12º CONGRESSO IBEROAMERICANO DE ENGENHARIA MECANICA

12º CONGRESSO IBEROAMERICANO DE ENGENHARIA MECANICA
Guayaquil, 10 a 13 de Novembro de 2015
MONITORAMENTO E CONTROLE DE UM MOINHO DE BOLAS MEDIANTE
AMBIENTE DE SUPERVISÃO
Nascimento, G.T., Silva, L.C.C., Pístola, T., Romero, J.F.A.
UFABC, Centro de Engenharia, Modelagem e Ciências Sociais Aplicadas, Santo André-SP-Brasil
Laboratório de IAR, http://graduacao.ufabc.edu.br/eiar/
E-mails: [email protected]; [email protected]; [email protected];
[email protected].
RESUMO
Na indústria mineradora pode-se afirmar que o equipamento que demanda maior gasto energético é o moinho de
bolas, sendo esse o responsável pela granulação e moagem de materiais. Por esse motivo, o objetivo principal
desse trabalho foi encontrar um meio capaz de diminuir o gasto energético da etapa de moagem, proporcionando
benefícios econômicos e ambientais. O moinho de bolas em escala laboratorial utilizado nesse projeto representa
muito bem o cenário industrial mais empregado na prática, ou seja, poucas opções de acionamento e
monitoramento. Uma solução proposta para esse problema foi a implementação de uma interface computacional
capaz de supervisionar e controlar em tempo real esse sistema. Para validar as vantagens esperadas foram propostos
alguns ensaios. Os gráficos comparativos obtidos corroboraram com a premissa de que o novo conjunto seria mais
vantajoso do ponto de vista energético. Da mesma forma, foi observado um potencial ainda maior na
implementação de funções avançadas de supervisão como o agendamento de manutenções preventivas do
equipamento e detecção de falhas em tempo real, aumentando significantemente a intervenção humana no
processo. O baixo custo de implementação foi outro ponto positivo observado como uma solução imediata e de
excelente custo-benefício.
PALAVRAS-CHAVE: Eficiência energética, Moinho de bolas, Monitoramento e Supervisão de processos.
INTRODUÇÃO
As indústrias têm investido cada vez mais no aprimoramento do controle de processos com o intuito de se
tornarem cada vez mais competitivas no mercado. Dentre os aprimoramentos possíveis, talvez o mais eficiente
seja o controle e monitoramento da planta industrial por meio de sistemas computadorizados que sejam capazes
de obter e processar grandes quantidades de dados. [1]
Uma maneira de coletar e tratar esses dados é mediante a aplicação de sistemas de supervisão, onde são reunidas
as informações que permitam visualizar como as variáveis estão relacionadas e, fundamentalmente, se existe um
funcionamento energeticamente eficiente.
Na indústria mineradora, a etapa de moagem, também chamada de cominuição, é a que demanda por maiores
investimentos de capital, além de ser a menos eficiente com relação ao consumo energético. Adicionalmente, os
moinhos não apresentam supervisórios sofisticados, deixando ao operador unicamente a opção de configurações
manuais mediante interfaces homem-máquina (IHM) apresentadas por dispositivos como inversores de frequência.
A importância da operação de moagem pode ser percebida devido ao fato que a maior parte da energia gasta no
processamento de minérios é absorvida pela fragmentação. Isso nos leva a supor que grande parte dos custos
operacionais de uma usina de tratamento de minérios se deve à fragmentação. [2]
Assim, é evidente o interesse que existe no estudo da fragmentação já que qualquer melhoramento na operação
acarreta uma importante economia de energia no processo. [3]
O objetivo principal do trabalho consiste na avaliação e configuração de um ambiente computacional de
supervisão industrial que permita o controle básico do processo de moagem e, adicionalmente, a estimação das
condições de eficiência energética do sistema.
METODOLOGIA
A metodologia foi dividida em duas partes, a primeira delas envolve a comunicação física do conjunto inicial
com o computador pessoal, a segunda etapa consistiu em implementar um software de supervisão capaz de
monitorar as variáveis úteis para esse projeto, como por exemplo, corrente elétrica, potência consumida e etc.
A figura 1 mostra o moinho de bolas utilizado.
Figura 1 – moinho de bolas.
Do lado direito do equipamento mostrado na figura 1 pode-se notar os controles de acionamento do moinho,
que está situado do lado esquerdo, através de moto-redutor. Esse acionamento é bem limitado: possui um botão
liga-desliga, um botão de emergência, um temporizador (na parte de baixo) e a IHM do inversor de frequência. A
forma como esses componentes interagem pode ser visualizada na figura 2.
Figura 2 – Interação dos componentes.
Abaixo na figura 3 tem-se o sistema proposto por esse projeto, já considerando a adição do computador
pessoal com o software supervisório comunicando com o inversor de frequência via RS485. [4], [5] através do
protocolo MODBUS.
Figura 3 – Interação dos componentes com a inclusão do sistema supervisório.
Os dados do inversor são como mostrados na tabela 1.
Tabela 1 – Dados do inversor.
Marca
Modelo
kW(Hp)
Tensão nominal
Corrente nominal
DELTA
VFD-EL
0.75 (1)
115V/230V
4.2A
A figura 4 relaciona as pinagens do sistema.
Figura 4 – Pinagem da conexão de comunicação do inversor.
Então a partir dessas informações foram realizadas as devidas adaptações de cabos e conectores para que a
comunicação pudesse se estabelecer de maneira apropriada.
Com isso se encerra a primeira parte da metodologia que se trata da questão física, a segunda etapa se preocupa
com a escolha do software supervisório.
A escolha do software vai depender das funcionalidades que se espera utilizar no projeto, no caso desse trabalho
as variáveis mais importantes são aquelas relacionadas à eficiência energética (corrente elétrica, potência e
velocidade angular).
O fabricante do inversor disponibiliza no site o software supervisório gratuitamente, sendo que isso facilita
bastante a implementação do sistema porque não foi necessário nenhum drive de comunicação adicional, ou seja,
o software supervisório da própria marca Delta já possuí os endereços de Tags configurados.
Portanto devido a essas conveniências foi optado por se utilizar o software supervisório da fabricante Delta que
se chama VFDSOFT – 1.48.
PROCEDIMENTO UTILIZADO
Para comprovar que a adição do sistema supervisório ao equipamento é útil, foram realizados ensaios antes e
depois dessa adição. O intuito desses ensaios é mostrar a melhora na aquisição e tratamento de dados após a
implementação desse sistema supervisório.
Sem o sistema supervisório a única maneira de obter dados do conjunto é via IHM do inversor, sendo possível
acessar os valores de um número reduzido de variáveis em tempo real. Essas variáveis são mostradas no próprio
visor indicando seu valor atual.
Foram propostas três condições de ensaios distintas para efeito de comparações posteriores entre elas. Essas
condições de ensaios foram colocadas na tabela 2 a fim de facilitar o entendimento.
Tabela 2 – Condições de ensaios.
Condição de carga
Em vazio (sem carga)
Rotor bloqueado
17 bolas
Frequência do inversor (Hz)
60
10
60
Na escolha dessas condições foram levadas em consideração as limitações do equipamento, como também
possíveis fatores que pudessem de alguma forma influenciar na questão da eficiência energética tido aqui como
prioridade de estudo. Por isso que foi realizado o ensaio com rotor bloqueado, pois essa atitude torna mais clara
as alterações de corrente elétrica do sistema, pelo mesmo motivo foi escolhido o ensaio com 17 bolas sendo que o
ensaio em vazio serve como referência para as outras duas.
Detalhando um pouco mais essas condições, pode-se dizer que no ensaio em vazio o moinho foi acionado sem
adição de carga, significando que a inércia que o motor precisou superar foi correspondente ao peso da carcaça do
moinho. Para o rotor bloqueado foi escolhida a frequência do inversor em 10 Hz, pois as condições do laboratório
só permitiam um travamento do rotor para essa frequência. Por último foi realizado um ensaio com 17 bolas para
verificar se haveria alguma mudança com relação ao ensaio em vazio.
Com o auxílio de um paquímetro e uma balança de precisão foram aferidos o diâmetro e peso das bolas
respectivamente. Esses dados foram inseridos na tabela 3.
Tabela 3 – Informações das bolas utilizadas.
Peso médio
Diâmetro médio
111,6 g
30,1 mm
Com essas informações foram realizados os três ensaios inicialmente utilizando apenas a IHM do inversor para
aferir a corrente elétrica, a frequência de referência e a frequência do inversor. E posteriormente foram aferidas
todas as variáveis possíveis desse inversor utilizando o software supervisório VFDSOFT-1.48.
O software supervisório possui a funcionalidade de produzir gráficos e visualizá-los em tempo real, porém foi
optado em usar o software MATLAB para tornar esses gráficos personalizados para a abordagem desse projeto. Foi
obtido o gráfico no supervisório e posteriormente exportado para um arquivo de dados em formato de tabela, esses
dados foram importados pelo MATLAB, e assim, realizadas as devidas formatações.
RESULTADOS E DISCUSSÕES
Os resultados obtidos via IHM são mostrados na figura 5, assim como os gráficos obtidos via supervisório são
mostrados nas figuras 6, 7 e 8.
Figura 5 – Ensaios obtidos via IHM, sem supervisório.
Figura 6 – Gráfico do ensaio em vazio.
Figura 7 – Gráfico do ensaio com rotor bloqueado.
Figura 8 – Gráfico do ensaio com 17 bolas.
Em uma primeira observação é possível notar que os valores lidos pela IHM na figura 5, apenas fornecem dados
do momento presente, sendo que os gráficos das figuras 6, 7 e 8 mostram com maiores detalhes os comportamentos
das acelerações e desacelerações do inversor. Com isso pode-se perceber que os gráficos possibilitam uma melhor
visualização do que está ocorrendo em função do tempo, podendo até mesmo ser possível calcular qual foi a
energia gasta durante as acelerações e desacelerações dos ensaios, fato que não acontece ao se usar unicamente a
IHM.
Um ponto que ficou claro é que não existiram diferenças significativas entre o ensaio em vazio e o ensaio com
17 bolas. Talvez porque a diferença de carga não foi suficientemente grande ao ponto de sobrecarregar o motor.
Em alguns casos práticos pode acontecer que o torque necessário para vencer a inércia do sistema chegue bem
próximo do valor máximo suportado pelo motor, o que ocasionaria em diferenças mais evidentes entres os gráficos.
No entanto no ensaio com rotor bloqueado a diferença foi bem aparente, ficando visível que ocorreu um grande
aumento na corrente no período em que o rotor esteve bloqueado.
CONCLUSÕES E PERSPECTIVAS
Após a análise e entendimento da visão geral das interligações dos equipamentos do sistema, supervisório,
inversor, temporizador, moto-redutor e moinho de bolas foi possível a adição de um sistema supervisório flexível
e dinâmico.
A função “TREND” do software supervisório VFDSOFT-1.48 se mostrou útil na geração dos gráficos,
entretanto a importação dos dados para o MATLAB abriu um leque maior de possibilidades de análise e tornou os
gráficos mais legíveis.
Os resultados dessa comparação ocorreram como o esperado, os dados coletados pelo software se mostraram
mais completos e precisos, o que na prática possibilita uma melhor tomada de decisões frente à manutenção do
equipamento e economia de energia.
Portanto pode-se concluir que o conjunto inicial (inversor, motor, moinho) é indicado para realizar a moagem
e monitorar apenas algumas variáveis em seu estado estacionário, ou seja, possui o básico para realizar essa função.
Quando é adicionado o supervisório ao conjunto (supervisório, inversor, motor, moinho) é aberta uma gama
enorme de possibilidades de pesquisa.
A seguir algumas sugestões para projetos futuros:
•
•
•
•
Análise da influência que o moto-redutor desempenha em termos energéticos no sistema. Em seguida
verificar se existe a possibilidade de retirar esse moto-redutor sem que haja prejuízos ao sistema;
Utilizar outros softwares supervisórios;
Realizar ensaios mais direcionados ao processo de moagem, considerando materiais a serem
granulados;
Adicionar um software especialista, por exemplo, o MATLAB, em conjunto com o supervisório para
que seja possível adicionar funções mais sofisticadas.
REFERÊNCIAS
1. ANABUKI, A. DANIEL. Aplicação do controle de um processo de moagem em moinho de bolas, 2005.
2.
3.
LARA, C. OLIVEIRA. Projeto de automação industrial das unidades de britagem e de moagem, 2006.
CHAVES, A. P., Peres, A. E. C. Teoria e Prática no Tratamento de Minérios: Britagem, Peneiramento e
Moagem. 3. ed., v. 3. São Paulo: Signus (2006).
4. Padrão RS-485. Disponível em: http://olaria.ucpel.tche.br/autubi/lib/exe/fetch.php?media=padrao_rs485.pdf
Acesso em: 30 ago. 2014.
5. Protocolo MODBUS. Disponível em: http://www.mecatronicaatual.com.br/educacao/1299-protocolo-modbus
Acesso em: 30 ago 2014.
6. CAETANO, A. G. L. S. Sistemas de Supervisão de Chão-de-Fábrica: Uma Contribuição para Implantação em
Indústrias de Usinagem. São Carlos, Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Escola de Engenharia
de São Carlos da Universidade de São Paulo. 110p., 2000.
NOMENCLATURA E UNIDADES
A
g
Hp
Hz
IHM
kW
mm
RJ-45
RS-485
V
Corrente elétrica
Unidade de massa gramas
Unidade de potência Horse Power
Unidade de frequência Hertz
Interface Homem Máquina
Unidade de potência kilo Watt
Unidade de medida milímetro
Tipo de conector
Protocolo de comunicação elétrica
Unidade de potencial Tensão elétrica