Desenvolvimento de um sistema embarcado para o

XII Simpósio Brasileiro de Automação Inteligente (SBAI)
Natal – RN, 25 a 28 de outubro de 2015
DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA EMBARCADO PARA O MONITORAMENTO DA TENSÃO
DE TRAÇÃO EM ELEMENTO FIXADOR
SIDNEY CARLOS GASOTO1, LUCIANO ANTONIO MENDES1, RICARDO DIEGO TORRES2, CAMILA FERNANDES HIGA2
1.
Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Produção e Sistemas - PPGEPS, PUCPR
2. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica - PPGEM, PUCPR
R. Imaculada Conceição, 1155- Escola Politécnica - Bloco 2 - 2º Andar
Prado Velho - Curitiba - PR, CEP: 80.215-901
E-mails: [email protected], [email protected], [email protected],
[email protected]
Abstract This paper presents the development of an embedded data acquisition system and communication on a bolt fastener
and its try out testing in an iron ore retrieving machine. The sensing full bridge strain gauge and electronics have been located into
a specially designed cavity, opened from the bolt head. The designed system features a Modbus-RTU data communication interface, so that the instrumented bolts in a cabled network may be connected directly to a PLC. The collected data is sent to a monitoring software in which the traction force within each bolt can be analyzed in real time, improving the predictive maintenance
function. Development process details and preliminary field results at the ore mining company equipment are depicted. The instrumented bolt full measurement chain has been calibrated with a tensile strength testing machine. Operation efforts in three instrumented bolts installed at the iron ore retriever were correctly reported during tests, reflecting the measurements of additional sensors existent in the equipment.
Keywords Industrial Automation, Instrumented Bolt, Tractive Force Measurement in Bolts and Fasteners, Predictive Maintenance.
ResumoEste artigo apresenta o desenvolvimento de um sistema embarcado de comunicação e aquisição de dados sobre um
elemento fixador do tipo parafuso e sua aplicação em caráter de teste probatório a uma máquina recuperadora de minério de ferro.
O sensor extensométrico em ponte completa e a respectiva eletrônica associada foram inseridos em uma cavidade construída a
partir da cabeça do parafuso, incluindo a interface de comunicação de dados em protocolo Modbus-RTU, de forma que se possa
configurá-los em uma rede cabeada diretamente conectável a um CLP. As informações são enviadas a um software supervisório,
e a força de tração sobre cada parafuso pode ser analisada em tempo real, podendo ser usadas na programação de manutenção
preditiva. Detalhes do desenvolvimento e resultados preliminares em campo na empresa mineradora são apresentados. A cadeia de
medição completa do parafuso instrumentado foi calibrada em máquina de ensaio de tração. Esforços em três parafusos instrumentados instalados na recuperadora de minério em operação foram reportados corretamente em testes, refletindo as medições provenientes de outros sensores existentes no equipamento.
Palavras-chave Automação Industrial, Parafuso Instrumentado, Medição de Força de Tração em Parafusos, Manutenção Preditiva.
1. Introdução
minério’ da empresa Vale S/A, em Tubarão, ES, em
um projeto piloto de desenvolvimento.
Equipamentos e dispositivos de grande porte, como os
usados na indústria da mineração, estão sujeitos a
grandes esforços e, por vezes, se rompem levando a
acidentes potencialmente graves e à interrupção da
operação, podendo causar prejuízos econômicos e ambientais.
Uma leitura de dados é feita a cada intervalo de
um segundo, através da comunicação destes fixadores
com um CLP via protocolo Modbus-RTU (Modbus
Organization, 2012), uma solução tradicional na área
de automação e de fácil compatibilização com sistemas supervisórios. Resultados iniciais desta aplicação
empregando três parafusos são apresentados.
O monitoramento de componentes mecânicos sujeitos à fadiga ou a esforços extremos é objeto comum
de programas de manutenção e prevenção de acidentes
em máquinas industriais. Em muitos casos, entretanto,
não é possível implementar na prática uma solução
adequada devido à invasividade necessária para se obter informações, com possível comprometimento de
condições de garantia estabelecidas pelos fabricantes.
2. Contexto
Minério de ferro in natura é estocado a céu aberto em
pilhas, em aguarde para o carregamento em navios no
porto de Tubarão, ou como produto intermediário a ser
ainda beneficiado. O transporte deste material se dá
através de um complexo sistema de correias transportadoras interligadas dinamicamente para a correta destinação do minério.
Neste artigo, detalha-se a aplicação de medição
de esforços realizada em um fixador do tipo parafuso
M30 x 220mm. Este parafuso foi modificado para acomodar um extensômetro e a eletrônica associada para
o monitoramento da força de tração em condições de
operação. Um conjunto destes parafusos foi instalado
em um equipamento denominado ‘recuperadora de
Uma das recuperadoras que faz a transferência
das pilhas para o sistema de correias (RC01), Figura
1, possui um rolamento de giro de grandes dimensões,
Figura 2, que dá suporte à movimentação de uma
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𝐹 = 𝑘. (𝑙 − 𝐿)
lança, onde, em uma das extremidades está instalado
uma roda de caçambas, Figura 3, as quais giram recolhendo o minério de ferro a uma taxa aproximada de
6000 t/h (toneladas por hora), (Vale, 2015).
( 1)
Figura 4: Curva característica de tensão-deformação de um material. (o autor)
A lei de Hooke deixa de ser válida quando acontece a deformação, uma vez que o sólido não retorna
à posição inicial, (Howell, et al., 2009). Outra definição de interesse é o módulo de Young E (N/m²), onde
a força e o alongamento anteriores aparecem normalizados pela área da secção transversal e pelo comprimento inicial do corpo de prova do material ensaiado,
denominados de tensão 𝜎 (𝑁/𝑚²) e deformação
𝜀 (𝜇𝑚/𝑚) .
Figura 1: Máquina recuperadora de minério - Vale S/A (o autor)
Figura 2: Localização do rolamento de giro (o autor)
Este rolamento possui duas linhas de fixadores
(parafusos) que unem a base e a lança giratória, permitindo que a recuperadora alcance dois pátios adjacentes de estoque de minério. Estes parafusos são de
aço liga temperado e revenido, M30x220mm, classe
10.9. Eventualmente, estes parafusos sofrem ruptura
próximo da rosca, o que pode causar uma parada não
programada da máquina.
𝐸 =
𝑡𝑒𝑛𝑠ã𝑜
𝜎
=
𝑑𝑒𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎çã𝑜 𝜀
( 2)
3.2. Cavidade
O ponto de partida para implementar a solução proposta foi o dimensionamento de uma cavidade no parafuso para alojar o elemento sensor e a eletrônica embarcada, Figura 10. Estudos preliminares feitos por
Higa et al (2013), utilizando análise por elementos finitos demonstraram que a modificação necessária no
parafuso determina uma redução na sua capacidade de
resistência de uma ordem de grandeza aceitável, compensada em grande medida pelos benefícios proporcionados com o monitoramento contínuo do esforço sobre o fixador. A razão entre a área da secção transversal mínima com cavidade e a original nos parafusos
considerados aptos para esta aplicação é superior a
90%, tendendo para valores mais favoráveis à medida
que o diâmetro do fixador aumenta.
Figura 3: Roda com caçambas (o autor)
3. Desenvolvimento da Solução
Como pode ser visto na Figura 5, a cavidade foi
usinada no topo da cabeça do parafuso se estendendo
até o corpo.
Com a finalidade de monitorar e aprofundar o entendimento das causas do rompimento destes fixadores,
uma equipe multidisciplinar de pesquisadores da Pontifícia Universidade Católica do Paraná – PUCPR investiram no desenvolvimento de um sistema embarcado com características inovadoras, compatível com
as severas condições de trabalho do equipamento e
passível de ser incorporado ao parafuso.
3.1. Força de tração sobre um material
Sob esforço de tração, a deformação de materiais progride através das chamadas regiões elástica, segmento
AB, plástica, segmento BC e de ruptura, C, como mostrado na Figura 4 que ilustra uma curva tensão x deformação para um material genérico (Howell, et al.,
2009). A equação ( 1) generaliza a lei de Hooke para
a região elástica, onde 𝐹 é a força aplicada em Newton, 𝑘 uma constante em N/m, dependente da composição do material, e 𝑙 − 𝐿 𝑜𝑢 Δ𝑙 é o alongamento elástico, na direção da força, dado em metros.
Figura 5: Parafuso com cavidade utilizado nas simulações. (Higa,
et al., 2013)
Na Figura 6 tem-se a malha tetraédrica gerada
pelo software de simulação de elementos finitos, enquanto que na Figura 7 pode ser vista uma comparação
entre as distribuições de deformações, de onde se conclui que a cavidade construída não oferece alterações
significativas, sendo possível até mesmo conservar a
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classe do parafuso em muitas combinações de bitola e
material.
ou mais resistores, de forma a constituírem uma ponte
de Wheatstone completa, ou meia ponte, ou ainda resistores individuais. A Figura 8 apresenta o esquema
de fabricação de um extensômetro de folha e a Figura
9 apresenta um modelo de extensômetro em ponte
completa.
Figura 6: Malha tetraédrica para simulação (Higa, et al., 2013)
Figura 8: Esquema de confecção de um extensômetro (o autor).
Figura 9: Extensômetro em ponte completa (HBM Measurement
Technology, 1996)
Figura 7: Comparação do perfil de distribuição de deformações
entre um parafuso original (a) e outro idêntico com cavidade (b)
(Higa, et al., 2013)
Um extensômetro de folha em ponte de Wheatstone completa, quando tem os valores de resistência
dos seus strain gauges alterados em função da deformação, determinará uma diferença de potencial nos
terminais de saída da ponte (Zagato, 2006). Esta diferença de potencial pode ser expressa de forma simplificada como:
3.3. Extensômetro
Conforme exposto em Medeiros (2007) a resistência
elétrica de um fio com comprimento ‘𝑙’, área transversal ‘A’ e resistividade do material ‘𝜌’ é dada por:
𝑅= 𝜌∗
𝑙
𝐴
( 3)
𝑉𝑜 =
Então, quando um fio é tensionado longitudinalmente, dentro da região elástica, as variáveis relacionadas com o comprimento, a área e a resistividade mudam, desta forma a resistência também muda, o que
resulta na diferencial:
𝑑𝑅 𝑑𝜌 𝑑𝑙 𝑑𝐴
=
+ −
𝑅
𝜌
𝑙
𝐴
𝐹
𝑑𝑙
=𝐸∗𝜀 =𝐸∗
𝐴
𝑙
3.5. Amplificador de Instrumentação
( 4)
O sinal em tensão proporcionado pela ponte de Wheatstone, por ser tipicamente de valor muito baixo e diferencial, requer um amplificador de instrumentação.
Este tipo de amplificador é composto, geralmente, por
três amplificadores operacionais. Componentes comerciais, como os da série INA, possuem a montagem
completa do amplificador de instrumentação, incluindo os amplificadores e todos os resistores do circuito, construídos e calibrados para garantir o perfeito
equilíbrio do sistema, obtendo, assim, excelente desempenho, conforme pode ser visto em Texas Instruments Incorporated (2008a).
( 5)
Sendo ‘𝜎’ a tensão mecânica, ‘𝐸’ o módulo de
Young e ‘𝜀’ a deformação mecânica, usualmente dada
em microstrain (1µ𝜀 = 10−6 𝑚).
A relação entre o comportamento do strain-gauge
e a deformação mecânica é representada pela equação:
𝐺𝐹 =
∆𝑅/𝑅𝑜
𝜀
( 7)
Onde 𝑉𝑜 é a tensão de saída da ponte, 𝑉 é a tensão
de alimentação, ∆𝑅 é a variação da resistência, 𝑅 a resistência inicial do extensômetro, 𝐾 o fator gauge e 𝜀
a taxa de deformação.
Por outro lado, pela lei de Hooke:
𝜎=
𝑉. ∆𝑅 𝑉
= 𝐾𝜀
4𝑅
4
( 6)
4. Sistema Embarcado
Normalmente, o valor para GF é próximo de 2
para os aços.
4.1. Eletrônica
3.4. Extensômetro de folha
O sinal proveniente do extensômetro é levado a um
condicionador de sinais formado por um amplificador
de instrumentação, (Texas Instruments Incorporated,
2008b), um filtro analógico passa baixa do tipo RC,
𝑓𝑜 = 100𝐻𝑧, então repassado ao conversor AD de 12
bits de resolução interno a um microcontrolador de 16
bits, RL78/G1A, (Renesas Electronics Corporation,
De acordo com Andolfato, Camacho & Brito (2004),
os extensômetros atualmente comercializados possuem construção baseada em uma fina camada de um
polímero isolante, onde é depositada uma camada de
material metálico, comumente ligas de cobre e níquel,
também muito fina, e nesta camada é construído um
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XII Simpósio Brasileiro de Automação Inteligente (SBAI)
2013). Uma porta de comunicação serial é responsável
por enviar os dados obtidos da conversão. Tensões de
referência são usadas nos ajustes de zero e span do
sensor, com a calibração sendo feita diretamente através da interface de comunicação Modbus-RTU.
Média das leituras (kN)
500
400
300
200
100
0
4.2. Software embarcado
O software gravado na memória flash do micro controlador foi escrito em linguagem C. A filtragem digital de sinal, a linearização da curva de resposta e a
montagem do pacote de dados são implementados em
funções que são chamadas a partir da rotina principal
do aplicativo.
0
100
200
Parafuso 1
300
Parafuso 2
400
500
Parafuso 3
Figura 12: Gráfico média das leituras dos ensaios (o autor)
Na Figura 13 é possível observar os erros percentuais de cada parafuso de onde se constata o erro nos
menores valores lidos abaixo de 2% e nos maiores,
abaixo de 1%, caracterizando um dispositivo adequado não só para monitorar o aperto de parafusos,
mas também para obter o valor exato da pressão aplicada.
4.3. Construção do protótipo
Uma vez concluído os estudos referentes ao projeto,
protótipos, com o objetivo de validar a proposta, foram fabricados com parafusos M30, sem necessidade
de alteração de classe.
Erro de Leitura (% F.E.)
2.5
2
1.5
1
0.5
0
Figura 10: Cavidade construída no fixador (o autor)
O extensômetro foi instalado no fundo da cavidade d2, enquanto que a placa de circuito impresso
contendo os componentes foi instalada na cavidade
d1, Figura 10. O subconjunto de componentes embarcados, incluindo a eletrônica e o extensômetro, pode
ser visualizado na Figura 11.
100
Parafuso 1
200
300
Parafuso 2
400
Parafuso 3
Figura 13: Gráfico de comparação do erro de leitura (o autor)
5.2. Instalação dos protótipos no equipamento
Depois de uma operação de campo para a instalação na máquina, conexão a um CLP existente e configuração de parâmetros, um sistema supervisório passou a receber os dados enviados pelos parafusos. Um
instantâneo do supervisório é mostrado na Figura 14,
onde é possível ver as informações referentes aos parafusos e compará-los qualitativamente com a informação obtida de um sistema de pesagem dinâmica instalado na esteira transportadora, a alguns metros da
roda de caçambas.
Figura 11: Montagem final dos componentes eletrônicos (o autor)
5. Resultados
5.1. Ensaios e calibração
Os protótipos foram levados à Máquina de Ensaio Estático Hidráulica Versat 1000 kN, fabricante Panambra Zwick Comércio de Máquinas e Equipamentos
Ltda., a qual é certificada pelo INMETRO, Certificado de Acreditação nº 0271. Depois de calibrados foram executados ensaios consecutivos e retirado a média das leituras e pela Figura 12 pode se verificar a
linearidade das respostas.
É possível verificar a pré carga presente em cada
parafuso. Valores acima desta pré carga acompanham
os valores de pesagem, refletindo os esforços sobre
um dos parafusos. Em dois dos parafusos não se detecta sobrecarga, o que indica que a máquina não teve
demanda de esforços resistentes naquelas posições no
período de captura de dados considerado. Estes parafusos poderão reportar esforços importantes sob determinadas condições, tais como movimentação da máquina, sob efeito de ventos laterais ou, ainda, quando
houver a falha de parafuso adjacentes dentro de um
raio de influência, que lhes causem aumento na précarga.
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Figura 14: Instantâneo do software supervisório
No presente caso, a própria instalação dos parafusos propiciou ainda uma informação relevante sobre o
processo de aperto dos parafusos: apesar de terem recebido o mesmo torque de aperto, os esforços de précarga medidos nos três parafusos foram significativamente diferentes (100, 130 e 400kN). Tal diferença
tem sua causa facilmente identificada na impossibilidade de se estabelecer condições de atrito iguais em
cada colocação de parafuso, demonstrando uma imprecisão no processo mecânico.
6. Discussão
Nos poucos trabalhos encontrados que tratam sobre
instrumentação de elementos fixadores, não foram
apresentadas informações sobre a implementação de
protótipos e/ou de resultados obtidos, dificultando
comparações com os resultados iniciais deste desenvolvimento.
Os resultados obtidos são preliminares, mas servem como uma prova de conceito. O desenvolvimento
da solução pesquisada atingiu o objetivo principal,
capturar dados do esforço de um elemento de fixação
em operação. Estes dados podem ser convertidos em
informações úteis variadas de grande utilidade para
programas de manutenção preventiva de equipamentos. Além de proporcionar uma informação direta sobre a sanidade dos próprios fixadores instalados em
rede, o sistema de monitoramento permite inferir sobre aquela de elementos adjacentes que co-suportam
esforços no mesmo equipamento.
O conceito de parafuso instrumentado desenvolvido foi objeto de pedido de privilégio de patente de
invenção junto ao INPI-BR (Ganassali, et al., 2014).
A adequação do projeto para a industrialização de produtos derivados do conceito, em diferentes configurações de fixadores, com alto grau de customização em
função das aplicações, está sendo atualmente conduzida em uma bem-sucedida cooperação universidadeindústria.
7. Conclusões
Os parafusos monitorados refletem constantemente o nível de solicitação do subsistema do rolamento de giro durante a operação do equipamento em
graus variados de produtividade. A correlação esperada com outras variáveis de comportamento monitoradas no mesmo equipamento permite análises avançadas, com a combinação de múltiplos sinais que permitem um acompanhamento superior da condição de
máquina.
O desenvolvimento apresentado neste artigo demonstrou a viabilidade do uso de um sistema eletrônico embarcado, inclusive da interface de comunicação, no
monitoramento de forças em fixadores. Estes fixadores encontram aplicações as mais variadas no parque
industrial, particularmente no monitoramento de sanidade de equipamentos, favorecendo sobremaneira a
sua manutenção preditiva. As alterações necessárias
na estrutura dos fixadores roscados considerados (parafusos) não implicam perda importante na capacidade nominal acima de uma bitola mínima.
Por exemplo, alterações progressivas nos esforços historicamente reportados pelos parafusos instrumentados sem a correspondente variação em outro parâmetro de influência podem dar indícios de que um
dano gradual esteja ocorrendo. Sistemas de inteligência artificial podem ser alimentados com séries históricas de modo a detectar condições anormais e disparar alarmes.
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Zagato, E. F., 2006. [Online] Available at:
http://www.livrosgratis.com.br/arquivos_livros/c
p037402 .pdf [Acesso em 18 07 2014].
8. Agradecimentos
Expressamos aqui nossos agradecimentos à Pontifícia
Universidade Católica do Paraná e à Vale S/A, em especial ao Eng. Arthur Alcoforado, que não mediu esforços em colaborar com a instalação e envio dos relatórios sobre o projeto.
9. Referências Bibliográficas
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Ganassali, G. J. et al., 2014. Fixador monitorado
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Higa, C. F., Mendes, L. A., Torres, R. D. & Gasoto, S.
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