Mecatrônica Atual 50

Transcrição

conectividade
Março/Abril 2011 :: Mecatrônica Atual
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17
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Editora Saber Ltda
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Hélio Fittipaldi
www.mecatronicaatual.com.br
Editor e Diretor Responsável
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Mecatrônica Atual é uma publicação da
Editora Saber Ltda, ISSN 1676-0972. Redação,
administração, publicidade e correspondência:
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03087-020, São Paulo, SP, tel./fax (11) 2095-5333
Editorial
Nesta edição tratamos, entre outros artigos, sobre
a “Medição de Vazão – 3ª Grandeza mais Medida
nos Processos Industriais”. Avança em nosso país a
implantação das indústrias que podem utilizar muito
a medição de vazão, seja em estações de tratamento
de água em residências, indústria alimentícia de refrigerantes, cervejas, sucos, leite até a medição de gases
industriais e combustíveis.
A tendência nos próximos anos é crescer muito a
Hélio Fittipaldi
produção de álcool, e com o pré-sal os combustíveis
de origem fóssil. Assim, este artigo mostra um pouco desta área, contando rapidamente a história, sua importância na automação, controle de processos e os avanços
tecnológicos.
Estamos em alerta para apresentarmos matérias em todas essas áreas, que podem
auxiliar os nossos leitores nos desafios do dia a dia. Para tanto, pesquisamos o mercado frequentando feiras e eventos menores onde possamos encontrar novos produtos,
softwares e serviços.
Em nossa página de notícias desta edição, mostramos as novas instalações da Jomafer
em Guarulhos - São Paulo (www.jomafer.com.br), onde temos a prestação de serviços
de corte a laser e a água. Pode parecer que o corte a água não tem muito mistério,
mas muitas peças em aço precisam ser cortadas em chapas com até 300 milímetros
de espessura e a precisão, rapidez e qualidade, só esta máquina pode fazer o serviço
desejado, devido aqui no Brasil.
Não deixe de acompanhar a série de artigos sobre o primeiro e-Kart totalmente
movido a eletricidade com KERS e controle de tração eletrônico, na revista Saber
Eletrônica (www.sabereletronica.com.br).
É o mesmo sistema utilizado pelas montadoras, nos carros híbridos que já estão
circulando em nossas ruas. Este sistema da Infineon é uma família com várias capacidades, servindo para controlar robôs, talhas, empilhadeiras, automóveis, carrinhos
elétricos de transporte, próteses humanas de pé, perna, braço, etc... Ah! O projeto é
totalmente aberto com software open source.
Submissões de Artigos
Artigos de nossos leitores, parceiros e especialistas do setor, serão bem-vindos em nossa revista. Vamos
analisar cada apresentação e determinar a sua aptidão para a publicação na Revista Saber Eletrônica. Iremos
trabalhar com afinco em cada etapa do processo de submissão para assegurar um fluxo de trabalho flexível
e a melhor apresentação dos artigos aceitos em versão impressa e online.
Atendimento ao Leitor: [email protected]
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dos textos e ilustrações desta Revista, bem como a industrialização e/ou comercialização dos aparelhos ou idéias
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todos os cuidados razoáveis na preparação do conteúdo desta Revista, mas não assumimos a responsabilidade
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ou desenho, será publicada errata na primeira oportunidade. Preços e dados publicados em anúncios são por
nós aceitos de boa fé, como corretos na data do fechamento da edição. Não assumimos a responsabilidade por
alterações nos preços e na disponibilidade dos produtos ocorridas após o fechamento.
índice
20
13
18
20
44
28
34
40
44
Editorial
Eventos
Notícias
Medição de Tensões Mecânicas
por Métodos Não Destrutivos
O que é a Tecnologia
de Tempo Real?
Medição de Vazão - a 3ª
Grandeza Mais Medida nos
Processos Industriais
Entendendo as Reflexões
em Sinais Profibus
Controladores de
temperatura PID
Modulação PWM nos
Inversores de Frequência
Identificação de Sistemas na
Otimização do Controle de
Nivel em Regime Não Linear
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literatura
Este livro tem o propósito de servir de livro-texto básico para diversos tipos
de cursos na área de Eletrônica Digital, seja no contexto de graduação, licenciatura, tecnologia ou em cursos de pós-graduação. A estrutura dos assuntos
em dez capítulos e dois apêndices procurou seguir a natural organização
de uma nova técnica de ensino de Lógica Programável, que, em relação ao
ensino da tradicional Eletrônica Digital, não se alterou com o tempo. Somente
foram introduzidos novos conceitos de projeto, simulação e teste de circuitos
digitais com a linguagem VHDL, parecendo ser, por isso, uma metodologia
apropriada, inclusive, permitindo ainda que o livro possa ser utilizado até
mesmo para estudos individuais por principiantes.
Esta obra apresenta de forma didática os conceitos necessários para o leitor
aprender como projetar e configurar sistemas digitais simples ou complexos
como processamento de sinais DSP com dispositivos PLDs (FPGA e CPLD),
aplicando lógica programável com VHDL.
Elementos de Lógica Programável com VHDL e DSP
Autores: Cesar da Costa, Leonardo Mesquita e
Eduardo Pinheiro
Preço: R$ 112,00
Onde comprar: www.novasaber.com.br
eventos
Junho
Norma IEC 61131-3 para
Programação de Controladores
Organizador: ISA – Distrito 4 (América
do Sul)
Data: 07 e 08
Local: Hotel Mercure Times Square – Av.
Jamaris, 100 - Moema – São Paulo/SP
www.isadistrito4.org.br
Autocom 2011
Organizador: Maxprint
Data: 07, 08 e 09
Local: Expo Center Norte, Rua José
Bernardo Pinto, 333 - Pavilhão Verde - São
Paulo/SP
www.ciab.org.br
Expedition 2011: Brasil, o clique da
vez.Você está pronto?
Organizador: Agis Distribuição
Data: 09
Local: Plazza Mayor – Rua Coronel
Fernando Prestes, 278 - Santo André/SP
www.agisexpedition.com.br
Pavilhões Internancionais tem
destaque na Brasil OffShore 2011
Organizador: Brasil OffShore
Data: 14 a 17
Local: Centro de Exposições Jornalista
Roberto Marinho - Rod. Amaral Peixoto,
km 170 – São José do Barreto - Macaé/RJ
www.brasiloffshore.com
Conferência Intenancional da Brasil
Offshore 2011
Abertura dia 14 de junho, horário 16
horas.
Data: 15 a 17
Local: Centro de Exposições Jornalista
Roberto Marinho - Rod. Amaral Peixoto,
km 170 – São José do Barreto - Macaé/RJ
www.brasiloffshore.com
XXI CIAB - Congresso e Exposição
de Tecnologia da Informação das
Instituições Financeiras
Organizador: Federação Brasileira de
Bancos
Data 15, 16 e 17
Local: São Paulo/SP
Informações: www.ciab.org.br ou
www.febraban.org.br
EFD (PIS/CONFINS Novo X
DACON Mensal ( versão 2.4)
Organizador: edukaBRASIL
Data: 20
Local: Espaço T&D Paulista – Alameda
Santos, 1893 - 1º andar – São Paulo/SP
www.anaabreu.com.br
Sintonia de Malha de Controle
(PID)
Organizador: ISA – Distrito 4
Data: 20 a 22
Local: Hotel Mercure Times Square – Av.
Jamaris, 100 - Moema – São Paulo/SP
www.isadistrito4.org.br
Entelco Telecon
Organizador: Mikro Tik MTCNA I
Data: 27 e 28
Local: Hotel Manibu – Recife/PE
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//notícias
JOMAFER inaugura nova sede e novo
serviço de corte a laser de tubos
Neste ano em que completa 33 anos de fundação, a Jomafer
inaugura nova sede em Guarulhos – São Paulo. A reportagem
da revista Mecatrônica Atual foi especialmente convidada pelo
seu diretor José Mário para registrar este novo marco da vida
da empresa.
Atendendo os segmentos de máquinas e equipamentos em
geral, implementos agrícolas, rodoviários, informática, construção civil, concreto pré-moldado, arquitetura, comunicação
visual e design, a Jomafer vem investindo, ao longo desses anos,
em tecnologia avançada e mão de obra selecionada.
Em 1978 foram iniciadas as atividades da empresa com os
serviços de corte e dobra de perfis especiais. Nos anos seguintes
os investimentos foram direcionados para oferecer ao mercado,
serviços com soluções em cortes de chapas.
O programa de modernização em 1995 foi concentrado na
importação de dobradeiras e guilhotinas CNC. Nos últimos
13 anos a Jomafer teve a certificação ISO 9000 renovada periodicamente, e no novo século entrou em atividade o serviço
com Puncionadeira CNC, onde começou a produzir peças com
furações e detalhes geométricos.
Em 2001, passou a oferecer serviço de corte com jato de água
de alta pressão, sendo a única empresa da América do Sul com
a máquina que corta chapas de aço de 300 milímetros, materiais
compostos e não metálicos. Possui também as máquinas para
corte a LASER para peças com geometrias complexas e bom
acabamento.
Com a nova planta inaugurada agora, entra também um
novo serviço à disposição dos clientes que é o corte a LASER
de tubos, seguido nos próximos meses também ao serviço de
curvamento dos mesmos. Assim, a empresa vem acompanhando
a evolução do mercado brasileiro e sempre com a utilização de
equipamentos de última geração para ter o melhor TCO. Saiba
mais em www.jomafer.com.br
2011 :: Mecatrônica Atual
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//notícias
Acionamentos de alto desempenho
para instalações portuárias
Diante de um fluxo incessante de cargas com várias toneladas, os acionamentos das pontes rolantes portuárias estão sob
constante pressão. Os usuários necessitam e exigem soluções
confiáveis que proporcionem uma dinâmica excelente, precisão
de posicionamento, e uma eficiente relação custo/benefício. Deste
modo, os motores da ponte rolante e dos trolleys utilizados em
gruas de estaleiro ou terminais de contentores requerem sistemas mecânico e eletrônico especializados e adequados a esta
exigente área de aplicação.
As pontes rolantes desempenham um trabalho simples: elas
transportam uma carga de um local específico para outro. A fim
de realizar de forma confiável e garantir um nível de precisão
suficiente durante a operação, elas dependem de um acionamento
que foi idealmente adaptado para esta tarefa.“As pontes rolantes
são equipadas com motorredutores com freios integrados. Estes
são combinados com inversores de frequência para um perfil de
controle de aceleração e velocidade centralizado”, explica João
de Souza Moreira, Diretor Geral da Nord Drivesystems Brasil.
Uma vez que as pontes rolantes portuárias manuseiam cargas
extremamente grandes, seus motorredutores são desenvolvidos
para suportar elevadas forças radiais e axiais. Elas também disponibilizam um conjunto de funções especiais: permitem uma partida
suave com alto torque de partida, garantem movimentações
virtualmente sem choques, facilitam a sincronização de diversos
acionamentos, oferecem funções poderosas de elevação, e permitem eficiente frenagem regenerativa via rampas parametrizáveis.
Depois que um fabricante decide por uma pré-seleção de acionamentos, nós sugerimos faixas de potência de acordo com as
especificações do cliente, refere João de Souza Moreira.
Motorredutores sob cargas extremas
Para este propósito, a NORD pode especificar e fornecer
motorredutores com eixo helicoidal e inversores de frequência produzidos pela própria empresa. Os motorredutores
para pontes rolantes e trolleys aplicam-se em faixas de
desempenho de até 160 kW com uma grande variedade de
relações de transmissão.
Disponível em designs de duas ou três fases com eixo
vazado ou sólido, os usuários podem escolher entre modelos
com uma base de suporte, modelos com flange e modelos
montados no eixo. Todos os modelos são equipados com o
mesmo corpo, com economia de espaço que permite uma fácil
integração. Motores utilizados em pontes rolantes e trolleys
costumam operar ininterruptamente em portos muito ocupados. No entanto, se o volume de negócios diminui devido
às condições de mercado, algumas instalações de carga podem
ficar paradas por longos períodos de tempo. A norma de
construção dos motores deve, obviamente, assegurar que a
operação normal pode ser diretamente retomada após cada
paralisação prolongada.Além desses fatores de carga em constante alteração, as recorrentes condições climáticas rigorosas
e as temperaturas extremas, bem como a água salgada em
ambientes marítimos, requerem um material anti corrosão
adequado a longo prazo. Se necessário, os motorredutores da
NORD estão disponíveis com proteção IP55 ou IP66. Todos
os modelos também estão disponíveis nas versões ATEX.
Produtos
UMC3000: Sensor com superfície em
metal para sensoriamento direto
O sensor à prova de água cumpre os requisitos IP68/69k
O novo UMC3000 eleva o desempenho do sensor ultrassônico
em ambientes rigorosos para um nível completamente novo.
A caixa sem soldagem, em 100% aço inoxidável e o sistema de
cabos com resistência química permitem a monitorização e o
controle ultrassônicos em áreas anteriormente consideradas
impossíveis de solucionar. Dois conceitos de caixas solucionam
uma variedade de aplicações.
Um tubo com design sem soldas, próprio para produtos alimentares, cumpre as rigorosas normas do setor alimentar e das
bebidas, enquanto um modelo roscado, com 30 mm de diâmetro
é particularmente adequado para máquinas agrícolas e outras
instalações exteriores. A indicação LED para presença de alvo e
alimentação é equipamento de série em todos os modelos.
Resumo das principais características:
• Design completamente selado cumpre as normas IP 68/69K;
• Superfície e cano sensores em aço inoxidável (Grau: 1.4404
(V4A, AISI 316L);
• Amplitude do sensor totalmente ajustável de 200 a 3000 mm;
• Modelos de saída analógicos e de parâmetros configuráveis;
• Cumpre as diretrizes da EHEDG* «Hygienic Design».
*EHEDG: European Hygienic Engineering & Design Group
(Grupo europeu de engenharia e design higiênicos)
Portugal
Sales Department
tel: +349 4 4535020
fax: +349 4 4535180
[email protected]
Alemanha
SCHMITT Irmtraud
tel: +49 621 776-1215
fax: +49 621 776-2505
[email protected]
Mecatrônica Atual :: 2011
13/6/2011 11:19:38
//notícias
Entrevista:
João de Souza Moreira, da
NORD Drivesystems
A NORD Drivesystems persegue um objetivo
ambicioso:“Gostaríamos de ver, pelo menos, uma
ponte rolante em cada um dos principais portos
mundiais equipada com as nossas soluções de
acionamento”, refere-se João de Souza Moreira
(CEO).
Pergunta: Quais são os desafios especiais enfrentados na seleção do sistema
mecânico e eletrônico dos motores para
pontes rolantes instaladas em estaleiros
ou terminais de contentores?
João de Souza Moreira: Os sistemas de
acionamentos utilizados nas pontes rolantes e
nos trolleys têm de incluir um design robusto,
Pontes rolantes em estaleiros, containers e outras instalações portuárias exigem
serem resistentes ao desgaste e possuir caracsistemas de acionamentos mecânico e eletrônico altamente confiáveis.
terísticas, tais como excelente dinâmica e movimentos precisos. Simultaneamente, os usuários
procuram também um custo total econômico.
Para os construtores e operadores de pontes rolantes, obEstão disponíveis vários modelos de inversores de frequência
ter soluções completas de fornecedores especializados é o
com um desempenho de até 160 kW que possibilitam funções como
caminho mais fácil para satisfazer estas exigências.
partida suave, frenagem regenerativa, o funcionamento sincronizado
As pontes rolantes são comparáveis com máquinas
e a elevada precisão de posicionamento. Além disso: criamos um
de série ou máquinas para fins especiais?
novo microsite dedicado a soluções de acionamento para aplicações
JSM: Na medida em que se possa fazer essa comparação,
de pontes rolantes em www.cranes.nord.com.
existem apenas alguns fabricantes de pontes rolantes que
Além dos terminais de containers, quais são as aplicaconstroem uma ponte rolante gigante ship-to-shore por dia.
ções típicas para pontes rolantes equipadas com acionaLogo, a construção de pontes rolantes pode ser comparada
mentos NORD?
a fabricação de máquinas modulares com finalidades especiais
JSM: As pontes rolantes industriais são utilizadas, por exemplo,
- e as nossas soluções de acionamentos são uma ótima corem fundições, em fábricas de construções em aço, na construção
respondência para estas aplicações.
de navios, centrais elétricas e engenharia pesada. Os tipos menores
A NORD é um fornecedor especializado em sistetambém são utilizados em oficinas. Atulamente, existem aproximas de acionamento para pontes rolantes. Em que
madamente 700 construtores de máquinas que fabricam pontes
consistem estes pacotes completos?
rolantes. Desses, cerca de 15 constroem pontes rolantes portuárias
JSM: Fornecemos uma tecnologia de acionamento
gigantes.
confiável e com eficiente relação custo/benefício para todos
os tipos e tamanhos de pontes rolantes e trolleys. A nossa
vasta gama de produtos mecânicos, elétricos e eletrônicos
nos permite criar soluções de acionamentos a partir de uma
única fonte. Os produtos com proteção IP55 e IP66, bem
como as versões protegidas contra corrosão e pó com um
revestimento especial, garantem uma elevada proteção e um
maior tempo de vida útil mesmo sob condições ambientais
rigorosas e durante longos períodos de parada, como acontece no funcionamento sazonal.
13/6/2011 11:19:46
//notícias
Investimentos no Brasil são
prejudicados pelos custos
da energia elétrica
Os altos custos da energia elétrica no Brasil atrapalham
as indústrias de alumínio que reduziram em 10% a capacidade produtiva no país nos últimos seis anos.“Fábricas de
outros setores de uso intensivo de energia também estão
fechando as portas”, afirma o coordenador da Comissão
de Energia da Associação Brasileira da Indústria de Alumínio (Abal), Eduardo Spalding, que participou do seminário
Energia Elétrica: Fator de Competitividade da Indústria,
realizado em março pela Confederação Nacional da Indústria (CNI) em parceria com a Associação dos Grandes
Consumidores Industriais de Energia e de Consumidores
Livres (Abrace).
De acordo com Spalding, os custos da energia praticamente dobraram nos últimos seis anos e hoje o Brasil tem
a terceira tarifa mais cara do mundo.“Isso inibe investimentos e, se nada for feito, nos próximos dez anos haverá um
aumento de mais de 20% no custo da energia industrial”,
informou. Ele destacou que o custo de produção de uma
tonelada de alumínio alcançava US$ 1.069 em 2003, e a
conta de energia representava 33% desse total. Em 2008,
o custo de produção saltou para US$ 1.991 a tonelada, em
que 44% representavam os gastos com energia.“O preço
da energia condena de forma inexorável a indústria”, diz
Spalding, que também integra o Conselho Temático de
Infraestrutura da CNI.
Segundo o presidente da Abrace, Paulo Pedrosa, além
de contribuir para o fechamento de empresas no país,
os elevados custos da energia elétrica comprometem o
emprego e a renda dos brasileiros.Também pressionam a
inflação e prejudicam as exportações. “Todas essas variáveis têm uma correlação muito grande com o preço de
energia”, completou Pedrosa.
Para o presidente, o primeiro passo para a redução
da tarifa é retirar a carga tributária e os encargos, que
representam mais de 50% dos valores cobrados dos
consumidores de energia. O presidente da Abrace acrescentou que os custos dos programas sociais não devem ser
repassados às contas de luz, mas absorvidos pelo orçamento da
União. “Isso seria benéfico para o próprio governo, que poderia
aumentar a arrecadação a partir de um crescimento do Produto
Interno Bruto (PIB).”
Considerada pela CNI como um dos pilares da competitividade, a desoneração tributária e de encargos das tarifas de energia
é a principal proposta do estudo Efeitos do Preço da Energia no
Desenvolvimento Econômico – Cenários até 2020, feito pela
Fundação Getúlio Vargas (FGV) em parceria com a Abrace. De
acordo com o coordenador do Projeto Energia Competitiva da
FGV, Fernando Garcia, com a desoneração das tarifas, o Brasil
10
Estudo confirma que a desoneração das tarifas melhora a competitividade
da indústria e aumenta o ritmo de crescimento da economia
pode crescer mais e acrescentar R$ 695 bilhões ao PIB até 2020.
“Isso representa economia do tamanho da África do Sul e três
vezes a do Chile”, informou Garcia.
Segundo ele, o custo de energia no Brasil cresceu mais
rapidamente do que no resto do mundo e isso trouxe graves
consequências à balança comercial. “De exportador de alguns
produtos, como material de construção, passamos a ser importadores, e hoje acumulamos um déficit de US$ 3 bilhões.
Para conviver com uma taxa de câmbio valorizada, precisamos
tomar outras providências para reduzir os custos e aumentar a
competitividade.” conclui.
13/6/2011 11:19:53
//notícias
Nova geração de computadores
industriais embedded com
processadores Intel® Atom™ D525/
D425 e interface de display integrado
A Advantech (2395.TW) tem a satisfação de anunciar o
sistema ARK-1503, um IPC embutido, compacto, sem ventilação forçada, equipado com o processador Intel® Atom™
D525/D425, com suporte DDR3 e interface com display integrado. Ele permite uma maior economia de energia, enquanto
proporciona alto desempenho e uma grande capacidade de
E/S (I/O). Oferece duas opções de conexão do monitor de
toque, dependendo da aplicação em particular: I-Panel link ou
Golden Finger. Uma tecnologia com design inteiramente novo
simplifica as suas integrações de aplicação, através de soluções
fáceis – ideais para aplicações no controle de automação de
máquinas, em fábricas e quiosques.
Equipado com os mais recentes processadores single core
(D425) e dual core Intel® Atom™ (D525), com memória DD3
de até 2 GB (D425), e 4 GB (D525). Com controladores de
memória e gráficos integrados, estes processadores proporcionam velocidades de renderização de núcleo de gráficos de
200 a 400 MHz, enquanto mantêm uma excelente eficiência
energética.
Além de velocidades mais altas e de um menor consumo de
energia, o ARK-1503 também apresenta um design low profile
(230,6 x 133,0 x 44,4 mm), e proporciona grandes recursos de
I/O. Possui portas seriais 1 x RS-232, 1 x RS-232/422/485, com
controle de auto fluxo, 4 x hi-speed USB 2.0, 2 x Giga-LANs, DIO,
line-out e LVDS. E o slot de expansão do módulo de comunicação
1 x Mini PCIe embutido suporta um soquete CF externo e um
HDD SATA 2,5”. O ARK-1503 também suporta uma ampla
temperatura de operação de -20 ºC a 60 ºC.
Design de Interface com Display Integrado:
I-Panel Link e Golden Finger
O ARK-1503 com interface de enlace I-Panel integra LVDS,
USB, sinais de tx/rx, áudio e de corrente CC, através de um
conector SCSI DB36, de forma que um único cabo suporta um
painel de toque com energia, vídeo, áudio e info de toque. E a
opção alternada golden finger , com 164 pinos, transporta tudo
incluindo alimentação, vídeo (LVDS HDMI), áudio, USB, COM e
sinalização em painel de toque; suporta um monitor de toque
ITM através de acoplamento direto via golden finger, sem absolutamente nenhum cabo, embora o sistema e o monitor possam
ser atualizados de forma independente, para maior flexibilidade,
melhor estabilidade e fácil instalação.
O ARK-1503 estará disponível no final de abril; por favor entrar em contato com o seu representante de vendas local. Para
maiores informações sobre o produto, visite o nosso site na Web:
www.advantech.com/applied-computing-systems/embedded-computer/default.aspx
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13/6/2011 11:20:00
//notícias
ABB fortalece sua presença junto
ao mercado Naval no Brasil
A ABB, grupo líder em tecnologias de potência e automação,
planeja fortalecer seus negócios na área Naval no Brasil com o
objetivo de atender de forma mais eficaz ao crescente mercado
da América Latina.
A América Latina tornou-se rapidamente um mercado
estratégico para a área de negócios Marine (Naval) da ABB.
Planos futuros incluem o estabelecimento de uma nova fábrica
de unidades de propulsores do tipo Azipod® C - Compacto,
um centro de serviços marítimos e um centro especializado
em unidades Azipod®, que vão auxiliar a ABB a servir ao rápido
crescimento da indústria de construção naval do Brasil, cumprindo os requisitos de conteúdo local.
“As soluções inovadoras e os produtos de qualidade da ABB
conquistaram nossa posição de liderança nos segmentos de
navio de alto valor agregado, como navios-sonda, plataformas
de perfuração semi-submersíveis, navios de apoio offshore e
navios-tanque”, disse André Luiz Silva - Gerente da unidade
de negócios Marine & Cranes no Brasil. “Nosso portfólio se
encaixa bem nos planos e desenvolvimento da indústria naval
brasileira, e os investimentos previstos pela ABB demonstram
nosso compromisso e confiança no mercado local. Acreditamos
que isso irá nos proporcionar um posicionamento preferencial
no fornecimento de propulsores para as 28 unidades de naviossonda da Petrobras”, comenta André.
Várias regiões foram avaliadas para sediar a nova fábrica
do Azipod®, incluindo Pernambuco, Santos e Rio de Janeiro,
mas a decisão final ainda está pendente. A fábrica planejada
terá capacidade de produção anual de mais de 30 unidades
do Azipod®. O cronograma das obras permitirá a entrega dos
propulsores, em tempo hábil, para as unidades de perfuração
da Petrobras no Brasil.
Um centro de serviços no Brasil também faz parte dos
planos para 2014. Terá profissionais dedicados e especializados
em serviços para as unidades do Azipod®, além de uma oficina
com ferramentas especiais para os serviços de manutenção e
reformas. Esse centro de serviços também fornecerá peças
sobressalentes ao mercado local.
A ABB (www.abb.com) é líder em tecnologias de potência e de automação que proporcionam aos seus clientes
dos setores industriais e de concessionárias a melhoria de sua
performance enquanto reduzem seus impactos ambientais. O
grupo ABB opera em cerca de 100 países e emprega em torno
de 124.000 funcionários.
Para obter mais informações, contate a ABB:
Iracema Carvalho - [email protected]
tel.: (11) 3082-3977 – ramal 30
Paulo Pires - [email protected]
tel.: (11) 3082-3977 – ramal 28
12
Redução Sistemática de
Custo de Energia
Como um fornecedor completo, a Endress+Hauser oferece
não só um sistema de monitoramento eficiente de energia em
conformidade com EMAS, ISO 1400 e EN16001, mas também o
respectivo hardware e software e apoio a projetos profissionais.
Equipes reúnem know-how muldialmente em áreas como gerenciamento de energia e dados operacionais, eficiência energética,
comunicação e sistemas de barramento, bem como engenharia
de automação.
A Endress+Hauser possui um dos maiores portfólios de produtos e serviços em tecnologia de medição industrial, mas, seu
valor só pode ser acessado por meio da visualização e análise dos
dados de energia obtidos.A Endress+Hauser oferece às empresas
a possibilidade de implementar um sistema de monitoramento
automático de energia que permite uma visão clara do consumo.
Assim, o usuário pode:
• Monitorar o consumo de energia;
• Reduzir custos;
• Otimizar a operação da planta.
O monitoramento de energia, portanto, constitui o núcleo
de um processo de melhoria contínua que, de acordo com em
16001, resulta em um uso mais eficiente da energia.
Veja algumas vantagens:
• Otimização de picos de carga;
• Geração automática de relatórios individuais de energia;
• Detecção precoce da deterioração do desempenho;
• Análise e controle automático dos principais dados referentes
ao consumo de energia;
• Controle contínuo do plano anual de energia;
• Faturamento de energia por centros de custo;
• Geração de previsões de demanda de energia para diferentes
zonas de produção;
• Melhoria dos processos mensais de análises de comunicações;
• Documentação automática das emissões de CO2;
• Tendências de desvios (objetivos/comparação real).
Um conceito modular
A base para a redução de custos de energia é uma medição
confiável de energia. Para registros de vapor, ar comprimido,
calor, frio, eletricidade, gás e óleo, uma medida muito exata é
um pré-requisito. Informativos dos resultados das medições
são relacionados aos parâmetros de avaliação, quais sensores
e normas de cálculo são utilizados. A escolha incorreta de
um instrumento de medição ou a rejeição de uma apropriada
compensação de pressão e temperatura, tanto em aplicações
de gás como de vapor de água, pode levar a graves falhas de
medição. Sistemas abertos e modulares de monitoramento de
energia garantem combinações sem problemas de diferentes
pontos de medições, eletricidade e gás, registradores de dados,
sistemas de energia computadorizados ou de instrumentos de
registro. A transmissão de dados é realizada via Ethernet, OPC
e sistemas de barramento de campo.
13/6/2011 11:20:06
instrumentação
Medição de Tensões
Mecânicas por Métodos
Não Destrutivos
Este artigo apresenta dois dos principais métodos não destrutivos
para medição de tensões, um baseado em acustoelasticidade e
o outro em interferometria laser por padrão de speckles (ESPI). É
apresentada a teoria envolvida, exemplos de aplicação e os requisitos para a aplicação em campo. O tema sob análise representa
uma das muitas interfaces nas Engenharias que corroboram a
necessidade de conhecimentos multidisciplinares, característica
fundamental da Mecatrônica.
Prof.º Auteliano Antunes dos Santos Júnior
T
saiba mais
Andrino, M. H. Aplicação de ondas
longitudinais criticamente refratadas para a medição de tensões
em dutos. Tese de Doutoramento.
Universidade Estadual de Campinas.
Campinas, 2007.
ASME [American Society of Mechanical Engineers]. Who owns mechatronics? Disponível em: <www.memagazine.org/contents/current/features/whoowns/whoowns.html>.
Acessado em 10 de maio de 2011.
Gabor, D. A new microscopic principle. Nature. v.161, (4098), pp.777778, 1948.
ensões Mecânicas estão entre as principais
causas de falha em componentes de máquinas.
São compostas por uma parcela elástica, que
vem dos carregamentos que os componentes
sofrem, e uma porção residual, pré-existente,
que é provocada pelo processo de fabricação,
por solicitações prévias e outras causas. A
maior parte dos métodos de medição de
tensões atuais é destrutiva, isto é, requer que
o componente sob inspeção seja inutilizado. Medir tensões mantendo o sistema ou
componente mecânico em funcionamento
implica em um ganho significativo em
tempo e recursos.
A Mecatrônica “é um campo emergente
da Engenharia que integra as áreas de elétrica,
mecânica, controle, ciência da computação e
tecnologia da informação” (ASME, 2011). Tal
integração requer conhecimentos específicos
de cada uma dessas áreas e a capacidade de
utilizá-los em conjunto para a solução dos
problemas usuais de Engenharia. Com o
avanço da tecnologia, nem sempre é necessário
ou desejável que um especialista em cada
um dos tópicos listados esteja disponível
para a análise requerida. De fato, em muitos
casos, profissionais com forte embasamento
teórico nas diversas áreas que compõem a
Mecatrônica podem atuar de forma rápida
e eficiente. Talvez o que mais caracterize a
formação mecatrônica seja a flexibilidade
com que tais engenheiros transitam entre os
diversos campos do conhecimento abordados
em sua formação, permitindo a criação de
soluções inovadoras e multidisciplinares.
Uma das áreas de interface do conhecimento é a de sensoriamento. Conhecer
características do que está sendo medido,
ao mesmo tempo em que tem pleno domínio sobre a forma de medir, faz com que o
Engenheiro desempenhe sua função com
eficiência e presteza. Quando tais sensores
são empregados para medir uma variável
tipicamente mecânica, como a tensão, o
processo é enriquecido pela atuação do
Engenheiro Mecatrônico, ou mesmo do
Engenheiro de Controle e Automação com
base Mecânica.
MA50_Med_Tensoes.v2.indd 13
13
13/6/2011 10:22:19
instrumentação
Este trabalho tem como objetivo apresentar duas novas técnicas de medição de
tensões mecânicas, baseadas em acustoelasticidade e em interferometria, que requerem
conhecimentos avançados, tanto da área de
sensoriamento como da área de análise de
tensões. É o primeiro texto de um série sob
responsabilidade da empresa júnior Mecatron, do curso de Engenharia de Controle
e Automação da Faculdade de Engenharia
Mecânica da Unicamp. Esse curso tem forte
base nas Engenharias Mecânica, Elétrica e
de Computação, e requer de seus alunos
pleno conhecimento dos conceitos necessários para abordar os aspectos científicos
tratados nesse artigo.
Tensões mecânicas são basicamente de
dois tipos: elásticas ou residuais. A primeira
se refere à tensão que está sendo aplicada por
uma solicitação externa (força, temperatura,
etc.). As tensões elásticas desaparecem quando
a solicitação que a causou é retirada. De forma
diferente, as tensões residuais continuam no
corpo e independem de que, haja atuação
de qualquer fonte externa.
As tensões residuais podem ser de três
tipos, que dependem da ampliação com a
qual se deseja realizar a análise: macrotensões, microtensões tipo II e microtensões
tipo III. Todas podem estar presentes em
um componente a qualquer momento. As
macrotensões residuais, que são designadas
como tensões residuais do tipo I, variam
dentro do corpo de um componente em
uma escala maior que o tamanho de grão.
As microtensões residuais resultam das
diferenças dentro da microestrutura de
um material. As tensões residuais do tipo
II operam no nível do tamanho de grão. O
tipo III é atua em nível atômico.
A importância do conhecimento dos tipos
de tensão está ligada ao processo de medição.
O que realmente é medido pelos métodos
atualmente empregados, sejam destrutivo,
ou não, é a tensão de tipo I, ou seja, a macro
tensão. Isso porque os métodos atuais não
têm resolução para medir em níveis menores,
mas principalmente porque a falha, tal como
é estudada hoje, está relacionada a essas
tensões, e não às microtensões. A forma de
relacionar as tensões com as cargas aplicadas
é chamada de critério de falha, e descreve
como o componente se comporta quando
solicitado com aquele nível de tensão. Todos
os critérios atuais relacionam a tensão tipo I
com a capacidade de resistir a aplicação de
14
F1. Geração de ondas longitudinais criticamente refratadas.
tensões, obtida em ensaios normalizados e
denominada resistência mecânica.
As tensões elásticas (aplicadas) normalmente podem ser calculadas através de
métodos numéricos e analíticos. No entanto,
dependendo do estado interno das tensões,
os resultados podem ser muito diferentes.
Assim, é importante também conhecer as
tensões residuais, como forma de garantir
que as tensões totais estão abaixo do limite
definido pela resistência mecânica.
Os métodos capazes de medir tensões
residuais mais utilizados são destrutivos.
Baseiam-se na medição da relaxação da tensão
atuante, através de um corte, um furo ou
outra forma de remoção de material. Com
os dados da deformação final, constrói-se
o estado de deformações inicial e calcula-se
a tensão que atuava naquele ponto. Mesmo
que seja pouco destrutivo, com esses métodos só será possível medir a tensão que foi
aliviada. Assim, as tensões deixam de estar
presentes e não há mais razão para obtê-las,
a não ser se estas forem usadas em controle
estatístico de qualidade. Após a medição, os
componentes não podem mais ser utilizados
para as mesmas funções, ou o risco de falha
aumenta. A forma de medir a deformação
após o alívio pode ser por roseta óptica,
extensômetro ou outras.
Fibras óticas, raios X e difração de
nêutrons têm despontado como alternativas para emprego na medição de tensões,
os dois últimos com capacidade de medir
tensões residuais. Cada um destes possui
características que dificultam sua aplicação
em campo, embora seus resultados em laboratório sejam adequados. Questões técnicas,
como a necessidade de um reator nuclear
para a difração de nêutrons, dificultam a
disseminação das técnicas.
Acustoelasticidade (Ondas Lcr)
O termo Acustoelasticidade vem da
junção de dois ramos da mecânica: a acústica e a elasticidade. Refere-se à propagação
de ondas (acústica) e sua relação com as
propriedades dos materiais (elasticidade).
Segundo a teoria acustoelástica, a velocidade
de propagação de ondas ultrassônicas tem
uma relação direta com a tensão existente
no material sob inspeção.
O desenvolvimento de sistemas de aquisição de dados de elevada taxa de aquisição,
aliado a uma sensível redução nos custos,
simplicidade de aplicação e resolução adequada, fazem do método ultrassônico a
principal alternativa atual para a medição
de tensões em componentes mecânicos em
serviço. Várias técnicas podem ser empregadas para o mesmo fim, destacando-se a da
birrefringência e a de ondas longitudinais
criticamente refratadas (Lcr), cada uma
necessitando de sensores especiais dedicados e com vantagens para determinadas
aplicações. As ondas longitudinais têm a
mais alta sensibilidade à tensão entre as
ondas ultrassônicas e uma forma particular dessa, as ondas Lcr, trafega próxima à
superfície, onde as tensões que levam às
falhas normalmente se concentram, sendo
por isso empregada neste trabalho.
Ondas Lcr são ondas de volume, que
se propagam paralelamente à superfície do
material. São ondas longitudinais (frontais),
ou seja, sua oscilação é na mesma direção da
propagação. A figura 1 mostra tais ondas e o
processo de geração. As ondas longitudinais
incidindo próximo ao primeiro ângulo crítico
(θcr) na interface entre dois meios geram uma
componente longitudinal paralela à superfície.
A geração pode ser feita com um transdutor
de ondas longitudinais e uma cunha para que
13/6/2011 10:22:27
instrumentação
tal onda atinja a interface no ângulo desejado.
Essa cunha deve ser de um material de baixa
impedância acústica quando acoplado ao aço,
como o acrílico. A recepção, a uma distância
adequada, pode ser feita como o mesmo tipo
de aparato. A determinação da velocidade
é realizada através da divisão da distância
entre o emissor e o receptor pelo tempo de
percurso no material sob análise, lido pelo
sistema de aquisição de dados.
A equação que relaciona a velocidade
ou o tempo de percurso para distâncias
iguais é dada por:
dσ =
E(dVij /Vij)
E
=
dt
L11
L11* t0
F2. Resultado da Medição de Tensões em oito pontos no mesmo raio em uma roda ferroviária.
Nessa equação, E é o módulo de elasticidade, L11 é uma propriedade chamada
constante acustoelástica, Vij é a velocidade
de propagação, t0 é o tempo de percurso
de referência (sem tensão), dt é a diferença
de tempo, dV é a diferença de velocidades
e dσ é a diferença de tensão que se deseja
medir. Os índices i e j referem-se às direções de propagação e oscilação da onda,
respectivamente. Assim, i = j = 1 significa
uma onda longitudinal.
Interferometria Eletrônica por
Padrão de Speckles - ESPI
A origem da interferometria eletrônica por
padrões de speckles está na holografia, cuja
técnica permite que uma onda seja gravada
e reconstruída posteriormente, mantendo
exatamente as mesmas características da onda
original. Em outras palavras, uma imagem
tridimensional reproduz exatamente o objeto
gravado anteriormente. Embora o princípio
da holografia tenha sido proposto em 1948
(Gabor), a técnica se tornou prática somente
com o advento do laser. A interferometria
holográfica remete-se aos anos 60 e é embasada no princípio da reconstrução de
ondas. A interferometria de speckles deriva
desse princípio.
O efeito speckle é uma interferência
aleatória característica da reflexão de um
feixe de luz coerente ao incidir em uma
superfície opticamente rugosa, quando sua
variação de altura é da ordem ou maior que
o comprimento de onda da luz do feixe de
iluminação. A característica do laser como
feixe coerente e monocromático permitiu
utilizar o efeito speckle como princípio de
aplicação do método em problemas práticos através da formação de padrões de
F3. Resultado da Medição de Tensões Duto Petrolífero.
franjas. Através destas, é possível calcular
os deslocamentos e as tensões em superfícies submetidas a cargas. Esses padrões de
franjas foram inicialmente gerados através
do processamento fotográfico das imagens,
mas hoje, com o processamento digital de
imagens, processadores de alta velocidade
e alta capacidade de armazenamento de
dados, é possível obter os padrões de franjas
através do processamento por vídeo dos
perfis de superfícies iluminadas por feixes
de laser, gerando franjas de correlação por
padrões de speckles. Por isso o método é
conhecido como Electronic Speckle Pattern
Interferometry (ESPI).
Aplicações das Técnicas de
Medição por Acustoelasticidade
A figura 2 ilustra a aplicação da técnica de
ondas Lcr para a medição de tensões em rodas
ferroviárias. O que está sendo mostrado é a
variação da tensão em oito pontos ao longo
do aro de uma roda específica. O esperado é
que os valores sejam iguais ou próximos. No
entanto, as pesquisas feitas revelaram que
tal variação é perfeitamente possível. Como
pode ser visto, as tensões estão entre 276 e
294 MPa. Dado que cada ponto foi medido
três vezes, a dispersão pode ser calculada e
está indicada nas barras que mostram um
desvio padrão do valor médio.
O resultado apresentado refere-se a
apenas uma roda, mas a mesma variação
e dispersão foram encontradas em outras
oito rodas do mesmo tipo medidas durante
a pesquisa. Isso permitiu a criação de um
novo dispositivo de medição de tensões,
patenteado pela Unicamp, que está sendo
desenvolvido para aplicação em campo. Tal
sistema levará, à redução sensível do risco
de acidentes e perdas econômicas e de vidas,
uma vez que permitirá que a inspeção seja
feita e ações preventivas sejam adotadas.
A figura 3 exibe a comparação entre as
tensões medidas por extensômetros (teórica)
e as tensões medidas utilizando ondas Lcr
15
13/6/2011 10:22:41
instrumentação
a)
b)
F4. Resultado da Medição de Tensões em Chapa com Rasgo.
a)
b)
F5. Resultado da Medição de Tensões em Chapa com Rasgo.
em dutos petrolíferos. Conforme pode ser
visto, o coeficiente da curva de ajuste, cujo
valor esperado é 1 (um), tem valor 1,03,
o que comprova a validade do método. O
ajuste medido pelo coeficiente de correlação
(0,999) é uma confirmação da estabilidade
do método em diversos níveis de tensão. O
experimento foi realizado em laboratório com
um duto especialmente montado, com os
parâmetros de influência controlados.
16
Aplicações das Técnicas
de Medição por ESPI
A figura 4 mostra o resultado para a
medição de tensão equivalente (Von Mises)
em um componente mecânico utilizando
ESPI. Em (a) é vista a tensão medida e em
(b) é mostrada a simulação numérica feita.
Conforme pode ser observada, os resultados
se assemelham em termos da distribuição
das tensões. Embora seja difícil visualizar na
figura à esquerda, devido a baixa resolução
das imagens geradas com o programa de
aquisição do ESPI, os resultados numéricos
também se assemelham significativamente
aos medidos, levando a uma diferença em
torno de 10% para todas as medições.
Uma segunda aplicação do método foi
testada em uma placa com orifício. A figura
5 expõe os resultados. Também neste caso,
em (a) é mostrada a tensão medida e em
13/6/2011 10:22:51
instrumentação
F6. Tela de aquisição do programa L-stress v. 2.0.
(b) é exibida a simulação numérica feita.
Agora, a diferença entre o medido por ESPI
e o calculado utilizando elementos finitos
foi ainda menor, da ordem de 5%.
A técnica ESPI também foi usada para
a medição de tensões em eixos e bielas automotivas. A Unicamp possui um convênio
com a empresa Thyssenkrupp Metalúrgica
Campo Limpo, que permite o uso de seu
sistema ESPI para pesquisas sobre o assunto.
Os resultados preliminares demonstram
uma correlação adequada entre os resultados medidos e esperados, mas ainda há a
necessidade de aprimorar os controles sobre
as variáveis de influência para minimizar a
dispersão encontrada.
Estratégias de Controle
Aplicadas
Com ambas as técnicas foi necessário
adotar estratégias de minimização do erro
empregando tanto técnicas de filtragem
quanto de controle das variáveis de influência. Em especial com acustoelasticidade, foi
desenvolvido um programa computacional
específico para o tratamento e aquisição
dos sinais. O programa L-stress v. 2.0
(Andrino, 2007) foi desenvolvido para
esta finalidade. Ele controla totalmente o
processo de aquisição, que inclui o uso de
um dispositivo de acionamento pneumático
para a aplicação dos sensores sobre a peça e
o tratamento posterior dos sinais adquiridos,
utilizando correlação cruzada e transformada
de Hilbert. A figura 6 apresenta uma das
telas do programa.
Para a técnica ESPI, o programa que faz a
aquisição e o tratamento é parte de um pacote
comercial fornecido com o sistema Dantec
3D ESPI – Q300, usado no trabalho.
Conclusões
A medição de tensões com técnicas não
destrutivas pode ser feita utilizando acustoelasticidade ou interferometria eletrônica por
padrão de speckles. Os resultados apresentados
mostram que as técnicas possuem grande
potencial de aplicação. O seu emprego em
campo certamente permitirá uma sensível
redução nos custos de inspeção, uma vez que
não irá requerer a destruição ou inutilização
dos componentes testados.
O sensoriamento é uma das atividades
ligadas à Mecatrônica, já que requer conhecimentos de áreas distintas, envolvidas na
formação desse Engenheiro, como o uso de
ferramentas computacionais, o emprego de
conhecimentos na área de mecânica, a utilização
de sensores eletrônicos e outros. Só pode ser
realizado por profissionais que tenham uma
formação ampla, ou terá que envolver vários
MA
profissionais de áreas diferentes.
*Auteliano Antunes dos Santos Júnior é Professor e Coordenador do Curso de Engenharia
de Controle e Automação na Unicamp e possui
pós-doutorado na Texas A&M University (EUA).
Tem desenvolvido projetos tecnológicos para
empresas como: Vale do Rio Doce, Petrobrás,
Thyssenkrup Metalúrgica Campo Limpo e outras.
17
13/6/2011 10:23:02
instrumentação
O que é a
Tecnologia
de Tempo Real?
Vários testes, controles e aplicações de projeto
exigem desempenho em tempo real. Este tutorial
da National Instruments analisa os conceitos
básicos de sistemas de tempo real.
Introdução aos Sistemas
de Tempo Real
Os sistemas operacionais de tempo real
foram projetados para resposta a eventos
e sistemas de controle de malha fechada.
Aplicações de resposta a eventos, como um
sistema de airbag automotivo, necessitam
de uma resposta a um estímulo em um
determinado espaço de tempo. Sistemas
de controle de malha fechada, como um
sistema de controle de velocidade automotiva, processam continuamente o feedback
do sistema para ajustar uma saída. Ambos
os sistemas exigem a realização de uma
operação dentro de um tempo determinado.
Esse tipo de desempenho é chamado de
determinístico.
Sistemas de tempo real podem ser
classificados como “soft” ou “hard”. Para
sistemas de tempo real do tipo soft, a utilidade
de um sistema geralmente é inversamente
proporcional ao tempo de resposta após um
determinado prazo ter sido perdido. Por
exemplo, quando pressionamos um botão
do telefone para atender uma chamada, a
conexão deve ser estabelecida logo após o
botão ter sido apertado. Contudo, o prazo
não é tão crítico e pequenos atrasos podem
18
ser tolerados. Sistemas de tempo real do tipo
“hard” são aqueles em que a utilidade do
sistema torna-se zero em caso de perda do
prazo. Uma unidade de controle de motores automotivos (ECU - automotive engine
control unit) deve processar sinais de entrada
e calcular a temporização da faísca da vela
dentro de um prazo. Se houver perda desse
prazo, o motor não irá operar corretamente.
A utilidade de uma tarefa após a perda de
prazo depende se o sistema de tempo real
é do tipo “soft” ou do tipo “hard”, como
mostrado na figura 1.
Sistemas operacionais como o Microsoft
Windows e o MAC OS fornecem uma
excelente plataforma para desenvolvimento
e execução de aplicações não críticas de
medição e controle. Contudo, por serem
sistemas operacionais projetados para um
propósito geral, eles não são ideais para
executar aplicações que necessitem de um
desempenho determinístico ou de um maior
tempo sem falhas.
Sistemas operacionais de propósito geral
são otimizados para executar uma variedade
de aplicações simultaneamente, assegurando
que todas as aplicações recebam um tempo
de processamento. Esses sistemas operacionais
também devem responder a interrupções
de periféricos como mouse e teclado. O
usuário tem controle limitado sobre o
modo como essas tarefas são manipuladas
pelo processador. Como resultado, tarefas
de alta prioridade podem ser interrompidas
para que tarefas de baixa prioridade sejam
executadas, fazendo com que seja impossível
garantir um tempo de resposta constante
para suas aplicações críticas.
Em contraste, sistemas operacionais de
tempo real proporcionam a capacidade de
priorizar tarefas, para que as tarefas mais
críticas possam sempre ter controle do
processador quando necessário. Essa propriedade possibilita a criação de aplicações
com resultados que podem ser previstos.
Sistemas operacionais de tempo real
são necessários quando o processador está
envolvido em operações como controle de
malha fechada e tomada de decisão em
tempo crítico. Essas aplicações requerem
que decisões temporizadas sejam feitas baseadas em dados recebidos. Por exemplo, um
equipamento de entradas e saídas amostra
um sinal de entrada e o envia diretamente
para a memória. Então, o processador deve
analisar o sinal e enviar a resposta adequada
ao equipamento de entradas e saídas. Nessa
aplicação, o software deve estar envolvido na
malha; portanto, você precisa de um sistema
operacional de tempo real para garantir resposta dentro de um espaço de tempo fixo.
Além disso, aplicações que necessitam de
tempo de execução estendido ou operações
autônomas são geralmente implementadas
com sistemas operacionais de tempo real.
Mecatrônica Atual :: Março/Abril 2011
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instrumentação
Desempenho em Tempo Real
O equívoco mais comum associado ao
desempenho em tempo real é dizer que ele
aumenta a velocidade de execução do programa. Apesar de ser verdade em alguns casos,
a aplicação é melhorada proporcionando
temporização precisa e previsível. Com essas
melhorias, você pode determinar o tempo
exato quando certo evento ocorrerá.
Controle em Tempo Real
Com controle em tempo real, é possível
monitorar e simular continuamente um sistema
físico. Aplicações de controle em tempo real
executam repetidamente uma tarefa definida
pelo usuário com um intervalo de tempo
específico entre cada execução. A maioria dos
sistemas de controle em tempo real monitora
um sistema físico, comparam o estado atual
com o estado desejado e então simulam o
sistema físico baseando-se nessa comparação.
O tempo que leva para que essa malha execute
é considerado o tempo de ciclo da malha. O
tempo de ciclo da malha de controle varia,
baseado na complexidade do sistema.
O determinismo mede a consistência
do intervalo de tempo especificado entre
os eventos. Muitos algoritmos de controle,
como o PID, requerem um comportamento
muito determinístico. Por exemplo, um
elevador move-se gradualmente para o
andar correto por causa do comportamento
determinístico da malha de controle. Sem
o determinismo, o evelador chega ao andar
correto, porém sem estabilidade.
Em todos os sistemas de tempo real há
uma quantidade de erro chamada jitter. O
jitter é outra maneira de medir o determinismo de um sistema de tempo real. Você
pode calculá-lo como a diferença máxima
entre qualquer atraso individual de tempo e
o atraso de tempo desejado em um sistema,
veja na figura 2.
tempo real deve responder a este evento dentro
de um espaço de tempo garantido.
A latência é usada para descrever o tempo
que leva para se responder a um evento. É
similar ao determinismo em aplicações de
controle em tempo real. Com resposta a
eventos em tempo real, é garantido o pior
caso de latência.
Tecnologia de Tempo Real
da National Instruments
Os módulos LabVIEW Real-Time e
LabWindows™/CVI Real-Time são usados
para se alcançar execução determinística
confiável em hardware dedicado. Caso haja
necessidade de um determinismo maior,
o módulo LabVIEW FPGA, combinado
F1. Diferença entre tecnologia de tempo
real Hard e Soft.
com um hardware que inclua tecnologia
de entradas e saídas reconfiguráveis (RIO
– Reconfigurable I/O) oferece resposta de hardware em nanossegundos. Use o conjunto de
software da National Instruments para:
• Desenvolver rapidamente aplicações
determinísticas com programação
gráfica ou ANSI C;
• Criar facilmente controles distribuídos
e sistemas de monitoração;
• Eliminar o tempo gasto, integrando
diversas entradas e saídas.
A National Instruments oferece uma
variedade de hardwares de tempo real que
contém um processador embarcado, executando um sistema operacional de tempo real
para máxima confiabilidade e desempenho
determinístico. É possível integrar uma vasta
gama de entradas e saídas com hardware modular que possa ser expandido para atender a
um grande número de canais para aquisição
de dados e controle, condicionamento de
sinais industriais e isolação segura.
MA
F2. Um Exemplo de Diagrama de Jitter.
Resposta a eventos
em Tempo Real
Com resposta a eventos em tempo real, é
possível responder a um simples evento dentro
de um dado espaço de tempo. O sistema de
tempo real garante algum tempo máximo
de resposta a um evento único. O evento
pode ser tanto periódico quanto aleatório.
Um exemplo de uma aplicação de resposta
a um evento em tempo real é um sistema de
monitoração de segurança. Se uma planta
entra em um estado de perigo, o sistema de
F3. A Tecnologia de Tempo Real da National Instruments.
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19
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instrumentação
Medição de Vazão:
a 3ª Grandeza
Mais Medida
nos Processos
Industriais
Engº César Cassiolato
[email protected]
Engº Evaristo O. Alves
[email protected]
Apresentação de alguns aspectos mercadológicos atuais
sobre a medição da vazão
dos fluídos na Automação
e Controle dos Processos
Industriais
saiba mais
A
Manuais de Operação e
Treinamento dos transmissores
de pressão Smar: LD301, LD302,
LD303 e LD400
Apresentações Transmissores de
Pressão. César Cassiolato, Evaristo
O. Alves, 2001-2011.
Medição de Vazão
Artigos técnicos – César Cassiolato
www.smar.com/brasil2/
artigostecnicos/
Site do fabricante:
www.smar.com.br
20
vazão é a terceira grandeza mais medida
nos processos industriais. As aplicações são
amplas, desde aplicações simples como a
medição de vazão de água em estações de
tratamento e residências, até medição de
gases industriais e combustíveis, passando
por medições mais complexas. A escolha
correta de um determinado instrumento
para medição de vazão depende de vários
fatores. Dentre estes, pode-se destacar:
• exatidão desejada para a medição;
• tipo de fluido: líquido ou gás, limpo
ou sujo, número de fases;
• condutividade elétrica, transparência;
• condições termodinâmicas: por exemplo, níveis de pressão e temperatura
nos quais o medidor deve atuar;
• espaço físico disponível;
• custo, etc.
Atualmente os medidores de fluidos
(líquidos, gases e vapores) são de grande
importância em um processo, pois são usados
para determinar as quantidades de produtos
vendidos, comprados e transferidos entre
fabricantes, transportadores e consumidores
finais. Veja a figura 1.
A medição de vazão de fluidos sempre
esteve presente em nosso dia a dia.Por
exemplo, o hidrômetro de uma residência,
o marcador de uma bomba de combustível
nos veículos, etc.
Na História, grandes nomes marcaram
suas contribuições. Em 1502 Leonardo da
Vinci observou que a quantidade de água por
unidade de tempo que escoava em um rio era
a mesma em qualquer parte, independente
da largura, profundidade, inclinação e outros. Mas o desenvolvimento de dispositivos
práticos só foi possível com o surgimento da
era industrial e o trabalho de pesquisadores
como Bernoulli, Pitot e outros.
Vejamos, inicialmente, alguns conceitos para entendermos melhor a medição
de vazão.
13/6/2011 12:54:52
instrumentação
Como podemos definir vazão?
Vazão pode ser definida como sendo
a quantidade volumétrica ou mássica de
um fluido que escoa através de uma seção
de uma tubulação ou canal por unidade
de tempo.
Vazão Volumétrica
É definida como sendo a quantidade em
volume que escoa através de certa secção
em um intervalo de tempo considerado. As
unidades volumétricas mais comuns são:
m3/s, m3/h, l/h, l/min, GPM (galões por
minuto), Nm3/h (normal metro cúbico por
hora), SCFH (normal pé cúbico por hora),
entre outras.
Q = V
t
onde:
V = volume;
t = tempo;
Q = vazão volumétrica.
F1. Variáveis de Processo.
Vazão mássica
É definida como sendo a quantidade
em massa de um fluido que escoa através
de certa secção em um intervalo de tempo
considerado. As unidades de vazão mássica
mais utilizadas são: kg/s, kg/h, t/h, lb/h.
Qm = m
t
onde:
m = massa;
t = tempo;
Qm = vazão mássica.
Conceitos físicos para
medição de vazão
Para medição de vazão se faz necessário
rever alguns conceitos relativos a fluidos, pois
os mesmos influenciam na vazão de modo
geral. A seguir, os principais deles:
Calor Específico
Define-se calor específico como o quociente da quantidade infinitesimal de calor
fornecido a uma unidade de massa de uma
substância pela variação infinitesimal de temperatura resultante deste aquecimento.
Na prática, temos: A quantidade de calor
necessária para mudar a temperatura de 1
grama de uma substância em 1ºC.
F2. Perfil de Velocidades em regime laminar.
Viscosidade
É definida como sendo a resistência
ao escoamento de um fluido em um duto
qualquer. Esta resistência provocará uma
perda de carga adicional que deverá ser
considerada na medição de vazão.
Número de Reynolds
Número adimensional utilizado para
determinar se o escoamento se processa
em regime laminar ou turbulento. Sua determinação é importante como parâmetro
modificador do coeficiente de descarga.
Re = vD
υ
onde:
v = velocidade (m/s);
D = diâmetro do duto (m);
υ = viscosidade cinemática (m2 /s).
Observações: Na prática, se Re > 2.320,
o fluxo é turbulento, caso contrário é sempre
laminar.
Nas medições de vazão na indústria,
o regime de escoamento é na maioria dos
casos turbulento com Re > 5.000.
Distribuição de Velocidade
em um Duto
Em regime de escoamento no interior
de um duto, a velocidade não será a mesma em todos os pontos. Será máxima no
ponto central do duto e mínima na parede
do duto.
Regime Laminar
É caracterizado por um perfil de velocidade mais acentuado, onde as diferenças
de velocidades são maiores. Observe a
figura 2.
21
13/6/2011 12:55:00
instrumentação
Regime Turbulento
É caracterizado por um perfil de velocidade mais uniforme que o perfil laminar.
Suas diferenças de velocidade são menores.
Atente para a figura 3.
Tipos dos Medidores de Vazão
Resumidamente, podemos classificar os
medidores de vazão, segundo a tabela 1.
Equações para o
Cálculo da Vazão
As equações para o cálculo da vazão
podem ser obtidas genericamente para os três
tipos de medidores apresentados. Aplica-se
a Equação da Conservação da Massa, bem
como a Equação da Conservação da Energia,
sendo esta última na sua forma simplificada,
que é a Equação de Bernoulli. Assim para o
F3. Perfil de Velocidade em regime turbulento.
Tipos de medidores
Características
1 Medidores indiretos utilizando I Perda de carga variável
fenômenos intimamente
(área constante)
relacionados à quantidade de II Área variável (perda de
fluído passante
carga constante)
2 Medidores diretos de volume I Deslocamento positivo
do fluido passante
do fluído
II Velocidade pelo impacto
do fluído
Eletromagnetismo
3 Medidores especiais
Vórtex
Ultrassônico
Calhas Parshall
Coriolis
T1. Classificação dos medidores de vazão.
Exemplos
Tubo Pilot; Tubo de Venturi; Annubar;
Tubo de Dali; Placa de orifício
Rotâmentro
Disco Nutante; Pistão Flutuante;
Rodas ovais; Roots
Tipo Hélice; Tipo Turbina
escoamento através de uma redução de área,
considerando-o ideal e tomando uma linha
de corrente entre os pontos 1 e 2, conforme
a figura 4.
A equação de Bernoulli aplicada ao
escomento ideal, entre os pontos 1 e 2 da
figura, resulta na equação seguinte:
V1 P1
v
P
+
+ gz1 = 2 + 2 + gz2
2
ρ
2
ρ
onde o primeiro termo representa a
energia cinética, o segundo a energia de
pressão, proveniente do trabalho de escoamento, enquanto o terceiro termo representa
a energia potencial.
Idênticas parcelas existem do lado direito,
para o ponto 2. Esta igualdade significa que
a soma das três parcelas é uma constante
ao longo de uma linha de corrente, não havendo perdas por atrito. Para o escoamento
na posição horizontal, não há variação de
energia potencial, sendo z1 = z2.
Usando a equação da conservação da
massa entre as seções 1 e 2, para o escoamento incompressível, tem-se que:
V1 A1 = V2 A 2
sendo A a área da seção transversal e β
a razão entre os diâmetros do medidor e da
tubulação, β = D2/D1 (ou d/D, conforme
a notação), pode-se isolar uma das velocidades na equação de Bernoulli, obtendo-se
a equação seguinte:
V2 =
2
P1 – P2
A2
1–
ρ
A2
2 -1
T2. Comparação entre vários medidores de fluidos.
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instrumentação
A vazão pode ser então obtida, multiplicando-se esta velocidade pela respectiva
área, equação. A vazão no caso é uma vazão
ideal, pois foi obtida através da equação de
Bernoulli, para o escoamento ideal.
Q1 = V2 A 2
Tomando-se o caso mais extremo, em
que o ponto 2 está situado sobre a vena
contracta, pode-se definir um coeficiente
de contração da veia principal, que é a razão
entre a área da vena contracta A 2, e a área de
passagem do medidor, A m. Assim:
C1 =
F4. Escoamento com estrangulamento.
A2
Am
A vazão real pode ser obtida multiplicando-se a vazão ideal por um coeficiente
de correção Cv. Este coeficiente inclui as
correções relativas à perda de energia entre
os pontos 1 e 2, entre os quais se obtém o
diferencial de pressão. Parte deste diferencial
é decorrente da aceleração do escoamento
e parte provém da perda de carga. Esta
última age sempre no sentido de aumentar
o diferencial, razão pela qual o valor de Cv
é sempre inferior à unidade. Assim, tendo
em conta estas correções e a área do medidor
Am, a equação para a vazão é dada por:
Cv Cc
Q1 =
Am
1 - Cc2 β4
O coeficiente Cc difere da unidade apenas
na placa de orifício, quando as tomadas de
pressão não são as de canto (corner taps). No
caso deste tipo de tomada a vena contracta
existe, mas a pressão está sendo lida junto
à placa, de forma que a área A2 pode ser
considerada como a área do orifício Am. Em
função da dificuldade de se determinar todos
os coeficientes da equação, prefere-se ignorar
o próprio Cc e introduzir os coeficientes C
e K, de modo que esta equação assuma as
seguintes formas:
C
Qr = CQ1 =
Am
1 - β4
= KA m
Medidores de Diferencial
de Pressão
O princípio de funcionamento baseiase no uso de uma mudança de área de
F5. Tipos de medidores de vazão mais utilizados.
escoamento, através de uma redução de
diâmetro ou de um obstáculo, ou ainda
através de uma mudança na direção do
escoamento. Estas mudanças de área ou de
direção provocam uma aceleração local do
escoamento, alterando a velocidade e, em
conseqüência, a pressão local. A variação
de pressão é proporcional ao quadrado da
vazão. São medidores já bastante conhecidos,
normalizados e de baixo custo. Estima-se
que abranjam 50% de utilização na medição
de vazão de líquidos.
São compostos de um elemento primário
e um elemento secundário. O elemento
primário está associado à própria tubulação,
interferindo com o escoamento e fornecendo o
diferencial de pressão. O elemento secundário
é o responsável pela leitura deste diferencial
e pode ser um simples manômetro de coluna
líquida, em suas diferentes versões, ou até
mesmo um transdutor mais complexo, com
aquisição e tratamento eletrônico do valor
de pressão lido.
Tecnologias para medição
de vazão no mercado
Existem inúmeras tecnologias para medição de vazão no mercado, mas sem dúvida,
o “medidor com placa de orifício” ainda é o
mais usado pelo seu baixo custo associado ao
grande conhecimento acumulado de décadas
de aplicação. Isso significa, entre outras coisas,
que todo profissional de automação ligado ao
Controle de Processos pode eventualmente se
deparar com um medidor desse tipo. É então
conveniente conhecer seus princípios básicos
de funcionamento. Além disso, ao longo de
várias décadas o medidor com placa de orifício
vem sendo aperfeiçoado para melhorar seu
range, precisão e robustez. Diversos trabalhos
práticos e acadêmicos estão disponíveis para
auxiliar os profissionais que quiserem aplicar
esse tipo de medidor. Veja a figura 5 e a tabela
2 onde se tem a comparação entre diferentes
tipos de medidores.
Transmissor de Pressão
Diferencial
LD400 – Princípio de
Funcionamento
A Série LD400 de Transmissores Smar
é baseada em sensores capacitivos, onde a
pressão aplicada a diafragmas sensores faz com
que se tenha uma variação da capacitância
entre os mesmos e um diafragma central.
Esta variação de capacitância é usada para
variar a frequência de um oscilador que é
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13/6/2011 12:55:14
instrumentação
medida diretamente pela CPU e convertida
em Pressão. Não existe conversão A/D o que
contribui na exatidão e eliminação de drifts
embutidos nas conversões analógicas/digitais. A Smar possui a leitura digital desde
a década de 80.
Os sensores capacitivos são sensores
muito confiáveis, com respostas lineares
e praticamente insensíveis a variações de
temperatura, sendo indicados em instrumentação e controle de processos, já que possuem
excelentes performance em temperatura e
pressão estática.
Na figura 6, temos o diagrama funcional
do transmissor de pressão diferencial.
LD400 – Características e
Benefícios
A linha LD400 tem 2 Classes de exatidão:
• Modelo Standard: Exatidão de
0,06%;
• Modelo Alta Performance: Exatidão
de 0,045%;
• Ideal para aplicações em medição de
vazão;
• Minimiza o Erro Total Provável e
consequentemente a variabilidade do
processo;
• Ideal para aplicações em sistemas de
segurança SIL2 e SIL3;
• Por sua resposta linear, permite alta
rangeabilidade com exatidão;
• Rangeabilidade de 200:1;
• Tempo de resposta de 35 ms (o transmissore digital mais rápidos do mercado);
• Garantia de estabilidade de ± 0,2% do
URL por 12 anos (modelo alta performance);
• Supressor de transiente e anti-surge
embutido;
• Totalização bidirecional com persistência;
• Alimentação sem polaridade (12 a
50 Vcc) – previne erros de conexão e
curto-circuito;
• Display multifuncional;
• CPU de 16 bits, garantindo alta performance;
• Coprocessador matemático de alta
performance, o que garante alto desempenho do transmissor;
• Carcaça com as entradas das conexões
elétricas na parte inferior e borneira
resinada – protege contra corrosão e
baixa isolação;
24
• Lacre de carcaça para transferência de
custódia e fiscal;
• Ajuste local via sensor HALL;
• Árvore de ajuste local simplificada;
• Jumper de proteção de escrita;
• Possibilidade de atualização de firmware
via memória flash;
• Limite de pressão de ruptura de 10000
psi;
• Diagnósticos avançados: indicação
de sensor em curto e aberto, falha do
sensor em qualquer câmara, sensor
desconectado, sobrepressão além do
limite de aquisição, indicação de alguns
diagnósticos no display, máxima e mínima
temperatura, desvio de zero etc.
Os transmissores de pressão microprocessados possuem a grande vantagem de
permitirem uma melhor interação com o
usuário, com interfaces amigáveis. Além disso,
possuem características de auto-diagnose
que facilitam a identificação de problemas.
Com o advento das redes fieldbuses, podese agora extrair ao máximo os benefícios
da tecnologia digital. Estes transmissores
possuem melhor exatidão, uma estabilidade
eletrônica superior aos modelos analógicos,
além de facilitarem ajustes e calibrações.
A tecnologia digital também permite que
poderosos algoritmos possam ser implementados a favor da melhoria de performance e
exatidão da medição e a monitoração online
da vida do equipamento.
Como especificar
Transmissores de Pressão?
Especificações incompletas ou mesmo
com dados inconsistentes são bastante
comuns na documentação para compra de
transmissores de pressão. À primeira vista,
parecem ítens simples de projeto, porém são
muitos os detalhes que, se não corretamente
especificados, poderão gerar um prejuízo
na hora da montagem ou mesmo durante
a operação, podendo este ser maior que os
valores dos equipamentos envolvidos.
Este tópico procura esclarecer algumas
questões fundamentais no processo de especificação de transmissores de pressão. Vale
lembrar que é importante ter os seguintes
conhecimentos:
• princípios físicos da medição de pressão;
• tipos de pressão que podem ser medidas;
• sensores e seu funcionamento;
• instrumentação industrial;
• instalação e cuidados na operação e
manutenção;
• principais aplicações.
O que se pretende medir?
Em geral mede-se:
• Pressão manométrica;
• Pressão absoluta;
• Pressão diferencial;
• Outras grandezas inferidas a partir
de medições de pressão (vazão, nível,
volume, força, densidade, etc).
Vale ressaltar que as medições de pressões
abaixo da atmosférica não necessariamente
requerem transmissores de pressão absoluta.
Os transmissores de pressão absoluta são
recomendados apenas quando se quer evitar as influências das variações da pressão
atmosférica. Essa influência só será crítica
quando se mede pressões muito próximas
(acima ou abaixo) da pressão atmosférica.
Nos demais casos pode-se usar sem problemas
transmissores de pressão manométrica.
Para que medir pressão?
Em geral mede-se pressão para:
• Controle ou monitoração de processos;
• Proteção (segurança);
• Controle de qualidade;
• Transações comerciais de fluidos
(transferências de custódia, medição
fiscal);
• Estudos e pesquisas;
• Balanços de massa e energia.
Esses objetivos devem ser considerados
na escolha dos equipamentos. Quesitos
mais rigorosos de desempenho tais como:
exatidão, limites de sobre pressão e pressão
estática, estabilidade e outros podem encarecer desnecessariamente o projeto. Todos os
fabricantes em geral oferecem ao mercado
mais de uma versão de transmissores com
características técnicas distintas e obviamente
com preços também distintos.
Qual é o fluido do processo?
O fornecedor deverá ser informado das
características do fluido. Em geral o fabricante
poderá recomendar materiais ou conexões
especiais. Vale lembrar que a decisão final
será sempre do usuário ou da empresa de
engenharia envolvida.
Alguns dados do fluido de processo são
fundamentais na escolha do transmissor:
13/6/2011 12:55:21
instrumentação
• Estado (líquido, gás, vapor): Define
a posição da válvula de dreno/vent;
• Pressão máxima do processo: Importante para a avaliação dos limites
de sobre pressão e pressão estática do
transmissor;
• Temperatura máxima do processo:
Poderá ser determinante para o uso
de selos remotos ou apenas manter
uma distância mínima na linha de
impulso (tubing).
Opcionais?
Alguns opcionais podem ser incluídos
no fornecimento dos transmissores:
• Indicador local - Esse item não
tem um custo muito alto e é muito
útil, pois não só permite a leitura da
variável em unidades de engenharia
(kgf/cm2, bar, mmH2O, Pa, psi, etc)
como também facilita a configuração
do transmissor quando não se dispõe
de um configurador;
• Manifold - A compra casada (transmissor + manifold) traz vantagens
comerciais e evita qualquer incompatibilidade técnica na montagem;
• Suporte para tubo de 2” - Esse item
é quase obrigatório. Alguns suportes
permitem também a montagem em
superfícies planas. Recomenda-se
especificar o suporte com pelo menos
os parafusos e porcas em aço inox ,
garantindo-se uma melhor resistência
à atmosferas corrosivas;
• Prensa-cabos - Esse item pode ser
encomendado junto com o transmissor. Recomenda-se porém, incluí-lo
na compra do material de montagem,
garantindo a compatibilidade com a
bitola do cabo a ser utilizado.
Protocolo de comunicação?
Os protocolos de comunicação mais
comuns são:
• 4-20 mA+HART;
• Foundation Fieldbus;
• Profibus PA.
Alguns fabricantes oferecem ao mercado,
transmissores que com a simples substituição
da placa de circuito eletrônico ou apenas do
firmware, o transmissor muda sua versão de
protocolo, podendo ser usado em sistemas
distintos.
Os fabricantes também fornecem junto
com os transmissores, CD’s com todos os
F6. LD400 – Diagrama Funcional.
arquivos (DD’s e DTM’s) de seus transmissores, garantindo a comunicação e
interoperabilidade com os diversos sistemas
de controle do mercado.
Ferramentas especiais?
Para os transmissores com protocolo
Foundation Fieldbus ou Profibus PA não
serão necessários configuradores portáteis,
uma vez que a própria ferramenta de configuração das redes, geralmente instalada nos
computadores de supervisão ou em alguma
estação de engenharia, é também capaz de
acessar e configurar os instrumentos. Para os
projetos convencionais (4-20mA+HART),
recomenda-se a aquisição de um configurador portátil (hand held). Em alguns
transmissores, a configuração poderá ser
feita diretamente nos instrumentos, com
uso de recursos como chave magnética ou
botoeiras locais.
Pré-configurações?
Nos transmissores convencionais (420mA+HART) é possível solicitar ao fabricante, em geral sem custos adicionais,
algumas pré-configurações:
• Extração de raiz quadrada;
• Faixa calibrada;
• Indicação no display em unidades
de engenharia (pressão);
• Indicação no display em unidades
especiais, por exemplo: m3/h , l/h,
m 3. Nesse caso deve-se informar
previamente a unidade e a escala.
Certificações?
É comum o usuário solicitar ao fabricante
certificados de calibração emitidos por laboratório rastreado pela RBC. Os fabricantes
sempre fornecem certificados padronizados
que são gerados e emitidos durante a fase
de fabricação dos instrumentos. Outros
certificados de calibração, quando emitidos
por laboratório de metrologia rastreado pela
RBC, podem demandar em maior prazo
de entrega e em geral resultam em custos
adicionais.
Outra certificação importante deve ser
observada quando se usa transmissores em
área classificadas. Os projetos de instrumentação para esses casos adotam normas
atendendo: prova de explosão, segurança
aumentada ou segurança intrínseca. Os
certificados são distintos e é responsabilidade
do usuário sua correta utilização.
O mesmo vale para SIS, Sistemas Instrumentados de Segurança. Um transmissor
de pressão especificado para áreas críticas,
isto é, para a função de segurança, é um
equipamento projetado com probabilidades de falhas baixas e alta confiabilidade
de operação. No mercado existem dois
conceitos.Um que é o baseado no “Prove
in Use” e outro baseado na certificação
da IEC 61508. Tem-se visto na prática
em muitas aplicações a especificação de
equipamentos com certificação SIL para
serem utilizados em sistemas de controle,
e sem função de segurança. Acredita-se
também que haja no mercado desinformação, levando a compra de equipamentos
mais caros, desenvolvidos para funções de
segurança, onde na prática serão aplicados
em funções de controle de processo, onde
a certifição SIL não traz os benefícios esperados, dificultando inclusive a utilização
e operação dos equipamentos.
Os Sistemas Instrumentados de Segurança (SIS) são os sistemas responsáveis
pela segurança operacional e que garantem
a parada de emergência dentro dos limites
considerados seguros, sempre que a operação
ultrapassa estes limites.O objetivo principal
é se evitar acidentes dentro e fora das fábricas, como incêndios, explosões, danos aos
equipamentos, proteção da produção e da
propriedade e mais do que isto, evitar riscos
de vidas ou danos à saúde pessoal e impactos
catastróficos para a comunidade.
25
13/6/2011 12:55:27
instrumentação
Nenhum equipamento é totalmente imune
a falhas e sempre deve proporcionar mesmo
em caso de falha, uma condição segura.
Os transmissores certificados de acordo
com a IEC 61508 devem tratar basicamente 3 tipos de falhas: falhas de hardware
randômicas, falhas sistemáticas, falhas de
causas comuns.
O que o usuário deve saber sobre
Transmissores com certificação
SIL e por que eles não são a melhor
opção para controle e monitoração?
Nenhuma mudança de configuração,
simulação, multidrop ou teste de loop pode
ser feita com o equipamento em operação
normal (isto é, exigindo segurança). Nestas
condições a saída não está em condição
de ser avaliada seguramente. Ou seja, um
equipamento HART/4-20mA com certificação SIL2, não estará com nível SIL caso
a comunicação HART esteja habilitada e
possibilitando escritas.
Na condição segura deve estar com a
proteção de escrita desabilitada.
Nenhum ajuste local pode ser realizado
(Ajuste local deve ser desabilitado).
Nada é totalmente seguro. O que se
busca é reduzir a probabilidade de ocorrência de falhas.
Em caso de falha , esta deve ser segura,
isto é, ela pode ser identificada e permitir
ações corretivas.
Conexões especiais?
Em aplicações com fluidos agressivos,
temperatura ou viscosidade alta, sólidos em
suspensão, recomenda-se o uso de transmissores com selos remotos ou integrais
(os transmissores com selos integrais são
chamados de transmissores de nível). Devese, sempre que possível, evitar o emprego
de selos, pois estes degradam a exatidão da
medição, aumentam o tempo de resposta
do transmissor e sofrem grande influência
da temperatura ambiente. A calibração de
transmissores com selos remotos requer
cuidados especiais, pois não só a posição
do transmissor, mas a densidade do fluido
de enchimento são fatores a serem considerados.
Os selos com conexões flangeadas deverão
ser compatíveis com os flanges de processo
e respeitar as classes de pressão estabelecidas
nas tabelas de pressão e temperatura das
respectivas normas.
26
Faixa de pressão/rangeabilidade?
Os fabricantes adotam uma terminologia
padronizada que precisa ser conhecida:
• URL Limite superior para a faixa de
calibração;
• LRL Limite inferior para a faixa de calibração (em geral LRL = - URL);
• URV valor superior da faixa calibrada (deverá ser menor ou igual
à URL);
• LRV valor inferior da faixa calibrada
(deverá ser maior ou igual à LRL);
• SPAN URV – LRV ( deverá ser
maior que o SPAN mínimo do instrumento);
• A relação URL / SPAN mínimo define
a rangeabilidade do instrumento.
Os catálogos dos fabricantes em geral
mostram os valores de URL , LRL, e SPAN
mínimo para as diversas faixas dos transmissores. Pode-se observar que o SPAN
mínimo de uma determinada faixa será
sempre maior que o URL da faixa imediatamente inferior.
Por exemplo:
Faixa 4 - URL: 25 kgf/cm2 ; Span mínimo: 0,21 kgf/cm2 ; limites de sobrepressão
ou pressão estática: 160 kgf/cm2 ;
Faixa 5 - URL: 250 kgf/cm2 ; Span mínimo: 2,1 kgf/cm2 ; limites de sobrepressão
ou pressão estática: 320 kgf/cm2.
Para uma aplicação com faixa calibrada:
0 a 20 kgf/cm2, é possível usar o faixa 4
ou mesmo o faixa 5. Deve-se entretanto
escolher sempre o de faixa inferior. Todas
as especificações de estabilidade, efeito da
temperatura, efeito da pressão estática são
determinados com valores percentuais de
URL. Um exceção para essa escolha se dá
quando os limites de sobrepressão ou pressão
estática podem ser atingidos. No exemplo
acima esse limite é de 160 kgf/cm2 para o
faixa 4 e 320 kgf/cm2 para o faixa 5.
Recursos funcionais
Alguns transmissores possuem recursos
funcionais bastante interessantes. Para os
transmissores com protocolo Foundation
Fieldbus, é importante conhecer a biblioteca de blocos funcionais disponível. O
usuário deve se informar não apenas sobre
a diversidade desses blocos, como também
sobre a política de comercialização desses
recursos. Alguns fabricantes fornecem o
instrumento com alguns blocos básicos e
cobram adicionais para inclusão de blocos
avançados. Importante é também se informar
sobre a quantidade de blocos que podem ser
processados em um único transmissor. Este
limitante pode ser crítico em projetos com
malhas de controle mais complexas.
Para os transmissores convencionais
(4-20 mA+HART) é possível também o
uso de funcionalidades adicionais:
Controle PID
Nessa configuração o transmissor realiza
o algoritmo PID, comparando a variável
do processo com um setpoint pré-ajustado
e gera o sinal de saída de corrente para conexão direta ao posicionador da válvula de
controle. Esse recurso é válido para malhas
simples de controle e que não necessitam
de intervenções do operador (sempre em
automático com set point constante).
Totalização de vazão
O transmissor de pressão diferencial
quando usado em medições de vazão pode
ser configurado para indicação local da
vazão totalizada, além da instantânea.
Na figura 7 mostramos o D.B. e funções do transmissor de pressão 4-20
mA+HART.
A performance estática ou exatidão
(muitas vezes confundida com precisão,
onde exatidão está associada à proximidade
do valor verdadeiro e precisão à dispersão dos
valores resultantes de uma série de medidas)
de um transmissor de pressão depende de
quão bem calibrado é o transmissor e quanto
tempo ele pode manter sua calibração.
A calibração de um transmissor de pressão
envolve o ajuste de zero e span.A exatidão
normalmente inclui efeitos de não-lineraridade, histerese e repetibilidade.
Normalmente a exatidão é dada em %
do span calibrado.
Exemplos de medição de vazão com
transmissor de pressão diferencial são vistos
nas figuras 8 e 9.
Curiosidade: O mercado
mundial de transmissores
de pressão
Hoje nos processos e controles industriais,
somos testemunhas dos avanços tecnológicos
com o advento dos microprocessadores e
componentes eletrônicos, da tecnologia
Fieldbus, o uso da Internet, etc., tudo facilitando as operações, garantindo otimização
e performance dos processos e segurança
13/6/2011 12:55:34
instrumentação
operacional. Este avanço permite hoje que
transmissores de pressão, assim como os
de outras variáveis, possam ser projetados
para garantir alto desempenho em medições
que até então utilizam somente a tecnologia
analógica. Os transmissores usados até
então(analógicos) eram projetados com
componentes discretos, susceptíveis a drifits
devido à temperatura, condições ambientais
e de processo, com ajustes constantes através
de potenciômetros e chaves. Com o advento
da tecnologia digital, a simplicidade de uso
também foi algo que se ganhou.
Os transmissores de pressão são amplamente utilizados nos processos e aplicações
com inúmeras funcionalidades e recursos.
Como podemos ver na figura 1, a grande
maioria dos processos industriais envolvem
medições de vazão.
Segundo a ARC – Advisory Group, o
mercado mundial de transmissores de pressão
em 2006 foi de 2,38 bilhões de dólares e tem
como previsão, 2,8 bilhões em 2013.
Ainda vale citar os transmissores para
aplicações SIS, Sistema Instrumentado de
Segurança, assim como os transmissores
wireless que começam a ser utitlizados em
algumas aplicações.
A Smar está finalizando o desenvolvimento de seus transmissores de pressão
WirelessHART e ISA-SP100 e em breve
os disponibilizará ao mercado.
Para aplicações SIS, a Smar disponibiliza
seus transmissores da linha LD400-HARTSIS. Para mais detalhes, consulte: www.smar.
com/PDFs/catalogues/ld400cp.pdf
F7. Diagrama de blocos e funções de transmissor de pressão 4-20mA+HART.
F8. Medição de vazão usando tubo de Pitot.
Conclusão
Este artigo nos mostrou um pouco da
história da medição de vazão, sua importância na automação e controle de processos,
peculiaridades e características, aliados aos
avanços tecnológicos nos transmissores de
vazão. Vimos também um pouco sobre o
mercado e sua tendência de crescimento
e os cuidados referentes às instalações, às
especificações e terminologias adotadas
para transmissores.
MA
F9. Medição de vazão usando placa de orifício.
27
13/6/2011 12:55:42
conectividade
Entendendo as
Reflexões em
Sinais Profibus
Apesar de muito simples, a tecnologia do meio físico mais utilizada no Profibus-DP, a RS-485, ainda vemos alguns detalhes
em campo que poderiam ser evitados e que poderiam diminuir
o tempo de comissionamento e startup e evitar as condições
de intermitências e paradas indesejadas durante a operação.
Trataremos brevemente sobre reflexões de sinais neste artigo.
César Cassiolato
Diretor de Marketing, Qualidade
e Engenharia de Projetos e Seviços
- Smar Equipamentos Industriais
saiba mais
Minimizando Ruídos em Instalações
PROFIBUS
Raio de Curvatura Mínima e
Instalações PROFIBUS
Aterramento, Blindagem,
Ruídos e dicas de instalação
- César Cassiolato
EMI: Interferência
Eletromagnética - César
Cassiolato
Material de Treinamento e
artigos técnicos Profibus - César
Cassiolato
Especificações técnicas e Guias de
Instalações Profibus:
www.smar.com/brasil2/
artigostecnicos/
O meio físico RS-485
Neste padrão temos dois canais independentes conhecidos como A e B, que
transmitem níveis de tensão iguais, porém
com polaridades opostas (VOA e VOB ) ou
simplesmente VA e V B. Por esta razão, é
importante que a rede seja ligada com a
polaridade correta.
Embora os sinais sejam opostos, um não
é o retorno do outro, isto é, não existe um
loop de corrente. Cada sinal tem seu retorno
pela terra ou por um terceiro condutor de
retorno, entretanto, o sinal deve ser lido pelo
receptor de forma diferencial sem referência
ao terra ou ao condutor de retorno.
Quanto ao aterramento neste sistema de
comunicação, esta é a grande vantagem do
sinal diferencial: note, na figura 1a, que o
sinal está trafegando com fases invertidas nos
condutores do cabo enquanto o ruído trafega
com mesma fase. Nos terminais de entrada
do amplificador diferencial, o sinal de comunicação Profibus chega em modo diferencial
e o ruído em modo comum, rejeitando-o.
Sendo assim, todo ruído que for induzido no
cabo, em geral de origem eletromagnética,
será em sua maioria rejeitado.
Linhas de transmissão diferenciais utilizam como informação apenas a diferença de
potencial existente entre os dois condutores
do par trançado, independente da diferença
de potencial que eles apresentam em relação
ao referencial de tensão (comum ou terra).
Figura 1b.
O que é reflexão de sinal?
A reflexão do sinal ocorre quando um
sinal é transmitido ao longo de um meio de
transmissão, tal como um cabo de cobre ou
Site do fabricante:
www.smar.com.br
28
MA50_Ent_Profibu.indd 28
13/6/2011 10:47:40
conectividade
Atenção:
Sempre que possível, consulte a norma
EN50170 para as regulamentações físicas,
assim como as práticas de segurança de
cada área.
É necessário agir com segurança nas
medições, evitando contatos com terminais
e fiação, pois a alta tensão pode estar presente e causar choque elétrico. Lembre-se
que cada planta ou sistema tem seus detalhes de segurança. Informe-se sobre esses
detalhes antes de iniciar o trabalho!
Para minimizar o risco de problemas
potenciais relacionados à segurança, é
preciso seguir as normas de segurança
e de áreas classificadas locais aplicáveis
que regulam a instalação e operação dos
equipamentos. Estas normas variam de área
para área e estão em constante atualização.
É responsabilidade do usuário determinar
quais normas devem ser seguidas em suas
aplicações e garantir que a instalação de
cada equipamento esteja de acordo com as
mesmas.
Uma instalação inadequada ou o uso de um
equipamento em aplicações não recomendadas podem prejudicar a performance
de um sistema e consequentemente a
do processo, além de representar uma
fonte de perigo e acidentes. Devido a isto,
recomenda-se utilizar somente profissionais treinados e qualificados para instalação,
operação e manutenção.
A
B
F1. Sinal Profibus-DP – RS-485 (A) e Rede Profibus-DP – RS-485 (B).
fibra óptica, e parte da energia do sinal pode
ser refletida de volta para sua origem. Isso
pode acontecer por imperfeições no cabo,
mudança de impedância ao longo da linha de
comunicação (splices), falta do terminador,
spur além do permitido, comprimento total
além do permitido, etc.
Os pontos mais prováveis para reflexões
são nas conexões ou junções do cabo, ou
ainda em locais onde se tem violada a curvatura mínima do cabo. Acompanhe agora
as figuras 2a e 2c.
Observe na figura 2c que, quanto maior
for a taxa de comunicação, maior será a
influência da reflexão, pois o tempo de bit
é menor.
Curvatura mínima
Flexão, alongamento, torções, esmagamentos durante o processo de instalação do
cabo Profibus podem forçar os condutores,
ou mesmo alterar suas seções transversais.
Isso perturba o eixo comum dos condu-
tores e blindagem, e mostra-se como uma
mudança na impedância no ponto de stress
do cabo. Através da captura de sinais, estes
pontos podem ser facilmente identificados
pelas reflexões nos sinais. Em todos os
casos, o raio mínimo especificado refere-se
à superfície interna do cabo, e não ao eixo
do cabo. Veja a figura 3.
A figura 4 mostra um exemplo de instalação onde a curvatura mínima foi violada e
com isto o sinal Profibus se comporta como
o da figura 5. Frequentemente, os danos não
são visíveis e a própria isolação e integridade
do cabo podem ficar comprometidas.
A figura 6 apresenta um diagrama de
uma linha básica de transmissão “singleended”. Uma fonte de tensão (Vs) gera
uma sinal digital com uma impedância Zs.
A linha de transmissão tem a impedância
AC (Z0) em relação ao terra e, no final do
cabo tem-se a impedância (ZT), casadora
de impedância. No caso do Profibus, temos
o terminador no ínicio e término de cada
segmento, garantindo a melhor condição
de sinais.
O que é um terminador
de rede?
O terminador é uma impedância que se
acrescenta na rede Profibus com a função de
casar a impedância da rede. Quanto maior
for o comprimento da rede, maior poderá
ser a distorção dos sinais. O terminador
elimina erros de comunicação por distorções
de sinais. Vale a pena ainda lembrar que se
não colocarmos o terminador, o cabeamento
funciona como uma antena, facilitando a
distorção de sinais e aumentando a susceptibilidade a ruídos.
A impedância característica é o valor da
carga, que colocada no final desta linha, não
reflete nenhuma energia. Ou, em outras
palavras, é o valor da carga que proporciona um coeficiente de reflexão zero, ou
ainda, uma relação de ondas estacionárias
igual a um.
29
13/6/2011 10:47:47
conectividade
Se não há os terminadores no segmento
Profibus, o sinal resultante na carga é distorcido no tempo (jitter) e amplitude (oscilações).
Toda vez que a geometria do cabo for alterada
resultará em desequilíbrios de impedância
e haverá reflexões resultantes.
Tanto a rede Profibus-DP quanto a
rede Profibus-PA exigem os terminadores.
É obrigatório o uso dos terminadores de
barramento, onde sua ausência causa o
desbalanceamento, provocando atraso de
propagação, assim como a oscilações ressonantes amortecidas causando transposição
dos níveis lógicos (thresholds). Além disso,
melhora a margem de ruído estático. No
A
B
F3. Raio de Curvatura Mínimo.
C
F2. Sinal Profibus sem reflexão (à esq.) e com reflexão por falta de terminador (à dir.) em “A”,
Sinal Profibus com reflexão por splices na instalação (à esq.) e sem reflexão (à dir.) em “B“ e
Sinal Profibus com reflexões em diferentes “baud rates” em “C“.
30
F4. Exemplos de Curvaturas Mínimas
Inadequadas e de Cabos Danificados.
13/6/2011 10:47:54
conectividade
Profibus-DP os terminadores são ativos, isto
é, são alimentados. Veja a figura 7.
Há a necessidade da terminação ativa no
barramento, no começo e no fim de cada
segmento, e para manter a integridade do
sinal de comunicação, ambos terminadores
devem ser energizados. Vide figura 8.
No Profibus-PA, deve-se ter terminadores no barramento (resistor de 100 ohms
e um capacitor de 1 μF em série), um no
início e outro no final. Não se deve ligar a
blindagem ao terminador e sua impedância
deve ser 100 ohms +/-20% entre 7,8 e 39
kHz. Este valor é aproximadamente o valor
médio da impedância característica do cabo
nas frequências de trabalho e é escolhido
para minimizar as reflexões na linha de
transmissão, assim como para converter
o sinal em níveis aceitáveis de 750 a 1000
mV. Preste atenção na figura 9.
Os cuidados necessários
com os terminadores na
rede Profibus-DP
Pelo fato dos terminadores serem ativos,
um erro comum que se comete é colocar
como escravo DP as estações de trabalho
F5. Sinal Profibus com reflexão devido à violação da curvatura mínima do cabo.
onde, em uma queda de energia ou reset do
microcomputador, as linhas de alimentação
balançam, desbalanceando a rede e causando
intermitência e paradas indesejadas.
Conclusão
Como o Profibus e o AS-i são tecnologias
consolidadas em milhares de aplicações em
todo o mundo, é essencial que os projetos de
sistemas de automação que utilizam estas
tecnologias possam contar com profissionais
F6. Diagrama de uma linha de transmissão
básica (single-ended).
31
13/6/2011 10:48:01
conectividade
F7. Terminador de barramento Profibus-DP.
F8. Terminador ativo de barramento Profibus-DP.
altamente capacitados e reconhecidos para
garantir o sucesso do empreendimento.
Assim, a Smar possui a maior equipe do
Brasil capacitada para análise de redes digitais
de automação, configuração, comissionamento, startup e instalações. São milhares
de pontos Profibus e AS-i certificados e
verificados pela Smar em várias aplicações
e nos mais diversos segmentos industriais,
garantindo, além da conformidade com os
padrões, vantagens como:
• aumento do desempenho e confiabilidade da rede;
• redução no tempo de comissionamento, startups e paradas;
• atuação preventiva e preditiva nas
possíveis falhas em instalações e sinais
de comunicação;
• aumento da segurança operacional
com as melhorias sugeridas;
• elevação da performance operacional e
redução dos custos globais de operação
e manutenção, entre outros.
Com a Smar, o cliente tem acesso a relatórios detalhados das informações e análises
técnicas, mostrando os pontos em desacordo
com os padrões, as correções necessárias e
as sugestões de melhorias.
MA
Nota: Este artigo não substitui os padrões
IEC 61158 e IEC 61784 e nem os perfis e
guias técnicos do PROFIBUS. Em caso de
discrepância ou dúvida, os padrões IEC
61158 e IEC 61784, perfis, guias técnicos e
manuais de fabricantes prevalecem. Sempre
que possível, consulte a EN50170 para as
regulamentações físicas, assim como as
práticas de segurança de cada área.
Para informações sobre certificação
de redes Profibus e AS-i, consulte: www.
smar.com/brasil2/especialistas_profibus.asp
César Cassiolato é Engenheiro Certificado
na Tecnologia PROFIBUS e Instalações
PROFIBUS pela Universidade Metropolitan de
Manchester-UK. [email protected]
F9. Forma de onda típica na rede PA e a influência dos terminadores.
32
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automação
Controladores de
temperatura PID
Neste artigo, cujo foco central são os Controladores de Temperatura PID - um tipo de controlador contínuo que combina
três modos de controle: proporcional, integral e derivativo
- apresentamos também uma introdução geral ao controle de
processo nas aplicações industriais
Filipe Pereira
[email protected]
Controle de processos
saiba mais
Curso de Automação Industrial
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Profissionais
Manual de Formação. Eng.º Filipe
Alexandre de Sousa Pereira
Catálogos OMRON
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34
Para se analisar, de uma forma eficaz,
os elementos de uma linha de produção
industrial é necessário ter uma compreensão
global dos princípios de controle de processos. A partir daí, pode-se descrever a forma
como cada elemento em particular afeta o
problema do controle global. Este ponto
faz uma introdução geral ao controle de
processos nas aplicações industriais.
Os elementos de um sistema complexo são
mais facilmente compreendidos se primeiro
se considerar a operação do sistema global.
Como é óbvio, seria muito frustrante estudar
todos os elementos de um automóvel sem
saber antes que o resultado é um veículo
de transporte com determinadas características. Por esta razão, iremos analisar a
malha total de controle de processos, a sua
função e a respectiva descrição das partes
que a constituem.
Algoritmo de controle
de processos
Atualmente existe uma enorme variedade de equipamentos que, combinados,
constituem cadeias de controle adaptadas
aos inúmeros problemas de controle e a um
grande número de processos.
O controle de sistemas é a regulação
dos parâmetros de um processo para estarem dentro de uma determinada faixa de
operação, ou para estarem de acordo com
um ponto pré-definido.
O controle é utilizado para monitorar,
analisar e corrigir parâmetros do processo
através da análise das características dinâmicas dos sistemas.
Variável de processo (PV) é a variável
medida do processo que se deseja estabilizar. Um exemplo de variável de processo é
a temperatura que se mede de um sistema
através de uma RTD ou termopar.
MA50_CursoAutom4.indd 34
13/6/2011 16:37:29
automação
Setpoint (SP) é o ponto de funcionamento
desejado para o sistema: ele costuma ser um
valor pré-fixado pelo operador. Um exemplo de setpoint é o valor que um operador
estabelece de temperatura para uma seção
industrial.
Erro (E) é a diferença que existe entre
a variável de processo e o setpoint, ou seja
E = SP-PV.
Variável de controle (CV) é o elemento
que vai ser atuado pelo controlador para
condicionar a variável de processo ao valor
indicado pelo setpoint. Um exemplo de uma
variável de controle é uma resistência que
vai condicionar a temperatura.
Distúrbio ou ruído é o sinal que tende a
afetar de forma adversa o valor da variável
de controle.
Sistema de controle em malha aberta é o
sistema no qual a ação de controle é independente da saída, ou seja, a saída do controlador
não tem efeito na ação de controle.
Sistema de controle em malha fechada é
aquele no qual a ação do controle depende da
saída. Neste caso, a saída é sempre medida
e comparada com a entrada por forma a
diminuir o erro e manter a saída do sistema
dentro do valor desejado.
Realimentação é uma característica dos
sistemas de controle em malha fechada e
que permite comparar a entrada com a
saída do sistema.
Quando a realimentação se faz com o
objetivo de eliminar o defasamento entre o
valor desejado para o processo e o valor deste,
diz-se que a realimentação é negativa.
Diz-se que um controlador está em ação
direta quando um aumento na variável de
processo, em relação ao setpoint, provoca
um aumento da saída de controle.
Diz-se que um controlador está em ação
inversa quando um aumento na variável de
processo, em relação ao setpoint, provoca
uma diminuição da saída de controle. Veja
a figura 1.
Para ilustrar o funcionamento de um
controle em malha fechada, considere-se
um sistema que utiliza vapor quente para
controlar a temperatura em um depósito.
Observe a figura 2.
A temperatura do depósito deverá ser
mantida em 150ºC (SP). Como a variável
temperatura está condicionada pelo tempo,
é chamada de variável de processo (PV).
A quantidade de vapor que entra no
depósito para controlar a temperatura é
F1. Controle em malha fechada.
F2. Controle.
chamada de variável de controle (CV) e a
válvula que controla a quantidade de vapor,
que entra no depósito para o aquecer, de
elemento de controle.
Se a temperatura lida do processo for
inferior ao setpoint dado pelo operador,
o controlador dará informação à variável
de controle (CV) para abrir a válvula,
permitindo a entrada de mais vapor e,
consequentemente, aumentar a temperatura
dentro do depósito.
Se a temperatura não for para o valor de
setpoint desejado, o controlador repetirá este
processo até que a temperatura do processo
(PV) esteja o mais próximo possível do ponto
desejado pelo operador (SP).
A diferença entre a temperatura do
processo e a temperatura que para ele se
deseja designa-se por erro que, dependendo
do estado da variável de processo, pode ser
negativo ou positivo.
Assim, se a temperatura do processo
for superior ao valor desejado, o erro (E)
é negativo e vice-versa. Quando o erro é
igual a zero, diz-se que o processo está
regulado.
Um controlador pode ser caracterizado
pelo seu sinal de saída. Desta forma irão
abordar-se dois tipos de controladores:
os discretos e os contínuos. Atente para a
figura 3.
Os controladores discretos têm saídas
do tipo On/Off, ou descontínuas. Nos
controladores contínuos o sinal de saída é
do tipo contínuo.
Devido à natureza do seu sinal, os controladores discretos produzem no sistema a
controlar uma estabilidade condicionada,
ou seja, o erro do sistema oscilará entre
dois valores pré-determinados, criando,
na estabilidade, uma senoide de amplitude
reduzida.
35
13/6/2011 16:31:52
automação
F3. Controle discreto e controle contínuo.
F4. Controle do aquecimento da água num termoacumulador.
F5. Análise do controlador e variável a controlar.
F6. Controlador proporcional.
36
Este tipo de controlador é o mais básico
de todos os controladores, uma vez que
fornece somente sinais do tipo On/Off ao
elemento de controle.
Estes controladores são utilizados em
sistemas onde o controle não tem de ser
eficaz, por exemplo, na temperatura de uma
habitação, onde através do termostato se insere
um valor desejado para a temperatura (com
um valor superior o aquecedor desliga-se,
e com um valor inferior o aquecedor liga).
Acompanhe a figura 4.
Se o aquecimento tiver uma banda morta,
significa que o termostato não acionará o
aquecedor quando a temperatura descer
imediatamente abaixo do setpoint, mas sim
num valor abaixo.
Se a banda morta do aquecimento for
de 4ºC e o setpoint da temperatura for de
70ºC, o aquecimento só ligará abaixo dos
70ºC-2ºC=68ºC e só se desligará acima
dos 70ºC+2ºC=72ºC.
A ação da banda morta evita essencialmente o desgaste excessivo (liga/desliga)
do elemento de controle que, neste caso, é
o termostato.
O controlador acima referido tem uma
ação inversa no processo, ou seja, quando a
temperatura desce abaixo do setpoint ,menos
a banda morta, o controlador aumenta
a sua saída para 100% (On) e quando a
temperatura sobe acima do setpoint mais a
banda morta, o controlador diminui a sua
saída 0% (Off). Veja a figura 5.
Nos sistemas, quando se adiciona uma
banda morta, para aumentar o tempo de
vida útil do termostato, o erro do sistema
aumenta.
Se a banda morta do sistema for diminuída, o erro do sistema também diminuirá
mas tornará o sistema mais oscilatório, uma
vez que o “liga/desliga” do sistema terá uma
frequência maior.
Deverá existir neste tipo de controladores
um compromisso entre o erro provocado
pela banda morta e a frequência de ativação do elemento de controle neste caso, o
termostato.
Um controlador contínuo envia um
sinal analógico para o elemento a controlar,
para regular a variável de processo. Nos
sistemas com CLPs, o controlador contínuo
terá de ter dispositivos especiais (cartas de
entradas e saídas analógicas) com rotinas
de programação específicas para controlar
o processo.
13/6/2011 16:32:01
automação
F8. Tipos de controle.
F7. Aquecimento e Arrefecimento.
Os controladores contínuos podem
controlar os processos de três formas distintas:
• Controle Proporcional (P);
• Controle Integrativo (I);
• Controle Proporcional Integral (PI);
• Controle Derivativo (D);
• Controle Proporcional Integral Derivativo (PID).
Estes três modos de controle são também
designados de ações de controle, cada uma
delas reagindo de forma distinta ao erro
presente nos sistemas.
O controle proporcional ajusta a variável
de controle de forma proporcional ao erro.
O controle integral ajusta a variável de
controle baseando-se no tempo em que o
erro acontece.
O controle derivativo ajusta a variável
de controle tendo como base a taxa de variação do erro. A combinação destes tipos
de controle forma o controlador conhecido
na indústria como PID.
Quando o processo se desvia do setpoint,
a variável de controle executa um movimento
brusco de On para Off, provocando uma
oscilação.
Para evitar este tipo de movimento foi
desenvolvido um controlador proporcional ao
desvio entre o setpoint e o valor do processo.
Observe o gráfico na figura 6.
F9. Controle de temperatura em malha fechada.
F10. Controle em malha fechada.
O que é o controle
de temperatura?
Controle de Temperatura
- Malha Fechada
Consiste em alterar a temperatura ambiente para a temperatura desejada através do:
aquecimento ou arrefecimento. Acompanhe
na figura 7. Mantendo, assim, a temperatura
nos valores desejados.
A seguir, apresentamos alguns tipos de
controle na figura 8: de Malha Aberta e de
Malha Fechada.
No primeiro deles, o ajuste da variável
manipulada é feito sem consideração do valor
do processo. Já, no segundo modelo sim,
conforme esclarece o diagrama de blocos
dessa figura.
A temperatura é medida através de um
sensor para obter o valor do processo (PV).
O utilizador especifica qual a temperatura
pretendida (SV), ou o Setpoint (SP).
O controlador compara o SV com o PV
e ajusta a saída através de um relé, contator
ou SSR, atuando no processo (figura 9).
Controle em Malha Fechada
Observe a figura 10. Nesse diagrama
básico temos o elo de realimentação da
temperatura real (PV) para a entrada do controlador através de uma sonda (sensor).
37
13/6/2011 16:32:10
automação
F11. Processo a controlar.
F12. Controle do sistema.
Aplicações para o Controle
de Temperatura
Indústria Vidreira;
Indústria de Plásticos;
Padarias;
Estufas Agrícolas;
Indústria Química;
Indústria Cerâmica;
Etiquetagem;
Indústria Automobilística;
Indústria do Papel;
Indústria Alimentar;
Indústria de Bebidas;
Refrigeração.
38
Controle PID – Descrição
Objetivo: Pretende-se aquecer e controlar
a temperatura em 90 ºC, utilizando o controle
PID do sistema descrito na figura 11.
Para tal pretende-se utilizar o controlador de temperatura E5CN da OMRON.
Veja a solução esquemática na figura 12,
onde aparecem com destaque o sensor de
temperatura e a saída do controle através
dos contatos NC e NO de um relé. MA
13/6/2011 16:32:18
automação
39
13/6/2011 16:32:37
automação
Modulação PWM
nos Inversores
de Frequência
Este artigo abrange uma descrição da modulação PWM aplicada ao inversor de frequência, buscando analisar os efeitos
desta técnica sobre a rede elétrica de alimentação do motor. A
abordagem em questão é realizada de maneira simplificada,
visando um entendimento básico sobre o assunto.
O
saiba mais
O que é PWM?
Revista Mecatrônica Fácil 45
CORTIZO, Porfírio C. Fontes de
Alimentação CC-CA. Grupo de
Eletrônica de Potência da UFMG.
Disponível em: http://www.cpdee.
ufmg.br/~porfirio /Fontes CC
CA/ comando igbt.ppt Acesso em
30/04/11
FITZGERALD, A. E.; KINGSLEY
JR, Charles; UMANS, Stephen D.
Máquinas Elétricas com Introdução à
Eletrônica de Potência. 6ª Ed. Porto
Alegre: Bookman, 2006.
POMILIO, José A. Conversores CCCA: Inversores Operando em Frequência
Constante. EE833 – Eletrônica de
Potência, Módulo 6, FEEC – UNICAMP. Disponível em: http://www.
dsce.feec.unicamp. br/~antenor/
pdffiles/ee833/Módulo 6.pdf.
Acesso em 30/04/2011.
Mecatrônica
Atual ::
Continua
no fim do artigo...
40
MA50_Mod_PWM.indd 40
s inversores de frequência constituem-se
como grandes aliados no acionamento de
máquinas elétricas. A evolução tecnológica
deste equipamento contribuiu significativamente para torná-lo preferível em diversas
aplicações. Uma técnica muito utilizada na
estrutura de funcionamento de um inversor
para a regulagem da frequência de operação é
a modulação tipo PWM, simples e eficiente
para esta necessidade.
Inversor de frequência
É um equipamento destinado a realizar
a conversão de uma rede de corrente contínua
(CC) para uma rede de corrente alternada
(CA), com possibilidade de variação da
frequência do sinal. Esta variação é muito
utilizada para controlar a velocidade de
motores CA, principalmente os motores de
indução (MITs).
O esquema básico de um inversor trifásico
está representado na figura 1. Observa-se a
composição de três estágios de potência:
• O estágio conversor CA-CC, formado
pela ponte retificadora a diodos;
Paulo Antonio dos Santos
e Denis F. Ramos
da Universidade de Taubaté - UNITAU
Francisco José Grandinetti
e Marcio Abud Marcelino
da Universidade de Taubaté - UNITAU
Univ. Estadual Paulista - UNESP/FEG
• O link CC, formado por capacitores
para manter a tensão CC polarizada, relativamente constante e sem
flutuações;
• O estágio conversor CC-CA, formado
por uma ponte de dispositivos de chaveamento (representados por chaves
ideais na figura 1), para reproduzir
o sinal CA.
O conversor CC-CA é operado por um
módulo de controle, que determinará a abertura
e o fechamento das chaves para reproduzir
o sinal CA. Neste momento, também é
possível variar a frequência do sinal de saída
para regular a velocidade do MIT.
Na prática, as chaves ideais são substituídas
por semicondutores de potência que exercem
a mesma função de chaveamento, tais como
tiristores, e transistores MOSFET ou BJT. O
dispositivo mais utilizado para o chaveamennto é o transistor bipolar de porta isolada,
ou IGBT (do inglês Insulated-Gate Bipolar
Transistor), que combina as características
do BJT e do MOSFET. Os semicondutores
comuns estão ilustrados na figura 2.
2011
13/6/2011 10:25:33
automação
F1. Esquema básico de um inversor de frequência trifásico.
Os diodos conectados em paralelo com
os dispositivos de chaveamento funcionam
como proteção contra a circulação de
correntes reversas no momento em que o
dispositivo está no estado desligado, direcionando a passagem das correntes através
dos diodos.
O módulo de controle enviará sinais na
forma de trem de pulsos para comando do
chaveamento dos transistores. Levando-se
em conta que o MIT opera por uma corrente
CA senoidal, a combinação de chaveamento
adequada levará a reprodução desta corrente.
Uma técnica muito utilizada para a geração
dos pulsos de controle é a modulação por
largura de pulso, ou PWM (do inglês Pulse
Width Modulation), descrita a seguir.
Modulação Tipo PWM
A modulação do tipo PWM consiste
na geração de um trem de pulsos de onda
quadrada, porém com largura do pulso
variada. Este tipo de modulação pode ser
obtido através da comparação de um sinal
senoidal e um sinal triangular.
A figura 3 mostra o processo de obtenção do PWM, utilizando um amplificador
operacional para a comparação dos sinais
comentados. Pode-se notar que a diferença
entre os sinais senoidal e triangular produzirá
valores positivos e negativos ao longo do
tempo. Pela característica de funcionamento
do amplificador operacional, uma diferença
positiva irá levá-lo à saturação no seu limite
de tensão positivo, enquanto que uma diferença negativa levará à saturação no seu
limite negativo. As diferenças têm duração
limitada pelas intersecções das formas de
onda. Portanto, tem-se como resultado um
F2. Semicondutores utilizados em inversores
F3. Modulação PWM.
trem de pulsos de amplitudes limitadas pela
saturação do amplificador e largura limitada
pela duração das diferenças, formando o
sinal modulado PWM.
Dos conceitos de telecomunicações podese definir o chamado Índice de Modulação
(M), dado pela razão entre a amplitude
A M do sinal modulante (neste caso, o sinal
senoidal), e a amplitude AP da portadora
(sinal triangular em questão), definido
pela equação 1:
(1) M =
AM
AP
O índice de modulação deverá estar
na faixa entre 0 e 1, ou 0 e 100%. Valores
superiores a 1 provocam a perda de amostragem do sinal, ou seja, a onda triangular
não envolverá toda a região da amplitude
da senoide, gerando um sinal PWM deficiente.
F4. Sinal PWM com fp=9fM.
Uma condição para a modulação é que a
frequência da portadora fP seja maior que a
da modulante fM. No caso da figura 3, temse que a portadora tem frequência três vezes
maior que a modulante. Pode-se melhorar a
taxa de amostragem do sinal senoidal aumentando ainda mais a frequência da portadora,
obtendo uma modulação mais eficiente. A
figura 4 apresenta um sinal PWM em que
a frequência da portadora é de nove vezes
a frequência da modulante. Observa-se a
melhora na taxa de amostragem.
41
13/6/2011 10:25:42
automação
F5. Representação de uma fase de um
estágio conversor CC-CA com BJTs.
Controle PWM do Inversor
Cada dispositivo de chaveamento no
conversor CC-CA do inversor receberá
um trem de pulsos PWM, seja na forma de
tensão ou corrente, dependendo do tipo de
dispositivo de chaveamento. Para o IGBT,
por exemplo, necessita-se de uma tensão
aplicada ao terminal de porta (gate) para
que haja o chaveamento.
Como exemplo, será mostrado o controle
PWM em um ramo do estágio conversor
CC-CA, ou seja, em uma fase da alimentação
do motor. Será utilizado como elemento de
chaveamento o transistor BJT (do inglês Bipolar Junction Transistor). A montagem deste
circuito está mostrada na figura 5, com os
transistores representados por Q1 e Q4 .
De acordo com o funcionamento do BJT,
na ausência de pulsos, o transistor se comporta
como uma chave aberta. A injeção de uma
corrente no terminal de base (B), com tensão
tipicamente superior a 0,7 volts, faz com que o
dispositivo conduza uma corrente do terminal
coletor (C) ao emissor (E). Com uma corrente
de base elevada ocorre a saturação do BJT,
fazendo a tensão entre os terminais coletor
e emissor chegar a valores próximos a zero,
e, neste caso, o dispositivo funciona como
uma chave fechada. A resistência R presente
na base serve para controlar a intensidade
da corrente injetada.
A aplicação do sinal PWM sobre o
transistor fará com que ele opere abrindo
e fechando alternadamente, com tempo de
operação limitado pela largura de cada pulso.
Como os dois transistores estão ligados em
série, a condição fundamental para operação
é manter Q1 aberto enquanto Q4 estiver
fechado, e vice-versa. Se os dois transistores
estiverem fechados ao mesmo tempo, haverá
uma ligação direta entre as tensões +VCC e
42
F6. Funcionamento de uma fase do conversor. Observa-se que os pulsos de Q4 são invertidos
em relação a Q1 para evitar a condução simultânea dos transistores.
–VCC do link CC, provocando uma corrente
de sobrecarga no circuito e danificando os
dispositivos.
A figura 6 ilustra o funcionamento de
um ramo conversor, mediante a injeção de
sinal modulado nos transistores Q1 e Q4 .
Aplica-se o trem de pulsos modulado em
Q1 e o mesmo sinal comentado é invertido e
aplicado a Q4, de modo a manter a condição
de funcionamento alternado dos transistores.
Nota-se que, quando Q1 é excitado pelo
nível positivo do pulso, comporta-se como
chave fechada e deixa a saída do ramo igual
à +VCC , enquanto Q4 permanece aberto.
Analogamente, quando excitado positivamente, Q4 entra no estado fechado, gerando
–VCC na saída, com Q1 aberto. Vale observar
que a forma de onda da tensão de saída é
modulada, com níveis positivos devido a
Q1 e níveis negativos devido aQ4 .
Para os demais ramos do estágio conversor
CC-CA, valem as mesmas características
de funcionamento, sendo o detalhe de que
devem estar defasadas de um ângulo de
120º, por se tratar de um sistema trifásico.
A saída em cada ramo do sistema corresponde à tensão de fase. A tensão de linha
da saída corresponde à diferença entre duas
das tensões de fase, exibida pela figura 7.
Observa-se que a forma de onda obtida
fica caracterizada por cada semiciclo da
senoide, ou seja, para o semiciclo positivo os
valores alternam entre 0 e +VCC , enquanto
que para o semiciclo negativo há alternância
entre 0 e –VCC .
Efeito Sobre o MIT
Nesta parte, será analisado o comportamento da corrente elétrica devida à tensão
modulada sobre uma fase da alimentação
do MIT, considerando-se uma ligação tipo
estrela para os terminais do motor. Este
estudo será auxiliado por computador,
através de simulação do circuito no antigo
software EWB, versão 4.1.
Basicamente, um MIT, ou motor de
indução trifásico, é composto por uma parte
fixa em forma de anel, o estator, que recebe
a alimentação da rede elétrica, e por outra
parte móvel em formato cilíndrico, o rotor,
posicionado interno ao anel do estator.
Quando o estator é alimentado, um campo
magnético girante é gerado e, da mesma forma
que um ímã atrai um material metálico,
o campo girante do estator atrai o rotor,
fazendo-o girar no mesmo sentido.
O modelo elétrico por fase do MIT é
representado por uma impedância estatórica,
com uma resistência R1 e uma indutância L1,
uma impedância rotórica, com uma resistência
R 2 e uma indutância L2, e um ramo magnetizante, expresso por uma indutância Lm. A
figura 8-a destaca este modelo, observando
que R 2 é dividido pela grandeza s, chamada
escorregamento, que expressa o percentual da
diferença entre as velocidades angulares do
estator e rotor. Se for desprezada Lm, pode-se
representar o motor como uma resistência
total RT em série com uma indutância total
LT, ou seja, um circuito R-L série, conforme
a figura 8-b.
Baseado nesta situação, é possível obter a
curva da corrente no motor devida à tensão
modulada, por fase. A figura 9 mostra as
formas de onda de corrente para três tipos de
modulação em tensão. Para todos os casos,
a tensão de pico modulada vale 200 V e o
índice de modulação utilizado no controle
foi M=0,85. A resistência total tem valor
de 10 Ω a indutância 5 mH, valores típicos
de um motor de 7,5 HP. Em 9-a, tem-se
a curva de corrente gerada por uma tensão
13/6/2011 10:25:49
automação
F7. Representação da tensão modulada Vab.
As tensões de fase Va e Vb estão defasadas
de 120º, com a tensão Vab = Va-Vb.
modulada com frequência 60 Hz senoidal
e 540 Hz triangular, ou f P =9f M. Para 9-b,
foi aumentada a frequência da portadora
para 1,62 kHz, ou f P =27f M, e para 9-c a
portadora passa a ter 14,6 kHz, ou f P =81f M.
Em todos os casos a corrente teve valor de
pico aproximado de 14,5 A.
Pelas curvas representadas na figura
9, para cada pulso alternado, a corrente é
carregada e descarregada no circuito. Devido
à variação na largura de cada pulso, ora a corrente carrega mais e ora carrega menos.
O resultado é uma forma de onda com
aparência senoidal, devido à modulação ter
sido feita sobre uma senoide. É notável o fato
de que, quanto mais for elevada a frequência
da portadora, mais a curva de corrente se
aproxima de uma senoide perfeita, porém a
frequência máxima está limitada à capacidade
do dispositivo de chaveamento. Por exemplo,
o limite de frequência para um IGBT está
em torno de 20 kHz. Vale observar, ainda,
que quanto maior a frequência da portadora,
menor será a largura dos pulsos.
Verifica-se, também, que a frequência
da corrente de saída é equivalente à frequência da modulante, ou seja, igual à do
sinal senoidal. Este fato é comprovado ao
medir-se o tempo de um ciclo completo da
onda de corrente, neste caso em questão o
valor encontrado foi de 16,3 ms, equivalente
a uma frequência de 60 Hz.
Conclusões
A partir do estudo realizado, pode-se
observar que se torna relativamente simples
variar a frequência de alimentação da rede do
motor CA utilizando a técnica de modulação
tipo PWM, variando a frequência do sinal
da modulante.Uma vez ajustada adequadamente a frequência da portadora, produz-se
F8. Representações de um MIT. Em (a), o modelo típico; em (b), uma
aproximação a um circuito R-L série.
F9. Sinais de corrente de fase gerados no motor pela aplicação da tensão modulada.
(a) fp=9fM. (b) fp = 27fM. (c) fp = 81fM.
um sinal de corrente quase senoidal, porém
deve ser observado o limite da frequência de
chaveamento do dispositivo semicondutor.
Outro inconveniente é o fato de que, tanto
o sinal de tensão modulada como o sinal de
corrente de saída não serem perfeitamente
senoidais, implicando no aparecimento de
harmônicas na rede. Há opções de adquirir o inversor de frequência com filtro de
harmônicas instalado, para evitar que este
ruído cause mau funcionamento nos demais
equipamentos da mesma rede que alimenta
o inversor. Não há dúvida sobre a enorme
praticidade que os inversores de frequência
trouxeram ao mercado de acionamento de
máquinas CA, consagrando-se como opção
barata e conveniente.
MA
...Continuação do Saiba Mais:
RASHID, Muhammad H. Eletrônica de
Potência: Circuitos, Dispositivos e Aplicações.
São Paulo: Makron Books, 1999.
WEG. Guia de Aplicação de Inversores
de Frequência. 2ª Ed. Disponível em
http://www.mundo eletrico.com/
downloads/Guia_de _Aplicacao_
de_Inversores_de_Frequencia.pdf.
Acesso em 17/01/2011.
43
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ferramentas
Identificação de Sistemas
na Otimização do
Controle de Nível
em Regime
Não Linear
Para otimizar o controle de nível em regime não linear podem-se
empregar técnicas, baseadas na teoria de identificação de sistemas, para buscar o modelo ótimo do regime de funcionamento.
Em um sistema de tanques com transdutores de nível e caudal, e
com válvulas e bombas monitorizáveis e controláveis remotamente,
implementaram-se algoritmos que permitiram obter, com alguns
minutos de gravação, os modelos matemáticos de cada regime
de operação. A otimização de controladores foi também feita e é
perfeitamente implementável em ambientes industriais
saiba mais
E
Aguirre, LA, Introdução à Identificação de Sistemas:Técnicas
Lineares e Não-Lineares Aplicadas a Sistemas Reais (2ª Edição),
UFMG.
Ljung, L, System Identification
- Theory for the User (2nd edition),
PTR Prentice Hall, Upper Saddle
River, EUA.
m aplicações industriais o controle de nível
de reservatórios é frequentemente acumulado com o controle de outras variáveis de
interesse, como a temperatura ou o caudal.
Os sistemas de controle com melhor desempenho estão dotados de capacidade para
interpretar e prever os efeitos cruzados entre
variáveis. Esta tarefa complica-se especialmente em casos onde existem não linearidades importantes no processo, devendo-se
para tal conseguir adaptar o controlador à
nova situação. Consequentemente, uma
abordagem baseada em controle preditivo,
em vez de puramente reativo, trará ganhos
significativos no controle de um sistema
não linear em que não se podem garantir
condições de funcionamento.
Eduardo Pinheiro
Octavian Postolache
Pedro Girão
Cesar da Costa
Sistemas não lineares ou de modelação
complexa, ou mesmo impossível, são frequentemente sujeitos a técnicas de identificação
(Aguirre). Encontram-se exemplos de aplicação de algoritmos a sistemas variados desde
aviões (Narendra), a reatores (Gregorcic),
até medidores de pressão arterial (Pinheiro).
Para otimizar o controle de nível em regime
não linear sem sobrecarregar os sistemas
de controle, podem-se empregar técnicas
baseadas na teoria de identificação de sistemas, para buscar o modelo que melhor
representa o regime de funcionamento do
processo (Nelles).
Partindo de um sistema de tanques com
transdutores de nível e caudal, e com válvulas e
bombas monitorizáveis e controláveis remota-
Continua no fim do artigo...
44
MA49_Sistemas.indd 44
13/6/2011 10:53:37
ferramentas
Nome
Diagrama
Box-Jenkins
Descrição
É o modelo mais genérico possível, onde se consideram funções de
transferência independentes para o ruído, e(k), e a entrada, u(k).
Estas funções de transferência, são da forma:
num processo com atraso k unidades temporais.
ARMAX
ARX
OE
polos e zeros podem ser totalmente distintos dos de G(z).
A sigla ARMAX resume os conceitos mais importantes deste modelo,
auto regression (pois os polos discretos tornam a saída presente
dependente das saídas em instantes anteriores), moving average
(se não existirem zeros temos um filtro de média móvel), extra input
(entradas u(k) e e(k))
B(z) e C(z) são polinomios, o que faz com que o ruído e a entrada
estejam sujeitos à mesma dinâmica, portanto, este modelo é um caso
particular do de Box-Jenkins em que o ruído e a variável controlada
têm os mesmos pólos.
O ARX é uma simplificação do ARMAX considerando que o efeito do
polinomio associado ao ruído não é importante, ou seja, temos ruído
aleatório aplicado directamente à dinâmica do sistema.
OE significa output error, sendo o significado deste nome bastante perceptível, visto este modelo, ainda mais simples que o ARX, considerar
que o ruído aleatório está aplicado diretamente à saída do sistema.
T1. Estrutura e características dos modelos mais estudados na identificação do sistema de tanques.
mente, procedeu-se à identificação do modelo
que melhor representa o processo por injeção
de ruído branco. Em seguida percorreu-se um
largo espectro de regimes de funcionamento,
bem como de perturbações, para estimular
as várias não linearidades existentes, aplicando-se, para todos estes casos também,
métodos de identificação dinâmica de sistemas.
Para a aplicação das técnicas de identificação de sistemas foi desenvolvido software
próprio, comunicando em tempo real com
os equipamentos por meio de uma placa
(NI USB-6008, com 8 entradas analógicas
de escala de tensão programável e 2 saídas
analógicas em tensão) ligada a um computador por USB. As entradas e saídas foram
conectadas a hardware de condicionamento
de sinal, permitindo a implementação dos
algoritmos conhecidos. Um período de dez
minutos de gravação foi suficiente para se
obterem os modelos matemáticos CRA e
temporais de estrutura OE, ARX, ARMAX,
BJ, de diferentes parâmetros, correspondentes
a todos os regimes de operação, pelo que a
optimização de controladores industriais por
este método pode igualmente ser conseguida
em pouco tempo.
Nas seguintes seções deste artigo mostraremos o sistema, discutindo as técnicas
implementadas, os resultados obtidos, as
principais conclusões e a forma de traduzir
em benefício para a indústria a aplicação da
abordagem proposta.
Identificação de Sistemas
A identificação de um sistema real pode
ser um processo interativo, onde se parte de
alguns pressupostos para determinar um
modelo do sistema, que pode ou não cumprir
com os critérios de validação, devendo-se
então modificar os parâmetros ou a estrutura
do modelo, ou mesmo voltar à fase de testes
para obter novos dados experimentais, que
permitam recuperar eventuais falhas.
É fundamental para a correta identificação do sistema obter um conjunto de
dados válido, portanto com uma frequência
de amostragem que respeite o teorema de
Nyquist e com um número de amostras
suficientemente elevado para ser representativo da resposta global do sistema. Com
estes pontos cumpridos, será determinante a
obtenção de um modelo com uma estrutura
razoável, em termos de número de polos e
zeros, face à modelação previamente feita,
e que verifique os critérios de validação da
estimativa.
Aquisição dos dados e préprocessamento
Os dados obtidos devem ter o máximo
poder de descrição do processo, para tal é
usual colocar-se na entrada ruído branco,
para excitar todas as frequências do sistema.
O procedimento mais comum consiste
em forçar a entrada a assumir um de dois
valores, consoante o valor do ruído branco
ultrapasse ou não um dado limite. Convém
fazer uma limitação do ritmo de transição
do sinal de entrada, de forma a adequá-lo
às características do processo, e garantir que
a saída será representativa.
Havendo uma estimativa para a frequência máxima do processo, pode-se sobredimensionar uma frequência de amostragem
para garantir o cumprimento do critério de
Nyquist. É possível que a normal frequência
de operação do sistema DCS permita uma
identificação correta.
O pré-processamento dos dados refere-se
a um conjunto de operações que podem ser
executadas sobre os dados adquiridos, de
forma a melhorar os resultados obtidos com
a aplicação dos algoritmos para extração do
modelo do sistema. Estas operações incluem
a remoção da média do sinal, filtragem de
componentes ruidosas do espectro, entre
outras.
Obtenção do modelo
Consoante se tenha um modelo feito à
medida ou um modelo genérico, teremos
maior ou menor conhecimento a priori
da relação entrada-saída do sistema. Utilizando as leis da física, podemos obter
uma primeira aproximação da resposta
do sistema, que nos permitirá conhecer
aproximadamente quais as frequências
próprias do sistema, qual o tempo de
ensaio necessário e quais os parâmetros
mais influentes na resposta.
Genericamente os problemas de identificação podem ser categorizados como
paramétricos ou não paramétricos (Lyung).
Nos casos em que se está a lidar com
problemas não paramétricos, existem diversos métodos para adquirir um modelo
do sistema ou de algumas das suas curvas
características, desde os mais simples
como a análise transitória ou a análise em
frequência, até aos mais elaborados como
a análise de correlação (CRA) ou a análise
espectral (SPA).
Nos problemas paramétricos também
existem diversos métodos para extrair um
modelo do sistema. Apresentam-se sucintamente na tabela 1 os modelos mais usados
durante a experiência, notando-se que o
ARMAX, ARX e OE podem ser vistos
como particularizações do de Box-Jenkins
para casos específicos. Possuindo algoritmos
de cálculo diferentes e substancialmente
mais rápidos.
45
13/6/2011 10:53:44
ferramentas
F1. Diagrama do sistema de tanques
Validação do modelo
Após a obtenção do modelo, segue-se
o processo de validação, através do qual se
procuram descobrir eventuais lacunas ou
limitações, averiguar se há potencial para
eventuais melhorias, ou se existem erros
mais graves, ao nível da desadequação dos
dados obtidos, que obrigam a um maior
retrocesso no plano de projeto. É nesta fase
de comparação que se vão quantificar os
erros de estimação, por exemplo através da
análise de resíduos.
É prática banal a obtenção do modelo
utilizando apenas uma porção dos dados
obtidos, para que a fração restante permita
comparar a resposta do modelo e a do sistema
real, averiguando se estamos próximos da
solução ótima. Esta otimalidade da solução
pode ser definida como a que minimiza o
erro quadrático médio, ou ainda acrescida
de uma penalização em função da sua
dimensão. Estas soluções dizem-se regularizadas, e uma forma típica é a adição de
um regularizador de Tikhonov, que permite
optar entre a quantidade de erro e o custo,
por exemplo combustível ou comburente,
que a solução acarreta.
Sistema de Tanques
No sistema de tanques mostrado nas
duas figuras seguintes (1 e 2), pretendese identificar a influência da válvula V7 (a
válvula de controle de caudal entre tanques,
Asco 203) no nível do tanque 2, supondo
que se tenha um abastecimento, medido por
46
F2. Fotografia do sistema de tanques ensaiado.
um transmissor Brukert 8032, do tanque 1
de tal forma que o nível deste se pode supor
constante. Contudo, as outras válvulas de
controle, Burkert 6213, vão também atuar
dinamicamente sobre o sistema, e serão
responsáveis pela criação de outros regimes
de funcionamento.
Acresce que a ação da bomba é uma fonte
acrescida de não linearidades, devido ao fato
de o tanque 1 ser fechado, pelo que a sua
pressão interna, registrada por transmissor
Asco 8908, será bastante volátil. Portanto,
o tanque 1 não se poderá considerar um
referencial de estabilidade e as intricadas
relações entre os dois tanques vão ser fonte
de não linearidades fortes.
Modelação do sistema
Neste caso, é possível fazer a modelação,
contudo, empregam-se algumas simplificações das leis que regem o comportamento
dos fluidos, terá de se supor a idealidade
dos elementos, e ainda assim, haverá que
acertar numerosas constantes (da bomba,
das válvulas, dos tanques, dos fluidos), pelo
que será menos frutífero este trabalho do
que a identificação.
Considerando que o tanque tem capacidade C e que a resistência que as válvulas
apresentam se reflete diretamente nos caudais,
devido ao efeito integrador de caudal por
parte do tanque, obtém-se uma função de
transferência de primeira ordem:
onde u(k) é o caudal de entrada, q(k) o de
saída, e y(k) a altura da coluna de líquido no
tanque. Aplicando a equação de Bernoulli à
superfície do tanque e à saída tem-se:
logo,
Isto indica que, mesmo para o caso ideal
em que o tanque 1 é assumido de nível
constante, se obtém uma equação diferencial
não linear, que mesmo assim não entra em
conta com várias não idealidades do sistema.
A solução desta equação, e do sistema que se
obtém quando se junta a não estacionaridade
do tanque 1, é pouco prática, e totalmente
impossível de ser extensível com facilidade
aos processos industriais.
De fato, o processo onde se encontra o
sistema de tanques é bastante mais complexo,
como se ilustra na seguinte figura 2, sendo
a sua modelação completa um processo
extremamente trabalhoso e complexo,
em nada comparável ao procedimento de
identificar o sistema.
Procedimento experimental
Os dados podem ser adquiridos durante
o normal funcionamento do processo, ou,
adicionando perturbações em forma de
ruído branco e registrando a saída. Se estiver
estabelecido um protocolo de comunicações
13/6/2011 10:53:53
ferramentas
F3. Programa de Simulink para proceder à identificação do sistema parando o processo.
com os aparelhos, será bastante simples
programar os passos necessários para gravar
os dados.
Acrescente-se que os dados podem ser
guardados para análise e processamento offline, ou pode-se calcular os modelos durante
a aquisição, enquanto a dimensão dos dados
não introduza demoras na computação que
interfiram na cadeia de comando.
Dois softwares foram empregados para
gerar o ruído necessário, sendo igualmente fácil e viável em ambos. Na figura 3
exemplifica-se com o código composto
em Simulink (Mathworks) para geração e
monitorização dos sinais analógicos, ruído
para a válvula V7 e leitura do transdutor
de pressão.
Dada a grande capacidade dos tanques,
o período de amostragem aplicado foi de
3 segundos. Assim, diminui-se a quantidade de dados a processar, o que acelera
significativamente alguns algoritmos, e a
quantidade de ruído, embora mantendo a
definição necessária. A identificação foi feita
colocando o processo em torno dos vários
pontos de funcionamento, e iniciando a
gravação em seguida.
Para cada ponto de funcionamento os
dados recolhidos constituíram uma matriz
de 184 valores, que se dividiu em dados de
teste (1 a 93) e dados de validação (94 a
184). Efectuou-se a extração da média como
operação de pré-processamento, para normalizar os dados obtidos para vários níveis
e identificar-se apenas a dinâmica.
Resultados da Identificação
Procedeu-se primeiro à identificação do
modelo para o caso mais simples, em que o
tanque 1 apresenta um nível constante de
60% e o tanque 2 ronda os 30%, com a
bomba a velocidade constante e equilibrando
o nível do tanque 1. Em seguida, passaram-se
por outros seis regimes de funcionamento,
sujeitos a diferentes especificações de nível
dos dois tanques e de funcionamento da
bomba, para além de diferentes perturbações, pela diferente e aleatória atuação
das válvulas de purga, criando diferentes
caudais de saída, para estimular as várias
não- linearidades existentes.
Aplicaram-se para todos estes casos
métodos de identificação dinâmica de sistemas, obtendo-se os modelos matemáticos
correspondentes, de tipo CRA e temporais
de estrutura OE, ARX, ARMAX, BJ, de
diferentes parâmetros de ordem e atraso.
F4. Resposta ao degrau unitário do modelo
por correlação.
Primeiro ponto de funcionamento
de duas unidades de tempo, para todas
as estruturas atrás descritas, Box-Jenkins,
ARMAX, ARX e OE. A adequação dos
modelos, fit, foi estimada de acordo com a
equação (1), uma métrica habitual, onde se
mede a melhoria conseguida por estimar y(k)
com o modelo, , em vez de simplesmente
tomar a média.
Tendo-se já removido a média dos dados, efetuou-se a extração do modelo por
correlação (CRA) para obter uma estimativa do eventual atraso do sistema, através
da resposta transitória ao degrau unitário.
Como ilustrado na figura 4, constatou-se
que nestas condições o sistema apresenta um
atraso de duas unidades de tempo.
Sabendo que o processo apresenta um
atraso de duas unidades de tempo, aproximou-se o comportamento com modelos de
primeira e segunda ordem com um atraso
Todos os modelos de primeira ordem
apresentaram graus de fit a rondar os
60%, excetuando-se o ARX com um fit
de aproximadamente 47. Os modelos de
segunda ordem (ordem das funções de
transferência que compõem o modelo)
com o mesmo atraso melhoraram muito o
grau de aproximação das curvas aos dados
47
13/6/2011 10:54:04
ferramentas
experimentais de validação, tendo todos
os modelos um fit a rondar os 81%. As
estimativas dos modelos face aos dados reais
apresentam-se na figura 5.
Nessa figura verifica-se que os modelos
de segunda ordem seguem muito mais proximamente a resposta real, de tal forma que é
quase impossível distinguir diferenças entre
eles. Nos modelos de 1ª ordem a diferença
é mais notória.
Efetuando a análise de resíduos, constata-se também que à melhoria nos resultados no tempo ao aumentar de 1ª para 2ª
ordem, acresce que não há overfitting. A
componente dos dados que não é explicada
por alguns modelos, nomeadamente o OE
a azul, continua a ser não correlacionado e
passa a ser independente, portanto tem-se
a melhor descrição dos dados possível. A
autocorrelação mostra que os resíduos são
não correlacionados, enquanto a correlação
cruzada mostra que são independentes,
estando-se em ambos os casos totalmente
dentro do intervalo de confiança de 99%
traçado. Veja a figura 6.
Abandonamos por isso a análise dos
modelos de 1ª ordem, notando o fato de
que nos modelos de 3ª e superiores começa
a haver overfitting aos dados, pois apesar de
se melhorar muito pouco o fit, os resíduos
deixam de ser independentes. Isto é, os
modelos de ordem superior começam a ter
polos e zeros que não descrevem a dinâmica
do sistema.
O máximo grau de fit possível foi obtido
por um OE de terceira ordem (81,8%) e
um Box-Jenkins de quinta ordem (82,6%),
ambos de atraso de duas unidades, quando
um OE de segunda ordem apresenta um
fit de 81,6%. Verifica-se portanto que o
fit máximo dos dados ronda os 82, pelo
que, um modelo OE de 2ª ordem com um
fit de 81,6 pode ser encarado como uma
solução bastante boa, visto ser um modelo
bem simples com resultados equiparados
aos mais elaborados.
Os modelos de 2ª ordem apresentam
uma resposta ao degrau unitário bastante
semelhante, bem como o fit, mas a análise
de resíduos revelou que o OE era o mais
simples que respeitava os intervalos de
confiança, pelo que foi este o escolhido
(figura 7).
Recorrendo a um pequeno abuso de
notação, o modelo ótimo identificado apresenta a seguinte expressão de saída possuidor
48
F5. Estimativas dos modelos de 1ª e 2ª ordem (esquerda e direita respectivamente)
Ponto
2
3
4
5
6
Descrição
Bomba ao máximo,
tanque 1 80% e tanque
2 a 30% com purga
forte.
Bomba ao máximo,
2 a 60%, com purga
pequena.
Bomba em reposição,
2 a 60% com purga
forte
Bomba em velocidade
baixa e irregular,
tanque 1 a 60% e
tanque 2 a 30% com
purga forte
Bomba em velocidade
baixa e irregular,
tanque 1 a 80% e
tanque 2 a 60% com
purga pequena.
Modelo
BJ de 4ª ordem atraso 0
OE de 2ª ordem atraso 2
BJ de 4ª ordem atraso 0
T2. Estrutura e resumo das características dos modelos mais estudados
de margem de fase infinita e margem de
ganho de 30,4 dB.
Restantes pontos de funcionamento
Foram identificados os melhores modelos de cada regime de funcionamento por
intermédio do mesmo procedimento descrito
em detalhe na seção anterior.
Verificou-se uma grande dispersão do
tipo e ordem dos modelos ótimos. Os regimes
de funcionamento analisados foram os que
se apresentam na seguinte tabela 2, onde
também se indica a função de transferência
do modelo identificado para Y(z)/U(z).
Para que se possa constatar a grande
diferença na resposta do sistema de tanques
a estes vários pontos de funcionamento,
mostra-se a resposta ao escalão unitário dos
modelos de quatro regimes (figura 8).
Verifica-se que mesmo em um sistema
simples, as não linearidades presentes influenciam fortemente o comportamento do
sistema, pelo que, quando existem desvios
significativos do regime de funcionamento
será expectável que todas as variáveis se modifiquem, pelo que é importante identificar
o modelo ótimo, para que o controlador do
processo possa ser otimizado.
Controle do Sistema
Os dados recolhidos dos modelos identificados mostram que apenas o regime de
13/6/2011 10:54:09
ferramentas
F6. Análise de resíduos dos modelos de 1ª e 2ª ordem (esquerda e direita). Os resíduos de 2ª ordem são independentes para todos os modelos,
mas apenas o OE apresenta autocorrelação sempre dentro dos limites
funcionamento 1 apresenta boas características de estabilidade, devido a possuir um
ganho estacionário bastante baixo, de tal
forma que nem existe cruzamento com os
0 dB, sendo a margem de fase infinita e a
de ganho de 35 dB.
Contudo, este caso é uma exceção, a maior
parte dos modelos apresentam margens de
ganho bastante reduzidas, próximas dos 0
dB. Mais ainda, vários modelos requerem
que a ação de controle esteja durante algum
tempo acima dos 100%, o que é impraticável
para a válvula, pelo que idealmente se deveria
atuar também sobre outros elementos do
sistema, como a bomba ou alterar o regime
de funcionamento. Como o sistema tem
estas características, não se podem colocar
ações de controle muito fortes, para não
desestabilizar o sistema, nem criar condições
inalcançáveis da ação de controle.
A colocação de controle integral leva a que
o erro de regime estacionário seja eliminado,
contudo isto é conseguido com uma ação de
controle que envia para a válvula valores de
800%, o que não é possível, devido à saturação
do atuador em 100%. Mesmo no caso mais
favorável, o regime 1, a margem de ganho
reduz-se de 35 para 9,73 dB e a margem de
fase para 42,6º, com uma resposta muito
mais lenta (tempo de pico 24 amostras) e
com uma sobre-elevação de 27%. Reduzindo
o ganho da componente integral de 1 para
0,5 a sobre-elevação diminuir, para 5%, mas
o tempo de pico, que coincide com o tempo
F7. Resposta ao escalão dos modelos de
segunda ordem.
de estabelecimento a 5% é ainda mais lento,
42 amostras, como se ilustra na figura 9.
Com a introdução de controladores com
componentes integral, o sistema fica bastante
lento e também oscilatório, com acções de
controle irrealizáveis em permanência (da
ordem de 700%), pelo que qualquer opção
com integração não é viável. A adição de
componente derivativa é completamente
contraindicada, dada a proximidade de
vários regimes da instabilidade.
A única opção possível é fazer o controle
com controladores proporcionais apenas.
Aumentando o ganho onde a margem
de ganho é grande, como no regime 1, e
diminuindo onde a margem de ganho é
diminuta, como em todos os outros. Com
este controlador consegue-se ter um maior
F8. Resposta ao escalão de quatro modelos
ótimos.
valor final da resposta do regime 1, abdicando
de pouca margem de ganho e mantendo a
característica da resposta. Nos outros regimes, trata-se sobretudo de atenuação para
garantir uma maior estabilidade sem que
o real valor da ação de controle seja muito
distante do alcançável.
A introdução de um controlador proporcional de ganho 1,15 no regime 1 não
coloca o sistema em oscilação, apresenta uma
pequena melhoria de desempenho, à custa
de uma redução para 29,2 dB da margem
de ganho e com a introdução de valores da
ordem dos 110% durante alguns momentos,
visível na seguinte figura 10.
Daqui conclui-se que o controle tradicional de um sistema fortemente não linear e com
regimes de funcionamento tão díspares está
49
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ferramentas
severamente limitado. Consequentemente,
uma abordagem baseada em controle preditivo, em vez de puramente reativo, trará
ganhos significativos no controle de um
sistema não linear em que não se podem
garantir condições de funcionamento.
Em qualquer dos regimes, a implementação de técnicas de identificação de
sistemas, em menos de dez minutos de
dados, permite determinar um modelo
que representa fielmente o comportamento
do sistema. Portanto, em vez de controle
reativo com uma componente mínima
de inteligência e resultados medíocres no
desempenho do controlador, será bastante
melhor identificar o sistema, o que é rápido
e leve computacionalmente, para depois
implementar uma estratégia de controle
preditivo, seguindo a estrutura apresentada
na seguinte figura 11.
F9. Resposta ao escalão (azul em baixo) e
ação de controle (verde acima) com controlador I, resposta muito lenta mesmo com
controle completamente irrealizável.
F10. Resposta ao escalão (azul em baixo) e
ação de controle (verde acima) com controlador P de ganho 1.15, a ação de controle é
quase totalmente realizável.
Conclusões
Identificou-se de um sistema de tanques
real estando presentes fortes não linearidades. Os resultados apresentados ilustram a
dificuldade em controlar um nível num
sistema com diversas fontes de perturbação
e constrangimentos de funcionamento.
Consequentemente, o sistema empregado
emula bastante bem um sistema industrial
real, comprovando que embora o controle
seja difícil, é sempre possível identificar a
dinâmica do sistema para cada regime de
funcionamento.
Após a aquisição de dados, começou-se
por utilizar o algoritmo CRA para verificar
qual o atraso do sistema, analisando-se
depois diversos modelos capazes de o descrever, Box-Jenkins, ARMAX, ARX e OE.
Selecionou-se o OE na maioria dos casos,
visto ser mais simples que os restantes e
apresentar um grau de aproximação da
mesma ordem de grandeza. A metodologia
subsequente a esta escolha foi analisada
em detalhe, sendo comparados diferentes
modelos segundo a análise de resíduos e
a qualidade da aproximação a dados de
validação também gravados.
Para os vários regimes estudados foram
escolhidos os modelos mais representativos.
Sendo sempre suficiente o período de gravação de 10 minutos, para um período de
amostragem de 3 segundos. Os modelos com
representação ótima de cada regime são de tipo
e ordem diversa, o que é uma consequência
das não linearidades do sistema.
50
F11. Estrutura de controle preditivo onde com a qual a identificação de sistemas permite
otimização do controlador.
A implementação de controladores
do processo é dependente do regime de
funcionamento, pelo que se constatou ser
difícil afinar um controlador para todos os
regimes de funcionamento, sobretudo porque
vários estão nas imediações da instabilidade.
Assim sendo, como os modelos são boas
representações do sistema, a otimização do
controlador passa pela implementação de
uma estrutura de controle preditivo, a qual
pode identificar o modelo do processo em
pouco tempo e assim garantir a melhorias
na resposta do sistema.
...Continuação do Saiba Mais:
Gregorcic, G, Lightbody, G, A
Comparison of Multiple Model and
Pole-Placement Self-Tuning for
the Control of Highly Nonlinear
Processes, Anais da 11th Irish Signals
and Systems Conference, Dublin, Irlanda,
303-311.
Ljung, L. Glad, T. Modeling of Dynamic
Systems, Prentice Hall, Englewood
Cliffs, EUA.
Narendra, KS, Balakrishnan, J, Ciliz, MK,
Adaptation and Learning Using
Multiple Models, Switching and
Tuning, IEEE Control Systems
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Nelles, O, Nonlinear System
Identification, Springer, Berlim.
Cesar da Costa - [email protected]
Instituto Federal de Educação Tecnológica de
São Paulo - IFET-SP
Rua Maria Cristina, 50 - Cubatão - São Paulo
Ogata, K, Modern Control
Engineering (4th Edition), Prentice
Hall, Englewood Cliffs, EUA.
Pinheiro, E, Postolache, O, Modelling
of Oscillometric Blood Pressure
Monitor - from white to black
box models, Recent Advances in
Biomedical Engineering, GR Naik
(Ed.), In-Tech,Viena, Áustria.
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conectividade
17
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conectividade
17
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Mecatrônica Atual 50

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