UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO ESCOLA DE MINAS COLEGIADO DO CURSO DE ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO - CECAU. Maicon Vaz Moreira

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO ESCOLA DE MINAS COLEGIADO DO CURSO DE ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO - CECAU Maicon Vaz Moreira AUTOMAÇÃO DE UM PROCESSO DE CONVECÇÃO DE CALOR E MASSA MONOGRAFGIA DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO Ouro Preto, 2009

2 1 MAICON VAZ MOREIRA AUTOMAÇÃO DE UM PROCESSO DE CONVECÇÃO DE CALOR E MASSA Monografia apresentada ao Curso de Engenharia de Controle e Automação da Universidade Federal de Ouro Preto como parte dos requisitos para a obtenção do Grau de Engenheiro de Controle e Automação. Orientador: Dr. Henor Artur de Souza Ouro Preto Escola de Minas UFOP Dezembro/2009

3 2 M835a Moreira, Maicon Vaz. Automação de um processo de convencção de calor e massa [manuscrito] / Maicon Vaz Moreira f. : il. ; color. ; tab. Orientador: Prof. Henor Artur de Souza. Monografia (Graduação) - Universidade Federal de Ouro Preto. Escola de Minas. Colegiado do Curso de Engenharia de Controle de Automação. Área de concentração: Automação industrial. 1. Calor Convencção. 2. Massa. 3. CLP (Conrolador lógico programável). 4. Sistema SCADA. 5. Integração homem máquina. I. Universidade Federal de Ouro Preto. II. Título. Fonte de catalogação: CDU: 681.5

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5 4 EPÍGRAFE Só existem dois dias no ano que nada pode ser feito. Um se chama ontem e o outro se chama amanhã, portanto, hoje é o dia certo de amar, acreditar, fazer e principalmente viver (DalaiLama).

6 5 DEDICATÓRIA Dedico esse trabalho primeiramente a Deus pela força para superar os obstáculos; ao meu pai por ser fonte de inspiração; a minha família pelo apoio, a todos que me apoiaram direta ou indiretamente. Sei que todos estarão torcendo pelo meu sucesso, não importa se longe ou perto.

7 6 AGRADECIMENTOS Agradeço a Deus, a minha mãe e minhas irmãs Sinara e Érica pela força e coragem para sempre ir em frente. Ao professor Henor Artur pelos conhecimentos transmitidos, pela amizade e pelo apoio na conclusão desse trabalho. Agradeço também a todos os professores que contribuíram com o conhecimento durante todos esses anos de graduação. Agradeço a Amália pelo amor e pelo companheirismo durante todo esse tempo.

8 7 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO Objetivo Metodologia Estrutura do trabalho SISTEMA SUPERVISÓRIO Supervisório Elipse SCADA TAGS Telas do trabalho CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL Finalidades CLP versus painel de relés CLP Versamax Programação do CLP Endereçamento Lógica de programação MOTOR DE INDUÇÃO Composição do motor de indução trifássico Princípio de funcionamento Velocidade do campo girante Velocidade do rotor Escorregamento Controle de velocidade dos motores de indução INVERSOR DE FREQUÊNCIA Inversor de frequência Weg CFW Configuração das entradas Controle XC

9 Parâmetros do inversor de frequência Parâmetros de leitura Parâmetros de regulação Parâmetros de configuração Parâmatros do motor Vantagens do uso do inversor de frequência Instalação do inversor de frequência DESENVOLVIMENTO DO SISTEMA DE AUTOMAÇÃO Metodologia adotada Resultados Aplicação CONSIDERAÇÕES FINAIS REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTAR... 47

10 9 Lista de figuras Figura 2.1 Tela de abertura do programa...17 Figura 2.2 Tela Projeto...18 Figura 2.3 Tela Alarmes...18 Figura 2.4 Tela Motor...19 Figura 3.1 Componentes básicos de um CLP...21 Figura 3.2 CLP Versamax Figura 3.3 Lógica de partida e comandos...26 Figura 3.4 Lógica de estados...27 Figura 3.5 Lógica velocidade do motor...27 Figura 4.1 Detalhes do motor de indução...28 Figura 4.2 Partes constituintes de um motor de indução...29 Figura 5.1 Localização das conexões de potência, aterramento e controle...32 Figura 5.2 Posição dos jumpers para seleção de entrada...33 Figura 5.3 Borne de controle XC Figura 5.4 Diagrama de ligação...37 Figura 6.1 IHM Figura 6.2 Projeto automatizado...39 Figura 6.3a Mini túnel de vento Figura 6.3b - Montagem Figura 6.4 Motor ligado Figura 6.5 Sentido anti-horário...41 Figura 6.6 Tendência...42 Figura 6.7 Alarmes Figura 6.8 Manual

11 10 Lista de Quadros Quadro Comandos da linguagem ladder...23 Quadro 3.2 Endereçamento...24 Quadro Entradas do inversor de frequência...35

12 11 Lista de siglas e abreviações CLP Controlador Lógico Programável IHM Interface Homem Máquina SCADA - Supervisory Control and Data Aquisition MIT Motor indução trifásico Vcc Volts em Corrente Contínua ma mili-amper UFOP Universidade Federal de Ouro Preto EM Escola de Minas Hz - Hertz RPM rotações por minuto

13 12 RESUMO As alterações climáticas que vem ocorrendo no planeta exigiu uma maior conscientização da população e dos profissionais de engenharia a terem maior cuidado nos seus projetos, procurando sempre o menor impacto ambiental. Um dos setores que representa uma grande parcela no consumo de energia é o da construção. As edificações são um dos agentes responsáveis por boa parte do consumo energético e o projeto de construções energeticamente eficientes primordial. Para que se possa avaliar o desempenho térmico de uma edificação deve-se quantificar corretamente as interações térmicas que ocorre entre as edificação e o meio vizinho. Um dos processos térmicos importantes é o processo da convecção de calor, e desse modo conhecer o valor do coeficiente convectivo de calor é muito importante. Neste trabalho obtém-se um sistema automatizado para controle e o monitoramento de uma prática do laboratório de convecção de calor e massa da EM da UFOP. Um sistema de convecção de massa é utilizado para obter uma correlação que permite calcular o coeficiente de convecção de calor por convecção h, para placas horizontais e inclinadas. Propõe-se a automação do sistema de convecção de calor e massa, onde utiliza-se um inversor de frequência que controla a velocidade do motor e consequentemente o fluxo de ar sobre superfície. Anteriormente o controle da velocidade do motor utilizava uma (Interface Homem Máquina) - IHM do inversor de frequência. Com a automação do processo é possível operar o sistema tanto pelo sistema supervisório quanto pela IHM. No desenvolvimento do sistema de supervisão utilizase uma arquitetura (Supervisory Control and Data Aquisition) - SCADA composta pelo sistema supervisório Elipse SCADA. A interface de comunicação do sistema supervisório com o inversor é feita pelo (Controlador Lógico Programável) - CLP GE Fanuc Versamax onde a transmissão de dados é feita via Ethernet. O sistema supervisório apresenta o ambiente de trabalho de forma bem amigável para operação do sistema, onde se pode visualizar os estados em tempo real do motor, além de coletar alguns parâmetros. Os resultados apontam para sistema com potencial para o monitoramento e acionamento do equipamento e visualização dos parâmetros. Palavras-chave: Convecção de calor e massa, controle, IHM, CLP, SCADA.

14 13 ABSTRACT The climate change that has been occurring in the world required a greater awareness of the population and engineering professionals to take greater care in their projects, always looking for the least environmental impact. One of the sectors that represent a large amount of energy consumption is the construction. The buildings are responsible for much of the energy consumption and the energy-efficient buildings projects are primordial. To be able to evaluate the thermal performance of a building must be properly quantify the thermal interactions that occurred between the building and environment around. One of the important thermal processes is the process of convection, and thereby determines the value of the convective heat is very important. An automated system for the control and monitoring of a heat and mass convection process laboratory practice was obtained in this work. A system of mass convection is used to obtain a correlation that allows calculating the heat transfer by convection coefficient h for horizontal and inclined plates. It is proposed system automation of convection heat and mass, where to use a variable frequency drive is used to control the engine speed and consequently the air flow over the surface. Previously the engine speed control used an HMI from the variable frequency drive. With the process automation is possible to operate the system by the supervisory system as the HMI. In the supervision system development was used an SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) architecture composed by the Elipse SCADA supervision system. The supervisory system communication interface with the drive is made by the PLC (Programmable Logic Controller) GE Fanuc VersaMax where the communication is done by Ethernet. The supervisory system presents the work space in a very friendly way for the system operation, where the engine state can be visualized in real time, and also collect some parameters. The result demonstrates an efficient system of monitoring and equipment's drive and parameters visualization. Keywords: Heat and mass convection, HMI, PLC, SCADA.

15 14 1. INTRODUÇÃO Neste trabalho propoe-se um projeto de automação para um processo de convecção de calor e massa. Entende-se por automação qualquer sistema apoiado em computadores, que substitua o trabalho humano em favor da segurança de pessoas, da qualidade dos produtos, da rapidez da produção ou da redução de custos, aperfeiçoando os complexos objetivos das indúsrias e dos serviços. A automação está presente em diversos setores indústrias, dentre vários se destacam a automação da mineração, da manufatura metálica, de processos químicos e automação bancária. Tem-se por parte de muitos profissionais que a automação resulta tão somente do objetivo de reduzir custos de produção, o que não é verdade. A automação decorre mais de necessidades, tais como maior nível de qualidade, maior segurança dos operadores, menores perdas materiais e de energia, maior disponibilidade e qualidade de informação sobre o processo e melhor planejamento e controle da produção. Segundo Moraes e Castrucci (2007, p.12) a automação envolve a implantação de sistemas interligados e assistidos por redes de comunicação, compreendendo sistemas supervisório e interface homem máquina que possam auxiliar os operadores no exercício da supervisão e da análise dos problemas que por ventura venham a ocorrer. A automação começou a ganhar impulso no Brasil no início dos anos 90 com o fim da reserva de mercado de informática, aliada à abertura comercial e à globalização. A competição cada vez mais acirrada enfrentada pelo setor produtivo no mercado globalizado transformou a automação industrial em um dos principais requisitos para o desenvolvimento econômico de um país e para uma participação mais eficiente da indústria brasileira no mercado internacional. Assim é de fundamental importância que os processos industrias sejam ao máximo automatizados. O investimento alto de implantação inicial, logo pode ser recuperado pela continuidade do processo, pela maior eficiência do processo, pela ampliação da produtividade e da qualidade, além da melhoria da competitividade de mercado.

16 Jusificativa O sistema de automação proposto pode contribuir para um acionamento remoto do processo uma visualização dos estados do motor. Um trabalho posterior com dados coletados serão estudados para melhor utilização dos dispositivos de fluxo de ar, tanto em equipamentos eletromecânicos, como para o seu uso na climatização de edificios, maior eficiência nos sistemas de ar condicionado e economia de energia Objetivo Propor um sistema automatizado, utilizando CLP para o controle do inversor de frequência e consequentemente a velocidade do motor e desenvolimento de um sistema supervisório para monitoramento do processo de convecção de calor e massa, prática do laborátorio de convecção de Calor e Massa da Escola de Minas da UFOP Metodologia Utiliza-se para montagem do sistema de automação um mini túnel de vento, controlando-se o fluxo de ar com o inversor de frequência, acionado por um CLP. Constrói-se um sistema supervisório para melhor visualização do ambiente de trabalho e coleta de dados na prática de convecção de calor e massa. Utiliza-se um CLP programado segundo a lógica Ladder para controlar o processo Estrutura do trabalho Neste primeiro capítulo, faz-se uma breve descrição do projeto de automação a ser proposto e um resumo da metodologia utilizada. No segundo, terceiro, quarto e quinto capítulo são descritos o sistemas supervisórios, o CLP, o motor e o inversor de frequência respectivamente. Tem-se a descrição dos equipamentos utilizados, explicando o princípio de funcionamento destes, faixa de aplicação, modo de configuração, exemplos de algumas telas de supervisão criadas para o desenvolvimento do projeto, uma breve descrição da lógica de programação do CLP, e algumas outras particularidades.

17 16 No sexto capítulo descreve-se de forma mais detalhada a metodologia utilizada durante o todo o trabalho; os parâmetros uilizados para configuração do CLP para controlar a entrada inversor de frequência e consequentemente a velocidade do motor; os resultados obtidos durante os testes e discussões a respeito dos resultados. No sétimo capítulo trata-se das considerações finais sobre o trabalho desenvolvido, observações com relação aos resultados obtidos e a seguir apresenta-se as referências.

18 17 2. SISTEMA SUPERVISÓRIO Os sistemas supervisorios são programas utilizados basicamente, para o monitoramento de processos industriais. São programas instalados em microcomputadores conectados a uma rede de comunicação de um ou mais CLP s, ligados a um equipamento ou a um processo completo de fabricação. Os sistemas supervisórios permitem que sejam monitoradas e rastreadas informações de um processo produtivo ou instalação física. Tais informações são coletadas através de equipamentos de aquisição de dados e, em seguida, manipulados, analisados, armazenados e, posteriormente, apresentados ao usuário. Estes sistemas também são chamados de SCADA (Supervisory Control and Data Aquisition) (SILVA; SALVADOR, 2005, p.1). Segundo Vianna (2008, p.11) o sistema de supervisão pode ler as entradas digitais/analógicas e ler/escrever nas saídas digitais/analógicas. Houve uma grande melhora nos sistemas SCADA, os primeiros sistemas criados permitiam informar periodicamente o estado corrente do processo industrial, monitorando sinais representativos de medidas e estados de dispositivos, através de um painel de lâmpadas e indicadores, sem que houvesse qualquer interface operacional com o operador. Já nos sistemas atuais são utilizados tecnologias de computação e comunicação para automatizar a monitoração e controle de processos industriais, efetuando coleta de dados e a apresentação de modo amigável para o operador, com recursos gráficos elaborados Supervisório Elipse SCADA A principal função de um sistema supervisório é coletar dados de vários dispositivos de campo e apresentá-los de forma amigável, permitindo uma eficiente interação com o processo. Um sistema de supervisão possui várias funções dentro de um processo de produção industrial, dentre os quais pode-se destacar os seguintes:

19 18 apresentação de valores de variáveis de processo em tempo real; geração de gráficos de tendência de variáveis de processo; anunciação e Reconhecimento de alarmes; sinalização de estado operacional de equipamentos; ligar e Desligar equipamentos; registro de eventos; alteração de parâmetros de operação: By-pass de pontos de entrada; Parametrização de instrumentos; registro histórico de variáveis de processo; amazenamento, recuperação de dados de equipamentos; emissão de relatórios Tags Os sistemas SCADA identificam as tags, que são todas as variáveis numéricas ou alfanuméricas envolvidas na aplicação, podendo executar funções computacionais (operações matemáticas, lógicas, com vetores ou strings, etc) ou representar pontos de entrada/saída de dados do processo que está sendo controlado. Neste caso, correspondem às variáveis do processo real (ex: temperatura, nível, vazão etc), se comportando como a ligação entre o controlador e o sistema. É com base nos valores das tags que os dados coletados são apresentados ao usuário (SILVA; SALVADOR, 2005, p.1). Para cada tag criada pode-se estabelecer condições de trabalho, assim quando o valor tag ultrapassa a condição pré-estabelecida condição de alarme são ativadas, sendo possível programar a gravação de registros em banco de dados, ativação do som, mensagem, mudança de cores, etc.

20 Telas do Trabalho Criou-se algumas telas de trabalho para melhor acionamento e controle de modos de operação e estados do motor: Tela Apresentação, Tela Projeto, Tela Alarmes, Tela Motor. Cada tela é nomeada de acordo com o que o projetista achar conveniente. Na Tela de Apresentação, Figura 2.1, coloca-se apenas um botão que direciona para a Tela Projeto. Figura 2.1 Tela de abertura do programa. Na Tela Projeto se mostra os equipamentos de trabalho e os parâmetros de leitura. Nessa tela pode-se visualizar os alarmes na parte inferior da mesma e na parte lateral esquerda algumas parâmetros tipo demo. Na lateral direita foi colocado quatro botões para que se possa navegar para outras páginas do projeto, Figura 2.2. O inversor de frequência mostra a velocidade em que o motor está. Ao lado do símbolo representando o motor foi colocado uma sinalização que mostra qual o estado do motor (desligado ou ligado).

21 20 Figura 2.2 Tela Projeto. A Tela Alarmes foi criada para melhor visualização dos alarmes e para reconhecimento dos mesmos caso seja de interesse do operador do projeto. Nessa tela também foi colocado botões logo abaixo dos indicadores de alarmes, para que o usuário possa navegar nas outras telas, Figura 2.3. Figura 2.3 Tela Alarmes.

22 21 A Tela Motor foi criada para monitorar os parâmetros demo, Figura 2.4. Para cada parâmetro do motor foi criado limites de alarmes. Assim velocidade, frequência, temperatura do motor e temperatura do inversor, devem permanecer numa faixa pré-estabelecida de trabalho. Todos os parâmetros apresentados nestas telas não são dados reais dos equipamentos, são tags demo (demonstração), ou seja, apresentam valores aleatórios dentro de uma faixa determinada. Figura 2.4 Tela Motor.

23 22 3. CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL Um Controlador Lógico Programável ou simplesmente CLP, pode ser definido como um dispositivo de estado sólido um computador industrial, capaz de armazenar instruções para implementação de funções de controle (sequência lógica, temporização e contagem, por exemplo), além de realizar operações lógicas e aritiméticas, manipulação de dados e comunicação em rede, sendo utilizado no controle de sistemas automatizados (GEORGINO, 2006, p.48). Os primeiros controladores lógicos programáveis tinham pouca capacidade de processamento e suas aplicações se limitavam às máquinas e pequenos processos que necessitavam de operações repetitivas. Atualmente esses equipamentos possuem uma grande capacidade de processamento e alta flexibilidade de programação e expansão. Os custos com fiação foram reduzidos significativamente com a capacidade do controlador de comunicar-se com subsistemas de entrada/saída localizados em pontos remotos, distante da unidade central de processamento e perto do equipamento a ser controlado. Ao invés de trazer centenas de fios para os painéis, os sinais dos subsistemas podem ser multiplexados e transmitidos por um único par de fios trançados. Esta técnica permitiu a decomposição de grandes sistemas em pequenos subsistemas melhorando a confiabilidade, manutenção e partida gradual dos subsistemas principais (CORRADI, 2000, p.10). Atualmente, existem vários tipos de controladores, desde pequena capacidade até os mais sofisticados realizando operações que antes eram consideradas específicas para computadores. A evolução do hardware, conduziu a melhoras significativas nas características do controlador, entre outras citam-se: redução no tempo de varredura; interfaces de E/S microprocessadas. Ex.: módulo PID, módulo de posicionamento; uma Interface Homem Máquina (IHM) mais poderosa e amigável.

24 Finalidade Segundo Bega (2006, p. 515) o CLP funciona sequencialmente, olhando o estado dos dispositivos ligados às suas entradas, operando a lógica de seu programa interno e determinando o estado dos dispositivos ligados às suas saídas. Na figura 3.1 apresenta-se os componentes básicos de um CLP. Segundo Natale (2007, p.12) o CLP pode controlar uma grande quantidade de variáveis, substituindo o homem com mais precisão, confiabilidade, custo e rapidez. Figura 3.1 Componentes básicos de um CLP FONTE: CORRADI, 2000.

25 CLP versus painel de relés Não se pode generalizar, mas é certo que alta qualidade e produtividade não podem ser obtidas, de maneira econômica, sem equipamento de controle eletrônico. Com o rápido desenvolvimento e crescimento da competição, o custo do controlador programável tem caído significativamente a ponto de que o estudo de CLP comparado com relés, no ponto de vista de custo não ser mais válido. Requisitos tais como: (a) necessidade de flexibilidade de mudanças na lógica de controle; (b) necessidade de alta confiabilidade; (c) espaço físico disponível pequeno; (d) expansão de entradas e saídas; (e) modificação rápida; (f) logicas similares em várias máquinas; (g) comunicação com computadores em níveis superiores, seguramente levam à opção pelo CLP ao invés de relés. Embora o sistema eletromecânico, em pequenas e até médias aplicações, possa apresentar um custo inicial menor, esta vantagem poderá ser perdida considerando-se a relação custo/benefício que o CLP proporciona. A implementação da lógica por meio de relés dificulta a manutenção e torna o sistema menos flexível à mudanças. A lógica é realizada por fios e qualquer modificação na lógica exige uma conexão adequada dos fios, envolvendo operações com os contatos NA e NF dos relés.

26 CLP Versamax O CLP GE Fanuc Versamax é utilizado em diversas aplicações indústrias. Na criação desse projeto utilizou-se um módulo de saída digital e um módulo de saída análogica. Na figura 3.2, apresenta-se o CLP utilizado na aplicação, onde o mesmo é constituído por: fonte, CPU, módulo de comunicação, um cartão de entrada digital, um cartão de saída digital, um cartão de entrada analógica e um cartão de saída analógica. Figura 3.2 CLP Versamax Programação do CLP O software de programação utilizado para programar o CLP foi o CIMPLICITY Machine Edition, onde se desenvolveu toda a programação em linguagem ladder. Alguns dos comandos utilizados para desenvolver o programa estão apresentados no Quadro Endereçamento Cada contato e bobina deve-se ser referenciado com o endereço que identifica o que está sendo avaliado e o que está sendo controlado. Estes endereços permitem localizar as váriaveis do controlador o estado de uma bobina interna, de saída ou ponto de entrada. Ficando a critério de cada fabricante o modo de endereçamento, não existindo um padrão entre os fabricantes. No CIMPLICITY Machine Edition o endereçamento é feito conforme apresentado no Quadro 3.2.

27 26 Quadro 3.1: Comandos da linguagem ladder Contato normalmente aberto envia sinal somente quando é acionado. Contato normalmente fechado envia sinal durante todo tempo em que não é acionado. Quando acionado deixará de enviar o sinal. Bobina vazia a saída só se mantém ativada, se um sinal for mantido constantemente para mantê-la ligada. Bobina reset desliga uma saída quando é excita com um sinal. Bobina set liga uma saída quando é excitada com um sinal. Move um bloco de ponto flutuante (REAL) operando de uma localização memória do CLP para outro. Multiplica um ponto flutuante (REAL) operando IN1 por outro IN2, e armazena o produto na variável de saída atribuída a Q. Compara dois pontos flutuantes (REAL). Se IN1 maior ou igual a IN2, energiza a saída Q. Se IN1 é menor que IN2, limpa Q. Transfere a execução do programa para o início de outro bloco (um C, IL, LD ou bloco). Quando terminar o chamado bloco, a execução continua no bloco chamado imediatamente após a instrução CALL.

28 27 Quadro 3.2: Endereçamento Saída Equipamento %Q00001 Liga motor %Q00002 Horário/Anti-Horário %Q00003 Reset motor %AQ00001 Controle da frequência de referência Lógica de programação Desenvolveu-se uma lógica de programação na linguagem ladder para acionamento do motor, ligando e desligando, podendo inverter o sentido de rotação, e outras comandos que serão descritos a seguir. A lógica foi dividida em três partes para um melhor entendimento. Comenta-se cada parte do programa para facilitar o funcionamento do processo e o melhor entendimento da lógica. Primeiramente criou-se as linhas de defeito, onde caso ocorra algum defeito; sobretensão, subtensão, sobretemperatura do motor e sobretemperatura do inversor, impedirá o ligar o motor caso esteja desligado e desliagará o motor caso esteja ligado. Criouse também uma lógica para acionamento manual e automático, quando estiver no modo local, o motor só poderá ser ligado pela IHM do inversor, operando em modo automático todos os acionamentos podem serem feitos pelo CLP, Figura 3.3. Na Figura 3.4 apresenta-se lógica envia para o supervisório o estado do motor, se o botão liga estiver pressionado ou o comando analógico estiver com uma frequência maior que um o supervisório indicará que o motor está ligado caso contrário desligado. Faz-se o controle analógico, variando a frequência de referência, que pode ser variada de 0 a 80 Hz, e assim mantendo o motor na velocidade desejada, Figura 3.5.

29 Figura 3.3 Lógica de partida e comandos. 28

30 29 Figura 3.4 Lógica de estados. Figura 3.5 Lógica velocidade do motor.

31 30 4. MOTOR DE INDUÇÃO O motor de indução trifásico, inventado pelo Croata Nikola Tesla em 1886, na França, e reconhecido nos EUA a partir de 1916, é o motor mais utilizado em instalações industriais devido à sua simplicidade do funcionamento, a robustez, os baixos custos de compra e manutenção e elevada vida útil. Na figura 4.1 mostra-se uma visão detalhada de um (Motor de Indução Trifásico) MIT. Figura 4.1 Detalhes do motor de indução FONTE: WEG, 2009a Composição do motor de indução trifásico Segundo Magaldi (1981, p.406) o motor de indução trifasico é composto basicamente de duas partes: Estator e Rotor. Na figura 4.2 descreve-se algumas das partes mais importantes do motor de indução.

32 31 Segundo Gray (1976, p.481) o estator ou parte fixa é exatamente igual ao de um alternador. O rotor, entretanto, é completamente diferente, e o tipo mais geralmente usado, chamado tipo gaiola, consiste de um núcleo cilíndrico que contém um grande número de barras de cobre em sua periferia. Figura 4.2 Partes constituintes de um motor de indução FONTE: WEG, 2009a. Em relação ao rotor, tem-se: (3) Núcleo formado de chapas laminadas; (12) Anéis interligados por ranhuras inclinadas em relação ao eixo e isoladas do núcleo; (7) Eixo. Em relação ao estator, tem-se: (4) Carcaça com tampas laterais; (2) Núcleo laminado; (8) Enrolamentos; (1) Suporte de fixação; (10) Terminais de entrada de energia elétrica. Além do estator e do rotor, o motor de indução também se constitui de partes periféricas, essas são as seguintes: (6) Tampa defletora; (9) Caixa de ligação; (11)Rolamentos; (5) Ventilador.

33 Princípio de funcionamento Um imã em formato de ferradura, suspenso por um fio, sob o imã um disco metálico que pode girar facilmente sobre seu eixo. Conforme o imã gira no fio, o disco abaixo irá girar, independente do sentido de rotação do imã. O disco segue o sentido do imã devido as correntes parasitas induzidas que aparecem devido ao movimento relativo do disco em relação ao campo magnético. A Lei de Lenz explica o sentido contrário da tensão induzida (e consequentes correntes parasitas) que irá produzir o campo que tenderá a se opor a força, ou seja, ao movimento que produziu a tensão induzida. Estas correntes parasitas tenderão a criar sob o polo N do imã um polo S no disco e sob o polo S do imã um polo N no disco. Enquanto durar o movimento, que produz as correntes parasitas, estes pólos serão criados no disco. O disco desta maneira irá girar no mesmo sentido do imã pela atração existente entre estes pares de pólos que tenderão a alinhar-se Velocidade do campo girante A velocidade deste campo girante depende da frequência da alimentação trifásica e do número de pólos do rotor (P). Quanto maior a frequência maior a velocidade. A relação entre velocidade do campo girante, frequência e número de pólos é fornecida pela equação (4.1). (4.1) em que ns é a velocidade do campo girante (síncrona) em rpm, p o número de pólos e f é a frequência expressa em hertz (Hz) Velocidade do rotor A velocidade do rotor é sempre menor que a velocidade do campo girante. Caso o rotor girasse com a mesma velocidade do campo girante, estariam parados um em relação ao outro,

34 33 não haveria variação relativa de fluxo e portanto indução. A velocidade do rotor depende da diferença relativa das frequências da tensão de alimentação e da induzida no rotor, da seguinte forma equação (4.2). (4.2) em que nr é a velocidade do rotor e fr é a frequência da tensão induzida no rotor, em Hz e p o número de pólos Escorregamento Para que haja indução de corrente nas bobinas do núcleo do rotor, o mesmo não pode girar a mesma velocidade síncrona do campo girante. Se isto ocorresse não haveria movimento relativo entre campo e o rotor, por conseguinte, não haveria indução de corrente. A diferença de velocidade entre o campo girante (ns) e o rotor (nr) em um motor de indução é expressa por meio de um parâmetro chamado escorregamento, normalmente expressa em porcentagem, definido da seguinte maneira, equação (4.3). (4.3) 4.6. Controle de velocidade dos Motores de Indução Para algumas aplicações é necessário controlar a velocidade de acionamento da carga. Um modo bastante utilizado para variar de maneira controlada a velocidade de motores é por meio da frequência da tensão de alimentação. Sabe-se que a velocidade do campo girante é diretamente proporcional ao valor da frequência e que a velocidade do motor depende da velocidade do campo girante. Essa variação de frequência é obtida através de um inversor, que deve ser instalado entre a fonte de tensão e o motor.

35 34 5. INVERSORES DE FREQUÊNCIA Os inversores de frequência são equipamentos de baixo custo para o controle da velocidade de motores de indução trifásicos, o que gera uma economia de energia sem prejudicar a qualidade final do sistema. Os inversores possibilitam que os motores sejam acionado suavemente, sem trancos, reduzindo a quebra de elementos de transmissão como correntes e rodas dentadas. Também é usado para atuar como dispositivo de segurança para os mais variados problemas da rede elétrica que se pode ocorrer, como sobrecarga, queda de tensão, entre outros. Existem vários fabricantes de inversores de frequências, alguns exemplos de fabricantes são: Weg, Siemens, General Eletrics, dentre outros. Nesse trabalho utiliza-se o inversor Weg CFW Inversor de Frequência Weg CFW 08 O inversor de frequência CFW 08, possui um modo de controle XC1 podendo ser controlado pelo CLP. Na figura 5.1 apresenta-se a localização das conexões de aterramento, potência e controle XC1. Figura 5.1 Localização das conexões de potência, aterramento e controle FONTE: WEG, 2009b.

36 Configuração das entradas Na figura 5.2 apresenta-se a posição do jumpers que configuram a seleção das entradas e saídas analógicas, e a seleção das entradas digitais. Na configuração de fábrica utiliza-se entrada analógica em tensão (0 a 10) Vcc. Fez-se uma alteração do parâmetro AI1, onde seu estado foi alterado de OFF para ON, pois, o cartão de saída analógico possui saída (4 a 20)mA. Figura 5.2 Posição dos jumpers para seleção de entrada FONTE: WEG, 2009 b Controle XC1 A ligação do CLP com o inversor de frequência é feito através da conexão de controle XC1. Na figura 5.3 detalha-se todos os pontos de conexão. Utiliza-se para esse projeto entradas analógicas e digitais do inversor de frequência, para melhor entendimento segue algumas descrições: AIx =Entrada analógica número x; AOx = Saída analógica número x; DIx =Entrada digital número x.

37 36 Figura 5.3 Borne de controle XC1 FONTE: Adaptado de WEG, 2009b. As funções exercidas pelas entradas digitais e analógicas utilizadas nesse projeto são as apresentadas no quadro 5.1. DI2 DI3 DI4 AI1 Quadro 5.1: Entradas do inversor de frequência Inverte o sentido de giro. Reset Liga e desliga Controle analógico da frequência da tensão de alimentação Parâmetros do inversor de Frequência Segundo Capelli (2002, p.14) para que o inversor funcione a contento, não basta instalá-lo corretamente, é preciso informá-lo em que condições de trabalho irá operar. Essa tarefa é justamente a parametrização do inversor. Quanto maior o número de recursos que o inversor oferece, tanto maior será o número de parâmetros disponíveis. Esse parâmetros são acessíveis através da IHM do inversor. Para alterar o valor dos parâmetros deve-se inserir o número 5 para o parâmetro P000, caso contrário os parâmetros poderão ser visualizados, mas não alterados.

38 37 Os parâmetros são agrupados pela seguinte características: parâmetros de leitura; parâmetros de regulação; parâmetros de configuração; parâmetros do motor Parâmetro de leitura Segundo Mascheroni; Lichtblau e Gerardi (200?, p.62) os parâmetros de leitura, como seu nome indica, permitem visualizar os valores programados nos parâmetros de regulação, de configuração e do motor. Estes parâmetros não permitem a edição do valor programado; somente a sua leitura, como exemplos, têm-se: P001 - Referência de Velocidade. Indica o valor da referência de velocidade antes da rampa. Indicação em rpm; P002 - Velocidade do Motor. Indica o valor da velocidade real, em rpm; P003 - Corrente do motor. Indica a corrente de saída do inversor em ampères; P004 - Tensão do circuito intermediário. Indica a tensão atual no circuito intermediário de corrente contínua, em Volts; P005 Frequência de saída do inversor, em hertz (Hz) Parâmetro de regulação Os parâmetros de regulação são os valores ajustáveis a serem utilizados pelas funções do inversor. Como exemplos, tem-se: P100 - Tempo de aceleração. Define o tempo para acelerar linearmente de 0 até a frequência nominal; P101 - Tempo de desaceleração. Define o tempo para desacelerar linearmente da frequência nominal até 0; P133 - Referência mínima. Define o valor mínimo da frequência na saída quando o inversor é habilitado;

39 38 P134 Referência máxima. Define o valor máximo da frequência na saída quando o inversor é habilitado Parâmetro de configuração Os parâmetros de configuração definem as características do inversor, as funções a serem executadas. Como exemplo, tem-se: P202 Tipo de controle. Define o modo de controle do inversor; P204 Reprograma todos os parâmetros para os valores do padrão de fábrica; P205 Seleção do parâmetro de leitura indicado. Seleciona qual parâmetro de leitura será mostrado no display, após a energização do inversor; P220 Define quem faz a seleção entre situação local e a situação remoto Parâmetro do motor Os parâmetros do motor são os parâmetros obtidos dos dados de placa do motor, ou seja, dados do motor em uso. Como exemplo, tem-se: P399 Rendimento nominal do motor; P400 Tensão nominal do motor; P401 Corrente nominal do motor; P402 Velocidade nominal do motor; P403 Frequência nominal do motor; P404 Potência nominal do motor; P405 Fator de potência nominal do motor Vantagens do uso do inversor de frequência A utilização de inversores de frequência para o controle de velocidade de motores tem crescido significativamente. A utilização de inversores de frequência na variação de

40 39 velocidade de motores traz como vantagens a melhoria da eficiência de processos e equipamentos, economia de energia, diminuição de ruídos, entre outros Instalação do inversor de Frequência Para instalação do inversor uma regra comum a todos os modelos e aplicações é tomar cuidado para não confundir os bornes de entrada de energia (R, S e T), com a saída para o motor (U, V e W). Com exceção dessa regra, o restante da instalação depende do modelo e da aplicação. Na figura 5.4 tem-se o diagrama de ligação simples de um inversor WEG, modelo CFW 08. Figura 5.4 Diagrama de ligação FONTE: Adaptado de WEG, 2009b. Outro fator determinante para obtenção de um bom funcionamento e uma vida normal de seus componentes é a localização que o inversor está instalado, deve-se sempre evitar: exposição direta a raios solares, chuva, umidade excessiva ou maresia; gases ou líquidos explosivos e/ou corrosivos; vibração excessiva, poeira ou partículas metálica/óleos suspensos no ar.

41 40 6. DESENVOLVIMENTO DO SISTEMA DE AUTOMAÇÃO 6.1. Metodologia adotada Desenvolve-se um sistema supervisório para o comando e o monitoramento de uma prática do laborátorio de Calor e Massa referente ao processo de convecção de calor e massa. Com o supervisório é possível comandar as seguintes funções: liga/desliga; reset; sentido de giro; manual/automático; controle da frequência de referência. Todos os comandos citados acima eram feito pelo usúario através da IHM do inversor de frequência conforme apresentado na figura 6.1. Figura 6.1 IHM

42 41 Desenvolve-se uma lógica de programação na linguagem Ladder, utilizando o software CIMPLICITY Machine Edition. Alguns parâmetros do inversor de frequência foram alterados para que a comunicação com o CLP fosse estabelecida. Fez-se necessário o uso de uma fonte auxiliar de 24 V para alimentação dos cartões do CLP. Na figura 6.2 apresenta-se uma visão panorâmica do projeto. Figura 6.2 Projeto automatizado. A automação da prática de convecção de calor e massa possibilitou ao usuário, comandar o processo local ou remoto. Este sistema de automação pode ainda ser fonte de ensino multidisciplinar, uma vez que pode ser utilizada como prática por diferentes disciplinas Resultados Para avaliação do sistema de automação proposto faz-se um teste com a montagem experimental de convecção de calor e massa, figura 6.3. Mostra-se o acionamento do motor e os resultados sendo apresentados nas telas definidas confome apresentado nas figuras 6.4 a 6.8.

43 42 Figura 6.3a Mini túnel de vento. Figura 6.3b Montagem. Defini-se a frequência de referência, nesse exemplo num valor de 40 Hz, e liga-se o motor no sentido horário. Quando o motor é ligado o inversor se desloca para 40 Hz, que é a frequência estabelecida pelo parâmetro P005 do inversor de frequência, figura 6.4. Faz-se o acionamento do botão inverter, o motor reduz sua velocidade até 0 rpm, e então inverte o sentido de rotação, voltando a acelerar até a frequência de 40 Hz, figura 6.5.

44 43 Figura 6.4 Motor ligado. Figura 6.5 Sentido anti-horário. Na figura 6.6 apresenta-se a tela tendência, onde são apresentados os parâmetros de tags demo, ou seja, não são dados reais coletados do inversor de frequência e motor. Para coletar os dados reais do equipamentos são necessários sensores para medição e monitoramento.

45 44 Na figura 6.7 apresenta-se os alarmes referentes aos parâmetros do motor, onde para cada parâmetro cria-se alguns níveis de alarmes, quando se ultrapassa o valor pré-estabelecido o mesmo é apresentado na tela de alarmes. Define-se como manual o modo de controle no qual o usuário só poderá comandar os equipamentos nas proximidades do mesmo, e modo remoto o acionamento feito a distância pelo supervisório. Na figura 6.8 apresenta-se o sistema em modo manual, nesse modo de operação o usuário não possui nenhum tipo de controle sobre o processo de convecção de calor e massa, ao passar para esse modo de operação o motor é desligado e não mais liga enquanto permanecer em manual. Figura 6.6 Tendência.

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