otimizaÇÃo da transmissÃo e controle de dados … · meio de comunicação de longa distância...
TRANSCRIPT
_____________________________________________________________________________
Fatec Garça
CURSO DE TECNOLOGIA EM MECATRÔNICA INDUSTRIAL
SÉRGIO DA SILVA GONÇALVES
WILLIAM ALMEIDA GUEDES
OTIMIZAÇÃO DA TRANSMISSÃO E CONTROLE DE DADOS EM SISTEMAS MECÂNICOS
GARÇA
2014
_____________________________________________________________________________
Fatec Garça
CURSO DE TECNOLOGIA EM MECATRÔNICA INDUSTRIAL
SÉRGIO DA SILVA GONÇALVES
WILLIAM ALMEIDA GUEDES
OTIMIZAÇÃO DA TRANSMISSÃO E CONTROLE DE DADOS EM SISTEMAS MECÂNICOS
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Faculdade de Tecnologia de Garça – FATEC, como requisito para conclusão do Curso de Tecnologia em Mecatrônica Industrial. Orientador: Paulo Sergio de Castro
GARÇA
2014
_____________________________________________________________________________
Fatec Garça
CURSO DE TECNOLOGIA EM MECATRÔNICA INDUSTRIAL
SÉRGIO DA SILVA GONÇALVES
WILLIAM ALMEIDA GUEDES
OTIMIZAÇÃO DA TRANSMISSÃO E CONTROLE DE DADOS EM SISTEMAS MECÂNICOS
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Faculdade de Tecnologia de Garça – FATEC, como requisito para a conclusão do Curso de Tecnologia em Mecatrônica Industrial, examinado pela seguinte comissão de professores: Data da Aprovação: ---/---/--- _________________________________ Prof. Paulo Sérgio de Castro FATEC Garça _________________________________ Prof. (a) (membro da banca) FATEC Garça _________________________________ Prof. (a) (membro da banca) FATEC Garça
3
OTIMIZAÇÃO DA TRANSMISSÃO E CONTROLE DE DADO EM SISTEMAS MECÂNICOS
Sergio da Silva Gonçalves¹
Willian Almeida Guedes¹
Profº Paulo Sergio de Castro²
Abstract - The development of this mechatronic prototype aimed to seek the safety and
practicality of controlling operations and relatively large systems to avoid work accidents.
This work aims to demonstrate the use of a freight elevator and the dangers of its
use.Considering these dangers, it is through an experimental study, we sought to develop
this distance control to make safer working conditions of a machine operator. The
radiofrequencia will be the means of communicating long distance with the machine and
man. In this work, the contributions of computers, electronics and mechanics were very
important for the development of safety and economical way in the use of high risk of
dangerousness equipment environment.
1
Keywords: Radio Frequency. Industry.Security.
Resumo –O desenvolvimento deste protótipo mecatrônico objetivou buscar a segurança e a
praticidade de se controlar operações e sistemas relativamente grandes evitando riscos de
acidentes de trabalho. Este trabalho pretende demonstrar a utilização de um elevador de
carga e os perigos de sua utilização. Considerando-se esses perigos, é que através de uma
pesquisa experimental, buscou-se desenvolver este controle à distância para tornar mais
seguras as condições de trabalho de um operador de máquinas. A radiofrequência será o
meio de comunicação de longa distância com a máquina e o homem. Neste trabalho, as
contribuições da informática, da eletrônica e da mecânica foram muito importantes para o
desenvolvimento de um meio seguro e econômico na utilização de equipamentos de grande
risco de periculosidade.
Palavras-chave :Radiofreqüência. Indústria. Segurança.
1 Alunos ²Orientador
4
1 INTRODUÇÃO
O tecnólogo em mecatrônica industrial tem sua área de atuação voltada em criar
soluções para necessidades da indústria, otimizando processos, automatizando tarefas,
realizando projetos para melhorias da produção, manutenção de equipamentos e
coordenação de equipes. Há várias tecnologias da integração das áreas da mecânica,
eletrônica e informática utilizadas pelo tecnólogo para exercerem tal feito.
O tema escolhido para realização do projeto de pesquisa surgiu da necessidade da
tecnologia da transmissão de sinais a distâncias seguras e a automação de processos de
produção, com o intuito de promover maior segurança aos operadores evitando problemas
como acidentes causados por máquinas de alto risco de periculosidade e possibilitando
soluções industriais.
A transmissão de sinais por meio da radiofrequência, possivelmente resolveria os
problemas, otimizando e inovando as áreas em que serão introduzidos. Atualmente, existem
muitos meios de movimentação de dados sem a utilização de fios ou cabos, como:
Bluetooth, wi-fi, infravermelho, porém, há controvérsias com sua utilização, [onde a área é
menor e inútil em local onde a transmissão deve ser realizada de uma distância maior e que
seja imune a interferências causadas geralmente em indústrias.
O tema, em questão, está diretamente relacionado com a área de mecatrônica,
contemplando a mecânica, a eletrônica e a informática, as quais evoluem numa velocidade
muito rápida, podendo proporcionar alternativas em pouco tempo, com preços de mercado
razoavelmente baixos, para atender as necessidades.
As questões postas refletem a relevância do tema por ser atual e contribuir para
agilidade, conforto e segurança das pessoas que utilizam dessa tecnologia.
Para a ciência, agrega conhecimento, tecnologia e sustentabilidade, tal como
qualquer inovação tecnológica, podendo oferecer futuramente a inutilização de cabos para a
transmissão de sinais e controle de máquinas industriais e assim promovendo maior
segurança aos colaboradores da empresa.
Nosso objetivo é aprimorar a utilização de transporte de dados pela rede sem fio,
por meio da transmissão de radiofrequência e obter soluções industriais para a empresa,
propiciar maior facilidade ao acesso e controle da transmissão de dados para evitar
acidentes causados em locais próximos a maquinas a serem operadas,eliminando o
excesso de cabos transmissores de informações e otimização do espaço.
5
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
A elaboração do projeto da otimização de transmissão de dados através de uma
rede sem fio, surgiu devido a vários fatores como, segurança, economia, sustentabilidade e
outros fatores que são de principais importâncias para uma organização.
Através de livros, artigos em web sites e a ajuda de professores que dominam o
tema escolhido, serão realizados e apresentados uma solução em um protótipo que
demonstrará um pouco da economia e principalmente a segurança dos operários.
2.1 RADIOFRÊQUENCIA
Para o desenvolvimento do projeto houve a necessidade de um aprofundamento
teórico sobre os temas de radiofrequência e automação industrial, mais especificamente
CLP (Controle Lógico Programável).
O primeiro passo que a tecnologia da radiofrequência deu foi quando Samuel F.
B. Morse enviou a primeira mensagem a distância, através de um telégrafo ainda utilizando
fio. Essa foi a primeira comunicação de longa distância ocorrido por volta de 1844. (
Algosobre.com.br)
Uma decada depois em 1950, Daniel Ruhmkoff desenvolveu um equipamento
capaz de transformar baixa tensão de uma pilha em alta tensão, então surgiu o primeiro
emissor de ondas eletromagnéticas.Três anos depois o australiano Julius Wilheim mostra
para o mundo que é possível enviar simultaneamente várias mensagens por uma única linha
telegráfica.
Os primórdios da tecnologia da radiofrequência foram se desenvolvendo cada vez
mais até chegar no surgimento do rádio, desenvolvido pelo italiano Guglielmo Marconi, no
fim do século XIX, mas a mérito do engenheiro mecânico e eletrônico Nikola Tesla. Ao
passar dos anos a tecnologia da RF foi se desenvolvendo, e atualmente os transmissores
tem um maior alcance com transferência de dados e com alta qualidade e rapidez, sendo
assim a radiofreqüência tornou-se indispensável no nosso cotidiano.
A radiofreqüência é utilizada no nosso cotidiano, mas para conseguir êxito nas
transmissões de dados via radiofreqüência foi necessário as ondas de rádio.
“.. a movimentação de corrente elétrica em fios condutores
produz perturbações de natureza eletromagnética que podem se
propagar pelo espaço.
Estas ondas se propagam em linha reta, mas podem mudar a
trajetória ligeiramente quando passam de um meio de maior
6
densidade para outro de menor densidade (refração), ou quando se
refletem em objetos de porte” (J.Mantin,1987)
“Há dois tipos de onda; Mecânica, que requerem um meio material
para se propagar seja ele sólido, líquido ou gás. Não se propagam no
vácuo. Uma energia ou perturbação introduzida no sistema faz com
que ela se propague através do material pela movimentação ou
choque de partícula a partícula, tentando manter a “informação” ou o
tipo de perturbação; e Eletromagnéticas o qual não requerem meio
materiais. Podem se propagar no vácuo, ar, água e alguns sólidos.
Propagam-se pela sucessão alternada de campos elétricos e
magnéticos mutuamente perpendiculares”.(C. Melo – ano 2011)
O método de transmissão de dados acontece entre dispositivos que emitem e
recebem os dados em forma de ondas. Esses sistema wireless é constituído pelo
transmissor que por sua vez convertem os tipos de ondas mecânicas em ondas magnéticas
enviadas pelo ar ao receptor que transforma para a forma de onda mecânica para ser
utilizada no meio físico sólido.
Fonte: Gil Pinheiro – UEL
Figura 1 : Transmissão Radiofequência
7
“ O funcionamento da comunicação via rádio (radiofrequencia), as
informações são convertidas em sinal elétrico, amplificadas e
tratadas convenientemente para depois serem lançadas ao ar (meio
de transmissão).
O sinal elétrico que chega à antena transmissora varia de acordo
com as informações codificadas. Este sinal elétrico, por sua vez,
provoca o surgimento de um campo elétrico e um campo magnético.
Esses campos, por serem provocados por um sinal variável, também
serão variáveis (variação esta, correspondente ao sinal elétrico).
Um campo elétrico variável provoca o surgimento de um campo
magnético também variável, e a variação de um campo magnético
provoca o surgimento de um campo elétrico (corrente elétrica
induzida)” (W. Carvalho,.....)
2.2 Controlador Lógico Programável – CLP
“O CLP é um equipamento de estado sólido, basicamente um computador industrial
que pode ser programado para executar instruções que controlam dispositivos, máquinas e
operações de processos, por meio da implementação de funções específicas como lógica
de controle, seqüenciamento, controle de tempo, operações aritméticas, controle estatístico,
controle de malha, transmissão de dados, etc., sendo muito implementado ao controle de
Sistemas Automatizados.”( C Franchi)
Os principais blocos que compõem um CLP são:
Unidade Central de Processamento (CPU) - é responsável pela tomada de
decisões. Através do programa, a mesma analisa o estado das entradas e altera o estado
das saídas, de acordo com a lógica programada.
Memória - é responsável pelo armazenamento de todas as informações
necessárias para o funcionamento do CLP.
Entradas e saídas - são os meios de comunicação do CLP com o processo a ser
controlado. As entradas recebem os sinais do campo e os transformam em sinais digitais
para serem processados pela CPU. Após o processamento, os dados enviados pela CPU
(digitais) são convertidos pelas saídas em sinais que possam acionar cargas externas
(sinais elétricos).
Fonte de Alimentação – responsável pela tensão de alimentação fornecida a CPU e aos
módulos I/O (Input/output).
8
O CLP foi desenvolvido devido a uma necessidade da demanda existente nas
industrias norte americanas.
“Durante a Revolução industrial, por volta do final do século XIX, foram
desenvolvidos vários sistemas de controle de natureza mecânica para realizar algumas
tarefas, porem as industrias necessitavam de uma melhoria neste tipo de tecnologia. A partir
da década de 1920 esses dispositivos foram substituídos por reles e contatores, Circuitos
Integrados e por fim, grandes computadores comerciais obtendo a característica de ser
programável proporcionando uma grande vantagem em interligações elétricas, porém ainda
eram caros e difícil de programar.
As primeiras aplicações do CLP foram na Hydronic Division da General Motors em
1968, resolvendo um problema de dificuldade de mudança de lógica em painéis de comando
a cada mudança da linha de montagem.
Os primeiros CLPs eram grandes e relativamente caros com 150 reles, mas ao
longo do tempo foi se desenvolvendo e atualmente temos CLPs que podem ser utilizados
com 15 reles e com custo baixo.
Porém ainda havia problemas com a variação das linguagens utilizadas no CLP. Ao
Trocar um CLP por um modelo mais novo, eram necessários treinamento de todo o pessoal
envolvido, desenvolver software e hardware e realizar novos investimentos. .”( C Franchi)
Através desta necessidade, a comunidade industrial reconheceu que deveria ser
feito um padrão de linguagem para os CLPs, então foi criado um grupo de trabalho, o IEC (
Instituto Electrotechnical Comission) para estabelecer normas para os sistemas de CLPs.
Surgindo a Norma IEC 61131 cuja terceira parte trata da linguagem da programação dividida
em três seções:
Generalidades
Elementos Comuns
Linguagem de programação
Esta norma definiu cinco tipos de linguagem de programação:
Diagrama de Blocos de funções ( FBD)
Linguagem Ladder (LD)
Sequenciamento gráfico de Funções (SFC – System Funcion Chart)
Lista de Instrunções (IL)
Texto Estruturado(ST – Structured Text)
Vantagens:
Ocupam menor espaço;
9
São reprogramáveis, permitindo alterar os parâmetros de controle sem necessidade
de interromper o processo produtivo;
Podem ser reutilizados;
Manter uma documentação sempre atualizada;
Apresentam interface de comunicação com outros CLPs e computadores de
controle;
Permitem maior rapidez na elaboração do projeto do sistema;
Maior flexibilidade;
Baixo consumo de energia;
Maior confiabilidade;
Fácil funcionamento na fase de projeto do sistema ou reparos em falha que venham
ocorrer durante a sua operação;
Operar com reduzido grau de proteção, pelo fato de não serem gerados
faiscamentos;
Baixa manutenção.
Desvantagem
Custo relativamente alto.
3 PROCEDIMENTOS METODOLOGICOS
Protótipo é um produto de um trabalho realizado para executar alguma função de
modo a demonstrar algo para o público apresentado. Este produto é algo experimental antes
da produção de outros exemplares.
O protótipo a ser utilizado é um elevador de carga industrial onde é movimentado cargas
pesadas a locais altos com risco de quedas de peças. A transmissão e controle de dados do
elevador será realizado através de um dispositivo a longa distância.
O elevador será feito com metais e um fuso de rosca, por devidas razões, será
diferente dos elevadores convencionais, onde é utilizado cabos de aço para a
movimentação dos andares. A programação será realizada através de um sistema de
controle de entradas e saídas para monitorar andares, ativar e desativar sensores e
motores. O microprocessador será o sistema de controle responsável pelo elevador e pela
transmissão de dados através do receptor de sinal até os periféricos do elevador de carga. A
partir daí, haverá o receptor de dados, que enviará o sinal emitido através de um
10
transmissor ao microprocessador. O meio de transmissão de dados utilizado será a
radiofrequência.
3.1 LÓGICA DE PROGRAMAÇÃO CLP
A programação é feita através do software da Festo, em linguagem Ladder. Após
ligar o CLP, aperta-se o botão de pulso que ativa todos os sensores para realizar a
varredura do sistema e verificação da localização do elevador. Em seguida, o sensor detecta
o andar que o elevador se encontra e o programa desativa todos os outros sensores. A
chamada do elevador é através do controle remoto que manda um sinal para o CLP que
verifica em que local ele se encontra e qual o local de destino com a lógica programada em
Ladder, manda um sinal para a fonte ordenando a subida ou a descida, conforme o andar
requisitado.
A escolha do sistema de controle para a programação do protótipo foi com o intuito
de observação do vasto uso do CLP nas indústrias, por ser um excelente investimento para
controle de máquinas por ser um dispositivo de potência e possuir muitas vantagens em
relação ao seu uso.
O CLP utilizado é do fabricante Festo modelo Compact, utilizado como material
didático para o curso de mecatrônica. Suas características foram mais que necessárias para
a implementação do projeto.
Fonte: Dos autores(2014)
Figura 2 : Protipo Elevador de Carga
11
Caracteristicas do CLP:
24 V de operação
12 entradas(input) e 8 saidas(output)
Linguagem Ladder
Em caso da transformação do protótipo para o uso de sistemas de controle por
microprocessador seria necessário a utilização da adição de alguns dispositivos para retirar
alguns problemas comuns como o ruído e a diferença de potências entre a fonte do
protótipo e o circuito de controle. Contudo, as exigências de projetos foram totalmente
atendidas pelos atributos do CLP.
3.2 RADIOFREQUÊNCIA
No protótipo a radiofrequência será utilizada para enviar o sinal de ativação do CLP
através de uma distância segura para o operador, evitando riscos de acidentes, inovando
em sistemas de transmissão de dados e dando uma nova perspectiva sobre o controle de
máquinas através de um dispositivo sem fio.
O protótipo será controlado por um controle remoto com um sistema de transmissão
de dados wireless, capaz de transmitir dados a longa distância. Os componentes utilizados
para prover essa transmissão serão :
CI : Ht12d
CI : Ht12e
Transmissor Wirelles KST-TX01
Receptor Wirelles MRF00040
Resistores
Transistor
3.3 Circuito Integrado(CI)
Nesse trabalho será utilizado dois CI’s da família HT, o HT-12e e HT-13d, que
possuem quatro canais para o controle dos andares do elevador.
12
Especificações
1. HT12E
Tensão de trabalho: 2.4V~12V
Pinos de endereços: 8
Pinos de dados: 4
Corrente de consumo: 300uAmax
Freqüência: 433.92 MHz
Modelo: MX-FS-03V
Distância de transmissão: 20m a 200m (depende da tensão)
Tensão: 3,5VCC ~ 12VCC
Dimensões: 19mm x 19mm
Potência de transmissão: 10mW
Antena: 25cm
Velocidade de transmissão: 4Kb/s
Pinos: Dados, VCC e GND
2. HT12D
Tensão de trabalho: 2.4V~12V
Pinos de endereços: 8
Pinos de dados: 4
Corrente de consumo: 400uAmax
Freqüência: 433.92 MHz
Modelo: MX-05V
Tensão: 5VCC
Corrente: 4mA
Sensibilidade: -105db
Antena: 35cm
Dimensões: 30mm x 17mm x 7mm
13
Figura 3 : Circuitos de Radiofrequência
Fonte: downtronica.net
3.5 SENSORES
Sensor indutivo – Sensores indutivos são capazes de detectar apenas peças
metálicas através da utilização de um campo magnético produzido pelo sensor.
Sensor Capacitivo – Sensores capazes de detectar qualquer peça pela
característica capacitiva que possui todos os materiais. Este sensor é capaz de detectar a
presença de qualquer material, sendo ele, líquido, solido ou granulado.
3.7 MOTOR
Para o funcionamento do elevador no protótipo utilizamos um motor de para-brisa
CHP Boch DC 12V.As principais características dele segundo o fabricante é:
Eletrônica e elétrica integradas
Número reduzido de componentes
Mais leves e resistentes
Mais compactos
Maior torque
Carcaças de aço
Elevada proteção à infiltração de água
Mancais de acionamento de alumínio
14
Acionados com 12 ou 24 V.
È um motor de alta performance com um preço a cessível, ideal para ser utilizado em
pequenos projetos , além de ser resistente e de fácil manuseamento.
Fonte: Dos Autores(2014)
Segundo o catálogo da Bosch o motor apresenta os seguintes dados técnicos:
Caracteristicas Grandeza
Tensão nominal 12 V
potência nominal 24,5 W
Corrente nominal 6,1 A
Corrente máxima 27 A
Torque nominal 5,2 Nm
Breakaway MA 34,5 Nm
Redução 55: 1
Sentido de rotação L / R
Tipo de serviço S 1
Grau de proteção IP 23
Peso 1,10 kg
Figura 4 : Motor Bosh
15
3.8 FONTE DE ALIMENTAÇÃO
A fonte de alimentação utilizada no protótipo será uma fonte tipo H, responsável por
promover a inversão de polaridade conforme o elevador subir ou descer os andares,
invertendo a rotação do motor.
3.9 MECÂNICA DO PROTÓTIPO
3.9.1 FUSO
O fuso é um eixo com rosca, com a função de movimentar o elevador de carga
através do giro do motor. Feito de material aço carbono 1020.
Funcionamento
O Controle remoto wireless funciona através da radiofrequência para a
transferência de dados entre o receptor e o transmissor. Ao apertar o botão no seu
respectivo andar o controle envia um sinal de dados da placa transmissora ao receptor
enviando um sinal ao respectivo canal de dados, assim ativando o transistor e liberando a
passagem do pulso para o CLP fazendo com que o elevador movimente-se.
4 CONSIDERAÇÕES FINAIS
O projeto do elevador é movido por um motor de corrente contínua com
acoplamento por engrenagens helicoidais através de um fuso de rosca sem fim, conta com
os recursos dos sistemas mecânicos para o controle de torque, velocidade, lubrificação dos
elementos para maior durabilidade, um menor desgaste e um funcionamento mais eficiente.
Também constitui de uma fonte de inversão para a alimentação do motor e será
utilizada para mudar o sentido de rotação do motor, ou seja, para subir ou descer o elevador
de carga.
O controle do mesmo (atender as chamadas dos andares) é realizado por meio do
CLP da FESTO, com a linguagem de programação Ladder que será responsável pela
tomada de decisões de acordo com a condição atual.
A Transmissão do sinal de um dispositivo sem fio será realizado através da
radiofreqüência e enviado ao CLP pelo receptor do sinal.
16
O dispositivo que realizará a transmissão de dados será um circuito eletrônico com
módulos de radiofrequência.
Através do protótipo do elevador de carga concluímos que, apesar de haver vários
outros tipos de elevadores, a utilização do fuso é uma ótima alternativa para peças e
objetos, pois não necessita de uma manutenção muito rígida quanto a elevadores de
transporte de pessoas. Como em todos os projetos industriais, visamos à economia de
recursos, são utilizados elementos mecânicos de longa durabilidade, lubrificação rápida e
fácil, sensores de fácil aplicação e com preços reduzidos e a programação em Ladder, que é
utilizada em CLP’s. Em relação à segurança, será utilizado o dispositivo de controle do
elevador a uma distância segura para operação da máquina e demonstrara praticidade de
um sistema como este em máquinas que oferecem grande risco de acidentes devido o
transporte de peças com uma carga grande em alturas elevadas.
17
6. REFERÊNCIAS
BRAGA, Newton. Eletrônica básica para Mecatrônica – Introdução - Editora
Saber -Ano 2005.
PINHEIRO, Gil. Circuitos de comunicação – Introdução –– UERJ – FEN - DETEL.
Rio de Janeiro: ano 2010.
FANZERES,Apollon. Transmissores E Geradores Radiofrequência
editora EDIOURO , ano de 1985
Araujo, Wilson Carvalho. Introdução aos Receptores de radio AM/FM -
Disponívelem:
<http://www.ebah.com.br/content/ABAAAAxTIAB/apostila-sobre-radio-frequencia?part=5>
Acesso Novembro/2013
FESTO, Didatic. MC010P ”Microcontroladores para Automação Industrial – Ano
2010.
SENAI, Aprendizagem Indústria – Mecânica, Tecnologia Aplicada I - São Paulo,
2008.
CUNHA, Lamartine Bezerra. Elementos de máquinas. Editora Ltc, Ano 2005.
FRANCHI, Claiton Moro. Controladores LogicosProgramaveis -Sistemas
Discretos. Editora Erika Ltda. – Tatuapé, 2009
<http://offset3blog.wordpress.com/category/rolamentos-e-mancais/> Acesso Outubro/2014