Automacao de moendas com acionamento individual nos rolos

AUTOMAÇÃO DE MOENDAS COM ACIONAMENTO INDIVIDUAL NOS
ROLOS USANDO MOTORES HIDRÁULICOS DIRETOS
Paulo Grassmann1 , Juliusz Lewinski 2 e Tomas Kalin2
1
Bosch Rexroth Ltda - Brasil
Bosch Rexroth AB – Suécia
2
Resumo
Este trabalho mostra resultados de medições em moendas com o acionamento hidráulico individual
em cada rolo. Demonstra as possibilidades de variação da velocidade entre o rolo “superior”; “de ent rada” e
“de saída”, a fim de manter o torque ótimo na moenda, a vant agem da leitura instantânea do torque at ravés
da pressão e operação e os recursos de automação que um sistema de acionamento hidráulico com baixa
inércia e respostas rápidas permite.
Palavras chave s: Moendas, Torque, Velocidade, Acionamento, Hidráulico, Independente.
Introdução
O uso de acionamentos hidráulicos
individuais em cada rolo de uma moenda foi
estudado pela primeira vez por Abon, na usina
Panchito Gomez Tore, Cuba em 1986. Muñoz e
Lewinski desenvolveram um estudo semelhante
na Usina San Jose de Abajo no México que foi
publicado na edição de Nov. 1996 do Int ernational
Sugar Journal. Ambos os trabalhos demonstram
que a distribuição de torque nos rolos de uma
moenda depende da velocidade periféric a relativa
entre os rolos. Em moendas com motorização
independente em cada rolo, onde a sincronização
das velocidades entre os rolos superiores; de
entrada e de saída não é feita com rodetes, é
possível introduzir velocidades relativas entre os
rolos.
absorva um torque maior, aliviando o rolo de
saída. O inverso naturalment e também é válido.
Como abertura ent re o rolo de entrada e o
superior é maior, a influência desta “fricção” entre
este par de rolos é menor do que a influência da
“fricção” entre os rolos superiores e de saída, cuja
abertura é menor. Moendas com acionamentos
hidráulicos permitem que as velocidades relativas
entre rolos sejam controladas de forma simples e
muito precisa. Outro grande diferencial é que a
medição do torque aplicado em cada rolo é feita
de forma direta. A pressão de operação de cada
motor hidráulico indica exat amente o torque
instantâneo que cada rolo da moenda esta
absorvendo. Normalmente o acionamento do rolo
superior é c onfigurado como “mestre” e os
acionamentos dos rolos inferiores (ent rada e
saída) como “escravos” através de um sinal do
encoder instalado no motor hidráulic o do eixo
superior.
Fig. 1 – Acionamento hidráulico direto individual em cada rolo.
Fig. 2 – Princípio de moenda de 3 rolos.
Se o rolo de entrada opera com uma
velocidade periféric a maior que rolo superior,
existe uma t endência do rolo de entrada absorver
mais torque, aliviando o rolo superior. Da mesma
forma se operarmos o rolo de saída a uma
velocidade periférica menor do que o rolo
superior, a tendência é que o rolo supe rior
2. Funcionamento de um acionamento
hidráulico direto.
O acionamento hidráulico é composto
basicamente de uma unidade hidráulica de
potência, e do motor hidráulico de alto t orque e
baixa rot ação instalado diretamente na ponta de
eixo cada rolo da moenda. Este arranjo é
extremamente compacto, diminuindo muito os
requisitos de espaço de instalação e facilita a
manutenção anual dos rolos da moenda.
2.2. Motor hidráulico
Motores hidráulicos diretos de alto torque
e baixa rotação são do tipo de pistões radiais com
curva de came. A pressão de operaç ão é
diretamente proporcional ao torque que entregam
á moenda.
2.1. Unidade hidráulica
A unidade hidráulica tem c omo função
enviar o fluxo de óleo nec essário ao motor
hidráulico para que este opere na velocidade
desejada, e gerar a pressão necessária, para
vencer a resistência que a carga da moenda
exerce sobre os eixos e consequentemente sobre
os motores hidráulicos.
1 – Anel de came
2 – Roletes
3 – Pistões
O motor elétrico na unidade hidráulica
opera constantemente em velocidade síncrona,
acionando uma bomba de pistões axiais de
geometria variável. O motor elétrico s empre parte
com a bomba em posição “zerada”, portanto parte
á vazio. Após alguns segundos pode-se alterar a
geometria da bomba por meio de um sinal de
controle (4-20mA) que comanda a servo válvula
que controla o pistão hidráulico de inclinação da
placa da bomba, iniciando a geração de fluxo de
óleo e movimento do motor hidráulico.
4 – Acoplamento de contração
5 – Bloco de cilindros
6 – Estrias para acoplamento
7 – Carcaças do motor
8 – Rolamentos radiais
9 – Blocos de conexões
10 – Placa guia
11 – Rolamento axial
Fig. 4 – Motor hidráulico de pistões radiais com curva de came
3. Automação da moenda com acionamento
individual dos rolos
O objetivo principal da automação de uma
moenda é manter o nível de produção estável
com o bagaço uniformemente compactado e
minimizar a reabsorç ão de forma que o máximo
de caldo possa ser extraído.
Fig. 3 – Unidade hidráulica e motor
hidráulico direto individual
O sistema hidráulico trabalha em circuito
fechado, de forma que o óleo flui diretamente da
saída da bomba para a entrada do motor
hidráulico, e da saída do motor hidráulico para a
entrada da bomba. A o se inclinar a placa de
controle para o lado oposto, o fluxo de ól eo se
inverte e o sistema opera em reversão, mas o
motor elétrico continua operando na mesma
velocidade e mesmo sentido de giro.
A compactação uniforme do bagaç o
dentro da moenda pressupõe que a resistência da
passagem do bagaç o entre os rolos e também do
atrito do bagaço cont ra os rolos seja constante,
ou seja, pressupõe que o torque nos rolos da
moenda seja mantido num nível constante.
Existem várias formas de cont rolar uma
moenda com acionamento individual dos rolos:





Cont role pela veloc de alimentação da cana.
Cont role de veloc dos rolos pelo nível de chute
Cont role de velocidade dos rolos pela pressão
de operação do motor (torque na moenda)
Cont role de velocidade dos rolos pelo
deslocamento do rolo superior.
Combinação das formas acima.
3.1. Controle pela velocidade da alimentação
O controle da velocidade de alimentação
normalmente é usado apenas no primeiro terno
de uma moenda. O objetivo é manter a moenda
em rotação constante para det erminado nível de
produção, variando a velocidade da esteira de
alimentaç ão da cana desfibrada, para manter a
moenda c onstantemente cheia. O controle da
velocidade da esteira é feito com base no nível do
chute do primeiro terno.
Controle de pressão com ação diretame nte
proporcional
Se a pressão de operação no rolo
superior for maior que os limites de pressão
desejados (setpoint +/- Delta P), a velocidade
será aumentada e vice e versa. A velocidade
possui um valor de ajuste máximo e mínimo para
prevenir velocidades extremament e rápidas ou
lentas. Esses parâmetros podem ser alterados. A
figura abaixo explica o controle de pressão com
ação direta.
3.2. Controle por nível de chute
O
controle
por
nível
de
chute,
tradicionalmente usado nos ternos subsequentes
ao primeiro tem como objetivo manter o nível de
bagaço no chute em uma faixa desejada.
Aumenta-se a velocidade da moenda
quando o nível do chute está alto, a diminui-se a
velocidade se o nível está baixo. A regulagem
principia quando o nível do chute está fora da
faixa considerada adequada à operação (zona
morta). A velocidade possui um valor de ajuste
máximo e mínimo para prevenir velocidades
extremamente rápidas ou lentas. A figura abaixo
explica a função do controle do nível do chute.
Fig. 6 – Controle de pressão de operação do motor hidráulico com
ação direta
Controle de pressão com ação reversamente
proporcional
Se a pressão de operação nos rolo de
entrada ou de saída for maior que os limites de
pressão ajustados (setpoint +/- Delta P), a
velocidade será diminuída e vice e versa. A
velocidade possui um valor de ajuste máx e mín
para prevenir velocidades extremamente rápidas
e lentas. Esses parâmetros podem ser alterados.
A figura abaixo explica o controle de pressão com
ação reversa.
Fig. 5 – Controle de nível do chute
3.3. Controle por pre ssão de operação do
motor (torque na moenda )
O controle por pressão tenta manter a
pressão de operação do motor hidráulico próxima
ao valor desejado através de pequenos ajustes
de velocidade dos rolos da moenda. No rolo
superior usa-se em geral o controle com ação
diretamente proporcional. Nos rolos de entrada e
saída us a-se normalmente o c ontrole com ação
reversament e proporcional. Pode-se us ar este
controle em conjunto com o controle por nível do
chute.
Fig. 7 – Controle de pressão de operação do motor hidráulico com
ação reversa
3.4. Controle por oscilação do rolo superior
O controle por oscilação do rolo superior
utiliza como setpoint para controle da velocidade
da moenda a variação do deslocamento do rolo
superior, ao invés da variação do nível do chute.
Esta modalidade de controle exige transdutores
de oscilação confiáveis e bem calibrados.
4. Experiências práticas
Diversas experiências práticas, tanto no
Brasil como em out ras usinas ao redor do mundo,
demonstram claramente as vantagens que podem
ser obtidas com a possibilidade de alterar as
velocidades dos rolos com relativo grau de
liberdade e também com a possibilidade de leitura
direta do t orque em cada rolo, em função da
medição da pressão de operação em cada motor
hidráulico.
4.1. Influência da fricção entre os rolos na
distribuição do torque entre os rolos
Aqui no Brasil, na Usina Sta Isabel, foram
feitos experiment os comprovando que mudanças
nas relações de velocidade entre os rolos
provocam variações na distribuição de torque
entre os rolos.
Os gráficos abaix o mostram medições de
velocidade (Fig 8) e pressão (Fig 9) no mesmo
instante.
- As linhas vermelhas representam a
velocidade ou pressão no rolo superior
- As linhas verdes representam a
velocidade ou pressão no rolo de entrada
No c enário “I” a moenda opera com
velocidades diferentes (o rolo superior mais
acelerado e o rolo de saída mais lento que o rolo
superior), ajustadas de tal forma que a pressão
(torque) nos rolos ficasse igual. O cenário “Ia”
está na mesma condição porem com rotação
(moagem) menor.
No cenário “II” as velocidades foram
ajustadas de forma que a velocidade periférica
dos rolos ficasse igual (zero de fricção).
No c enário “III” os três rolos operam á
velocidades angulares iguais (como com rodet es).
Podemos constatar que o t orque na
moenda permanece igual, independente da RPM,
ou nível de moagem. Observe que no cenário “Ia”
a pressão de operação não se alterou, indicando
que o torque permanece igual.
O cenário “I” e “Ia” demonstra também
que do ponto de vista mecânico, é favorável
operar com o rolo de entrada um pouco acelerado
e o rolo de saída um pouco mais l ento que o rolo
superior. Com este ajuste de velocidades temos
uma distribuição de torque mais homogênea entre
os rolos não sobrecarregando nenhum dos rolos.
- As linhas azuis representam a
velocidade ou pressão no rolo de saída
I
Ia III III
I
Ia II
III
Bar
Pres Eixo Sup
RPM Eixo Ent
RPM
350
300
7,5
7
Pres Eixo Ent
250
RPM Eixo Sup
6,5
200
6
150
Pres Eixo Said
5,5
5
100
RPM Eixo Saida
4,5
4
Fig 8 – Medições de velocidade 1º terno Usina Sta. Isabel
50
0
Fig 9 – Medições de pressão 1º terno Usina Sta. Isabel
4.2. Influência da velocidade relativa entre os
rolos na umidade do bagaço
4.4 Operação otimizada por um controle
estável com excelentes resultados
Em 1998 o CE NICA ÑA na Colômbia fez
experiências alterando as velocidades relativas
(fricções) ent re os rolos e mediou a influência
destas variações de velocidade na umidade do
bagaço.
Quando se usa t odos os recursos de
automaç ão que os sistemas de acionamento
hidráulico oferecem, é possível obter uma
operação extremamente estável como mostram
os resultados da Usina Ferrari. Na figura 12
temos o registro gráfico da pressão de operação
e velocidade do rolo superior, assim como do
nível do Chute no 4º (último) terno. Na figura 13
temos a leitura do torque total (soma dos 3 rolos
acionados hidraulicamente) e a velocidade do rolo
superior. Ambos gráficos mostram uma operação
muito estável, que favorece a melhoria da
extração e a redução da umidade. A operação
com torque e velocidade estável também reduz
os desgastes na moenda e prolonga a vida útil
dos acionament os.
Fig 10 – Disposição das velocidades relativas entre os rolos
Fig 12 – Disposição das velocidades relativas entre os rolos
Fig 11 – Diminuição da umidade em função da fricção
Os resultados completos que estão
resumidos acima foram apresentados no 23º
congresso do ISS CT e publicados nas páginas
194-201.
4.3. Pressão de operação como indicador da
perda de rugosidade dos fri sos
Há
muito,
a
usina
Ferrari
de
Pirassununga - SP usa a leitura da pressão de
operação em cada rolo, que é diretamente
proporcional ao torque que cada rolo esta
operando, como indicador da perda de
rugosidade nos frisos dos rolos e, portanto o
moment o certo de aplicar chapiscos nos flancos
dos frisos. A queda da pressão relativa de um rolo
em comparação com os outros rolos indica que
este rolo esta com perda de rugosidade do friso e
portanto nec essitando de aplicação de solda.
Fig 13 – Disposição das velocidades relativas entre os rolos
5. Conclusão
Existem varias filos ofias de controle, e
diversos parâmetros que podem ser usados como
variáveis para controlar a moenda.
Podemos usar o nível do c hute, a
oscilação do rolo superior, o torque de operação
(pressão) em cada rolo da moenda, e a
combinaç ão destes como parâmetros primários e
secundários para controlar a rotação da moenda.
Várias ex perimentaç ões ainda precisam ser feitas
para se chegar a conclusões sobre quando é
vantagem de se adotar uma ou outra filosofia de
controle. Porem é fato, que um acionamento com
baixo momento de inércia e reação rápida no
ajuste da velocidade, ajuda a mant er o torque o
mais homogêneo possível, mesmo com variações
na alimentação de matéria prima, tanto em
termos de quantidade (volume) ou também em
termos de qualidade da mat éria prima como, por
exemplo, variações de fibra, teor de folhas etc.
O acionamento hidráulico permite a
leitura da pressão de operaç ão em t empo real, o
que fornece a indicação precisa e instantânea do
torque aplicado em cada rolo. Isto possibilita o
uso desta informação na retroalimentação do
ajuste de velocidade de cada rolo de forma
independente.
O monit oramento do torque e a reação
rápida permite uma proteção muito efetiva de
sobrecargas, o que protege a moenda e o próprio
acionamento.
6. Referências bibliográficas
Abon, J.F. (1986). Utilisation of hydraulic
motors
for the individual drive of sugar cane
rollers. Their results after three sugar croups.
Proc. International Sugar Cane Tec hnol. 19: 850 859.
Muñoz, G. and Lewinski, J. (1996).
Analysis of the mechanical performanc e of a
sugarcane mill. Proc. Int ernational. Soc. Sugar
Cane Technol. 22: 342-349.
Kent, G.A. and McKenzie, N.J. (2001).
The distribution of torque in a three-roll mill. Proc.
Int. Soc. Sugar Cane Technol., 24: 220–225.
Vivas, A.L., Giron, J., Figueroa, F.,
Caicedo, G., Plata, A.M., Echeverri, L.F. and
Gomez, A.L.(1998). Performance of a last mill
with assist drive. Proc. Int. Soc. Sugar Cane
Technol.,23: 194–201.
Bosch Rexroth (2012). Engineering
manual Hägglunds Spider Control System EN7776 BR2012.
Lewinski, J; Grassmann, P and Kallin, T
(2013). Torque and Power Consumption in Four
Roll Sugar Mills. Factory Engineering P roc. Int.
Soc. Sugar Cane Technol., Vol. 28
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