controle de um inversor de frequência via clp

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO ESCOLA DE MINAS COLEGIADO DO CURSO DE ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO - CECAU MILTON GONTIJO FERREIRA JÚNIOR CONTROLE DE UM INVERSOR DE FREQUÊNCIA VIA CLP MONOGRAFIA DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO Ouro Preto, 2012

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Controle de Motores de Indução

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  • UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO

    ESCOLA DE MINAS

    COLEGIADO DO CURSO DE ENGENHARIA DE

    CONTROLE E AUTOMAO - CECAU

    MILTON GONTIJO FERREIRA JNIOR

    CONTROLE DE UM INVERSOR DE FREQUNCIA VIA CLP

    MONOGRAFIA DE GRADUAO EM ENGENHARIA DE CONTROLE E

    AUTOMAO

    Ouro Preto, 2012

  • MILTON GONTIJO FERREIRA JNIOR

    CONTROLE DE UM INVERSOR DE FREQUNCIA VIA CLP

    Monografia apresentada ao Curso de

    Engenharia de Controle e Automao da

    Universidade Federal de Ouro Preto como parte

    dos requisitos para a obteno do Grau de

    Engenheiro de Controle e Automao.

    Orientador: Prof. Dr. Henor Artur de Souza

    Ouro Preto

    Escola de Minas UFOP

    Agosto/2012

  • AGRADECIMENTOS

    Agradeo primeiramente a Deus por possibilitar essa conquista.

    Aos meus pais, Milton e Leninha, que sempre me apoiaram em minhas decises e so grandes

    responsveis por essa vitria. s minhas irms, Raiane e Rejane, que so meus exemplos de

    vida, pois sempre enfrentaram seus desafios de cabea erguida. minha namorada, Carol,

    pelo amor, compreenso e pacincia que sempre me dedicou. A toda minha famlia que

    sempre depositou sua confiana em mim.

    Repblica Laje, em especial ao Andr, Glauco e Luiz Felipe que se tornaram minha famlia

    em Ouro Preto. Agradeo ao amigo Mrio Srgio pelo auxlio durante esse trabalho. A todos

    os professores com os quais tive o prazer de aprender, em especial ao meu orientador Henor

    pela oportunidade e ajuda nesse trabalho.

  • O sucesso um inimigo perverso. Ele seduz as

    pessoas inteligentes e as faz pensar que jamais vo

    cair.

    (Bill Gates)

  • RESUMO

    O controle de processos industriais de fundamental importncia para o crescimento e

    sobrevivncia das empresas uma vez que um controle eficiente produz ganhos significativos

    de qualidade e produtividade. Nesse trabalho apresenta-se um exemplo simplificado de

    controle de processo, no caso o controle de um inversor de frequncia por meio de um

    Controlador Lgico Programvel (CLP), para tornar esse controle possvel desenvolve-se um

    sistema SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition). O objeto do trabalho o

    controle da velocidade do ar no interior de um tnel de vento de pequenas dimenses,

    existente no Laboratrio de Transferncia de Calor e Massa da Escola de Minas, UFOP,

    gerado por um motor de induo acionado por um inversor de frequncia. A partir da

    aplicao do controle possvel visualizar o valor da velocidade e mant-la num valor

    desejado. A visualizao do valor obtida por meio de um transmissor de velocidade na sada

    do tnel que faz com que o sistema SCADA seja capaz de monitorar o valor em tempo real,

    tornando-se possvel o ajuste da velocidade no valor desejado. Os resultados obtidos

    demonstram a eficcia do sistema de controle proposto, uma vez que foi possvel o controle

    do motor e, consequentemente, o ajuste da velocidade do ar de forma satisfatria.

    Palavras chaves: CLP, controle, SCADA.

  • ABSTRACT

    The industrial process control is essential for growth and survival of businesses as an efficient

    control produces significant gains in quality and productivity. In this work present a

    simplified example of process control, where control of a frequency inverter via a

    Programmable Logic Controller (PLC), to make this possible, develops a SCADA system

    (Supervisory Control and Data Acquisition). The object of this work is to control the air

    velocity within a small wind tunnel, from the Laboratory of Heat and Mass Transfer of the

    School of Mines, UFOP, generated by an induction motor driven by a frequency inverter.

    From the application of control you can see the value of speed and keep it in a desired value.

    The display value is obtained by a transmitter speed in the tunnel output that allows the

    SCADA system be able to monitor the value in real time, making it possible to adjust the

    speed at the desired value. The results demonstrate the effectiveness of the proposed control,

    since it is possible to control the motor and consequently the wind speed setting satisfactorily.

    Keywords: PLC, control, SCADA.

  • LISTA DE ABREVIATURAS

    CLP Controlador Lgico Programvel

    CPU Central Processing Unit

    DSC Datalogging and Supervisory Control

    EPROM Erasable Programmable Read Only Memory

    IHM Interface Homem Mquina

    OLE Object Linking and Embedding

    OPC OLE for Process Control

    PLC Programmable Logic Controller

    RAM Random Access Memory

    ROM Read Only Memory

    SCADA Supervisory Control and Data Acquisition

    UV Ultravioleta

  • LISTA DE FIGURAS

    Figura 2.1 Princpio de funcionamento .................................................................................16

    Figura 2.2 CLP GE Fanuc Versamax ...................................................................................17

    Figura 2.3 CLP Versamax .....................................................................................................17

    Figura 2.4 Tela Inicial CIMPLICITY Machine Edition ........................................................19

    Figura 2.5 Lgica de programao........................................................................................20

    Figura 3.1 Localizao das conexes de potncia, aterramento e controle ..........................22

    Figura 3.2 Posio dos jumpers para seleo

    das entradas e sadas analgicas e entradas digitais..................................................................26

    Figura 3.3 Borne de Controle XC1 .......................................................................................26

    Figura 4.1 Motor de Induo .................................................................................................28

    Figura 4.2 Im permanente suspenso por um fio ..................................................................28

    Figura 4.3 Transmissor de Velocidade CTV100 com display ..............................................30

    Figura 4.4 Arquitetura Cliente/Servidor OPC .......................................................................32

    Figura 4.5 Tela inicial MatrikonOPC Server for GE PLCs ..................................................32

    Figura 5.1 Tela do Sistema SCADA .....................................................................................33

    Figura 6.2 Aparato Experimental ..........................................................................................33

    Figura 5.3 Lgica do Boto Liga/Desliga Geral ...................................................................34

    Figura 5.4 Lgica do Setpoint ...............................................................................................35

    Figura 5.5 Lgica do Grfico Velocidade do Vento .............................................................35

    Figura 5.6 Evoluo Temporal da Velocidade do Vento.......................................................36

  • LISTA DE TABELAS

    Tabela 2.1 Norma Internacional de Endereamento .............................................................21

  • LISTA DE QUADROS

    Quadro 2.1 Comandos da Linguagem Ladder ......................................................................19

  • SUMRIO

    1 INTRODUO ............................................................................................................... 13

    1.1 Objetivo ......................................................................................................................... 14

    1.2 Metodologia ................................................................................................................... 14

    1.3 Estrutura do Trabalho ..................................................................................................... 14

    2 CONTROLADOR LGICO PROGRAMVEL .......................................................... 15

    2.1 Histrico ........................................................................................................................ 15

    2.2 Princpio de Funcionamento ........................................................................................... 16

    2.3 CLP GE Fanuc Versamax.............................................................................................. 16

    2.4 Programao .................................................................................................................. 19

    3 INVERSOR DE FREQUNCIA .................................................................................... 22

    3.1 Parmetros ..................................................................................................................... 23

    3.1.1 Parmetros de leitura ................................................................................................... 23

    3.1.2 Parmetros de regulao .............................................................................................. 24

    3.1.3 Parmetros de configurao ......................................................................................... 24

    3.1.4 Parmetros do motor ................................................................................................... 25

    3.2 Configurao das entradas .............................................................................................. 25

    3.3 Controle XC1 ................................................................................................................. 26

    4 MOTOR DE INDUO E SISTEMA SUPERVISRIO ............................................. 28

    4.1 Motor de Induo ........................................................................................................... 28

    4.1.1 Princpio de Funcionamento ........................................................................................ 28

    4.1.2 Controle de Velocidade ............................................................................................... 29

    4.2 Transmissor de Velocidade ............................................................................................ 29

    4.3 Sistema Supervisrio ...................................................................................................... 30

    4.3.1 LabVIEW .................................................................................................................... 31

    4.3.2 Comunicao OPC ...................................................................................................... 31

    5 DESENVOLVIMENTO DO SISTEMA SUPERVISRIO .......................................... 33

  • 5.1 Cliente/Servidor OPC ..................................................................................................... 34

    5.2 Lgica do LabVIEW ....................................................................................................... 34

    5.3 Resultados ...................................................................................................................... 35

    6 CONSIDERAES FINAIS .......................................................................................... 37

    REFERNCIAS BIBLIOGRAFICAS .............................................................................. 38

  • 1 INTRODUO

    H uma necessidade cada vez maior do controle de processos industriais, tanto para melhoria

    da qualidade e da produtividade como para proporcionar maior confiabilidade dos processos,

    alm de dar maior segurana aos operadores. nesse contexto que se desenvolve a automao

    industrial que tem por objetivo a melhoria de processos desde a reduo do consumo de

    matrias primas at melhorias nas condies de segurana.

    Os instrumentos e equipamentos voltados para o controle de processos evoluram muito desde

    os primeiros instrumentos mecnicos, onde o controle era realizado localmente. A partir de

    1940 surgiram os instrumentos pneumticos que j eram capazes de enviar a distncia sinais

    relativos s variveis de processo, permitindo a concentrao de controladores em uma nica

    rea, originando as salas de controle. A partir de 1950 surgiram os instrumentos eletrnicos

    analgicos que aumentaram a distncia para emisso de sinais, alm de simplificar sua

    transmisso, enquanto os instrumentos eletrnicos digitais, a partir de 1970, elevaram o grau

    de automao dos processos (AUTOMAO..., 2012).

    Nesse projeto tem-se o controle um inversor de frequncia via Controlador Lgico

    Programvel (CLP). O CLP um dispositivo com diversas aplicaes na automao e sua

    estrutura similar de um computador pessoal, possuindo unidade central de processamento,

    memria e barramento de dados. A maior diferena est nos mdulos de entrada/sada, que

    fazem a comunicao com o ambiente externo.

    Os CLPs no possuem uma Interface Homem-Mquina (IHM) padro, sendo necessrio criar

    tal interface por meio de programas especficos para esse fim, os chamados Sistemas

    Supervisrios, ou Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA), que so programas

    criados para o monitoramento de processos. O termo controle supervisrio est associado com

    os processos industriais, onde gerencia as atividades de unidades operacionais integradas para

    atingir determinados objetivos econmicos para o processo, e com a automao da

    manufatura, onde coordena as atividades de vrios equipamentos que interagem em clulas de

    manufatura ou sistemas (GROOVER, 2008). Pode-se utilizar diversos programas para criao

    do referido sistema. Neste trabalho utiliza-se o LabVIEW.

  • 14

    1.1 Objetivo

    Propor um sistema supervisrio que permita o controle de um inversor de frequncia por meio

    do uso de um CLP, possibilitando o monitoramento e ajuste de um fluxo de ar gerado por um

    motor de induo.

    1.2 Metodologia

    Utiliza-se para montagem do trabalho a prtica Determinao do coeficiente de transferncia

    de calor por conveco para placas horizontais e inclinadas, disponvel no Laboratrio de

    Transferncia de Calor e Massa (LTCM) da Escola de Minas da Universidade Federal de

    Ouro Preto, em conjunto com um CLP. Nessa montagem um motor de induo, acionado por

    um inversor e controlado pelo CLP, gera um fluxo de ar no interior de um tnel de vento. Para

    facilitar a visualizao desse sistema, construdo um sistema supervisrio utilizando o

    software LabVIEW. Utiliza-se um CLP programado segundo a lgica Ladder para controlar o

    processo.

    1.3 Estrutura do Trabalho

    O trabalho foi dividido em 6 captulos. No captulo 1 apresenta-se uma breve introduo ao

    tema, o objetivo e a metodologia utilizada para a realizao do trabalho.

    Nos captulos 2 a 4 descreve-se todo o aparato experimental utilizado: o controlador lgico

    programvel, o inversor de frequncia e o motor de induo juntamente com o transmissor de

    velocidade e o sistema supervisrio.

    No captulo 5 trata-se do desenvolvimento do sistema supervisrio e mostram-se os resultados

    obtidos no trabalho.

    No captulo 6 feita a concluso, expondo os pontos positivos e os pontos a serem

    melhorados no trabalho, bem como as dificuldades encontradas em sua execuo.

  • 2 CONTROLADOR LGICO PROGRAMVEL

    Segundo a Comisso Internacional de Eletrotcnica (IEC, 1993) Controlador Lgico

    programvel definido como:

    Sistema eletrnico operando digitalmente, projetado para uso em um ambiente industrial, que

    usa uma memria programvel para a armazenagem interna de instrues orientadas para o

    usurio para implementar funes especficas, tais como lgica, sequencial, temporizao,

    contagem e aritmtica, para controlar, atravs de entradas e sadas digitais ou analgicas, vrios

    tipos de mquinas ou processos. O controlador programvel e seus perifricos associados so

    projetados para serem facilmente integrveis em um sistema de controle industrial e facilmente

    usados em todas suas funes previstas.

    2.1 Histrico

    Os sistemas de controle tiveram incio no final do sculo XIX, durante a Revoluo

    Industrial, por meio de dispositivos mecnicos que tinham por objetivo automatizar uma

    determinada tarefa. Na dcada de 1920, esses dispositivos foram substitudos por rels e

    contatores que possibilitaram o desenvolvimento de sistemas mais complexos. J com o

    desenvolvimento dos circuitos integrados (CIs), surgiu uma nova gerao de sistemas

    de controle que, por serem menores, mais rpidos e pela maior vida til, foram muito

    utilizados em conjunto com os rels, sendo definida uma lgica de controle por meio de

    interligaes eltricas, mais fceis de implementar e mais difceis de se alterar

    (FRANCHI; CAMARGO, 2009).

    Somente em 1968, na empresa General Motors Corporation, houve a primeira

    experincia de sistemas de controle que utilizassem uma programao via software,

    dando incio era dos controladores lgico programveis (SILVEIRA; SANTOS,

    2007). Algumas das principais vantagens advindas dessa nova tecnologia, em

    comparao com o painel de rels, foram:

    a) menor espao fsico necessrio;

    b) facilidade em realizar alteraes na programao;

    c) possibilidade de expanso no nmero de entradas e sadas;

    d) maior confiabilidade;

  • 16

    e) possibilidade de comunicao com diversos tipos de equipamentos.

    2.2 Princpio de Funcionamento

    O princpio de funcionamento do CLP mostrado na Figura 2.1, e explicado em

    seguida.

    Figura 2.1 Princpio de funcionamento

    Fonte: UFBA, 2000.

    A cada ciclo de varredura o CLP realiza a leitura de todas as entradas, verificando o

    estado de cada uma, armazenando os resultados obtidos em uma regio da memria

    chamada de tabela de imagem das entradas e executa a lgica de controle presente no

    programa. Em seguida, atualiza o estado da tabela de imagem das sadas, tambm de

    acordo com a lgica de controle, e inicia-se um novo ciclo.

    2.3 CLP GE Fanuc Versamax

    Optou-se para esse trabalho pelo GE Fanuc Versamax, ilustrado na Figura 2.2, que pode

    ser utilizado em diversas aplicaes, fazendo-se uso de diferentes quantidades e tipos de

    mdulos.

  • 17

    Figura 2.2 CLP GE Fanuc Versamax

    Basicamente, um CLP composto por uma fonte de alimentao, uma Central

    Processing Unit (CPU), memrias, sistema operacional, mdulos de entrada e sada e

    terminal de programao, conforme ilustrado na figura 2.3.

    Figura 2.3 CLP Versamax

    Fonte: CARRILHO, 2012.

    A fonte de alimentao responsvel por retificar a corrente eltrica de maneira a

    permitir que ela seja utilizada pelo CLP. Pelo fato do CLP no possuir uma bateria

    auxiliar, ele ir preservar somente aqueles dados contidos na memria EPROM.

    A CPU, composta por processador, sistema de memrias ROM e RAM e circuitos

    auxiliares de controle, responsvel pela lgica de funcionamento dos circuitos do

    CLP.

    O processador interage de forma contnua com o sistema de memria, analisa e executa

    o programa de aplicao desenvolvido pelo usurio, e gerencia todo o sistema. Os

    circuitos auxiliares de controle operam sobre os barramentos de dados, de controle e de

    endereos, de acordo com o que o processador requer, de forma anloga a um sistema

    convencional de microprocessadores (NAKAYGAWA, 2009).

  • 18

    As memrias possibilitam a leitura e gravao de dados por meio de circuitos integrados

    e podem ser divididas de acordo com suas caractersticas e funes.

    RAM (Random Access Memory) uma memria voltil (perde seu contedo

    na ausncia de alimentao). Pode ser escrita e lida em qualquer momento no

    microprocessador. Nos CLPs so utilizadas para formar uma rea de

    armazenamento temporrio.

    ROM (Read Only Memory) uma memria no-voltil. escrita de modo

    definitivo pelo construtor, que a introduz e a disponibiliza para tarefas

    especficas, podendo ser lida apenas pelo microprocessador. Na ausncia de

    energia eltrica o contedo dessa memria no se perde.

    EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory) memria no-voltil

    que permite que dados sejam regravados no dispositivo por meio da exposio a

    raios ultravioleta (UV), que agem sobre a memria atravessando uma pequena

    janela do chip.

    Todas as operaes da CPU so executadas pelo Sistema Operacional que gravado na

    memria ROM. Tal sistema pode ser alterado pelo fabricante do CLP e responsvel

    por administrar o autodiagnstico (em caso de mau funcionamento), a proteo de

    dados (em caso de falta de energia eltrica) e a funo de interrupo.

    Os mdulos de entrada e sada so compostos por dispositivos apropriados de forma a

    permitir a comunicao do CLP com os sinais de entrada e sada provenientes do

    sistema. Nesse projeto utiliza-se um mdulo entrada analgica responsvel pela

    obteno das medies realizadas pelo sensor de velocidade, um mdulo de sada

    analgica responsvel pela emisso do sinal de controle do inversor de frequncia e um

    mdulo de sada digital que tem como nica finalidade habilitar ou desabilitar o

    inversor de frequncia, ou seja, ele responde pela funo liga/desliga do sistema, o que

    faz com que esse mdulo seja o responsvel pelo acionamento remoto do experimento.

    O terminal de programao permite a comunicao entre o usurio e o CLP, podendo

    ser um teclado ou display com poucas funes ou at mesmo um microcomputador com

    um software aplicativo e funes complexas. Suas principais caractersticas so:

  • 19

    autodiagnstico, alterao de dados on-line, programao de instrues, monitoramento

    de dados e gravao e apagamento de memria (SCHMIDT, 2008).

    2.4 Programao

    Para a implementao da lgica de programao utilizada a linguagem Ladder, onde

    as funes lgicas so representadas atravs de contatos e bobinas. O software utilizado

    o CIMPLICITY Machine Edition, que apresentado na Figura 2.4.

    Figura 2.4 Tela Inicial CIMPLICITY Machine Edition

    No quadro 2.1 esto ilustrados e comentados os principais comandos da linguagem

    Ladder.

    Quadro 2.1 Comandos da Linguagem Ladder

    Contato normalmente aberto envia sinal somente quando acionado.

    Contato normalmente fechado envia sinal durante todo tempo em que no

    acionado. Quando acionado deixar de enviar o sinal.

    Bobina vazia a sada s se mantm ativada, se um sinal for mantido

    constantemente para mant-la ligada.

    Bobina reset desliga uma sada quando excita com um sinal.

  • 20

    Bobina set liga uma sada quando excitada com um sinal.

    Multiplica um ponto flutuante (REAL) operando IN1 por outro IN2, e

    armazena o produto na varivel de sada atribuda a Q.

    Multiplica um ponto flutuante (REAL) operando IN1 por outro IN2, e

    armazena o produto na varivel de sada atribuda a Q.

    Compara dois pontos flutuantes (REAL). Se IN1 maior ou igual a IN2,

    energiza a sada Q. Se IN1 menor que IN2, limpa Q.

    Transfere a execuo do programa para o incio de outro bloco (um C, IL,

    LD ou bloco). Quando terminar o chamado bloco, a execuo continua no

    bloco chamado imediatamente aps a instruo CALL.

    Na Figura 2.5 apresenta-se parte da lgica implementada no CIMPLICITY, onde esto

    ilustradas algumas das aes que o programa ter de realizar durante a execuo do

    mesmo.

    Figura 2.5 Lgica de programao

  • 21

    Para que a lgica apresentada na Figura 2.5 funcione necessrio realizar o

    endereamento de todos os componentes presentes no programa, isso pode ocorrer de

    duas maneiras, vinculando a varivel (bobina/contato) ao equipamento fsico ou

    relacionando uma varivel outra (chave/botoeira) dentro do prprio programa. Cada

    fabricante utiliza uma forma de endereamento, a norma internacional recomenda as

    convenes mostradas na Tabela 2.1.

    Tabela 2.1 Norma Internacional de Endereamento

    Descrio Representao

    Bits de entrada %I

    Bits de sada %Q

    Bits internos %M

    Bits do sistema %S

    Bits de temporizadores %TM

    Bits de contatores %C

  • 3 INVERSOR DE FREQUNCIA

    Um inversor de freqncia um dispositivo destinado ao controle e variao da

    velocidade de motores de induo trifsicos, para isso ele capaz de gerar tenso e

    freqncia trifsicas ajustveis. Em conseqncia dessa capacidade, os inversores

    possibilitam um acionamento suave do motor evitando possveis quebras. Tambm

    podem ser utilizados como dispositivos de segurana para problemas da rede eltrica,

    como sobrecarga, queda de tenso, entre outros. Segundo Capelli (2002), a funo de

    um inversor de frequncia no se limita a controlar a velocidade de um motor, ele

    precisa tambm manter o torque constante para que no haja alterao na rotao.

    Neste trabalho utiliza-se o inversor de freqncia modelo Web CFW 08 juntamente com

    o carto de controle XC1, que permite o controle do mesmo por um CLP. Na Figura 3.1

    ilustra-se o inversor utilizado e a localizao das conexes de aterramento, potncia e

    controle do XC1.

    Figura 3.1 Localizao das conexes de potncia, aterramento e controle

    Fonte: WEG, 2012.

    Segundo Capelli (2002) os inversores so classificados em quatro blocos: CPU; IHM;

    Interfaces; e Etapa de potncia.

    A CPU de um inversor de freqncia pode ser formada tanto por um microprocessador

    quanto por um microcontrolador, como o CLP, alm de uma memria integrada que

    armazena todos os parmetros e dados do sistema. A IHM torna possvel a visualizao

  • 23

    das aes do inversor alm de permitir sua parametrizao, que ser abordada mais a

    frente.

    A maior parte dos inversores pode ser comandada por meio de dois tipos sinais:

    analgicos ou digitais. Quando se deseja o controle da velocidade de rotao de um

    motor, que o caso desse projeto, normalmente utiliza-se um sinal analgico de

    comando, onde a velocidade de rotao proporcional ao seu valor.

    A etapa de potncia constituda por um circuito retificador, que alimenta o circuito de

    sada do inversor atravs de um circuito intermedirio chamado barramento DC.

    3.1 Parmetros

    Segundo Capelli (2002) para que o inversor funcione de forma satisfatria, no basta

    instal-lo corretamente, preciso inform-lo em que condies de trabalho ele ir

    operar, o que consiste na parametrizao do inversor. Quanto maior o nmero de

    recursos que o inversor oferece, maior ser o nmero de parmetros disponveis.

    Conforme visto anteriormente, esses parmetros so acessveis por meio da IHM do

    inversor. Para alterar seus valores necessrio, no parmetro P000, inserir o nmero 5,

    dessa forma possvel realizar as modificaes. Caso no seja definido esse valor para

    tal parmetro, os dados estaro acessveis apenas para visualizao.

    Os parmetros so agrupados pelas seguintes caractersticas:

    parmetros de leitura;

    parmetros de regulao;

    parmetros de configurao;

    parmetros do motor.

    3.1.1 Parmetros de leitura

    Os parmetros de leitura so variveis que podem ser visualizadas no display, mas no

    podem ser alteradas pelo usurio e que permitem visualizar os valores programados nos

    parmetros de regulao, configurao e do motor. Como exemplos, tm-se:

  • 24

    P001 - Referncia de Velocidade. Indica o valor da referncia de velocidade

    antes da rampa. Indicao em rpm;

    P002 - Velocidade do Motor. Indica o valor da velocidade real, em rpm;

    P003 - Corrente do motor. Indica a corrente de sada do inversor em ampres;

    P004 - Tenso do circuito intermedirio. Indica a tenso atual no circuito

    intermedirio de corrente contnua, em Volts;

    P005 Frequncia de sada do inversor, em hertz (Hz).

    3.1.2 Parmetros de regulao

    Os parmetros de regulao consistem em valores ajustveis a serem utilizados pelas

    funes do inversor. Como exemplos, tm-se:

    P100 - Tempo de acelerao. Define o tempo para acelerar linearmente de 0 at

    a frequncia nominal;

    P101 - Tempo de desacelerao. Define o tempo para desacelerar linearmente da

    frequncia nominal at zero;

    P133 - Referncia mnima. Define o valor mnimo da frequncia na sada

    quando o inversor habilitado;

    P134 Referncia mxima. Define o valor mximo da frequncia na sada

    quando o inversor habilitado.

    3.1.3 Parmetros de configurao

    Os parmetros de configurao definem as caractersticas do inversor e as funes a

    serem executadas. Como exemplos, tm-se:

    P202 Tipo de controle. Define o modo de controle do inversor;

    P204 Reprograma todos os parmetros para os valores do padro de fbrica;

  • 25

    P205 Seleo do parmetro de leitura indicado. Seleciona qual parmetro de

    leitura ser mostrado no display, aps a energizao do inversor;

    P220 Define como feita a seleo entre a situao local e a situao remoto.

    3.1.4 Parmetros do motor

    Os parmetros do motor definem as caractersticas nominais do motor a ser utilizado em

    conjunto com o inversor, como exemplos, tm-se:

    P399 Rendimento nominal do motor;

    P400 Tenso nominal do motor;

    P401 Corrente nominal do motor;

    P402 Velocidade nominal do motor;

    P403 Frequncia nominal do motor;

    P404 Potncia nominal do motor;

    P405 Fator de potncia nominal do motor.

    3.2 Configurao das entradas

    O inversor utilizado tem como configurao de fbrica a entrada analgica em tenso (0

    a 10Vcc), para adapt-lo realidade do trabalho, em que o carto de sada analgico

    utiliza sada em corrente (4 a 20mA), foi realizada uma alterao no parmetro AI1,

    alterando o seu estado de OFF para ON. Na Figura 3.2 apresenta-se a posio dos

    jumpers que configuram a seleo das entradas e sadas analgicas e as entradas

    digitais.

  • 26

    Figura 3.2 Posio dos jumpers para seleo das entradas e sadas analgicas e entradas digitais

    Fonte: WEG, 2012.

    3.3 Controle XC1

    A comunicao entre o inversor de freqncia e o CLP se d por meio da conexo de

    controle XC1. Na Figura 3.3 tm-se todos os pontos de conexo.

    Figura 3.3 Borne de Controle XC1

    Fonte: WEG, 2012.

    Nesse trabalho utilizam-se as conexes: DI1, DI3, COM, e AI1. A conexo DI1 a

    responsvel por habilitar/desabilitar o inversor e conectada ao mdulo de sada digital

    do CLP. J a conexo DI3 a responsvel pelo reset do inversor e conectado com a

  • 27

    DI1 do prprio inversor. As conexes COM e AI1 so conectadas ao mdulo de sada

    analgica do CLP.

    3.4 Instalao do Inversor de Frequncia

    Para instalao do inversor uma regra comum a todos os modelos e aplicaes tomar

    cuidado para no confundir os bornes de entrada de energia (R, S e T), com a sada para

    o motor (U, V e W). Com exceo dessa regra, o restante da instalao depende do

    modelo e da aplicao. Na Figura 3.4 tem-se o diagrama de ligao simples do inversor

    utilizado com a rede de energia e com o motor.

    Figura 3.4 Diagrama de Ligao Fonte: WEG, 2009b.

  • 4 MOTOR DE INDUO E SISTEMA SUPERVISRIO

    4.1 Motor de Induo

    O motor de induo trifsico o motor mais comum presente em instalaes industriais

    devido sua robustez, baixos custos de compra e manuteno, funcionamento simples e

    elevada vida til. Foi inventado por Nikola Tesla em 1886, na Frana. Na Figura 4.1

    ilustra-se o motor utilizado neste projeto.

    Figura 4.1 Motor de Induo

    Fonte: WEG, 2012.

    4.1.1 Princpio de Funcionamento

    O princpio de funcionamento de um motor de induo pode ser exemplificado por um

    im em formato de ferradura, suspenso por um fio, sob o qual h um disco metlico

    livre para girar sobre seu eixo, o que ilustrado na figura 4.2. Conforme o im gira no

    fio, o disco abaixo ir girar independente do sentido de rotao do im. O disco segue o

    sentido do im devido s correntes parasitas induzidas que surgem pelo movimento

    relativo do disco em relao ao campo magntico.

    Figura 4.2 Im permanente suspenso por um fio

    Fonte: MOTORES..., 2001

  • 29

    A Lei de Lenz explica o sentido contrrio da corrente parasita induzida que ir produzir

    o campo que tender a se opor a fora, ou seja, ao movimento que produziu a tenso

    induzida. Estas correntes parasitas tendero a criar sob o polo N do im um polo S no

    disco e sob o polo S do im um polo N no disco. Enquanto durar o movimento, que

    produz as correntes parasitas, estes plos sero criados no disco. O disco desta maneira

    ir girar no mesmo sentido do im pela atrao existente entre estes pares de polos que

    tendero a alinhar-se.

    4.1.2 Controle de Velocidade

    Para algumas aplicaes necessrio controlar a velocidade de acionamento da carga.

    Um modo bastante utilizado para variar de maneira controlada a velocidade de motores

    de corrente alternada por meio da frequncia da tenso de alimentao. Sabe-se que a

    velocidade do campo girante diretamente proporcional ao valor da frequncia da fonte

    de alimentao e que a velocidade do motor depende da velocidade do campo girante.

    Essa variao de frequncia obtida por meio de um inversor, que deve ser instalado

    entre a fonte de tenso e o motor.

    4.2 Transmissor de Velocidade

    A velocidade do ar no interior do tnel de vento poderia ser calculada de diversas

    formas, todas derivadas da velocidade de rotao do motor. Mas para esse projeto

    optou-se pela utilizao de um transmissor de velocidade, eliminando a necessidade de

    clculos complexos.

    O transmissor utilizado foi o CTV100, de fabricao da KIMO Instruments. Tal

    instrumento no possui um display para a visualizao da velocidade, fazendo-se

    necessrio a utilizao de um anemmetro de fio quente, equipado com display, para

    calibrar os sinais enviados pelo transmissor (4 a 20mA). Na Figura 4.3 ilustra-se o

    transmissor com display.

    Com a calibrao realizada, o transmissor torna o processo de controle da velocidade

    mais confivel, por permitir a visualizao do valor da velocidade em tempo real. Por

    no se tratar de um sistema em malha fechada, o sensor tem como finalidade indicar o

  • 30

    valor da velocidade do ar, de modo a permitir a verificao da lgica implementada no

    CIMPLICITY.

    Figura 4.3 Transmissor de Velocidade CTV100 com display

    Fonte: ROMIOTTO, 2012

    4.3 Sistema Supervisrio

    Os sistemas supervisrios so programas que permitem a aquisio e monitoramento de

    dados e variveis de um processo industrial, tendo como principal objetivo uma

    interface de alto nvel entre o operador e o processo possibilitando um monitoramento

    do mesmo em tempo real.

    Os sistemas supervisrios permitem que sejam monitoradas e rastreadas informaes de um

    processo produtivo ou instalao fsica. Tais informaes so coletadas atravs de equipamentos

    de aquisio de dados e, em seguida, manipuladas, analisadas, armazenadas e, posteriormente,

    apresentadas ao usurio. Estes sistemas tambm so chamados de SCADA

    (SILVA; SALVADOR, 2005).

    Um sistema supervisrio, ou SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition),

    constitudo por um nmero de unidades terminais remotas, RTUs, que so responsveis

    pelo monitoramento dos equipamentos distantes da estao central. Nesse projeto

    utilizado como RTU o CLP, o que muito comum devido algumas vantagens:

    soluo econmica;

    versatilidade e flexibilidade;

    facilidade de projeto e instalao;

  • 31

    fisicamente compacto;

    controle avanado;

    simples diagnstico e deteco de falhas.

    Existem diversos softwares para criao dos sistemas SCADA disponveis no mercado,

    para esse trabalho utiliza-se o LabVIEW.

    4.3.1 LabVIEW

    O LabVIEW um software de design de sistema que fornece as ferramentas necessrias

    para criar e implementar sistemas de medio e controle por meio da integrao de

    hardware. Os programas desenvolvidos em LabVIEW so chamados instrumentos

    virtuais, VIs (Virtual Instruments), pois sua aparncia e operao simulam instrumentos

    fsicos, como osciloscpios e multmetros (NATIONAL, 2010).

    Esse software permite a construo de uma IHM/SCADA de forma simples, uma vez

    que a mesma implementada por meio de cones ao invs de linhas de comando.

    Nesse projeto foi utilizado o toolkit DSC (Datalogging and Supervisory Control), que

    permite a criao de supervisrios utilizando o LabVIEW. Por meio deste software

    possvel acompanhar variveis de processo em tempo real, alarmes e administrar

    eventos. O mdulo DSC tambm permite a comunicao do LabVIEW com uma

    variedade de CLPs, por meio da comunicao OPC (OLE for Process Control).

    4.3.2 Comunicao OPC

    O padro OPC surgiu para estabelecer a troca de dados em tempo real e reduzir os

    problemas relativos compatibilidade de comunicao e complexidade no

    desenvolvimento de drivers especficos para cada dispositivo. A organizao que

    gerencia esse padro a OPC Foundation que possui atualmente cerca de 470 membros

    ao longo do mundo, incluindo a maioria dos principais fornecedores mundiais de

    sistemas de controle, instrumentao e automao (OPC, 2012).

    Esse padro baseia-se na comunicao cliente/servidor, na qual o servidor o software

    que contm o driver responsvel pela comunicao com o equipamento, o que faz com

    que o servidor consiga gerenciar os dados enviados e recebidos pelo equipamento de

  • 32

    forma a permitir que os clientes possam acessar ou alterar dados no prprio servidor. Na

    Figura 4.4 ilustra-se a arquitetura cliente/servidor OPC.

    Figura 4.4 Arquitetura Cliente/Servidor OPC

    Fonte: PUDA, 2008.

    Existem diversos servidores OPC disponveis no mercado, para esse projeto utilizou-se

    o servidor MatrikonOPC Server for GE PLCs, que possui os drivers necessrios para a

    comunicao com CLP utilizado nesse projeto. O servidor Matrikon esta ilustrado na

    Figura 4.5.

    Figura 4.5 Tela inicial MatrikonOPC Server for GE PLCs

  • 5 DESENVOLVIMENTO DO SISTEMA SUPERVISRIO

    Desenvolve-se um Sistema SCADA para o acionamento e monitoramento remoto da

    prtica Determinao do coeficiente de transferncia de calor por conveco para

    placas horizontais e inclinadas presente no LTCM. Tal sistema permite realizar as

    funes de liga/desliga do projeto e ajuste do fluxo de ar no valor desejado.

    Na Figura 5.1 mostra-se a tela de monitoramento do Sistema Supervisrio, onde

    possvel visualizar por meio de um grfico a resposta do inversor ao ajuste do setpoint

    da velocidade, alm da visualizao em tempo real do valor lido pelo transmissor

    instalado na sada do tnel de vento, como mostrado na Figura 5.2.

    Figura 5.1 Tela do Sistema SCADA

  • 34

    Figura 5.2 Aparato Experimental

    5.1 Cliente/Servidor OPC

    Com a lgica de programao no CIMPLICITY definida, se faz necessrio a vinculao

    das variveis presentes em tal lgica com as variveis a serem utilizadas pelo

    supervisrio. Para tal vnculo que se faz necessrio o uso do servidor OPC.

    No MatrikonOPC Server for GE PLCs criasse dois tipos de objetos, Consumer e

    Producer, o primeiro ir receber e o segundo enviar dados para o CLP. Para cada objeto

    necessrio configurar as variveis de forma idntica ao CLP, observando que o objeto

    Consumer composto pelas varveis produzidas pelo CLP e o objeto Producer pelas

    variveis consumidas pelo CLP.

    Com o servidor OPC finalizado necessrio criar o cliente OPC, que ir permitir a

    comunicao entre o servidor e o LabVIEW. O cliente OPC criado no prprio

    LabVIEW e ao fim dessa criao as variveis configuradas no Matrikon estaro

    disponveis para utilizao no supervisrio.

    5.2 Lgica do LabVIEW

    Foi desenvolvida uma lgica de programao para o desenvolvimento do sistema

    supervisrio, cujas principais funes so apresentadas a seguir.

    Na Figura 5.3 mostra-se a lgica de implementao do boto liga/desliga do sistema, ele

    responsvel por ativar o inversor deixando-o pronto para receber o valor da velocidade

    de vento que se deseja como setpoint.

    Figura 5.3 Lgica do Boto Liga/Desliga Geral

    Com o boto liga/desliga geral ativado, necessrio indicar a velocidade desejada,

    setpoint, para que o motor inicie o seu funcionamento. Na Figura 5.4 mostra-se a lgica

    de implementao do setpoint, onde possvel verificar que antes do envio desse valor

    ao CLP necessria uma converso do valor do setpoint.

  • 35

    Figura 5.4 Lgica do Setpoint

    Com o sistema ligado e o setpoint definido, o motor passa a operar de forma

    proporcional velocidade desejada, garantindo que o fluxo de ar na sada do tnel esteja

    no valor esperado. Para se ter uma garantia que o motor est operando de forma a

    cumprir essa condio que entra em operao o transmissor, que permite a

    visualizao do valor da velocidade em tempo real no sistema SCADA. O valor obtido

    pelo sensor tambm necessita de uma converso antes de ser exibido no supervisrio.

    Na Figura 5.5 ilustra-se tal lgica.

    Figura 5.5 Lgica do Grfico Velocidade do Vento

    5.3 Resultados

    Na Figura 5.6 mostra-se o comportamento do sistema, onde o valor do setpoint altera-se

    de forma manual por meio do sistema SCADA. A velocidade mxima na sada do tnel

    0,9m/s. Pode-se observar que o sistema capaz de manter a velocidade estvel. As

    oscilaes visualizadas na curva mostrada na Figura 5.6 so derivadas de rudos

    causados pela vibrao no tnel de vento e, consequentemente, do instrumento de

    medio do transmissor de velocidade.

  • 36

    Figura 5.6 Evoluo Temporal da Velocidade do Vento

    Observando-se a curva apresentada na Figura 5.6 possvel verificar a eficcia do

    controle, pois o sistema desenvolvido permitiu o controle do inversor de frequncia pelo

    CLP, fato comprovado pela manuteno da velocidade do ar, gerado pelo motor, no

    valor desejado.

    00,10,20,30,40,50,60,70,80,9

    0

    2,8

    5,6

    8,4

    11,2 14

    16,8

    19,6

    22,4

    25,2 28

    30,8

    33,6

    36,4

    39,2 42

    44,8

    47,6

    50,4

    53,2 56

    58,8

    61,6

    64,4

    67,2 70

    72,8

    01

    75,6

    01

    78,4

    Velo

    cid

    ad

    e (

    m/s

    )

    Tempo (s)

  • 6 CONSIDERAES FINAIS

    Como o sistema apresentou oscilaes decorrentes da vibrao do tnel de vento e, em

    consequncia, do transmissor de velocidade, sugere-se para melhoria do sistema a

    fixao do instrumento de medio do transmissor em uma posio central ao longo do

    tnel, fazendo-se uso de elementos que amorteam essa vibrao. Pode-se tambm

    inserir, no LabVIEW, um filtro passa-baixa no sinal oriundo do transmissor, ajustando-

    o para filtrar altas freqncias (rudos).

    Para trabalhos futuros pode-se implementar um controle realimentado de forma a

    garantir que o sistema controle a velocidade do ar de forma independente de

    perturbaes.

  • REFERNCIAS BIBLIOGRAFICAS

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