Aplicação em PROFIBUS DP envolvendo inversor de frequência

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1 Aplicação em PROFIBUS DP envolvendo inversor de frequência Alexandre Baratella Lugli, Diego Artur de Araujo Morais & Fernando Sérgio Carvalho Summary - The objective of this work is the study of PROFIBUS network, with the application in a test match of a three-phase induction motor using elements connected to the network. In this trial, will be held the motor rotation control over the network and using a connected frequency inverter via PROFIBUS network to a PLC (Programmable Logic Controller), called the network master. The engine speed control is done by the PLC, from the reading of an analog pressure sensor. The purpose of this paper is to present the network usage advantages in the industrial area, and the main is the cost reduction in relation to the network cabling, as well as parameterization and remote diagnosis of the instruments. Index Terms CLP, Frequency Inverter, Motor, PROFIBUS Network. Resumo O objetivo deste trabalho é o estudo da rede PROFIBUS, com a aplicação em um ensaio de partida de um motor de indução trifásico utilizando elementos conectados a rede. Neste ensaio, será realizado o controle da rotação do motor através da rede e utilizando um inversor de frequência conectado, via rede PROFIBUS, a um CLP (Controlador Lógico Programável), chamado de mestre da rede. O controle da rotação do motor será realizado pelo CLP, vindo da leitura de um sensor analógico de pressão. O propósito deste trabalho é apresentar as vantagens de utilização da rede na área industrial, sendo que a principal, é a redução de custo em relação aos cabeamentos de rede, além da parametrização e diagnósticos remotos dos instrumentos. Palavras chave - CLP, Inversor de frequência, Motor, Rede PROFIBUS. I. INTRODUÇÃO A tecnologia da informação tornou-se indispensável no conceito de automação industrial nos dias de hoje, pois a capacidade de comunicação entre vários tipos de dispositivos é fundamental para conseguir interligar diversos setores, desde as indústrias de processos e manufatura até prédios e sistemas logísticos. Além disso, traz grande vantagem econômica na indústria, pois há uma grande economia com cabos. [1] A vantagem de utilização da rede PROFIBUS é a otimização do processo, pois, além de interligar vários dispositivos de vários modelos e fabricantes em um mesmo barramento e ter economia na sua implantação, também, facilita o suporte e manutenção do processo em menos tempo. Sendo assim, a proposta do trabalho é realizar um estudo da rede PROFIBUS, aplicando um controle de rotação de um motor de indução trifásico, utilizando elementos de campo conectados na rede, instrumentação conectada ao CLP, além das métricas de comunicação e do aplicativo computacional de controle e supervisão do processo. A. Motores elétricos II. CONCEITUAÇÕES E DEFINIÇÕES Existem diversos tipos de motores elétricos, mas os mais utilizados são motores acionados por corrente alternada (motores CA), em função de seu baixo custo, sua robustez e sua simplicidade e também porque na maioria dos casos a distribuição da energia elétrica é feita por corrente alternada. Os motores de indução trifásicos de corrente alternada são conversores eletromagnéticos de energia que conseguem converter energia elétrica em energia mecânica, quando operado como motor, e converter energia mecânica em energia elétrica, quando operado como gerador, pela indução magnética. [2] A figura 1 ilustra um motor de indução trifásico. Figura 1 - Ilustração de um motor de indução trifásico. [3] Princípio de funcionamento: Um condutor conduzindo uma corrente é posicionado dentro de um campo magnético. Então, o condutor é influenciado por uma força que o movimenta para fora do campo magnético. [4] Assim, o campo magnético e o condutor, com uma corrente circulando, geram o movimento. O campo magnético é gerado na parte estacionária (o estator) e os condutores, que são influenciados pelas forças eletromagnéticas, estão na parte girante (o rotor). [4] As principais características (comparando com outros tipos de motores) dos motores de indução trifásico são: Baixo custo; Bom rendimento; Controle de velocidade simples; Possibilidade de integração por redes industriais de comunicação;

2 Padronização de tamanho, potências e características técnicas. [4] Um método utilizado para acionar e controlar um motor de indução trifásico é o inversor de frequência, que será tema do próximo tópico. A figura 3 ilustra o inversor de frequência que está sendo utilizado na prática do projeto. B. Inversor de frequência O inversor de frequência é um equipamento eletrônico que converte tensão da rede alternada em tensão contínua e, finalmente, em uma tensão de amplitude e frequência variáveis. Foi projetado para realizar o controle de velocidade de motores de indução trifásico para substituir os antigos sistemas de controle de velocidade, mas de uma maneira abrangente os inversores são usados para as seguintes operações: Ajuste de velocidade de um motor elétrico. [4] Ajuste de torque de um conjunto. [4] Redução do consumo de energia e aumento de eficiência. [4] Um circuito básico de inversor é formado por um bloco retificador, por um banco de capacitor, circuito de filtragem e um bloco conversor formado, inicialmente por tiristores e atualmente por transistores, em específico IBGT (Insulated Gate Bipolar Transistor), transistor bipolar de porta isolada. [4] A figura 2 ilustra os blocos internos detalhados do inversor de frequência. Figura 2 Representação dos blocos do Inversor de Frequência. [4] CPU (Unidade central de processamento): é o local onde todas as informações, tanto de parâmetros quanto de dados do sistema, ficam armazenadas. É responsável pela execução da função de geração de pulsos de disparo por meio de lógica de controle, sendo a principal função para o funcionamento do inversor. [4] IHM (Interface Homem Maquina): local onde se pode visualizar tudo o que ocorre no inversor, por meio do display e, também, é onde se pode parametrizá-lo, de acordo com a necessidade da aplicação. [4] Figura 3 Inversor de frequência CFW500. [5] Os inversores costumam ser dimensionados pela corrente do motor ou também pela potência. Podem trabalhar em interface com computadores, centrais de comando e também atuar como dispositivos de proteção para os mais variados problemas de rede elétrica que se pode ocorrer, como desbalanceamento entre fases, sobrecarga, queda de tensão, etc. Existem dois modos de operação de inversores, o modo escalar e o vetorial, que se diferem nas variações que ocorrem no circuito de controle. Escalar são os inversores cuja existência se restringe ao controle de velocidade do motor, sem controle de torque e sem conhecimento dinâmico de controle. São sistemas que imprimem certo erro de velocidade que, dada à aplicação, podem ser facilmente assimilados pelo sistema controlado. [4] Vetorial são inversores que possibilitam atingir um elevado grau de precisão e rapidez no controle tanto do torque quanto da velocidade do motor. O motor de indução é visto pelo controle vetorial como um motor de corrente contínua. [4] Os inversores são máquinas que podem trabalhar individualmente para o controle de motores de indução trifásicos, mas também, devido algumas aplicações, podem ser inseridos em certos projetos para ter um controle mais específico. Podem, por exemplo, ser controlados por CLPs e ambos integrados as redes de comunicação. O CLP será o tema do próximo tópico. C. Controlador Lógico Programável (CLP) Define-se o CLP como um sistema computacional para ambientes industriais. O mesmo interage com entradas (transdutores, sensores e chaves) com saídas (amplificadores, sinalizadores e atuadores), através de um programa, realizando várias funções lógicas (sequência lógica, temporização, contagem), operações lógicas e aritméticas, comunicação de

3 dados e em rede, sendo um dos principais métodos de controle de sistemas automatizados, conforme é ilustrado na figura 4. [6] O sistema operacional do CLP, opera ciclicamente conforme está ilustrada na figura 6. Figura 4- Sistema controlado por CLP. [6] Para executar tais funções de controle, o CLP é composto internamente por cinco blocos básicos, como demonstrados na figura 5. Figura 5- Blocos básicos do CLP. [7] Fonte de alimentação: é responsável pelo fornecimento de todas as tensões utilizadas nos componentes eletrônicos presentes na CPU (Central Processing Unit) e nos módulos de entradas e saídas. [7] CPU (Unidade central de processamento): é responsável pela execução do programa no processador e pelo gerenciamento das tarefas do CLP. Ela recebe os sinais de entradas digitais e analógicas dos elementos de campo e executa as funções lógicas programadas. Ao final de cada execução do programa, atualiza as saídas digitais e analógicas que farão a interface entre o CLP e os elementos de acionamento, como motores, lâmpadas, contatores e relés. [7] Módulo de entrada: onde se faz a interface dos elementos de campo (sensores, transdutores, botões), com a CPU. [7] Módulo de saída: onde se faz a interface entre os elementos de campo (atuadores e sinalizadores), com a CPU. [7] Comunicação: Interface entre o programador e o CLP. [7] Figura 6 - Estrutura de funcionamento de CLP. [7] A primeira etapa representa a atualização das entradas no CLP, já a segunda corresponde à execução do programa. A execução dos programas nem sempre possuem a mesma duração, pois em determinados momentos do processo de execução o programa pode levar mais tempo para ser finalizada. Por fim, a última etapa que representa a atualização das saídas do controlador. [7] Atualmente, a norma padrão para esse tipo de programação (controle industrial) é a IEC (Programmable Controllers Part3: Programming Languages), que consiste na definição das linguagens de programação possíveis: Função gráfica de sequenciamento (SFC), Texto Estruturado (ST), Lista de Instrução (IL), Diagrama Ladder (LD) e Diagrama em Blocos de função (FBD).). [7] Os CLPs são integrantes fundamentais em rede de processos industriais, dos quais existem vários tipos, que são programados para trabalhar em determinadas redes. Nesse trabalho, optou-se por trabalhar com o CLP integrado em uma rede chamada PROFIBUS, que é o assunto do próximo tópico. D. Rede PROFIBUS O termo PROFIBUS (Process Field Bus), é utilizado para descrever um sistema de comunicação aberto digital e que permite uma ampla aplicação em processos, manufatura e automação predial. Ela é utilizada tanto para aplicações com transmissão de informações em alta velocidade como para aplicações complexas e extensas de comunicação. Uma das vantagens desta rede é a comunicação de vários dispositivos de diferentes fabricantes sem a necessidade de interface. Sua independência e sua padronização são garantidas pelas normas EN (General purpose field communication system; Amendment A2) e a IEC (Digital data communications for measurement and control Fieldbus for use in industrial control systems Part 2: Physical layer specification and service definition). [8] Os padrões de comunicação utilizados como meio de transmissão desta rede são os seguintes: RS485: é a tecnologia de transmissão mais frequentemente usada. É composto por um cabo par

4 trançado blindado e um conector de nove pinos tipo D (DB9). Sua utilização aplica-se a todas as áreas que necessitam de uma alta velocidade de transmissão e uma instalação simples. Sua velocidade de transmissão varia de 9,6 kbps a 12 Mbps, tendo apenas uma única velocidade para todos os dispositivos do barramento, quando configurada. [1] Manchester: foi elaborada para suprir a necessidade das indústrias químicas e petroquímicas. Sua taxa de transmissão é de 31,25 kbps, é composta por cabo par trançado com blindagem e sua alimentação é via barramento ou externa. [1] Fibra óptica: sua implementação foi utilizada para atender as necessidades de imunidade a ruídos, diferença de potencial, longas distâncias e altas velocidades de transmissão. Existem vários tipos de fibras para certas distâncias, como é ilustrado na figura 7. Cada sistema PROFIBUS DP pode conter três tipos diferentes de dispositivos: Classe 1 DP MASTER: é um controlador central que troca informação com as estações dentro de um ciclo de mensagem especificado, conforme é ilustrado na figura 8. [9] Classe 2 DP MASTER: são utilizados para configuração e sistemas supervisórios. Trabalham com mensagens assíncronas, conforme é ilustrado na figura 9. [9] DP SLAVE: é um dispositivo que coleta informações de entrada e atua sobre o processo com informações de saída, conforme é ilustrado nas figuras 8 e 9. [9] Figura 7 - Características e tipos de fibra óptica. [1] A rede PROFIBUS é dividida em duas arquiteturas: PROFIBUS DP Periferia descentralizada (Decentralized Periphery): A PROFIBUS DP foi desenvolvida para uma comunicação de alta velocidade e conexão de baixo custo. Sua implementação é para uma comunicação entre sistemas de automação e equipamentos descentralizados. Este protocolo pode ser utilizado para substituir sistemas convencionais com CLP s, sistemas de sinais de 4 a 20mA e transmissão com 24Vcc. Utiliza-se como meio físico o RS-485 ou fibra ótica. A rede PROFIBUS DP possibilita a existência de sistemas de mestre único ou de múltiplos mestres. A conexão no barramento possibilita a utilização de até 125 dispositivos de campo. [8] PROFIBUS PA Automação de Processos (Process Automation): Foi projetado para a aplicação em processos de transmissão de sinais de 4 a 20mA ou Hart. Possibilita a comunicação de dados e alimentação no mesmo barramento, utilizando a tecnologia dois fios. A rede PA tem como vantagem em relação à DP, a conexão dos sistemas de controle com dispositivos em campo, onde estes podem ser configurados e parametrizados. Outra grande vantagem são os padrões de supervisão avançadas, como exemplo: FDT (Field Device Tool) ou DTM (Device Type Manager), que são tecnologias para conceito de análise, diagnósticos e parâmetros de uma rede de campo para instrumentos analógicos. [8] Figura 8 - Sistema de Mestre Único do PROFIBUS-DP. [9] Figura 9 - Sistema de Múltiplos Mestres do PROFIBUS-DP. [9] O tipo físico utilizado para a comunicação DP é o padrão RS485, onde permite a interligação de até 32 elementos na rede, sendo permitido 1 mestre e 124 elementos divididos em quatro segmentos. Este padrão de comunicação baseia-se na topologia barramento ou ponto a ponto. As topologias tipo árvore estendida, estrela e anel não podem ser utilizadas para a comunicação DP. [8]

5 As taxas de transmissão e as características elétricas dos cabos de comunicação da rede PROFIBUS são apresentadas na figura 10. O arquivo GSD é fornecido pelo fabricante em forma de arquivo texto, onde permite que o configurador leia os dados dos dispositivos utilizando as informações para configurá-los. Os arquivos GSD são divididos em três partes: Especificações gerais: é onde contém as informações dos dispositivos e do fabricante, além dos dados do software e hardware. [8] Especificações relacionadas ao mestre: onde contém todas as informações do mestre, como o número de escravo e a capacidade de upload e download. [8] Especificações relacionadas ao escravo: onde contém todas as informações dos escravos, como especificações de informação, número e tipo de I/O, e diagnósticos nos módulos disponíveis. [8] [1] [8] Figura 10 - Taxa de transmissão x Cabos de comunicação. O meio físico utilizado é um par de fios blindado, que segue um padrão de cor externa roxa e são divididos em cabos de duas e quatro vias. É necessário ter nas terminações dos cabos terminadores passivos de linha, que tem a função de casar a impedância da rede. Quanto maior for o comprimento da rede, maior a distorção dos sinais. A alimentação dos módulos na rede PROFIBUS é de 24Vcc, tendo uma variação admissível de +20 % e -20%. [8] Há, também, um limite de repetidores para cada taxa de comunicação. Na figura 11 é mostrada a relação do número de repetidores de acordo com a taxa de transmissão. Figura 12 - Arquivo GSD do inversor de frequência. [10] [1] [8] Figura 11 Número de repetidores x Taxa de transmissão. Os dispositivos utilizados na rede PROFIBUS possuem diferentes características que variam de cada dispositivo e fabricante e são documentados em manuais técnicos. Apesar disso, para tornar fácil a configuração do sistema, criou-se um arquivo de dados eletrônicos, chamado GSD (General Specification Defaut). [8] O arquivo GSD é um texto de detalhes técnicos, data sheet eletrônico, que contém características de hardware e de software e informações sobre a troca de dados cíclica. A figura 12 ilustra um exemplo de arquivo GSD. III. APLICAÇÃO PRÁTICA A aplicação prática tem como objetivo a utilização de um inversor de frequência conectado na rede PROFIBUS DP, a fim de controlar a rotação de um motor de indução trifásico, por meio de uma entrada analógica no mestre CLP, que está sendo comandada por um sensor analógico de pressão. A variação de pressão causada pelo sensor ocasiona uma variação de velocidade do motor, sendo que o inversor está conectado e controlado pela rede PROFIBUS. O sensor de pressão é um equipamento eletrônico que foi desenvolvido para fornecer em sua saída, uma tensão de 0 a 10Vdc, sofrendo uma variação de pressão na entrada de 0 a 300 mmhg. O sensor responsável pela medição da grandeza é o MPX5100, que entrega uma tensão de, no máximo, 4,7Vdc. Sendo assim, para aumentar este sinal foi feito um circuito com amplificador. O módulo sensor, ilustrado na figura 13, é

6 alimentado com 12Vdc, consome uma potência de 153,78mW e possui uma sensibilidade igual a 33,33 mv/mmhg. Figura 13 - Sensor de pressão diferencial. [10] O inversor de frequência (escravo da rede) que está sendo utilizado nessa aplicação é o CFW500 e o mestre CLP é o S7300, onde, também, está sendo utilizado seu cartão de entrada analógica. Inicialmente, foi feita a ligação da rede entre o inversor e o CLP, através do cabo de comunicação PROFIBUS DP. O inversor está diretamente ligado ao motor de indução trifásico. Para haver comunicação do inversor na rede, inicialmente, é preciso fazer algumas configurações de parâmetros no mesmo. A Tabela I mostra os parâmetros que foram configurados no inversor. Figura 14 Rede PROFIBUS montada no aplicativo computacional. A configuração de velocidade de transmissão de dados e de endereço dos componentes é necessária ser feita no aplicativo computacional para que haja comunicação. O endereço PROFIBUS do CLP é o #2, sendo que este é gerado automaticamente quando inserido no aplicativo computacional. Já o endereço do inversor foi parametrizado como #3, conforme ilustra a figura 15. O endereço no aplicativo computacional precisa ser igual ao do equipamento para ele ser reconhecido. Na figura 15 também é ilustrada a velocidade de transmissão que foi gravada para a comunicação (9,6 kbps). TABELA I PARÂMETROS ALTERDOS NO INVERSOR DE FREQUÊNCIA. [11] PARÂMETROS VALOR P204 5 P P P223 9 P224 4 P225 0 P918 3 Os parâmetros configurados se referem às parametrizações de referência de velocidade locais e remotas, seleção de sentido de giro, seleção de comando gira/pára e o parâmetro 918, que refere ao endereço PROFIBUS do escravo. [11] O aplicativo computacional utilizado para configurar a rede e para realizar a programação foi o TIA Portal (Totally Integrated Automation). Após ser criado um novo projeto no aplicativo foi preciso inserir os componentes que serão usados na rede. Para inserir o CLP (CPU 314C-2 PN/DP) foi utilizada a biblioteca do aplicativo computacional, já para o inversor de frequência foi preciso fazer a instalação do arquivo GSD no aplicativo computacional. Feito isto, a próxima etapa foi montar a rede, conforme ilustrado na figura 14. Figura 15 Configuração do endereço do escravo na rede. Os bytes de entrada analógica do CLP estão configurados dentro de uma faixa que varia de 100 a 109, sendo que quatro entradas podem ser utilizadas para variações de tensão e corrente. A figura 16 mostra a configuração do cartão analógico do CLP.

7 variável do tipo inteira, para enviar valores inteiros para este byte. [11] Para realizar o controle de velocidade de rotação do motor, utilizou-se uma conversão analógica, realizada em linguagem de texto estruturado, como é mostrado na figura 18. Figura 16 Configuração dos bytes de operação. Para fazer o programa foi utilizada uma lógica com o bloco MOVE, que move uma determinada palavra de controle PROFIBUS para um byte de controle do inversor. O byte 256 do inversor é utilizado para o controle de parada e de energização do sistema, além do acionamento da inversão de sentido de giro do motor. O programa utilizado para o controle citado é mostrado na figura 17. Figura 18 Programa em texto estruturado para conversão analógica. O valor na entrada do CLP foi convertido para uma variável real e depois dividido por 3,375 (valor da divisão entre a entrada do CLP e entrada do inversor), e, finalmente, transformada novamente em uma variável inteira. Esse valor final é enviado pelo bloco MOVE, para a entrada do inversor, especificamente para o byte 258 (controle de velocidade de rotação do motor). O valor analógico que é enviado para o controle da velocidade do motor é controlado pelo sensor de pressão que varia sua saída de 0 a 10Vdc, de acordo com a pressão medida, colocado na entrada analógica do CLP. Para finalizar a aplicação prática, foi realizada a métrica do sinal de comunicação no cabo RS485, com foco no tempo de varredura da rede, que interliga o mestre e o escravo. Com o auxílio do osciloscópio, entre os pontos de comunicação, foi realizada a medida do sinal da rede PROFIBUS. A figura 19 ilustra o sinal RS-485 trafegado na rede, para uma taxa de comunicação configurada de 9,6 kbps, com o tempo de varredura da comunicação medido de 60ms. Figura 17 Programa para acionamento do inversor. Os valores 1, 2 e 3 inseridos no byte 256 são para ligar, desligar e inverter o sentido de giro do motor, respectivamente. Já o responsável para o controle da velocidade de rotação é o byte 258, onde foi inserida uma Figura 19 Sinal da rede PROFIBUS. A figura 20 ilustra a montagem prática de toda a aplicação desenvolvida, envolvendo todos os periféricos já descritos (CLP, sensor, motor, inversor e rede PROFIBUS).

8 [7] HENRIQUE, J. P. C. Sistema de controle preditivo multimodelos fuzzy ts-fbo embarcado em um controlador lógico programável. Dissertação de mestrado UNIFEI, Itajubá/MG: Agosto de p. [8] LUGLI, A. B. e SANTOS, M. M. D. Redes industriais para Automação Industrial: AS-I, PROFIBUS e PROFINET. São Paulo: Érica p. [9] TORRES, R. V. Simulador de Redes PROFIBUS. Dissertação de mestrado USP/EESC, São Carlos/SP: Abril de p. [10] Arquivo de Configurações. Disponível em: Frequencia/CFW500>, Acessado em 22 de setembro de Figura 20 Elementos integrados na rede PROFIBUS. IV. CONCLUSÃO [11] Manuais Técnicos. Disponível em: Acessado em 22 de setembro de O objetivo deste trabalho foi apresentar as vantagens de utilização da rede PROFIBUS em um processo industrial e desenvolver uma aplicação envolvendo elementos de campo interligados na rede. Após o estudo de rede e os testes práticos realizados, podem-se perceber as vantagens de utilização e a facilidade que a rede PROFIBUS proporciona em um sistema de processo industrial. Entre outras características, podem-se destacar a economia na implantação e a facilidade com suporte e manutenção do processo em um curto espaço de tempo. Existem hoje no mercado inúmeros fabricantes de mestre e escravos PROFIBUS, o que não impede que haja comunicação entre eles. Isto é uma tendência para no mercado atual, pois as vantagens que a rede proporciona são gigantescas, a ser comparada com os métodos antigos, que utilizavam centenas ou milhares de cabos para interligar um processo industrial, sendo que com a rede e com alguns cabos já é possível fazer rodar todo o processo e muito mais rápido. REFERÊNCIAS [1] O que é PROFIBUS. Disponível em: < 43ecc27691aa>, Acessado em 21 de Agosto de [2] FILHO, G. F.. Motor de Indução: Princípios de funcionamento, características operacionais aplicadas, acionamentos e comandos. São Paulo: Érica p. [3] W22 Motor Trifásico. Disponível em: < Acessado em 21 de Setembro de [4] FRANCHI, C. M. D. Inversores de frequência: Teoria e aplicação. São Paulo: Érica 2011, 2ª edição, 192p. [5] CFW500 Inversor de Frequência. Disponível em: < Acessado em 19 de Setembro de [6] GEORGINI, M. Automação aplicada: Descrição e implementação de sistemas sequenciais com CLPs. São Paulo: Érica 2010, 9ª Edição. 236p.