RELATÓRIO TÉCNICO - CIENTÍFICO. Título do Plano de Trabalho: Estudo de sistemas embarcados para controle e automação.

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ PRÓ-REITORIA DE PESQUISA E PÓS-GRADUAÇÃO DIRETORIA DE PESQUISA PROGRAMA INSTITUCIONAL DE BOLSAS DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA PIBIC : CNPq, CNPq/AF, UFPA, UFPA/AF, PIBIC/INTERIOR, PARD, PIAD, PIBIT, PADRC E FAPESPA Período: 09/2014 a 09/2015 ( ) PARCIAL ( x ) FINAL RELATÓRIO TÉCNICO - CIENTÍFICO IDENTIFICAÇÃO DO PROJETO Título do Projeto de Pesquisa (ao qual está vinculado o Plano de Trabalho): Desenvolvimento e testes experimentais de protótipos de controladores robustos e adaptativos para a melhoria do amortecimento de modos eletromecânicos em sistemas de potencia. Nome do Orientador: Walter Barra Jr Titulação do Orientador: Doutor Faculdade: Engenharia Elétrica Instituto/Núcleo: Instituto de Tecnologia (ITEC) Laboratório: Automação Industrial Título do Plano de Trabalho: Estudo de sistemas embarcados para controle e automação. Nome do Bolsista: Maurílio Luz da Silva Tipo de Bolsa : ( x ) PIBIC/ CNPq ( ) PIBIC/CNPq AF ( )PIBIC /CNPq- Cota do pesquisador ( ) PIBIC/UFPA ( ) PIBIC/UFPA AF ( ) PIBIC/ INTERIOR ( )PIBIC/PARD ( ) PIBIC/PADRC ( ) PIBIC/FAPESPA ( ) PIBIC/ PIAD ( ) PIBIC/PIBIT 1

2 1 INTRODUÇÃO: Em um mercado de trabalho cada vez mais exigente e competitivo, o interesse em contratar pessoas cada vez mais qualificadas para desempenhar funções cada vez mais específicas e de maneira eficiente, representa os novos interesses do mercado. No meio técnico-científico estar atualizado com as novas tecnologias e ferramentas de trabalho são de fundamental importância para o bom desempenho profissional. Com esse objetivo foi direcionado o estudo para conceitos e ferramentas de controle e automação, pois sabe-se que a grande maioria dos equipamentos industriais são operados segundo leis e ferramentas técnicas aprendidas nessas áreas. Na área de automação industrial procurou-se aprender e aplicar experimentos simples, mas muito comuns em qualquer produção industrial, como a partida estrela-triângulo via Controladores Lógicos Programáveis (CLP s). Em controle estudou-se identificação de sistemas dinâmicos como resposta ao degrau, e análise e comparação do desempenho de sistemas em malha aberta e malha fechada. O presente relatório apresenta de forma bastante clara as atividades realizadas no Laboratório de Automação Industrial, tendo como orientador o Prof. Dr. Walter Barra Junior e co-orientadores: o doutorando Florindo Antônio de Carvalho Ayres Jr e o doutorando Erick Melo Rocha. Em relação ao desenvolvimento das atividades no Laboratório de Automação Industrial, as mesmas foram executadas da seguinte forma: os primeiros quatro meses (setembro a dezembro) envolveram estudos teóricos e familiarização sobre algumas aplicações que abrangem o conhecimento de comandos industriais, em conjunto com o aprendizado de funcionamento de alguns equipamentos e dispositivos. Em seguida, nos três meses posteriores (janeiro, fevereiro e março), foram desenvolvidos testes práticos em uma nova bancada de comandos industriais e controle automação. A partir de abril, todos os trabalhos (pesquisa, estudo teórico e testes práticos) foram dedicados na assimilação de aplicações de comandos industriais relacionado, principalmente, ao uso de CLPs (Controlador Lógico Programável) e também, ao uso de determinado tipo de motor (motor de indução trifásico). Auxiliando assim, para o desenvolvimento do laboratório e assimilação de novos conhecimentos e experiências atribuídos ao discente. 2

3 2 JUSTIFICATIVA: O processo de controle e automação são umas das principais áreas valorizadas hoje pelo universo industrial dada sua tamanha importância para o mesmo, pois ele permite uma maior eficiência tanto quanto à linha de produção, como também quanto à linha de segurança do sistema e de até mesmo dos recursos humanos necessários, ou seja, os empregados/funcionários. Tendo como referência esse cenário, cresce o interesse de instituições de ensino técnico científico e de empresas públicas e privadas por projetos de pesquisas e atividades em laboratório que auxiliem o desenvolvimento de novas tecnologias e principalmente, qualifiquem novas pessoas ao exigente mercado de trabalho na área de controle e automação industrial. 3 OBJETIVOS: O projeto em questão, realizado pelo bolsista, é considerado um trabalho preliminar visando treinar o mesmo para a realização de testes de controle automação. Por ser o bolsista um aluno ainda cursando o 4º semestre de engenharia elétrica, o foco do trabalho ficou no treinamento de automação para fins de acionamento e controle em de motores elétricos. As tarefas e estudos foi focalizada em uma nova bancada (bancada WEG) de comando industrial e controle-automação a qual é um sistema de testes para pesquisa em automação e controle de sistemas elétricos e industrial. O projeto atualmente se encontra na fase inicial de testes com equipamentos e dispositivos de natureza de comando industrial, cujos quais farão parte, logicamente, da nova bancada WEG. Sendo realizadas análises quanto à perspectiva do funcionamento normal de cada componente testado e sendo também feita o controle por anotações em tabelas dos equipamentos e dispositivos já testados, além de registros em foto-imagem dos testes. A perspectiva final do projeto perpassa pelas instalações de outras estruturas e de novos equipamentos, considerados mais complexos, a serem ainda incorporados na bancada. O que acarretará em novas análises desenvolvidas durante os futuros testes. Essas atividades serão executadas por etapas ainda a serem definidas pelo orientador quando possível, podendo ser realizadas por esse ou por outros discentes. 3

4 4 - MATERIAIS E MÉTODOS: Primeiramente, o período que rege os quatro meses iniciais da bolsa foi dedicado ao estudo teórico sobre os principais pontos sobre o assunto: comandos industriais e suas propriedades, tais como, conhecer os dispositivos de segurança e a sua respectiva importância de seu uso em qualquer processo industrial, etc. Tal como também, o avanço teórico em outros assuntos relacionados à filosofia de controle e automação, havendo certo contato do discente com microcontroladores. Houve ainda nesse período, o estudo e teste em bancadas, já existentes, das experiências pertencentes ao roteiro das aulas práticas do próprio Laboratório de Automação Industrial; além da realização de algumas experiências utilizando o softwares de simulação CADeSIMU. Também, se pode acrescentar a atividade de monitoria realizada pelo bolsista em algumas aulas práticas realizadas no laboratório, o que lhe garantiu experiência para o desenvolvimento do projeto chave a ser implementado. Tudo isso só foi possível graças a pesquisas e estudos bibliográficos, de livros, artigos, apostilas e manuais dos técnicos dos equipamentos. Por seguinte, nos meses de janeiro a março, iniciaram-se os testes na nova bancada de automação. Todos os equipamentos e dispositivos testados foram identificados e testados. A partir de do mês de abril, os esforços voltaram-se o estudo teórico e prático de CLP (Controlador Lógico Programável), dispositivo esse muito utilizado no que consta a parte de lógica (circuito de comando) de qualquer sistema de controle automação industrial. A pesquisa se estendeu desde a aprendizagem da linguagem de programação de CLPs LADDER até alguns pontos do funcionamento interno do equipamento citado. Para isso utilizou-se de alguns materiais, tais como: apostilas, manuais dos fabricantes e uso de alguns softwares dos respectivos CLPS, Como: Clic02 Edit e o PC12. Que auxiliaram, em aspectos gerais, na evolução do aluno relacionado ao manuseio do equipamento. Em sequência a isso, teve início os testes práticos com CLPs. A princípio, os estudos práticos se deram nas bancadas dispostas do próprio laboratório, assim como ocorrera com os dispositivos testados anteriormente, utilizando Os CLPs CLIC02/10HR-A e, principalmente, o TP02/20MR. Logo após, depois do aluno ter assimilado certa experiência, houve efetivamente os testes na nova bancada WEG com o uso do CLP TPW03/40HR-A. É importante frisar, que paralelamente aos estudos, pesquisas e testes com a bancada de automação WEG, houve uma série de outras atividades complementares desenvolvidas no período pelo bolsista, visando capacitação para trabalhos dentro do laboratório de automação industrial e do laboratório de sistemas de potencia. Essas atividades foram: desenvolvimento 4

5 de novas experiências relacionadas a comandos industriais, introdução ao estudo a sistemas de controle, o que envolveu estudo teórico e prático (com o uso da ferramenta de simulação MATLAB/simulink); estudo introdutório sobre diagnósticos de faltas em sistemas de controle com a utilização de técnicas Fuzzy, aplicadas a um sistema de acionamento de motores elétricos do Laboratório de Automação Industrial. 5 RESULTADOS: Esses se mostram em consonância ao cumprimento do plano de trabalho proposto e a atual fase de desenvolvimento que se encontra o projeto. No período que abrangeu os meses de estudos teóricos foram grandes os avanços obtidos, havendo pelo bolsista melhor entendimento de conceitos no âmbito de motores elétricos e comandos industriais, considerados importantíssimos quando considerados os testes que ainda vão ocorrer nos próximos meses. Algumas das definições assimiladas são as seguintes: Dispositivos de proteção, dispositivos de comando, circuitos de comando e força; além de todos os tópicos que os acercam. Em sequência, serão mostradas duas figuras que ilustram de forma bem resumida o sistema de acionamento de motores estudado e testado experimentalmente. O sistema é composto de um subsistema de comando e de um subsistema de força. No subsistema de comando (`a esquerda da figura) está parte de lógica sequencial associada ao acionamento do motor trifásico de indução. A implementação dessa parte lógica de comando pode ser implementada tanto por meio de circuitos elétricos com relés quanto pode meio de programação em CLPs. Já o subsistema de força (a direita da figura), contém os dispositivos de proteção e a carga propriamente dito (motor). Figura 1 Circuito de Comando (mais a esquerda) e de Força (mais a direita) com os seus respectivos componentes. 5

6 Os resultados alcançados na parte prática foram às evoluções dos testes na nova bancada a ser implementada no Laboratório de Automação Industrial. Foram registradas as análises de cada teste em tabelas e também foi feito o registro em foto imagem. Como as que se segue: Figura 2 Imagens de alguns dos testes sendo realizados Número da Placa ou do Item: Teste da Bancada WEG: Equipamentos Testados: Nome do equipamento: Quantidade de Componentes ou de Peças Testadas: P013 Relé PTC 1 Componente P010 Simulador de Defeitos 2 Componentes P012 Segurança Completa 16ª P019 (Conj. de Fusíveis) Botão Pulsador Verde (Botoeira) 2 Componentes 1 Componente P029 Sinaleiro LED Verde 2 Componentes P018 Módulo de Chaveamento de Sinais 1 Componente P011 Chaves Seletoras 2 Componentes P021 Sinaleiro LED Incolor 1 Componente 6

7 P067 Sinaleiro LED Vermelho 2 Componentes P053 Contator Tripolar CWM Componente Conj. De Cabos de Ligação 1.5 MM Preto Conj. De Cabos de Ligação 1.5 MM Verde Conj. De Cabos de Ligação 1.5 MM Preto Conj. De Cabos de Ligação 1.5 MM Vermelho 20 Peças 05 Peças 15 Peças 40 Peças Todos os equipamentos testados, juntamente com os cabos, atenderam a expectativa de funcionamento, ou seja, tudo funcionando normalmente. A bancada de testes WEG energizou-se normalmente. Os testes de continuidade também foram bem sucedidos. Tabela 1 Mostra um panorama dos testes realizados durante determinada semana Com a utilização do Controlador Lógico Programável os resultados também foram satisfatórios, dentro das metas que se queria alcançar nessa primeira fase do projeto. Que era os testes das portas de entrada e saída do CLP TPW03/40HR-A, do módulo básico, pertencente à nova bancada WEG. A seguir, algumas imagens dos programas utilizados com os respectivos testes realizados nas bancadas do laboratório de automação industrial com o uso dos CLPs, CLIC02/10HR-A e TP02/20MR. Testes esses que serviram de subsídio aos testes com o CLP TPW03/40HR-A na nova bancada de comandos industriais da WEG. O diagrama Ladder a seguir, ilustra o acionamento com reversão manual de um motor de indução trifásico. 7

8 Figura 3 Diagrama em LADDER dos programas pertencentes aos respectivos CLPS: TP02/20MR e CLIC02/10HR-A. Figura 4 interface computador CLP. A imagem ilustra a parcela do teste de um acionamento com reversão manual de um motor de indução trifásico com o uso do CLP TP02/20MR. Figura 4 Contatos e Motor de Indução Trifásico. A imagem ilustra a parcela do teste de um acionamento com reversão manual de um motor de indução trifásico com o uso do CLP TP02/20MR 8

9 O teste com uso do CLP TPW03/40HR-A em conjunto com seu respectivo softwares de simulação (TPW3-PCLINK) está relatado abaixo, além do código do programa e as ligações entre os contatos da bancada. Figura 5 Teste da nova bancada WEG utilizando o CLP TPW03/40HR-A. OBS1: Todos os testes realizados com CLPs utilizaram-se apenas entradas e saídas com sinais considerados digitais, haja vista todas as aplicações de comandos industriais realizadas pelo discente no laboratório, para fins de análise e aprendizado, precisarem utilizar somente esse tipo de sinais. Não houve nenhuma aplicação realizada que fizesse referência a sinais analógicos dos CLPs. É importante destacar que o objetivo proposto foi cumprido, e os testes com sinais analógicos poderão ser feitos posteriormente se assim for necessário. Vale ainda salientar que foi utilizada, para o cumprimento das atividades desenvolvidas com CLP, somente a linguagem de programação LADDER, pois essa é tratada como a linguagem mais difundida entre os alunos e os profissionais de automação industrial. OBS2: No que diz respeito a algumas características CLP TPW03/40HR-A, tem-se: entrada de comunicação serial com o computador via USB; 24 portas de entrada no módulo básico (sem expansão) sendo alimentadas com igual a 24 volts (em nível baixo); 24 portas de saídas no módulo básico (sem expansão) podendo ser alimentadas com 100 ~ 240 volts; E ainda possui módulo de expansão quando necessário das suas portas. 9

10 7 - CONCLUSÃO: No decorrer desses meses no Laboratório de Automação Industrial foi obtido novos conhecimentos na área de Motores Elétricos, Comandos Industriais, e Controle-Automação, permitindo a familiarização com componentes e dispositivos eletrônicos, o que permitiu o cumprimento de tarefas relacionadas ao plano de trabalho. Por ser um aluno do 4º semestre, ainda não foi possível avançar no teste de estratégias avançadas de monitoramente pois isso demandava conhecimentos de fases mais avançadas do curso. No entanto, com o treinamento teórico e prático obtidos neste primeiro ano de bolsa o bolsista adquiriu capacitação suficiente para operar de forma segura os equipamentos e sistemas e realizar as próximas fases da pesquisa. A adaptação ao ambiente de trabalho também foi de fundamental importância, pois me ensinou a respeitar horários de trabalho, a ter postura e saber respeitar hierarquicamente meus superiores na execução de um projeto, tendo sempre a persistência na correção dos erros, paciência e perseverança no desenvolvimento de uma atividade atribuída a mim. Isso foi de muita importância, pois de certa forma utilizarei esses conhecimentos adquiridos em minha futura carreira de engenheiro eletricista. 8 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS: Barra Jr., Walter Roteiro de Experiências do Laboratório de Automação Industrial. Universidade Federal do Pará. Bazanella, A. S. e Silva Jr., João Manoel G. Sistemas de Controle (Princípios e Métodos de Projeto). D Azzo, John J. e Houpis, Constantine H. Linear Control System Analysis and Design (Conventional and Modern). 4ª Ed. Dorf, Richard C. e Svoboda, James A. Introdução aos Circuitos Elétricos, 7ª Ed. Ferraz Neto, Luiz - Motores Elétricos. Acessado em: 11/09/ Franchi, C. M. Acionamentos Elétricos. Editora Érica, 1ª Ed. Fialho, A. B. Instrumentação Industrial Conceitos, Aplicações e Análises. 6ª Ed. São Paulo: Editora Érica. 10

11 Gabardo, Aislan de Lima Eficiência Energética e Acionamentos de Motores. Acessado em: 11/09/ Martins, N. A. Sistemas Microcontrolados (Uma Abordagem com o Microcontrolador PIC 16F84). Modesto, André Márcio Motores Elétricos. Universidade Paulista. Acessado em 10/09/ Serafim, Emerson s. Acionamentos Elétricos, Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa Catarina. Acessado em: Sousa, N. S. Acionamentos Elétricos, Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Rio Grande do norte Acessado em: 10/09/ /09/ Rocha, Erick M. Metodologia Baseada em Sistemas Fuzzy Intervalar do Tipo 2 para Detecção e Identificação de Faltas Incipientes em Motores de Indução. Universidade Federal do Pará. Simpósio Brasileiro de Automação Inteligente, SBAI Fortaleza-CE. Rocha, Erick M. Desenvolvimento de um Sistema Fuzzy para a Identificação de Faltas Incipientes em Enrolamento de Estator de Motores Trifásicos de Indução. Universidade Federal do Pará. Simpósio Brasileiro de Sistemas Elétricos, SBSE Goiânia-GO. WEG Manual de Programação: TPW03 (Controlador Programável). Manuais WEG. WEG Manual do Micro Programador Lógico Programável (Série TPW-03). Manuais WEG. WEG KIT Controlador Lógico Programável (CLP) Manual do Professor. Manuais WEG 9 DIFICULDADES: Houve um retardo na adaptação entre o conciliar das tarefas do laboratório e as intensidades das aulas no Curso de Engenharia Elétrica, dificuldade essa superada. Por ainda estar em uma fase inicial do curso (4º) semestre, o bolsista ainda não havia cursado disciplinas de controle, o que ocorrerá a partir do presente semestre. Apesar disso, o estudo de controle iniciou com o apoio do orientador e dos pesquisadores do Laboratório de Automação, com o 11

12 uso de simulações de sistemas simples (sistemas lineares de 1ª e 2ª ordens) em ambiente Matlab e Simulink. Apêndice: 1 Simulação que expressa os estudos relacionados a Sistemas de Controle: Figura 6 Sistema de Controle em Mallha Fechada, com os respectivos sinais de entrada, Bloco de controle e bloco da planta. 12

13 Figura 7 Sinal de Saída da Planta com uma entrada a Degrau Unitário. PARECER DO ORIENTADOR: Manifestação do orientador sobre o desenvolvimento das atividades do aluno e justificativa do pedido de renovação, se for o caso. O bolsista é estudante muito aplicado e responsável. Embora ainda seja aluno do 4º semestre do curso, o mesmo mostra-se sempre muito interessado em evoluir rapidamente e, devido ao treinamento obtido neste primeiro ano de bolsa, agora está plenamente capacitado a realizar, de foram segura, testes mais sofisticados no seguimento da pesquisa. Dessa forma, sou de parecer plenamente favorável a continuidade do mesmo como bolsista PIBIC. DATA : 10 / 08 /_2015 ASSINATURA DO ORIENTADOR ASSINATURA DO ALUNO INFORMAÇÕES ADICIONAIS: Em caso de aluno concluinte, informar o destino do mesmo após a graduação. Informar também em caso de alunos que seguem para pós-graduação, o nome do curso e da instituição. FICHA DE AVALIAÇÃO DE RELATÓRIO DE BOLSA DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA 13

14 O AVALIADOR DEVE COMENTAR, DE FORMA RESUMIDA, OS SEGUINTES ASPECTOS DO RELATÓRIO : 1. O projeto vem se desenvolvendo segundo a proposta aprovada? Se ocorreram mudanças significativas, elas foram justificadas? 2. A metodologia está de acordo com o Plano de Trabalho? 3. Os resultados obtidos até o presente são relevantes e estão de acordo com os objetivos propostos? 4. O plano de atividades originou publicações com a participação do bolsista? Comentar sobre a qualidade e a quantidade da publicação. Caso não tenha sido gerada nenhuma, os resultados obtidos são recomendados para publicação? Em que tipo de veículo? 5. Comente outros aspectos que considera relevantes no relatório 6. Parecer Final: Aprovado ( ) Aprovado com restrições ( Reprovado ( ) ) (especificar se são mandatórias ou recomendações) 7. Qualidade do relatório apresentado: (nota 0 a 5) Atribuir conceito ao relatório do bolsista considerando a proposta de plano, o desenvolvimento das atividades, os resultados obtidos e a apresentação do relatório. Data : / /. Assinatura do(a) Avaliador(a) 14