UM SISTEMA DIDÁTICO PARA CONTROLE DE VELOCIDADE EM MOTORES DE INDUÇÃO

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1 UNIVERSIDADE DO PLANALTO CATARINENSE DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS CURSO DE INFORMÁTICA (BACHARELADO) UM SISTEMA DIDÁTICO PARA CONTROLE DE VELOCIDADE EM MOTORES DE INDUÇÃO Relatório do Trabalho de Conclusão de Curso submetido à Universidade do Planalto Catarinense para obtenção dos créditos de disciplina com nome equivalente no curso de Informática - Bacharelado. LIZANDRO RIBEIRO DO AMARAL LAGES, 11 NOVEMBRO DE 2002

2 UNIVERSIDADE DO PLANALTO CATARINENSE DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS CURSO DE INFORMÁTICA (BACHARELADO) UM SISTEMA DIDÁTICO PARA CONTROLE DE VELOCIDADE EM MOTORES DE INDUÇÃO Relatório do Trabalho de Conclusão de Curso submetido à Universidade do Planalto Catarinense para obtenção dos créditos de disciplina com nome equivalente no curso de Informática - Bacharelado. LIZANDRO RIBEIRO DO AMARAL Orientador: Prof. Carlos Roberto da Silva Filho, M Sc. Co-Orientador: Prof. Rogério Tadeu Santana, Bel. LAGES, 11 NOVEMBRO DE 2002

3 iii Dedico este trabalho de conclusão de curso a minha família, em especial meu filho, minha fonte de alegria e motivação.

4 iv Agradeço a Deus, ao meu orientador Carlos Roberto da Silva Filho e meus colegas e amigos pela força nesta caminhada.

5 Deus, o rei se alegra com tua força e como exulta com tua vitória! Concedeste o desejo do seu coração e não lhe negaste o pedido de seus lábios. Salmo 21(20) v

6 SUMÁRIO LISTA DE FIGURAS (QUADROS, TABELAS)...VIII LISTA DE QUADROS (TABELAS)... X LISTA DE SIGLAS (ABREVIATURAS)...XI RESUMO ABSTRACT INTRODUÇÃO Apresentação Definição do Problema Justificativa Objetivos Objetivo Geral Objetivos Específicos Metodologia CONTROLE E AUTOMAÇÃO Breve Histórico de Sistemas de Controle Controle e Automação: Conceitos e Características Classificação de Sistemas de Controle Vantagens e Desvantagens de Sistemas de Malha Aberta e Malha Fechada Sistemas de Controle: Exemplos Sistemas de Controle Numérico Sistema de Controle de Temperatura Sistema de Controle de Robôs Sistema de Controle de Braços de Robôs Sistema de Controle de força de Empunhadura da Mão de um Robô Conclusão DISPOSITIVOS USADOS EM CONTROLE E AUTOMAÇÃO Controladores Lógicos Programáveis - CLPs Áreas de Aplicação de CLPs Um Breve Histórico de CLPs Arquitetura dos CLPs Arquitetura Funcional dos CLPs... 38

7 vii A Linguagem de Programação de um CLP Motores Elétricos Comparação motores corrente contínua e motores corrente alternada Motores Elétricos de Indução Princípio de Funcionamento de Motores de Indução Trifásicos Identificação de Motores de Indução com Rotor em Gaiola Característica de Operação de Motores Trifásicos de Indução Especificação de Motores Elétricos para uma dada Aplicação Inversores de Freqüência A Eletrônica do Inversor A Curva Tensão/Freqüência do Inversor Composição Típica de um Inversor Parametrização Típica de um Inversor Aplicações Típicas com o Inversor Conclusão CARACTERÍSTICAS DOS COMPONENTES DO PROBLEMA PROPOSTO O Motor O Inversor Significado da Sigla DF Benefícios do Inversor de Freqüência DF5 e DV Parâmetros de Controle Controlador Lógico Programável Componentes da Linha PS Acessórios Especificação Técnica Aplicações Programa Inicializando o Software Iniciando a Configuração Início Programação Declarando Variáveis Escrevendo o Programa Declarando Function Block s Compilando o Programa Transferindo o Programa Monitorando o Programa Conclusão FUNCIONAMENTO DO SISTEMA Sentido de Rotação Controle de Rotação Conclusão CONCLUSÃO Sugestão de Trabalhos Futuros REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS APÊNDICES

8 viii LISTA DE FIGURAS (QUADROS, TABELAS) FIGURA O braço de um robô FIGURA Exemplo de um CLP versão compacta FIGURA Arquitetura interna de um CLP FIGURA Um exemplo de um CLP modular FIGURA Placa de CPU de um CLP FIGURA Exemplo de diagrama Ladder FIGURA Exemplo de diagrama Ladder com lógica negativa FIGURA Exemplo de diagrama Ladder com lógica NAND e NOR FIGURA Classificação de motores elétricos FIGURA Motor elétrico trifásico de indução com rotor bobinado FIGURA Esquema de ligação do motor com rotor bobinado FIGURA Exemplo de placa de identificação de um motor elétrico FIGURA Graus de proteção de um motor elétrico FIGURA Exemplo de um inversor de freqüência FIFURA Exemplo de um circuito interno de um inversor de freqüência FIGURA Exemplo de um circuito interno de um inversor de freqüência monofásico FIGURA Sentido da corrente no circuito interno de um inversor de freqüência monofásico FIGURA Sentido de corrente no circuito interno de um inversor de freqüência monofásico FIGURA IGBT s como chaves no circuito interno de um inversor de freqüência FIGURA Formas de onda de tensão do circuito interno de um inversor de freqüência FIGURA Exemplo de uma curva de tensão x freqüência de um inversor FIGURA Diagrama de bloco da composição interna típica de um inversor FIGURA Interface homem-máquina de um inversor Moeller FIGURA Motor utilizado no trabalho FIGURA Placa de identificação do motor FIGURA Mostra o inversor usado para o controle de velocidade FIGURA Significado do tipo de inversor de freqüência FIGURA Ligação inversor FIGURA Display parametrização inversor de freqüência... 79

9 FIGURA CLP utilizado no trabalho FIGURA Fonte de alimentação utilizada pelo CLP FIGURA Representação saída relé e entradas e saídas analógicas FIGURA Cabo conector DB9 ZB4-303-KB1 CLP FIGURA Cabo conector DB9 ZB4-303-KB1 PC FIGURA Navegador software de programação CLP FIGURA Configurador de Topologia FIGURA Topologia opções gerais FIGURA Configuração velocidade de comunicação FIGURA Configuração entradas analógicas FIGURA Configuração saídas analógicas FIGURA Tipos de dados FIGURA Tipos de dados binário FIGURA Endereçamento direto de variáveis FIGURA Declaração das variáveis FIGURA Linha de programa em Ladder FIGURA Exemplo de TimeGenerator FIGURA Led 2 indica modo RUN FIGURA Teste de comissionamento FIGURA Transferência do programa para CLP FIGURA Status da CPU FIGURA Status do programa FIGURA Visualizar e cambiar programa FIGURA Exemplo de programa sendo monitorado on-line FIGURA Entrada analógica inversor de freqüência FIGURA Indica sentido de rotação horário e indicação da lâmpada FIGURA Chaves de sentido de rotação aumenta e diminui FIGURA Indica sentido de rotação anti-horário e indicação da lâmpada FIGURA Lâmpada de indicação sentido de rotação FIGURA Contador CTUD tipos de entrada e saída do mesmo FIGURA Linha do programa onde ocorre a atuação do contador FIGURA Representação da condição do programa para aumentar velocidade motor FIGURA Representação da condição do programa para diminuir a velocidade do motor FIGURA Conversão de dado inteiro para palavra FIGURA Sistema de controle de velocidade do motor visão geral ix

10 x LISTA DE QUADROS (TABELAS) QUADRO 3.1- Datas importantes na evolução de CLPs QUADRO 4.2- Especificação técnica CLPs PS

11 xi LISTA DE SIGLAS (ABREVIATURAS) CLP CNC D/A A/D CC ABNT PLC PID RAM CPU EPROM NBR RPM IP CA IGBT RST V/F IHM NA NF PTC NTC PC LD IL CTUD CU CD - Controlador Lógico Programável - Controlador Númerico Computadorizado - Digital para Analógico - Analógico para Digital - Corrente Contínua - Associação Brasileira de Normas Técnicas - Programable Logical Controller - Proporcional Integral Derivativo - Randon Access Memory - Unidade Central de Processamento - Eraseble Programable Read Only Memory - Normatização Brasileira - Rotações por Minuto - Grau de Proteção - Corrente Alternada - Transistor Bipolar de Porta Chaveada - Fases da Rede - Tensão por Freqüência - Interface Homem Máquina - Normalmente Aberta - Normalmente fechado - Positive Temperature Coeficient - Negative Temperature Coeficient - Personal Computer - Ladder - Instruction Lister - Contador Up Down - Contador Up - Contador Down

12 RESUMO Este trabalho busca implementar um sistema de controle de velocidade em motores elétricos de indução. Para tal controle, é preciso determinar que elementos estão envolvidos, assim como suas características. O principal elemento envolvido no controle de velocidade de motores elétricos são os inversores de freqüência. O inversor conjuntamente com um dispositivo de controle pode determinar o comportamento de um motor num processo industrial, onde uma variável de controle é a velocidade. Um dos principais elementos de controle, num ambiente industrial, é o controlador lógico programável, conhecido como CLP. O controlador lógico programável é similar a um microcomputador, que permite a programação de um dado problema através de um algoritmo de controle. A grande vantagem deste equipamento em relação aos microcomputadores atuais é sua possibilidade de trabalhar em um ambiente agressivo como numa indústria. Segundo De Oliveira (2000), uma vez determinados os equipamentos principais, buscou-se observar a metodologia do professor Jim Zhu, onde o aluno busca implementar na prática um sistema de controle, motivado pelo desafio de tal tarefa. Os resultados do professor mostram que os alunos demonstram maior interesse, pois sabem que podem solucionar o problema. Neste caso, uma questão importante foi a utilização de alguns componentes acessórios não existentes na indústria para controlar a velocidade do motor. Em especial, está sendo referênciado à especificação do equipamento a ser utilizado, a montagem de um painel, a interligação física dos elementos envolvidos e principalmente, na determinação dos parâmetros a serem observados no controle. Dentre os parâmetros necessários para a programação estão relacionadas todas as características de parametrização dos equipamentos, programação do controlador programável e aspectos do comando do mesmo para com o inversor. Por fim pode-se constatar que a metodologia da motivação pelo desafio é satisfatória, principalmente quando os alunos têm orientação e elementos disponíveis para solucionar o problema. Palavras-chave: Controle de Velocidade, Automação Industrial, Ensino de Controle e Automação, Controlador Lógico Programável.

13 13 ABSTRACT This work searchs to implement a system of control of speed in electric engines of induction. For such control, it s necessary to determine that elements are involved, as well as its characteristics. The main element involved in the control of speed of electric engines is the frequency invertors. The invertor jointly with a control device can determine the behavior of an engine in an industrial process, where a controlled variable is the speed. One of the main elements of control, in an industrial environment, is the programmable logical controller, known as PLC. The programmable logical controller is similar to a microcomputer, that allows to the programming of one data problem through a control algorithm. The main advantage of this equipment in relation to the current microcomputers is its possibility to work in an aggressive environment as in an industry. Secound De Oliveira (2000), one the main equipaments are determined, we tryed to follow professor`s Jim Zhu teading methodology, where the pupil searchs to implement in practical a system of control, motivated for the challenge of such task. The results of the professor show that the pupils demonstrate na increasing a greater in this caser interest, therefore know that they can solve the problem. In such a case, an important question were the use of some not existing accessory components in the industry to control the engine speed. Especificamente, he is being spoken of the specification of the equipment to be used, the mostagem of a panel, the physical interconnection of the involved elements and mainly, in the determination of the parameters to be observed in the control. Amongst the necessary parameters for the programming the characteristics of parameters of the equipment are related all, programming of the programmable controller and aspects of the command of the same one stop with the invertor. Finally it can be evidenced that the methodology of the motivation for the challenge is satisfactory, mainly when the students have available orientation and elements to solve the problem. Word-key: Control of Speed, Industrial Automation, Education of Control and Automation, Programmable Logical Controller

14 14 1. INTRODUÇÃO 1.1. Apresentação O controle e automação têm desempenhado um papel de suma importância no desenvolvimento da sociedade, da engenharia e da ciência. Como um exemplo da grande importância do controle e da automação, na atualidade, pode-se citar o programa internacional para montagem da estação espacial, que quando ficar pronta, será um marco na história da humanidade. Além dos programas espaciais, sistemas de controle e automação são responsáveis por inúmeras tarefas efetuadas de modo automático, em especial na indústria e no comércio. Estes sistemas automáticos, em geral, possuem apoio de um sistema computacional ou de equipamentos/dispositivos que permitem controlar uma ação após um dado evento. Principalmente em sistemas industriais, pode-se dizer que muitas indústrias possuem processos que não permitem operações manuais, através de operadores humanos. Um exemplo deste caso, é o processo de fabricação de circuitos eletrônicos integrados, conhecidos como chips, para sistemas computacionais. Estes chips possuem suas suas conexões com o meio externo tão pequenas, que operários humanos não teriam a capacidade e precisão manual, para efetuar esta conexão. Portanto, um sistema automático controlado é imprescindível para construção destes chips. Por terem larga aplicação em muitas atividades, os sistemas de controle, ainda são alvo de muitos estudos nos ambientes universitário e científico. Uma grande barreira para o estudo de tais sistemas, são restrições financeiras. Em outras palavras, o

15 15 custo de equipamentos e dispositivos a serem empregados são elevados. Alternativamente, os estudos com experiências práticas, são substituídos experiências com modelos matemáticos usando a simulação computacional, o que também possibilita um ambiente de análise e desenvolvimento de sistemas para controle e automação. Neste trabalho, pretendeu-se contornar as metodologias usuais de estudo e realizar experiências práticas com os equipamentos e dispositivos. Neste caso, do sistema didático de controle de velocidade em motores de indução, com o uso destes equipamentos e dispositivos, possibilitarão uma maior interação entre a teoria a ser estudada e a realidade da prática nas indústrias, para o aprendizado efetivo dos alunos, em especial, da disciplina automação industrial no curso de informática Definição do Problema O projeto consistiu em elaborar um sistema didático de controle de velocidade de motores de indução para ensino na disciplina de automação industrial do curso de Informática. Este sistema foi implementado com equipamentos e dispositivos necessários para tal controle, considerando a relação entre o custo e o benefício Justificativa Nas disciplinas de controle e automação industrial no nível superior, normalmente, encontra-se uma grande carga de cálculos matemáticos para determinação de parâmetros de controle. Entretanto, o aluno nunca observa estes elementos na prática, pois as indústrias dispõem de recursos financeiros para aquisição de equipamentos. Uma razão para o uso de modelos matemáticos, é que o computador, muito comum como ferramenta de trabalho nas universidades, normalmente é utilizado para simulação em tais modelos matemáticos. Isto proporciona uma alternativa barata para a realização de pesquisas na área, mas normalmente causa uma frustração nos alunos,

16 16 devida a grande expectativa que alimentam sobre o tema. Portanto um sistema de controle de velocidade de motores de indução, com o uso de equipamentos e dispositivos empregrados na indústria, proporciona um ambiente favorável para ensino de controle e automação, especialmente no processo de ensino aprendizagem. Deste modo, foi elaborado este sistema utilizando técnicas de controle em automação industrial, considerando algumas restrições impostas pelos recursos financeiros Objetivos Objetivo Geral O objetivo geral foi implementar um sistema didático para controle de velocidade em motores de indução Objetivos Específicos Os objetivos específicos do trabalho são: a) Conhecer as ferramentas de controle em automação industrial, assim como alguns dispositivos empregados na indústria; b) Determinar uma técnica a ser utilizada para o controle de velocidade em motores de indução; c) Efetuar a implementação do sistema de controle de velocidade Metodologia O trabalho foi composto de várias etapas, isto é, de um levantamento bibliográfico do tema a ser pesquisado, procurando especificar as restrições do problema, pesquisa de equipamentos e dispositivos usados em controle e automação, implementação de um protótipo do sistema de controle de velocidade de motores de indução e por fim realizar alguns testes no sistema implementado.

17 17 Portanto, o trabalho foi desenvolvido observando as seguintes etapas: a) Levantamento bibliográfico dos conceitos de controle e automação; b) Especificação de equipamentos e dispositivos necessários para implementação do sistema; c) Implementação do sistema de controle velocidade; d) Realização de alguns testes para validar o protótipo e a forma de solução proposta.

18 18 2. CONTROLE E AUTOMAÇÃO A automação de processos de sistemas tem representado um papel vital no avanço da engenharia e ciência. Além de sua extrema importância em sistemas de veículos espaciais, mísseis guiados, pilotagem de aviões, robóticos e outros mais, a automação tornou-se parte importante em processos industriais de fabricação. Como exemplo disto, o controle automático é essencial no controle numérico de máquinasferramentas nas indústrias, também em operações industriais tais como o controle de pressão, temperatura, umidade, viscosidade, velocidade e fluxo em processos industriais. Os sistemas de controle e automação industrial, atualmente, possuem diversos componentes de hardware e software e o projeto e a implementação de tais sistemas não é uma tarefa trivial. Isto deve-se ao fato de que decisões serão tomadas, e estas afetam todo o sistema. Segundo PEREIRA (2000), estas decisões são relativas à natureza dos dispositivos e componentes, além do modo pelo qual estes serão empregados e interligados para atender as restrições de tempo, imposta pela dinâmica de tais processos. A complexidade que existe em projeto e implementação de sistemas de controle e automação industrial determina que as metodologias a serem utilizadas empreguem muitos conceitos. Alguns destes conceitos podem ser citados, entre eles: hierarquia, abstração, modularidade. Na perspectiva de automação industrial hierarquia pode ser vista como um CLP está subordinado a outro ou seja existe um intertravamento de comando estando o CLP escravo hierarquicamente sujeito ao CLP mestre, já abstração pode ser a capacidade de reconhecer tipos de entradas reais, tipo sinal de um sensor e abstrair a mesma e aplicar no programa e modularidade pode

19 19 incorporar a capacidade de expansão de sistemas seja fisicamente através do acresímo de entradas/saídas físicas em CLP s como o volume de controle do sistema. Assim as metodologias a serem empregadas, em conjunto com os conceitos citados, devem possibilitar o desenvolvimento de sistemas que observem os custos envolvidos, o tempo disponível para o desenvolvimento, além da qualidade e desempenho necessários no processo. Este capítulo descreve no item 2.1, um breve hitórico sobre sistemas de controle. No item 2.2, são abordados de modo resumido os conceitos utilizados em controle e automação, uma classificação de tais sistemas é abordada no item 2.3. Já no item 2.4 são apresentados alguns exemplos de sistemas de controle e no 2.5 uma conclusão dos assuntos abordados Breve Histórico de Sistemas de Controle Sem apresentar uma revisão da história de sistemas de controle e automação, de um modo completo, neste trabalho, apresentam-se a seguir, alguns fatos importantes desta área do conhecimento. O primeiro grande trabalho na área foi de James Watt, que desenvolveu o primeiro controlador centrífugo para controle de velocidade de uma máquina a vapor no século XVIII. Outros trabalhos em controle automático nos primeiros estágios de desenvolvimento da teoria de controle foram devidos a Minorsky, Hazen e Nyquist, entre muitos outros (OGATA, 1996). Em 1922, Minorsky trabalhou em controladores automáticos para pilotagem de navios e mostrou como poderia ser determinada a estabilidade apartir de equações diferenciais que descrevem o sistema. Em 1932, Nyquist desenvolveu um procedimento relativamente simples para determinar a estabilidade de sistemas de malha fechada com base na resposta da malha aberta a entradas senoidais em regime permanente. Em 1934, Hazen, que introduziu o termo servomecanismo para sistemas de controle de posição, discutiu o projeto de servomecanismo a relé capazes de seguir muito de perto uma entrada variável (OGATA, 2000).

20 20 Na década de 40 os métodos de resposta de freqüência tornaram possível que engenheiros desenvolvessem projetos sistemas de controle de malha fechada lineares que satisfizeram os requisitos de desempenho, desde o final da década de 40 até início dos anos 50, o método do lugar de raízes devido a Evans foi completamente desenvolvido. Este método tornou-se o coração da teoria de controle clássica constituida por métodos de resposta em frequência e lugar de raízes, pois levam a sistemas que são estáveis e satisfazem a um conjunto de requisitos de desempenho. A partir da década de 50, a ênfase nos problemas de projeto de controle tem sido transferida do projeto de um dos muitos sistemas que funcionam para o projeto de um sistema ótimo em algum sentido expressivo. Com base nos modernos processos com muitas entradas e saídas torna-se cada vez mais complexo a descrição de um sistema de controle moderno, que requer um grande número de equações, enquanto a teoria de controle clássica trata somente entradas e saídas simples. Entretanto, a teoria de controle clássica, torna-se impotente para sistemas de entrada múltipla e saída múltipla. Desde 1960, aproximadamente, devido à disponibilidade dos computadores digitais ter tornado possível a análise de sistemas complexos no domínio do tempo, a teoria de controle moderna, baseada na análise e na síntese no domínio do tempo usando variáveis de estado, tem sido desenvolvida para competir com a complexidade crescente de processos modernos de requisitos rigorosos em termos de precisão, peso e custo em aplicações militares, espaciais e industriais OGATA ( 2000). Recentes desenvolvimentos em teoria de controle moderno estão no campo do controle ótimo tanto de sistemas determinísticos quanto de estocásticos, bem como de controle de aprendizado e controle adaptativo de sistemas complexos. Agora os computadores digitais têm se tornado mais baratos e mais compactos, eles são usados como partes integrantes destes sistemas de controle. Recentes aplicações da teoria de controle moderna incluem sistemas não pertencentes à engenharia, tais como sistemas biológicos, biomédicos, econômicos e sócio-econômicos Controle e Automação: Conceitos e Características

21 21 Em toda área técnica, existem termos que precisam ser definidos para especificação do que se deseja apresentar. Portanto serão apresentados alguns conceitos, buscando a uniformidade do conhecimento tratado. Segundo o dicionário AURÉLIO SÉCULO XXI, controle ato ou poder de controlar; domínio. Fiscalização exercida sobre produtos, para que tais produtos, não se desviem das normas pré-estabelecidas e controlar significa exercer o controle. Em termos técnicos, para OGATA (1996) controle significa medir o valor da variável controlada do sistema e aplicação da variável manipulada ao sistema para corrigir ou limitar o desvio do valor medido de um valor desejado. A variável controlada é a grandeza ou condição que é medida e controlada; enquanto a variável manipulada é a grandeza ou condição que é variada pelo controlador de modo a afetar o valor da variável controlada. Na maioria dos casos, a variável controlada é a saída de um sistema e o controlador é o sistema que exerce o controle. Além do conceito de controle, serão apresentados os conceitos adicionais de termos técnicos em controle, obtidos da literatura específica de um modo geral. Planta: é parte de um equipamento (eventualmente, um conjunto de itens de uma máquina que funcionam conjuntamente), com o objetivo de realizar uma dada operação. Sistema: É uma combinação de componentes que atuam conjuntamente e realizam um certo objetivo. O conceito de sistema pode ser aplicado em várias situações, não limitando-se a entidades físicas, podendo referenciar fenômenos abstratos, dinâmicos, entre outras situações. Processo: é uma operação artificial ou voluntária, que evolui progressivamente e que consiste em uma série de ações controladas ou movimentos sistematicamente dirigidos, com o objetivo de conduzir a um resultado ou finalidade particular. Perturbações: uma pertubação é um sinal que tende a afetar adversamente o valor da saída do sistema, podendo ser interna quando é gerada pelo sistema e externa quando gerada fora do sistema, que neste caso é designada por distúrbio. Controle realimentado: refere-se a uma operação que, na presença de

22 22 perturbações ou distúrbios, tende a reduzir a diferença entre a saída de um sistema e alguma entrada de referência do mesmo, e que opera com base nesta diferença. Neste caso, apenas disturbios não previsíveis são especificados como tais, desde que distúrbios conhecidos ou previsíveis possam sempre ser compensados dentro do sistema. Sistemas de controle realimentados: é um sistema que mantém uma relação de precisão entre a saída e a entrada de referência, comparando-as e utilizando a diferença como um meio de controle. Um exemplo seria um sistema de controle de nível. Medindo-se nível de um dado tanque e comparando-o com o nível de referência desejado, uma válvula abre ou fecha o escape do tanque de maneira tal que assegure que o nível deste permaneça no valor desejado, independente de condições externas. Servosistemas: um servosistema (ou servomecanismo), é um sistema de controle realimentado em que a saída é alguma posição mecânica, velocidade ou aceleração. Portanto os termos servossistema e sistema de controle de posição (ou de velocidade, ou de aceleração) são sinonimos. Os servossistemas são extensivamente usados na indústria moderna. Sistemas reguladores automáticos: um sistema regulador automático é um sistema de controle realimentado em que a entrada de referência ou a saída desejada ou é constante ou varia lentamente com o tempo e em que a tarefa principal consiste em manter a saída real no valor desejado na presença de perturbações. Sistemas de controle de processos: é um sistema regulador automático no qual a saída é uma variável, com por exemplo, temperatura, pressão, nível de líquidos entre outros. Sistema de controle em malha fechada: Os sistemas de controle realimentado são às vezes denominados sistemas de controle de malha fechada. Na prática, os termos controle realimentado e controle de malha fechada são usados intercambiavelmente. Em sistema de controle de malha fechada o sinal de erro atuante, que é a diferença entre o sinal de entrada e o sinal realimentado (que pode ser o próprio sinal de saída ou uma função do sinal de saída e sua derivadas), é introduzido no computador de modo a reduzir o erro e trazer a saída do sistema a um valor

23 23 desejado. O termo controle de malha fechada sempre implica o uso de ação de controle realimentado a fim de reduzir o erro do sistema. Sistema de controle em malha aberta: são sistemas em que a saída não tem nenhum efeito sobre a ação de controle e são chamados sistemas de controle em malha aberta. Em outras palavras, em um sistema de controle em malha aberta a saída não é medida nem realimentada para comparação com a entrada. Um exemplo prático é uma máquina de lavar roupas. Nela, as operações de molhar, lavar e enxaguar são efetuadas em uma mesma base de tempo. A máquina não mede o sinal de saída, isto é a limpeza das roupas. Em qualquer sistema de controle em malha aberta a saída não é comparada com a entrada de referência. Assim, a cada entrada de referência corresponde uma condição de operação fixa; em consequência, a precisão do sistema de uma calibração. Na presença de pertubações, um sistema de controle em malha aberta não desempenhará a tarefa desejada. O controle de malha aberta pode ser usado, na prática, somente se a relação entre a entrada e a saída for conhecida e se não houver distúrbios internos ou externos. Cabe ressaltar que qualquer sistema de controle que opere numa base de tempo é de malha aberta, como por exemplo, o controle de tráfego por meio de sinais operados em uma base de tempo é um outro tipo de controle em malha aberta. Sistema de controle adaptativos. As características dinâmicas da maioria dos sistemas de controle não são constantes devido a várias razões, tais como deterioração de componentes ao longo do tempo ou as variações nos parâmetros e no ambiente. Embora os efeitos de pequenas variações sobre as características dinâmicas sejam atenuados em um sistema de controle realimentado, se as variações nos parâmetros do sistema e no ambiente forem significativas, um sistema satisfatório deve possuir a habilidade de adaptação. A adaptação implica na habilidade de se autoajustar ou automodificar de acordo com variações imprevisíveis nas condições de ambiente ou estrutura. O sistema de controle que possui uma habilidade franca de adaptação (isto é, o próprio sistema de controle detecta variações nos parâmetros da planta e faz ajustes necessários nos parâmetros do controlador a fim de manter um desempenho ótimo) é chamado sistema de controle adaptativo. Em sistema de controle

24 24 adaptativo, as características dinâmicas devem ser identificadas em todos os instantes, de modo que os parâmetros do controlador possam ser ajustados a fim de manter desempenho ótimo. Portanto, um sistema de controle adaptativo é um sistema nãoestacionário. O conceito de controle adaptativo tem grande atrativo para o projetista de sistemas, uma vez que um sistema de controle adaptativo, além de acomodar variações ambientais, também acomodará erros ou incertezas de projetos de engenharia moderados e compensará a falha de componentes de sistema secundários, aumentando desse modo a confiabilidade do sistema global. Sistema de controle de aprendizado. Muitos sistemas de controle aparentemente de malha aberta podem ser convertidos em sistemas de controle de malha fechada se um operador humano for considerado um controlador, comparando a entrada e a saída e efetuando a ação corretiva baseada no erro ou diferença resultante. Se tentarmos analisar tais sistemas de controle em malha fechada operados pelo homem, encontraremos o difícil problema de escrever as equações que descrevem o comportamento de um ser humano. Um dos muitos fatores de complicação neste caso é a habilidade de aprendizado do operador humano. Conforme o operador ganhe mais experiência, ele ou ela se tornará um melhor controlador, e isto deve ser levado em consideração na análise de tal sistema. Sistemas de controle que possuem uma habilidade para aprender são chamados sistemas de controle de aprendizado Classificação de Sistemas de Controle A introdução da teoria e desenvolvimento de controle moderna junto com as máquinas automatizadas, cujas possibilidades de aplicação foram expandidas através de controle eletrônicos e agora com os computadores digitais mais baratos e mais compactos, eles são usados como parte integrante destes sistemas de controle. Essa mudanças tem também liderados novos rumos e tecnologias. Elementos de controle são requisitos para a operação de máquinas e processos em quase todas as áreas de produção. Isto deve ser possível para iniciar, controlar e monitorar a operação de qualquer máquina ou processo. Entretanto, os

25 25 sistemas de controle possuem características que os diferem um dos outros, de acordo com o controle a ser efetuado. Este item apresenta as classificações de tais sistemas, de acordo com a literatura (OGATA, 1996). Os sistemas de controle podem ser classificados de muitas maneiras diferentes. Algumas destas maneiras são: Sistemas de controle lineares X não-lineares: Os sistemas físicos, geralmente, são não lineares em vários pontos. No entanto, se a faixa de variações das variáveis do sistema não for ampla, então o sistema pode ser linearizado dentro de uma faixa de variação relativamente pequena das variáveis. Para os sistemas lineares, o princípio da superposição se aplica, enquanto que para sistemas não-lineares, tal princípio não se aplica. Sistemas de controle invariantes no tempo X variante no tempo: um sistema de controle invariante no tempo é aquele cujos parâmetros não variam com o tempo. Portanto, a resposta de tal sistema é indepedente do tempo em que uma entrada é aplicada. Já um sistema de controle variável no tempo é um sistema em que um ou mais parâmetros variam com o tempo e resposta depende do tempo em que uma entrada é aplicada. Sistema de controle de tempo contínuo X discreto: em um sistema de controle de tempo contínuo, todas as variáveis do sistema são função de um tempo t contínuo, enquanto o sistema de controle de tempo discreto envolve uma ou mais variáveis que são conhecidas somente em instante certos instantes de tempo. Sistema de controle de entrada/saída simples X entrada/saída múltipla: um sistema de uma entrada e uma saída é donimado sistema de controle de entrada/saída simples. Quando o sistema possuir várias entradas e saídas, são chamados de sistemas entrada/saída múltiplas. Sistemas de controle de parâmetros concentrados X parâmetros

26 26 distribuídos: sistemas de controle que podem ser descritos por equações diferenciais ordinárias são sistemas de controle de parâmetros concentrados, enquanto que sistemas de controle de parâmetros distribuídos são aqueles que podem ser descritos por equações diferenciais parciais. Sistemas de controle determinístico X estocásticos: um sistema de controle é determinístico se a resposta à entrada é prognosticável e é repetível. Se não, o sistema de controle é estocástico. Sistemas de controle de malha aberta X malha fechada: os sistemas de malha aberta não verificam o valor da saída para comparar com um valor de referência. Já os sistemas de malha fechada, fazem tal comparação, obtendo um sinal de erro para efetuar uma ação de controle. Com base na classificação dos sistemas de controle relacionados acima, o sistema em questão neste trabalho pode ser classificado como, linear pois obedece uma faixa de variação, variante no tempo em relação as entradas aplicadas e o tempo de resposta e não a planta pois esta não se altera, de tempo contínuo pois as variáveis do sistema são função de um tempo, entrada/saída simples pois exerce somente um controle, parâmetros concentrados pois pode ser descrito através de equações diferenciais ordinárias, determinístico pois a resposta à entrada é prognosticavel e é repetível e de malha aberta pois o valor da saída não é verificado para se obter o sinal de erro para uma futura atuação ou correção. As definições de sistemas de controle de malha aberta e malha fechada foram apresentadas no item 2.2, e tais sistemas foram classificados neste item, entretanto, será feito uma comparação destes, para mostrar suas vantagens e desvantagens, um em relação a o outro Vantagens e Desvantagens de Sistemas de Malha Aberta e Malha Fechada Dependendo do tipo de controle a ser efetuado num dado processo, existem vantagens de desvantagens de utilizar um sistema de malha aberta ou um sistema de

27 27 malha fechada. Estas vantagens e desvantagens estão relacionadas à complexidade do controle, ao preço dos componentes do sistema de controle, bem como da viabilidade da implementação do controle. Os sistemas de malha fechada possuem a vantagem de que da realimentação torna a resposta do sistema relativamente insensível a distúrbios externos e variações internas nos parâmetros do sistema. Neste caso, pode-se utilizar componentes baratos e sem muita precisão para obter o controle preciso de uma dada planta (processo), enquanto que isto não é viável num sistema de malha aberta. Do ponto de vista de estabilidade, o sistema de controle em malha aberta é mais fácil de construir porque a estabilidade, do sistema não constitui um problema significativo. Por outro lado, a estabilidade é sempre um problema fundamental no sistema de controle de controle em malha fechada, o qual pode tender a corrigir erros que podem causar oscilações de amplitude constante ou variável. Deve ser enfatizado que, para sistemas nos quais as entradas são conhecidas antecipadamente e nas quais não há distúrbios, é aconselhável usar controle em malha aberta. Os sistemas de controle em malha fechada possuem vantagens somente quando distúbios imprevisíveis ou variações imprevisíveis nos componentes do sistema estão presentes. Cabe salientar que, o regime de potência de saída determina parcialmente o custo, o peso e a dimensão de um sistema de controle. O número de componentes usados em um sistema de controle em malha fechada é maior do que o de um correspondente sistema de controle em malha aberta. Assim, o sistema de controle em malha fechada é geralmente de custo e potência maior para poder conportar esta capacidade de ajuste deerro. Para diminuir a potência de um sistema, o controle em malha aberta pode ser usado onde a aplicabilidade for possível e viável. Uma combinação adequada de controles em malha aberta e em malha fechada é usualmente menos dispendiosa e dará desempenho satisfatório ao sistema global, não onerando o projeto de controle. É claro que nem sempre isto é viável e conveniente deve se estabelecer a real aplicação e necessidade do sistema.

28 Sistemas de Controle: Exemplos Os sistemas de controle são os mais variados possíveis. Referente as aplicações industriais, existem diversos sistemas de controle, pois sem tais sistemas a indústria moderna não seria a mesma. Entre os exemplos de sistemas de controle industriais, temos os robôs e as máquinas CNC (Controle Numérico Computadorizado - máquinas com controle numérico), controle de temperatura de caldeiras, entre outros, que são exemplos clássicos de sistemas de controle. Embora haja uma grande diversidade de sistemas de controle, em aplicações industrias é possível citar alguns exemplos e entre tais sistemas, temos: o controle numérico, o controle de temperatura, o controle de robôs, seus braços e da empunhadura. A seguir são apresentados de forma simplificada estes sistemas de controle, para exemplificar os tipos de controle Sistemas de Controle Numérico Controle numérico é um método de controle dos movimentos de componentes de máquinas pelo uso de números. Um bom exemplo de controle numérico são as máquinas CNC (Comando Numérico Computadorizado). Estas máquinas possuem um computador dedicado ao controle de movimento de eixos de uma máquina operatriz. O movimento de cada eixo é traduzido em grandezas numéricas por dispositivos específicos, chamados de encoders. O programa em uma máquina CNC determina o formato de uma peça (por exemplo, uma peça mecânica) a ser produzida CAPELLI (2002). Em controle numérico o movimento de uma ferramenta pode ser controlado pela informação binária contida em um disco. Estes elementos são chamados de encoders. Para exemplificar este sistema pode-se utilizar como exemplo um disco magnético. Para iniciar o disco é introduzido na leitora. O sinal de pulso de entrada modulado em freqüência é comparado com o sinal de pulso realimentado. O controlador executa operações matemáticas na diferença nos sinais pulsados. O conversor digital-para-analógico (D/A) converte o pulso de saída do controlador em

29 29 um sinal analógico que representa uma certa magnitude de tensão, que por sua vez, faz o servomotor girar. A posição da ferramenta é controlada de acordo com a entrada do servomotor. O transdutor acoplado à ferramenta converte o movimento em um sinal elétrico, que é convertido ao sinal de pulso pelo conversor analógico-para-digital (A/D). Então este sinal é comparado ao sinal de pulso de entrada. Se houver qualquer diferença entre esses dois, o controlador envia um sinal para o servomotor para reduzilo, conforme estabelecido inicialmente. Uma vantagem do controle numérico é que partes complexas podem ser produzidas com tolerâncias uniformes na máxima velocidade de perfuração Sistema de Controle de Temperatura Tendo-se um sistema de controle de temperatura como sendo o de um forno elétrico, temos que a temperatura no forno elétrico é medida por um termômetro, que é um dispositivo analógico. A temperatura deve ser convertida para uma informação digital através de um conversor analógico-para-digital (A/D). A temperatura digital é introduzida em um controlador através de uma interface. Esta temperatura digital é comparada com a temperatura de entrada programada, e se houver qualquer discrepância (erro) o controlador expede um sinal para o aquecedor, através de uma interface, amplificador e relé, para trazer a temperatura do forno a um valor desejado Sistema de Controle de Robôs A utilização de robôs industriais é freqüente para melhorar a produtividade. O robô pode manipular tarefas monótonas bem como tarefas complexas sem erros de operação. O robô pode trabalhar em um ambiente intolerável aos humanos. Por exemplo, ele pode trabalhar em temperaturas extremas (tanto altas quanto baixas) ou ambiente de alta e baixa pressão ou sob a água ou no espaço. Há robôs especiais para combate ao fogo, exploração subaquática e espacial, entre muitas outras aplicações.

30 30 Um robô industrial pode ser definido, segundo a RIA (ROBOT INSTITUTE of AMERICA), como um manipulador multifuncional programável projetado para mover materiais, partes, ferramentas e outros dispositivos especiais através de movimentos variáveis programados para a realização de uma variedade de trabalhos. Portanto, o robô industrial deve manipular partes mecânicas que tem formas e pesos particulares. Conforme esta definição, um robô, pode ter pelo menos um braço, um pulso e uma mão. Ele deve ter potência suficiente para desempenhar uma dada tarefa e a capacidade para, pelo menos, ter uma mobilidade limitada em uma fábrica. O robô industrial deve ter alguns dispositivos sensoriais. Em robôs de baixo nível, microchaves são instaladas nos braços como dispositivos sensoriais. O robô primeiro toca o objeto e depois, através de microchaves, confirma a existência do objeto no espaço e prossegue na etapa seguinte de empunhá-lo CAPELLI (2002). Segundo CAPELLI (2002), em um robô de alto nível, um meio ótico (tal como um sistema de televisão) é usado para explorar o fundo de cena do objeto. Ele reconhece o padrão e determina a presença e a orientação do objeto. Um computador é necessário para processar sinais no processo de reconhecimento de padrões. Em algumas aplicações, o robô computadorizado reconhece a presença e a orientação de cada parte mecânica por um processo de reconhecimento de padrões que consiste em leitura dos números de códigos apensos a ele. Depois o robô captura a parte e move-a para um local apropriado à montagem, e ali monta várias partes em um componente. Um computador digital bem programado atua como controlador Sistema de Controle de Braços de Robôs Em sistemas de controle de braços de robôs, um servosistema é usado para posicionar o braço e o pulso. Uma vez que o movimento do braço do robô freqüentemente requer velocidade e potência, pressão hidráulica ou pressão pneumática é usada como a fonte de potência. Para requisitos de potência média, motores de corrente contínua (motores CC) podem ser usados. E para requisitos de pequena potência, podem ser usados motores de sincronizador. No controle de movimentos seqüenciais, sinais de comando são armazenados

31 31 em discos magnéticos. Em sistemas de robôs de alto nível, o modo de controle de reprodução é freqüentemente usado. Deste modo, um operador humano primeiro ensina ao robô a seqüência desejada de movimentos operando algum mecanismo ligado ao braço; o computador no robô memoriza os movimentos seqüenciais desejados. Então, da segunda vez em diante, o robô repete fielmente a seqüência de movimentos. A figura a 2.1 mostra um exemplo de um braço robótico, de robôs manipuladores. FIGURA 2.1 O braço de um robô Sistema de Controle de força de Empunhadura da Mão de um Robô Usando um sistema de controle de força de empunhadura usando um dispositivo de leitura de força e um dispositivo de leitura de escorregamento. Se a força de empunhadura for demasiado pequena a mão do robô deixará cair o objeto mecânico; se ela for demasiado grande, a mão pode avariar ou esmagar o objeto. No sistema, a força de empunhadura é preestabelecida em um nível moderado antes que a mão toque o objeto mecânico. A mão ergue o objeto com a força de empunhadura preestabelecida. Se houver um escorregamento no movimento de elevação, ele será observado pelo

32 32 dispositivo de leitura de escorregamento e um sinal será enviado de volta ao controlador, que então aumentará a força de empunhadura. Desta maneira, uma força de empunhadura razoável pode ser efetuada e evita escorregamento, não avaria o objeto mecânico Conclusão A abordagem do capítulo 2 tem base teórica e conceitualização no histórico de sistemas de controle os seus primórdios, incluindo evoluções realizadas no que diz respeito a teoria de controle moderno, aplicadas no campo de controle ótimo com relação tanto a sistemas determinísticos quanto estocásticos. Conceitos relevantes foram abordados sucintamente no plano de tipos de sistemas de controle que tem pertinência sob o foco estudado incluindo classificação dos sistemas de controle, vantagens e desvantagens de alguns sistemas; além dos exemplos.

33 3. DISPOSITIVOS USADOS EM CONTROLE E AUTOMAÇÃO Vários são os dispositivos utilizados em controle e automação industrial, mas todos eles têm uma finalidade, controlar um processo ou auxiliar neste controle. Estes dispositivos são controladores programáveis, sensores, máquinas CNC, e sensor tipo encoders, inversores de freqüência, componentes eletropneumáticos, válvulas solenóides, entre outros. Cada dispositivo faz parte de uma aplicação de controle em particular, embora uma aplicação para ser efetuada deva ter um conjunto destes elementos para poder desempenhar efetivamente, o controle do processo. Um dispositivo muito importante para o controle de vários processos industriais é o Controlador Lógico Programável CLP. Em muitos processos industriais ele tem sido o coração do controle, determinando os procedimentos de uma seqüência de produção. Além do CLP, os motores são de vital importância para indústria, principalmente a manufatura, que atualmente é muito dependente deste elemento. Portanto em vários processos industriais, o CLP é o elemento que controla e o motor é o elemento controlado. Para auxiliar o controle, muitas vezes são usados sensores e dispositivos com funções específicas, como o inversor para controle de velocidade e encoders para auxílio no controle de posição. Este capítulo irá abordar alguns dispositivos de controle e automação industrial, mas em especial, aqueles que serão empregados neste trabalho. O item 3.1 aborda o controlador lógico programável, enquanto o 3.2 aborda os motores elétricos. O item 3.3 apresenta os inversores de freqüência e o 3.4 apresentam-se os conceitos de sensores. Por último, no item 3.5 é apresentada uma conclusão sobre os dispositivos apresentados em relação a sua aplicação na indústria e no trabalho em questão.

34 Controladores Lógicos Programáveis - CLPs Em máquinas e processos industriais é muito comum a necessidade de fazer uma aquisição de sinais, por exemplo, sinais de botoeiras, fins de curso, sensores ou mesmo deduzir uma lógica entre eles para comandar equipamentos tais como motores, válvulas, inversores, etc. Esta função é denominada de intertravamento. O intertravamento é uma das principais funções dos CLPs, que anteriormente eram feitas por relés. A figura a 3.1 apresenta um CLP. FIGURA 3.1 Exemplo de um CLP versão compacto Define-se como Controlador Lógico Programável CLP um equipamento eletrônico digital que tem como objetivo implementar funções específicas de controle e monitoração sobre variáveis de uma máquina ou processo por intermédio de módulos de entrada e saída. Todas as funções disponíveis devem poder ser programadas em uma memória interna e o hardware deve ser universal, podendo ser aplicado a todos os tipos de processos. Uma segunda definição pode ser encontrada em (NATALE, 2000), que define que um Controlador Programável é um computador com as mesmas características conhecidas do computador pessoal, porém em uma aplicação dedicada

35 35 na automação de processos em geral, assim como no comando numérico computadorizado CNC, que se trata de um computador na automação da manufatura. A associação Brasileira de Normas Técnicas ABNT padronizou o nome deste equipamento como Controlador Programável, porém a sigla CLP em português ou PLC (Programable Logical Controller, em inglês) se popularizou e por isso, normalmente ele é desta forma referenciado Áreas de Aplicação de CLPs Várias são as áreas de aplicação dos CLPs, sendo estes encontrados em quase todos os setores industriais envolvendo controle de processos, sendo a automação da manufatura uma das principais aplicações. Além da manufatura, o CLP pode ser encontrado em linhas de fabricação e montagem, na automação predial, no controle de subestações de energia, sendo que eles podem ser empregados em qualquer tipo de sistema que se deseja tornar automático, isto é, onde quer que sejam requeridas funções de controle, seqüência e intertravamento de ações e supervisão do andamento de alguma atividade. Uma forma de especificar suas aplicações é apresentar algumas que sejam usuais, sendo elas: Uso interno em máquinas-ferramenta, para funções de intertravamento e seqüenciamento das operações e controle de grandezas relevantes para a usinagem, tais como posição dos eixos, torque, velocidade de avanço, aceleração e outras; Uso da função de controlador PID (Proporcional, Integral e Derivativo) para controle de grandezas físicas como posição, rotação, velocidade, temperatura, pressão, vazão, força, potência e outras, na indústria metalmecânica, química, petroquímica, têxtil, geração e distribuição de energia entre outras; Controle do seqüenciamento e intertravamento das operações em linhas de produção e montagem automatizadas, freqüentemente substituindo lógicas de comando originalmente implementadas com relés.

36 Um Breve Histórico de CLPs Os CLPs foram originalmente inventados com o objetivo de substituir lógicas de comando implementadas originalmente com relés. Eles foram inicialmente aplicados na indústria automobilística, passando posteriormente a ter larga aplicação em todos os setores industriais. O interesse inicial da indústria automobilística foi devido ao grande investimento que era necessário na alteração da lógica de comando das suas linhas de montagem, que eram implementadas com relés. A cada alteração do modelo de um carro que iria ser produzido, a lógica de comando implementada com relés no processo anterior deveria ser totalmente reconfigurada, para o novo carro a ser produzido. O primeiro usuário de CLPs foi a General Motors, mas depois disso, ele tornou-se um dispositivo de larga aplicação na indústria. Para resumir a história dos CLPs, apresenta-se algumas datas importantes na evolução do mesmo conforme mostra o quadro 3.1. QUADRO 3.1 Datas importantes na evolução de CLPs 1968 Projeto do primeiro CLP para a General Motoras, baseado em componentes discretos 1971 Primeira aplicação fora da indústria automobilística 1975 Introdução do controlador PID analógico nos CLPs 1977 Realização dos CLPs com microprocessadores em lugar de componentes discretos 1978 CLPs ganham larga aplicação e aceitação na indústria Anos 80 Introdução de microcontroladores para aumentar a capacidade dos CLPs Arquitetura dos CLPs A arquitetura dos CLPs pode ser observada com relação à composição interna, a maneira como são vendidos, além dos tipos de entrada e saída destes (NATALE, 2000). Quanto a composição interna dos seus componentes, os CLPs possuem uma arquitetura interna básica conforme mostra a figura a seguir. Todas as unidades são interligadas por um barramento de endereços e um de dados. Os barramentos de dados e endereços definem, respectivamente, o caminho de troca de informações entre o

37 37 processador e as demais unidades do sistema e o endereço de acesso de cada unidade. Antes de enviar ou receber dados, de qualquer dispositivo ligado ao barramento de dados, o processador seleciona o endereço correspondente deste dispositivo no barramento de endereços. A figura 3.2 mostra arquitetura interna de um CLP. FIGURA Arquitetura interna de um CLP Quanto aos diversos modelos de CLPs existentes no mercado, eles podem ser resumidos em dois tipos: modelo compacto, onde a CPU (Unidade Central de Processamento - processador) e todos os módulos de entrada e saída se encontram no mesmo rack e o modular, onde a CPU e os demais módulos de entrada e saída se

38 38 encontram separados e vão sendo montados em função da configuração exigida pela aplicação. A figura 3.3 a seguir apresenta um CLP modular. FIGURA 3.3 Um exemplo de um CLP modular Com relação aos tipos de entrada e saída existentes em CLPs, basicamente, existem dois tipos: as entradas/saídas analógicas e as entradas/saídas digitais. A entrada de um CLP é o ponto de conexão onde todos os sinais são recebidos pelo CLP a partir de dispositivos ou componentes externos (sensores). A saída de um CLP é o ponto de conexão onde todos os sinais são enviados do CLP para comandar dispositivos ou componentes do sistema de controle (atuadores). As entradas/saídas digitais são pontos que recebem/fornecem apenas dois tipos de informação, enquanto as entradas/saídas analógicas recebem/fornecem um sinal proporcional de informação Arquitetura Funcional dos CLPs Do ponto de vista funcional, pode-se considerar que a arquitetura de um CLP executa as seguintes funções: aquisição e comando, barramento de dados, memória RAM (Randon Access Memory), armazenamento do programa aplicativo, processamento. A aquisição é realizada ciclicamente pelos módulos de entrada e saída que

39 39 podem ser digitais ou analógicos. O tempo entre cada atualização dos pontos de entrada/saída é chamado de ciclo de varredura. Os módulos de entrada aquisitam os sinais do campo e os módulos de saída realizam acionamentos em campo a cada ciclo de varredura. O ciclo de varredura pode varia de 5ms à 600ms, dependendo da rapidez da CPU e do tamanho do programa aplicativo, sendo o tempo de ciclo típico de um CLP da ordem de 100 ms. O total de pontos de entradas (analógicas e digitais) e saídas (analógicas e digitais) é fator preponderante para determinar o tipo de CLP a ser utilizado de modo a garantir a performance esperada do sistema. Numa divisão simples, pode-se considerar como de pequeno porte um CLP de até 64 pontos de entrada/saída, de médio porte até 500 pontos de entrada/saída e de grande porte, acima deste número. Em pequenos CLPs o barramento de dados é feito na própria placa da CPU, pois os módulos de aquisição de dados e módulos de saída estão integrados em um só conjunto. Em CLPs maiores o barramento de dados está na placa traseira do bastidor onde a CPU e os módulos de aquisição são encaixados. Outro sistema, mais econômico, utiliza um cabo plano entre os módulos de entrada/saída e a CPU denominado flat-cable. A desvantagem do flat-cable é que o usuário precisa se lembrar de desconectar o cabo antes de retirar o módulo, pois, do contrário, poderá danificar o barramento. A maioria dos CLPs tem diagnóstico na CPU para falha neste barramento. Uma função adicional oferecida nos CLPs de maior porte é a troca a quente dos módulos de entrada/saída. Esta função permite ao usuário trocar um cartão de entrada/saída sem interromper a comunicação no barramento de dados. A memória RAM é alimentada por bateria e ela armazena o estado de todos os operandos do CLP. Assim, se um operando de entrada, por exemplo, um sensor conectado a uma entrada digital ligar, este estado será alterado na memória para nível lógico 1. Cada operando digital ocupa 1 bit na memória e os operandos analógicos ocupam 16 bits. Na RAM também são armazenados operandos internos utilizados no programa. O tamanho desta memória limita o uso de operandos internos no programa

40 40 aplicativo. Por este motivo é importante saber a limitação de operandos internos da CPU. Ao contrário de programas de computador, os programas aplicativos de CLP em linguagem Ladder, são pequenos, e para aplicação de cerca de 500 pontos de entrada e saída podem ser menores que 64 kbytes. O programa aplicativo fica guardado na memória de programa, que pode ser uma EPROM (Eraseble Programable Read Only Memory), RAM alimentada com bateria ou Flash. O sistema de armazenamento em memória RAM alimentada por bateria é muito susceptível a perda de programa, uma vez que a bateria pode perder a carga e, nesse caso, o se CLP for desligado o programa é perdido. A memória RAM é utilizada somente como local provisório de armazenamento do programa durante o start-up do sistema, uma vez que sua gravação é muito rápida. A memória EPROM é muito segura em relação ao fato da perda de programas, sendo utilizada para gravar a versão final do programa. Devido à dificuldade de gravação da EPROM que necessita de gravador especial e à dificuldade de reaproveitamento, já que é necessário apagar a memória com luz ultravioleta para uma nova gravação, esse tipo de memória de programa deixou de ser empregada para esta finalidade. Atualmente, a memória mais utilizada é a memória Flash, que permite gravar e apagar eletricamente, não perde os dados sem energia e permite até 1000 regravações, além de ter capacidade superior chegando a armazenar programas de 1MB. O processo de transferir o programa aplicativo da memória RAM para Flash é simples, precisando apenas um comando de software de programação do CLP. O processamento do programa aplicativo do CLP é executado pela CPU. A figura 3.4 mostra uma placa de CPU de um CLP. Nos pequenos CLPs a CPU, a fonte e os módulos de entrada/saída constituem uma única caixa, chamados de compactos, e é difícil distinguir a CPU. Os CLP de maior número de entradas e saídas são modulares e, normalmente, tem-se um módulo só para a fonte de alimentação que alimenta a CPU e a eletrônica dos módulos de entrada/saída, um módulo para a CPU e os módulos de entrada/saída. Um exemplo de uma placa de CPU é mostrada na figura 3.4.

41 41 FIGURA 3.4 Placa de CPU de um CLP A Linguagem de Programação de um CLP Em um sistema computacional, quando se deseja que um algoritmo seja executado, normalmente utiliza-se uma linguagem de programação para determinar a seqüência de instruções que a unidade central de processamento deve executar. Certamente este algoritmo estará escrito numa forma que o processador do computador e os elementos de hardware que o compõem, interpretem as instruções a serem executadas. Estes dados são manipulados pela máquina na forma de energia elétrica de dois estados, isto é, numa forma binária. Assim como num computador convencional, o processador do CLP opera com uma série de instruções e dados codificados na forma de energia elétrica de dois estados. Quando se fala em sinais de energia elétrica de dois estados deseja-se dizer a

42 42 ausência ou a presença desta energia. Uma forma muito utilizada para descrever tal situação é dizer que o sistema opera de forma binária, isto é, com instruções e dados binários, os zeros e uns. Como os CLPs surgiram da necessidade de substituir os painéis de controle a relés, uma linguagem de programação que fosse simples de ser entendida deveria ser elaborada. Além disso, esta linguagem deveria ser familiar à experiência dos técnicos e engenheiros, conforme a lógica de relés. Deste modo, foi desenvolvida a linguagem Ladder, conhecida como diagrama de contatos, que hoje é considerada uma linguagem padrão, embora não única, destes controladores. A programação Ladder obedece uma norma européia a IEC e ela é adotada por 99% dos fabricantes de CLP s (NATALE, 2000). Os editores de programas na linguagem Ladder (normalmente para microcomputadores), possuem um ambiente gráfico. Neste ambiente, o programador vai desenhando o diagrama de contatos, conforme a lógica do programa a ser implementado. Depois de elaborado tal programa, este será compilado, gerando assim, o código-objeto, o qual pode ser armazenado como um arquivo executável. O programa executável deve ser transferido do computador para o CLP, sendo que esta operação é conhecida como download. A transferência do arquivo executável é feita através de um cabo conectado a ambos os dispositivos. Este cabo, normalmente é ligado a uma interface serial em ambos. Depois que o programa foi transferido para o CLP, o programa executor do CLP pode executá-lo, dispensando o computador. Alguns CLPs possuem uma bateria para manter o programa armazenado na memória RAM, caso o equipamento seja desligado. O diagrama de contatos de um programa Ladder é um desenho formado por duas linhas verticais, que representam os pólos positivo e negativo de uma fonte de alimentação genérica. Entre essas duas linhas verticais são desenhados ramais horizontais que possuem chaves, que podem ser de lógica normalmente aberta ou normalmente fechada. Estes ramais horizontais, normalmente abertos ou fechados, representam os estados das entradas do CLP. Nesses ramais horizontais são

43 43 representadas as saídas do CLP, normalmente com um círculo, de maneira tal que o estado delas depende do estado das entradas desse mesmo ramal. Para exemplificar pode-se observar na figura 3.5, um programa simples, onde se tem uma entrada (sensor) controlando uma saída (atuador). Eles são representados por uma entrada normalmente aberta e uma saída com um círculo ou algo similar. Se a entrada for acionada (sensor), a saída irá responder (atuador). FIGURA 3.5 Exemplo de diagrama Ladder O I1 corresponde a entrada digital número 1 do CLP e Q1 a saída digital 1 do mesmo. Conforme o diagrama de contatos, pode-se observar que a saída será acionada após a entrada ser ativada. Quando é utilizada a lógica negativa ou inversora, a chave passa a ser do tipo normalmente fechada. A figura 3.6 mostra o mesmo programa da figura um, mas com o uso da lógica negativa. FIGURA 3.6 Exemplo de diagrama Ladder com lógica negativa As funções típicas de serem implementadas num diagrama de contatos

44 44 ( Ladder ) são as seguintes: NOT, AND, OR, NAND, NOR. Para implementar as funções NAND e NOR é mais simples observar o teorema de DE MORGAN. O teorema de DE MORGAN mostra que: A B A B (1) A B A B (2) Assim, um circuito NAND e um NOR, implementado observando o teorema de DE MORGAN fica conforme mostra a figura 3.7. FIGURA 3.7 Exemplo de diagrama Ladder com lógica NAND e NOR A figura mostra que se a entrada I1 e I2 não estiverem acionadas, a saída Q1 estará ativada, isto é, a lógica NOR do teorema de DE MORGAN ; enquanto que se as estradas I3 ou I4 não estiverem acionadas, a saída Q2 estará ativada, isto é, a lógica NAND do mesmo teorema. Para obter a lógica AND, basta deixar as entradas I1 e I2 sem o símbolo de inversão e para a lógica OR, as entradas I3 e I4 devem estar sem inversão Motores Elétricos Na indústria, normalmente, é necessário utilizar vários dispositivos de controle para que o processo produtivo seja realizado como planejado. Anteriormente, falou-se a respeito dos controladores programáveis, como os elementos que permitem realizar uma lógica de comando nos dispositivos existentes na indústria de um modo geral. Mas além de dispositivos de controle, os processos industriais precisam de

45 45 elementos que realizem trabalho. Este trabalho, normalmente está associado a um movimento mecânico, a uma variação de temperatura, pressão, entre outros. Para realização de trabalhos mecânicos, geralmente, a indústria tem como fonte de força e movimento os motores elétricos. Eles são usados em larga escala nos processos produtivos industriais, mas em especial para realização de tarefas mecânicas. Certamente existem outros elementos capazes de gerar movimentos, em especial, os dispositivos eletro-pneumáticos e eletro-hidráulicos, os motores elétricos são muito importantes na geração de movimento mecânico. Para FITZGERALD (1975), as máquinas eletromagnéticas rotativas, muito comuns e muito importantes os motores e geradores que produzem a potência da qual as sociedades industrializadas dependem. Portanto, os motores elétricos convertem energia elétrica em trabalho mecânico, que é útil para várias aplicações industriais, na sociedade moderna. Para MAMEDE (1995), o motor elétrico é uma máquina que transforma energia elétrica em energia mecânica de utilização, sendo esta a definição de motor elétrico a ser adotada neste trabalho. Os motores elétricos dividem-se em dois grandes grupos, tomada a forma de tensão como base: corrente contínua e corrente alternada. Os motores de corrente contínua são aqueles acionados através de uma fonte de corrente contínua MAMEDE (1995). Já os motores de corrente alternada são os motores acionados por uma fonte de corrente alternada MAMEDE (1995). Para cada tipo de motor determinadas aplicações são recomendáveis. Por exemplo, os motores de corrente contínua são mais utilizados quando se deseja um controle fino de posição, num processo qualquer de fabricação, enquanto que os motores de indução são utilizados na maioria das aplicações industriais. Os motores elétricos classificados dentro dos grupos de corrente contínua e corrente alternada, podem ser novamente subdivididos e esta subdivisão pode ser visualizada na figura 3.8 a seguir. Neste trabalho não serão abordados todos os tipos de motores. As definições destes motores assim como seus respectivos modos de funcionamento podem ser encontrados na literatura específica da área. A figura 3.8 mostra a classificação dos motores.

46 46 FIGURA 3.8 Classificação de motores elétricos Comparação motores corrente contínua e motores corrente alternada Um dos elementos mais clássicos da eletrônica industrial é o acionamento de motores. Tendo como exemplo uma indústria de papel onde produto deve ser bobinado pelas várias etapas de seu processo, e para tal, o papel deve permanecer esticado. Portanto os motores que giram as bobinas devem permanecer com a rotação constante, além de manterem o sincronismo entre eles. Caso um dos motores gire mais rápido que o outro, então: ou o papel ficará com folga, criando uma barriga ou o papel pode esticar tanto a ponto de romper-se. O acionamento neste caso é utilizado para controlar a velocidade de rotação e torque do motor, de modo a manter a correta tensão mecânica do papel. Normalmente, utiliza-se um acionamento para cada motor. Os acionamentos podem ser classificados em duas famílias de acordo com o tipo de motores que eles acionam: os acionamentos de corrente contínua (chamados de conversores CC) para motores de Corrente Contínua (motores CC) e os acionamentos de corrente alternada (chamados de inversores de freqüência) para motores de Corrente Alternada (motores CA). Os acionamentos CC já estão obsoletos, sendo utilizados apenas em situações específicas. O principal motivo é que os motores CC, que são acionados por

47 47 conversores CC, têm sido desprezados para aplicações industriais. Os motivos são que estes motores não podem atingir uma velocidade muito alta, devido à forma de construção do seu rotor e à comutação do seu coletor (faiscamento). Uma outra desvantagem é a necessidade constante de manutenção (troca de escovas, limpeza, balanceamento, entre outros), além disso, eles têm um alto preço, tornando o seu uso limitado a aplicações que exigem um alto torque. Um exemplo de aplicação de motores CC com o respectivo acionamento é o metrô de São Paulo. Os acionamentos em corrente alternada são predominantes na indústria e o interesse maior neste tipo de acionamento reside no tipo de motor que ele aciona, o motor de corrente alternada. O motivo que têm levado a indústria a investir nos motores de corrente alternada, são que eles possuem muitas vantagens em relação ao motor de corrente contínua. Estas vantagens são: baixa manutenção, ausência de escovas comutadoras, ausência de faiscamento, baixo ruído elétrico, custo inferior e velocidade de rotação superior. O uso de equipamentos e dispositivos na indústria está fortemente associado ao custo destes, e a não ser quando uma aplicação for muito específica, o fator custo é decisivo na escolha de um determinado tipo ou de outro. No caso de motores elétricos não é diferente; os motores elétricos assíncronos de indução têm um custo reduzido de compra e de manutenção e uma vida útil longa e por isso são aplicados em larga escala na indústria. Neste trabalho serão abordadas as características deste tipo específico de motor elétrico, pois este é o tipo de motor usado neste trabalho Motores Elétricos de Indução Os motores elétricos de indução são motores acionados por uma corrente elétrica alternada. A figura a seguir ilustra um exemplo de um motor de indução trifásico. Os motores elétricos de indução podem ser trifásicos ou monofásicos. Os motores monofásicos são aqueles providos de um enrolamento auxiliar defasado de 90º elétricos do enrolamento principal. Este enrolamento auxiliar tem a finalidade de tornar rotativo o campo magnético e isto é que permite a partida do motor monofásico.

48 48 Já os trifásicos são aqueles alimentados por um sistema a três fases, em que as tensões estão defasadas de 120º elétricos uma das outras. Esta defasagem é que permite que o motor tenha uma partida. Neste trabalho serão abordados os motores elétricos trifásicos de indução um exemplo deste é mostrado figura 3.9. FIGURA 3.9 Motor elétrico trifásico de indução com rotor bobinado. Estes motores possuem duas partes básicas: o estator e o rotor. O estator é formado por três elementos: a carcaça, que corresponde à estrutura de suporte do rotor; o núcleo, constituído de chapas magnéticas adequadamente fixadas ao estator; e os enrolamentos, constituídos de material condutor isolado e dispostos sobre o núcleo. O rotor também é constituído de três elementos básicos: o eixo, responsável pela transmissão da potência mecânica gerada pelo motor; o núcleo, constituído de chapas magnéticas; e os enrolamentos, constituídos de material condutor e dispostos sobre o núcleo. Os motores elétricos trifásicos de indução podem ser construídos de duas maneiras com rotor bobinado e com rotor em gaiola. Os motores com rotor bobinado são muito usados em projetos industriais, principalmente quando se necessita de controle adequado à movimentação de carga, ou se deseja acionar uma dada carga

49 49 através de um reostato de partida. Já os motores com rotor em gaiola são os mais populares e são usados em larga escala na indústria. Os motores com rotor bobinado são construídos com o rotor envolvido por um conjunto de bobinas, normalmente interligadas, em configuração estrela, com os terminais conectados a três anéis, presos mecanicamente ao eixo do motor, porém isolados eletricamente, e ligados através de escovas condutoras a uma resistência trifásica, provida de cursor rotativo. Assim, as resistências são colocadas em série com o circuito do enrolamento do rotor, e a quantidade utilizada depende do número de estágios de partida adotado, que, por sua vez, é dimensionado em função exclusivamente do valor da máxima corrente admissível para acionamento de carga. A figura a seguir mostra, esquematicamente, a ligação dos anéis acoplados ao reostato de partida, com a barra de curto-circuito, medianamente inserida. Já um motor com rotor em gaiola é constituído de um conjunto de barras não isoladas e interligadas através de anéis condutores curto-circuitados. Este motor opera numa velocidade constante, variando, ligeiramente, com a aplicação de carga mecânica no eixo. A próxima figura 3.10 mostra o esquema de ligação de um motor com rotor bobinado. FIGURA 3.10 Esquema de ligação do motor com rotor bobinado Princípio de Funcionamento de Motores de Indução Trifásicos O motor de indução baseia-se no princípio da formação de campo magnético rotativo produzido no estator, pela passagem da corrente alternada em suas bobinas, cujo fluxo, por efeito de sua variação, se desloca em volta do rotor, gerando neste,

50 50 correntes induzidas que tendem a opor-se ao campo rotativo, sendo, no entanto, arrastado por este. O rotor em nenhuma hipótese atinge a velocidade do campo rotativo, pois, do contrário, não haverá geração de correntes induzidas, eliminando-se o efeito magnético rotórico responsável pelo trabalho mecânico do rotor. Quando o motor está girando em vazio, ou seja, sem a presença de carga mecânica no eixo, o rotor desenvolve uma velocidade angular de valor praticamente igual à velocidade síncrona do campo girante do estator. Adicionando-se carga mecânica ao eixo, o rotor diminui a sua velocidade. A diferença existente entre as velocidades síncronas e do rotor é denominada escorregamento, que representa a fração de rotação que perde o rotor a cada rotação do campo rotórico. O escorregamento em termos percentuais é dado pela equação do escorregamento. S S S 100(%), onde: S velocidade síncrona; - velocidade angular do rotor. Esta forma de funcionamento independe do tipo de motor trifásico de indução, isto é, seja ele com rotor bobinado ou com rotor em gaiola. Destes dois tipos de motores o trabalho têm interesse no motor trifásico de indução com rotor em gaiola Identificação de Motores de Indução com Rotor em Gaiola Normalmente, os motores elétricos apresentam uma placa de identificação que contêm as características especificadas pelo fabricante. Estas características visam apresentar ao técnico para quais aplicações o motor foi projetado, qual será o seu comportamento em excesso de carga, se ele é apropriado para ser instalado em determinados locais, e demais itens que devem ser considerados ao se utilizar um motor na indústria. Geralmente, as especificações fornecidas pelo fabricante são: norma sob qual o motor está vinculado, nome do fabricante, potência, polaridade, rotações, tensões/freqüência, corrente nominal, fator de potência, rendimento, categoria, classe de isolamento, grau de proteção, regime de trabalho, tipos de ligações, fator de serviço.

51 51 Estas especificações de motores normalmente são apresentadas pelo fabricante na forma de uma placa de identificação do motor. A figura 3.11 a seguir mostra uma placa de identificação de um motor elétrico de indução. principais. FIGURA 3.11 Exemplo de placa de identificação de um motor elétrico Dentre as especificações apresentadas pelo fabricante, serão abordadas as a) Norma sob a qual o motor está vinculado: de acordo com o mercado ao qual o motor está sendo vendido, o mesmo deve atender a alguns requisitos do país a que estão normalizados, por exemplo, para vender para a Europa, o motor deve seguir a norma IEC 34.1, se for nos Estados Unidos ele deve seguir a norma NEMA, no Canadá a CSA C390 e no Brasil a NBR b) Fabricante: apresenta o nome da empresa que fabricou o motor. c) Potência: é a potência que o motor pode fornecer no eixo, em regime contínuo, sem que os limites de temperatura dos enrolamentos sejam excedidos aos valores máximos permitidos por norma, dentro da sua classe de isolamento. d) Polaridade: é a forma com que o enrolamento estatórico pode ser bobinado,

52 52 portanto de acordo com o enrolamento do estator, serão formados dois ou quatro pólos magnéticos, no motor, por exemplo. e) Rotações: Determina o número de rotações por minuto do motor (RPM). f) Tensões/freqüência: A tensão especifica qual a quantidade de voltas que o motor precisa para operar. As tensões nominais mais utilizadas em instalações elétricas industriais são as de 220, 380 e 440V. A freqüência é a quantidade em Hertz, da variação da tensão elétrica fornecida. A freqüência nominal fornecida pelas concessionárias de distribuição de energia no Brasil é padronizada em 60 Hz. g) Corrente Nominal: é aquela solicitada da rede de alimentação pelo motor, trabalhando à potência nominal, com freqüência e tensões nominais. h) Fator de Potência: é a relação entre o componente ativo da potência e o valor total desta mesma potência. Como o fator de potência é uma relação entre duas quantidades representadas pela mesma unidade (a potência) ele é um número adimensional. i) Fator de Serviço: É um número que pode ser multiplicado pela potência nominal, a fim de se saber a carga permissível que o motor pode acionar, em regime contínuo, dentro de condições estabelecidas por norma, desde que a temperatura dos enrolamentos não ultrapasse em 10ºC da especificação de sua classe de isolamento. j) Categoria: observa o conjugado de um motor em relação à sua velocidade e a corrente de partida. Os motores de indução com rotor em gaiola são classificados em categorias, onde cada uma é adequada a um dado tipo de carga e estas categorias são definidas na norma NBR k) Classe de Isolamento: observa os materiais isolantes e sistemas de isolação classificados em classes de isolamento, cada qual definida pelo seu respectivo limite de temperatura que o material pode suportar continuamente, isto é, a maior temperatura que o material pode suportar sem afetar a sua vida útil. l) Grau de Proteção: observam os invólucros dos equipamentos elétricos, conforme características do local em que serão instalados, além de sua acessibilidade. A norma NBR 6146 define os graus de proteção dos equipamentos elétricos por meio

53 53 das letras IP seguida de dois algarismos. m) Regime de Trabalho: o regime de trabalho ou de serviço de um motor, determina os diferentes tipos de funcionamento, como por exemplo, em regime contínuo, regime intermitente, entre outros a características dos regimes de serviços de motores podem ser encontradas na NBR n) Tipos de Ligação: define a maneira como são conectados os terminais das bobinas dos enrolamentos estatóricos do motor, antes destes serem conectados à rede de alimentação. Dependendo desta configuração, o motor pode ser ligado à rede de alimentação em diferentes valores de tensão. Destas especificações fornecidas pelo fabricante, algumas são críticas para a escolha de um tipo particular de motor e serão mais detalhadas a seguir. Estas especificações são: a categoria, regime de trabalho, grau de proteção e a classe de isolamento. Com relação a categoria de um motor, este pode ser do tipo N, H ou D, conforme a norma NBR Um motor de categoria N apresenta conjugado de partida normal, corrente de partida normal e baixo escorregamento. A maioria dos motores tem esta categoria (bombas, ventiladores, máquinas operatrizes, injetoras de termoplásticos, furadeiras, entre outros). Já um motor de categoria H apresenta um conjugado de partida alto, corrente de partida alta e baixo escorregamento. Eles são usados quando é necessário um alto torque de partida (pontes rolantes, elevadores de carga, britadores, transportadores). Por último, os motores de categoria D, apresentam conjugado de partida alto, corrente de partida alta e alto escorregamento (>50%). Eles são usados tração elétrica, como ônibus, trens, em prensas excêntricas e semelhantes. O regime de trabalho é determinado pelo tipo de aplicação no qual o motor será empregado. O regime de trabalho ou serviço é designado pela letra S, seguida de um número. Os principais regimes são: S1 regime contínuo; S2 regime de tempo limitado (a temperatura do motor = a do ambiente quando o motor for ligado novamente); S3 intermitente periódico (a temperatura do motor é diferente a do

54 54 ambiente quando o motor for ligado novamente); S4 intermitente periódico com partida; S5 intermitente periódico com frenagem elétrica; S6 contínuo periódico com carga intermitente; S7 contínuo periódico com frenagem elétrica; S8 contínuo periódico com mudança de carga e velocidade; S9 variações não-periódicas de carga e velocidade; S10 cargas constantes distintas; No caso do grau de proteção, observam-se as proteções contra corpos sólidos e líquidos. A figura 3.12 sintetiza os graus de proteção adequados, conforme a norma NBR FIGURA 3.12 Graus de proteção de um motor elétrico

55 55 Para a classe de isolamento de um motor deve-se observar a temperatura que os materiais isolantes usados na fabricação do motor são capazes de suportar. Basicamente, existem cinco classes, conforme sua temperatura máxima permitida: A (105ºC), E (120ºC), B (130ºC), F (155ºC) e H (180ºC) Característica de Operação de Motores Trifásicos de Indução Os motores elétricos trifásicos de indução com rotor em gaiola são projetados para operar em condições normais, ou seja, de acordo com os limites especificados nos seus dados de placa. Se os dados de placa de um motor não forem respeitados, o motor estará operando em condições diferentes das quais ele foi projetado e, portanto ele pode apresentar um comportamento diferente do esperado. Na maioria das aplicações os motores podem ter seu desempenho afetado pela variação da tensão, da freqüência e na partida, sendo estes os parâmetros os principais a serem observados. Nestes casos, deve-se observar o comportamento do motor, pois sua operação normal terá alguns ítens modificados. A variação da tensão e da freqüência pode ocorrer por diversos motivos e, entre eles, por exemplo está a variação da tensão e/ou freqüência de suprimento da concessionária à indústria. No caso da variação das condições de partida, deve-se verificar se a ténica utilizada para partir o motor é adequada. Quando ocorrer a variação de tensão em um motor, a NBR 7094 especifica que o motor deve desempenhar o seu papel principal sob as variações de tensão. O papel principal de um motor elétrico é o de acionar a carga, ou seja, o motor deve ter conjugado suficiente para garantir as condições de plena carga. Por exemplo, se a tensão nominal sofrer uma redução de 10%, isto é, for igual a 90% do valor nominal, o conjugado máximo de partida do motor é reduzido a 81% e sua temperatura terá uma elevação de 5% do valor normal. Quando ocorrer uma variação de freqüência, o motor também deverá desempenhar o seu papel principal. Por exemplo, se a freqüência for reduzida de 60 para 50 Hertz, o conjugado de partida diminui 17% e a rotação aumenta 20%, embora a potência nominal permaneça a mesma.

56 56 Por fim, quando houver uma variação do desempenho do motor causado pelo mau acionamento (partida), deve-se realizar um estudo para determinar qual a melhor metodologia de acionamento do motor. Normalmente o acionamento de motores é feito por meios diretos, através de contactores. Porém em situações críticas, o acionamento pode ser feito por meios indiretos, como chave estrela-triângulo, chave compensadora, softstarter, entre outros Especificação de Motores Elétricos para uma dada Aplicação A especificação de motores elétricos para uma dada aplicação não é uma tarefa trivial. Para efetuar a escolha, deve-se observar vários itens, como a característica da carga a ser aplicada ao eixo do motor, o seu regime de funcionamento, entre outros elementos. As aplicações mais usuais são a de ventiladores, bombas, compressores e talhas. Além das especificações usuais, existem aplicações especiais, onde os fatores que determinam a escolha de um motor devem ser observados com muito cuidado. Para as aplicações típicas, deve-se observar certas características que o motor deve conter. Estas características são a tensão de alimentação, a freqüência, o método de partida, o ambiente, as características construtivas, a potência nominal, a velocidade, o tempo de aceleração, a corrente equivalente, enfim muitos atributos. Para cada aplicação estes atributos são diferentes e a escolha do motor deve observá-los. Portanto, mesmo para aplicações usuais, a especificação de um motor pode variar muito, pois desde o local em que o motor vai ficar (altitude, temperatura ambiente, unidade, etc.), até o regime de trabalho deste motor irão influenciar na escolha. Devido a grande variedade de fatores a serem observados, a tarefa de especificar um motor merece um estudo à parte, para determinar uma metodologia para cada aplicação. Neste trabalho a aplicação em que o motor será empregado é sem carga porém tomaremos como referência para especificação a talha. Uma talha não passa de uma esteira ou um elevador de cargas. As principais características a serem observadas nas talhas são o fator de redução, a carga a ser levantada, a velocidade de levantamento de carga, o rendimento do sistema, o

57 57 momento de inércia do acoplamento mais o redutor, o diâmetro da polia e a classe de operação do motor. Como no trabalho em questão o motor vai trabalhar em vazio, isto é, sem carga, não é necessário determinar todas estas características da talha. Para o problema em questão deve-se especificar: a tensão de alimentação, a freqüência nominal, o ambiente e regime de trabalho. A seguir descreve-se o que deve ser considerado na especificação de um motor, em especial, a talha, a qual pretende-se apenas controlar sua velocidade. a) Tensão de Alimentação: a tensão de alimentação é baseada na rede disponível, portanto será trifásica de 220 volts. Esta tensão trifásica não é típica, mas neste caso, por limitação financeira, um inversor monofásico de 220 volts pode acionar um motor trifásico de 220 volts se especificado corretamente. Devido as características construtivas do inversor, ele consegue gerar um sinal trifásico alternado para a criação do campo girante do motor e portanto, o motor trifásico poderá ser acionado a partir de uma rede monofásica. b) Freqüência Nominal: a freqüência é baseada na freqüência da rede de alimentação, no caso do Brasil, é de 60 Hertz. c) Altitude: é a altitude do local em relação ao nível do mar, que no caso da cidade de Lages é de aproximadamente 960 metros, que é menor que 1000 m, portanto não precisa de um motor específico. d) Temperatura Ambiente: tipicamente em torno de 15ºC no inverno e 35ºC no verão. Por ser inferior a 40ºC, não precisa de um motor específico. e) Condições do Local de Instalação: as condições são de pouca poeira e praticamente nula a possibilidade de respingos de água. Existe a possibilidade concreta de toque acidentais na carcaça. Os corpos sólidos estranhos são possivelmente maiores que 50 mm e os toques acidentais muito prováveis. Portanto, neste caso um grau de proteção IP 55 é excelente. f) Regime de Trabalho: o regime de trabalho das talhas está especificado na NBR Neste caso esta talha tem um regime de trabalho intermitente periódico. Neste caso o regime de trabalho do motor deve ser do tipo S4. Por limitações financeiras escolheu-se um motor com regime S1, que é mais comum. Neste caso

58 58 deve ser tomado o cuidado com o número de partidas consecutivas do motor nos testes, para que este não venha a queimar Inversores de Freqüência O acionamento de um motor de corrente alternada pode ser feito através de diversos dispositivos, como chave estrela-triângulo, softstarter e outros. Além destes, temos o inversor de freqüência para controlar a velocidade do motor.. A figura 3.13 a seguir mostra um inversor de freqüência. FIGURA 3.13 Exemplo de um inversor de freqüência A função do inversor de freqüência é regular a velocidade de motores elétricos de indução, mantendo seu torque (conjugado). A velocidade de rotação de um motor de corrente alternada depende da freqüência de alimentação. Quanto maior a freqüência, maior a rotação e vice-versa. A equação que rege esta característica é a seguinte:

59 59 f N 120, onde: P N é a rotação em RPM (rotações por minuto); f é a freqüência da rede em Hertz (Hz); P é o número de pólos do motor. Considerando que o número de pólos de um motor CA seja determinado na sua fabricação, a variação da freqüência de alimentação no motor será proporcional a variação da velocidade de rotação. Deste modo, conforme CAPELLI (2002), um inversor de freqüência pode ser considerado como uma fonte de tensão alternada de freqüência variável A Eletrônica do Inversor Um inversor é composto por alguns componentes eletrônicos que permitem acionar um motor elétrico trifásico e monofásico de corrente alternada. Estes dispositivos são na verdade componentes eletrônicos. Tais componentes são arranjados de forma a estabelecer um campo magnético girante, do mesmo modo que o motor foi projetado para operar. Em outras palavras pode-se dizer que se um motor for acionado diretamente pela rede de energia elétrica ou através do inversor, ele terá um campo magnético girante que é responsável por produzir um torque mecânico no eixo do rotor e assim o motor irá girar numa velocidade próxima da velocidade deste campo girante. Quando se fala numa velocidade próxima ao campo girante, está sendo considerado o escorregamento existente nos motores elétricos de corrente alternada. Entretanto, o acionamento de um motor com o uso de um inversor de freqüência, permite determinar a velocidade deste campo magnético girante e por conseqüência, pode-se controlar a velocidade do motor. Os componentes que permitem controlar o campo magnético girante são os transistores de potência conhecidos como IGBT s ( transistor bipolar de porta chaveada ). O IGBT é um transistor de potência que pode atuar como chave eletrônica, quando encontra-se num de seus estados, chamados de corte e saturação. O circuito de acionamento de um inversor de freqüência pode ser observado

60 60 na figura Esta figura ilustra, de modo simplificado, os principais blocos do circuito. FIGURA 3.14 Exemplo de um circuito interno de um inversor de freqüência A primeira parte do circuito é formada por uma ponte retificadora trifásica (onda completa) e dois capacitores de filtro. Esta etapa permite converter o sinal alternado em um sinal contínuo. Neste caso, com capacitores maiores, menor será o fator ripple da forma de onda contínua. O fator ripple consiste da diferença entre o maior e o menor valor do sinal contínuo após a conversão de um sinal de corrente alternada para corrente contínua. A conversão do sinal de energia é necessária, pois os IGBT s só irão operar corretamente com um sinal contínuo. Este circuito constitui-se de uma fonte de tensão contínua simétrica, pois existe um ponto de terra de referência. A partir desta referência temos uma tensão contínua de + V/2 dita positiva e uma tensão contínua de - V/2 dita negativa, em relação ao terra, formando o que é chamado de barramento de corrente contínua. Este barramento alimenta a segunda etapa, constituída de seis transistores IGBT s e que, através de uma lógica de controle (terceira etapa), liga e desliga os transistores de modo a alterarem o sentido da corrente que circula pelo motor. Antes de explicar como é possível converter uma tensão contínua em uma alternada, através de chaveamento de transistores em um circuito trifásico, é preciso fazer uma prévia com o circuito monofásico. Pode-se observar pela figura 3.15 que a

61 61 estrutura de um inversor trifásico é praticamente igual ao modelo monofásico. A primeira etapa é o módulo de retificação e filtragem, que gera uma tensão contínua fixa (barramento de sinal contínuo) e que alimenta quatro transistores IGBT s representado na figura 3.15 a seguir. FIGURA 3.15 Exemplo de um circuito interno de um inversor de freqüência monofásico Neste ponto é importante ressaltar como funciona o inversor monofásico. Considerando que o circuito da lógica de controle liga os transistores 2 a 2 na seguinte ordem: primeiro tempo transistores T1 e T4 são ligados, e T3 e T2 desligados e viceversa. Deste modo temos a seguinte situação: a) Quando T1 e T4 ligados e T3 e T2 desligados a corrente circula no sentido de A para B, como mostra a figura FIGURA 3.16 Sentido da corrente no circuito interno de um inversor de freqüência monofásico

62 62 b) Quando T1 e T4 estão desligados e T3 e T2 ligados a corrente circula de B para A, como mostra a figura FIGURA 3.17 Sentido da corrente no circuito interno de um inversor de freqüência monofásico Ao inverter o sentido de circulação da corrente, a tensão na carga (motor) passa a ser alternada, mesmo estando conectada a uma fonte de corrente contínua. Caso seja aumentada a freqüência de chaveamento desses transistores, também será aumentada a velocidade de rotação do motor, e vice-versa. Como os transistores operam como chaves (corte ou saturação), a forma de onda da tensão de saída do inversor de freqüência é sempre quadrada. Entretanto, é raro uma aplicação industrial com motores monofásicos. Assim, a maioria dos inversores existentes no mercado é do tipo trifásico. Observando a figura 3.14, a lógica de controle precisa, neste caso, distribuir pulsos de disparos pelos seis IGBT s, de modo a formar uma tensão de saída (embora quadrada), alternada e defasada de 120º uma da outra. Como o circuito tem seis transistores, sendo estes ligados três a três, têm-se oito combinações possíveis, porém apenas seis válidas. Na figura 3.18 a seguir é mostrado que os IGBT s estão representados como chaves, pois em um inversor é assim que eles funcionam. A lógica de controle proporciona as seguintes combinações de pulsos para ativar (ligar) os IGBT s: 1º. Tempo: T1, T2, T3; 2º. Tempo: T2, T3, T4; 3º. Tempo: T3, T4, T5; 4º. Tempo: T4, T5, T6;

63 63 5º. Tempo: T5, T6, T1; 6º. Tempo: T6, T1, T2; FIGURA 3.18 IGBT s como chaves no circuito interno de um inversor de freqüência As possibilidades T1, T3, T5 e T4, T6, T2 não são válidas, pois liga todas as fases do motor no mesmo potencial. Não havendo diferença de potencial, não há energia para movimentar o motor, portanto essa é uma condição proibida para o inversor. Para verificar como seria o acionamento, basta analisar uma das condições de acionamento, as restantes serão análogas. No primeiro tempo temos T1, T2 e T3 ligados, e os restantes desligados. O barramento de corrente contínua possui uma referência central (terra), portanto temos +V/2 e -V/2 como tensão contínua. Para que um motor de corrente alternada possa funcionar corretamente, as tensões de linha V RS, V ST e V TR devem estar defasadas de 120º. O fato da forma de onda ser quadrada e não senoidal (como a rede) não compromete o bom funcionamento do motor. Para esse primeiro tempo de chaveamento, temos: V RS = +V/2 V/2 = 0; V ST = +V/2 (-V/2) = +V; V TR = -V/2 V/2 = -V; Cabe salientar que, quando se fala em V RS, por exemplo, significa a

64 64 diferença de potencial entre a fase R (que no caso como T1 está ligado é igual a + V/2) e S (+V/2 também), cujo resultado é zero, e assim por diante. Caso sejam feitas as seis condições (tempos) que a lógica de controle estabelece aos IGBT s, tem-se a seguinte distribuição de tensões nas três fases do motor, que traduzidas num diagrama de tempos, apresenta as três formas de onda de tensão RST, conforme mostra a figura É possível verificar na figura que as três fases estão defasadas de 120º elétricos, exatamente como a rede elétrica trifásica. FIGURA 3.19 Formas de onda de tensão do circuito interno de um inversor de freqüência A Curva Tensão/Freqüência do Inversor Por ser um elemento que permite controlar a velocidade de um motor de corrente alternada CA através da variação da freqüência da tensão de alimentação, os inversores de freqüência possuem uma curva que relaciona a tensão e a freqüência. Esta curva de tensão em relação à freqüência é na verdade, uma reta e deste modo, uma função linear. Portanto a relação entre a tensão de alimentação e a freqüência é

65 65 uma relação de proporcionalidade. A figura 3.20 mostra um exemplo de uma curva de tensão em relação à freqüência, chamada de curva V/f. FIGURA 3.20 Exemplo de uma curva de tensão x freqüência de um inversor De modo geral, a faixa de variação de freqüência dos inversores fica entre 5 e 300 Hz. A função do inversor não é somente controlar a velocidade de um motor CA. Ele precisa manter o torque (conjugado) constante para não provocar alterações na rotação, quando o motor estiver com carga. Um exemplo deste caso seria o deslocamento de papel sobre uma bobinadeira, pois se o motor acelerar o papel vai ficar mais fino num dado trecho e se desacelerar ele vai enrugar naquele ponto. Para que este torque permaneça constante, o inversor deve manter a razão entre a tensão e a freqüência constante, isto é, se houver uma mudança de freqüência, ele deve mudar na mesma proporção a tensão, para que a razão se mantenha e o motor fique com a velocidade constante. Nos inversores de freqüência o valor da relação V/f pode ser programado, isto é, parametrizado. Esta parametrização depende muito da aplicação em questão. Quando o inversor precisa de um elevado torque, porém não atinge velocidade muito alta, atribuímos a ele o maior V/f que o equipamento puder fornecer, e desse modo ele terá um melhor rendimento em baixas velocidades, e alto torque. No caso em que o inversor deve operar com altas rotações e com torques não tão elevados, a parametrização V/f deve ser menor, e assim o rendimento será melhor.

66 Composição Típica de um Inversor Genericamente, um inversor pode ser dividido em 4 blocos principais: a Unidade Central de Processamento, a Interface Homem-máquina, Interfaces e Potência. A figura 3.21 mostra um diagrama em blocos de um inversor de freqüência. FIGURA 3.21 Diagrama de bloco da composição interna típica de um inversor No 1º bloco encontra-se a unidade central de processamento (CPU) de um inversor de freqüência que pode ser formada por um microprocessador ou um microcontrolador (como um CLP). Isto depende apenas do fabricante. De qualquer modo, é neste bloco que todas as informações (parâmetros e dados do sistema) estão armazenadas. Neste sistema, sempre há uma memória integrada ao bloco. A unidade central de processamento não apenas armazena os dados e parâmetros relativos ao equipamento, como também executa a função mais vital para o funcionamento do inversor: geração de pulsos de disparo, através de uma lógica de controle coerente, para os IGBT s.

67 67 No 2º bloco aparece a interface homem-máquina (IHM). A interface homemmáquina é o elemento que permite visualizar o que está acontecendo no inversor através de um display, e parametrizá-lo de acordo com a aplicação (teclas). A figura 3.22 mostra uma interface homem-máquina de um inversor da Moeller, com suas respectivas funções. Cabe ressaltar que este módulo também pode ser remoto. FIGURA 3.22 Interface homem-máquina de um inversor Moeller No 3º bloco encontra-se a ligação das interfaces. A maioria dos inversores pode ser comandada através de dois tipos de sinais: analógicos ou digitais. Em geral, quando se pretende controlar a velocidade de rotação de um motor de corrente alternada no inversor, utiliza-se uma tensão analógica de comando. Essa tensão fica situada, geralmente, entre 0 e 10V. A velocidade de rotação (rpm) será proporcional ao seu valor, como por exemplo: 0V 0Hz, 5V 60Hz, 10V 130Hz e assim por diante. Para inverter o sentido de rotação, basta inverter a polaridade do sinal analógico, como por exemplo: de 0 à 10V sentido horário e de 10 à 0V anti-horário. Esse sistema é muito utilizado em máquinas-ferramenta automáticas, sendo que a tensão analógica de controle é proveniente do controle, que pode ser um CLP ou um controle numérico computadorizado (CNC). Além da interface analógica, em geral, o inversor possui entradas digitais e através de um parâmetro de programação, pode-se selecionar qual entrada é válida (analógica ou digital). O 4º bloco é a etapa de potência, que é constituída por um circuito retificador, que alimenta (através de um circuito intermediário chamado barramento de corrente contínua ) o circuito de saída do inversor (módulo IGBT).

68 Parametrização Típica de um Inversor Para que um inversor funcione como planejado, não basta que ele seja instalado de modo correto. É necessário que ele saiba em que condição vai operar. As condições de operação do inversor são fornecidas através da parametrização. A parametrização de um inversor consiste em ajustar determinador valores que permitam uma operação satisfatória para uma dada aplicação. Quanto maior o número de recursos que o inversor oferece, tanto maior será o número de parâmetros disponíveis. Existem muitos inversores no mercado e o nível de sofisticação de cada um deles pode ser observado pelo número de parâmetros disponíveis. A maioria dos inversores encontrados no mercado possui características similares, mas os parâmetros principais são especificados a seguir: a) Tensão nominal do motor: esse parâmetro existe na maioria dos inversores comerciais, e serve para informar ao inversor qual é a tensão nominal em que o motor irá operar. Cabe salientar que o inversor só deve ser parametrizado com o motor parado; b) Freqüência máxima de saída: Esse parâmetro determina a velocidade máxima do motor; c) Freqüência mínima de saída: Esse parâmetro determina a velocidade mínima do motor; d) Freqüência de JOG: a tecla JOG é um recurso que faz o motor girar com velocidade bem baixa, facilitando o posicionamento das peças antes de uma dada máquina funcionar em regime normal de trabalho. Um exemplo típico é o encaixe do papel em uma bobinadeira, antes do papel ser bobinado efetivamente; e) Tempo de partida: refere-se à rampa de subida, isto é, a aceleração do motor até a velocidade de operação normal. Portanto, este parâmetro indica em quanto tempo deseja-se que o motor chegue a velocidade programada, estando o mesmo parado. Neste caso é possível pensar que quanto mais rápido melhor, mas na verdade este fator é dependente da máquina que o motor esteja conectado mecanicamente. Por exemplo, caso o motor esteja conectado mecanicamente a cargas pesadas, como placas de tornos com peças grandes, guindastes e outros, uma partida muito rápida

69 69 poderá desarmar os disjuntores de proteção do sistema. Isto ocorre porque a corrente elétrica de partida necessária para vencer a inércia do motor é muito grande. Assim, este parâmetro deve observar a massa (peso) da carga, e o limite de corrente elétrica do inversor. f) Tempo de parada: refere-se à rampa de descida, isto é, a desaceleração do motor até que a velocidade chegue à zero. Assim com o ajuste deste parâmetro o inversor pode gerar uma parada gradativa do motor. Essa facilidade pode ser parametrizada e como a anterior, deve-se observar a massa (inércia) da carga acoplada. g) Tipo de frenagem: nos inversores, é comum encontrar a possibilidade de programar a parada do motor através de uma parada por rampa através da parametrização do tempo de parada, como visto no item f. Entretanto a parada pode se dar através da injeção de corrente contínua em seus enrolamentos. Em um motor de corrente alternada, quando seus enrolamentos são submetidos a uma tensão de corrente contínua, o rotor pára imediatamente ( estanca ), como se uma trava mecânica atuasse em seu eixo. Normalmente este tipo de parada é utilizadas para pequenas cargas mecânicas, onde são necessárias respostas muito rápidas. h) Liberação de alteração de parâmetros: este parâmetro é uma proteção contra curiosos e principalmente para prevenir que alguém mude inadvertidamente, algum parâmetro da máquina. i) Tipo de entrada: este parâmetro especifica para o inversor que tipo de sinal de entrada será usado para controlar a velocidade do motor. Este sinal pode ser analógico ou digital, caso o sinal seja analógico, a velocidade será proporcional à tensão analógica de entrada e a entrada digital será ignorada. Entretanto se a velocidade for controlada por um sinal digital (na entrada digital), o sinal analógico será ignorado. j) Freqüência de PWM: esse parâmetro determina a freqüência PWM do inversor. Uma faixa típica de valores é de 2 a 16 khz. Entretanto, estes valores são sempre o dobro dos anteriores, como por exemplo, se o ajuste inicial for 2 khz, o seguinte será 4 e o posterior 8 e assim por diante. Este parâmetro é o responsável pela geração de interferências eletromagnéticas e neste caso quanto menor essa

70 70 freqüência melhor. Entretanto em baixas freqüências (2 e 4 khz), o ruído sonoro é incômodo, ou seja, a máquina fica mais ruidosa nível de pressão sonora (NPS) Aplicações Típicas com o Inversor - Misturadores de massa onde a velocidade deve variar para obtenção de variadas texturas; - Agitadores onde a condição velocidade proporcionada pelo motor pode espumar determinadas substâncias por isso a necessidade de controle de velocidade; - Extrusoras de materiais pesados onde a velocidade deve ser proporcional a força exercida nos materiais o mesmo se aplica em calandras e máquinas operatrizes e sopradoras; - Ponte rolante onde a velocidade é item essencial para o manuseio de equipamentos pesados, máquinas de papéis. Exemplo tensionamento do papel entre os rolos; - Esteiras exemplo o deslocamento de garrafas uma aplicação de aceleração de desaceleração levando em consideração a integridade das garrafas, ou seja, para que as mesmas não caiam; - Bombas, ventiladores e bobinadeiras Conclusão Com base na abordagem dos equipamentos utilizados em automação industrial, explorando as suas características funcionalidades e aplicabilidade, tem-se uma visão mais dinâmica e clara do que se pretende obter com este trabalho. Os avanços tecnológicos não permitem unicamente que a indústria tire proveito mas que paralelamente o estudo se torne mais dinâmico com o uso de equipamentos utilizados na indústria. A importância destes equipamentos e sua conectibilidade é fortemente evidenciada a medida que se tem conhecimento das partes integrantes de um sistema

71 71 automatizado. Com os avanços tecnológicos a passos largos, isto é refletido nos equipamentos, ferramentas e softwares de automação, lembrando que muitos destes equipamentos, ferramentas e softwares abordados respeitam regras internacionais de normatização, o que constitui num fator importantíssimo no momento de escolha por este ou aquele equipamento. A escolha de um CLP deve levar em consideração a relação custo benefício. Para grandes indústrias com vários processos de fabricação, que podem variar, conforme o número de itens produzidos numa linha de produção, o CLP modular é mais adequado. Em pequenas empresas, onde o número de entradas e saídas é pequeno e caso haja um pequeno incremento de elementos a serem controlados, um CLP compacto é o recomendado. No trabalho em questão um CLP compacto atende os requisitos da relação entre o custo e o benefício.

72 72 4. CARACTERÍSTICAS DOS COMPONENTES DO PROBLEMA PROPOSTO Este capítulo tem por objetivo mostrar as características dos componentes utilizados no sistema de controle de velocidade. Este controle será feito com os seguintes componentes: motor de indução, inversor de frequência, controlador lógico programável, programa de controle. Para cada um dos componentes será apresentada suas características técnicas, isto é, suas especificações. No item 4.1 será tratado, do motor trifásico de indução utilizado, 4.2 do inversor de frequência, no item 4.3 o componente abordado é o CLP e no 4.4 o seu programa é apresentado de modo descritivo, considerando as linhas de comando em diagrama Ladder, por fim no itme 4.5 é feito uma conclusão sobre os componentes utilizados O Motor O motor utilizado é um motor trifásico de indução este tipo de motor é o mais empregado na indústria através de máquinas de produção. As principais vantagens dos motores de indução trifásicos são o preço acessível, embora seja diretamente ligado ao seu tamanho, disponível nas mais variadas potências, com facilidade de manutenção; opera em tensão alternada, o que permite sua ligação direta a rede de alimentação, além de outras vantagens específicas para cada aplicação. Como o trabalho têm como um dos abjetivos a didática, o motor utilizado foi o com menor custo possível, atendendo a relação custo e benefício, isto porque o motor será utilizando apenas em aulas de laboratório e alguns possíveis projetos como este de conclusão de curso. A figura 4.23 a seguir mostra o motor utilizado no projeto.

73 73 FIGURA Motor utilizado no trabalho O motor utilizado tem como fabricante a Kohlbach, que observa a norma NBR 7094, que determina as características que um motor deve respeitar. O modelo indicado na placa do motor é o número 71, este número é determinado pelo fabricante, as demais características do motor são as seguintes: - Potência nominal: 0.5 cv ou 0.37 Kw; - Polaridade: 4 polos; - Rotações: 1685 r.p.m. (rotações por minuto) - Tensões: triângulo = 220 volts e estrela = 380 volts; - Corrente nominal: triângulo 2 Amperes, estrela 1.1 Amperes; - Frequência: 60 hertz; - Fator de potência: cos 0.73; - Fator de serviço: 1.25; - Categoria: N; - Classe de isolamento: B; - Grau de proteção: IP 55; - Regime de trabalho (serviço): 51;

74 74 - Tipos de ligação: estrela triângulo; - Corrente de partida em relação à nominal: 1.1 Amperes em triângulo e 3 Amperes em estrela - Rendimento: 68,6 %. A figura 4.24 a seguir mostra a placa de indentificação das características do motor. FIGURA Placa de identificação do motor 4.2. O Inversor O inversor de frequência é o equipamento responsável pelo controle de velocidade no motor. A aplicabilidade dos inversores de frequência na indústria é devido aos motores de indução, que são os mais empregados, o modelo utilizado no sistema de controle de velocidade é o DF Este tipo de inversor é vendido sob a denominação de uma família chamada DF5/DF6 e ele é fabricado pela empresa alemã Moeller conforme figura 4.25.

75 75 FIGURA Mostra o inversor usado para o controle de velocidade Significado da Sigla DF O fabricante adota o seguinte siginificado para distinguir os tipos de inversor fabricado: - DF5/DV5: o primeiro indica que o equipamento é um inversor de frequência escalar de 5ª geração. O segundo difere do primeiro por ser tipo vetorial ao invés de escalar. - 3: número de fases de alimentação, ou seja, neste caso, o inversor é trifásico. - 2: faixa de tensão de alimentação para o número 2, a faixa é de 230 volts (180 volts à 252 volts) ou para o número 4, a faixa é de 400 volts ( 342 à 506 volts). - 2: número de série do inversor : corresponde a potência do inversor, isto é ele pode acionar um motor de até 0.75 Kw de potência.

76 76 A figura 4.26 mostra a estrutura de indentificação de um inversor Moeller. FIGURA Significado do tipo de inversor de freqüência A figura 4.27 mostra a ligação da alimentação monofásica do inversor e a saída trifásica que acionará o motor. FIGURA 4.27 Ligação inversor Benefícios do Inversor de Freqüência DF5 e DV5 Os inversores de freqüência DF5/DF6 permitem o controle da velocidade de

77 77 motores trifásicos. O DF5 pode ser utilizado individualmente ou integrado em sistemas da automação através de rede Profibus. Seu controle v/f (tensão/frequência) predeterminado permite uma ampla gama de aplicações desde simples bombas e ventiladores a sistemas de máquinas de empacotamento e engarrafamento. O DF5/DF6 é fornecido com display e teclado para programação, potenciômetro para ajuste de setpoint, entradas e saídas digitais ou analógicas e relé termistor integrados, além das funções de proteção do inversor e do motor contra sobrecarga, falta à terra, sobretemperatura, sobretensão e subtensão. Possui ainda funções de controle PID, controle automático de tensão (boost) e limitação de freqüência mínima e máxima, entre outras. Este tipo de inversor possui construção compacta que facilita o tipo de solução que será empregado sendo neste caso aplicação didática Pode se utilizar de recursos do inversor tais como, controlador PID e entrada PTC sensor de temperatura, sendo que controlador escalar (DF5) ou vetorial/escalar (DV5), incorporado ainda módulo de frenagem. O inversor de freqüência (DV5) possui, 16 frequências fixas programáveis sendo a curva V/f programáveis, 1 entrada analógica 0 a 10 V, 1 entrada analógica 4 a 20 ma, ambos com 5 entradas digitais programáveis, 2 saídas digitais programáveis, 1 saída a relé NA/NF, com indicação de falha (DF5) e falha programável o (DV5), 1 saída analógica, torque boost automático, ampla sistema de proteção do motor e display de programação com potenciômetro incorporado. Sendo a potência de saída 0,75 KW, sua tensão de entrada é de 220 V (monofásico ou trifásico) a corrente de saída 4.0 Ampéres sendo que o tipo que atende estas especificações no tipo escalar é o DF e vetorial/escalar é DV Parâmetros de Controle - Tensão nominal do motor: esse item está parametrizado para 220 volts. - Freqüência máxima de saída: para o trabalho em questão este parâmetro

78 78 foi ajustado conforme descrição A03 que corresponde à máxima freqüência de saída; este ajuste de fábrica é 50 enquanto o ajuste usado no programa 00 Hz 130 Hz. - Freqüência mínima de saída: para o trabalho em questão este parâmetro foi ajustado conforme descrição A11 que corresponde 0 a 360 Hz válido somente quando o set point é via entrada analógica ajuste utilizado 00 Hz Observação A13 Set point mínimo de tensão 0 a 100 porcento. - Freqüência de JOG: neste caso o parâmetro correspondente é A 39 para o tipo de parada do motor no modo Jog, 00 = inércia 01 = rampa de desaceleração 02 = frenagem CC neste caso esta configurado 00 inércia. - Tempo de partida: F 02 Tempo rampa de aceleração que pode variar 0,1 a 3000 segundos ajuste de fábrica 10,0 segundos o ajuste do programa está em 0,1 ssegundos. - Tempo de parada: F03 Tempo de rampa de desaceleração 0,1 a 3000 segundos ajuste de fábrica 10,0 segundos ajuste do programa está em 0,1 segundos. - Tipo de frenagem: A 51 Frenagem CC 00 = ativado 01 = desativado o nesta aplicação este parâmetro está desabilitado. - Liberação de alteração de parâmetros: O programa está configurado para 01, SFT = Proteção de configuração de parâmetros programa usa parâmetro. - Tipo de entrada: No inversor está configurado entrada análogica L que é a referência de potencia correspndente 0 volts e o O é o range de tensão que varia de 0 a 10 volts. - Freqüência de PWM: B 83 Frequência de chaveamento que vai formar a onda senóide com freqüência que varia de 0,5 a 16 khz ajuste do programa 5 khz. A figura 4.28 a seguir mostra o display de parametrização do inversor de freqüência com o ítem d 03 código de navegação do inversor somente indicação.

79 79 FIGURA Display de parametrização do inversor de freqüência 4.3. Controlador Lógico Programável Os Controladores Lógico Programáveis das linhas PS4-150 / PS4-200 são voltados para aplicações de pequeno e médio porte onde a flexibilidade, necessidade de expansão e confiabilidade são os pontos fundamentais. Além de oferecer estas vantagens demonstradas anteriormente o fator custo/benefício foi avaliado, sendo assim atende as necessidades do sistema como um equipamentos de grande porte a um menor custo e tamanho reduzido. A sua capacidade de memória, 64kb, com possibilidade de expansão dependendo da necessidade para tarefas de automação que utilizam os conceitos atuais de descentralização e inteligência distribuída. A configuração da linha do PS4-200 é a sequinte: possui em seu módulo básico 8 entradas digitais, 6 saídas digitais, 2 entradas analógicas e 1 saída analógica. Funções especiais como leitura de encordes absolutos e conexão a outras redes podem ser feitas através da adição de módulos inteligentes localmente. Este CLP permite a adição de 6 módulos locais e 8 módulos remotos por rede, podendo chegar até o limite de 3 redes independentes.

80 80 A linha do PS4-150-MM1 que é utilizado neste trabalho possuí duas CPU s com 16 entradas digitais, 14 saídas digitais ou 8 saídas a relé, dependendo do modelo, 2 entradas analógicas e 1 saída analógica e pode ser ampliada até o limite de 8 módulos remotos, não permitindo expansão local. Funções especiais como leitura de encordes absolutos e conexão a outras redes podem ser feitas através da adição de módulos inteligentes localmente. O CLP utilizado no trabalho é representado na figura 4.29 e a figura 4.30 mostra a fonte de alimentação utilizado por este CLP. FIGURA CLP utilizado no trabalho FIGURA 4.30 Fonte de alimentação utilizada pelo CLP Estas linhas atendem a todas as exigências das normas de compatibilidade eletromagnética oferece um grande segurança, especialmente, com relação a resistência a interferência eletromagnética de equipamentos que gerem este tipo de

81 81 interferência Componentes da Linha PS4 A linha PS4 de CLP s da Moeller apresentam características que facilitam sua utilização em várias aplicações industriais. Os CLP s possuem entrada rápida entrada de interrupção, além de permitirem três formas de programação distintas, ou seja, programação em lista de instruções, Ladder ou bloco lógico. Sua rede é do tipo suconet K que permite a transmissão de dados numa distância de até 1200 metros sem o uso de repetidores. Um item adicional são as duas entradas analógicas e uma saída analógica. Estas entradas e a saída podem ser vistas na figura 4.31 a seguir. FIGURA 4.31 Representação saídas relé e entrada e saída analógica Toda linha PS4 possui fixação em trilho DIN, compatível com as normas EN e EN , sua classe de supressão de interferências EN /22 Classe A, a linha resiste imunidade de interferências EN /3/4/5/6, resiste a temperatura ambiente de 0º a 55º, para armazenamento com temperatura entre -20º e 70ºC, sua resistência a vibração de 1g/0 a 150 Hz, grau de proteção IP20, a relação entre a distância e a velocidade da rede de transmisão de dados é a seguinte: 600m a taxa de transferência de dados é de 375 kbits/ e de 601m até 1200m é de 187,5 kbits/s. A linha PS4 permite interligação com vários tipos de rede (comoa PROFIBUS-DP), além da verificação constante das variáveis do sistema, compacto, ela possui relógio

82 82 de tempo real. Os benefícios PS4-141-MM1/ PS4-151-MM1 são: 16 entradas digitais 24 Vcc, 14 saídas digitais 24 Vcc ou 8 a rele, utilização com até 8 escravos. Os benefícios PS4-201-MM1/ PS4-271-MM1 são expansível até 6 módulos locais, extremamente flexível, utilização com até 8 escravos. Por fim a linha PS4-341-MM1 é aprincipal trata-se de um CLP modular com os seguintes itens: expansível até 5 módulos locais, 16 entradas digitais 24 Vcc, 14 saídas digitais 24 Vcc, alta velocidade de processamento, grande capacidade de memória, possibilidade de trabalhar com redes abertas, utilização com até 30 escravos Acessórios Os acessórios da linha PS4 são: cabo de programação de 2m c/ conector DB9 ZB4-303-KB1 para transferência do programa do computador até o CLP conforme mostra figura 4.32, nesta figura aparece o cabo ligado no CLP e 4.33 aparece a outra extremidade do cabo ligado a um computador do tipo PC a seguir. FIGURA Cabo conector DB9 ZB4-303-KB1 CLP

83 83 FIGURA 4.33 Cabo conector DB9 ZB4-303-KB1 PC Além do cabo, como acessório temos a bateria especificada no modelo ZB4-600-BT1 usada para evitar perda de parâmetros Pode incorporar um cabo de conexão de 0,5m que fará a ligação entre CPU e expansão remota KPG1-PS3.Já para comunicação entre mestre e escravos o cabo especificado de conexão para distancia de até 1m entre CPU e IHM KPG3-PS3 usa4-se o cabo de rede de 1m de comprimento de par trançado e blindado de 0,5mm2 LT com conector DIN 5 para rede Suconet K S1-PS3. Pode-se usar simulador de entradas com 8 chaves de pressão ZB4-108-ES1 com fonte de alimentação chaveada - entrada 115/230 Vac SN4-025-B17 para simulação de um determinado programa sem que exista necessidade real de comunicação com sencores e atuadores sua saída 24 Vcc 2,5 A com fonte de alimentação chaveada com entrada de tensão de 115/230 Vac SN4-050-B17 e saída com tensão de 24 Vcc 5,0 A, para se estabelacer comunicação é usado conector DIN 5 para conexão em "T" modelo TBA 3.1 para a programação da família PS4 S40-GB- CD, PS4-141/151-MM1 E PS4-201/271-MM1. O armazenamneto de back-up memória flash com 64 kbytes back-up de programa modelo ZB4-128-SF1 e 64 kbytes memória RAM já em casos de necessecidades de alocação de mais memória 32 kbytes para expansão de memória de programa modelo ZB4-032-SR1 e também memória flash + Memória RAM ZB4-160-SM1, PS4-341-MM1. A memória flash com 1 Mbytes back-up de programa ZB4-901-SF1.

84 Especificação Técnica A especificação técnica fica melhor apresentada na forma de quadro, portanto, quadro 4.2 mostra a especificação técnica da linha PS4. QUADRO Especificação Técnica CLP s PS4 Alimentação Tensão 24 Vcc 115 A 230 Vac 24 Vcc 115 a 230 Vac 24 Vcc Potência 6,5 W 20 W 6 W 36 W 6,5 W Número máximo de pontos entradas digital para expansão Entradas Digitais 16 (24 Vcc) 16 (24 Vac) 8 (24 Vcc) 12 (120 Vac) 16 (24 Vcc) Rápida 3 khz (I0,0) 3kHz (I0,0) 3kHz (I0,0) - 50 khz (I0,0) Interrupção I 1,0 I 1,0 I 1,0 - I 1,0 / 1,1 Analógicas 2 (0 10V / 10 bits) 2 (0-10V/10 bits) 2 (0-10V/10 bits) 2 (0/4 a 20 ma ou 0 a 10V) 2 PT 1000 (10 bits) 2 (0-10V/10 bits) Saídas Digitais 14 (transistor 24 Vcc 0,5 A ) 8 (relé 4) 6 (transistor 24 Vcc 0,5 A ) 8 (relé 2A) 14 (transistor 24 Vcc 0,5A) Analógicas 1(0-10V / 12 bits) 1(0-10V / 12 bits) 1(0-10V / 12 bits) 0/4 a 20mA(12 bits) 1(0-10V/12 bits) Tensão isolação Memória interna 600 Vac 1500 Vac 600 Vac 1500 Vac 600 Vac 32 kb RAM 32 kb RAM 32 kb RAM 512 kb 32 kb RAM Cycle time 5ms/1k instruções 5ms/1k instruções 5ms/1k instruções 5ms/1k instruções 0,5 ms/1 k instruções TIPO PS MM1 PS4-151MM1 PS MM1 PS MM1 PS MM1

85 Aplicações As principais da linha PS4 são: - Automações de pequeno até grande porte atuando como mestre; - Operação como escravo escravo inteligente de uma rede de CLP s de grande porte; - Controle de alarmes e set-points de processo; - Realização de funções de PID, aritmética com ponto flutuante, PID Autotunning, etc.; - Controle de leitores de código de barra, balanças, coletores, impressoras, modem, etc., utilizando interfaces Programa No mercado pode-se encontrar uma variedade de diferentes linguagens e sistemas de programação. Para cada tipo de linguagem são necessários dispendiosos treinamentos para todos os tipos de controladores, tanto para a linguagem de programação como para o sistema operacional. O usuário não consegue trocar unidades de programas entre diferentes sistemas, porque as linguagens de programação não são compatíveis entre si. Não existe também um formato de arquivos para troca de programas. Não é possível a reutilização de funções programadas sem que seja necessária uma reprogramação, pois o modelo de dados destes CLP s necessita de endereços físicos. Pelo exposto acima a utilização de um controlador de outro fabricante não era viável por causa do alto custo. O principal objetivo da IEC é reduzir, se não eliminar, todos os problemas citados acima, criando uma estruturação e forma de programação padrão, de tal forma que o usuário não se torne dependente do fabricante. O CLP da família PS4 segue esta norma e portanto foi consiferado ideal para o problema em questão

86 Inicializando o Software Através do menu iniciar (start), fazer uma chamada ao S40. Após a apresentação e inicialização do programa, uma janela chamada navigator irá abrir como mostra a figura 4.34 a seguir. FIGURA Navegador software programação CLP Nesta tela são encontrados o POU Editor e o Topology Configurator e Code Generation e o Teste Commissioning por último temos o Form Editor. POU Editor: é usado para escrever programas e blocos de função. O programa pode ser escrito em lista de instruções, diagrama de contatos e blocos lógicos e também pode-se alterar as diferentes linguagens de acordo com as necessidades e preferências. Topology Configurator: é usado para definir a configuração do hardware, definindo a estrutura de toda a rede. Code Generation - é usado para compilar o programa do usuário, transformando-o em programa na linguagem do controlador específico. Test e Commissioning - é o ambiente utilizado para realizar todas as comunicações entre o PC e o CLP. Neste é possível transferir o programa para o CLP, parar ou colocar o CLP em marcha, modificar online o programa e testar as seqüências lógicas. Form Editor - é usado para visualizar e editar a documentação do programa. É possível através deste definir folhas padrão com logotipos e desenhos da empresa. Os passos necessários para a criação de um programa são: Criar um novo projeto, configurar o hardware, criar os arquivos fontes necessários (POU), criar as variáveis, realizar a lógica do programa, criar um novo make, compilar o programa, realizar os testes e comissionamento, transferir o programa para o CLP, rodar o programa e testar o programa.

87 Iniciando a Configuração O segundo passo é configurar o hardware. Este deve ser especificado utilizando o Topology Configurator. Assim que a janela do Topology Configurator abrir selecionamos : Configuration New... No campo File Name, digite o seguinte nome: TOPINVER, e em CLP Type clicamos em cima do nome apresentado e selecionamos a CPU que estamos utilizando, no nosso caso será PS4-151-MM1. Através do item Edit podemos escolher agregar a esta CPU módulos de expansão remota, expansão local ou configurar dados de rede da CPU, ou então através dos ícones na própria tela, estes dados estão mais detalhados nos Manuais. A figura 4.35 a seguir mostra a topologia de configuração do inversor de frequência para o modelo PS-151-MM1: FIGURA Configurador de topologia Agora na figura 4.36 temos a configuração de opções gerais do CLP. FIGURA Topologia opções gerais A figura 4.37 mostra a velocidade de comunicação em Kbaud.

88 88 FIGURA 4.37 Configuração velocidade de comunicação Agora temos a descrição das entradas analógicas como mostra figura FIGURA 4.38 Configuração entradas analógicas E para comcluir a configuração a figura 4.39 mostra as saídas analógicas. FIGURA 4.39 Configuração saídas analógicas Início Programação No Navigator selecionar agora a família da CPU desejada, no nosso caso escolheremos a família PS4-200, selecionamos agora o item POU-Editor, assim que o POU editor abrir e selecionamos agora a opção criar novo programa. A área para declaração das variáveis pode ser utilizada em dois modos

89 89 distintos, o Syntax Controlled e o FREE MODE, na figura acima estamos utilizando o Syntax Controlled, a melhor opção quando se é iniciante. Se o seu programa não estiver no Syntax Controlled basta selecionar esta opção no seu menu de ferramentas. A área de programação possui três formas de programação disponíveis: a programação com blocos lógicos, FBD, a programação em Ladder,LD, e a programação em Lista de instruções,il Declarando Variáveis As variáveis geralmente são declaradas antes de serem usadas. A declaração consiste do nome da variável e o tipo de dado. Dependendo do tipo de dado atribuído a uma variável existe uma faixa de valores admissíveis. Por exemplo: o tipo de dado SINT possui 8 bits, e pode assumir valores entre -128 a 127, já o tipo USINT que também possui 8 bits, pode assumir valores entre 0 e 255. Os tipos de dados elementares definidos pela IEC são: Binary um ou vários bits em grupo de operações binária. Integer todos os números inteiros. Real números com ponto flutuante. (Somente PS4-300 e PS416) String conjunto de caracteres alfanuméricos. Date/Time datas, hora do dia e data e hora. Junto com o tamanho da variável e sua faixa de valores, os tipos de dados também decidem que tipos de operação são permitidas para estas variáveis, por exemplo uma variável do tipo Integer só pode ser usado em funções aritméticas, já uma variável do tipo Binary só pode ser usada em funções lógicas. Isto soluciona o problema do operador que testa diferentes tipos de dados na aplicação. Freqüentes erros podem ser facilmente reconhecidos com uma rápida observação do programa. Temos os seguintes tipos de dados descritos a seguir: Palavra Chave Tipo de dado. bits BOOL número booleano; aceita valores de 0 ou 1. 1 SINT inteiro curto; com faixa de valores de -128 a INT inteiro; com faixa de valores de a

90 90 USINT inteiro curto sem sinal; com faixa de valores de UINT inteiro sem sinal; com faixa de valores de 0 a TIME duração - DATE data. - STRING Conjunto de caracteres com tamanho variável. variável BYTE seqüência de 8 bits. 8 WORD seqüência de 16 bits. 16 Ou seja, se desejarmos fazer lógicas Booleanas devemos utilizar variáveis do tipo: BOOL, Byte ou Word; se for necessário efetuar funções aritméticas utilizamos as variáveis do tipo: INT, SINT,USINT, etc. Selecionado a opção Data Types como mostra figura 4.40: FIGURA 4.40 Tipos de dados Selecionado a opção Manufacturer que aparece na parte superior desta janela, juntamente com a opção Data Types que aparece no canto inferior direito da janela. Estes itens que aparecem juntamente com uma pasta azul são os tipos de dados disponíveis segundo figura 4.41.

91 91 FIGURA 4.41 Tipos de dados binário Neste caso a variável é do tipo BOOL, pois iremos trabalhar com uma saída digital, um Bit de saída. Maiores dados a respeito dos tipos de variáveis podem ser encontrados no manual de programação. Os campos Initial e Attribute são esplanados com mais detalhes no manual de programação, no campo address definimos o endereçamento físico do sistema. No caso do tag, o address dele será: Q , e no campo Comment colocamos os comentários pertinentes a este TAG, o endereçamento dos TAG s é chamado de endereçamento geográfico, que obedece à figura 4.42 abaixo: FIGURA 4.42 Endereçamento direto variáveis

92 92 Linha: é o número da linha onde o escravo está conectado, linha 0 é o rack básico, linha 1 é a linha que sai da CPU principal, linhas 2 e 3 são as linha que saem dos módulos de expansão conectados ao mestre. Estação: Número do escravo na rede Suconet K Módulo / Slot : Módulo Número da expansão local conectada ao EM4-2XX ou PS4. Slot Número do slot no rack onde o cartão foi encaixado. (PS416) Byte: Número do byte, se o módulo possuir mais de 16 saídas ou entradas terá 2 bytes, byte 0 e byte 1 Bit: Este é o número do bit, é o número da entrada ou saída propriamente dita, caso a variável declarada seja do tipo Byte ou Word, este número não será apresentado exemplo figura I : Entrada Digital IB : Entrada digital (Byte) IW : Entrada Digital (Word) Q : Saída Digital QB : Saída Digital (Byte) QW : Saída Digital (Word) Escrevendo o Programa FIGURA 4.43 Declaração das variáveis Primeiramente o nosso programa foi feito em Ladder. Para tanto selecione na

93 93 Barra de ferramentas do POU Editor a opção Ladder Editor: Primeiramente selecione a opção Nova Linha em Ladder. Uma nova linha em Ladder irá abrir na área do programa como mostra figura Declarando Function Block s FIGURA 4.44 Linha de programa em Ladder Vamos voltar à Área de Declaração de Variáveis. Aqui nós declaramos uma nova variável com o nome de ON_DELAY, no campo TYPE clicamos com o botão da direita do mouse, assim que a janela abrir, nós selecionamos a opção Data Types. No canto inferior direito selecionaremos a opção Function Blocks, como na escolha dos tipos de dados aqui também nós temos pastas azuis que indicam os tipos de Blocos de Função disponíveis. No nosso caso escolhemos a pasta Timing FB s. Se tivermos qualquer dúvida sobre qual bloco de função utilizar basta acionar a tecla de Help. Do lado esquerdo temos os tipos dos blocos de função. Na coluna do meio podemos chamar um help individual para cada bloco de função, todos os blocos que aparecem com o carimbo IEC do lado direito são blocos compatíveis com a norma IEC No nosso caso iremos selecionar o bloco TimeGenerator. Vamos então fechar o help e selecionar novamente o Data Types, e a opção Timing FB s: Escolhemos agora o bloco MS_TimeRising para exemplificar figura 4.45.

94 Compilando o Programa Figura 4.45 Exemplo TimeGenerator Novamente na tela do Navigator, observar que agora o Programa INVERSOR também aparece na janela dos arquivos fonte, foi selecionado a opção Criar um novo arquivo MAKE na barra de ferramentas do Navigator. Ao pressionar OK é criado um novo arquivo MAKE. O nome deste arquivo aparece na janela superior do Navigator, a janela inferior do Navigator é a área de mensagem todas as vezes que algum erro ocorrer quando se estiver gerando um novo arquivo, ou então quando estiver compilando o programa, este erro irá aparecer nesta janela. Se nenhum erro ocorrer durante a geração do arquivo MAKE a seguinte mensagem irá aparecer: Exito na criação arquivo MAKE. Selecionado também a opção Parâmetros de programação do CLP, quando criado um programa que usa endereços definidos de memórias deve-se criar uma área de memórias ativas. A CPU possui uma chave de três posições, na posição HALT sempre que a CPU for ligada ela entrará em modo HALT. Se a chave for colocada na posição RUN e a CPU for ligada, todas as memórias configuradas como retentivas e receita serão preservadas, ou seja, seu conteúdo não será destruído. E por último se a chave estiver na posição RUN M-RESET e a CPU for ligada, somente as memórias de receita serão preservadas, as demais memórias serão apagadas.

95 95 No nosso caso não precisaremos declarar nenhuma memória, basta colocar no Runtime Parameters a versão do nosso programa, no caso a versão Feito isto pode-se compilar o programa. Para isto clicar na opção Compilar o arquivo MAKE atual, se não houver nenhum erro no nosso programa na janela inferior do Navigator irá aparecer a seguinte mensagem: Program code generatinon succesfully completed Transferindo o Programa FIGURA 4.46 Led 2 indica modo RUN Ligado o CLP e ligado ao computador usando o cabo ZB4-303-KB1. Chamado o programa Test and Commissioning, conforme figura Connected. FIGURA 4.47 Teste de comissionamento Selecionado o tipo de CPU que se iria trabalhar em primeiro lugar. Definido a porta serial que se utilizou. Então pressionar Connect, o Status da conexão muda de Disconnected para

96 96 Para transferir o programa para o CLP deve ser executado a opção Transfer como mstra figura FIGURA 4.48 Transferência do programa para CLP Deve-se selecionar o arquivo desejado para transferência, neste caso foi o arquivo prog_inv.pcd, e logo em seguida selecionado a opção Transfer CLP. Fechado a janela e posto a CPU em marcha, para isto foi aberto a tampa superior da CPU, colocado a chave na posição 3 e pressionado o botão de reset. Observado que os LED s que se encontravem na parte superior da CPU indicavam que a CPU esta no modo RUN, como mostra figura 4.49 a seguir. FIGURA 4.59 Status da CPU

97 97 Entre outras informações pode-se observar que a CPU estava no modo RUN, a chave da CPU estava na posição RUN M RESET, pode-se ver quanta memória está livre entre outros detalhes como exemplo da figura 4.50 a seguir. FIGURA 4.50 Status de programa Através desta janela pode-se parar a CPU, através da tecla Halt, ou colocá-la de novo em marcha, aqui visualiza-se o tempo de ciclo da CPU que estará em torno de 1 ms, o tamanho do programa em Code Size, e etc Monitorando o Programa A tela a seguir representado pela figura 4.51 mostra como seleção de programa para visualização monitoramento e alteração programa on-line. FIGURA 4.51 Visualizar e cambiar programa Clicado a gora no número 2, que selecionou o programa INVERSOR, logo em seguida selecionado a opção Display/Change POU. Os contatos/bobinas que aparecem em vermelho estão logicamente fechados/ligados. Para colocar o programa em modo de monitoração on-line, basta clicar o botão monitorar o programa. Para

98 98 fazer alguma alteração On_line no programa basta clicar no botão de alteração On- Line, fazer as alterações desejadas e então clicar no botão de Ativar Alteração como mostra figura 4.52 a seguir. FIGURA 4.52 Exemplo programa sendo monitorado on-line 4.5. Conclusão Neste capítulo tem-se a necessidade básica de atender os requisitos macro do sistema lambrando de ítens como normatização entre outros, porém o fator custo/benéficio é ítem de suma relevância no que diz respeito a aquisição dos equipamentos. Os equipamentos descritos atenderam as espectativas do início do trabalho, suas restrições foram respeitadas tais como proteção de sobrecarga, interface de comunicação, para um bom andamento das atividades. Didaticamente falando o projeto apresenta-se de fácil visualização e entendimento sendo este ponto de extrema importância no trabalho em questão.

99 99 5. FUNCIONAMENTO DO SISTEMA Este trabalho busca realizar este controle em menor escala, utilizando um motor de indução de menor potência e, em consequência, com um inversor menor. O controle do inversor será feito através de um controlador lógico programável, do tipo compacto, para atender a relação custo benefício do sistema. Neste controlador foi desenvolvido um programa para controlar os parâmetros do inversor, que por sua vez irá atuar sobre o motor, determinando a velocidade do mesmo e o sentido de rotação. Cabe explicitar a estrutura de controle adotada neste trabalho pois bem o CLP controlador lógico programável com base nos sinais de entrada processa os mesmos e atua sobre as saídas, neste caso manipula o inversor de freqüência e este por sua vez atua sobre o motor. O sistema tem como objetivo principal mostrar como é o controle de velocidade de um motor trifásico de indução onde neste tipo de controle, normalmente utilizam-se inversores de frequência para manipular o motor. O projeto do sistema de controle de velocidade de motor consiste em controlar a velocidade de um motor de indução trifasíco de 0.5 cv ou seja aumentar e diminuir sua velocidade de acordo com a necessidade e também mudar o seu sentido de rotação. Para que isso seja possível foi usado um inversor de frequência para manipular a velocidade do motor, se faz necessária também a utilização de um controlador lógico programável que fará a leitura o processamento dos dados e a comunicação analógica com o inversor de frequência como mostra a figura 5.53 a seguir.

100 100 FIGURA 5.53 Entrada analógica inversor freqüência 5.1. Sentido de Rotação Com base na leitura da entrada digital do CLP I como mostra figura 5.80 se o sinal nível lógico for 1 este habilita sentido de rotação horário do motor que foi relacionado com a saída digital do CLP Q Esta saída do CLP por sua vez acionará a entrada digital do inversor de frequência 1, e ainda indicará o sentido de rotação através da saída do CLP Q setada acionando a lâmpada de indicação de sentido de rotação horário conforme figura Já a linha de código desta parte é representada na figura FIGURA 5.54 Indica sentido de rotação horário e indicação da lâmpada

101 101 FIGURA 5.55 Chaves de sentido rotação aumenta e diminui Porém se o sinal digital do entrada do CLP I for nivel lógico 0 habilita o sentido de rotação anti-horário saída digital do CLP Q Esta saída do CLP por sua vez acionará a entrada digital do inversor de frequência 2, e ainda indicará o sentido de rotação atravé da saída do CLP Q setada acionando a lâmpada de indicação de sentido de rotação anti-horárioa como mostra figura 5.57 e a figura 5.56,mostra as linhas de código desta função FIGURA 5.56 Indica sentido de rotação anti-horário e indicação da lâmpada

102 102 FIGURA 5.57 Lâmpada de indicação sentido de rotação horário 5.2. Controle de Rotação O controle de velocidade do motor se dá basicamente pela leitura de duas entradas digitais. Ou seja uma chave que aumenta a velocidade do motor, sendo seu endereçamento físico I , e uma chave diminui velocidade do motor com endereçamento físico I O controle ocorre da seguinte condição é necessário que o gerador de pulsos de tempo de período de 50 milisegundos esteja habilitado atravês da indicação das chaves nivél lógico 1 das chaves aumenta e diminui. Para se aumentar ou diminuir a velocidade do motor utiliza-se uma contador de contagem para cima e para baixo, chamado (CTUD, contagem up aumenta a velodidade e contagem down diminui a velodidade), respeitando os limites máximo de 4095 e mínimo de 0 de contagem. Figura 5.58 abaixo mostra a estrutura do contador CTUD. FIGURA 5.58 Contador CTUD tipos de entrada e saída do mesmo

103 103 Agora temos a linha de código em Ladder onde mostramos a atuação do contador Up Down conforme figura FIGURA 5.59 linha do programa onde ocorre atuação do contador Para se habilitar o contador (CU, contagem para cima) são necessários os seguintes sinais digitais: botão aumenta, sinal digital 1, botão diminui, sinal digital 0, limite máximo, sinal digital 0, gerador de pulsos de tempo 1 é setado o contador (CU) representado na figura FIGURA 5.60 Representação da condição do programa para aumentar a velocidade do motor Já para se habilitar o contador (CD, contagem para baixo) são necessários os seguintes sinais digitais: botão diminui, sinal digital 1, botão aumenta, sinal digital 0, limite mínimo, sinal digital 0, gerador de pulsos de tempo 1 é setado o contador (CD) como mostra figura 5.61.

104 104 FIGURA 5.61 Representação da condição do programa para diminuir a velocidade do motor A comunicação entre CLP e inversor de frequência se dá através da saída analógica do CLP QAW e entrada analógica do inversor onde o valor do contador é repassado para o inversor. Sendo que os valores da saída analógica do CLP são (0V) referência potencial 0 v (U) range de tensão de 0 a 10 v, já a entrada a analógica do inversor de frequência segue os sequintes valores (O) range de tensão de 0 a 10 v e (L) referência de potencial 0 v. A figura 5.62 a seguir mostra a interface de comunicação e conversão de sinal digital para analógico entre controlador lógico programável e inversor de frequência. FIGURA Conversão de dado inteiro para palavra A figura 5.63 a seguir mostra a visão geral do sistema de controle de velocidade de motor.

105 105 FIGURA 5.63 Sistema de controle de velocidade de motor visão geral 5.3. Conclusão Neste capítulo visou-se explicar o funcionamento das operações básicas do sistema tais como controle do sentido de rotação e controle da velocidade de rotação. Foi tratado das partes que integram o controle e qual sua atuação no sistema. Os equipamentos atenderam as necessidades iniciais do sistema, fazendo-se assim possível o controle de velocidade do motor Os recursos de software facilitam tanto a programação quanto a visialização e monitoramento do sistema,