4. A frequência teórica corresponde à pretendida, a esperada era a frequência possível, e a real foi a obtida. Os registos foram feitos pelo autómato e com o auxílio de um osciloscópio. Condições impostas nos ensaios seguintes: Apenas um músculo horizontal foi usado; Não foi usado nenhum provete ou massa extra. 56

73 Resultados Modo Normal Frequência Frequência Frequência Freq. Real/ Erro Freq. Esperada/ Erro Teórica Esperada Real Freq.Teórica (%) (%) Freq. Real (%) (%) 1 1 0,8 80,0-20,0 80,0-20, ,7 85,0-15,0 85,0-15,0 3 3,03 2,6 86,7-13,3 85,8-14, ,5 87,5-12,5 87,5-12, ,4 88,0-12,0 88,0-12,0 6 6,25 5,6 93,3-6,7 89,6-10,4 7 7,14 6,3 90,0-10,0 88,2-11,8 8 8,33 7,2 90,0-10,0 86,4-13,6 9 9,09 7,9 87,8-12,2 86,9-13, ,7 87,0-13,0 87,0-13, ,11 9,7 88,2-11,8 87,3-12, ,5 10,8 90,0-10,0 86,4-13, ,29 12,5 96,2-3,8 87,5-12, ,29 12,5 89,3-10,7 87,5-12, ,67 14,4 96,0-4,0 86,4-13, ,67 14,4 90,0-10,0 86,4-13, ,5 102,9 2,9 87,5-12, ,4 96,7-3,3 87,0-13, ,4 91,6-8,4 87,0-13, ,4 87,0-13,0 87,0-13, ,8 103,8 3,8 87,2-12, ,8 99,1-0,9 87,2-12, ,5 93,5-6,5 86,0-14, ,5 89,6-10,4 86,0-14, ,7 86,8-13,2 86,8-13,2 Tabela Resposta frequencial do modo normal 57

74 Estudo Estático e Dinâmico Análise dos resultados Bem patente nos resultados apresentados está a ineficiência do sistema na resposta a frequências, inclusivamente às não divisíveis pela base de tempo usada. Um dos principais problemas deve-se à truncatura: a partir dos 13Hz, e em grupos, pode observar-se que a frequência esperada é a mesma para diferentes frequências pretendidas. Contudo, e apesar de ficarem abaixo do pretendido, esses valores foram repetitivos. Isso levou à execução de um novo teste, para verificar de que forma, ou até que ponto essas frequências se repetiriam. 25Hz. Foram feitos 10 ensaios cobrindo todo o espectro de frequências possíveis: 1, 10 e Resultados Repetibilidade - Modo Normal 1 Hz 10 Hz 25 Hz 0,9 9,8 21,4 0,8 9,5 21,5 0, ,8 0,9 9,8 21,8 0,8 9,7 21,6 0,8 9,5 22,3 0,8 9,3 21,7 0,9 9,7 21,5 0,8 9,8 21,3 0,8 9,6 21,3 Média 0,83 9,67 21,62 Relação (%) 83 96,7 86,48 Erro Médio (%) 17 3,3 13,52 Tabela Repetibilidade frequencial modo normal 58

75 Análise dos resultados Parecendo que a 1Hz as frequências obtidas estavam mais perto do pretendido, como é tudo relativo, o erro foi maior para esta situação. Também para 25Hz o erro foi muito elevado. A 10Hz, a resposta melhorava significativamente, ficando a 96,7% do pretendido. Contudo, estes não seriam os valores pelos quais se pretendia que o simulador se regesse. Modo Seno Era mandatório que o sistema respondesse perfeitamente às frequências pretendidas, entre 1 a 25Hz. Para que tal pudesse ser possível, e evitando os condicionalismos frequenciais do modo normal, ter-se-ia de obter tempos de resposta na ordem do milissegundo. A única forma de o conseguir seria através de um sinal digital que actuasse as válvulas de admissão e exaustão nos limites de tempo pretendidos. Uma qualquer onda quadrada, triangular, etc., podia ser usada para o efeito. No entanto, decidiu fazer-se uso de uma onda sinusoidal para a actuação digital. O princípio baseou-se em ter a saída a 1 quando o valor da onda seno fosse positivo, e levar a saída a 0 quando esta fosse negativa. Introduzindo o valor da frequência pretendida na descrição da onda seno, esperava ter-se, ao longo do tempo, as actuações correctas. sen 2 é ê Apenas os factores variáveis, frequência e tempo, teriam relevância para o caso. Assim sendo, a função sinusóide desejada apresenta-se na seguinte forma: sen 2 59

76 Estudo Estático e Dinâmico Figura 6.22 Princípio de funcionamento do modo seno Para que as saídas, as quais activariam as válvulas digitais de admissão e escape, alternassem entre os seus valores lógicos quando preciso, a onda seno teria de ser actualizada constantemente e pela menor fracção de tempo possível. Neste contexto, usou-se o espaço de tempo mais reduzido e disponível, o milissegundo, através de uma palavra do sistema que contabiliza o tempo absoluto %SD20. %SD20: %SW20 %SW21 Contador tempo absoluto de %SD20 é incrementado pelo sistema a cada milésimo de segundo (mesmo quando o PLC está em stop). Pode ser lido pelo utilizador. MSCOUNTER Tabela Descrição da word %SD20 Depois do princípio de funcionamento definido, passou-se à sua implementação através da programação. A posterior verificação experimental seguiu os mesmos pressupostos dos testes dinâmicos aplicados no modo normal. Condições impostas nos ensaios seguintes: Apenas um músculo horizontal foi usado; Não foi usado nenhum provete ou massa extra. 60

77 Resultados Modo Seno Frequência Frequência Freq. Real (PLC)/ Erro Frequência Freq. Real (Osc.)/ Erro Teórica Real (PLC) Freq.Teórica (%) (%) Real (Osc.) Freq.Teórica (%) (%) 1 1,0 100,0 0,0 1, ,5 0,5 2 1,9 95,0-5,0 1,990 99,5-0,5 3 3,0 100,0 0,0 3, ,3 0,3 4 4,0 100,0 0,0 4, ,0 0,0 5 5,0 100,0 0,0 5, ,0 0,0 6 6,0 100,0 0,0 6, ,0 1,0 7 6,9 98,6-1,4 7, ,6 0,6 8 8,0 100,0 0,0 7,937 99,2-0,8 9 9,0 100,0 0,0 8,929 99,2-0, ,0 100,0 0,0 10, ,0 0, ,0 100,0 0,0 11, ,0 1, ,1 100,8 0,8 11,940 99,5-0, ,1 100,8 0,8 12,990 99,9-0, ,1 100,7 0,7 14, ,6 0, ,1 100,7 0,7 15, ,0 1, ,1 100,6 0,6 16, ,8 0, ,0 100,0 0,0 16,950 99,7-0, ,0 100,0 0,0 18, ,1 0, ,0 100,0 0,0 18,870 99,3-0, ,9 99,5-0,5 20, ,0 0, ,1 100,5 0,5 20,830 99,2-0, ,1 100,5 0,5 21,740 98,8-1, ,1 100,4 0,4 22,730 98,8-1, ,1 100,4 0,4 24, ,6 1, ,0 100,0 0,0 25, ,0 0,0 Tabela Resposta frequencial do modo seno 61

78 Estudo Estático e Dinâmico Análise dos resultados Logo após a análise dos resultados do primeiro ensaio se soube ter encontrado a concepção que preenchia os requisitos impostos para o sistema. Finalmente, o simulador respondia com rigor às frequências pretendidas e sempre com erros muito reduzidos. No sentido de testar os limites desta nova concepção, nos ensaios de repetibilidade introduziram-se frequências com uma casa decimal. Resultados repetibilidade Repetibilidade - Modo Seno 1 Hz 9,5 Hz 10 Hz 10,5 Hz 25 Hz PLC Osc. PLC Osc. PLC Osc. PLC Osc. PLC Osc. 1,1 0,997 9,5 9,524 10,0 10,000 10,5 10,640 25,1 25,640 1,0 1,003 9,6 9,709 10,1 10,100 10,5 10,750 25,0 24,390 1,0 1,001 9,5 9,259 10,0 9,804 10,5 10,420 25,1 25,000 1,0 0,999 9,6 9,709 10,0 9,904 10,5 10,310 24,4 24,390 1,1 1,003 9,5 9,174 10,1 10,200 10,5 10,750 25,1 25,640 1,1 1,006 9,5 9,615 10,0 9,804 10,6 10,530 25,0 25,000 1,1 1,003 9,6 9,434 10,0 10,000 10,5 10,200 25,0 24,390 1,0 0,996 9,5 9,259 10,1 10,310 10,6 10,990 25,1 25,640 1,0 0,999 9,5 9,524 10,0 9,804 10,6 10,640 25,0 25,000 1,0 0,997 9,5 9,346 10,0 9,997 10,6 10,750 25,1 25,640 Média 1,04 1,000 9,53 9,455 10,03 9,992 10,54 10,598 24,99 25,073 Relação (%) 104,0 100,0 100,3 99,5 100,3 99,9 100,4 100,9 100,0 100,3 Erro Médio (%) -4,00 0,0-0,32 0,47-0,30 0,08-0,38-0,93 0,04-0,29 Tabela Repetibilidade frequencial do modo seno 62

79 Análise dos resultados O ensaio de repetibilidade revelou um erro médio de 4%, operando a mesa a 1Hz. Contudo, o valor deste erro diminuiria significativamente se o número de ensaios aumentasse. O que, realmente, se deve salientar na análise dos resultados é a capacidade do autómato de reproduzir, com erros inferiores a 1%, frequências com uma casa decimal. Está-se perante um comando que, tendo em conta toda a constituição do sistema, se pode considerar o melhor possível. Análise do método A substituição do modo de actuação, de contagens para interruptores lógicos, e o uso de uma base de tempo de 1ms, foram as grandes alterações feitas, e que tornaram este método tão bem sucedido. 63

80 Estudo Estático e Dinâmico 6.5 Estudo dinâmico do simulador multi-axial Por esta altura, impôs-se a necessidade de estudar o comportamento dinâmico do simulador em função dos seus actuadores. Fazendo uso das equações do movimento, analisou-se o registo do comportamento dinâmico da mesa para o modo que melhor respondia às solicitações frequenciais, o modo seno. sin cos ê sin á cos 1 çã á sin 1 O primeiro ensaio fez-se actuando apenas o músculo H1. Resultados Amplitudes - H1 Amplitude máxima (0,1mm) Frequência (Hz) 6 bar 5 bar 4 bar 3 bar Figura Amplitude do deslocamento com um actuador 64

81 Velocidades - H1 600,0 Velocidade (mm/s) 500,0 400,0 300,0 200,0 100,0 6 bar 5 bar 4 bar 3 bar 0, Frequência (Hz) Figura Velocidade do deslocamento com um actuador 4,00 3,50 3,00 Acelerações - H1 Aceleração (g) 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0, Frequencia (Hz) 6 bar 5 bar 4 bar 3 bar Figura Aceleração do deslocamento com um actuador Repetiram-se os ensaios pressurizando agora os três músculos horizontais alternadamente, na direcção de H1. 65

82 Estudo Estático e Dinâmico Resultados Amplitude máxima (0,1mm) Amplitudes - 3 Actuadores Frequência (Hz) 6 bar 5 bar 4 bar 3 bar Figura Amplitude do deslocamento com três actuadores Velocidade (mm/s) 600,0 500,0 400,0 300,0 200,0 100,0 Velocidades - 3 Actuadores 6 bar 5 bar 4 bar 3 bar 0, Frequência (Hz) Figura Velocidade do deslocamento com três actuadores 8,00 7,00 6,00 Acelerações - 3 Actuadores Aceleração (g) 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0, Frequencia (Hz) 6 bar 5 bar 4 bar 3 bar Figura Aceleração do deslocamento com três actuadores 66

83 Análise dos resultados O registo das amplitudes terá maior foco de atenção na sua explicação, por ser o mais importante e uma vez que as velocidades e acelerações dependem de si. Ter maior pressão nos músculos significa conferir maior rigidez ao sistema (diminuição do amortecimento) e quando isso se verifica, diminui-se a frequência natural de vibração do sistema. O comportamento dinâmico do sistema reflecte-se na razão entre a frequência de excitação,, que se impõe à mesa e a sua frequência natural de vibração,. Quando esta relação é igual a um, tem-se que a transmissibilidade de deslocamento e o factor de amplificação dinâmica são máximos. Este último designa-se por frequência de ressonância,. A transmissibilidade absoluta é superior a um quando a frequência de excitação é inferior à frequência natural de vibração e inferior a um, e tendendo para um limite, quando a frequência de excitação é superior a!2 ". Relativamente ao factor de amplificação dinâmica, m, quando a frequência de excitação tende para: infinito, m tende para zero (amplitude de movimento tende para zero); zero, m tende para um (amplitude de movimento tende para o valor do deslocamento estático). Para ilustração dos resultados obtidos segue-se um exemplo: Quis saber-se a resposta natural ou livre da mesa móvel. Transmitindo-lhe um impulso de força, Figura 6.29, observou-se o seu comportamento. Figura Resposta livre do sistema Pela análise da resposta, conclui-se tratar de um sistema sub-amortecido. Apresenta um movimento oscilatório de frequência angular w d constante e cuja amplitude decresce de forma exponencial com o tempo. 67

84 Estudo Estático e Dinâmico Neste tipo de sistemas, a razão entre o amortecimento efectivo e o crítico, designada por ξ, está compreendida entre 0 e 1. Pelo princípio do decremento logarítmico, podem obter-se os valores notáveis referidos acima, os quais influenciam a dinâmica do sistema. No exemplo, foram usados os seguintes parâmetros: T d período natural amortecido; w d frequência natural de vibração amortecida; w n frequência natural de vibração não amortecida; w r frequência de ressonância; ξ amortecimento do sistema; Y i amplitude inicial; Y f amplitude final; X i deslocamento inicial; X f deslocamento final; N número de ciclos. # 2 $ % & ' ln( ) * + ξ, -.1/ ξ ξ 9 Pressurizaram-se os músculos horizontais a 3 bar e aplicou-se uma força impulsiva. Da resposta obtida registaram-se os valores de amplitudes máximas e mínimas, assim como o período amortecido, Figura

85 Figura Amplitudes e período amortecido da resposta do sistema Substituindo os valores nas equações (1) e (2), obtiveram-se os seguintes resultados: : ; ξ Confronto dos resultados experimentais com os teóricos Transmissibilidade de deslocamento máxima: < Valores para a transmissibilidade de deslocamento: G HIJ 1; 2 K LMN 1. O P Q 7R S T2 U V W 9.9X Y Factor de amplificação dinâmica máximo para Z, depois do qual tende para zero, no infinito. deslocamento. A partir dos 9,9Hz dá-se um decréscimo, até à estabilização, da transmissibilidade de Analisando os resultados teóricos e os experimentais, explicam-se os comportamentos dinâmicos do simulador. 69

86 Estudo Estático e Dinâmico 6.6 Resposta dinâmica do simulador multi-axial Depois de descoberta a frequência de ressonância da parte móvel do simulador, actuou-se um músculo e observou-se a resposta dos sensores ao deslocamento da mesa para diferentes pressões e frequências. Resultados Frequência (Hz) Pressão (bar) 3 Escala (osciloscópio) Deslocamento (osciloscópio)

87 Tabela Resposta em deslocamento a diferentes frequências e pressões Análise dos resultados Figura Resposta das válvulas digitais a 25Hz Os resultados estão, em tudo, de acordo com o esperado e justificado anteriormente. De notar o efeito do factor de amplificação dinâmica máximo dos 6 para os 7Hz e o deslocamento a partir dos 10Hz. Pode ainda ver-se, na Figura 6.31, a capacidade de reprodução de frequências do autómato, comprovada através do osciloscópio. 71

88 Estudo Estático e Dinâmico 6.7 Ensaios com modelo sísmico Após a implementação e análise do comportamento dinâmico do simulador, o passo seguinte impôs-se naturalmente: o ensaio dum modelo sísmico. Para o efeito, foi usado o provete concebido anteriormente pelos colegas André Martins e Daniel Gonçalves. Figura Modelo sísmico usado Desconhece-se a rigidez do modelo sísmico, contudo, os colegas simularam o provete, em software apropriado, para saber a que frequências se davam os modos de vibração. 1º Modo de vibração 13,23Hz 2º Modo de vibração 17,4Hz 72 3º Modo de vibração 35,3Hz 4º Modo de vibração 45Hz Tabela Simulação dos modos de vibração do provete

89 Resultados Amplitude máxima (0,1mm) Amplitudes - 3 Actuadores c/ provete Frequência (Hz) 6 bar 5 bar 4 bar 3 bar Figura Deslocamentos com os três actuadores e provete 600,0 Velocidades - 3 Actuadores c/ provete Velocidade (mm/s) 500,0 400,0 300,0 200,0 100,0 6 bar 5 bar 4 bar 3 bar 0, Frequência (Hz) Figura Velocidades com os três actuadores e provete 8,00 7,00 6,00 Acelerações - 3 Actuadores c/ provete Aceleração (g) 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0, Frequencia (Hz) 6 bar 5 bar 4 bar 3 bar Figura Acelerações com os três actuadores e provete 73

90 Estudo Estático e Dinâmico A simulação, não contemplando todas as características físicas do provete, serviu como orientação para os intervalos de frequências a que se esperavam ver os modos de vibração. À falta de instrumentos adequados, apenas o primeiro modo foi possível identificar a olho nu, acontecendo aos 11Hz, Figura Com a mesa a vibrar a 2Hz, o provete adquire uma oscilação muito notória, Figura Figura Oscilação a 2Hz 74

91 Análise dos resultados Era de prever que, somando o provete ao amortecimento já verificado com a actuação dos três músculos horizontais, a frequência natural de vibração descesse mais. No entanto, mantevese pelos 6Hz. Também a dinâmica do sistema não foi muito alterada. Conclui-se que o provete, todo ele em alumínio e madeira, apesar de rígido é bastante leve. Figura º Modo de Vibração 75

92 Estudo Estático e Dinâmico 6.8 Limites frequenciais Não fossem os condicionalismos estruturais, a mesa poderia ser operada até um máximo de 125Hz, considerando que o tempo de comutação das válvulas digitais é de 4ms. [\] A base de tempo, que a 5ms limitava o sistema no modo normal, agora para 1ms, impedia a obtenção de frequências com mais de uma casa decimal. Frequência Pretendida (Hz) Período (s) Número de ciclos Número de ciclos (truncado) Período (ciclos truncados) (s) Frequência obtida (Hz) 10 0, , ,5 0, , ,095 10,5 10,05 0, , ,099 10,1 Tabela Limites frequenciais do sistema A gama de frequências possível compreende-se no intervalo entre 0,1 e 125,0Hz. Contudo, por questões práticas, a gama foi reduzida para valores entre 0,1 e 25,0Hz, apesar da frequência de ressonância da estrutura se encontrar aos 70Hz. Resumem-se os valores máximos possíveis de amplitudes, velocidades e acelerações, Tabela 6.12: Sem provete Com provete Amplitude (horizontal) 20mm 20mm Velocidade (horizontal) 533mm/s 505mm/s Aceleração (horizontal) 74 m/s 2 73 m/s 2 Frequência 0,1 25,0 Hz Tabela Características dinâmicas máximas do simulador multi-axial 76

93 7 Desenvolvimento do programa final 7.1 Introdução Para o desenvolvimento do programa final, não só a informação do funcionamento dos actuadores foi aproveitada. Também o conhecimento e o trabalho desenvolvido na programação foram úteis para a fase seguinte, que consistiu, em grande parte, na aplicação dos vários princípios usados anteriormente, mas dando-lhes agora uma vertente mais prática, uma vez que a máquina se destinaria para uso científico. 7.2 Descrição da programação Pretendia-se que o programa final fosse tão flexível quanto necessário, para que o utilizador executasse ensaios segundo as suas próprias especificações, dentro dos limites do possível. Nesse sentido, e antes de mais, a concepção centrou-se na definição estrutural, tendo sido criados quatro grupos, e os subgrupos que se acharam relevantes, dentro do que já se tinha objectivado para o simulador: Demonstração; Mesa Sísmica; o Modo Velocidades; o Modo Seno; Ensaios; o Ensaio 1 o Ensaio 2; Manutenção/Manual. Consoante o modo de actuação escolhido, o utilizador deveria poder definir os valores para as variáveis existentes, desde que nenhum limite, estabelecido pelo programador, fosse ultrapassado. As variáveis possíveis são: 77

94 Desenvolvimento do Programa Final Pressão por conjunto de actuadores; Frequência de funcionamento/velocidade; Eixos de actuação; Primeira acção de actuação; Número de pulsos/ciclo em velocidade; Duração do modo. E com o display constante de informação sobre: Duração actual; Deslocamentos relativos, instantâneos e máximos. Apresenta-se em GRAFCET a estrutura do programa desenvolvido, Figura Estrutura do programa final Figura Estrutura do programa final 78

95 Etapa/Macro-Etapa/Transição Acções multi- Simulador 1 E axial T Ok inicial 2 E Inicializar T Botão menu 3 E Menu T Botões menu 4 E Demo 5 ME Mesa Sísmica Set relé Verificação circuito eléctrico 1 se circuito eléctrico OK Despressurização de todos os músculos, caso não estejam, levando a mesa à posição de repouso 1 se músculos despressurizados e mesa no repouso Escolha do modo de actuação ou sair do programa Activa o menu seleccionado ou abandona o programa Activa demonstração pré-programada Modo Velocidades Modo Seno 6 ME Manutenção/Manual 7 ME Ensaios 8 E Fim 9 E Pós-Fim Manutenção Manual Ensaio 1 Ensaio 2 Despressurização de todos os músculos, caso não estejam vazios, levando a mesa à posição de repouso Reset relé Tabela Descrição das etapas e acções 79

96 Desenvolvimento do Programa Final Todas as macro-etapas têm como estrutura a representação da Figura 7.2: Figura Estrutura de uma macro-etapa Etapa/Transição/Jump 10 E Mesa Sísmica IN T Botões Mesa Sísmica 11 E Modo Velocidades T Centrar Mesa Acção Contém duas etapas: Modo Seno Modo Velocidades Activa o modo seleccionado ou abandona modo Activa o modo velocidade 1 se o botão centrar mesa for actuado 12 E Centrar Mesa Modo Velocidade T NOT Saída Centrar 13 J Modo Velocidades 14 E Mesa Sísmica OUT 15 J Mesa Sísmica OUT Pressurização dos músculos horizontais até centragem da mesa 1 quando mesa centrada Activa etapa Modo Velocidades Abandona modo Mesa Sísmica Abandona modo Mesa Sísmica Tabela Descrição da macro-etapa e acções 80

97 7.3 Descrição do programa final O presente capítulo destina-se a detalhar o programa final quando operado pelo software de SCADA Vijeo Citect. Dos aspectos mais importantes a ter em conta quando se desenvolve um programa a ser usado por terceiros é, sem dúvida, a segurança. Nesse sentido, foram implementadas medidas justas que garantissem a integridade do operador, bem como da própria máquina Descrição dos princípios de funcionamento do programa: Quando se inicia o programa, é necessário fazer o check-up eléctrico do sistema. Caso contrário, ou na eventualidade de algum erro, o programa não permite avançar; Sempre que não estiver a decorrer nenhum modo de actuação, a mesa encontrase na posição de repouso, com todos os músculos despressurizados e sem nenhuma válvula actuada; Antes de se iniciar qualquer modo de actuação, ao mesmo tempo que se actuam as válvulas digitais de admissão dá-se uma pressurização incremental em todos os músculos, comandando as válvulas proporcionais através de rampas lentas e pré-definidas. Este procedimento traduz-se numa posição elevada e central da mesa: inicial; Todos os movimentos horizontais começam de modo suave. A pressurização inicial dos músculos horizontais, antes de cada modo de actuação ou ensaio, corresponde ao valor intermédio entre 1bar e a pressão definida pelo utilizador. A pressão aumenta depois até ao valor definido, segundo uma rampa; No final de cada actuação ou ensaio, a mesa retorna lentamente à posição de repouso; Todas as variações de pressão se dão através de rampas pré-definidas; Nenhuma actuação acontece se algum dos músculos se encontrar com uma pressão inferior a 1bar; Nenhuma actuação acontece se as variáveis não forem definidas pelo utilizador; 81

98 Desenvolvimento do Programa Final Nenhuma actuação acontece, excepto a manutenção, a manual e a demonstração, se a mesa não estiver centrada; Ao centrar a mesa acontece o mesmo que em 3. Ter a mesa centrada significa que as leituras dos três sensores horizontais se encontram dentro dum limite pré-definido. Depois de centrada, a mesa retorna lentamente à posição de repouso; Se, durante alguma actuação ou ensaio, a mesa ultrapassar os limites prédefinidos de deslocamento, retorna lentamente à posição de repouso; Na eventualidade da mesa não se posicionar no repouso depois de qualquer actuação ou ensaio, a etapa inicializar encarrega-se dessa acção. A transição seguinte só fica activa quando a mesa está despressurizada e em repouso Programa final pelo software Vijeo Citect O uso do software SCADA no âmbito do corrente projecto é muito significativo. O Vijeo Citect é uma ferramenta poderosa, que tem o aliciante de criar uma relação mais próxima com o utilizador, e não apenas por uma questão estética. A sua utilização deixa de lado o software com o qual se programa o autómato que, não sendo muito intuitivo, poderia criar uma primeira má impressão sobre o programa desenvolvido e as suas potencialidades. Existem ainda as grandes vantagens da geração de relatórios, alarmes e gráficos. Instruções para a navegação Todas as páginas têm três elementos em comum: o relógio, a casa, e um atalho para alarmes. Encontra-se sempre visível no canto inferior direito um relógio e um calendário. O botão casa pode ser pressionado a qualquer altura e remete o utilizador para o menu iniciar, a partir do qual se pode aceder a qualquer modo de actuação ou sair do programa. Os ícones presentes no canto inferior esquerdo representam atalhos para páginas de alarmes. Qualquer erro ou alarme accionado tem a sua natureza, a hora e data de ocorrência registadas, numa página própria. 82

99 Figura 7.3 Navegação no SCADA Programa Quando o programa é acedido, surge no ecrã uma pequena janela, onde se contextualiza o trabalho, apresenta o título, a instituição de ensino, o nome do aluno e o do Professor orientador. Figura 7.4 Layout da página inicial Clicar na tela remete para a página do check-up eléctrico. Figura 7.5 Layout do check-up eléctrico Ao fazer o check-up, se tudo estiver bem, as luzes correspondentes à monitorização dos 24VDC de potência e ao relé ficam verdes. Pode prosseguir-se para o menu inicial, Figura 83

100 Desenvolvimento do Programa Final 7.6. Se uma ou ambas as luzes se mantiverem a vermelho não é possível prosseguir, pelo que se deve averiguar a sua ocorrência. Figura 7.6 Layout do menu inicial A partir do menu inicial, e clicando no botão correspondente, escolhe-se o procedimento a realizar. À frente de cada botão encontra-se uma pequena descrição da página seguinte. Dispõe-se das seguintes opções de navegação: Demonstração; Mesa Sísmica; Ensaios; Manutenção/Manual; Abandonar. Demonstração É executada uma acção de curta duração onde se demonstram as potencialidades do simulador sísmico. Terminada a demonstração, é-se remetido novamente para o menu inicial. Mesa Sísmica Tornar o programa mais versátil e flexível implicou a subdivisão do menu mesa sísmica em dois: modo velocidades e modo seno. 84

101 Mesa sísmica modo velocidades Este modo de actuação baseou-se no ensaio definido previamente como Velocidades. O deslocamento da mesa é feito por 10 impulsos em cada sentido. A duração do período é constante e tem um valor de 400ms, o que corresponde a uma frequência de 1,25Hz. Permite a escolha independente, ou em simultâneo, dos 6 eixos disponíveis, H1, H2, H3, V1, V2 e V3, e para velocidades de actuação diferentes entre si. As velocidades de admissão e exaustão também são independentes. No caso de se quererem combinar actuações em fase ou desfasadas, existe a opção de primeira actuação, podendo escolher-se o sentido do primeiro movimento. Esta opção é particularmente interessante no plano horizontal: seleccionando os mesmos valores de velocidade, com a primeira actuação definida para a admissão num dos eixos, e exaustão nos outros dois, obtém-se um movimento sincronizado e bem definido por parte da mesa. Tal como os eixos, primeira actuação e velocidades, também a duração do ensaio e pressões de funcionamento são definidas pelo utilizador. Existe um mostrador do lado direito que exibe o tempo decorrido. Em baixo, encontram-se os botões para centrar a mesa, zerar os sensores de deslocamento, iniciar, parar, e ainda uma luz indicativa da mesa centrada. Os valores permitidos para introdução pelo utilizador são: Velocidades admissão/exaustão 1 a 8; Pressão central 1 a 2bar; Pressão horizontal e vertical 1 a 6bar; Duração até horas. Figura Layout do modo velocidades 85

102 Desenvolvimento do Programa Final Mesa sísmica modo seno Este modo de actuação baseou-se no método definido previamente como Modo Seno. A escolha dos eixos para actuação é exclusiva por conjunto horizontal e vertical. No entanto, o eixo a actuar depende da opção do utilizador. A frequência é definida pelo utilizador, mas igual para cada conjunto de actuadores. A duração em funcionamento pode ser feita por uma de duas maneiras: tempo ou número de ciclos. Optando por número de ciclos, o utilizador faz um compromisso entre frequência de actuação e número de vezes que as válvulas digitais são actuadas. No caso se seleccionarem os dois conjuntos de actuadores e se definirem frequências diferentes, o modo só termina após a menor frequência ter atingido o número de ciclos imposto. O utilizador pode, em tempo real, observar o tempo ou o número de ciclos decorridos. Os valores permitidos para introdução pelo utilizador são: Frequência 0,1 a 25,0Hz; Pressão central 1 a 2bar; Pressão horizontal e vertical 1 a 6bar; Duração tempo até horas; Duração ciclos até Figura Layout do modo seno 86 Ensaios

103 No sentido de cobrir todas as possibilidades de actuação, dando liberdade de escolha ao utilizador, foi definido como importante ter um modo especial, dedicado a ensaios. Também neste espaço está contemplado o uso por parte de profissionais, no que toca a ensaios de modelos sísmicos, ou uma visão mais académica, facilitando a contínua caracterização do simulador multi-axial. Ensaios Ensaio 1 O primeiro ensaio é uma versão da actuação mesa sísmica modo seno. Com uma aplicabilidade mais vasta, este ensaio possibilita a escolha independente ou simultânea de todos os eixos, incluindo a opção primeira actuação e a definição independente de frequências de funcionamento. Com a possibilidade de geração de gráficos de deslocamentos horizontais e verticais, e por cada eixo, o utilizador pode aceder a esta informação graficamente e, se pretender, exportá-la para um ficheiro Excel, da Microsoft Office. Os valores permitidos para introdução pelo utilizador são: Frequência 0,1 a 25,0Hz; Pressão central 1 a 2bar; Pressão horizontal e vertical 1 a 6bar; Duração tempo até horas; Duração ciclos até O utilizador pode, em tempo real, observar o tempo ou o número de ciclos decorridos. Figura Layout do ensaio 1 Ensaios Ensaio 2 87

104 Desenvolvimento do Programa Final Mantendo a essência do método que lhe deu origem, o ensaio número dois difere do modo velocidades pelo facto de permitir alterar o número de pulsos por sentido de actuação (admissão e exaustão), entre 1 e 20. Com a possibilidade de geração de gráficos de deslocamentos horizontais e verticais, e por cada eixo, o utilizador pode aceder a esta informação graficamente e, se pretender, exportá-la para um ficheiro Excel, da Microsoft Office. Os valores permitidos para introdução pelo utilizador são: Número de pulsos 1 a 20; Pressão central 1 a 2bar; Pressão horizontal e vertical 1 a 6bar; Duração tempo até horas. O utilizador pode, em tempo real, observar o tempo ou o número de ciclos decorridos. Figura Layout do ensaio 2 Manutenção Ao seleccionar esta opção, é executado um ciclo em que o utilizador verifica visualmente se todas as válvulas digitais estão operacionais, se existe tensão de 24VDC, se o relé se encontra alimentado e se a botoneira de emergência está operacional. Em caso afirmativo, vão-se acendendo luzes verdes. Só é possível abandonar a manutenção se tudo estiver a funcionar correctamente. 88

105 Figura Layout da manutenção 89

106 Desenvolvimento do Programa Final Manual O modo de actuação manual destina-se, principalmente, à verificação experimental do correcto funcionamento do sistema pneumático. Serve, também, como um primeiro contacto do utilizador com a máquina, podendo experimentar os deslocamentos, 4 graus de liberdade ou observar a resposta dos actuadores. É permitida a definição das pressões, movimentar a mesa no sentido de todos os eixos horizontais, e subir e/ou descer a mesa. Os valores permitidos para introdução pelo utilizador são: Pressão central 1 a 2bar; Pressão horizontal e vertical 1 a 4bar. Figura Layout do modo manual Geração de gráficos Os valores registados pelo autómato podem ser acedidos na forma gráfica, apresentando o aspecto da Figura

107 Figura Geração de gráficos no SCADA 91

108

109 8 Resultados No inicio deste projecto, as capacidades dinâmicos do simulador contavam com valores máximos de aceleração fixados em 1,8g, no plano horizontal; frequências inferiores a 3Hz e superiores a 7Hz representavam problemas no comando da mesa. Estes problemas resolveram-se naturalmente, estando na base desta grande mudança de comportamento a substituição do autómato. Ao longo de todo o trabalho, e analisando os resultados, o simulador multi-axial revelouse muito eficiente na reprodução de características dinâmicas, comparáveis às que se verificam na realidade. Tem-se a aceleração como característica mais relevante, e de valores superiores aos mínimos pretendidos. A concretização deste projecto espelhou-se na simulação com sucesso de um modelo sísmico, a condições dinâmicas adequadas. Estas características encontram-se num simulador compacto, leve e de baixo custo. Contudo, quando vistas por diferentes perspectivas, as opções tomadas na concepção do simulador podem demonstrar aspectos positivos e outros menos bons, que poderão definir uma aplicabilidade mais vasta. Crê-se que a estabilização das amplitudes por volta dos 10Hz limite um pouco as potencialidades do simulador. A rigidez da mesa deveria, por isso, ser superior, deslocando a sua frequência natural de vibração para um valor ligeiramente mais elevado. Será muito difícil implementar alguma estratégia de controlo precisa, uma vez que os sensores de deslocamento não são os mais rápidos, com menos histerese, e os actuadores têm uma característica acentuadamente não-linear. O trabalho fica dificultado com a falta de feedback do real valor da pressão em cada actuador, uma vez que uma válvula proporcional actua sobre um grupo de músculos, e não apenas um. Alguns destes pormenores poderão ser melhorados para um trabalho futuro. 93

110

111 9 Conclusões A implementação de soluções iniciais muito simples, aumentando gradualmente e sempre que necessário a complexidade da programação, implicou um significativo uso do tempo nem sempre justificado. No entanto, no começo de um projecto é extremamente difícil idealizar o quão complexa deverá ser uma solução. Desta forma, todas as programações experimentadas tiveram o seu quê de importância, tanto na aprendizagem como na perspectiva de abordagem ao problema em questão. Conseguiu extrair-se do simulador multi-axial capacidades dinâmicas de relevância, com um comando rigoroso, e tempos de actuação favoráveis ao pretendido. Os objectivos propostos foram superados, materializando-se numa ferramenta de grande valor e utilidade para estudos sismológicos e/ou de vibrações. 95

112

113 10 Bibliografia "Seismic Loading: Code Versus Site Specific" J. P. Singh, (1995). An Introduction to the Theory of Seismology, 4th ed., e K.E. Bullen and Bruce A. Bolt (1993). Festo Corporation - (2010). Hewlett Packard Company - (2010). International Handbook of Earthquake and Engineering Seismology, Volume 1, e ed. William Han Kung Lee (2010). Martins, André, e Daniel Gonçalves. Simulador Sísmico Multiaxial. Porto, MTS Corporation - (2010). Ohtani, K., Ogawa, N., Katayama, T. and Shibata, H., (2003). OMRON Corporation - (2010). PR electronics - (2010). Rodrigues, José. Apontamentos da disciplina de Vibrações e Ruído. Porto, Schneider Electric SA. Vijeo Citect User Guide Schneider Electric SA; Catálogo M340 (2010). Schneider Electric SA; Unity ProS User Guide (2008). Washington University - (2010). 97

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115 ANEXO A Elementos eléctricos/electrónicos 99

116

117 101

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