CONTROLE DE UM PROCESSO INDUSTRIAL ROBOTIZADO

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1 i UNIVERSIDADE DO PLANALTO CATARINENSE DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS CURSO DE INFORMÁTICA (BACHARELADO) CONTROLE DE UM PROCESSO INDUSTRIAL ROBOTIZADO LUIZ FERNANDO MORETTI LAGES, DEZEMBRO DE 2005.

2 ii UNIVERSIDADE DO PLANALTO CATARINENSE DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS CURSO DE INFORMÁTICA (BACHARELADO) CONTROLE DE UM PROCESSO INDUSTRIAL ROBOTIZADO 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. LUIZ FERNANDO MORETTI Orientador: Prof. Carlos Roberto da Silva Filho, M. Eng. LAGES, DEZEMBRO DE 2005.

3 iii CONTROLE DE UM PROCESSO INDUSTRIAL ROBOTIZADO LUIZ FERNANDO MORETTI ESTE RELATÓRIO, DO TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO, FOI JULGADO ADEQUADO PARA OBTENÇÃO DOS CRÉDITOS DA DISCIPLINA DE TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO DO VIII SEMESTRE, OBRIGATÓRIA PARA OBTENÇÃO DO TÍTULO DE: BACHAREL EM INFORMÁTICA Prof. Carlos Roberto da Silva Filho, M.Eng. Orientador BANCA EXAMINADORA: Prof. Marconi Januário, Esp. GRUCAD/UFSC Prof. Emerson André Fedechen, M.Sc. UNIPLAC Prof. Angelo Augusto Frozza, Esp. Supervisor de TCC Prof. Wilson Castello Branco Neto, M.Sc. Coordenador de Curso Lages, 07 de Dezembro de 2005

4 iv Dedico este trabalho primeiramente à Deus, à minha família e a todas as pessoas que contribuíram de forma direta ou indireta para que se tornasse possível a concretização deste. Aos mestres de todas as disciplinas que me proporcionaram uma ação transformadora e crítica, levando-me a observar o mundo com múltiplos olhares e a todos os colegas que sempre caminharam junto comigo nesta caminhada importante para nossas vidas.

5 Agradeço ao Prof. Carlos Roberto da Silva Filho, pela sua eficiente orientação durante o desenvolvimento dos trabalhos. Especialmente pela sua demonstração de competência, amizade e distinção no trato profissional. Ao supervisor de TCC, Angelo Augusto Frozza, que sempre esteve disponível para sanar minhas dúvidas. Também agradeço a equipe do SENAI que disponibilizou a estrutura e o equipamento para a execução deste projeto. v

6 vi Nunca diga às pessoas como fazer as coisas. Diga-lhes o que deve ser feito e elas surpreenderão você com sua engenhosidade. (George Patton)

7 SUMÁRIO LISTA DE ILUSTRAÇÕES... X LISTA DE SIGLAS... XII RESUMO... XIII ABSTRACT... XIV 1 INTRODUÇÃO Apresentação Descrição do problema Justificativa Objetivo geral Objetivos específicos Metodologia CONTROLE DE PROCESSOS Conceitos de sistemas de controle Histórico de controle de processos Classificação de sistemas de controle Controle malha aberta e malha fechada Vantagens e desvantagens de sistemas de malha aberta e malha fechada Modelagem matemática de controle de processos Função de transferência Diagrama de blocos Resolução de equações diferenciais lineares e invariantes no tempo Conclusão SISTEMAS ROBÓTICOS Conceitos de robôs Histórico da robótica Classes de robôs Componentes básicos de um robô industrial Espaço de trabalho Coordenadas generalizadas Graus de liberdade Anatomia dos manipuladores Precisão e repetibilidade Análise de desempenho de robôs manipuladores... 40

8 viii Características de desempenho Programação de robôs manipuladores Métodos de programação Linguagens de programação de robôs industriais Ergonomia de sistemas robotizados Análise das características do trabalho Planejamento de métodos de trabalho e processos Projeto do arranjo físico Integração de ergonomia humana e de robôs Modelagem e controle de Robôs Conclusão CONTROLE DE UMA ESTEIRA INTEGRADA A UM SISTEMA ROBOTIZADO Controladores Lógicos Programáveis Arquitetura dos CLPs Arquitetura funcional dos CLPs A Linguagem de programação de um CLP Inversor de freqüência Parametrização típica de um inversor Aplicações típicas com o inversor Sensores Sensor magnético Sensor capacitivo Sensor indutivo Sensor óptico Chave fim-de-curso Encoders Encoders incrementais Encoders absolutos Encoders absolutos virtuais Motores elétricos Motores elétricos de indução Princípio de funcionamento de motores de indução trifásicos Especificação de motores elétricos para uma dada aplicação Conclusão SISTEMA DE PALETIZAÇÃO ROBOTIZADA Programação do robô Programação passo a passo do robô Programação do CLP Parametrização do Inversor Interligação do CLP com o robô Descrição do programa integrado Composição do sistema integrado Descrição do processo Realização dos testes Conclusão CONSIDERAÇÕES FINAIS

9 ix REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS APÊNDICES

10 LISTA DE ILUSTRAÇÕES FIGURA 1 - Elemento de um diagrama de blocos FIGURA 2 - Sistema a malha fechada FIGURA 3 - Robô industrial manipulador FIGURA 4 - Robô humanóide desenvolvido pela Honda FIGURA 5 - Componentes básicos de um robô industrial FIGURA 6 - Os seis tipos básicos de preensão da mão humana FIGURA 7 - Preensões típicas de diversos tipos de garras FIGURA 8 - Garra com dedos flexíveis FIGURA 9 - Garra mecânica com três dedos FIGURA 10 - Diferentes espaços de trabalho em manipuladores de diferentes anatomias FIGURA 11 - Manipulador com duas juntas de revolução no mesmo plano FIGURA 12 - Braço mecânico com 3 graus de liberdade: 2 juntas de revolução e 1 prismática FIGURA 13 - Configuração: (a) cartesiana; (b) cilíndrica; (c) esférica e (d) de revolução FIGURA 14 - Ilustração de conceitos de precisão e repetibilidade FIGURA 15 - Teach-pendant FIGURA 16 - Exemplo de um CLP versão compacta Siemens FIGURA 17 - Arquitetura interna de um CLP FIGURA 18 - Um exemplo de um CLP modular FIGURA 19 - Placa de CPU de um CLP FIGURA 20 - Exemplo de diagrama Ladder FIGURA 21 - Exemplo de diagrama Ladder com lógica negativa FIGURA 22 - Exemplo de diagrama Ladder com lógica NAND e NOR FIGURA 23 - Funcionamento do sensor magnético FIGURA 24 - Esquema de funcionamento do sensor capacitivo FIGURA 25 - Tabela de constantes dielétricas dos materiais FIGURA 26 - Constante de tempo RC FIGURA 27 - Forma de construção do sensor capacitivo FIGURA 28 - Dinâmica do sensor capacitivo FIGURA 29 - Princípio de funcionamento do sensor indutivo FIGURA 30 - Esquema de funcionamento do sensor indutivo FIGURA 31 - Como funciona o sensor indutivo... 71

11 xi FIGURA 32 - Variação de tensão com o sensor indutivo ligado FIGURA 33 - Aparência de um indutor comercial FIGURA 34 - Funcionamento do sensor óptico FIGURA 35 - Formas de operação do sensor óptico FIGURA 36 - Sensor óptico FIGURA 37 - Chave fim-de-curso FIGURA 38 - Esquema de funcionamento da chave fim-de-curso FIGURA 39 - Princípio de funcionamento de um encoder rotativo FIGURA 40 - Princípio de funcionamento de um encoder linear FIGURA 41 - Encoder Incremental FIGURA 42 - Encoder Absoluto FIGURA 43 - Comparação de discos de encoders incrementais, absolutos, absoluto virtual FIGURA 44 - Classificação de motores elétricos FIGURA 45 - Motor elétrico trifásico de indução com rotor bobinado FIGURA 46 - Teach-pendant e suas principais funções FIGURA 47 - Tela com a declaração das variáveis do sistema FIGURA 48 - Topologia do sistema FIGURA 49 - Esquema de ligação entre o robô e o relê FIGURA 50 - Encoder utilizado no trabalho FIGURA 51 - Inversor de freqüência utilizado no trabalho FIGURA 52 - Sensor óptico utilizado no trabalho FIGURA 53 - CLP, expansão local e expansão remota utilizados no trabalho FIGURA 54 - Robô utilizado na realização dos trabalhos FIGURA 55 - Motor elétrico de indução utilizado no trabalho FIGURA 56 - Esteira utilizada na realização do trabalho FIGURA 57 - Conjunto de relês utilizados no sistema FIGURA 58 - Sistema completo com seus componentes interligados FIGURA 59 - Mapa do sistema QUADRO 1 - Especificações de encoders absolutos QUADRO 2 - Aplicações da tecnologia de encoders absolutos virtuais

12 xii LISTA DE SIGLAS ABNT CA CC CLP CNC CPU DORT EPROM Hz ISO LED LER MAG MIG NA NASA NBR NF PID RAM RC RIA RPM RUR SRI TIG - Associação Brasileira de Normas Técnicas - Corrente Alternada - Corrente Contínua - Controlador Lógico Programável - Comando Numérico Computadorizado - Central Process Unit - Distúrbios Osteomoleculares Relacionados ao trabalho - Eraseble Programable Ready Only Memory - Hertz - International Organization for Standardization - Ligth Emissor Diode - Lesão por Esforço Repetitivo - Metal Active Gás - Metal Inert Gás - Normalmente Aberto - National Aeronautics and Space Administration - Normatização Brasileira - Normalmente Fechado - Proporcional, Integral, Derivativo - Randon Access Memory - Resistor/Capacitor - Robotic Industries Association - Rotações por Minuto - Rossum s Universal Robotics - Stanford Research Institute - Tungsten Inert Gás

13 xiii RESUMO O processo robotizado está cada vez comum na indústria devido a melhora na qualidade final dos produtos, diminuição dos custos de produção e quantidade de produtos acabados em um determinado intervalo de tempo. Este trabalho tem como principal objetivo simular um processo industrial robotizado, através de equipamentos utilizados na indústria, como o robô manipulador que tem a função de manipular objetos, o controlador lógico programável, também conhecido como CLP que tem a função de armazenar o programa de controle, bem como receber os sinais de entrada vindos dos elementos envolvidos e ativar as saídas do processo, o inversor de freqüência que conjuntamente com outros dispositivos de controle pode determinar o comportamento de um motor e o encoder que serve para transformar um movimento angular num movimento linear de distância. O processo terá um botão de inicialização que informa ao controlador que o processo foi iniciado. Além disso, o processo possui um sensor óptico que determina que a peça a ser deslocada na esteira está na posição inicial e que deve ser deslocada até uma determinada distância. Ao final desta distância a esteira deve ser desligada para que a peça fique na posição correta, o robô possa pegá-la e colocá-la no local previamente definido através de seu programa de controle. Palavras-chave: Automação industrial; Robótica; Controle de Processo industrial Robotizado; Controlador Lógico Programável.

14 ABSTRACT The robotized process is more and more common in the industry due to improvement in the final quality of the products, decrease of the costs of production and amount of finished goods in a certain interval of time. This work has as main objective to simulate a robotized industrial process, through equipments used in the industry, as the robot manipulator that has the function of manipulate objects, the programmable logical controller, also known as CLP that has the function of storing the control program, as well as to receive the input signs that came from the involved elements and to activate the exits of the process, the frequency inversor that jointly with other control devices can determine the behavior of a motor and the encoder that works to transform an angular movement in a lineal movement of distance. The process will have an initialization button that informs the controller that the process was begun. Besides, the process possesses an optical sensor that determines that the piece to be moved in the mat is in the initial position and that it should be moved until a certain distance. At the end of this distance the mat should be turned off for the piece to be in the correct position, the robot can catch it and put it in the previous defined place through its control program. Keywords: Industrial Automation; Robotics; Robotic Industrial Process control; Programmable Logical Controller.

15 1 INTRODUÇÃO 1.1 Apresentação Processo é uma ação que evolui de forma progressiva e constitui uma série de ações que são controladas a fim de alcançar um determinado resultado ou atingir uma meta (OGATA, 2000). Controlar um processo significa atuar sobre ele, utilizando de todos os mecanismos disponíveis, ou sobre as condições a que o mesmo está sujeito a fim de atingir alguma meta. Cada processo pode ter um ou mais resultados (efeitos e fins). Para que se possa de fato controlar cada processo é necessário medir (avaliar) os seus efeitos a fim de que se possa chegar ao objetivo proposto. A utilização de robôs em processos industriais é cada vez mais comum, devido a vários fatores, como: a diminuição do custo de mão-de-obra final do produto, a diminuição de lesões por esforço repetitivo (LER) e os distúrbios osteomoleculares relacionados ao trabalho (DORT) em funcionários humanos. Além de uma grande diferença na quantidade de produtos acabados por um determinado intervalo de tempo. No controle de processos, os robôs devem ser escolhidos de acordo com alguns parâmetros que devem ser levados em consideração, tais como: o espaço de trabalho, a repetitividade, a precisão, a velocidade, o número de graus de liberdade que o robô contém, controle e fundações (ROMANO, 2002). A repetibilidade de um manipulador Segundo PAZOS (2002), significa a capacidade do mesmo de retornar de forma seguida a um determinado ponto do espaço de trabalho, ou seja, o manipulador parte de um ponto de inicio até um segundo ponto,

16 2 executa o trabalho e depois retorna novamente ao ponto inicial, podendo assim repetir essa trajetória por várias vezes, caracterizando assim a repetibilidade. A precisão é definida como a capacidade de um manipulador atingir um ponto especificado, independente do sistema de coordenadas que esteja sendo utilizado. Um manipulador pode ter uma ótima repetibilidade atuando sobre pontos próximos, porém esses pontos podem não estar exatamente na posição desejada, caracterizando assim uma precisão pobre (PAZOS, 2002). Um robô industrial é um manipulador com várias funcionalidades, reprogramável e projetado para movimentar ferramentas, materiais e peças especiais, através de vários movimentos que são programados para o desempenho de tarefas variadas (ROMANO, 2002). Isto dá a idéia das aplicações variadas que podem ser realizadas por esse tipo de equipamento. A soldagem é uma das aplicações mais comuns de robôs industriais. Aproximadamente 25% desses robôs são empregados em diferentes aplicações de soldagem. Outra aplicação para os robôs industriais é a montagem de componentes, correspondendo a 33% das aplicações, e muito destes são empregados em indústrias automobilísticas e de eletrônica. Com uma pequena fatia estão os processos de empacotamento e paletização, com 2,8% do número total (ROMANO, 2002). Uma área que irá utilizar consideravelmente os robôs industriais futuramente é a indústria alimentícia (ROMANO, 2002). A robótica industrial é aplicada em várias áreas, entre elas está o processo de paletização de materiais. De acordo com PIRES (2003), a paletização de vidros é muito comum na indústria, principalmente na área automobilística, onde os robôs trabalham principalmente devido às altas temperaturas para o sistema de modelagem dos vidros. Outra aplicação muito importante nesta área é a despaletização de peças cerâmicas não planas (ex. vasos sanitários) que possuem vários modelos que após despaletizados ainda precisam ser inspecionados (PIRES, 2003). Segundo ROMANO (2002), o processo de soldagem robotizado mudou completamente a concepção da linha de produção, principalmente na área automobilística, pois a precisão e a produtividade aumentaram significativamente. O processo de soldagem robotizado

17 3 traz muitas vantagens, entre elas estão a capacidade do robô de trabalhar em temperaturas extremas, maior precisão na soldagem, trabalhar durante várias semanas ininterruptamente e várias outras vantagens que facilitam o processo de produção de forma geral. Os principais tipos de soldagem robotizada são: soldagem com eletrodo contínuo sob proteção gasosa (também conhecida como MIG, MAG), soldagem TIG, soldagem e corte a laser, soldagem e corte à plasma e, por fim, soldagem por resistência elétrica por pontos. Além dos robôs industriais existem robôs para aplicações específicas, tais como, robôs móveis (como o explorador spirit enviado à Marte pela NASA), robôs com esteira (como robôs desenvolvidos para desativar minas, utilizados pelo exército americano), robôs com patas (utilizados para exploração submarina), além de futuros robôs com rodas para limpeza, corte de grama, entre outros (ROMANO, 2002). Tais robôs não serão abordados, pois não fazem parte do escopo deste trabalho. Nos capítulos posteriores são abordados vários temas relacionados diretamente ao trabalho proposto. No capítulo 2 são tratados os assuntos: controle de processos, conceitos de sistemas de controle e robótica, além de sistemas de controle em malha aberta e malha fechada, modelo de controle de servo motores, análise de sistemas de segunda ordem, técnicas de controle PID com seu respectivo controle eletrônico. O capítulo 3 trata dos sistemas robóticos, bem como os conceitos de robôs, a modelagem geométrica de robôs industriais e também o espaço de trabalho e definição de trajetórias. No capítulo 4 é abordado como assunto principal o controle de uma esteira integrada a um sistema robotizado, também é descrito o funcionamento dos controladores lógicos programáveis, inversor de freqüência, sensores. Será abordado o funcionamento dos encoders e dos motores elétricos de indução. Finalmente, no capítulo 5 são tratados temas específicos do trabalho, isto é o sistema integrado de controle de paletização de peças robotizado, a descrição das interligações dos componentes. Também é descrito o programa de controle da esteira, do robô e do controle integrado. Por fim, é descrito todo o funcionamento do sistema.

18 4 1.2 Descrição do problema Na fabricação de produtos manufaturados, existem diversas linhas de produtos similares como, por exemplo, a soldagem de partes de um automóvel, de modelos diferentes. Um sistema automático de soldagem deve considerar a repetibilidade do processo integrado. Na soldagem com operador humano, este fica realizando o processo de solda manualmente de modo repetitivo. Num sistema de controle automático, um robô pode substituir o operador humano, desde que o mesmo esteja interligado ao processo produtivo. Portanto, o problema consiste em identificar o que deve ser considerado para substituir a operação manual repetitiva num processo industrial por um sistema de controle robotizado integrado e automático. 1.3 Justificativa Num sistema manufaturado a precisão associada com a repetibilidade é imprescindível para produção de produtos com qualidade. Se a produção é feita de modo manual, isto é, com a presença de pessoas na linha de produção, a tendência é de se obter produtos com menor precisão e com qualidade inferior. Assim, um sistema de controle automatizado soluciona o problema. De acordo com ROMANO (2002, p. 16), a maioria das atividades relacionadas a robôs industriais em processos de produção envolve operações de movimentação, processamento e controle de qualidade. Porém dependendo da situação ou do produto a ser fabricado, é possível otimizar ou flexibilizar o processo produtivo. Os sistemas robotizados permitem tal flexibilidade, pois estes podem repetir inúmeras vezes uma seqüência de ações, mesmo que em mais de uma linha de produção. Os sistemas robotizados são considerados sistemas flexíveis, pois a partir de uma mudança na linha de produção é possível adaptá-lo para o novo processo. Conforme ROMANO (2002, p. 11), robôs são máquinas de programação flexível, projetadas para operar em diversas situações. Logo, as especificações de operação fornecidas pelo fabricante são de caráter geral e relacionam-se à: volume de trabalho, capacidade de carga, velocidade máxima, precisão e repetibilidade.

19 5 Um robô é um sistema que precisa para si um controle próprio. Isto significa que o robô deve ter o controle de todas as juntas e cada uma delas deve ser deslocada conforme um programa de controle. Num sistema de manufatura robotizado, deve-se programar a operação do robô na linha de produção e, caso seja preciso alterar a seqüência do mesmo, basta que seja alterado o programa de controle. Isto flexibiliza a sua ação no processo produtivo sem a necessidade de ter que substituí-lo. Neste contexto, o presente trabalho simula uma linha de produção com o uso de um robô integrado ao sistema de controle da linha de produção através de um controlador lógico programável - CLP. Este trabalho permite o desenvolvimento da lógica de controle num sistema integrado de manufatura, bem como acrescenta um conjunto de conhecimentos relacionados ao controle e a automação industrial de um modo geral. 1.4 Objetivo geral Simular um sistema de controle robotizado num processo industrial fictício, através da implementação do programa de controle do robô, integrado ao programa de controle da esteira e do processo global num controlador lógico programável. 1.5 Objetivos específicos Os objetivos específicos do trabalho são os seguintes: a) Fazer um levantamento bibliográfico dos componentes do sistema de controle, considerando os aspectos relevantes ao processo em questão; b) Utilizar a esteira desenvolvida em trabalhos anteriores para posicionar uma peça de madeira para que o robô possa pegá-la; c) Desenvolver o programa de controle do robô conforme os requisitos do processo. d) Implementar e revisar o sistema de controle da esteira com a integração do robô neste processo; e) Realizar os testes no sistema para verificar a precisão da repetibilidade do robô.

20 6 1.6 Metodologia O desenvolvimento do trabalho iniciou com um levantamento bibliográfico à respeito dos componentes do sistema, isto é, a sua especificação técnica. Na especificação de cada componente, foram apresentados os conceitos e princípios de funcionamento dos mesmos. Além disso, para cada componente, foram apresentados os conceitos relacionados a solução proposta. Posteriormente foi apresentado o modelo do sistema de controle conceitual, modelagem matemática. Uma vez descrito o modelo matemático do processo, foi especificado o seu modelo dinâmico de controle. No levantamento bibliográfico foram abordados também os conceitos básicos de um sistema de controle em malha fechada. Relacionado ao sistema robótico, foram descritos os conceitos sobre seus elementos de controle, constituição física e espaço de trabalho. Conceitos como repetibilidade e precisão foram elementos especificados para verificação da adequação do sistema robótico no sistema integrado de controle, ou seja, todos os componentes do processo. A segunda etapa do trabalho consistiu em estudar o trabalho anterior de controle da esteira (ZACCARON, 2003), com descrição resumida dos seus componentes, bem como o seu programa de controle. Além disso, foi apresentada uma descrição de como o robô fez parte do processo. Neste caso, a esteira deve estar parada para que o robô possa pegar a peça e colocá-la no local apropriado. Nesta etapa, também, foi feito um estudo da interligação do robô com o CLP, para integração do sistema. Posteriormente, foi implementado um programa de controle do robô integrado ao controle da esteira. Este programa foi feito na linguagem de comandos desenvolvida pelo fabricante do robô. Os comandos utilizados na programação fizeram com que o processo se repetisse indefinidamente até que o mesmo tivesse um comando de parada. Os comandos que foram utilizados no processo foram descritos. Por fim, foram realizados testes para verificar a repetibilidade do processo, determinando a precisão do robô no controle do processo específico deste trabalho, para determinar seu desempenho global.

21 7 2 CONTROLE DE PROCESSOS Neste capítulo são abordados assuntos importantes, como os conceitos de controle de processos, bem como os seus tipos, seu histórico, sua classificação, sistemas de controle em malha aberta e controle em malha fechada e principalmente, a sua importância para todos os tipos de processos que puderam ser controlados. Também são abordados os conceitos de diagramas de blocos, modelagem matemática de controle de processos, função de transferência e resolução de equações diferenciais lineares e invariantes no tempo. 2.1 Conceitos de sistemas de controle Hoje existem muitos equipamentos que trabalham praticamente sozinhos, porém, esses equipamentos necessitam de um sistema de controle para que possam operar de forma independente à presença do ser humano. Esses equipamentos fazem parte de um processo que está acontecendo, onde cada etapa desse processo influencia no resultado gerado. A partir desse resultado são verificados os padrões de qualidade dos produtos que são resultado desse processo. 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 (FERREIRA, 1999), 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 (2000) controle

22 8 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, como (OGATA 2000): 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 perturbação 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 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 distúrbios não previsíveis são especificados como tais, desde que distúrbios conhecidos ou previsíveis

23 9 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 servo sistema (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 sinônimos. 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, como por exemplo, temperatura, pressão, nível de líquidos entre outros Histórico de controle de processos 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,

24 10 entre muitos outros (OGATA, 2000). 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). 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 complexa 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).

25 11 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 Classificação de sistemas de controle A introdução da teoria e desenvolvimento de controle moderna junto com as máquinas automatizadas, tiveram suas possibilidades de aplicação expandidas através de controle eletrônicos e agora com os computadores digitais mais baratos e mais compactos, que 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 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, 2000). Ainda de acordo com OGATA (2000), 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

26 12 sistema de controle invariante no tempo é aquele cujos parâmetros não variam com o tempo. Portanto, a resposta de tal sistema é independente 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 certos instantes de tempo. Sistema de controle de entrada/saída simples X entrada/saída múltipla: um sistema de uma entrada e uma saída é denominado 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 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

27 13 sistema em questão neste trabalho pode ser classificado como linear porque as variáveis do sistema não têm mudanças drásticas; de tempo contínuo, de forma que pode-se saber a função de cada variável, pois as mesmas são função de um tempo contínuo; de várias entradas e várias saídas Controle malha aberta e malha fechada Controladores são dispositivos eletrônicos, mecânicos ou a combinação de ambos que tem por objetivo principal controlar um sistema. Esses controladores em geral são ligados na entrada do sistema e são responsáveis por gerar o sinal de acordo com a saída estipulada pelo usuário (PAZOS, 2002). Existem dois tipos de sistemas controles que podem ser empregados: o sistema controle sem realimentação, também chamado de Sistema Controle em Malha Aberta e o Sistema controle com realimentação que também é chamado de Sistema 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 desejado. O termo controle de malha fechada sempre implica o uso de ação de controle realimentado a fim de reduzir o erro do sistema. Os sistemas de controle em malha aberta são sistemas em que a saída não tem nenhum efeito sobre a ação de controle. 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

28 14 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 em sua totalidade 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 Vantagens e desvantagens de sistemas de malha aberta e malha fechada Dependendo do tipo de controle a ser efetuado num dado processo, existem vantagens e desvantagens de utilizar um sistema de malha aberta ou um sistema de 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 (OGATA, 2000). 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

29 15 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 de erro. 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. 2.2 Modelagem matemática de controle de processos Nos estudos que abordam sistemas de controle, deve-se ter capacidade de modelar sistemas dinâmicos e de analisar características dinâmicas. Em um sistema dinâmico, a modelagem matemática é definida como um conjunto de equações que representam a dinâmica do sistema com precisão, ou pelo menos, de uma forma bastante aceitável. Observa-se que um modelo matemático não é único para um determinado sistema, pois o mesmo pode ser representado de várias maneiras diferentes, no entanto, pode haver muitos modelos matemáticos, dependendo da perspectiva considerada. A dinâmica de muitos sistemas sejam eles mecânicos, elétricos, térmicos, econômicos, biológicos etc., podem ser descritivas em termos de equações diferenciais. Essas equações podem ser obtidas utilizando-se as leis físicas que governam um determinado sistema particular, como por exemplo as leis de Newton dos sistemas mecânicos e as leis de Kirchhoff dos sistemas elétricos. Devemos ter sempre em mente que a obtenção de um modelo matemático aceitável é a parte mais importante de toda a análise. Os modelos matemáticos podem assumir várias formas diferentes. Essas formas dependem do sistema que é alvo de interesse e das circunstâncias particulares,

30 16 um modelo matemático pode ser mais adequado do que outro. Por exemplo, em problemas de controle ótimo, é vantajoso usar representações no espaço de estados (OGATA, 2000). Por outro lado, para a análise de resposta transitória ou de resposta de freqüência de sistemas monovariáveis (a uma entrada e uma saída), lineares e invariantes no tempo, a representação através de função de transferência pode ser mais conveniente do que qualquer outra. Uma vez obtido um modelo matemático de um sistema, várias ferramentas analíticas e de computador podem ser usadas para fins de análise e de síntese. A simplicidade e a precisão de um modelo matemático estão diretamente relacionadas, por isso um modelo matemático pode ter sua precisão melhorada, só que para isso é necessário aumentar a sua complexidade. Em alguns casos, são incluídos centenas de equações para descrever um sistema completo. Na obtenção de um modelo matemático, no entanto, deve ser estabelecido um compromisso entre a simplicidade de um determinado modelo e a precisão dos resultados da análise. Portanto, quando não for necessário um resultado muito preciso, é preferível obter apenas um modelo razoavelmente simplificado. Com efeito, fica-se geralmente satisfeito com a obtenção de um modelo matemático adequado ao problema em consideração. No entanto, devese notar que os resultados obtidos da análise são válidos somente na medida em que o modelo aproxima o comportamento real de um determinado sistema dinâmico. Na obtenção de um modelo matemático simplificado, se torna necessário ignorar algumas propriedades físicas inerentes ao sistema. Em particular, se deseja obter um modelo matemático linear a parâmetros concentrados, será sempre necessário ignorar certas não-linearidades e a influência de parâmetros distribuídos que possam estar presentes no sistema físico. Se os efeitos destas propriedades ignoradas sobre a resposta forem pequenos, será alcançada uma concordância entre os resultados da análise do modelo matemático e os resultados do estudo experimental do sistema físico. Na solução de um novo problema, é considerado desejável primeiramente construir um modelo simplificado para adquirir um conhecimento básico e geral para uma determinada solução. Posteriormente, poderá ser elaborado um modelo

31 17 matemático mais completo a fim de que possa ser utilizado para uma análise mais detalhada. Um sistema pode ser chamado de linear se a ele se aplica o princípio da superposição, que estabelece que a resposta produzida pela aplicação simultânea de duas excitações diferentes é igual à soma das duas respostas individuais a cada uma delas. Isto significa que para os sistemas lineares, a resposta a várias entradas pode ser calculada considerando-se uma entrada de cada vez desde que os resultados sejam somados (OGATA, 2000). Tal princípio que permite a construção de soluções complicadas para equações diferenciais lineares a partir de soluções mais simples. Os sistemas lineares também podem ser classificados como variantes e invariantes no tempo. Uma equação diferencial é linear se os coeficientes forem constantes ou funções apenas da variável independente. Sistemas dinâmicos que são compostos de componentes lineares a parâmetros concentrados e invariantes no tempo podem ser descritos por equações diferenciais lineares e invariantes no tempo. Os sistemas representados por equações diferenciais cujos coeficientes sejam funções do tempo são chamados sistemas lineares variáveis no tempo (OGATA, 2000). Um exemplo de um sistema de controle variável no tempo é um sistema de controle de um navio, pois a sua massa varia devido ao consumo de combustível. Um sistema é não-linear quando não é possível aplicar o princípio da superposição. Embora muitas relações físicas sejam representadas freqüentemente por equações lineares, na maioria dos casos as relações reais não são exatamente lineares. Uma análise detalhada de sistemas físicos mostra que mesmo os chamados "sistemas lineares" são realmente lineares apenas em faixas limitadas de operação. Na prática, muitos sistemas eletromecânicos, hidráulicos, pneumáticos etc., envolvem relações não-lineares entre as variáveis. Por exemplo, a saída de um componente pode saturar para sinais grandes na entrada. Não-linearidades do tipo lei quadrática podem ocorrer em alguns componentes. Note-se que alguns sistemas de controle importantes são não-lineares independentemente dos valores dos sinais de entrada. Por exemplo, em sistemas de

32 18 controle liga-desliga (on-off). A ação de controle ou é liga ou é desliga, e não há uma relação linear entre a entrada e a saída do controlador. Um exemplo prático desses sistemas são os sistemas de refrigeração utilizados em geladeiras, onde, quando o mesmo está ligado, fica resfriando o interior da geladeira e quando está desligado, interrompe o resfriamento, apenas o mantendo na sua temperatura atual por algum tempo. Os procedimentos para determinar as soluções de problemas envolvendo sistemas não-lineares são, em geral, extremamente complicados. Devido a esta dificuldade matemática inerente aos sistemas não-lineares torna-se normalmente necessário introduzir sistemas lineares "equivalentes" em substituição aos nãolineares. Estes sistemas lineares equivalentes são válidos apenas dentro de uma faixa limitada de operação. Uma vez que um sistema não-linear seja aproximado por um modelo matemático linear, várias ferramentas lineares podem ser aplicadas para fins de análise e projeto. Independente do modelo matemático de um processo, tais modelos não descrevem como são as características funcionais, mecânicas (montagem da estrutura), sensores, instrumentação, componentes de controle e como tal interligação ocorre na prática. Isto quer dizer que o modo como o controle será realizado, deve ser descrito através de representações clássicas, mostrando não somente o comportamento dinâmico do sistema (modelo matemático), mas deve sim ser representado através de diagramas que permitam a identificação dos elementos no problema a ser controlado. É preciso também que o modelo matemático permita identificar uma estratégia de controle a ser empregada, baseada no comportamento dinâmico do sistema e quais os elementos que serão inseridos para realização do controle. Esta representação do sistema será feita através do conceito de função de transferência, onde o sistema será identificado através de um diagrama de blocos e a estratégia de controle a ser aplicada será definida através da análise de métodos de resolução das equações diferenciais lineares e invariantes no tempo. Para tal, serão apresentados a seguir, os conceitos de função de transferência, diagrama de blocos e um método de solução de equações diferenciais lineares e invariantes no tempo. O

33 19 método a ser aplicado na resolução das equações é o método de Laplace, por incorporar as condições iniciais na equação modelo, sendo portanto desnecessário o cálculo das constantes de integração Função de transferência Em teoria de controle, as funções ditas funções de transferência são comumente usadas para caracterizar as relações de entrada-saída de componentes ou sistemas que podem ser descritos por equações diferenciais lineares invariantes no tempo. O conceito de função de transferência de um sistema representado por equações diferenciais lineares invariantes no tempo é definida como a relação entre a transformada de Laplace do sinal de saída (função resposta) e a transformada de Laplace do sinal de entrada (função excitação), na hipótese de que todas as condições iniciais são nulas. Função de Transferência = L Saida G( s) com condições iniciais nulas. Eq. 1 L Entrada Usando-se o conceito de função de transferência é possível representar a dinâmica de sistemas por equações algébricas em s. Se a mais alta potência de s no denominador da função de transferência for igual a n, o sistema é chamado sistema de n-ésima ordem. A aplicabilidade do conceito da função de transferência é limitada a equações diferenciais lineares invariantes no tempo. O método das funções de transferência, portanto, é amplamente usado na análise e no projeto de tais sistemas Diagrama de blocos Um sistema de controle pode ser constituído por um certo número de componentes. Em engenharia de controle, para mostrar as funções desempenhadas por cada componente, costuma-se usar um diagrama chamado diagrama de blocos. Esta seção explica o que é um diagrama de blocos, apresenta um método de obtenção dos diagramas de blocos para sistemas físicos e, finalmente, discute técnicas para

34 20 simplificar tais diagramas. Um diagrama de blocos de um sistema é uma representação pictórica das funções desempenhadas por cada um dos componentes e do fluxo de sinais entre eles. Diferindo de uma representação matemática puramente abstrata, o diagrama de blocos tem a vantagem de indicar mais realisticamente os fluxos de sinal do sistema real. Em um diagrama de blocos, todas as variáveis do sistema são ligadas umas às outras através de blocos funcionais. O bloco funcional ou simplesmente bloco é um símbolo da operação matemática sobre o sinal de entrada do bloco que produz o sinal de saída. As funções de transferência dos componentes são usualmente introduzidas nos blocos correspondentes, que são conectados por setas para indicar o sentido do fluxo dos sinais. A figura 1 mostra um elemento do diagrama de blocos. O segmento orientado (seta) que aponta para o bloco indica o sinal de entrada, e o segmento orientado que sai do bloco representa o sinal de saída. Tais setas são citadas como sinais. FIGURA 1 - Elemento de um diagrama de blocos As vantagens da representação por diagrama de blocos de um sistema residem no fato de que é fácil formar o diagrama de blocos global do sistema como um todo simplesmente conectando os blocos dos componentes de acordo com o fluxo do sinal, e que é possível avaliar a contribuição de cada componente para o desempenho global do sistema. O diagrama de blocos de um sistema a malha fechada apresentado na figura 2 mostra um exemplo de diagrama de blocos de um sistema a malha fechada. A saída C(s) retroage ao ponto de soma, onde é comparada com o sinal de entrada de referência R(s). A natureza de malha fechada do sistema está claramente indicada

35 21 através da figura 2. O sinal de saída do bloco, C(s) neste caso, é obtido pela multiplicação da função de transferência G(s) pelo sinal de entrada no bloco, E(s). Qualquer sistema de controle linear pode ser representado por um diagrama de blocos constituído por blocos, pontos de soma e pontos de junção. Quando o sinal de saída retroage ao ponto de soma para comparação com a entrada, é necessário converter sua natureza física na mesma natureza do sinal de entrada. Por exemplo, em um sistema de controle de temperatura, o sinal de saída é usualmente a temperatura controlada. O sinal de saída, que tem a dimensão de temperatura, deve ser codificado como força, posição ou tensão elétrica, Esta conversão é realizada pelo elemento de retroação cuja função de transferência é H(s), conforme mostrado na figura 2. FIGURA 2 - Sistema a malha fechada O papel do elemento de retroação é modificar a natureza do sinal de saída antes que este seja comparado com o sinal de entrada, na maioria dos casos, o elemento de retroação é um sensor que mede o valor da grandeza de saída do processo a controlar. O sinal de saída do sensor é comparado com o sinal de entrada, gerando-se o sinal de erro atuante. No presente exemplo, o sinal de retroação que retoma ao ponto de soma para comparação com o sinal de entrada é B(s) = H(s)C(s). Função de transferência à malha fechada. Para o sistema mostrado na figura 2, o sinal de saída C(s) e o sinal de entrada R(s) estão relacionados como se segue: C( s) G( s) E( s) E( s) R( s) B( s) R( s) H ( s) C( s) Eq. 2

36 22 Eliminando E(s) destas equações, obtêm-se C( s) G( s)[ R( s) H( s) C( s)] ou C( s) G( s) Eq. 3 R( s) 1 G( s) H( s) A função de transferência que relaciona C(s) a R(s) é denominada função de transferência a malha fechada Resolução de equações diferenciais lineares e invariantes no tempo O método da transformada de Laplace fornece a solução completa (solução complementar e solução particular) das equações diferenciais lineares e invariantes no tempo. Os métodos clássicos para se achar a solução completa de uma equação diferencial requerem o cálculo de constantes de integração a partir das condições iniciais. No caso do método da transformada de Laplace, no entanto, este requisito é desnecessário porque as condições iniciais são automaticamente incluídas na transformada de Laplace da equação diferencial. Se todas as condições iniciais forem consideradas nulas, então a transformada de Laplace da equação diferencial é obtida simplesmente pela substituição de d/dt por s, d 2 /dt 2 por s 2 e assim por diante. Na resolução das equações diferenciais lineares e invariantes no tempo pelo método da transformada de Laplace são necessárias duas etapas: 1) Aplicando-se a transformada de Laplace a cada um dos membros da equação diferencial, converter a equação diferencial numa equação algébrica em s (aplicando a tabela de Laplace ou a integral de Laplace) e obter a expressão da transformada de Laplace da variável dependente, rearranjando a equação algébrica. 2) A solução da equação diferencial em função do tempo é obtida achando-se a transformada de Laplace inversa da variável dependente.

37 23 Cabe salientar que a definição da transformada de Laplace é dada pela integral de Laplace. Assim, seja uma função f(t) variável no tempo tal que seu valor seja zero para qualquer tempo menor que zero e uma variável complexa s representando o domínio da freqüência, a transformada de Laplace é a seguinte: Laplace = st f ( t) e dt Eq Conclusão Todos os processos precisam de um sistema de controle, pois estes fazem com que este processo tenha uma boa eficiência e cumpra todos os seus objetivos. Para isso precisaram ser projetados de acordo com as necessidades do mesmo, assim tiveram bom desempenho e resultados excelentes. Os sistemas de controle são muito importantes, pois através deles conseguese um processo de boa qualidade, não somente no processo em si, mas também nos seus resultados, através de produtos de qualidade, de suas conformidades e bom desempenho através de produtos finalizados por tempo de trabalho.

38 24 3 SISTEMAS ROBÓTICOS Neste capítulo são vistos os conceitos de robôs e os espaços de trabalho onde eles atuam. Também são vistas as análises de desempenho de robôs através de suas características de postura, flexibilidade e vários outros fatores que influenciam de um modo geral para o uso de robôs na indústria. 3.1 Conceitos de robôs Em muitas indústrias, existem trabalhos que são considerados complexos, não somente no seu aspecto de desenvolvimento, mas também em outros fatores, como por exemplo, risco de morte, dificuldade de execução devido a temperaturas e outros fatores relevantes. A partir disso, surge a necessidade da implantação de robôs nestas indústrias. São fatores importantes para a utilização de robôs: o custo de acordo com a sua vida útil ao longo dos tempos é bem menor de que um operário, a melhora da produtividade em determinadas aplicações, a melhora na qualidade dos produtos, a capacidade de operar em ambientes hostis e com materiais perigosos, estes são apenas alguns dos importantes fatores que influenciam a implantação de robôs nas indústrias. Existem muitas definições diferentes de robôs, dependendo do ponto de vista e geralmente da área em que se trabalha com os mesmos. Por exemplo, de um ponto de vista científico, a definição se difere daquela dada de um ponto de vista industrial, que também se difere àquela dada de um ponto de vista da teoria de controle. Para se entender a definição de robôs, primeiramente tem-se que definir alguns conceitos básicos, começando pelo conceito de máquina. Este conceito será

39 25 focalizado do ponto de vista da utilidade, portanto, máquina é definida como qualquer dispositivo capaz de transformar energia em trabalho útil. Essa energia pode ser qualquer uma, sem distinção, como por exemplo, energia térmica, elétrica, solar, nuclear, química, magnética e até a energia proveniente da força humana. Todos esses tipos de energia podem ser quantificadas e expressadas através de uma unidade física chamada Joule (PAZOS, 2002). Também é possível classificar diferentes tipos de máquinas, focalizando diversos pontos de vista, por exemplo, o tipo de energia empregada para gerar um determinado trabalho, o que as dividiria em máquinas elétricas, térmicas, manuais, etc. a classificação utilizada aqui é a origem da fonte de energia, ou seja, se a fonte de energia for proveniente da força humana ou externa a ação do operador. Desta forma, as máquinas serão divididas em automáticas e não automáticas ou manuais. Por máquinas automáticas, entende-se aquelas que necessitam de forças externas, como por exemplo, elétrica, térmica etc. e são os casos das máquinas elétricas, de combustão, a vapor, entre outras fontes possíveis de energia. Já por máquina não automática ou manual, pode-se entender aquela que necessita constantemente do operador para a realização de um determinado trabalho (PAZOS, 2002). Também, é possível fazer diversas classificações entre as máquinas automáticas, de acordo com o tipo de energia, características construtivas, peso, tamanho, etc. Aqui será estabelecida a seguinte classificação: as máquinas automáticas serão divididas em programáveis e não programáveis. A máquina automática e não programável é aquela que ao receber a energia da fonte sempre efetua um trabalho repetitivo, como por exemplo, a furadeira automática que só faz girar a broca. Já por máquina automática programável entende-se aquela que depende de um certo grau de instrução dada pelo operador, essa instrução é chamada de programa (PAZOS, 2002). Desta forma, o conceito de robô é justamente o de uma máquina automática programável, que também pode ser classificada de acordo com as suas diferentes utilidades (PAZOS, 2002). Ainda, de acordo com PAZOS (2002), uma definição que supostamente é oficial do termo robô e que foi estabelecida pela Associação das

40 26 Indústrias da Robótica (RIA), que diz o seguinte: um robô industrial é um manipulador reprogramável, multifuncional, projetado para mover matérias, ferramentas ou dispositivos especiais em movimentos variáveis programados para a realização de uma variedade de tarefas. Uma definição mais completa é apresentada pela norma ISO 10218, como sendo: uma máquina manipuladora, com vários graus de liberdade, controlada automaticamente, reprogramável, multifuncional que pode ter base fixa ou móvel para utilização em aplicações de automação industrial (ROMANO, 2002). Outro tipo de robô que deve ser levado em consideração é o robô móvel que tem como característica principal a sua atuação de forma independente em termos de mobilidade e de alimentação. Um exemplo ilustrativo desse tipo de robô foi a sonda enviada à Marte, com fins de exploração, a Mars Pathfinder. Porém o escopo deste trabalho está relacionado à robôs industriais manipuladores. FIGURA 3 - Robô industrial manipulador

41 Histórico da robótica As primeiras máquinas parecidas com o que hoje consideramos robô foram construídas a aproximadamente três séculos atrás. Eram geralmente bonecos que os reis gostavam de dar como presente, desenvolvidos por pessoas engenhosas. Normalmente faziam movimentos repetitivos que imitavam as atividades humanas como tocar instrumentos musicais. Alguns foram projetados por Jaques Vancaunson no século XVIII. Um mecanismo automatizado que substituía um ser humano em uma tarefa específica e não tinha aspectos humanóide foi um tear desenvolvido pelo francês Jacquard em Essa máquina tinha uma série de cartões perfurados onde as posições dos furos serviam de código para o traçado do tear correspondendo a um tipo de textura para o tecido a cada conjunto de cartões que era processado, o que antes era comandado por mãos humanas passou a receber comandos de cartões perfurado e a funcionar independente. Mas a origem da palavra robô foi introduzida pelo escritor tchecoeslovaco Karel Capek em janeiro de 1921 em sua peça os robôs universais de Rossum R.U.R. (Rossum s Universal Robots) durante a abertura em Praga. A peça abordava o aspecto da desumanização do homem na civilização tecnológica. Embora os robôs descritos por Capek fossem de natureza química e não mecânica, o termo passou a ser utilizado como um padrão para a palavra robô. Palavra esta que deriva de outra palavra de origem eslava, que significa trabalho forçado. Um marco no projeto de mecanismos robotizado foi a invenção do americano George Devol em 1946, um dispositivo controlador. O primeiro robô industrial moderno foi construído pelo físico Joe Engelberger e George Devol no final dos anos 50 e ficou como o marco da indústria da robótica. De lá para cá, temos experimentado um crescimento rápido da robótica. Por ter sido o primeiro a comercializar robôs, o físico Engelberger é considerado o pai da robótica (PAZOS, 2002). Um fato muito importante que deve ser levado em consideração foi a instalação do primeiro robô industrial que foi realizado pela Unimation Inc e esse primeiro robô industrial foi denominado Unimate e foi instalado no chão-de-fábrica de

42 28 uma empresa em Este robô era um teleoperador mestre-scravo e resultou da combinação de mecanisms articulados e garras e a tecnologia de controle desenvolvidas em máquina operatrizes com comando numérico. Desde então o desenvolvimento tecnológico nas áreas de eletrônica digital, mecânica, ciência da computação, materiais e logística da produção aumentaram a confiabilidade dos componentes que envolvem os projetos de robôs e também a redução dos custos para que esses robôs fossem implantados nas atividades industriais. Alguns fatos relevantes são resumidos abaixo (ROMANO, 2002): Oak Ridge e Argonne National Labs com manipuladores mecânicos remotos para materiais radioativos ROBÓTICA: palavra inventada por Isaac Asimov, para denominar a ciência que estuda robôs Handyman (General Electric) e Minotaur (General Mills) com atuação elétrica e pneumática George C. Devol: manipulador cuja operação podia ser programada ( programmed articulated transfer device ) Primeiro robô comercial (Planet Corporation). Controlado por chaves e cames Primeiro robô Unimate. Usava comando numérico programável H.A. Ernst: MH-1 - mão mecânica com sensores táteis, controlada por computador Shakey: robô móvel desenvolvido no SRI (Stanford Research Institute) WAVE: primeira linguagem de programação para robôs Robô T3 da Cincinnati Milacron controlado por computador Robô RS-1 da IBM programado em linguagem AML Milhares instalados em fábricas e usados para entretenimento Robô humanóide da Honda: capacidade de locomoção, visão, olfato, tato e voz, conforme visto na figura 4.

43 29 FIGURA 4 - Robô humanóide desenvolvido pela Honda Classes de robôs Devido a várias diferenças em função de características e propriedades, existem diversas classes de robôs que se diferenciam em suas aplicações e formas de trabalhar. A primeira classe de robôs que deve ser considerada é a classe dos robôs manipuladores, que em geral é um dispositivo eletromecânico que pode ser um carro explorador, uma garra ou um braço mecânico, que tem a capacidade de repetir os movimentos executados por um operador em um local remoto, como por exemplo, os braços mecânicos ou qualquer outro sistema que tem por objetivo deslocar algum tipo de material de um ponto a outro ou acompanhando uma determinada trajetória dentro de um volume de trabalho. Outra classe a ser considerada é a dos robôs exploradores, ou seja, robôs que tem por objetivo principal, explorar um determinado tipo de ambiente, que não necessariamente precise ser uma superfície plana, inclusive, esses tipos de robôs podem ser dotados de sensores a fim de detectar como é o tipo de uma determinada superfície, um exemplo disto é o robô que foi enviado a Marte a fim de verificar como é a superfície daquele planeta.

44 30 A terceira classe é a das máquinas-ferramentas, ou robôs que tem por objetivo alterar ou processar um determinado tipo de matéria-prima. Podem ser citados como exemplo disso os robôs soldadores, nos quais devem ser programados os movimentos a serem feitos pela ponta de solda a fim de contornar as peças a serem soldadas, as furadeiras com controle numérico, onde em seu programa estão especificados os diâmetros e as coordenadas dos furos que serão realizados, os tornos de controle numérico entre muitas ouras máquinas que são comuns na indústria, principalmente na área metalúrgica. Também serão considerados outros tipos de robôs que não entram nas definições anteriores como de uso geral. Um exemplo claro disso é um controlador de temperatura programável, que objetiva controlar a temperatura de um sistema ou ambiente em um determinado nível, de acordo com um programa previamente indicado ao controlador. Podemos observar que, segundo a especificação determinada aqui, este controlador de temperatura é considerado um robô, mesmo que não realize qualquer tipo de movimento (ROMANO, 2002) Componentes básicos de um robô industrial Os componentes básicos de um robô industrial são: o manipulador mecânico, atuadores, sensores, unidade de controle, unidade de potência e efetuador conforme figura 5 a seguir são descritos cada um dos componentes: Manipulador mecânico: os manipuladores mecânicos fazem referência ao aspecto mecânico e estrutural de um robô e consiste na combinação de elementos estruturais rígidos, conectados entre si através de articulações, sendo que o primeiro corpo é denominado base e o ultimo é denominado extremidade terminal que é onde o efetuador é acoplado. Atuadores: os atuadores são componentes que convertem vários tipos de energia, pode ser ela elétrica, hidráulica ou pneumática em potência mecânica, que é enviada aos elos através dos sistemas de transmissão para que assim esses elos possam se movimentar. Sensores: os sensores fornecem parâmetros sobre o comportamento dos

45 31 manipuladores, sempre em termos de posição e velocidade dos elos em função da interação do robô com o ambiente ao qual está interagindo, esses parâmetros são enviados à unidade de controle. As juntas utilizadas para vincular os elos de um robô são normalmente acopladas a sensores. Unidade de controle: a unidade de controle responde pelo gerenciamento e monitoração dos parâmetros operacionais requeridos para realizar as tarefas do robô. Os comandos de movimentação enviados aos atuadores são originados de controles de movimento que pode ser um CLP e é baseado em informações obtidas através de sensores. Unidade de potência: a unidade de potência é responsável pela potência necessária para a movimentação dos atuadores. As unidades de potência podem ser uma bomba hidráulica, um compressor ou uma fonte de energia elétrica que podem ser utilizadas em atuadores hidráulicos, pneumáticos e eletromagnéticos, respectivamente. Efetuador: o efetuador é o elemento que serve de ligação entre o robô e o meio ao qual o mesmo está inserido e pode ser do tipo garra ou ferramenta. A garra tem como principal função pegar um determinado objeto, movimentá-lo até uma posição pré-estabelecida e soltá-lo. Já a ferramenta tem como função realizar um trabalho ou ação sobre uma determinada peça sem necessariamente manipulá-la. FIGURA 5 - Componentes básicos de um robô industrial.

46 Analogias com a mão humana A mão humana possui uma grande versatilidade para a manipulação de objetos dos mais variados tipos, inclusive formas irregulares, sendo capaz de exercer apenas a força necessária para segurar tais objetos com segurança e estabilidade. Apesar das garras com a configuração da mão humana apresentar elevada versatilidade em função do grande número de graus de liberdade, não é utilizada em robôs industriais devido a complexidade de construção e controle. O grande número de juntas permite que vários tipos de materiais com várias formas sejam manipulados, no entanto a sua programação se torna muito complicada, e também exige um sistema de controle muito sofisticado, com retro alimentação proveniente de sensores de tato e planejamento de trajetória, Uma garra que utiliza apenas dois dedos é problemática devido ao tipo de objetos a serem manipulados que se torna muito restrito, além disso, uma grande precisão do programador com relação aos tipos de objetos a serem seguros e manipulados. Outra dificuldade é a manipulação de vários tipos de objetos em ambientes desconhecidos de trabalho, a modelagem é difícil de ser empregada. Já uma garra com a configuração de uma mão humana tem mais graus de liberdade e pode se adequar a incertezas do modelo, pela retro alimentação dos sensores de tato. Existem dois modos de prender um objeto de modo estável através de garras: a preensão com precisão e com segurança. O modo com preensão é utilizado na maioria das vezes quando são utilizadas as pontas dos dedos e no modo com segurança, o objeto é segurado com os dedos e com a palma da mão. A mão humana, sob o ponto de vista cinemático, requer uma análise tanto dos ligamentos quanto do esqueleto, portanto pode ser considerada como um sistema formado por ossos (elos), ligamentos (juntas) e músculos (atuadores). Todos esses elementos formam a palma e os dedos e permite a realização de movimento entre os elos. As juntas são tencionadas através dos ligamentos, tendões e músculos. O movimento nas juntas é obtido pela força dos músculos e é restringido pelos músculos e articulações dos ossos.

47 33 FIGURA 6 - Os seis tipos básicos de preensão da mão humana A nossa mão é formada por vinte e sete ossos e mais de vinte articulações e o seu movimento envolve trinta e três músculos diferentes. É capaz de realizar inúmeros movimentos diferentes que podem ser com ou sem preensão, nos quais o objeto é manipulado mediante impulsão ou levantamento. Os tipos básicos de preensão de diferentes objetos são: cilíndrico, ponta de dedo, gancho, palmar, esférico e lateral e podem ser vistos na figura Formas de preensão Existem várias formas de preensão, além da divisão por números de dedos, também deve ser observada a forma de preensão. Nos esquemas apresentados na figura 7, vêem-se as preensões interna (e) e externas (a), (b), (c), (d), (f) e (g) de diversas garras. FIGURA 7 - Preensões típicas de diversos tipos de garras

48 34 Diversos outros fatores devem ser considerados além desses, tanto para a especificação e seleção quanto para o projeto das garras mecânicas ou ferramentas específicas. Podem ser citados: massa, forma, material e rigidez do objeto que será manipulado, aceleração e velocidade do manipulador durante a realização de uma determinada tarefa, estabilidade do agarramento, ambiente de trabalho etc Tipos de garras industriais Em todos os centros de pesquisa, procura-se projetar garras quase tão complexas quanto as dos seres humanos, porém geralmente nas indústrias, as garras são na maioria compostas por apenas dois ou três dedos e uma junta de rotação em cada dedo. FIGURA 8 - Garra com dedos flexíveis Em muitos casos é desejado que a garra tenha grande capacidade de força e exibir uma destreza que somente pode ser conseguida com dedos especiais. Na figura 8 pode ser observado um tipo de garra com essa característica: os dedos por pressão interna de algum tipo de fluído, exerce a força diretamente ao objetos que será manipulado. Mas também existem objetos que para serem manipulados com segurança, exigem garras com pelo menos três dedos. Um bom exemplo para esse tipo de preensão, é onde os objetos a serem manipulados são do tipo esférico ou com a superfície cilíndrica. A figura 9 mostra esse tipo de garra. As garras pneumáticas também são muito empregadas para movimentação de objetos com superfície plana e massa reduzida, este é o caso das chapas metálicas, caixas, chapas de comprensado, vidros etc.

49 35 FIGURA 9 - Garra mecânica com três dedos Especificação de uma garra Existem muitos fatores que devem ser considerados em relação aos efetuadores do tipo garra mecânica no momento da sua especificação para o uso em robôs ou durante a fase de projeto de efetuadores, pois os mesmo entrarão em contato direto com o objeto a ser manipulado. Segundo a norma ISO/DIS 14539, os principais itens são (ROMANO, 2002): Geometria dos dedos e da palma; Posicionamento dos dedos na palma; Forma dos dedos e seus movimentos durante o agarramento; Número e posicionamento dos atuadores; Número e posicionamento dos sensores; Mecanismos de transmissão de potência; Mecanismo de fixação efetuador/manipulador; Tipo e força de agarramento; Tempo de operação (de agarramento, tempo do ciclo); Tipo de sistema de controle empregado; Número e material dos dedos; Número de graus de liberdade dos dedos; Geometria, massa, temperatura máxima e mínima, propriedades magnéticas e características da superfície do objeto a ser manipulado.

50 Espaço de trabalho Quando falamos do espaço de trabalho de um manipulador, estamos nos referindo justamente do espaço onde o mesmo poderá movimentar o efetuador, o volume total de trabalho é conformado através do percurso do extremo do último elo, o punho, quando o manipulador efetua todas as trajetórias possíveis (PAZOS, 2002). A presença do efetuador geralmente não é considerada para a definição do volume de trabalho, pois se fosse assim, o volume ficaria determinado pelo seu tamanho, o qual depende do dispositivo terminal utilizado. Este volume poderia variar se o efetuador fosse uma garra ou uma ponta de solda, por exemplo. Este volume também dependerá da anatomia do robô, do tamanho dos elos e também dos limites dos movimentos das juntas. A posição do punho do manipulador pode ser representada no espaço de trabalho ou no espaço das juntas, sendo que no espaço de trabalho é determinada pela posição do punho segundo um sistema de três eixos cartesianos ortogonais, onde sua origem é solidária com a base do robô. Já a posição no espaço das juntas é representada pelo vetor de coordenadas generalizadas, ou vetor cujas componentes representam a posição de cada junta, relativas a uma posição inicial arbitrária. FIGURA 10 - Diferentes espaços de trabalho em manipuladores de diferentes anatomias.

51 Coordenadas generalizadas As variáveis características das juntas são as grandezas físicas que permitem representar o movimento relativo de um determinado elo com respeito ao anterior. Nas juntas de revolução, serão os ângulos de rotação entre um elo e o elo anterior, nas juntas prismáticas, a distância entre o elo e a junta que o une com o elo anterior. O estado dessas variáveis é suficiente para determinar a posição de um efetuador, pois se as posições das juntas forem conhecidas a partir da primeira, e os comprimentos dos elos, também é possível conhecer a posição do efetuador. Todas essas variáveis são conhecidas pelo nome de coordenadas generalizadas e são representadas por meio de um vetor com o número de componentes igual ao número de juntas possuídas pelo manipulador, independentemente que alguns desses componentes represente ângulos e outras distâncias Graus de liberdade FIGURA 11 - Manipulador com duas juntas de revolução no mesmo plano. Os graus de liberdade de um manipulador é exatamente o número total de juntas que o mesmo contém. Um manipulador típico tem seis graus de liberdade, desses seis, três servem para o posicionamento do efetuador dentro do espaço de trabalho o os outros três servem para obter uma orientação adequada do efetuador para

52 38 segurar um determinado objeto. Com menos de seis graus de liberdade, o manipulador poderia não atingir uma posição requerida dentro do espaço de trabalho. Para algumas aplicações como manipular objetos em lugares com obstáculos, poderia ser necessário até mais de seis graus de liberdade, porém a dificuldade de controlar os movimentos aumenta com o número de elos do braço. A figura 12 mostra uma representação dos três graus de liberdade de um braço mecânico, onde as três primeiras juntas são necessárias para o posicionamento do efetuador. Neste caso, as duas primeiras juntas são de revolução e a terceira é prismática, permitindo que o terceiro elo se afaste ou se aproxime do segundo. Essas últimas três juntas recebem o nome de punho e tem como objetivo orientar o efetuador numa posição arbitrária, conveniente para a tarefa a ser realizada. As coordenadas generalizadas, ou variáveis que caracterizam o movimento dessas três juntas, são ângulos que recebem o nome genérico de pitch, yaw, e roll, respectivamente. FIGURA 12 - Braço mecânico com 3 graus de liberdade: 2 juntas de revolução e 1 prismática A junta roll representa a rotação do efetuador com relação ao eixo transversal do último elo. Na de yaw, o eixo de rotação está numa perpendicular ao último elo e envolve o giro do efetuador à direita e à esquerda. Na junta de pitch, o eixo de rotação é perpendicular ao anterior e envolve o giro do efetuador para cima e para baixo.

53 Anatomia dos manipuladores Existem várias configurações físicas ou anatomias nos robôs manipuladores. Cada uma encontrará uma utilidade um algum tipo de aplicação diferente. Essas configurações estão determinadas pelos movimentos das juntas que são destinadas ao posicionamento do efetuador. Essas juntas podem ser de revolução, prismáticas ou a combinação das duas. Para cada uma dessas combinações existirá uma configuração física ou anatomia diferente. As configurações físicas estão caracterizadas pelas coordenadas de movimento das três primeiras juntas ou pelas três primeiras coordenadas generalizadas, que são as variáveis que representam o movimento dessas três juntas. A grande maioria dos robôs manipuladores industriais, independente do tamanho e forma dos seus elos, dispõe-se de quatro configurações básicas, que são: Coordenadas cartesianas: as três primeiras juntas são prismáticas; Coordenadas cilíndricas: a primeira junta é de revolução, sendo as outras duas prismáticas; Coordenadas esféricas ou polares: as duas primeiras juntas são de revolução e a terceira é prismática; Coordenadas de revolução: as três primeiras juntas, que posicionam o efetuador são de revolução. FIGURA 13 - Configuração: (a) cartesiana; (b) cilíndrica; (c) esférica e (d) de revolução.

54 Precisão e repetibilidade Segundo PAZOS (2002), a repetibilidade de um manipulador significa a capacidade do mesmo de retornar de forma seguida a um determinado ponto do espaço de trabalho, ou seja, o manipulador parte de um ponto de início até um segundo ponto, executa o trabalho e depois retorna novamente ao ponto inicial, podendo assim repetir essa trajetória por várias vezes, caracterizando assim a repetibilidade. A precisão é definida como a capacidade de um manipulador atingir um ponto especificado, independente do sistema de coordenadas que esteja sendo utilizado. Um manipulador pode ter uma ótima repetibilidade atuando sobre pontos próximos, porém esses pontos podem não estar exatamente na posição desejada, caracterizando assim uma precisão pobre (PAZOS, 2002). Usualmente, essas quantidades referem-se à máxima carga útil que pode ser transportada e também à máxima velocidade de deslocamento permitida, pois a precisão e a repetibilidade são altamente dependente dessas duas especificações. A figura 14 ilustra esses conceitos. FIGURA 14 - Ilustração de conceitos de precisão e repetibilidade. 3.3 Análise de desempenho de robôs manipuladores A avaliação do desempenho dos robôs industriais é muito importante, pois tem como finalidade verificar a capacidade do robô de desenvolver as funções para as

55 41 quais foi construído. A maioria dos robôs industriais são construídos para movimentar materiais, peças, ferramentas e dispositivos. Com uma avaliação de desempenho, pode-se ter uma medida de eficácia do robô na realização desses movimentos. A exatidão é uma medida da eficiência com que o robô realiza os movimentos inerentes a uma determinada tarefa, e como os robôs industriais desenvolvem movimentos repetitivos, outra medida importante é a sua repetitividade, que é a capacidade de realizar o mesmo movimento. Além disso, tem que ser avaliado o comportamento do robô durante os movimentos, ou seja, o seu desempenho dinâmico que também é uma informação muito importante na avaliação de sua eficiência na execução de uma tarefa. Tendo como base essas informações, podemos dizer que a avaliação de desempenho de um robô industrial é basicamente a verificação da sua exatidão, da sua repetitividade e de seu desempenho dinâmico durante o desenvolvimento de uma tarefa. A exatidão, a repetitividade e o desempenho dinâmico de um robô é que determinam se ele é adequado para a execução de uma tarefa. É através desses parâmetros que são obtidos na avaliação de desempenho que são verificados se o robô é adequado ou não para a realização de uma tarefa industrial, e também através da comparação desses parâmetros, pode ser selecionado o melhor robô para uma determinada tarefa específica. A avaliação de um robô também é muito importante na sua aceitação em um determinado ambiente industrial, que é escolhido a partir das exigências das tarefas e das especificações do fabricante. Na aquisição de um robô, é muito importante que essas especificações sejam avaliadas Características de desempenho A norma ISO 9283:1998 (segunda edição) define as características para teste de postura, percurso, flexibilidade estática e o tempo mínimo de posicionamento dos robôs industriais.

56 Características de postura De acordo com PAZOS (2002), as características de postura são grandezas que quantificam os erros entre a postura ao qual se deseja atingir, que é a programada e a postura que realmente foi atingida. Os erros podem ser ocasionados por falhas na programação, por diferenças entre os componentes utilizados no robô e o modelo usado em seu sistema de controle, por problemas mecânicos, como folgas, atrito e finalmente, por influências externas como a temperatura. A postura comandada nos robôs industriais pode ser especificada diretamente no robô, através da gravação das coordenadas das juntas, através de outras entradas de dados e também através do método de programação fora de linha. A forma pela qual a postura comandada é especificada influencia diretamente nos resultados dos testes. Segundo a norma ISO, as características de postura são (ROMANO, 2002): Tendência de postura: diferença entre a média das posturas atingidas e a postura comandada quando a aproximação é realizada pela mesma direção; Repetitividade de postura: expressa a proximidade das posturas atingidas após n visitas à mesma postura comandada na mesma direção; Variação multidirecional na tendência de postura: expressa a diferença entre a média das posturas atingidas, visitando-se a mesma postura comandada n vezes; Deslocamento nas características de postura: compreende os deslocamentos na tendência e na repetitividade; Intercambiabilidade: expressa os desvios dos baricentros das posturas atingidas em testes com robôs diferentes, porém, com as mesmas condições para todos os robôs; Tendência e repetitividade de distância: quantificam o erro entre duas posturas comandadas e as duas posturas médias atingidas e as flutuações

57 43 na distância para uma série de movimentos repetidos entre as duas posturas; Tempo de estabilização: é a rapidez com que o robô pode parar em uma postura atingida; Sobrepasso: trata-se da distância máxima ocupada pelo ponto de medição em relação à postura atingida Características de percurso Essas características expressam os erros entre um percurso comandado, ou seja, especificado na programação do robô e o percurso percorrido, que é a resposta ao percurso comandado com o robô funcionando em modo automático. Essas características são descritas a seguir (ROMANO, 2002): Tendência de percurso: é a habilidade que um robô tem em mover sua interface mecânica ao longo de um caminho comandado n vezes na mesma direção; Repetitividade de percurso: expressa o quanto o caminho percorrido se aproximou do caminho comandado correspondente em n repetições; Tendência de percurso com reorientação: registra a orientação na tendência de percursos ao longo de um caminho linear; Desvios de canto: os percursos comandados podem ter cantos agudos ou arredondados. Para os cantos agudos, há a necessidade de redução na velocidade e para velocidades constantes devem-se arredondar os cantos; Características de velocidade de percurso: o desempenho de um robô é caracterizado pela tendência, repetitividade e flutuação na velocidade de percurso Tempo mínimo de posicionamento O tempo mínimo de posicionamento é o tempo entre a partida de uma postura e a chegada a outra postura estacionária, percorrendo uma determinada distância que pode ser linear ou angular pré-estabelecida, sob a ação de um controle de

58 44 postura a postura. O tempo de estabilização na postura atingida é incluído no tempo de posicionamento Flexibilidade estática É o máximo deslocamento relacionado a uma unidade de carga aplicada. Essa carga será aplicada na interface mecânica do robô e o deslocamento deve ser medido no mesmo local. As forças devem ser aplicadas em todas as direções correspondentes ao sistema de coordenadas da base do robô. 3.4 Programação de robôs manipuladores A necessidade de uma sistemática que possibilitasse a automação das linhas de produção ficou clara desde a automatização dos processos. Ao observar uma linha de produção, podemos ver claramente que há várias tarefas repetitivas e que perdemos um tempo razoável para programá-las, a busca da automatização de algumas tarefas passa pela definição de como replicar essa mesma tarefa em outra máquina diferente. A questão que surge é seguinte: como passar a tarefa executada por um robô de uma fábrica para centenas de robôs idênticos desta mesma fábrica? A resposta vem de Charles Devol, que desenvolveu uma forma de armazenar uma seqüência de movimentos, daí foi dado início à primeira geração de robôs. Foi a partir deste momento que surgiu o conceito de reprogramabilidade, que hoje é a base de desenvolvimento de praticamente todos os robôs fabricados e existentes no mercado. Quando se deseja programar um robô para que o mesmo execute uma determinada tarefa, é importante saber se é ou não possível executar uma seqüência de comandos. Programar um robô significa descrever os procedimentos a serem tomados pelo manipulador de acordo com uma ação especificada através de um controlador. Com a crescente evolução dos sistemas de programação, ou seja, os controladores, tornou-se necessário uma interface entre eles. Assim, um código intermediário deve ser usado como interface entre programas de robôs orientados ao usuário e

59 45 controladores de robôs industriais Métodos de programação Os robôs industriais de hoje são projetados para movimentar peças ou ferramentas em um espaço físico e uma trajetória previamente estabelecidos. A sua programação também pode ser feita de duas maneiras: on-line e off-line. Na programação off-line são utilizadas linguagens de programação criadas especialmente para robôs e os programas em geral são depurados com o uso de simuladores, pode ser definida como o processo pelo qual a programação dos robôs é desenvolvida, parcial ou completamente sem o uso do robô. A programação on-line, por outro lado, faz uso geralmente de métodos de programação por ensino ou condução. Os métodos usados atualmente para a programação de robôs industriais são considerados satisfatórios, pois o tempo gasto entre a programação e a produção em si é pequeno e o nível de complexidade não é muito grande Programação on-line De acordo com ROMANO (2002, p. 111), podemos definir programação on-line como a utilização de métodos de programação por ensino para aplicar um programa de controle no controlador do robô. O programador conduz o robô por uma seqüência de posições desejadas via teach-pendant ou dispositivo mestre-escravo. FIGURA 15 - Teach-pendant

60 46 No processo de ensino, são envolvidas as tarefas de identificação dos pontos, edição e repetição do trajeto ensinado. Os programas de edição adicionam informação que são relevantes ao programa de controle, e esses programas de edição nos permitem um meio de corrigir e avaliar programas de controle existente ou ajustar pontos quando uma tarefa é modificada. Durante esse processo, o programador necessita de funcionalidade, como por exemplo, executar programa passo a passo, em uma velocidade menor, de frente para trás, parar em um determinado ponto, tudo isso facilita na construção do programa, a fim de ficar com o máximo de perfeição possível. Existem três algoritmos de controle que são usualmente utilizados: movimento ponto a ponto, contínuo e o controle de trajetória. Ponto a ponto: os robôs que possuem esse tipo de controle movem-se de uma posição a outra sem que outras posições intermediárias sejam inseridas na programação da trajetória, desta forma, cada eixo se movimenta sem parar até chegar à posição desejada. Movimento contínuo: esses robôs se movimentam através de pontos estipulados anteriormente e se incrementam entre si, assim quando é atingido um determinado ponto, a unidade de controle detecta através de sensores e movimenta o robô até próximo ponto até chegar ao final da trajetória estabelecida. Controle de trajetória: envolve o controle coordenado de todas as juntas, para percorrer uma trajetória desejada ao longo de dois pontos. Nesse método, os eixos se movem de forma suave e proporcional a fim de gerar o trajeto de controle especificado Programação off-line A programação off-line está cada vez mais sendo viabilizada devido ao desenvolvimento da tecnologia de robôs, tanto em software quanto em hardware. Esses desenvolvimentos incluem o uso de controladores mais sofisticados e maior precisão no posicionamento.

61 47 A programação on-line de um robô pode consumir muito tempo, principalmente com a complexidade das tarefas, desta forma, o tempo gasto para a reprogramação pode prejudicar substancialmente a sua utilidade. Os tempos de programação devem ser minimizados ao máximo, principalmente em aplicações que envolvem processos de produção em massa, como a soldagem a ponto em uma linha de produção automobilística. Para tornar possível a aplicação de robôs em pequenos e médios lotes de produção, a programação off-line é altamente recomendada. Desta forma, o incremento na complexidade das aplicações em robótica torna esse tipo de programação mais atrativa. Essas vantagens serão classificadas a seguir: Redução do tempo ocioso: o robô pode ficar em seu local na linha de produção enquanto que a próxima tarefa é programada, tornando-o assim mais flexível; Ambientes potencialmente perigosos: o operador fica menos tempo perto do robô, diminuindo assim as chances de acidente por comportamento anormal do equipamento; Sistema simplificado de programação: pode-se usar a programação offline para programar vários tipos de robôs, sem ser preciso conhecer a particularidade de cada um; Integração com sistemas CAD/CAM: habilita a interface com o banco de dados de peças, desta forma há a possibilidade de acesso a outras funcionalidades, como planejamento e controle; Depuração de programas: a partir do sistema de programação off-line com CAD/CAM integrados, pode-se usar o robô e a célula de trabalho para detectar colisões dentro do espaço de trabalho, diminuindo a chance de colisões e danos no equipamento Linguagens de programação de robôs industriais Nos dias atuais, as linguagens de programação para comunicação homemmáquina já são bem conhecidas e também existe a padronização da interface máquina-

62 48 máquina. Um ponto importante com relação à linguagem de programação da interface homem-máquina é que elas devem necessariamente ser interativas. Atualmente existem centenas de linguagens de robôs disponíveis no mercado. Muitas são baseadas em linguagens clássicas como Pascal, C, modula-2, Basic e Assembler. As linguagens podem ser classificadas de várias formas, por exemplo, de acordo com a estrutura de controle utilizada, o sistema de referencia do modelo, o tipo de especificação de movimento, e várias outras formas. Essas linguagens de programação podem ser classificadas em: Linguagem de movimento ponto a ponto; Linguagem de programação não estruturada de alto nível; Linguagem de movimentação básica, linguagem de baixo nível; Linguagem de programação estruturada de alto nível; Linguagem do tipo comando numérico. Em seguida são apresentadas algumas técnicas para implementação de linguagens comuns Linguagens tipo basic Esta linguagem é caracterizada por um algoritmo simples, sem compilação em módulos separados, sem abstração de dados ou algoritmos; as sub-rotinas não utilizam passagem de argumentos e existe apenas tipo de dados pré-definidos. Geralmente, esse tipo de linguagem é interpretado, traduzido para ICR e depois executado linha por linha. Esse método de interpretação não causa problemas porque as linhas de código são sintaticamente independentes Linguagens tipo pascal Essa linguagem se caracteriza pela sua forma estruturada. Os procedimentos e funções podem ter argumentos e as variáveis podem ser declaradas locais ou globais. A recursão é permitida e de fácil implementação e em alguns casos, a programação pode ser modular. A passagem dos parâmetros devem ser feitas por meio da pilha da esquerda

63 49 para a direita e no topo da pilha estará aquele mais a direita. Deve-se prestar bastante atenção na estruturação dos blocos, pois o espaço de pilha reservado para as variáveis depende disso. Como a ICR não faz distinção entre funções e procedimentos, a pilha deve ser esvaziada ao final das chamadas de procedimentos Linguagem tipo C É caracterizada principalmente pela possibilidade de declaração de variáveis na abertura de qualquer bloco e pela capacidade de se usarem matrizes e ponteiros de forma indistinta. A primeira característica pode ser implementada diretamente com os comandos BLKBEC e DECLVAR, porém, a segunda representa problemas, sendo que a ICR prefere que os dados tenham tipos explícitos. Recomenda-se fazer a atribuição de tipos, sempre que não for realmente impossível Linguagem do tipo lisp Sua principal característica é a habilidade de trabalhar com listas encadeadas e a intercambiabilidade de dados e programas. Esses tipo de linguagem exigem um bom gerenciamento de memória. Apesar de ser possível escrever compiladores para essas linguagens, recomenda-se consulta a literatura específica Linguagens tipo forth Esses tipos de linguagem não apresentam muitos maiores problemas de implementação pelo fato de utilizar basicamente operações baseadas na pilha e pela sua semelhança estrutural. A única ressalva fica por conta da implementação de múltiplas pilhas. 3.5 Ergonomia de sistemas robotizados A ergonomia é muito importante e se relaciona ao estudo dos aspectos anatômicos, fisiológicos e psicológicos de ambientes de trabalho, visando o conforto, a saúde e a segurança, associados à sistemas de trabalho. Aqui devemos levar em consideração que a ergonomia aplicada na robótica é totalmente distinta em

64 50 comparação à ergonomia do trabalho exclusivamente humano (ROMANO, 2002). Atualmente são desenvolvidas técnicas para aplicações em robôs que possuem certas similaridades com aplicações aplicadas ao trabalho humano, seu objetivo principal é otimizar o desempenho geral do sistema. Em robótica, essa otimização é muito importante no sentido de: minimizar o tempo por unidade de trabalho produzida, minimizar o número de perdas e reusinagem, minimizar o esforço e a energia despendidas pelos operadores, maximizar a qualidade e a segurança. O procedimento para a otimização do trabalho de robôs envolveria a análise quanto ao uso de um operador humano ou de um robô ou, ainda, a combinação de ambos. Nesse contexto abordam-se vários aspectos que serão vistos a seguir Análise das características do trabalho Aqui é necessário analisar as características técnicas dos robôs industriais e também dos operadores humanos para especificar o sistema robotizado, pois robôs e operadores podem assumir papel colaborativo ou ser considerados excludentes, ou seja, pode-se optar entre robôs ou operadores humanos para determinada tarefa. Para a escolha adequada do robô, diversas condições técnicas devem ser analisadas: Atividades a serem desenvolvidas; Efetuador; Volume de trabalho; Velocidade de trabalho; Precisão; Carga admissível; Programação; Interface; Custo; Fatores ambientais; Segurança e confiabilidade;

65 51 Treinamento; Infra-estrutura Planejamento de métodos de trabalho e processos O método de trabalho determina como os recursos limitados, como tempo, energia e materiais devem ser utilizados e como influenciarão na qualidade do produto. Ao contrário do nível macro, onde o planejamento está relacionado ao planejamento de processo de produção e do sistema, o nível micro, o planejamento está relacionado aos detalhes do método de trabalho e processo. A seguir são mostrados os aspectos que devem ser considerados (ROMANO, 2002): Tipo e quantidade de peças, ferramentas e materiais necessários; Tipo e quantidade de equipamentos periféricos necessários; Tipo e quantidade de operadores necessários; Especificação de tarefas e operações que devem ser realizadas; Projeto de arranjo físico; Seqüência e procedência de operações; Fluxo de trabalho no arranjo físico. Uma estratégia para aperfeiçoamento de métodos existentes ou projetos de novos métodos compreende sete passos: Determinar o propósito do método; Conceber métodos ideais; Identificar restrições e padrões típicos as operações; Esboçar métodos práticos; Selecionar o melhor método esboçado e avaliar as alternativas utilizando critérios como segurança, aspectos econômicos e controle; Formular detalhes do esboço selecionado; Analisar o método proposto para aperfeiçoamento posterior.

66 Projeto do arranjo físico O arranjo físico considerado melhor é aquele que permite a realização mais eficiente do método de trabalho escolhido. O projeto de um arranjo físico determina quatro principais características de trabalho: A quantidade de espaço de armazenamento; A distância dos movimentos que devem ser realizados para cumprir uma determinada tarefa; Os atrasos causados por interferência entre os vários componente em ação; Os sentimentos e atitudes dos operadores em relação ao seu trabalho. O ambiente deve ser projetado para que os operadores e os robôs possam trabalhar em harmonia, assim não haverá o desgaste dos robôs e sobrecarga aos operadores, pois os mesmos não devem ser submetidos a trabalhos ou seqüência de ações rígidas Integração de ergonomia humana e de robôs A integração entre robôs e humanos é muito importante, apesar de as indústrias geralmente separarem as atividades dos operadores das atividades dos robôs, principalmente por razões de segurança, existem vários aspectos que devem ser levados em consideração. Com exceção de algumas fábricas que são totalmente automatizadas, os operadores sempre trabalham com robôs em diferentes graus de interação. Segue alguns exemplos dessas atividades: Monitoração de robôs; Intervenção para inicialização, desligamento, configuração, programação etc.; Manutenção; Supervisão, gerenciamento e planejamento; Inspeção para controle de qualidade; Sinergia entre robôs e operadores, em montagem ou controle supervisório

67 53 de robôs realizados por operadores. Essas atividades têm o objetivo de otimizar o desempenho geral do sistema. A principal idéia é o planejamento de um sistema robotizado com um bom grau de interação entre o robô e o humano a fim de que os dois possam trabalhar em conjunto e dessa forma minimizar o custo do trabalho e aumentar a produtividade. 3.6 Modelagem e controle de Robôs Um robô industrial pode ser definido como um sistema mecânico com várias articulações, que tem como principal objetivo a realização de operações pré-definidas. Dessa forma, uma determinada trajetória é definida através de um conjunto de ângulos ou transações que são associados a um ângulo linear ou angular de cada grau de liberdade do robô, que após um algoritmo de interpolação servirá como um sinal de referência para o controlador de posição de cada uma das juntas que fazem parte deste robô, que realizará uma comparação com os sinais vindos dos transdutores de posição das juntas (ROMANO, 2002). Muitas aplicações industriais exigem que a forma de trabalho do robô haja de acordo com a orientação e posição do seu elemento terminal em relação ao sistema de coordenadas de trabalho. Um exemplo disso é um robô trabalhando em conjunto com uma máquina ou com outro robô em uma linha automatizada de produção. Para isso torna-se necessária a unidade de controle, que é responsável pela geração dos sinais de referência individuais ao longo do tempo, para cada uma das juntas do robô. Esses sinais são comparados com valores atuais obtidos através dos sensores de posição articulares, através de uma malha de controle de posição independente para cada junta, fazendo com que a configuração do robô seja controlada de acordo com um valor estipulado, independente do movimento desejado e da carga que é transportada pelo robô. Os valores das variáveis articulares utilizadas como sinal de referência na malha de controle de posição das juntas, quando comparadas com os valores das mesmas, podem traduzir um erro, que aumenta de acordo com a velocidade da

68 54 operação. Consequentemente, a implantação de um controlador de posição para um robô industrial exige o conhecimento da precisão cinemática do movimento do manipulador. Para que se possa estabelecer uma estratégia de controle de posição de juntas robóticas eficientes e precisas, ou seja, com erro mais próximo de zero possível, o movimento do robô é descrito através de equações diferenciais, onde é levado em consideração a arquitetura construtiva, a massa dos diferentes elementos a serem manipulados, as inércias e o tensor de inércia que é relativo à carga transportada, e também se considerando a modelagem completa de seu sistema de acionamento, como motor-redutor. 3.7 Conclusão Os robôs são elementos muito importantes dentro de um ambiente industrial, pois eles são responsáveis por grande parte da evolução na qualidade de produtos desenvolvidos e também na rapidez com que esses produtos ficam prontos. Além de terem um custo baixo com relação a sua vida útil ao longo do tempo, pois é bem menor que a de um operário, a melhora na produtividade em determinadas aplicações, a capacidade de operar em ambientes hostis e com materiais perigosos, onde pode ocorrer risco de morte, além de várias outras vantagens. Muitos fatores devem ser levados em consideração com relação aos robôs, como o número de graus de liberdade, a capacidade de efetuar um determinado movimento, quais as funções que apenas um robô pode desempenhar e anatomia de seus manipuladores. Mas, o ponto mais importante é com relação a sua precisão e repetibilidade, pois se o robô não tiver uma boa precisão e repetibilidade, provavelmente não terá um bom desempenho. Isso afetará consideravelmente na qualidade dos produtos manipulados ou produzidos por este robô.

69 55 4 CONTROLE DE UMA ESTEIRA INTEGRADA A UM SISTEMA ROBOTIZADO Na indústria, geralmente há a necessidade da utilização de vários dispositivos de controle para que o processo produtivo seja realizado como planejado. Os CLPs são elementos que permitem realizar uma lógica de comando nos dispositivos existentes na indústria de um modo geral. Para realização de trabalhos mecânicos, geralmente, a indústria tem como fonte de força e movimento os motores elétricos. Um componente bastante utilizado na indústria é o inversor de freqüência que tem como função regular a velocidade de motores elétricos de indução, mantendo seu torque. Os sensores também são muito utilizados e são dispositivos que agem sob a ação de uma grandeza física, conforme essa grandeza varia seu comportamento e por fim, outro componente muito importante é o encoder que é um transdutor que converte um movimento angular ou linear em uma série de pulsos digitais elétricos. Neste capítulo, os assuntos abordados estão relacionados justamente a esse componentes, suas formas de funcionamento, suas ações dentro de um ambiente de trabalho, bem como a sua importância neste ambientes. 4.1 Controladores Lógicos Programáveis 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

70 56 intertravamento é uma das principais funções dos Controladores Lógicos Programáveis, que anteriormente eram feitas por relés. A figura 16 apresenta um CLP. FIGURA 16 - Exemplo de um CLP versão compacta Siemens Controlador Lógico Programável (CLP) é definido como um equipamento eletrônico digital cujo objetivo principal é 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 podem ser programadas em uma memória interna e o hardware também é universal, podendo assim ser aplicado a todos os tipos de processos (GEORGINI, 2000). Existe também outra definição que pode ser encontrada em NATALE (2002, p. 11), que define que um Controlador Programável é um computador com as mesmas características conhecidas do computador pessoal, porém em uma aplicação dedicada 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 Lógico Programável, porém a sigla CLP em português ou PLC (Programable Logical Controller, em inglês).

71 Arquitetura dos CLPs A arquitetura dos CLPs pode ser observada com relação à composição interna, a maneira como são vendidos, além dos tipos de suas entradas e saídas (NATALE, 2000). Com relação a composição interna dos seus componentes, os CLPs possuem uma arquitetura básica conforme mostra a figura 17. 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 processador (ou microcontrolador) e as outras unidades que compõem o sistema e o endereço de acesso de cada unidade. Antes de enviar ou receber dados, de qualquer dispositivo que está ligado ao barramento de dados, o processador seleciona o endereço referente a este dispositivo no barramento de endereços. FIGURA 17 - Arquitetura interna de um CLP Quanto aos diversos modelos de CLPs existentes no mercado, eles podem ser resumidos em dois tipos: modelo compacto e modular, onde no compacto a CPU (Unidade Central de Processamento - processador) e todos os módulos de entrada e saída se encontram no mesmo rack e o modular a CPU e os módulos de entrada e saída encontram-se separados e serão montados de acordo com a configuração exigida pela

72 58 aplicação. A figura 18 a seguir apresenta um CLP modular. FIGURA 18 - Um exemplo de um CLP modular Quando se trata dos tipos de entrada e saída existentes nos CLPs, basicamente, existem dois tipos: as entradas/saídas analógicas e as digitais. A entrada de um CLP é o ponto de conexão onde todos os sinais são recebidos a partir dos dispositivos ou componentes externos (sensores). Já a saída é o ponto de conexão onde todos os sinais são enviados do CLP para comandar todos os dispositivos ou componentes do sistema de controle (atuadores). As entradas e saídas digitais são pontos que recebem e fornecem apenas dois tipos de informação, enquanto as entradas e saídas analógicas recebem e fornecem um sinal proporcional de informação Arquitetura funcional dos CLPs Com relação ao ponto de vista funcional, pode-se considerar que a arquitetura do CLP executa as seguintes funções: aquisição e comando, barramento de dados, memória RAM (Randon Access Memory), armazenamento do programa aplicativo e processamento. A aquisição é realizada através de ciclos pelos módulos de entrada e saída que podem ser digitais ou analógicos. O tempo entre cada atualização dos pontos de entrada e saída é chamado de ciclo de varredura (scan time). Os módulos de entrada recebem os sinais do campo e os módulos de saída realizam acionamentos no campo a

73 59 cada ciclo de varredura. O ciclo de varredura pode varia de 5ms a 600ms, dependendo da velocidade da CPU e da extensão do programa aplicativo, sendo que o tempo de ciclo típico de um CLP é aproximadamente 100ms. Atualmente, este tempo vem diminuindo, sendo encontrados ciclos de até 0,5 ms. O total de pontos de entradas e saídas, sendo elas analógicas e/ou digitais é fator principal a se levar em consideração para determinar o tipo de CLP que será utilizado de modo a garantir o desempenho esperado do sistema. Nos CLPs menores o barramento de dados é feito na própria placa da CPU, isso porque módulos de aquisição de dados e módulos de saída estão integrados em um só conjunto. Já nos CLPs maiores o barramento de dados está na placa traseira do bastidor onde a CPU e os módulos de aquisição são encaixados. Uma bateria alimenta a memória RAM que armazena o estado de todos os operandos do CLP. Assim, se um operando de entrada ligar, este estado será alterado na memória para nível lógico 1 (um). 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 aplicativo e por este motivo é muito importante saber a limitação de operandos internos da CPU. Os programas aplicativos dos CLPs são implementados em linguagem Ladder e, em geral, são pequenos. Para aplicação de cerca de 500 pontos de entrada e saída podem ser menores que 64 kbytes. Este programa aplicativo fica guardado na memória de programa, que pode ser uma EPROM (Eraseble Programable Read Only Memory), ou uma RAM alimentada com bateria ou Flash. Com o programa armazenado em memória RAM alimentada por bateria é muito fácil a perda deste programa, sendo que a bateria pode perder a carga e, nesse caso, o se CLP for desligado o programa é perdido. A memória RAM somente é utilizada 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 a perda de programas, sendo utilizada para gravar a versão final do programa. Porém, não é mais utilizada devido à

74 60 dificuldade de gravação que necessita de gravador especial e à dificuldade de reaproveitamento, já que é necessário apagar a memória com luz ultravioleta para uma nova gravação. A memória Flash é a mais utilizada atualmente, porque permite gravar e apagar eletricamente, não perde os dados sem energia e permite até 1000 regravações, além disso ela tem capacidade superior chegando a armazenar programas de até 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 19 mostra uma placa de CPU de um CLP. Nos CLPs menores, a fonte, os módulos de entrada e saída e a CPU constituem uma única caixa. Já os CLPs constituídos por um número maior de entradas e saídas são modulares e, normalmente, tem-se um módulo só para a fonte de alimentação, cuja função é alimentar a CPU e a eletrônica dos módulos de entrada e saída. FIGURA 19 - Placa de CPU de um CLP A Linguagem de programação de um CLP 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 ausência ou a presença desta energia.

75 61 Uma forma muito utilizada para descrever tal situação é dizer que o sistema opera de forma binária, ou seja, 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 CLPs (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 representadas as saídas do CLP, normalmente com um círculo, de maneira tal que o

76 62 estado delas depende do estado das entradas desse mesmo ramal. Para exemplificar pode-se observar na figura 20, 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 20 - 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 21 mostra o mesmo programa da figura anterior, mas com o uso da lógica negativa. FIGURA 21 - Exemplo de diagrama Ladder com lógica negativa As funções típicas de serem implementadas num diagrama de contatos (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

77 63 Morgan mostra que: A B A B Eq. 5 A B A B Eq. 6 Assim, um circuito NAND e um NOR, implementado observando o teorema de De Morgan fica conforme mostra a figura 22. FIGURA 22 - 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. 4.2 Inversor de freqüência O inversor de freqüência tem como função regular a velocidade de motores elétricos de indução, mantendo seu torque. 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: f N 120, onde: P

78 64 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 de indução de corrente alternada seja determinado na sua fabricação, a variação da freqüência de alimentação no motor será proporcional a variação da velocidade de rotação. Sendo assim, conforme CAPELLI (2002), um inversor de freqüência pode ser considerado como uma fonte de tensão alternada de freqüência variável Parametrização típica de um inversor Para que um inversor funcione de forma correta, não basta que ele seja instalado corretamente. É necessário que ele saiba em que condição vai operar. As condições de operação do inversor são fornecidas através da parametrização, que consiste em ajustar determinados valores que permitam uma operação satisfatória para uma certa aplicação. Quanto maior o número de recursos que o inversor oferece, maior será o número de parâmetros disponíveis. A maioria dos inversores encontrados no mercado possui características similares, porém existem alguns parâmetros principais a serem vistos e serão especificados a seguir: a) Tensão nominal do motor: esse parâmetro existe em quase todos os inversores comerciais, e serve para informar ao mesmo 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 qual será a velocidade máxima do motor; c) Freqüência mínima de saída: Esse parâmetro determina qual será 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 determinada máquina funcionar em regime normal de trabalho. Um exemplo típico

79 65 é o encaixe do papel em uma bobinadeira, antes do papel ser de fato bobinado; e) Tempo de partida: refere-se à rampa de subida, ou seja, a aceleração do motor até a velocidade de operação normal. Portanto, este parâmetro indica em quanto tempo deseja-se que o motor chegue à 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. f) Tempo de parada: refere-se à rampa de descida, ou seja, a desaceleração do motor até que pare totalmente. Assim com o ajuste deste parâmetro o inversor pode gerar uma parada gradativa do motor. 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 anterior. 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, como se uma trava mecânica atuasse em seu eixo. h) Liberação de alteração de parâmetros: este parâmetro é uma proteção e serve para evitar que alguém que não sabe mexer no inversor mude algum dos parâmetros 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 e vice-versa. 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 sucessivamente. Este parâmetro é o responsável pela geração de interferências eletromagnéticas e neste caso quanto menor essa freqüência melhor.

80 Aplicações típicas com o inversor O inversor de frequência é muito utilizado na indústria em várias aplicações, porém existem algumas aplicações típicas desses inversores que convém serem mostradas. São exemplos de aplicações que utilizam inversores os 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 como por 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 e ainda existem várias outras aplicações como bombas, ventiladores e bobinadeiras. 4.3 Sensores Sensores são dispositivos que agem sob a ação de uma grandeza física, conforme essa grandeza varia seu comportamento, esses dispositivos podem emitir sinais. Estes sinais servem como informações para os controladores. Os sensores fornecem sinais sobre posições, limites, temperaturas, níveis ou servem como transmissores de impulsos. O sinal de um sensor pode auxiliar no controle de processo detectando erros, corrigindo desvios de processo e atuar nos instrumentos de medição e nos sistemas de controle. Os sensores podem ser lineares ou não lineares. Os lineares são os mais utilizados por apresentar valores de maior expressão. A linearidade é o grau de proporcionalidade entre o sinal gerado e a grandeza física, quanto maior a linearidade, mais precisa será a resposta do sensor à variação da grandeza. Os sensores não lineares são utilizados em faixas limitadas, onde pequenos desvios são aceitáveis. Na indústria existem vários tipos de sensores, entre eles estão os sensores

81 67 indutivos, capacitivos, de reflexão, cores, tensão, umidade e temperatura. A seguir, são apresentados alguns sensores industriais e sensores específicos para sistemas de controles Sensor magnético Os sensores magnéticos são compostos por um contato feito de material ferro magnético (ferro, níquel etc.) que é acionado na presença de um campo magnético (ímã permanente, por exemplo), como mostra a figura 23. O princípio de funcionamento é simples: quando um ímã se aproxima do sensor, o campo magnético atrai as chapas de metal, fazendo com que o contato elétrico se feche. Estes sensores são muito utilizados para detectar fim de curso em sistemas automáticos Sensor capacitivo FIGURA 23 - Funcionamento do sensor magnético Para entender como funciona o sensor capacitivo é preciso entender o funcionamento do capacitor, ou seja, é necessário conhecer os conceitos básicos deste componente elétrico. O capacitor é um elemento que armazena cargas elétricas. Por isso ele se opõem as variações de tensão. É composto por duas placas metálicas isoladas por um material isolante, chamado dielétrico. O valor da capacitância do capacitor é

82 68 diretamente proporcional a área das placas e da constante dielétrica do material isolante e inversamente proporcional à distância entre essas placas. FIGURA 24 - Esquema de funcionamento do sensor capacitivo FIGURA 25 - Tabela de constantes dielétricas dos materiais Em corrente contínua, o capacitor carrega-se de forma exponencial segundo uma constante de tempo RC. Este processo pode ser visto na figura 26. Pode-se observar pela figura que, no instante inicial da carga, tem-se a corrente máxima e, após ser totalmente carregado, a corrente vai à zero. Em

83 69 contrapartida, em corrente alternada, o capacitor comporta-se como um resistor e sofre um processo de carga e descarga, o que atribui uma resistência elétrica ao componente. Na verdade o termo correto é impedância, pois o valor é dependente da freqüência. FIGURA 26 - Constante de tempo RC A diferença básica entre o capacitor convencional e o sensor capacitivo é que as placas no sensor são colocadas uma ao lado da outra e não uma sobre a outra como no capacitor, conforme a figura 27. No sensor capacitivo, portanto, o dielétrico é o ar cuja constante é igual a 1. quando algum objeto, que normalmente possui constante dielétrica maior, é aproximado do sensor, aumenta sua capacitância. FIGURA 27 - Forma de construção do sensor capacitivo O circuito de controle, então, detecta essa variação, e processa a presença desse objeto. Geralmente, esses sensores são utilizados para monitorar a presença de corpos não magnéticos. A figura 28 mostra a dinâmica do sensor capacitivo.

84 70 FIGURA 28 - Dinâmica do sensor capacitivo Sensor indutivo Para compreender o funcionamento do sensor indutivo é preciso conhecer as características do componente elétrico indutor. O indutor é um componente elétrico composto de um núcleo, o qual é envolto por uma bobina. Quando se fala em bobina, o que se deseja dizer é que existem fios enrolados ao redor de um dado material. Quando circula uma corrente elétrica por essa bobina, um campo magnético é formado no núcleo. Esta situação é mostrada na figura 29. FIGURA 29 - Princípio de funcionamento do sensor indutivo O indutor armazena a energia gerada pela bobina no seu núcleo por um certo tempo. Portanto, quando a corrente da bobina for interrompida, ainda tem-se um pouco de corrente na carga. Essa corrente é devida a contração das linhas de campo magnético que estão ao redor do núcleo, conforme mostra a figura 30. Isso significa

85 71 que o indutor se opõem às variações de corrente, assim como o capacitor se opõem as variações de tensão. FIGURA 30 - Esquema de funcionamento do sensor indutivo Em corrente alternada, o indutor apresenta determinada impedância. Essa impedância, matematicamente, pode ser observada na equação: XL = 2 f L, onde: f = freqüência do sinal em Hertz; L = indutância do indutor em Henry; XL = impedância do indutor. Assim, a indutância depende do núcleo do indutor, como mostra a figura 31. Neste caso, se for movimentado o núcleo do indutor pelo corpo da bobina, sua impedância mudará. Portanto, a corrente sobre o resistor também. FIGURA 31 - Como funciona o sensor indutivo

86 72 O sensor indutivo utiliza essa característica como princípio de funcionamento. Como se pode observar, o núcleo do sensor indutivo é aberto, e denomina-se entreferro. Com o núcleo, o campo magnético tem que passar pelo ar. Portanto, sua intensidade é menor. Quando uma peça metálica é aproximada do núcleo do indutor, o campo magnético passa por ela, e sua intensidade aumenta. A figura 32 mostra que, ao ligar-se este indutor em um circuito RL trabalhando com corrente alternada, pode-se verificar a variação de tensão no resistor de acordo com a distância da peça. FIGURA 32 - Variação de tensão com o sensor indutivo ligado Os sensores comerciais possuem um circuito oscilador internamente. Essa técnica permite sua utilização em tensões contínuas, como 24 volts. A figura 33 mostra a aparência de um indutor comercial. FIGURA 33 - Aparência de um indutor comercial

87 Sensor óptico O sensor óptico é formado por um emissor de luz e um receptor de luz, como mostra a figura 34. O emissor de luz óptico pode ser um diodo emissor de luz (LED) ou uma lâmpada. O receptor deve ser um elemento foto-sensível, ou seja, sensível à variação luminosa, como um fototransistor, um fotodiodo, entre outros. Em alguns casos, até mesmo uma fibra óptica pode ser um elemento para receber a luz e funcionar com o receptor do sensor óptico. FIGURA 34 - Funcionamento do sensor óptico Os sensores ópticos são capazes de detectar vários tipos de objetos, mas os transparentes, não podem ser detectados. Se o sensor funciona por reflexão, os objetos totalmente escuros não serão detectados. Têm-se 3 formas do sensor óptico operar, que são: Reflexão: a luz é refletida no objeto e o sensor é acionado; Barreira: o objeto bloqueia a passagem da luz e a saída do sensor é acionada; Emissor-receptor: neste caso, especificamente, o emissor e o receptor estão montados separadamente. Quando o raio de luz é interrompido pelo objeto, a saída é ativada.

88 74 FIGURA 35 - Formas de operação do sensor óptico Quando o ambiente de trabalho possuir partículas em suspensão (poeira), deve-se tomar cuidado na utilização de sensores ópticos. Caso seja impossível substituí-lo por outro tipo de sensor como o capacitivo, o indutivo etc., deve-se elaborar um plano de limpeza periódica das lentes com o intuito de se evitar o mau funcionamento destes sensores. Para exemplificar o aspecto físico destes sensores, apresenta-se na figura a seguir o aspecto de um sensor óptico comercial Chave fim-de-curso FIGURA 36 - Sensor óptico As chaves fim-de-curso, como o próprio nome sugere, são aplicadas para detectar o fim do movimento de eixos. A figura 37 mostra um exemplo desta chave na prática.

89 75 FIGURA 37 - Chave fim-de-curso Seu princípio de funcionamento é muito simples, e trata-se apenas de uma chave eletromecânica convencional. A chave fim-de-curso pode ser normalmente aberta (NA) ou normalmente fechada (NF), como mostra a figura 38. FIGURA 38 - Esquema de funcionamento da chave fim-de-curso 4.4 Encoders O encoder é um transdutor que converte um movimento angular ou linear em uma série de pulsos digitais elétricos. Esses pulsos gerados podem ser usados para determinar velocidade, taxa de aceleração, distância, rotação, posição ou direção. As principais aplicações dos encoders são: Eixos de máquinas ferramentas e controle numérico computadorizado, chamados de CNCs; Eixos de robôs;

90 76 Controle de velocidade e posicionamento de motores elétricos; Posicionamento de antenas parabólicas, telescópios e radares; Mesas rotativas; Medição das grandezas acima mencionadas de forma direta ou indireta. O sistema de leitura é baseado em um disco (encoder rotativo), formado por janelas radiais transparentes e opacas, alternadas. Este é iluminado perpendicularmente por uma fonte de luz infravermelha, quando então, as imagens das janelas transparentes são projetadas no receptor, o mesmo converte essas janelas de luz em pulsos elétricos conforme mostram as figuras 39 e 40. Os encoders podem ser divididos em encoders incrementais e absolutos. FIGURA 39 - Princípio de funcionamento de um encoder rotativo FIGURA 40 - Princípio de funcionamento de um encoder linear

91 Encoders incrementais O encoder incremental normalmente fornece dois pulsos quadrados defasados em 90º, que usualmente são chamados de canal A e canal B. A leitura de apenas um canal fornece somente a velocidade, enquanto que a leitura dos dois canais fornece também o sentido do movimento. Um outro sinal chamado de Z ou zero também está disponível e ele dá a posição absoluta zero do encoder. Este sinal é um pulso quadrado em que a fase e a largura são as mesmas do canal A. A resolução do encoder incremental é dada por pulsos (normalmente chamado de PPR), isto é, o encoder gera uma certa quantidade de pulsos elétricos por uma resolução dele próprio. Para determinar a resolução basta dividir o número de pulsos por 360º, por exemplo, um encoder fornecendo 1024 pulsos, iria gerar um pulso elétrico a cada 0,35º mecânicos. A precisão do encoder incremental depende de fatores mecânicos, elétricos e ambientais, que são: erros na escala das janelas do disco, excentricidade do disco, excentricidade das janelas, erro introduzido na leitura eletrônica dos sinais, temperatura de operação e nos próprios componentes transmissores e receptores de luz. A figura 41 mostra um exemplo de um encoder incremental Encoders absolutos FIGURA 41 - Encoder Incremental O princípio de funcionamento de encoder absoluto e de um encoder incremental é bastante similar, ou seja, ambos utilizam o princípio das janelas transparentes e opacas, com estas interrompendo um feixe de luz e transformando

92 78 pulsos luminosos em pulsos elétricos. O encoder absoluto possui um importante diferencial em relação ao encoder incremental, a posição do encoder incremental é dada por pulsos a partir do pulso zero, enquanto a posição do encoder absoluto é determinada pela leitura de um código e este é único para cada posição do seu curso, conseqüentemente, os encoders absolutos não perdem a real posição no caso de uma eventual queda da tensão de alimentação, quando voltar a energia ao sistema, a posição é atualizada e disponibilizada para o mesmo, não se precisa ir até a posição zero para saber a sua localização como é o caso do incremental. O código de saída é utilizado para definir a posição absoluta do encoder, o código mais empregado é o binário, pois este é facilmente manipulado por um circuito relativamente simples e, com isso, não é necessário nenhum tipo de conversão para se obter a posição real do encoder. Os encoders absolutos podem ter sua revolução (single turn) ou em várias revoluções (multi turn), ou seja, se um encoder é para uma revolução, a cada revolução o valor da contagem é reinicializado, ao contrário de um encoder para várias revoluções onde seu valor só é reinicializado depois de um certo número de voltas. FIGURA 42 - Encoder Absoluto O quadro 1 apresenta algumas especificações de encoders absolutos. Estas especificações mostram que os encoders absolutos são classificados em encoders para várias voltas e um única volta. O encoder de uma única volta sempre reinicializa os códigos gerados para cada volta que o mesmo girar, enquanto o de múltiplas

93 79 revoluções reinicializa o código gerado após várias voltas. Isto permite que o encoder não venha a perder uma referência de um dado processo, caso uma parada aconteça, por motivos de manutenção ou outros imprevistos. Single Turn Multi Turn QUADRO 1 - Especificações de encoders absolutos 360 posições (9 bits) 512 posições (9 bits) 720 posições (10 bits) 1024 posições (10 bits) 3600 posições (12 bits) 4096 posições (12 bits) 8192 posições (13 bits) posições (14 bits) 4096 posições/16 voltas (16 bits) 8192 posições/20 voltas (20 bits) posições/4096 voltas (24 bits) Encoders absolutos virtuais Nessa nova tecnologia, o disco possui assim como nos encoders incrementais, três informações: canal A, canal B, e o zero canal Z, mas com uma particularidade, o canal Z é substituído por um código serial similar com um código de barras ao invés de somente uma janela indicando o zero do encoder. Na figura 43 há uma comparação entre os discos de um encoder incremental, um encoder absoluto e um disco de um encoder absoluto virtual, na posição real no momento de start up, como no encoder absoluto convencional, mas depois de um movimento muito curto em qualquer direção e partindo de qualquer ponto do encoder, é possível determinar a posição exata do seu eixo. Em um encoder rotativo, o ângulo de inicialização é de aproximadamente 1º, enquanto em um linear é de aproximadamente 0,5 mm, em outras palavras é necessária a movimentação do encoder em aproximadamente 1º ou 0,5 mm para de determinar a posição real de onde a máquina está.

94 80 FIGURA 43 - Comparação de discos de encoders incrementais, absolutos, absoluto virtual Adicionalmente ao código de saída há um bit de status no encoder que informa quando ele é inicializado, esse bit indica se há problemas com a fonte de alimentação, algum tipo de interferência eletromagnética ou até mesmo algum tipo de falha no equipamento, quando todas essas condições estão normais, esse bit de status indica que existe um valor de posição válido na saída do sinal. Esse tipo de encoder é mais caro que um incremental e é muito mais barato que um absoluto, fazendo o ideal para determinadas aplicações, como pode se ver, no quadro 2. QUADRO 2 - Aplicações da tecnologia de encoders absolutos virtuais. Aplicação Exigências Exemplo Movimentos suaves Movimentos rápidos Segurança Eficiência Máquinas com movimentos suaves para se deslocar até a posição inicial leva um tempo considerável Máquinas com movimentos em alta velocidade e onde se precisa de uma alta resolução também em baixas velocidades A máquina pode machucar alguém devido ao mau funcionamento de encoders. O bit status pode impedir que a máquina saia fora de controle. A máquina processa materiais caros, e com o bit de status a máquina pode parar a tempo e evitar uma perda de material. Observatórios astronômicos Pedestais de radares Movimentação de telescópicos Robôs para a manufatura Automação industrial. Transportadores. Equipamentos médicos. Algumas máquinas especiais. Máquinas de preparo de substrato para confecção de circuitos integrados.

95 81 Confiança Aplicações a distância Encoders lineares Preço Máquinas que não permitem um alto tempo de parada ou se a manutenção é muito difícil O elemento controlador está longe do encoder, pouca fiação é melhor para essa aplicação. Existem poucos encoders lineares absolutos no mercado, e os que existem são muito caros. Encoders absolutos são muito bons, mas também são caros Aeronaves. Setor militar. Antenas. Sistemas de radar. Ambiente radioativo ou explosivo. Transporte de materiais. Qualquer aplicação acima mencionada. Maior parte para encoders lineares. 4.5 Motores elétricos Normalmente na indústria, é necessária a utilização de 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 elementos que realizem trabalho. Trabalho que 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, KINGSLEY e KUSKO (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,

96 82 p. 208), 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. 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 44 a seguir. FIGURA 44 - Classificação de motores elétricos

97 Motores elétricos de indução Os motores elétricos de indução são acionados por uma corrente elétrica alternada e 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. 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. Um exemplo de motor elétrico de indução é mostrado figura 45. FIGURA 45 - 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

98 84 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 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 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, 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 livre, 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.

99 85 S S 100(%), onde: S S velocidade síncrona; - velocidade angular do rotor. Esta forma de funcionamento não depende 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 tem interesse no motor trifásico de indução com rotor em gaiola Especificação de motores elétricos para uma dada aplicação A especificação de motores elétricos para uma determinada aplicação não é uma tarefa comum. 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 as 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: 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, entre vários outros 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

100 86 levantada, a velocidade de levantamento de carga, o rendimento do sistema, o 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, ou seja, 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, 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

101 87 financeiras escolheu-se um motor com regime S1, que é mais comum. Neste caso deve ser tomado o cuidado com o número de partidas consecutivas do motor nos testes, para que este não venha a queimar. 4.6 Conclusão Neste capitulo foram apresentados os equipamentos que fazem parte deste processo, bem como as suas funcionalidades, principais características e aplicabilidade. A escolha do equipamento correto afeta em vários pontos como o custo/benefício, a qualidade da produção, o desempenho geral do sistema e, principalmente, a tecnologia implementada nesses equipamentos, pois a evolução tecnológica está cada vez mais avançada, causando assim uma possível substituição prematura do equipamento. Os equipamentos descritos atenderam as espectativas do início do trabalho, suas restrições foram respeitadas, tais como proteção de sobrecarga e interface de comunicação, tudo isso 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.

102 88 5 SISTEMA DE PALETIZAÇÃO ROBOTIZADA Neste capítulo é mostrado exatamente como é feita a programação do robô e a sua interligação com o restante do sistema. Alguns dos equipamentos principais que fazem parte do programa são: o robô que tem a função de manipular um determinado objeto, o CLP que controla as entradas de sinais do sensor, ativa o robô a fim de manipular essa peça, controla o inversor, além de outras funções. O inversor tem como função o controle da velocidade do motor, sua aceleração, desaceleração e parada. O sensor detecta a peça a ser manipulada e envia sinal para o CLP. Além de outros componente que são apresentados no decorrer do capítulo. 5.1 Programação do robô A programação deste robô é feita através de um Teach-pendant, onde são programados todos os movimentos que serão executados durante o funcionamento do programa. A figura 46 mostra um Teach-pendant com as funções utilizadas para a programação do trabalho em questão. A seguir é apresentada uma descrição das funções utilizadas para a programação do robô de, acordo com as teclas apresentadas na figura 46: RUN/HALT (1): Pressionando esta tecla executa um programa de controle manual. O programa deverá ter sido editado antes ou carregado em uma EEPROM ou um computador; EDIT/REPLACE (2): Pressionando essa tecla em modo play, será permitido instruir um novo programa (EDIT) ou editar um programa existente (REPLACE);

103 89 FIGURA 46 - Teach-pendant e suas principais funções GO TO LABEL (3): Este comando implementa um atalho incondicional para um rótulo especificado e funciona somente no modo EDIT; SET LABEL (4): Este comando adiciona rótulos para um comando de atalho condicional ou incondicional e funciona somente no modo EDIT; WAIT ON INP / SW (5): Este comando implementa uma espera até que o estado atual da entrada (ou chave) selecionada coincida com o estado especificado e funciona somente no modo EDIT; ESCAPE (6): Este comando aborta algum tipo de função que estava sendo executada ou cancela alguma função que até então estava ativa; ENTER (7): Entra ou habilita alguma função previamente selecionada; CONFIG (8): Esta tecla acessa as opções de configuração disponíveis no

104 90 menu CONFIG; OPEN (9): Esta tecla é responsável pela abertura da garra; CLOSE (10): Esta tecla é responsável pelo fechamento da garra; Teclas B, C, D, E e F (11): Essas teclas selecionam um motor específico; Setas para baixo e para cima (12): Estas teclas são utilizadas para a movimentação de um motor específico Programação passo a passo do robô O robô será integrado a uma esteira e a um CLP, porém a sua programação consiste em pegar uma peça de madeira da esteira e coloca-la em um local prédeterminado. A programação do robô é relativamente fácil, pois o mesmo dispõe de mecanismos práticos e de fácil entendimento, esta programação segue uma seqüência de passos que serão descritos a seguir e terá como base a figura acima, pois os comandos utilizados na programação já foram descritos anteriormente. Para se iniciar a programação, primeiramente terá quer executado o hard home, ou seja, o robô ficará inicialmente na posição zero, onde todos os motores e sensores são testados. Para a execução do hard home terá que ser pressionada a tecla CONFIG (8) e posteriormente a tecla ENTER (7), em seguida a execução dessa função será iniciada e concluída. Depois de concluído com sucesso o hard home será pressionada a tecla EDIT/REPLACE (2), que por sua vez permite o inicio de uma nova programação, ou seja, começar a implementação de um novo programa. Caso estivesse algum programa armazenado na memória, através dessa tecla também seria possível editar um programa existente e consequentemente colocá-lo em funcionamento. O próximo passo é pressionar a tecla SET LABEL (4) e passar como parâmetro o numero 1 e em seguida pressiona-se novamente a tecla ENTER (7), isso significa que foi adicionada a primeira linha do programa, ou seja, é a partir dessa linha que começa a implementação do programa que irá executar todas as operações. O SET LABEL (4) é a marcação do loop incondicional, referente ao início do

105 91 programa que está sendo desenvolvido e GO TO LABEL aponta exatamente onde será o início da repetição do programa, ou seja, a partir de onde o programa será executado novamente. Uma função que é extremamente importante para o nosso programa é a WAIT ON INP/SW que é habilitada com uma tecla com o mesmo nome (5). No programa serão passados dois números como parâmetro para essa função, o primeiro parâmetro é o 01 que especifica qual a entrada ou chave que receberá um sinal ou comando para o inicio do funcionamento do robô, o segundo parâmetro a ser passado é o numero 1 que significa qual é o estado binário que irá ativar a função. Isso significa que o robô ficará em espera até que a entrada 01 do mesmo receba um sinal externo binário de valor 1, ou seja, quando essas duas condições forem satisfeitas, o robô entrará em funcionamento. O passo seguinte trata de toda a movimentação que o robô irá executar durante a sua ação sobre a peça. Para isso será utilizado um conjunto de teclas (11) que servem para selecionar uma parte específica do robô, ou seja, cada tecla tem a função de selecionar uma articulação diferente, depois de selecionada a articulação de interesse serão utilizadas mais duas teclas (12) que servem para realizar a movimentação da articulação selecionada. Por exemplo, caso queira-se movimentar a base do robô para os lados. Neste caso, deve-se pressionar a tecla F para selecionar a articulação desejada e em seguida devem-se pressionar as teclas que contem a seta para cima e para baixo para movimentar o motor responsável por essa articulação para a direita ou para a esquerda, assim também funcionam todas as outras articulações, porém os movimentos também podem ser para cima e para baixo dependendo do tipo de articulação. Um ponto importante a ser ressaltado é com relação a garra, pois a mesma não se utiliza das teclas A até F para a realização de sua movimentação, mas sim, da tecla OPEN (9) que é responsável pela abertura da garra e também a tecla CLOSE (10) que é responsável pelo fechamento da garra. Depois de todos os movimentos definidos, programados e parametrizados, pode-se passar para o próximo passo da programação.

106 92 Esse passo é muito importante para a programação onde se aplica a repetibilidade, pois esse comando que é habilitado através da tecla GO TO LABEL (3) faz com que a execussão do programa volte para a linha especificada através de parâmetro, neste caso o parâmetro passado é o número 1, ou seja, toda vez que o programa executar essa linha, o mesmo retornará para a linha do programa que foi indicada através do parâmetro (neste caso retornará para a primeira linha do programa), caracterizando assim a repetibilidade. O programa ficará executando todas as ações de forma repitida até que seja efetuado um comando externo de parada. Depois que todos os comandos relacionados a lógica da programação e movimentos das articulações foram executados, basta pressionar a tecla ESCAPE (6) que serve para sair do modo de programação e em seguida pressionar a tecla RUN/HALT (1), assim o programa feito anteriormente começa a sua execução de acordo com os comandos e parâmetros passados. Neste caso o robô somente começará a realizar os seus movimentos quando receber o comando externo binário 1 na sua entrada 01, caso contrário fica em espera. 5.2 Programação do CLP A programação do CLP é feita através de um software desenvolvido pelo próprio fabricante, nele a programação pode ser feita através de diagrama ladder ou em lista de instruções. São fornecidos todos os parâmetros necessários para o funcionamento do sistema, todos os sinais de entrada, que pode ser o sinal de um sensor ou os pulsos do encoder e os sinais de saída, que é o acionamento do motor através do inversor de freqüência que movimenta a esteira e o acionamento do robô que ocorre através de um relê. Na figura 47 são apresentados esses parâmetros, que são as variáveis do sistema.

107 93 FIGURA 47 - Tela com a declaração das variáveis do sistema. O sistema é acionado através de uma chave, quando a mesma é ligada o motor começa a funcionar com uma freqüência de 3,5 Hz, movimentando a estira e a peça localizada sobre a mesma, quando a peça passa pelo sensor, este envia um sinal para o CLP, que também envia um sinal para o conversor e este diminui a freqüência do motor para 2,5 Hz. Neste momento um contador começa contar os pulsos recebidos através do encoder, quando este contador atingir o número de pulsos igual a 580, o CLP envia um sinal para o inversor, desta forma o mesmo faz com que o motor pare de funcionar. Quando o número de pulsos do encoder for igual a 581, já com a esteira parada, o CLP através o relê envia um sinal para o robô para que o mesmo execute sua função que é pegar a peça que está sobre a esteira e coloque-a no local especificado através do programa de controle do robô. Esta ação demora aproximadamente 34 segundos, quando completar esse tempo o CLP envia um sinal para o relê, que faz com que o robô fique em estado de espera novamente até que ocorra uma nova ação. Um botão de pulso zera os contadores, quando se deseja executar novamente o programa.

108 94 Para a simulação de uma rede industrial, o trabalho é feito com um CLP e junto a ele está uma expansão local e uma expansão remota, ligada através de um cabo com duas vias para transmissão de dados, malha de aterramento e conector DIN-5. A figura 48 mostra a topologia do sistema, onde o código representa o CLP, representa a expansão local e representa a expansão remota. FIGURA 48 - Topologia do sistema 5.3 Parametrização do Inversor O inversor de freqüência assume um papel de suma importância no sistema, pois é responsável por movimentar o motor desde a sua partida até a sua parada, além de modificar a sua velocidade durante esse percurso. Para que isso aconteça de forma correta é necessário que o inversor seja parametrizado de acordo com as necessidades do projeto. Neste caso o motor partirá com a freqüência de 3,5 Hz e após passar pelo sensor, terá sua freqüência diminuída para 2,5 Hz, o que significa que o motor diminuirá a sua velocidade e após receber o sinal do CLP, o inversor fica responsável pela parada do motor, justamente nesta hora o robô atua sobre o sistema. Inicialmente o motor está parado, quando a chave de início do sistema for ativada, o motor terá uma aceleração de 0 Hz para 3,5 Hz de acordo com os parâmetros passados, quando o sensor óptico detectar a peça de madeira, será enviado outro parâmetro para o inversor, fazendo com que o mesmo desacelere o motor de 3,5

109 95 Hz para 2,5 Hz. Durante todo o processo o inversor está agindo diretamente com o CLP. Após o sensor detectar a peça e o inversor diminuir a velocidade do motor, o encoder entra em ação e começa contar os pulsos, quando o número de pulsos for igual ao número passado como parâmetro para o programa do CLP, o mesmo envia um sinal para o inversor que fará com que o motor tenha uma desaceleração de 2,5 Hz para 0 Hz, tudo como especificado na lógica de controle, neste momento o robô entra em ação e executa sua tarefa. 5.4 Interligação do CLP com o robô A interligação do CLP com o robô é feita através de um relê. Isto significa que além do programa do robô, existe um programa no CLP. O programa do CLP é responsável por gerenciar todo o processo do sistema automatizado. Para que o programa do robô seja ativado, é preciso que o CLP envie um sinal de comando para o robô. O sinal de comando está previamente programado no CLP e a conexão física entre os sistemas, é que utiliza o relê. Neste caso, quando o programa do CLP chega na linha do código que corresponde ao comando do relê, este aciona uma saída do CLP que está interligada ao relê. O programa do robô possui um comando de espera de um sinal de comando externo. Este comando é recebido eletricamente através do relê. Quando o relê está acionado, o robô executa o seu programa. Por outro lado, quando o relê não está acionado, o robô também executa o seu programa, entretanto, somente até a linha do código onde ele fica esperando o comando do relê. Enquanto o relê não for acionado, o robô não continua a execução do programa. O momento de envio do comando do relê para o robô é estabelecido pelo programa contido no CLP.

110 96 FIGURA 49 - Esquema de ligação entre o robô e o relê A figura 49 mostra o esquema de ligação entre o relê e o robô, isto é, o sistema de comando do robô. Quando o relê é acionado, ele permite a passagem de corrente elétrica do pólo positivo da fonte do sistema de controle do robô (+12 V), para a entrada de comando do robô. Esta interligação está representada pela linha vermelha na figura 49, saindo do pólo positivo (+12 V) até a entrada do ponto comum do relê; retornando até a entrada de comando número 1, conforme está representado pela linha vermelha, que sai do relê e chega ao sistema de controle do robô. O sinal de referência (0 V) está conectado diretamente entre a fonte do sistema de controle e o ponto de retorno da entrada de comando número 1, através da linha preta na figura 49.

111 Descrição do programa integrado O sistema contará com vários componentes, são eles: Encoder; Inversor de freqüência; Sensor; CLP; Robô; Relê; Esteira movida a motor elétrico; Peças de madeira. De forma geral, o programa funciona da seguinte maneira: todos os componentes interagem de forma direta ou por uma intermediação de outro componente, por exemplo, o robô interage com o CLP através do relê. Cada componente tem uma função específica, a seguir será especificada a função de cada componente que faz parte do sistema. O sensor é responsável por detectar a peça de madeira que está na esteira, mandando assim um sinal para o CLP, que mandará comandos para outros componentes, enquanto que o encoder fica responsável por contar os pulsos para que a esteira pare no local correto, ou seja, quando o sensor detectar a peça, o encoder fica mandando pulsos elétricos para o CLP de forma a monitorar o posicionamento da esteira, podendo desta forma saber a posição em que a mesma se encontra. Outro componente muito importante é inversor de freqüência, neste caso fica responsável pela velocidade, aceleração e desaceleração da esteira, isso torna o movimento muito mais amigável e manipulável. O CLP é parte fundamental do conjunto, pois é o equipamento que faz praticamente toda a intermediação dos componentes envolvidos, ou seja, ele recebe sinal do sensor e do encoder e envia sinal para o inversor de freqüência e para o relê que será responsável para a comunicação entre o CLP e o próprio robô. Assim o CLP envia um sinal para o relê que é alimentado com 24V e tem a simples, porém importante função de fechar o caminho entre o CLP e o robô.

112 98 A esteira terá como função a transferência da peça até sua chegada no sensor, quando detectada essa peça, a esteira pára e fica aguardando para que o robô venha e pegue a peça a fim de colocá-la no local determinado. A peça de madeira é o objeto a ser manipulado, pois o mesmo é colocado na esteira em funcionamento e terá como destino final o local determinado no programa de controle do robô. Por fim, tem-se como parte integrante fundamental o robô que irá de fato promover a manipulação da peça de madeira. Sua função é ficar em espera até que CLP mande um comando positivo para o início de sua ação, que consiste em pegar a peça de madeira e de acordo com os parâmetros passados e colocá-la no local determinado. O programa consiste em fazer com que o robô pegue esta peça que está sobre a esteira e coloque-a no local pré-determinado. Dessa forma, a peça vem através da esteira e é detectada pelo sensor. Neste momento acontecem alguns eventos, no primeiro, quando o sensor enviar o sinal para o CLP, o mesmo envia um sinal para o inversor, que diminui a velocidade da esteira, ao mesmo tempo o CLP começa receber o sinal do encoder que está acoplado à esteira a fim de monitorar a peça que está sendo detectada pelo sensor. Outro evento acontece quando a peça pára de ser detectada pelo sensor, neste momento o inversor pára a esteira e o CLP envia um sinal para o relê que acionará a entrada 01 do robô com o comando binário 1, ativando assim o programa do robô que até então estava em espera. 5.6 Composição do sistema integrado Para o bom funcionamento do sistema é necessária a escolha correta de todos os componentes que farão parte do mesmo, a seguir esses componentes são mostrados através de figuras, juntamente com uma breve explicação da função que exercem. Na figura 50 é apresentado o encoder utilizado neste trabalho, ele envia pulsos para o CLP, e faz com que a esteira pare de se movimentar, ou seja, no programa ele está definido para contar os pulsos e realizar a parada da esteira.

113 99 FIGURA 50 - Encoder utilizado no trabalho. O inversor de freqüência tem como função controlar a freqüência do motor, que trabalha em 2,5Hz e 3,5Hz, dependendo da posição em que se encontra a esteira. Este inversor também tem a função de acelerar e parar o motor. A figura 51 mostra o inversor utilizado para a composição do sistema. FIGURA 51 - Inversor de freqüência utilizado no trabalho.

114 100 O sensor é apresentado na fugira 52 e tem como função detectar a peça que está passando na esteira, a partir da sua ação o inversor diminui a freqüência do motor e o encoder começa contar os pulsos para que a esteira seja parada mais adiante. FIGURA 52 - Sensor óptico utilizado no trabalho. O CLP é um dos principais componentes do sistema e tem como função realizar a leitura, processar os dados e enviar sinais de saída para todos os componentes que realizarão alguma ação no sistema. A figura 53 mostra o CLP, expansão local e expansão remota utilizados na realização dos trabalhos já com as ligações realizadas para o funcionamento do mesmo. FIGURA 53 - CLP, expansão local e expansão remota utilizados no trabalho.

115 101 O componente que mais se destaca no projeto é o robô, pois ele realiza o trabalho final, ou seja, tem como função pegar a peça de madeira que está na esteira já parada e coloca-la em um local determinado através dos parâmetros passados em seu programa de controle. A figura 54 mostra o robô realizando sua função. FIGURA 54 - Robô utilizado na realização dos trabalhos. A figura 55 mostra o motor elétrico de indução que foi utilizado para a realização dos trabalhos. Este motor é responsável por movimentar a esteira e alternar a sua velocidade de acordo com os parâmetros passados para o inversor. FIGURA 55 - Motor elétrico de indução utilizado no trabalho.

116 102 A esteira tem como função levar a peça do seu local de origem para o seu local de destino, ou seja, onde ficará parada para que o robô pegue-a e coloque-a em seu devido lugar de acordo com os parâmetros passados ao seu programa de controle. A figura 56 mostra a esteira utilizada na realização dos trabalhos. FIGURA 56 - Esteira utilizada na realização do trabalho O relê faz ligação entre o robô e o CLP, quando ele recebe 24V na sua bobina, fecha o contato e então o robô é ativado, neste trabalho, o relê é desativado depois de 34 segundos para que o robô interrompa sua execução e fique em espera até que uma nova ação seja solicitada pelo sistema. A figura 57 mostra os relês utilizados no trabalho. FIGURA 57 - Conjunto de relês utilizados no sistema.

117 103 A seguir, na figura 58 é mostrado o sistema com todos os seus componentes já interligados fisicamente e cada um com seu programa específico a fim de que se comuniquem para que o sistema trabalhe em conjunto e de forma sincronizada. FIGURA 58 - Sistema completo com seus componentes interligados. Finalmente na figura 59 é apresentado um esquema completo do sistema, ou seja, a forma com que os componentes interagem entre si e a comunicação que os mesmos mantém durante a execução do processo. As setas representam a ação que um componente exerce sobre outro. FIGURA 59 - Mapa do sistema

118 Descrição do processo O funcionamento do processo ocorre da seguinte forma: a peça de madeira fica posicionada na esteira ainda parada e então é dado o comando de início do processo. Neste momento a esteira começa funcionar, transportando assim, a peça para o final da mesma. Quando o processo inicia, o encoder já começa contar os pulsos e enviar para o CLP, porém, no momento que a peça passa pelo sensor este contador é resetado, e como o sensor fica em um local fixo na esteira, serve como ponto de referência para a localização da peça. A partir do momento que a peça é detectada pelo sensor, o contador, resetado anteriormente começa contar novamente os pulsos a partir de zero, quando este contador atinge o número de 580 pulsos, o programa de controle do CLP envia um sinal para o inversor, fazendo com que o mesmo pare o motor e consequentemente a esteira. Quando o contador atingir o número de pulsos igual a 581 o mesmo programa de controle do CLP envia um sinal para o relê, ativando o mesmo e fazendo com que o robô continue a execução do seu programa, que até então estava à espera do sinal proveniente do relê. Quando o robô termina a sua tarefa, envia um sinal através da sua saída para o CLP que envia um sinal para o inversor, movimentando novamente a esteira e fazendo com que o processo se repita até que receba um comando externo de parada. 5.8 Realização dos testes Alguns testes foram realizados para a validação do sistema. O processo teve um comportamento de acordo com o previsto, pois não foi feito nenhum tipo de teste para verificar tratamento de erros, já que não era o foco do trabalho em questão. Todos os equipamentos tiveram um comportamento correto em relação aos seus programas de controle. O motor diminuiu a velocidade da esteira de acordo com os parâmetros passados ao inversor de freqüência e também parou o mesmo na posição correta para que o robô pudesse pegar a peça localizada sobre a esteira e manipula-la de acordo

119 105 com seu programa de controle. O robô cumpriu sua tarefa, manipulando a peça de madeira e colocando-a no local especificado através do seu programa de controle e depois de finalizada sua tarefa, voltava e ficava em posição de espera para a manipulação de outra peça e também teve um bom desempenho com relação a precisão da sua repetibilidade. Por fim, o CLP recebeu todos os sinais digitais vindos do processo e ativou de forma correta as saídas do mesmo. Desta forma, o teste mostrou que o processo teve um bom desempenho e pode ser aplicado em um processo industrial em maior escala. 5.9 Conclusão Neste capítulo descreveu-se o procedimento da programação e a interligação do sistema, que necessita de um pouco de atenção devido à peculiaridade de cada componente, pois são várias tecnologias diferentes com características e limitações específicas, além de trabalharem com tensões de alimentação diferentes. Cada equipamento tem um padrão a ser seguido e todos trabalham de forma a se chegar a um objetivo comum, que é o resultado final do processo. Se cada componente for tratado de acordo com as suas características e padrão, tem-se um bom resultado, apesar de todas as dificuldades encontradas. Todos os equipamentos atenderam as necessidades iniciais do sistema, fazendo-se assim possível o controle de velocidade da esteira, o robô realizando sua função como planejado inicialmente e o CLP recebendo os sinais de entrada e atuando sobre as saidas do processo.

120 106 6 CONSIDERAÇÕES FINAIS O principal objetivo deste trabalho foi a simulação de um sistema de controle robotizado num processo industrial fictício, através da implementação do programa de controle do robô, a parametrização do inversor para o controle da esteira e a integração do sistema através do CLP. O problema consistiu justamente em simular esse processo através de equipamentos acessíveis, esses equipamentos foram emprestados pelo SENAI, facilitando assim a realização dos trabalhos. As dificuldades surgiram ao decorrer das atividades, porém, nas mesmas proporções as soluções foram encontradas com a ajuda do orientador e engenheiros responsáveis pelo robô. Desta forma, os resultados surgiram como planejado inicialmente. Foi feito um levantamento bibliográfico de todos os componentes do sistema de controle, considerando os aspectos importantes para o trabalho. Também foi utilizada a esteira desenvolvida em trabalhos anteriores para que a peça fosse posicionada a fim de que o robô pudesse pega-la, de acordo com os parâmetros e a lógica desenvolvida em seu programa de controle. Para o posicionamento correto desta esteira, utilizou-se um inversor de freqüência, parametrizado de acordo com os requisitos do processo em questão e o CLP foi responsável pela integração do sistema, onde recebia sinais digitais como entrada e de acordo com a implementação em seu programa de controle, atuava nas saídas do processo. Dos equipamentos utilizados, além do conhecimento teórico houve a possibilidade de colocar em prática o funcionamento do projeto simulando, a sua atuação e comportamento. Fator este que pode ser aplicado não somente de forma didática, mas também em aplicações reais de nível industrial. O aprofundamento do

121 107 estudo dos equipamentos utilizados no processo como o CLP, inversor de freqüência, encoder, motor, sensor e o robô abre uma gama de oportunidades de trabalhos paralelos em pesquisa acadêmica. O projeto auxilia em aulas expositivas e demonstrativas nas cadeiras dos cursos de Ciências Exatas e Tecnológicas e também em cursos específicos voltados para a área de automação industrial. Este projeto pode ser complementado em vários sentidos, segue como sugestões para trabalhos futuros a integração deste sistema com banco de dados, onde cada peça manipulada pode ser inserida ou excluida deste banco de dados, também pode ser feito um sistema integrado de manufatura, onde o robô pode manipular peças de vários formatos e tamanhos diferentes, desde que exista mecanismo para fazer a diferenciação destas peças. Um ponto interessante para o melhoramento deste projeto é a ativação do mesmo remotamente, através de equipamentos móveis como celular ou via internet de qualquer parte do mundo e também o monitoramento do processo através dos mesmo equipamentos. Também é possível fazer a reversão do sentido de movimento da esteira, parametrizando o inversor para que inverta o sentido de rotação do motor e acrescentando um CLP de outro modelo ou configuração, fazendo assim com que o sistema de torne mais flexível.

122 108 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS CAPELLI, A. Mecatrônica Industrial. São Paulo: Saber, p. FERREIRA, A. B. H. Novo Aurélio século XXI: o dicionário da língua portuguesa. 3. ed. Rio de Janeiro: Nova Fronteira, p. FITZGERALD, A. E.; KINGSLEY, C. J.; KUSKO, A. As Máquinas Elétricas. McGraw-Hill, GEORGINI, M. Automação Aplicada. 3. ed. Tatuapé: Érica, p. MAMEDE, J. F. Instalações Elétricas Industriais. São Paulo: LTC, p. NATALE, F. Automação Industrial. 4. ed. São Paulo: Érica, p. OGATA, K. Engenharia de Controle Moderno. 3. ed. Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos, p. PAZOS, F. Automação de Sistemas e Robótica. Rio de Janeiro: Axcel Books, p. PIRES, J. N. Os desafios da robótica industrial da interdisciplinaridade às vantagens da cooperação entre empresas e universidades. Coimbra: DEMUC, p. ROMANO, V. F. Robótica Industrial: aplicação na indústria de manufatura e de processos. São Paulo: Edgard Blucher, p. ZACCARON, A. W. Controle de posição de uma esteira f. Trabalho de Conclusão de Curso (Bacharel em Informática) Departamento de Ciências Exatas e Tecnológicas, Universidade do Planalto Catarinense, Lages.

123 APÊNDICES Declaração das variáveis utilizadas no programa de controle dp CLP, nome de cada uma conforme sua função, endereçamento físico e o tipo dos dados. VAR botao_liga AT %i : bool; avanco AT %q : bool; reversao AT %q : bool; freq1 AT %q : bool; freq2 AT %q : bool; sensor_otico AT %i : bool; encoder AT %i : bool; contador1: ctu; breset AT %i : bool; ativa_robo AT %q : bool; auxiliar: bool; tempo1: S_TimeRising; auxiliar2: bool; mcontador AT %mw : int; m_ativa_robo AT %m : bool; esteira_status AT %m : bool; END_VAR Código fonte em lista de instruções, onde sao aplicadas todas as variáveis declaradas anteriormente. LDN botao_liga R avanco R reversao R freq1 R freq2 R contador1.reset LD botao_liga

124 110 S S reversao freq1 LD sensor_otico R freq1 S freq2 LD sensor_otico OR breset ST contador1.reset CAL contador1( CU := encoder, RESET :=, PV := 580 := Q, := CV ) LD contador1.q R freq2 R reversao LD contador1.cv GT 581 ST auxiliar LD botao_liga AND auxiliar ANDN freq2 ANDN reversao S ativa_robo LD ativa_robo ST tempo1.set CAL tempo1( Set :=,

125 111 ReSet :=, Hold :=, PresetTime := 34 auxiliar2 := OutputControl, := ElapsedTime ) LD auxiliar2 R ativa_robo LD contador1.cv ST mcontador LD ativa_robo ST m_ativa_robo LD botao_liga AND ( avanco OR reversao ) AND ( freq1 OR freq2 ) ST esteira_status A seguir é descrita a parametrização do inversor de freqüência. SET I.O. TCC 2C ESC RRS LI6 REVERSÃO FUN PS5 PS2 LI3 PS4 LI4 SP2 2,5 Hz SP3 3,5 Hz I.O. TCT LEL NIVEL OU TRANSIÇÃO TRN SET RAMPA ACELERAÇÃO

126 ACC 3,05 DEC DESACELERAÇÃO 3,05 SUP RFR 112