SETIS- III Seminário de Tecnologia Inovação e Sustentabilidade 4 e 5 de novembro de 2014.

Transcrição

1 Controle e operação de motor trifásico através de sistema supervisório Matheus Henrique Silva matheus_silva_henrique@hotmail.com Carlos Fernando Oliveira Cabeça Neves carlos.neves@sc.senai.br Renato Ferreira Simão renato.simao@sc.senai.br Rômulo Lira Milhomem romulo.milhomem@sc.senai.br Ronaldo Carlos Rohloff ronaldo.rohloff@sc.senai.br Resumo: Esse trabalho apresenta o desenvolvimento de um sistema de controle de operação de um motor de indução a partir da utilização de alguns equipamentos de automação, como: inversores de frequência, controladores lógicos programáveis, redes industriais e sistemas de supervisão Scada. A finalidade do trabalho é criar uma base de conhecimento sobre o tema, a partir da construção de um sistema de automação, o qual durou cerca de quatro meses. Durante esse período, a experiência do desenvolvimento do projeto amadureceu e consolidou conhecimentos adquiridos em sala de aula. Buscou-se para o projeto, utilizar os equipamentos disponíveis no Laboratório de Automação da Unidade SENAI Florianópolis/SC, além do domínio de sua tecnologia de operação. Um processo desse tipo tem importante didática, pois a interação do aluno com uma aplicação comumente abordada em plantas industriais instiga a sua curiosidade e o incentiva quanto à prática de pesquisa em iniciação científica. Sobre seu funcionamento, o sistema é composto por três módulos: o sistema supervisório, controlador lógico programável (CLP) e um inversor de frequência. O sistema supervisório é responsável pela supervisão e envio de parâmetros ao CLP e este, posteriormente, ao inversor. O CLP é o responsável entre a interligação do sistema supervisório ao inversor, o qual é interligado via rede Profibus DP ao inversor. Por último, o inversor de frequência tem a função de executar partidas suaves préprogramadas além de fazer o controle de velocidade do motor, este em malha aberta. Palavras-chave: Automação Industrial. Acionamento. Controle de Motor. Referência para citação: Silva et al, INTRODUÇÃO Devido a crescente inovação tecnológica estimulada pelo fomento científico dos pesquisadores em grandes matrizes de excelência da indústria, almejando diferenciais de mercado, tais como redução de custos de produção e melhoria na qualidade total, o desenvolvimento de projetos automatizados em concepção à manufatura e às ferramentas de gestão industrial se faz de ampla verticalização no sistema de desenvolvimento de produtos e processos industriais (ROHLOFF, 2014). 212

2 Em projetos usuais, a fim de acomodar e facilitar as funções cotidianas dos usuários, tais como o desenvolvimento de novas tecnologias para a acessibilidade e o controle eletrônico de elevadores de carga e/ou passageiros, encontra-se um vasto espaço de mercado para profissionais do segmento de automação industrial. Nos primórdios desta gama de produtos, os constituintes e o princípio de funcionamento eram basicamente mecânicos, e consequentemente, havia demasiado contato entre as partes mecânicas, gerando desgaste, ruídos, vibrações, perca de eficiência e energia. Com o advento da tecnologia eletrônica, embarcada em tais sistemas de movimentação, os resultados são vistos na abrangência de durabilidade do projeto, maior versatilidade nas funções de usabilidade e maior eficiência energética do sistema (SILVA, 2013). Por exemplo, um motor movimentando um elevador, quando acionado, deverá gerar uma carga potencial, maior que a inércia do dispositivo somada à carga transportada, e assim, será necessária maior força de partida e que esta ocorra de forma suave. Porém, sistemas de controle de operação e de velocidade muitas vezes não são utilizados, devido aos fatores de maior custo do sistema. Neste contexto, nota-se necessidade de partida do motor de forma mais suave, garantindo que o torque não demande pico de corrente elétrica muito elevada. Ao longo do tempo foram desenvolvidas diferentes formas de realizar o acionamento elétrico de motores trifásicos, como a partida estrela-triângulo e a partida compensadora, ambas trabalham no sentido de diminuir a corrente de partida decorrente da inércia da carga acoplada ao eixo do motor. Assim, com o avanço de tecnologia na área de controle das chaves de partida eletrônica de potência, o fenômeno ligado aos picos de correntes ocorridos em partidas diretas de motores de indução trifásicos foi amenizado de forma que elementos como chaves de partida suave (soft-starter) e inversores de frequência são aplicados com objetivo de suavizar a partida do motor e controlar sua velocidade, respectivamente (MORO, 2010). Diante deste contexto, o presente trabalho tem por objetivo realizar o controle e operação de motores trifásicos, através de ferramentas de automação industrial, tais como: sistemas de supervisão, comunicação por protocolos de redes industriais, controladores lógicos programáveis e inversores de frequência. 213

3 2 REVISÃO DE LITERATURA A contextualização dos sistemas e constituintes empregados na proposta prática do presente trabalho são descritos nas alíneas a seguir. 2.1 Motores de indução O motor elétrico é um dispositivo que transforma energia elétrica em energia mecânica que, em geral, é a energia cinética. Ou seja, em um motor, a simples presença da corrente elétrica (seja continua ou alternada) garante movimento em um eixo, que pode ser aproveitado de diversas maneiras, dependendo da aplicação do motor (MORO, 2010). Os motores são basicamente divididos em duas grandes vertentes: motores de corrente contínua (CC) e de corrente alternada (CA). O motor de corrente contínua é uma máquina adequada em acionamentos nos quais se necessita de uma ampla faixa de regulação de velocidades, conjugados elevados e boa resposta dinâmica. Motores CC são maiores e mais caros que os motores de indução de mesma potência. Motores de indução trifásicos são os mais utilizados em instalações industriais. Sua simplicidade quanto ao funcionamento, sua robustez, os baixos custos de compra e manutenção, além da vida útil elevada são algumas das características que tornam este tipo de motor o mais comum em plantas industriais (MORO. 2010). Este tipo de motor faz parte da classe de motores de corrente alternada, sendo utilizado nesta aplicação o motor com rotor tipo gaiola de esquilo. As técnicas mais usuais para partida em motores de indução trifásicos são: Partida direta: partida direta é a forma mais simples de partir um motor elétrico, na qual as três fases são ligadas diretamente ao motor, ocorrendo um pico de corrente. Partida estrela - triângulo: consistem na alimentação do motor com uma redução de tensão nas bobinas durante a sua partida. O motor parte em estrela, isto é, com uma tensão de 58% da tensão nominal, e após certo tempo a ligação é convertida em triângulo, assumindo a tensão nominal. Partida compensadora: essa chave de partida alimenta as bobinas do motor com tensão reduzida na partida. A redução da tensão é feita por meio da ligação de um autotransformador em série das bobinas. Após 214

4 isto, realiza a partida e as bobinas do motor recebem tensão nominal (MORO, 2010). 2.2 Inversor de frequência Para um controle preciso de velocidade pode-se utilizar motores de corrente contínua, porém, desta forma, há problemas como custo do motor e necessidade de retificação da tensão de fornecimento e aumento dos custos de implementação do sistema. Neste contexto, a utilização de um motor de indução pode ser aplicada visando diminuição dos custos de instalação e operação. Assim, para controle de partida destes motores, um dos equipamentos mais utilizados tem sido o inversor de frequência. Tratando-se de chaves de partida eletrônica de potência, as mais usadas na indústria atualmente são a soft-starter e o inversor de frequência, apesar de algumas diferenças entre esses dois equipamentos, suas funcionalidades são bem semelhantes: Soft-starter: com este dispositivo é possível controlar a corrente de partida podendo ter uma partida suave, além de sua desaceleração também poder ser suavizada. Tem aplicação tanto para motor de corrente continua como para motor de corrente alternada. Inversor de frequência: com este dispositivo é possível controlar a corrente de partida, mas também retifica a tensão e a frequência da rede local, tendo assim um controle preciso da velocidade do motor de indução e somente é aplicado em motores de corrente alternada (WEG, 2004). 2.3 Controlador lógico programável (CLP) Até o surgimento do CLP, usava-se uma lógica de relés, que consistia em controlar sistemas industriais por meio de grandes painéis que se interligavam através de cabeamentos elétricos. Cada vez que uma funcionalidade nova era adicionada a máquina, toda a lógica que já havia sido feita tinha que ser alterada. Pensando em facilitar o uso desta lógica, surgiu o CLP (Prudente, 2010). A partir do CLP podem-se controlar outros dispositivos de uma maneira mais simples e com um custo-benefício mais baixo, com relação à manutenção e mudanças do sistema, além de ser possível realizar a supervisão de todo o processo, que podem ser 215

5 interligado com outros softwares e dispositivos, por exemplo. Existem diversos tipos e marcas de CLP que são utilizados nas indústrias. 2.4 Redes industriais Rede industrial é um meio de transmissão de dados que compartilha informações e serviços entre equipamentos industriais. Esta troca de informações tem como objetivo monitorar e controlar os processos (STEMMER, 2010). Para a troca de informações serem feitas, existem protocolos que definem os padrões de comunicação, sendo que existem alguns padrões para comunicação industrial. Um destes padrões é o Profibus, utilizado para comunicação entre o CLP e o inversor de frequência. O Profibus é um padrão de rede de campo aberto e independente de fornecedores e sua interface permite ampla aplicação em processos de automação. Seu padrão foi desenvolvido na Alemanha em 1987, a partir do esforço de algumas indústrias. O objetivo era a realização e estabilização de um barramento de campo bit serial, sendo o requisito básico a padronização da interface de dispositivo de campo (STEMMER, 2010). A rede Profibus DP, como várias redes de comunicação industriais, pelo fato de ser aplicada muitas vezes em ambientes agressivos e com alta exposição à interferência eletromagnética, exige certos cuidados que devem ser tomados para garantir uma baixa taxa de erros de comunicação durante a sua operação. A seguir são apresentadas características da rede Profibus DP e também recomendações para realizar a conexão do inversor CFW-09 nesta rede. A utilização de redes de comunicação em ambientes industriais traz algumas vantagens como: Compartilhamento de recursos: equipamentos e pessoas podem trocar informações em tempo real. Confiabilidade: devido aos protocolos e recursos de segurança, as informações na rede são mais confiáveis. Menor custo: configurações corretas permitem reduzir o custo com cabeamento e reduzir manutenções/paradas. Escalabilidade: possibilidade de aumentar gradualmente o desempenho e capacidade do sistema à medida que cresce a necessidade do mesmo. 216

6 Trabalho em equipe: acesso simultâneo de informações por diversos dispositivos e pessoas. 2.5 Sistema supervisório (SCADA) Sistemas de Supervisão e Aquisição de Dados, ou abreviadamente SCADA, são sistemas que utilizam software para monitorar e supervisionar as variáveis e os dispositivos de sistemas de controle conectados através de controladores (drivers) específicos. Estes sistemas podem assumir topologia mono-posto, cliente-servidor ou múltiplos servidores-clientes. Atualmente, tendem a libertar-se de protocolos de comunicação proprietários, como os dispositivos CLP's, módulos de entradas/saídas remotas, controladores programáveis, registradores, dentre outros, para arquiteturas cliente-servidor. O Elipse Studio E3 é um sistema supervisório que contem uma interface capaz de ler facilmente informações do CLP e tem o objetivo de converter os dados de um devido processo em gráficos ou telas, facilitando o entendimento e atuação de quem opera o processo Neste servidor de aplicações, os principais processos são executados, incluindo a comunicação em tempo real com os equipamentos do controle. Ele também fica responsável por enviar procedimentos e telas aos clientes que estão conectados com o servidor via Intranet ou Internet (ELIPSE E3, 2013). 3 METODOLOGIA Para a implementação prática do presente trabalho, foi realizado um procedimento experimental contendo os componentes descritos na Tab

7 Tabela 1. Componentes empregados no experimento prático. Item Descrição Motor elétrico Inversor de Frequência Rede Profibus CLP Programação do CLP Sistema de Supervisão Motor de indução trifásico, modelo W22 Plus, do fabricante Inversor de frequência CFW 09, do fabricante WEG, potência 2cv, corrente de 10A e tensão de trabalho de 220V. Profibus-DP, com cabeamento modelo RS-485. CLP Siemens Simatic S com hardware adicional de expansão com comunicação Profibus Desenvolvimento em software TIA Portal Desenvolvimento em software Elipse E3 Fonte: Os autores (2014). De forma a expor o desenvolvimento prático do trabalho, foi pré-determinado um fluxo de atividades a fim de satisfazer os anseios da presente proposta descrita, conforme apresentado na Fig. 1. Figura 1. Fluxograma de atividades da implementação prática. Fonte: Os autores (2014). 218

8 Adotando-se o fluxo descrito na Fig. 1, foram realizadas alterações na programação interna do inversor de frequência, a fim de torná-la capaz de ler os dados de placa do motor utilizado (potência, tensão nominal, corrente nominal, dentre outros). Para que a leitura fosse executada de forma correta devem-se alterar os parâmetros do inversor, listados na Tabela 2 e 3, pois deste modo é possível obter-se a troca de dados entre inversor e CLP, e em sequência foi elaborada a ligação do motor no inversor de frequência. Testada esta etapa, partiu-se para executar comandos de ligar e desligar o motor através do CLP. Tabela 2 Parâmetros alterados no Inversor CFW09 para funcionamento em rede FieldBus. Parâmetro Descrição Pré-seleção Ajuste de Fábrica P220 Seleção Local Remoto 7 = Fieldbus(L) 2 = HMI (L) P221 Seleção Referência Local 0 = HMI (teclas) 0 = HMI (teclas) P222 Seleção de Referência Remota 10 = Fieldbus 1 = AI1 P223 Seleção Giro Local 7 = Fieldbus (H) 8 = Fieldbus (AH) 2 = HMI (H) Seleção Gira/Para P224 Local 0 = Teclas [I] e [O] 0 = Teclas [I] e [O] P225 Seleção JOG Local 1 =IHM 1 =IHM P226 Seleção Giro 7 = Fieldbus (H) Remoto 8 = Fieldbus(AH) P227 Seleção Gira/Para Remoto 3 = Fieldbus 1 = Dlx P228 Seleção JOG Remoto 4 = Fieldbus 2 = DI3 a DI8 Fonte: WEG (2004). Tabela 3 Parâmetros alterados no Inversor CFW09 para funcionamento em rede FieldBus. Parâmetro Descrição Pré-seleção Ajuste de Fábrica P309 Fieldbus 1 = ProDP 2I/O 2 = ProDP 4I/O 0 = inativo 3 = ProDP 6I/O Fonte: WEG (2004). Em seguida, foi desenvolvida a programação do CLP. Especificando protocolo de rede utilizado e endereçando o inversor de modo correto no software do CLP e 219

9 adicionando um arquivo específico do inversor de frequência no próprio software do CLP, a fim de torná-la capaz de realizar a leitura dos parâmetros do inversor de frequência e do motor, utilizando redes industriais. Para esta transição de dados entre CLP e inversor de frequência, foi utilizado o protocolo Profibus. Logo após, foram estabelecidos os leiautes e a configuração do sistema de supervisão, mostrada na Figura 2 e 3, uma vez que já são do conhecimento as grandezas finais mensuradas. Figura 2. Amostragem do gráfico de velocidade atual do motor, sistema supervisório Fonte: Elipse E3 (2014) Figura 3. Painel de controle do inversor de frequência, sistema supervisório. Fonte: Elipse E3 (2014) 220

10 4 RESULTADOS Com a metodologia aplicada corretamente, obteve-se o resultado esperado no que se refere à questão prática, com todos os testes propostos e executados, conforme almejado nos objetivos do trabalho, desde a parametrização e programação do inversor de frequência e sua ligação ao motor. Com as conexões de hardware e software, sendo aplicadas de forma eficaz, foi possível interligar o CLP ao inversor de frequência utilizando o protocolo de redes industriais proposto, neste caso o Profibus DP. Nesta aplicação o CLP foi utilizado como mestre do inversor de frequência, onde foi feita uma programação específica para obter a comunicação entre estes dispositivos, juntamente com a programação em linguagem ladder, que tornou possível a leitura dos parâmetros do inversor de frequência e motor através do CLP e consequentemente ao sistema supervisório. Com o sistema supervisório tornou-se possível traçar gráficos de velocidade (Fig. 2), e outros, tendo como objetivo de supervisionar o funcionamento do sistema. Em questão do controle, a varredura de dados do sistema supervisório e sua capacidade de alterar comandos no CLP tornou-se possível controlar a operação do motor, gerando assim um ciclo de informações sobre o sistema de controle e a operação do motor, como visto na Figura 4. Figura 4. Ciclo de informações entre os dispositivos de controle de operação. Fonte: Os autores (2014). 221

11 5 CONCLUSÃO O desenvolvimento deste trabalho trouxe a possibilidade de consolidar os conhecimentos adquiridos em sala de aula, conhecimentos estes classicamente abordados nos cursos de automação industrial (circuitos elétricos, programação de CLPs e de sistemas de supervisão, comandos elétricos, redes industriais, dentre outros). Deste modo, a contribuição didática para os alunos envolvidos no projeto foi de grande valor. Entretanto, na prática, estes conhecimentos são insuficientes para o desenvolvimento de um sistema desta grandeza, são necessários conhecimentos a mais, utilizados/acrescentados somente no desenvolvimento prático do projeto; instrumentação, montagem de equipamentos de automação, pesquisa e planejamento, esses são apenas alguns dos conhecimentos, que juntamente com os conhecimentos abordados no curso, são importantes para a formação profissional do aluno. De certa forma, o trabalho desenvolvido neste projeto garantiu, aos alunos envolvidos, certo know-how sobre o desenvolvimento de sistemas de automação industrial. E por último, mas não menos importante, há o valor agregado ao fato de ser um sistema desenvolvido pelos próprios alunos, que de certa forma, valoriza e estimula a comunidade discente em geral. REFERÊNCIAS ELIPSE. Manual do Usuário do E MORO, C. Inversores de frequência. Teoria e Aplicações. 2ª ed. Editora Érica, São Paulo, PRUDENTE, F. Automação Industrial PLC: Teoria e Aplicações. 2 Ed. LTC, Rio de Janeiro, ROHLOFF, R. C. Noções de projeto auxiliado por computador. Livro didático Unisul, Palhoça/SC, SILVA, M. H. Controle de operação de motor de indução trifásico através de sistema supervisório. Trabalho de Conclusão de Curso Técnico em Automação Industrial, SENAI, Florianópolis,

12 STEMMER, M. R. Redes Locais Industriais: a integração da produção através das redes de comunicação. Ed. Da UFSC, Florianópolis, WEG. Manual do Usuário, Inversor de Frequência CFW