simulador multi-axial - repositorio-aberto.up.pt · o qual surgiu insatisfação comportamental por...

Simulador Multi-Axial

Tiago Teixeira de Sousa Brito

Dissertação de Mestrado

Orientador:

Prof. Dr. Francisco Freitas

Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica

Opção de Automação

Julho de 2011


iii

À minha Mãe.


v

Resumo

Pretende-se com o corrente trabalho o desenvolvimento de um simulador de vibrações

que sirva os propósitos de simulação de modelos sísmicos e o de testes de vibrações em

equipamentos eléctricos/electrónicos. Esta ferramenta quer-se tanto robusta quanto útil,

devendo a simulação corresponder o mais fielmente possível às realidades correspondentes. A

interacção da máquina com o utilizador deverá ser fácil e segura.

Tendo em conta que este projecto vem dar continuidade a outro já realizado, e durante

o qual surgiu insatisfação comportamental por parte do simulador, tem-se a necessidade de

melhoria do comando e resposta, bem como uma aproximação ao que poderá ser um produto

final.

Para esse fim, proceder-se-á à substituição do autómato anterior por um superior,

implementando uma programação de comando flexível, fiável, segura e com a obtenção de

respostas mais rápidas.

No sentido de facilitar a comunicação Homem/máquina, será posteriormente

desenvolvido um ambiente gráfico de simples utilização num software de SCADA –

Supervisory Control And Data Acquisition – da Vijeo® Citect ®. Ao utilizador será dada a

possibilidade de escolha do modo de simulação, definição do valor das variáveis em jogo (tais

como frequências, pressões, etc.), e com a possibilidade de visualizar graficamente dados

gerados.


vii

Multi-Axial Simulator

Abstract

The following project has its main goal on developing a vibrations’ simulator in order

to test seismic models and electrical/electronical equipment. Such work tool is intended to be

as sturdy as useful, being the simulation accurate to each reality. The Man/machine

interaction should be easy and safe.

Taking on account this project continues another one already concluded, and during

which simulator’s behavioral dissatisfaction urged the need of improvement, this work’s

needs are set to command and response’s advance, as well as an approach to what could be a

final product.

PLC will be upgraded and a more versatile, flexible, reliable and safer command

programming’s implemented, with the upward of quicker responses.

Towards the Man/machine communication’s favoring, a user-friendly SCADA’s

graphic environment will then be developed. Users have the permission to choose

simulation’s mode, define the variables’ values (such as frequency, pressure, etc), with the

possibility of data’s acquisition and display.


ix

Agradecimentos

Gostaria de aproveitar a oportunidade para agradecer a todas as pessoas que

contribuíram para o sucesso deste trabalho.

Ao Prof. Dr. Francisco Freitas devo o reconhecimento devido, pela disposição e

disponibilidade, empenho e pelas palavras certas nas alturas precisas.

A todos os meus amigos e colegas da opção de automação, o mais sincero obrigado

por ajudarem a tornar possível a junção das palavras “trabalho” e “prazer” na mesma frase.

Ao Tiago Teixeira, que sempre se disponibilizou a ajudar, sacrificando um ou outro

fim-de-semana!

Uma distinção especial terá de ser feita para o Filipe Camacho Poeta Abrantes, que

tem pouco de poeta, mas muito de amigo!

Por fim, e não menos importante, gostaria de agradecer aos meus pais, aos meus

irmãos e à Filipa, por serem genuinamente bons para mim.


xi

Índice de Conteúdos

Resumo ....................................................................................................................................... v

Abstract ..................................................................................................................................... vii

Agradecimentos ......................................................................................................................... ix

Índice de Conteúdos .................................................................................................................. xi

Índice de Figuras ..................................................................................................................... xiii

Índice de Tabelas ..................................................................................................................... xvi

1 Introdução Geral e Objectivos ............................................................................................ 1

1.1 Noções breves sobre sismos ....................................................................................... 1

1.2 Noções breves sobre sismologia na construção de edifícios ...................................... 2

1.3 Noções breves sobre vibrações ................................................................................... 3

1.4 Contextualização da Dissertação ................................................................................ 4

1.5 Objectivos ................................................................................................................... 6

2 Exemplos de Simuladores .................................................................................................. 7

2.1 Simuladores Sísmicos ................................................................................................. 7

2.2 Simuladores de Vibrações .......................................................................................... 9

2.3 Simulador Multi-Axial FEUP ................................................................................... 10

2.4 Conclusões ................................................................................................................ 10

3 Simulador Multi-Axial FEUP ........................................................................................... 13

3.1 Estrutura do simulador ............................................................................................. 13

3.2 Accionamento ........................................................................................................... 14

3.3 Descrição do sistema/princípio de accionamento ..................................................... 16

3.4 Princípio de funcionamento ...................................................................................... 17

4 Montagem Eléctrica/Electrónica ...................................................................................... 19

4.1 Autómato – M340 Telemecanique® Schneider Electric® ....................................... 20

4.2 Instalação do autómato ............................................................................................. 21

Índice de Conteúdos

xii

5 Arquitectura do sistema ................................................................................................... 25

5.1 Software Unity® ProS® V4.1 .................................................................................. 26

5.2 Software SCADA – Vijeo® Citect® 7.10 ............................................................... 33

6 Estudo estático e dinâmico ............................................................................................... 39

6.1 Definição de eixo ..................................................................................................... 40

6.2 Conjunto horizontal de actuadores ........................................................................... 40

6.3 Princípio de funcionamento dos ensaios realizados ................................................. 41

6.4 Estudo da resposta frequencial do simulador multi-axial ........................................ 56

6.5 Estudo dinâmico do simulador multi-axial .............................................................. 64

6.6 Resposta dinâmica do simulador multi-axial ........................................................... 70

6.7 Ensaios com modelo sísmico ................................................................................... 72

6.8 Limites frequenciais ................................................................................................. 76

7 Desenvolvimento do programa final ................................................................................ 77

7.1 Introdução ................................................................................................................ 77

7.2 Descrição da programação ....................................................................................... 77

7.3 Descrição do programa final .................................................................................... 81

8 Resultados ........................................................................................................................ 93

9 Conclusões ....................................................................................................................... 95

10 Bibliografia ...................................................................................................................... 97

ANEXO A – Elementos eléctricos/electrónicos ...................................................................... 99


xiii

Índice de Figuras

Figura 1.1 – Ondas sísmicas ....................................................................................................... 1

Figura 1.2 - Amplitudes vs Frequências ..................................................................................... 3

Figura 2.1 - E-Defense................................................................................................................ 7

Figura 2.2 - Simulador sísmico MTS® ...................................................................................... 8

Figura 2.3 - Simulador de vibrações NTS® ............................................................................... 9

Figura 2.4 - Simulador de vibrações CUBE® .......................................................................... 10

Figura 2.5 - Simulador FEUP ................................................................................................... 10

Figura 3.1 – Estrutura e constituintes do simulador FEUP ...................................................... 13

Figura 3.2 – Fixação de carga no tampo móvel ........................................................................ 14

Figura 3.3 - Músculo pneumático ............................................................................................. 14

Figura 3.4 – Válvula. Proporcional de pressão ......................................................................... 15

Figura 3.5 - Válvula digital direcional...................................................................................... 15

Figura 3.6 - Actuação do simulador ......................................................................................... 16

Figura 4.1 - Platine do simulador multi-axial .......................................................................... 19

Figura 4.2 – Autómato M340 ................................................................................................... 20

Figura 4.3 – Ligação dos elementos ao autómato .................................................................... 23

Figura 5.1 - Esquema da arquitectura do sistema ..................................................................... 25

Figura 5.2 – Ícone Unity® ProS® ............................................................................................ 26

Figura 5.3 - Esquema da metodologia de programação ........................................................... 27

Figura 5.4 - Vista dos elementos constituintes do PLC no Unity® ProS® .............................. 28

Figura 5.5 - Lista das variáveis no Unity® ProS® ................................................................... 29

Figura 5.6 - Esquema em GRAFCET de uma Macro-Etapa .................................................... 31

Figura 5.7 - Princípio de funcionamento da linguagem LD ..................................................... 32

Figura 5.8 - Ícone Vijeo® Citect® 7.10 ................................................................................... 33

Figura 5.9 - Pin-out do cabo série feito .................................................................................... 34

Introdução

xiv

Figura 5.10 - Definição dos parâmetros de comunicação no Unity® ProS® .......................... 35

Figura 5.11 - Express Wizard do Vijeo® Citect® .................................................................... 36

Figura 5.12 - Transposição das variáveis para o Vijeo® Citect® ............................................ 37

Figura 5.13 - Ambiente gráfico no SCADA ............................................................................ 37

Figura 6.1 - Esquema simplificado do circuito pneumático para um actuador ........................ 39

Figura 6.2 - Eixo de um músculo ............................................................................................. 40

Figura 6.3 - Disposição dos actuadores no plano horizontal ................................................... 40

Figura 6.4 - Relação do deslocamento dos músculos secundários .......................................... 40

Figura 6.5 - Sensibilidade dos sensores ................................................................................... 42

Figura 6.6 - Centralidade da mesa ........................................................................................... 42

Figura 6.7 - Estrutura 1º método .............................................................................................. 45

Figura 6.8 - Deslocamento para 5ms actuação ........................................................................ 45

Figura 6.9 - Deslocamento para 10ms actuação ...................................................................... 46

Figura 6.10 - Deslocamento para 20ms actuação .................................................................... 46

Figura 6.11 - Descrição do funcionamento do timer off-delay ................................................ 47

Figura 6.12 - Programação LD do 2º método .......................................................................... 49

Figura 6.13 – Deslocamento para diferentes tempos de actuação ........................................... 49

Figura 6.14 – Deslocamento para 10ms a diferentes pressões ................................................. 49

Figura 6.15 – Deslocamento para 5ms a diferentes pressões ................................................... 50

Figura 6.16 - Relação entre tempos de actuação e velocidades ............................................... 51

Figura 6.17 – Deslocamento às diferentes velocidades ........................................................... 52

Figura 6.18 - Deslocamento para a 1ª velocidade a diferentes pressões .................................. 53

Figura 6.19 - Deslocamento para a 8ª velocidade a diferentes pressões .................................. 53

Figura 6.20 - Repetibilidade do deslocamento na admissão .................................................... 53

Figura 6.21 - Repetibilidade do deslocamento na exaustão ..................................................... 54

Figura 6.22 – Princípio de funcionamento do modo seno ....................................................... 60

Figura 6.23 - Amplitude do deslocamento com um actuador .................................................. 64


xv

Figura 6.24 - Velocidade do deslocamento com um actuador ................................................. 65

Figura 6.25 - Aceleração do deslocamento com um actuador .................................................. 65

Figura 6.26 - Amplitude do deslocamento com três actuadores............................................... 66

Figura 6.27 - Velocidade do deslocamento com três actuadores ............................................. 66

Figura 6.28 - Aceleração do deslocamento com três actuadores .............................................. 66

Figura 6.29 - Resposta livre do sistema .................................................................................... 67

Figura 6.30 - Amplitudes e período amortecido da resposta do sistema .................................. 69

Figura 6.31 - Resposta das válvulas digitais a 25Hz ................................................................ 71

Figura 6.32 - Modelo sísmico usado ........................................................................................ 72

Figura 6.33 - Deslocamentos com os três actuadores e provete ............................................... 73

Figura 6.34 - Velocidades com os três actuadores e provete.................................................... 73

Figura 6.35 - Acelerações com os três actuadores e provete .................................................... 73

Figura 6.36 - Oscilação a 2Hz .................................................................................................. 74

Figura 6.37 - 1º Modo de Vibração .......................................................................................... 75

Figura 7.1 - Estrutura do programa final .................................................................................. 78

Figura 7.2 - Estrutura de uma macro-etapa .............................................................................. 80

Figura 7.3 – Navegação no SCADA ........................................................................................ 83

Figura 7.4 – Layout da página inicial ....................................................................................... 83

Figura 7.5 – Layout do check-up eléctrico ............................................................................... 83

Figura 7.6 – Layout do menu inicial ......................................................................................... 84

Figura 7.7 - Layout do modo velocidades ................................................................................ 85

Figura 7.8 - Layout do modo seno ............................................................................................ 86

Figura 7.9 - Layout do ensaio 1 ................................................................................................ 87

Figura 7.10 - Layout do ensaio 2 .............................................................................................. 88

Figura 7.11 - Layout da manutenção ........................................................................................ 89

Figura 7.12 - Layout do modo manual ..................................................................................... 90

Figura 7.13 - Geração de gráficos no SCADA ......................................................................... 91

Introdução

xvi

Índice de Tabelas

Tabela 2.1 – Características de actuação do E-Defense ............................................................. 8

Tabela 2.2 - Características do simulador MTS® ...................................................................... 8

Tabela 2.3 - Características do vibrador NTS® ......................................................................... 9

Tabela 2.4 - Características do vibrador CUBE® .................................................................... 10

Tabela 2.5 - Características físicas do simulador FEUP .......................................................... 10

Tabela 5.1 - Energia total consumida ....................................................................................... 22

Tabela 5.1 - Parâmetros de comunicação no Vijeo® Citect® ................................................. 35

Tabela 6.1 – Valores da sensibilidade dos sensores ................................................................. 42

Tabela 6.2 - Princípio de pressurização ................................................................................... 44

Tabela 6.3 - Descrição da word %S4 ....................................................................................... 48

Tabela 6.4 - Resposta frequencial do modo normal ................................................................. 57

Tabela 6.5 - Repetibilidade frequencial modo normal ............................................................. 58

Tabela 6.6 - Descrição da word %SD20 .................................................................................. 60

Tabela 6.7 - Resposta frequencial do modo seno ..................................................................... 61

Tabela 6.8 - Repetibilidade frequencial do modo seno ............................................................ 62

Tabela 6.9 - Resposta em deslocamento a diferentes frequências e pressões .......................... 71

Tabela 6.10 - Simulação dos modos de vibração do provete ................................................... 72

Tabela 6.11 - Limites frequenciais do sistema ......................................................................... 76

Tabela 6.12 - Características dinâmicas máximas do simulador multi-axial ........................... 76

Tabela 7.1 - Descrição das etapas e acções .............................................................................. 79

Tabela 7.2 - Descrição da macro-etapa e acções ..................................................................... 80


1

1 Introdução Geral e Objectivos

1.1 Noções breves sobre sismos1

As ondas sísmicas são ondas energéticas que atravessam o planeta Terra, resultantes

de sismos ou explosões. São estudadas por sismólogos ou geofísicos e medidas, entre outros

instrumentos, por sismógrafos e/ou acelerómetros. A sua velocidade de propagação depende

da densidade do meio que atravessam, tendendo a aumentar com a profundidade. Estas ondas

podem ser reunidas em dois grupos de maior relevância: as ondas de corpo e as de superfície.

Ondas de corpo

As ondas de corpo propagam-se desde o

interior da Terra, numa trajectória similar à

refracção da luz, devendo o seu comportamento à

densidade e módulo da matéria, dependentes da

temperatura, composição e fase. Dentro das ondas

de corpo distinguem-se duas: as primárias, ondas

P, e as secundárias, ondas S. As ondas P, são

longitudinais, ou de compressão. Podendo

atravessar qualquer tipo de material, estas ondas

viajam nos sólidos até duas vezes mais depressa

que as ondas S. No ar, estas ondas de pressão

transformam-se em ondas sonoras, adquirindo

portanto uma velocidade igual à do som. Uma vez

que as ondas longitudinais não apresentam

polaridade, a direcção de oscilação é ao longo da

1 (Lee 2010) (K.E. Bullen 1993) (Wood 1986)

Figura 1.1 – Ondas sísmicas

Introdução Geral e Objectivos

2

direcção da trajectória. As ondas S são transversais, o que implica ter matéria deslocada

perpendicularmente à sua trajectória. Estas ondas apenas atravessam os sólidos, uma vez que

os fluidos não resistem a esforços transversais.

Ondas de superfície

As ondas de superfície são análogas às ondas na água: propagam-se na superfície

terrestre, diminuindo de intensidade com a profundidade. São mais lentas que as ondas de

corpo e, devido à sua baixa frequência, longa duração e grande amplitude, podem ser o tipo de

onda sísmica mais destrutivo. Existem dois tipos de ondas de superfície: as ondas Rayleigh e

as ondas Love

Ondas Rayleigh

Descobertas em 1885 por John William Strutt, Lord Rayleigh, estas ondas resultam da

interacção entre as ondas P e S, e deslocam-se como as ondas do mar, num movimento

ondulante.

Ondas Love

O deslocamento sinusoidal do solo deve-se a estas ondas polarizadas horizontalmente,

nomeadas após o britânico A.E.H. Love, autor do modelo matemático do seu comportamento

em 1911. São as ondas de maior amplitude, superficiais e envolvem deslocações laterais.

1.2 Noções breves sobre sismologia na construção de edifícios2

Quando se projecta um edifício que possa vir a sofrer abalos sísmicos, deve imaginar-

se o pior cenário possível, em termos de movimento esperado do solo, bem como a resposta

da estrutura a essas solicitações.

A vibração horizontal, durante um sismo, é a principal responsável pelo dano ou

colapso de estruturas. A maioria dos edifícios são projectados para suportar cargas elevadas,

pelo que são resistentes a forças verticais. Os esforços horizontais são resultantes

principalmente da força do vento, mas um eventual sismo pode representar esforços muito

superiores.

2 (Singh 1995) (K.E. Bullen 1993) (Washington University 2010)


3

A maior parte das vezes, grandes acelerações correspondem a frequências elevadas,

muito acima da frequência natural de vibração da maioria dos edifícios. Por isso, valores de

aceleração muito elevados, por si só, raramente conseguem que uma estrutura entre em

ressonância e, por conseguinte, colapse.

Grandes acelerações podem estar associadas a impulsos de curta amplitude e de

elevada frequência ou a impulsos de longa amplitude e de baixa frequência. No primeiro caso,

a inércia das estruturas absorve a maior parte dos impulsos, sofrendo pequenas deformações.

Já no segundo caso, uma aceleração mais moderada pode resultar numa deformação

significativa da estrutura.

Edifícios com mais de 10 andares, grandes pontes, viadutos e barragens, têm uma

frequência natural de vibração no intervalo entre 0,01 e 1Hz. Os sismos que ocorrem a

grandes distâncias do local onde são medidos mostram-se ricos neste intervalo de frequências.

Figura 1.2 - Amplitudes vs Frequências

É muito difícil saber quais os parâmetros críticos e para que valores limite estão as

estruturas a salvo, no entanto, e no contexto do presente trabalho, retiveram-se os seguintes

valores como máximos de referência do comportamento das ondas sísmicas:

• Frequência – 15Hz;

• Velocidade – 1600mm/s;

• Aceleração – 9,81m/s2 (1G).

1.3 Noções breves sobre vibrações

Vibration: The variation with time of the magnitude of a quantity which is descriptive

of the motion or position of a mechanical system, when the magnitude is alternately greater

and smaller than some average value or reference. Definição ISO 2041-1975


4

O funcionamento de máquinas é sempre acompanhado de vibrações e na prática, é

muito difícil evitá-las. Frequentemente, vibrações de amplitude insignificante podem excitar

as frequências de ressonância de certos componentes essenciais e tornarem-se amplificadas

em fontes de vibração e de ruído mais importantes.

A presença de vibrações conduz, na maioria dos casos, a efeitos indesejáveis tais como

amplitudes de movimento que excedem as previstas no projecto e que podem afectar o bom

desempenho do equipamento, atingirem-se frequências em que a máquina ou estrutura entre

em ressonância, dando origem a elevadas deformações ou tensões que possam levar à sua

rotura, situações de instabilidade dinâmica que podem inclusivamente provocar colapso,

forças exageradas transmitidas às fundações, transmissão de vibrações a outros equipamentos

próximos, desgaste prematuro de componentes, manutenção frequente e onerosa dos

equipamentos, fadiga de componentes e desconforto humano.

É na sociedade industrial moderna, onde a preocupação com os aspectos técnicos e

económicos, que se traduz no binómio qualidade – custo, que se revela a necessidade de

inovar e optimizar, o que, aliado a certos factores, tais como regulamentação, acções de

grupos de consumidores e competitividade, pressionam os industriais a manufacturar produtos

de melhor qualidade que produzam menos vibrações e menos ruído e que sejam mais ligeiros.

O objectivo fundamental do estudo das vibrações mecânicas é, pois, a determinação do

comportamento das máquinas e estruturas quando sujeitas a solicitações dinâmicas, a fim de

se alcançar uma solução mais adequada e rigorosa para os problemas previstos ou que

entretanto surjam durante o ciclo de vida do equipamento. (Rodrigues 2009)

1.4 Contextualização da Dissertação

1.4.1 Simulador Sísmico

A crosta terrestre é a camada de rocha mais externa da litosfera. Sendo a Terra um

planeta parcialmente fundido, a sua crosta flutua sobre camadas de rocha fluida e, se for

suficientemente fina, quebra-se em placas que se movem relativamente umas às outras.

A teoria de Alfred Wegener do início do século XX, na qual afirmou que o planeta

Terra era, há cerca de 200 milhões de anos, formado apenas por um grande continente

chamado Pangea, é a prova de que vivemos num planeta “vivo”.


5

Esta vida revela-se muitas vezes catastrófica para quem o habita, nomeadamente o ser

humano, já que a movimentação das placas tectónicas representa uma libertação imensa de

energia à qual está, invariavelmente, associada um sismo.

A escala de Richter, logarítmica, quantifica essa energia libertada. A título

exemplificativo, o valor 7 na dita escala equivale à detonação de 31,6 Mega toneladas de

TNT!

No entanto, a iguais valores de energia libertada não correspondem iguais

consequências!

Comparem-se os sismos de 2 de Setembro de 2009, com epicentro próximo da ilha de

Java, Indonésia, com o de 12 de Janeiro de 2010, no Haiti, ambos 7 na escala de Richter.

Segundo fontes oficiais, o primeiro sismo matou 79 pessoas, desalojando mais de 25 000 e

destruindo por completo cerca de 87 000 edifícios (incluindo residências, escritórios e

edifícios públicos). Já o último, no Haiti, teve efeitos muito mais nefastos, acabando com a

vida de 230 000 pessoas, ferindo leve ou gravemente 300 000, e desalojando um milhão!

Duzentas e cinquenta mil habitações e trinta mil edifícios comerciais colapsaram ou foram

severamente danificados. A cidade onde se verificou o epicentro foi destruída em cerca de

90%. (Wikipedia 2010)

Esta grande diferença de repercussões para a mesma intensidade sísmica deve-se, na

sua maior parte, à localização do epicentro, mas também à densidade populacional e

capacidade das infra-estruturas para resistir a abalos sísmicos.

De exemplos como este surgiu uma escala em que se avaliam os estragos causados e

não a energia libertada, denominada por escala de Mercalli.

Partindo deste princípio, conclui-se que ter à disposição um simulador sísmico poderá

significar a construção de infra-estruturas mais seguras e cada vez menos dispendiosas, de

modo a que os habitantes de países mais pobres, e/ou outros frequentemente fustigados por

terramotos, usufruam do seu direito a um quotidiano mais estável e seguro.

1.4.2 Simulador de Vibrações

Com a crescente complexidade e disponibilidade de sistemas electrónicos, surgiram, no

início dos anos 60, os testes de vibrações, conseguindo-se uma maior fiabilidade dos produtos

testados. A primeira missão lunar tripulada pelo homem foi das primeiras a usar este tipo de


6

testes. Antes das missões Apollo, os níveis de vibração sofridos pelas naves espaciais não

eram totalmente compreendidos, bem como os potenciais efeitos negativos de vibrações em

circuitos electrónicos. Um momento chave para a atribuição da importância devida a estes

testes foi quando três membros do módulo Apollo morreram na sequência de um incêndio, em

Janeiro de 1967, devido a um curto-circuito provocado por níveis elevados de vibração. Este

evento obrigou a NASA a repensar os seus testes, resultando daí um aumento da duração e

intensidade nos requisitos de testes de vibrações. Várias mudanças a nível de concepção e

produção foram também introduzidas.

Sabe-se que as vibrações afectam desde juntas soldadas a cabos eléctricos e placas de

circuitos. O resultado de falhas a estes níveis pode ser desastroso, afectando directamente a

fiabilidade de produtos electrónicos e até mesmo a segurança humana.

1.5 Objectivos

Esta dissertação tem como objectivos o desenvolvimento de um simulador de

vibrações com um favorável comportamento dinâmico (frequências, amplitudes, velocidades

e acelerações), tanto no estudo de modelos sísmicos quanto no teste de vibrações em

equipamentos. Pretende-se que a interacção com o utilizador, através de uma interface

gráfica, seja prática, intuitiva e com a geração de dados para melhor se compreenderem os

fenómenos associados a vários níveis de vibração. Todo o conhecimento adquirido poderá

depois ser posto em prática na construção de equipamentos e infra-estruturas mais seguras,

menos dispendiosas e que satisfaçam as normas de qualidade cada vez mais rigorosas no

competitivo ambiente industrial.


7

2 Exemplos de Simuladores

Qualquer máquina é projectada tendo em vista uma finalidade específica. Cabe

portanto ao projectista conhecer as especificações do cliente, de forma a entregar um produto

que cumpra os requisitos pretendidos, pelo mínimo custo possível. Este equilíbrio entre

desempenho e custo espelha-se nas capacidades de qualquer máquina.

Foi efectuada uma pesquisa a equipamentos projectados para as mesmas finalidades,

estabelecendo-se um paralelismo entre opções construtivas tomadas e repercussões em termos

de performances/custos.

2.1 Simuladores Sísmicos

2.1.1 Maior simulador sísmico – “E-Defense”

O maior simulador sísmico do mundo foi construído no Japão, em 2003, num esforço

conjunto e ao longo de quatro anos, de várias entidades Japonesas e Norte Americanas. No

sentido de prevenir tragédias de exemplos anteriores, o Instituto Nacional de Pesquisa para a

Ciência Terrestre e Desastre pretendia testar a resistência de diversos edifícios à escala contra

eventos sísmicos de grandes magnitudes. O custo total do projecto rondou cerca de 1,4

milhões de dólares. (Ohtani s.d.)

Figura 2.1 - E-Defense

Exemplos de Simuladores

8

A actuação da estrutura móvel está descrita na Tabela 2.1.

Carga Máxima (ton) 1 200

Área (m2) 300

Tipo de Actuação Servo Controlo Electro-hidráulico

Direcção de Actuação XY Z

Aceleração Máxima (m/s2) >9 >15

Velocidade Máxima (mm/s) 2000 700

Deslocamento Máximo (mm) ±1000 ±500

Tabela 2.1 – Características de actuação do E-Defense

2.1.2 Simulador sísmico comercial MTS®

No campo dos simuladores sísmicos orientados

para o ensaio de modelos, nota-se uma certa tendência

para o tipo de actuação, área útil de trabalho, número de

eixos usados, carga máxima e frequência de trabalho. A

Figura 2.2 apresenta o simulador comercial da empresa

MTS®, e pode ser considerado como um standard da tecnologia de simuladores sísmicos,

dada a sua similitude com muitas outras máquinas concebidas para o mesmo efeito. As

especificações encontram-se presentes na Tabela 2.2.

Graus de Liberdade 2

Accionamento Servo-hidráulico

Capacidade de Carga (ton) 10

Deslocamento máximo (mm) ± 250

Ângulo máximo (o) -

Frequência máxima de trabalho (Hz) 50

Aceleração máxima (m/s2) 9,8

Atravancamento (m3) 36

Tabela 2.2 - Características do simulador MTS®

Figura 2.2 - Simulador sísmico MTS®


9

2.2 Simuladores de Vibrações

A excitação sinusoidal é usada para identificar ressonâncias, criar danos a frequências

específicas ou excitar ruídos que sejam dependentes da frequência.

2.2.1 Simulador de vibrações NTS®, MB Dynamics®

Historicamente, as máquinas axiais não-simultâneas são as de eleição no que toca a

testes de vibrações. Estes são conduzidos de forma sequencial, aplicando a vibração

isoladamente em XX, YY ou ZZ ao elemento de teste. Após o teste num eixo, a máquina roda

sobre si mesma e prossegue na direcção do eixo seguinte.

Como exemplo desta tecnologia, está representado o vibrador NTS, da MB Dynamics,

Figura 2.3. O simulador de vibrações recorre ao accionamento eléctrico para a execução dos

testes nos três eixos principais. Permite deslocamentos até 25 mm e rotações até 90o, podendo

funcionar dentro de uma vasta gama de frequências.

Existem, no entanto, outras soluções no mercado que não recorrem à rotação do

elemento de teste na realização dos ensaios.

2.2.2 Simulador de vibrações CUBE®

À empresa Team Corporation deve-se o desenvolvimento do CUBE®: uma solução que

integra seis actuadores servo-hidráulicos de alta resposta numa máquina de reduzidas

dimensões. Com 6 graus de liberdade, permite a execução de testes até 250 Hz com ondas

sinusoidais no eixo vertical.


Accionamento Eléctrico

Capacidade de Carga (kg) -

Deslocamento máximo (mm) 25

Ângulo máximo (o) 90


Aceleração máxima (m/s2) 660

Atravancamento (m3) 0.4

Tabela 2.3 - Características do vibrador NTS® Figura 2.3 - Simulador de vibrações NTS®

Exemplos de Simuladores

10


Accionamento Hidráulico

Capacidade de Carga (kg) -

Deslocamento máximo (mm) -

Ângulo máximo (o) -


Aceleração máxima (m/s2) 2

Atravancamento (m3) ≈1 Tabela 2.4 - Características do vibrador CUBE®

2.3 Simulador Multi-Axial FEUP

O simulador multi-axial desenvolvido na Faculdade de Engenharia da Universidade do

Porto, abaixo apresentado na Figura 2.5, tem várias características singulares. Entre elas, pode

considerar-se o accionamento pneumático, o reduzido atravancamento e o baixo peso, que

significam sobretudo a sua portabilidade. Os cinco graus de liberdade de que dispõe,

conferem-lhe um largo espectro possível de aplicabilidade, e são a razão de se poder usar o

simulador FEUP tanto como um simulador sísmico como um de vibrações.

A actuação do simulador está a cargo de músculos pneumáticos – actuadores de

simples efeito lineares.


Accionamento Pneumático

Capacidade de Carga (kg) 100

Deslocamento máximo (mm) 20

Ângulo máximo (o) 3

Atravancamento (m3) 0,8 Tabela 2.5 - Características físicas do simulador FEUP

2.4 Conclusões

O accionamento da maioria dos simuladores pesquisados é hidráulico, sendo a sua

actuação levada a cabo por cilindros assimétricos. A consequência directa destas opções

Figura 2.4 - Simulador de vibrações CUBE®

Figura 2.5 - Simulador FEUP


11

reflecte-se numa maior força disponível, uma relação linear entre força aplicada e

deslocamento obtido, com melhores resultados em precisão e repetibilidade. No entanto,

algumas máquinas requerem um grande atravancamento, principalmente se se propuserem a

simular modelos reais em vez de modelos à escala.

Apesar disto, crê-se obter respostas dinâmicas justas para o simulador sísmico e para o

efeito a que se propõe, evidenciando ainda outras qualidades.

Contudo, e sendo este um trabalho de cariz educacional, pretende-se sobretudo que o

utilizador saiba reconhecer as soluções construtivas existentes, avaliar o peso de cada decisão

no decurso de um projecto e a sua influência no posterior desempenho/custo da máquina. Dá-

se, então, a liberdade para que o utilizador possa ser inventivo na procura de novas soluções

para a resolução do problema proposto e, com isso, sentir a responsabilidade e dificuldades

que um projecto acarreta, e superando-as aprendendo, ao mesmo tempo que o entusiasmo tem

como pano de fundo interesses objectivamente académicos.


13

3 Simulador Multi-Axial FEUP

O presente trabalho vem dar continuidade ao projecto iniciado pelo colega Sílvio

Augusto (2005/2006), com posterior desenvolvimento por parte dos colegas André Martins e

Daniel Carvalho, no ano lectivo de 2006/2007. Com excepção do projecto estrutural, destes

últimos alunos dependeu toda a concepção e materialização do simulador multi-axial.

3.1 Estrutura do simulador

Figura 3.1 – Estrutura e constituintes do simulador FEUP

Resumo dos Projectos Anteriores

14

O simulador multi-axial assenta numa estrutura rígida, hexagonal, construída usando

perfis UNP 100. À estrutura fixa estão acoplados todos os restantes elementos eléctricos e

pneumáticos necessários para o seu funcionamento, bem como a platine, não representada na

Figura 3.1, que contém a instalação eléctrica assim como a electrónica de comando -

autómato.

Para se poderem montar no simulador modelos sísmicos, equipamentos para teste de

vibrações, cargas para ensaios ou qualquer outro objecto, o tampo encontra-se com vários

furos roscados,Figura 3.2.

Figura 3.2 – Fixação de carga no tampo móvel

3.2 Accionamento

3.2.1 Músculos pneumáticos

O accionamento do simulador multi-axial é feito através de músculos

pneumáticos. Estes foram escolhidos por terem uma grande capacidade de

força e conseguirem executar pequenos movimentos. Uma das vantagens do

accionamento pneumático, e também devido ao uso dos reservatórios, consiste

no facto de se ter sempre uma baixa potência instalada, mas elevada potência

de pico disponível. O princípio de construção do músculo pneumático assenta

num tubo de borracha isotrópica cilíndrica e flexível, com duas falanges para a

ligação nas extremidades. O músculo possui um reforço na borracha e uma

malha entrançada. Quando pressurizado, o músculo alarga-se de encontro à

malha entrançada que age para confinar a expansão, mantendo a forma

cilíndrica. A força de tracção tem o seu máximo no começo da contracção e vai diminuindo

com o aumento da contracção (Martins e Gonçalves 2007).

Principais características dos músculos:

Figura 3.3 - Músculo

pneumático


15

• Bom amortecimento;

• Boa relação força/peso;

• Sem o problema de colagem (“stick-slip”);

• Força máxima de 6kN;

• Pressão máxima admitida de 6bar;

• Comportamento altamente não-linear;

• Contracção máxima admitida de 25% do comprimento total;

• Extensão máxima admitida de 3% do comprimento total.

3.2.2 Comando de potência

Para que cada músculo seja pressurizado, existe uma válvula digital, denominada de

válvula de admissão, que terá de ser actuada, bem como será necessário definir previamente

uma pressão de funcionamento na válvula proporcional do conjunto a que estiver associado.

Para se dar a exaustão do ar de dentro do músculo para a atmosfera, apenas será necessário

actuar a válvula digital denominada por válvula de exaustão.

Cada válvula proporcional apresenta, como o próprio nome indica, uma

proporcionalidade, directa entre o valor de comando eléctricoe a pressão de ar

à saída. De resposta muito rápida, o deslocamento da gaveta é comandado

através do sinal de entrada em tensão (0 a 10V), ou em corrente (4 a 20mA).

Permite operar numa gama de pressões compreendida no intervalo de 0 a 6bar,

e disponibiliza um sinal eléctrico analógico proporcional ao valor real de

pressão, à saída.

As válvulas digitais, “tudo ou nada”, são extremamente rápidas,

com tempos de comutação na ordem dos 4ms. Actuar a válvula significa

levar o seu valor lógico a 1, permitindo a passagem do ar.

3.2.3 Comando automático

Para que se executasse o comando electrónico, tinha anteriormente sido utilizado um

autómato da Schneider Electric, da gama Twido, de base modular, com a referência TWDA 40

DTK. Este autómato possui 24 entradas e 16 saídas digitais, ao qual se adicionaram três

Figura 3.4 – Válvula.

Proporcional de pressão

Figura 3.5 - Válvula digital

direcional


16

módulos de expansão TWD AMI 8HT, com 8 entradas analógicas, e mais dois módulos de

expansão TWD AMI 2HT com 2 saídas analógicas.

No trabalho anteriormente realizado, este autómato tinha revelado um elevado tempo de

ciclo, da ordem dos 17ms, o que implicava um claro subaproveitamento das ultra-rápidas

válvulas digitais pneumáticas.

3.3 Descrição do sistema/princípio de accionamento

A mesa do simulador, solidária com uma das extremidades de cada um dos actuadores

pneumáticos, Figura 3.6, é a parte móvel do sistema.

Uma vez que os músculos pneumáticos são de simples efeito, com apenas três

actuadores se cobre, em deslocamento, todo o plano horizontal.

O accionamento está a cargo de 3 conjuntos de músculos pneumáticos, num total de 7,

sendo:

• 3 dispostos na horizontal,

• 3 dispostos na vertical, e

• 1 disposto na vertical, mas numa posição central).

Para cada grupo de actuadores há uma

válvula proporcional redutora de pressão e uma

válvula de contrapressão.

Para cada músculo existem 2 válvulas

digitais (uma de admissão e uma de exaustão). A excepção vai para o actuador central, que

não conta com nenhuma válvula digital, pois se destina a funcionar como uma mola de

esforço contrário ao dos músculos verticais. Os actuadores verticais periféricos, encontram-se

acoplados no topo à estrutura, e em baixo, a um conjunto espaçador-forquilha. Ao serem

pressurizados, comprimem, reduzindo o seu comprimento e, portanto, elevando a mesa. O

princípio de deslocamento horizontal é igual, com a nuance de que os músculos horizontais

estão separados de 120º entre si. Isto significa que actuar simultaneamente todos os músculos

a pressão igual não resulta num deslocamento. Não existe, portanto, no movimento horizontal

qualquer necessidade de um actuador com movimento contrário aos outros.

Para medir o deslocamento da mesa móvel, encontram-se acoplados à estrutura 6

sensores de deslocamento indutivos (3 horizontais e 3 verticais).

Figura 3.6 - Actuação do simulador


17

A pressão máxima de funcionamento é definida no FRL. Também a pressão de contra-

pressão é regulável manualmente.

3.4 Princípio de funcionamento

Figura 3.7 - Esquema simplificado do circuito pneumático para um actuador

O percurso do ar no simulador multi-axial inicia-se no FRL. Para garantir o bom

funcionamento de todos os elementos constituintes do sistema, a pressão foi regulada para o

valor máximo de 5,5 bar. Daqui, o ar segue para as três válvulas proporcionais, às quais está

associado um diferente conjunto de actuação. Através de comando electrónico, a pressão

disponível para os actuadores atravessa as válvulas proporcionais e enche os reservatórios. O

armazenamento de ar imediatamente a montante de cada conjunto de actuação significa

supressão instantânea de eventuais necessidades de caudal. Para a actuação de cada músculo

existe, a montante e a jusante, uma válvula digital. Estas têm a designação de admissão e

exaustão, respectivamente. Tal como o nome indica, para a entrada e saída de ar do interior do

músculo, estas válvulas deverão ser actuadas. A sua montagem foi feita intencionalmente nos


18

extremos opostos de um actuador, garantindo desta forma, a circulação de ar renovado. A não

verificação desta condição poderia conduzir a um aumento de temperatura, e por conseguinte,

um aumento indesejado de pressão no interior dos músculos. O actuador central, porém, não

conta com a presença de qualquer válvula digital. Funcionará unicamente como uma mola à

tracção, em que a rigidez aumenta com a pressão no seu interior.

Antes da saída do ar para a atmosfera, existem duas válvulas redutoras de pressão

(conjuntos horizontal e vertical) reguladas manualmente para o valor de 1 bar (relativo), para

prevenir que nenhum dos músculos se encontre vazio durante o funcionamento da máquina.


19

4 Montagem Eléctrica/Electrónica

Pretendendo-se que o simulador multi-axial disponha das capacidades técnicas

exigíveis para ser usado para fins científicos, como a simulação de modelos sísmicos ou o

teste de vibrações a equipamentos, torna-se imperativo que o tempo de resposta do autómato

corresponda adequadadamente. Para tal, procedeu-se à substituição do previamente utilizado

por um com maior velocidade de processamento.

A substituição efectuada implicou uma reformulação de todo o esquema eléctrico, de

modo a que as novas necessidades fossem satisfeitas.

A segurança, tanto do utilizador como da máquina, foi alvo importante de atenção.

O resultado final da reestruturação levada a cabo está patente na nova platine do

simulador, Figura 4.1.

Figura 4.1 - Platine do simulador multi-axial

A platine encontra-se dividida por andares, cada qual com a sua funcionalidade. O

andar do topo está reservado para o comando automático, por parte do novo autómato – M340

Montagem Eléctrica/Electrónica

20

da Telemecanique, Schneider Electric. Enquanto o segundo poder ser visto como o andar de

potência e segurança, por ter duas fontes de alimentação, um relé e seis disjuntores, o andar

inferior tem como função estabelecer as ligações eléctricas vindas do exterior para o autómato

e fontes de alimentação, i.e., 220VAC, sinais das válvulas, sensores e ainda o sinal de uma

botoneira de emergência.

4.1 Autómato – M340 Telemecanique® Schneider Electric®

Após a montagem, que contou com a fonte de alimentação, processador e cartas I/O

analógicas/digitais disponíveis, o autómato apresenta o aspecto da Figura 4.2.

Figura 4.2 – Autómato M340

4.1.1 Cartas I/O analógicas/digitais

DDI 1602 (1) – Entradas digitais

Módulo discreto de 24VDC, de lógica positiva (sink): os 16 canais de entrada recebem

corrente dos sensores.

• Monitorização da actuação da botoneira de emergência, relé e 24VDC de

potência.

DDO 1602 (2) – Saídas digitais

Módulo discreto de 24VDC, de lógica positiva (ou source): os 16 canais de saída

fornecem corrente aos pré-actuadores.

• Comando das válvulas digitais, botão de emergência.

AMI 0410 (2) – Entradas analógicas

O módulo AMI 0410 é um aparelho de medição industrial de alto nível, com quatro

entradas. Usado com sensores ou transmissores, executa monitorização, medição e controlo

contínuo de funções de processo.


21

Este módulo disponibiliza as seguintes gamas para cada entrada, dependendo da

selecção feita durante a configuração:

Tensão: +/-10 V; 0 – 5 V; 0 – 10 V; 1 – 5 V; +/- 5 V;

Corrente: 0 – 20 mA; 4 – 20 mA; +/- 20 mA.

Funciona com entradas em tensão. Inclui quatro resistências conectadas ao bloco

terminal para funcionar com entradas em corrente.

Resolução: 16 bits.

• Leitura dos sensores de deslocamento e valores de pressão nas válvulas

proporcionais.

AMO 0210 (2) – Saídas analógicas

O módulo AMO 0210 tem duas saídas analógicas isoladas.

Disponibiliza os seguintes intervalos para cada saída:

Tensão: +/-10 V;

Corrente: 0 – 20 mA e 4 – 20 mA.

O intervalo é seleccionado durante a configuração.

Resolução: 16 bits.

• Comando de pressão das válvulas proporcionais.

4.2 Instalação do autómato

A substituição do autómato anterior implicou um importante estudo de todas as suas

especificações técnicas antes de poder ser implementado. Uma montagem incorrecta poderia

resultar no dano do aparelho.

No sentido de satisfazer todas as necessidades que esta substituição requeria, foram

analisados os consumos de potência exigidos por todos os elementos eléctricos do sistema.

Os cálculos efectuados para determinação da energia consumida encontram-se

descritos na Tabela 4.1:

Montagem Eléctrica/Electrónica

22

Entradas

analógicas

Sensores de

deslocamento � � 0,06�

Saídas

analógicas

Válvulas

Proporcionais

�� 3 3,6 �

� � 30�� çã 100%

� � � � � � � 3,6

30 3 � 0,36�

Saídas digitais

Válvulas

digitais � � � � � � � 12

3,7

24� 1,85�

Relé - � � 0,0375�

Energia

total

consumida

0,06� " 0,36� " 1,85� " 0,0375� � 2,3�

� � 30 #0,06 " 0,36$ " 24 #1,85 " 0,0375$ � 57,9�

Tabela 4.1 - Energia total consumida

O autómato tem uma fonte que disponibiliza 10,8W de potência, no entanto, veio a

demonstrar-se insuficiente para o efeito. Por uma questão de segurança e metodologia, foi

decidido alimentar os dispositivos digitais e analógicos por duas fontes distintas. A fonte de

potência do autómato ficou inibida de alimentar qualquer elemento exterior.

No campo da segurança, contou-se com a introdução de:

• 3 disjuntores fornecem, independentemente, energia às fontes de alimentação do autómato, dos elementos analógicos e dos digitais,

• 3 disjuntores fornecem a energia proveniente das respectivas fontes de alimentação às válvulas proporcionais, digitais e sensores de deslocamento,

• um relé, cuja actuação fornece energia para todas as válvulas, e

• uma botoneira de emergência que, quando actuada, inibe o relé, parando todos os movimentos do simulador. Foi, também, atribuído um código de cores aos cabos que fazem a ligação entre os elementos eléctricos e o autómato, consoante a sua funcionalidade.


23

4.2.1 Ligações ao autómato

Figura 4.3 – Ligação dos elementos ao autómato


25

5 Arquitectura do sistema

A conexão ao PLC – Programmable Logic Controller – efectua-se para duas

finalidades: a transferência do programa e o seu comando por parte do utilizador.

Deve-se à programação desenvolvida no Unity® ProS® todo o comportamento do

simulador multi-axial. Depois de se transferir o programa para o autómato via USB, o

software Vijeo® Citect® (SCADA) tem a função exclusiva de o comandar, através do

ambiente gráfico criado.

A comunicação entre o PLC e o computador com o SCADA é em série e sobre o

protocolo Modbus.

Figura 5.1 - Esquema da arquitectura do sistema

Arquitectura do Sistema

26

5.1 Software Unity® ProS® V4.1

Cada marca de autómatos tem o seu próprio software de programação. Como tal, foi

usado o Unity® ProS® V4.1 para desenvolver, testar, fazer o debug, simular o projecto e gerir

as aplicações criadas. A sua versatilidade, facilidade de utilização e extensa biblioteca de

blocos de funções permite ao utilizador trabalhar eficientemente e sobre os sistemas

operativos Windows® 2000® e Windows® XP®. As cinco linguagens de programação da

norma IEC 61131-3 podem ser usadas na programação de qualquer acção. São elas: LD

(Ladder Diagram), IL (Instructions List), ST (Structured Text), GRAFCET (Graphe

Fonctionnel de Commande, Etapes Transitions, o mesmo que SFC – Sequencial Function

Chart) e FBD (Function Block Diagram).

Figura 5.2 – Ícone Unity® ProS®


27

5.1.1 Metodologia de programação

Figura 5.3 - Esquema da metodologia de programação


28

5.1.2 Configuração do hardware e criação do projecto usando o

Unity® ProS®

A configuração do hardware e a criação do projecto são necessários para cada aplicação

do Unity® ProS®.

Posto isto, as próximas etapas consistiram no seguinte:

• Configuração – estabelecer comunicação com o autómato;

• Declaração de variáveis (Variables & FB instances) – declaração de todas as

variáveis;

• Programação – implementação do programa pretendido para o sistema;

• Ecrã de operador – ambiente gráfico usado para simulação e debugging do

programa.

Configuração do hardware

Depois da configuração do processador, foi necessário escolher o bastidor disponível e

quantas cartas I/O iam nele ser inseridas.

De seguida, e pela disposição correcta das cartas no autómato, foram seleccionados os

módulos usados, associando as entradas e saídas correctamente.

Figura 5.4 - Vista dos elementos constituintes do PLC no Unity® ProS®

As entradas/saídas são imagens lógicas dos estados das variáveis discretas. Durante a

programação no Unity® ProS® é possível a criação e declaração de variáveis.


29

Metodologia de implementação

As entradas/saídas podem ser declaradas usando:

• O ecrã de configuração do módulo discreto;

• O editor de dados (data editor).

Figura 5.5 - Lista das variáveis no Unity® ProS®

A localização topológica (address) das entradas é do tipo %I0.1.c e das saídas do tipo

%Q0.1.c:

• 0 é o número do bastidor. Este valor é 0 sempre que a configuração do

autómato consista num bastidor;

• 1 é o número do módulo. Significa que o módulo discreto está na primeira

posição do bastidor;

• c representa o número do canal.

Declaração de variáveis

As variáveis podem ser de dois tipos:

• bits internos – bits usados para armazenar estados intermédios durante a

execução do programa;

• words internas – estas “palavras” são usadas para armazenar valores durante a

execução do programa.


30

Programação

A aplicação consistiu em:

• Programação;

o GRAFCET;

o Ladder Diagram;

• Ecrã de operador – ambiente gráfico usado para simulação.

GRAFCET (SFC)

Esta linguagem sequencial consiste em etapas, transições e acções.

Estrutura

• Duas etapas estão obrigatoriamente separadas por uma transição;

• Uma etapa está activa caso a transição antecedente tenha sido activada e a

precedente não;

• O fluxo do processo segue do final duma etapa para o início da seguinte,

passando incondicionalmente por uma condição de transição;

• Os ramos são processados da esquerda para a direita, existindo a possibilidade

de haver duas, ou mais, etapas activas;

• A última transição está sempre ligada a uma etapa do processo, através de um

cabo ou por um “salto” (jump), criando-se um ciclo;

• Existem ainda as chamadas macro-etapas, que contêm um subconjunto de

etapas, com as etapas inicial e final distinguíveis por duas barras superiores e

inferiores.


31

Figura 5.6 - Esquema em GRAFCET de uma Macro-Etapa

Acções

• Uma acção pode ser uma variável Booleana ou uma secção em linguagem FBD

(Function Block Diagram), IL (Instructions List), ST (Structured Text) e LD

(Ladder Diagram);

• Uma etapa pode ter várias acções associadas, ou nenhuma. No último caso, a

acção tem uma função de espera, até que a transição precedente fique activa.

Caso a etapa contenha várias acções, estas são processadas sequencialmente e

segundo a ordem em que tiverem sido introduzidas na etapa;

• Uma acção pode ser usada por diferentes etapas.

Por uma questão prática, todas as acções foram programadas em linguagem Ladder

Diagram.

Ladder Diagram (LD)

A estrutura de um LD corresponde a um grupo de objectos para comutação de uma

bobine (variável). O lado esquerdo do editor é a fonte de alimentação de uma rung, por isso,


32

todos os objectos devem estar a si ligados. O lado direito é o neutro, ao qual todas as bobines

e saídas FFB estão ligadas, directa ou indirectamente, criando um fluxo de energia.

Um grupo de objectos ligados apenas entre si denomina-se por rung.

Figura 5.7 - Princípio de funcionamento da linguagem LD

Objectos

Os objectos da linguagem de programação LD dividem-se em:

• Contactos;

• Bobines;

• EFs e EFBs (Elementary Functions e Elementary Function Blocks);

• DFBs (Derived Function Blocks);

• Procedimentos;

• Elementos de control;

• Blocos de comparação e operação.

A sequência de processamento individual de objectos numa acção em LD é

determinada pelo fluxo de informação da própria secção. As rungs são processadas de cima

para baixo.


33

5.2 Software SCADA – Vijeo® Citect® 7.10

O software Vijeo® Citect® 7.10, compatível com os sistemas operativos Windows®

2000® e Windows® XP®, permite que o utilizador visualize e controle, em tempo real, todos

os processos de uma rede industrial. Com a geração de relatórios, gráficos e alarmes, o

operador não necessita de acompanhar a evolução dos acontecimentos, intervindo apenas

quando necessário. A interacção com sistemas, muitas vezes complexos, é feita através de

ambientes gráficos de fácil e agradável utilização.

Figura 5.8 - Ícone Vijeo® Citect® 7.10

O software de SCADA e o processador do autómato requerem que a comunicação se

processe sobre RS-232/Modbus.

5.2.1 Modbus

Modbus é um protocolo de estrutura hierárquica, isto é, tem um master, que dá uma

ordem a um, ou vários slaves, e aguarda resposta. A troca de dados pode ser feita por duas

maneiras: RTU ou ASCII. No modo RTU (Remote Terminal Unit), o tamanho da mensagem é

de 256 bytes, enquanto no modo ASCII é o dobro, 513 bytes. O Modbus RTU é um protocolo

binário e mais crítico que o ASCII, no que toca a time delay.

Para que houvesse ligação física entre o PLC e o software, e por conseguinte, troca de

informação, foi necessário fazer-se um cabo à medida.


34

Figura 5.9 - Pin-out do cabo série feito

Legenda:

• RXD – Received Data;

• TXD – Transmitted Data;

• RTS – Request To Send;

• CTS – Clear To Send;

• Ground – Neutro (0V).

Os fios RTS e CTS, apesar de ligados, não são usados pelas definições do protocolo.

5.2.2 Implementação do software de SCADA

Como primeiro passo para se estabelecer uma comunicação entre máquinas tem-se a

configuração do meio usado, seguindo os procedimentos impostos pelo protocolo.

Posteriormente às etapas iniciais de configuração e addressing de variáveis, foi desenvolvido

todo o grafismo. Nesse sentido, deu-se a seguinte sequência de trabalho:

• Configuração da comunicação;

• Alocação de memórias (addressing);

• Transposição das variáveis para o Vijeo® Citect®;

• Design do ambiente gráfico.


35

Configuração da comunicação

Configurar uma comunicação significa, fundamentalmente, estabelecer uma

linguagem inteligível pelas máquinas para que se dê a troca de informação. Por outras

palavras, pode dizer-se que a mensagem só é enviada e/ou recebida se estiver num formato

pré-definido. Estabeleceram-se igualmente os valores dos parâmetros de comunicação.

Figura 5.10 - Definição dos parâmetros de comunicação no Unity® ProS®

Parâmetro Valor

Modo Escravo

Ligação RS232

Número do escravo 1

Delay entre frames 2ms

Baud rate 19200 bits/s

Paridade Even

Data bits RTU (8 bits)

Stop bits 1 bit

Tabela 5.1 - Parâmetros de comunicação no Vijeo® Citect®

Depois de se definir um cluster (grupo), o endereço de rede e os servidores no Vijeo®

Citect®, concluía-se o processo de configuração a partir do Express Wizard, bastando para

isso seleccionar a porta série usada pelo computador, o autómato e o tipo de comunicação.


36

Figura 5.11 - Express Wizard do Vijeo® Citect®

Addressing

A alocação de lugares de memória (addressing) às variáveis definidas no programa é

feita apenas para as variáveis que serão usadas pelo Vijeo® Citect®. Esta atribuição, que

deverá ser unívoca, é feita para que o software saiba sempre onde as variáveis se encontram.

A morada de cada variável depende do seu tipo, e escreve-se na forma %M, para as

Booleanas, ou %MW, para os inteiros, reais ou strings.

Por uma questão de organização, estabeleceram-se dois intervalos separados para as

variáveis a ser “escritas” e para as que seriam “lidas” pelo Vijeo® Citect®, entre 1 a 150 e

entre 200 a 250, respectivamente.

Transposição das variáveis para o Vijeo® Citect®

Na transposição das variáveis, é-lhes atribuído um nome. O tipo depende da variável e

a localização é a definida anteriormente.


37

Figura 5.12 - Transposição das variáveis para o Vijeo® Citect®

Design do ambiente gráfico

Foi criado um ambiente gráfico agradável e simples para comandar o simulador da

forma mais versátil e intuitiva possível.

Figura 5.13 - Ambiente gráfico no SCADA


39

6 Estudo estático e dinâmico

Pretendendo comandar-se o sistema com rigor, o mais vasto conhecimento da resposta

dos actuadores a diversas condições de funcionamento era impreterível. Nesse sentido, foram

realizados ensaios exaustivos ao conjunto de músculos horizontais.

Porém, antes que estes ensaios pudessem ser realizados, era necessário saber a relação

entre o deslocamento da mesa e a variação na tensão de saída dos sensores de deslocamento,

i.e., as suas sensibilidades.

Não foi adicionada qualquer carga à mesa.

Figura 6.1 - Esquema simplificado do circuito pneumático para um actuador

Estudo Estático e Dinâmico

40

6.1 Definição de eixo

A actuação isolada de cada músculo pneumático faz-se sempre na mesma direcção (e

em sentidos diferentes na pressurização e despressurização), por isso, definiu-se como eixo de

cada actuador a direcção da força desenvolvida. Para a medição do deslocamento da mesa,

existe um sensor indutivo por eixo, .

Notação usada

• Hx – Eixo Horizontal x;

• Vx – Eixo Vertical x;

• SXHx – Sensor de deslocamento do Eixo Hx;

• SXVx – Sensor de deslocamento do Eixo Vx.

6.2 Conjunto horizontal de actuadores

Define-se o músculo horizontal em estudo como

sendo o principal, e os restantes como secundários.

O deslocamento obtido com uma determinada

pressão no músculo principal é igual, mas de sentido

contrário, ao obtido com pressurização equivalente dos

músculos secundários.

Figura 6.2 - Eixo de um músculo

Figura 6.3 - Disposição dos actuadores no plano horizontal

Figura 6.4 - Relação do deslocamento dos músculos secundários

cos 60� � 0,5 )�� )� �� " )��


41

6.3 Princípio de funcionamento dos ensaios realizados

Antes de começar qualquer ensaio era necessário garantir condições iniciais iguais em

todos os conjuntos actuador+sensor.

Actuando todas as válvulas de admissão, pressurizaram-se igualmente os músculos

horizontais. Conseguia-se ter, desta forma, a mesa centrada. Com este pressuposto, a distância

dos sensores à mesa foi manualmente ajustada para o valor intermédio da gama de leitura, 5V.

6.3.1 Sensores de deslocamento

A determinação da sensibilidade dos sensores de deslocamento fez-se através de ensaios

estáticos e desenrolou-se pelo seguinte processo:

• Deslocamento da mesa:

o Pressurizaram-se todos os músculos a 1bar;

o Pressurizou-se o músculo referente ao sensor em estudo (principal) até

ao limite de leitura;

o Com a válvula de admissão sempre actuada, decrementou-se a pressão

do músculo principal em degraus de 0,2bar;

o Quando todos os músculos se encontravam a 1bar, incrementou-se a

pressão, simultaneamente, nos músculos secundários, pelo princípio

descrito acima, actuando as suas válvulas de admissão e desactuando a

do músculo principal;

o Depois de atingido o limite de leitura do sensor em estudo,

despressurizaram-se os músculos secundários até que todos estivessem

a 1bar.

• Em cada incremento/decremento de pressão:

o Mediu-se com um paquímetro, sobre o eixo do sensor em análise e

numa referência fixa, o deslocamento da mesa;

o Registaram-se os valores medidos pelo paquímetro;

o Registaram-se os valores da tensão de saída dos sensores, lidos pelo

autómato;

• Cálculo da sensibilidade dos sensores através dos registos obtidos.


42

Figura 6.5 - Sensibilidade dos sensores

Dentro do intervalo de 2 a 8V, os sensores apresentavam uma relação praticamente

linear entre tensão e deslocamento, pelo que se pôde determinar a sua sensibilidade com rigor.

*�+,�-�.�� ∆��

∆��

Sensor Sensibilidade (mm/mV)

SXH1 0,00154

SXH2 0,00164

SXH3 0,00164

Tabela 6.1 – Valores da sensibilidade dos sensores

Depois de sabida a sensibilidade dos sensores, foi feita uma verificação de

centralidade da mesa, a pressões de admissão crescentes e decrescentes.

Nota-se um deslocamento da

mesa em direcção ao actuador

horizontal número 2. No entanto,

tendo em conta o tipo de

accionamento, pode considerar-se que

para oito décimos de milímetro a mesa

se mantém centrada nos diferentes

níveis de pressão.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0 2000 4000 6000 8000 10000

De

slo

cam

en

to (

mm

)

Tensão (mV)

Sensibilidade sensores de deslocamento

SXH1

SXH2

SXH3

0 1 2 3 4 5 6 5 4 3 2 1 0

-1,0

-0,8

-0,6

-0,4

-0,2

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Pressão (bar)

De

slo

cam

en

to (

mm

)

Centralidade da mesa

SXH1

SXH2

SXH3

Figura 6.6 - Centralidade da mesa


43

6.3.2 Caracterização dos músculos horizontais

Para os ensaios de caracterização dos músculos horizontais foi definido um

procedimento dinâmico, através de pulsos de duração constante, primeiro para a condição de

pressurização e, posteriormente, para a de despressurização. O tempo de actuação das

válvulas digitais e pressão de funcionamento, para cada teste, foram as variáveis do processo.

Os ensaios desenrolaram-se pelos seguintes passos:

• Deslocamento da mesa (efectuado num único sentido por ensaio, caso fosse de

pressurização ou despressurização):

o Pressurizaram-se todos os músculos à mesma pressão inicial;

o Definiu-se, na válvula proporcional, a pressão de funcionamento para o

ensaio;

o O deslocamento da mesa dependia da pressurização/despressurização

do músculo, obtida através de pulsos de actuação das válvulas digitais;

o O número e duração de período dos pulsos eram previamente definidos;

o Terminados os ciclos definidos, concluía-se o ensaio.

• Em cada pulso:

o Eram actuadas as válvulas de admissão/exaustão, durante o tempo

definido;

o Registavam-se os valores do deslocamento da mesa, lidos pelo

autómato;

o Traçaram-se gráficos com os registos obtidos do deslocamento da

mesa.

Ao longo do corrente projecto referir-se-á várias vezes a 6bar como pressão de

funcionamento. Esta apenas pretendeu garantir que a pressão máxima seria atingida, uma vez

que se definiu um máximo de 5,5bar no FRL.

Antes de cada ensaio, os actuadores eram submetidos ao mesmo valor de pressão

inicial, sempre inferior à pressão de funcionamento, desde 2 a 6bar, Tabela 6.2


44

Pressão Inicial

(bar)

Pressão

Funcionamento

(bar)

H1 H2 H3 HPrincipal

1 6

2 6

3 6

4 6

5 6

1 5

2 5

3 5

4 5

1 4

2 4

3 4

1 3

2 3

1 2 Tabela 6.2 - Princípio de pressurização

6.3.3 Descrição do 1º Método

O pressuposto consistiu no deslocamento da mesa móvel através de vinte pulsos, com a

duração de 100ms cada. Em cada pulso, a admissão de ar ao actuador seria feita durante 5, 10

e 20ms. Pretendia registar-se o funcionamento dos músculos pneumáticos a uma dada

diferença de tempos de actuação da válvula digital de admissão/exaustão, e pressão.

O valor do deslocamento, em cada impulso, era inserido num vector (array), e as

variáveis eram definidas para a duração integral de cada ensaio.

A execução do primeiro método dependeu da activação/desactivação cíclica de duas

etapas, com a duração de 50ms cada. Na primeira, a válvula digital encontrava-se actuada

durante o tempo pretendido, através de um timer off-delay, e na segunda eram lidos e

registados os valores do deslocamento. O processo decorria até serem contabilizados 20

pulsos.


45

Figura 6.7 - Estrutura 1º método

Resultados

Os gráficos apresentados correspondem às actuações de 5, 10 e 20ms durante um

período constante, de 100ms. Os valores da legenda representam a diferença entre pressão de

funcionamento e inicial, respectivamente. (Exemplo: 6/1 bar – pressão de funcionamento de

6bar, pressão inicial de 1bar.)

Figura 6.8 - Deslocamento para 5ms actuação

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19

De

slo

ca

me

nto

(m

m)

Pulsos

H1 - 5/100ms - 1º Método

6/1 bar

6/2 bar

6/3 bar

6/4 bar

6/5 bar


46



Análise dos resultados

Na análise dos primeiros resultados obtidos, houve alguns registos que não pareciam

corresponder à verdade. Entre eles, e na actuação de 10ms, a sobreposição de deslocamentos a

diferentes variações de pressão, e o deslocamento desproporcional para um ∆p igual a 5bar.

No último ensaio apresentado, notou-se sobretudo, a dificuldade em iniciarem-se os

testes a partir do mesmo ponto.

Esperava ver-se mais significativamente a não-linearidade a que este tipo de

actuadores está associado. Contudo, estes eram os primeiros ensaios a ser realizados, pelo que

ainda não se podia inferir conclusivamente sobre o seu comportamento.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19

De

slo

ca

me

nto

(m

m)

Pulsos


6/1 bar

6/2 bar

6/3 bar

6/4 bar

6/5 bar

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19

De

slo

ca

me

nto

(m

m)

Pulsos


6/1 bar

6/2 bar

6/3 bar

6/4 bar

6/5 bar


47

Análise do método

A abordagem ao primeiro método foi vista, sobretudo, como uma introdução aos

conceitos de programação de ensaios de caracterização e análise de resultados, mais

propriamente que a tentativa de se chegar a uma conclusão definitiva.

Como tal, e na procura de uma solução final, analisou-se a eficiência e filosofia de

princípio patentes neste método.

À partida, pensou-se que a utilização cíclica de etapas não seria uma boa opção no

cumprimento do período imposto. No entanto, e por intermédio do osciloscópio, veio a

observar-se que estes tempos eram executados com rigor.

Havia, porém, dois pontos que não poderiam corresponder a bons resultados: o

temporizador off-delay e a leitura/registo do deslocamento.

O estado da saída do temporizador só é alternado caso a contagem interna do sistema

atinja o valor de tempo pré-estabelecido. Para espaços de tempo reduzidos, como os que se

puseram em prática, o contador interno era parado ou reiniciado sem que a saída tomasse o

valor “0”. Esta implicação resultava no desempenho incorrecto da válvula digital.

Figura 6.11 - Descrição do funcionamento do timer off-delay


48

Como foram usadas duas etapas distintas, uma para actuação e outra para leitura e

registo do valor de deslocamento, podia ter-se um delay até 45ms entre estas duas acções.

Obviamente, os ensaios não se poderiam reger por este tipo de normas, pelo que foi

necessário repensar a programação.

Em última análise, os resultados foram descartados, não tanto pelos valores em si, mas

pelo princípio usado.


Uma vez que o primeiro método experimental não apresentava a fiabilidade pretendida,

impôs-se a implementação de um novo método empírico, totalmente renovado.

Em termos estruturais, eliminou-se a utilização de duas etapas, correndo as acções

apenas numa. Com isto, era necessário que o ciclo usado para actuação do conjunto horizontal

pretendido e registo dos valores de deslocamento lidos fosse interno à acção.

Para o efeito, usou-se um Up Counter, cujo valor orientava as acções a ser postas em

prática. Para incrementar o valor do contador, fez-se uso de uma base de tempo de 10ms,

como se se tratasse de um interruptor actuado de 10 em 10ms. O ensaio terminava

automaticamente nos ciclos definidos e era feito o reset ao contador.

%S4

TB10MS

Base de tempo:

10 ms

Um temporizador interno regula a variação do estado deste bit.

Assíncrono em relação ao ciclo do PLC.

Gráfico:

Tabela 6.3 - Descrição da word %S4

O princípio dos testes manteve-se igual: 20 pulsos, período de 100ms, e válvulas

actuadas por 10, 20 e 50ms. O registo do deslocamento era agora feito aquando da actuação

das válvulas.


49

Figura 6.12 - Programação LD do 2º método

Resultados

Figura 6.13 – Deslocamento para diferentes tempos de actuação

Figura 6.14 – Deslocamento para 10ms a diferentes pressões

-6

-4

-2

0

2

4

6

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19

De

slo

ca

me

nto

(m

m)

Pulsos

H1 - 6/1bar - 2º Método

50ms - adm.

20ms - adm.

10ms - adm.

10ms - ext.

20ms - ext.

50ms - ext.

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19

De

slo

ca

me

nto

(m

m)

Pulsos

H1 - 6 bar; 10/100ms - 2º Método

6/1 bar

6/2 bar

6/3 bar

6/4 bar

6/5 bar

6 bar - ext.

5 bar - ext.

4 bar - ext.

3 bar - ext.

2 bar - ext.


50

Figura 6.15 – Deslocamento para 5ms a diferentes pressões


Os gráficos demonstram o comportamento dos actuadores na admissão e exaustão,

primeiro para diferentes velocidades de actuação mantendo a mesma diferença de pressões, e

depois para diferentes pressões à mesma velocidade.

• Tanto a velocidade (declive das rectas) quanto o deslocamento se apresentam

mais significativos na admissão;

• As actuações de 10ms, por serem lentas o suficiente, começam a revelar a não-

linearidade no comportamento dos músculos;

• Para os tempos de actuação de 20 e 50ms, o sinal de deslocamento parece

saturar. Isto significa somente que o deslocamento máximo relativo foi

atingido;

• A mesa não apresenta deslocamentos significativos com os músculos a 2bar.

Ainda não havia sido encontrada uma forma de iniciar os ensaios sempre do mesmo

ponto de referência. Esta tarefa parecia impossível de concretizar fisicamente, dada a natureza

dos actuadores.

Análise do método

A introdução de um interruptor actuado em cada 10ms mostrou ser uma ferramenta

robusta e, principalmente, viável no comando de actuações rápidas.

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19

De

slo

ca

me

nto

(m

m)

Pulsos

H1 - 6 bar; 50/100ms - 2º Método

6/1 bar

6/2 bar

6/3 bar

6/4 bar

6/5 bar

6 bar - ext.

5 bar - ext.

4 bar - ext.

3 bar - ext.

2 bar - ext.


51

Com esta programação, foram anulados alguns duns problemas sentidos anteriormente,

mas, não todos. A duração do período continuava a ser cumprida rigorosamente, ou pelo

menos, não parecia interferir negativamente na evolução do processo, enquanto que o tempo

de actuação das válvulas era flutuante. Pensou-se que as acções, dependentes do valor do

contador, estivessem a ser prejudicadas no desempenho das suas funções. Poderia também o

princípio, todo ele, estar errado. A diferença de 1ms é muito mais significativa em 10 que em

100ms, não se notando na duração de um período, mas intervindo negativamente na actuação

das válvulas.


A experiência ganha por tentativa – erro, pondo de parte vários conceitos e adquirindo

outros, conduzia a uma programação traduzível em registos rigorosos e fiáveis.

Reparou-se na potencialidade de aplicação usando “interruptores” actuados a cada 10ms

e, com a junção de transições negativas às positivas desta mesma base de tempo, conseguir-

se-ia ter acções fiáveis e repetitivas em intervalos de 5ms.

Deste princípio, surgiu o conceito implementado no terceiro método, o qual foi

denominado por “velocidades”.

Com a ideia do novo método de programação, reduziu-se o período para 40ms. Assim,

e dividindo-o pelos 5ms da base de tempo, conseguiu ter-se 8 diferentes tempos de actuação

por cada período, aos quais foram associados números de velocidades. Dispunha-se agora de

8 velocidades diferentes, mais a zero, para o que pretendia ser um rigoroso comando do

simulador. Tendo o período 40ms, optou-se por aumentar o número de ciclos dos ensaios para

25, ficando cada teste com a duração de 1s.

Figura 6.16 - Relação entre tempos de actuação e velocidades


52

Substituiu-se o bloco de contagem por uma variável que desempenharia a mesma

função, mas que se julgava necessitar menor poder computacional, e obter com isso, maior

rigor nos ensaios efectuados.

Foram também feitos dez ensaios à repetibilidade para a admissão e exaustão. Com a

duração periódica de 40ms e de 9 impulsos por ensaios, a actuação da válvula de

admissão/exaustão fazia-se durante 20ms. A pressão de funcionamento imposta foi de 6bar,

com a inicial, para os ensaios de admissão, de 3.

Por fim, e por ainda haver dúvidas quanto ao processo de leitura e registo dos valores

de deslocamento, este passou a ser feito para os valores máximos por impulso, em vez dos

lidos aquando da actuação da válvula digital. Assim, eliminava-se o registo de valores lidos

em altura imprópria, sem a existência de qualquer atraso.

Resultados

Figura 6.17 – Deslocamento às diferentes velocidades

-10

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25

De

slo

ca

me

nto

(m

m)

Pulsos

H1 - 6/1bar - Velocidades

8ª - adm.

7ª - adm.

6ª - adm.

5ª - adm.

4ª - adm.

3ª - adm.

2ª - adm.

1ª - adm.

1ª - ext.

2ª - ext.

3ª - ext.

4ª - ext.

5ª - ext.

6ª - ext.

7ª - ext.

8ª - ext.


53

Figura 6.18 - Deslocamento para a 1ª velocidade a diferentes pressões

Figura 6.19 - Deslocamento para a 8ª velocidade a diferentes pressões

Figura 6.20 - Repetibilidade do deslocamento na admissão

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

De

slo

cam

en

to (

mm

)

Pulsos

H1 - 1ª Velocidade

6/1 bar

6/2 bar

6/3 bar

6/4 bar

6/5 bar

2 bar - ext.

3 bar - ext.

4 bar - ext.

5 bar - ext.

6 bar - ext.

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25

De

loca

me

nto

(m

m)

Pulsos

H1 - 8ª Velocidade

6/1 bar

6/2 bar

6/3 bar

6/4 bar

6/5 bar

2 bar - ext.

3 bar - ext.

4 bar - ext.

5 bar - ext.

6 bar - ext.

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

1 2 3 4 5 6 7 8 9

De

slo

cam

en

to (

mm

)

Pulsos

6/3 bar; 20/40ms - admissão

ensaio 1

ensaio 2

ensaio 3

ensaio 4

ensaio 5

ensaio 6

ensaio 7

ensaio 8

ensaio 9

ensaio 10


54

Figura 6.21 - Repetibilidade do deslocamento na exaustão


• A partir da 5ª velocidade, a velocidade de deslocamento da mesa é igual à

máxima, tanto na admissão quanto na exaustão. A diferença reside no

deslocamento máximo num caso e noutro;

• O deslocamento máximo obtido é de aproximadamente 10mm, em cada

sentido;

• As velocidades de exaustão são inferiores às de admissão, para o mesmo

número de velocidade e diferença de pressão;

• Existe maior repetibilidade de movimento para a exaustão, característica que se

deve, principalmente, à borracha dos actuadores. Na admissão, com um

volume crescente de ar no interior dos músculos, a borracha fica sob tensão,

comprimindo-o; na exaustão, e uma vez sob pressão, a tendência do actuador

será a de adquirir a sua forma natural, facilitando o escape do ar. Este será

também o motivo para não se observarem deslocamentos significativos com o

músculo a 2bar: o músculo não estará ainda suficientemente deformado.

Sendo impossível “zerar” a mesa para um mesmo ponto inicial, estabeleceu-se um

limite em que se considerava a mesa como centrada. Depois, o valor dos sensores indutivos

era zerado, tendo desta forma um deslocamento relativo muito próximo do absoluto, como se

pode verificar pelos limites máximos atingidos em cada configuração de velocidade e pressão.

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

1 2 3 4 5 6 7 8 9

De

slo

cam

en

to (

mm

)

Pulsos

6 bar; 20/40ms - exaustão

ensaio 1

ensaio 2

ensaio 3

ensaio 4

ensaio 5

ensaio 6

ensaio 7

ensaio 8

ensaio 9

ensaio 10


55

Análise do método

A implementação deste último método trouxe, finalmente, resultados nos quais se

confiava. Só sabendo que os valores obtidos eram válidos se poderia realmente analisar os

actuadores pneumáticos disponíveis no simulador para, posteriormente, ser compreendido o

seu funcionamento quando sujeitos a diferentes condições, e extrapolá-lo para o

funcionamento da mesa.


56

6.4 Estudo da resposta frequencial do simulador multi-axial

A programação desenvolvida até à data tinha respondido positivamente aos requisitos

dos ensaios. A utilização da base de tempo de 5ms tinha mostrado ser uma ferramenta precisa

e de grande utilidade. Contudo, conheciam-se as limitações do seu uso.

Enquanto todas as actuações e respostas do simulador não fossem tão rigorosas quanto

o possível, não se poderia passar à fase de programação definitiva.

Em termos de actuação, as frequências eram sentidas como o ponto crítico. Ainda não

tinha sido feito nenhum estudo comportamental do sistema e anteviam-se problemas na

resposta das válvulas digitais a tempos reduzidos.

6.4.1 Modo Normal Vs Modo Seno

Modo Normal

O terceiro método de programação foi a base de partida para o modo denominado por

normal. Não usando o conceito de velocidades, este método definiu-se pelo uso das actuações

de 5ms para cálculo das frequências pretendidas pelo utilizador.

Sendo a frequência um ciclo, no caso do simulador tem-se uma frequência de actuação

quando se pressuriza e despressuriza o músculo. Para isso, as válvulas digitais de admissão e

exaustão têm de ser actuadas uma vez cada, por ciclo. A duração entre essas acções determina

a frequência. Dado que estas acções se davam através da contagem do número de impulsos de

5ms, a frequência esperada teria de contemplar o dobro do tempo de uma acção, para a

pressurização e despressurização. A duração de uma destas acções, em número de impulsos,

correspondia à sua duração, em tempo, dividida por 5ms, truncando as casas decimais, uma

vez que não existem meios impulsos.

Foram feitos alguns testes para perceber os limites possíveis desta metodologia, com os resultados descritos na

Tabela 6.4.

A frequência teórica corresponde à pretendida, a esperada era a frequência possível, e

a real foi a obtida. Os registos foram feitos pelo autómato e com o auxílio de um osciloscópio.

Condições impostas nos ensaios seguintes:

• Apenas um músculo horizontal foi usado;

• Não foi usado nenhum provete ou massa extra.


57

Resultados

Modo Normal

Frequência

Teórica

Frequência

Esperada

Frequência

Real

Freq. Real/

Freq.Teórica (%)

Erro

(%)

Freq. Esperada/

Freq. Real (%)

Erro

(%)

1 1 0,8 80,0 -20,0 80,0 -20,0

2 2 1,7 85,0 -15,0 85,0 -15,0

3 3,03 2,6 86,7 -13,3 85,8 -14,2

4 4 3,5 87,5 -12,5 87,5 -12,5

5 5 4,4 88,0 -12,0 88,0 -12,0

6 6,25 5,6 93,3 -6,7 89,6 -10,4

7 7,14 6,3 90,0 -10,0 88,2 -11,8

8 8,33 7,2 90,0 -10,0 86,4 -13,6

9 9,09 7,9 87,8 -12,2 86,9 -13,1

10 10 8,7 87,0 -13,0 87,0 -13,0

11 11,11 9,7 88,2 -11,8 87,3 -12,7

12 12,5 10,8 90,0 -10,0 86,4 -13,6

13 14,29 12,5 96,2 -3,8 87,5 -12,5

14 14,29 12,5 89,3 -10,7 87,5 -12,5

15 16,67 14,4 96,0 -4,0 86,4 -13,6

16 16,67 14,4 90,0 -10,0 86,4 -13,6

17 20 17,5 102,9 2,9 87,5 -12,5

18 20 17,4 96,7 -3,3 87,0 -13,0

19 20 17,4 91,6 -8,4 87,0 -13,0

20 20 17,4 87,0 -13,0 87,0 -13,0

21 25 21,8 103,8 3,8 87,2 -12,8

22 25 21,8 99,1 -0,9 87,2 -12,8

23 25 21,5 93,5 -6,5 86,0 -14,0

24 25 21,5 89,6 -10,4 86,0 -14,0

25 25 21,7 86,8 -13,2 86,8 -13,2

Tabela 6.4 - Resposta frequencial do modo normal


58


Bem patente nos resultados apresentados está a ineficiência do sistema na resposta a

frequências, inclusivamente às não divisíveis pela base de tempo usada. Um dos principais

problemas deve-se à truncatura: a partir dos 13Hz, e em grupos, pode observar-se que a

frequência esperada é a mesma para diferentes frequências pretendidas. Contudo, e apesar de

ficarem abaixo do pretendido, esses valores foram repetitivos. Isso levou à execução de um

novo teste, para verificar de que forma, ou até que ponto essas frequências se repetiriam.

Foram feitos 10 ensaios cobrindo todo o espectro de frequências possíveis: 1, 10 e

25Hz.

Resultados

Repetibilidade - Modo Normal

1 Hz 10 Hz 25 Hz

0,9 9,8 21,4

0,8 9,5 21,5

0,8 10 21,8

0,9 9,8 21,8

0,8 9,7 21,6

0,8 9,5 22,3

0,8 9,3 21,7

0,9 9,7 21,5

0,8 9,8 21,3

0,8 9,6 21,3

Média 0,83 9,67 21,62

Relação (%) 83 96,7 86,48

Erro Médio (%) 17 3,3 13,52

Tabela 6.5 - Repetibilidade frequencial modo normal


59


Parecendo que a 1Hz as frequências obtidas estavam mais perto do pretendido, como é tudo

relativo, o erro foi maior para esta situação. Também para 25Hz o erro foi muito elevado. A

10Hz, a resposta melhorava significativamente, ficando a 96,7% do pretendido. Contudo,

estes não seriam os valores pelos quais se pretendia que o simulador se regesse.

Modo Seno

Era mandatório que o sistema respondesse perfeitamente às frequências pretendidas,

entre 1 a 25Hz. Para que tal pudesse ser possível, e evitando os condicionalismos frequenciais

do modo normal, ter-se-ia de obter tempos de resposta na ordem do milissegundo.

A única forma de o conseguir seria através de um sinal digital que actuasse as válvulas

de admissão e exaustão nos limites de tempo pretendidos.

Uma qualquer onda quadrada, triangular, etc., podia ser usada para o efeito. No

entanto, decidiu fazer-se uso de uma onda sinusoidal para a actuação digital. O princípio

baseou-se em ter a saída a “1” quando o valor da onda seno fosse positivo, e levar a saída a

“0” quando esta fosse negativa. Introduzindo o valor da frequência pretendida na descrição da

onda seno, esperava ter-se, ao longo do tempo, as actuações correctas.

�� · sen · �2 · � · ��

�� é��

� � ��

� � ��ê� �!

� � ��

Apenas os factores variáveis, frequência e tempo, teriam relevância para o caso. Assim

sendo, a função sinusóide desejada apresenta-se na seguinte forma:

�� sen · �2 · � · ��


60

Figura 6.22 – Princípio de funcionamento do modo seno

Para que as saídas, as quais activariam as válvulas digitais de admissão e escape,

alternassem entre os seus valores lógicos quando preciso, a onda seno teria de ser actualizada

constantemente e pela menor fracção de tempo possível. Neste contexto, usou-se o espaço de

tempo mais reduzido e disponível, o milissegundo, através de uma palavra do sistema que

contabiliza o tempo absoluto – %SD20.

%SD20:

%SW20

%SW21

MSCOUNTER

Contador de

tempo absoluto

%SD20 é incrementado pelo sistema a cada milésimo de

segundo (mesmo quando o PLC está em stop).

Pode ser lido pelo utilizador.

Tabela 6.6 - Descrição da word %SD20

Depois do princípio de funcionamento definido, passou-se à sua implementação

através da programação. A posterior verificação experimental seguiu os mesmos pressupostos

dos testes dinâmicos aplicados no modo normal.

Condições impostas nos ensaios seguintes:

• Apenas um músculo horizontal foi usado;

• Não foi usado nenhum provete ou massa extra.


61

Resultados

Modo Seno

Frequência

Teórica

Frequência

Real (PLC)

Freq. Real (PLC)/

Freq.Teórica (%)

Erro

(%)

Frequência

Real (Osc.)

Freq. Real (Osc.)/

Freq.Teórica (%)

Erro

(%)

1 1,0 100,0 0,0 1,005 100,5 0,5

2 1,9 95,0 -5,0 1,990 99,5 -0,5

3 3,0 100,0 0,0 3,008 100,3 0,3

4 4,0 100,0 0,0 4,000 100,0 0,0

5 5,0 100,0 0,0 5,000 100,0 0,0

6 6,0 100,0 0,0 6,061 101,0 1,0

7 6,9 98,6 -1,4 7,042 100,6 0,6

8 8,0 100,0 0,0 7,937 99,2 -0,8

9 9,0 100,0 0,0 8,929 99,2 -0,8

10 10,0 100,0 0,0 10,000 100,0 0,0

11 11,0 100,0 0,0 11,110 101,0 1,0

12 12,1 100,8 0,8 11,940 99,5 -0,5

13 13,1 100,8 0,8 12,990 99,9 -0,1

14 14,1 100,7 0,7 14,080 100,6 0,6

15 15,1 100,7 0,7 15,150 101,0 1,0

16 16,1 100,6 0,6 16,130 100,8 0,8

17 17,0 100,0 0,0 16,950 99,7 -0,3

18 18,0 100,0 0,0 18,020 100,1 0,1

19 19,0 100,0 0,0 18,870 99,3 -0,7

20 19,9 99,5 -0,5 20,000 100,0 0,0

21 21,1 100,5 0,5 20,830 99,2 -0,8

22 22,1 100,5 0,5 21,740 98,8 -1,2

23 23,1 100,4 0,4 22,730 98,8 -1,2

24 24,1 100,4 0,4 24,390 101,6 1,6

25 25,0 100,0 0,0 25,000 100,0 0,0

Tabela 6.7 - Resposta frequencial do modo seno


62


Logo após a análise dos resultados do primeiro ensaio se soube ter encontrado a

concepção que preenchia os requisitos impostos para o sistema. Finalmente, o simulador

respondia com rigor às frequências pretendidas e sempre com erros muito reduzidos.

No sentido de testar os limites desta nova concepção, nos ensaios de repetibilidade

introduziram-se frequências com uma casa decimal.

Resultados repetibilidade

Repetibilidade - Modo Seno

1 Hz 9,5 Hz 10 Hz 10,5 Hz 25 Hz

PLC Osc. PLC Osc. PLC Osc. PLC Osc. PLC Osc.

1,1 0,997 9,5 9,524 10,0 10,000 10,5 10,640 25,1 25,640

1,0 1,003 9,6 9,709 10,1 10,100 10,5 10,750 25,0 24,390

1,0 1,001 9,5 9,259 10,0 9,804 10,5 10,420 25,1 25,000

1,0 0,999 9,6 9,709 10,0 9,904 10,5 10,310 24,4 24,390

1,1 1,003 9,5 9,174 10,1 10,200 10,5 10,750 25,1 25,640

1,1 1,006 9,5 9,615 10,0 9,804 10,6 10,530 25,0 25,000

1,1 1,003 9,6 9,434 10,0 10,000 10,5 10,200 25,0 24,390

1,0 0,996 9,5 9,259 10,1 10,310 10,6 10,990 25,1 25,640

1,0 0,999 9,5 9,524 10,0 9,804 10,6 10,640 25,0 25,000

1,0 0,997 9,5 9,346 10,0 9,997 10,6 10,750 25,1 25,640

Média 1,04 1,000 9,53 9,455 10,03 9,992 10,54 10,598 24,99 25,073

Relação (%) 104,0 100,0 100,3 99,5 100,3 99,9 100,4 100,9 100,0 100,3

Erro Médio (%) -4,00 0,0 -0,32 0,47 -0,30 0,08 -0,38 -0,93 0,04 -0,29

Tabela 6.8 - Repetibilidade frequencial do modo seno


63


O ensaio de repetibilidade revelou um erro médio de 4%, operando a mesa a 1Hz.

Contudo, o valor deste erro diminuiria significativamente se o número de ensaios aumentasse.

O que, realmente, se deve salientar na análise dos resultados é a capacidade do

autómato de reproduzir, com erros inferiores a 1%, frequências com uma casa decimal.

Está-se perante um comando que, tendo em conta toda a constituição do sistema, se

pode considerar o melhor possível.

Análise do método

A substituição do modo de actuação, de contagens para interruptores lógicos, e o uso

de uma base de tempo de 1ms, foram as grandes alterações feitas, e que tornaram este método

tão bem sucedido.


64

6.5 Estudo dinâmico do simulador multi-axial

Por esta altura, impôs-se a necessidade de estudar o comportamento dinâmico do

simulador em função dos seus actuadores.

Fazendo uso das equações do movimento, analisou-se o registo do comportamento

dinâmico da mesa para o modo que melhor respondia às solicitações frequenciais, o modo

seno.

" � � · sin�$ · �� !��

"% � � · $ · cos�$ · �� $ � ��ê� �! (�!�) *

"+ � �� · $� · sin�$ · ��

,�� !�� á.��! �!�! cos�$ · �� 1

"% � � · $ 0�) 1

� ��!çã� �á.��! �!�! sin�$ · �� 1

"+ � � · $� 0�)�1

O primeiro ensaio fez-se actuando apenas o músculo H1.

Resultados

Figura 6.23 - Amplitude do deslocamento com um actuador

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25

Am

pli

tud

e m

áxim

a (0

,1m

m)

Frequência (Hz)

Amplitudes - H1

6 bar

5 bar

4 bar

3 bar


65

Figura 6.24 - Velocidade do deslocamento com um actuador

Figura 6.25 - Aceleração do deslocamento com um actuador

Repetiram-se os ensaios pressurizando agora os três músculos horizontais

alternadamente, na direcção de H1.

0,0

100,0

200,0

300,0

400,0

500,0

600,0

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25

Ve

loc

ida

de

(m

m/s

)

Frequência (Hz)

Velocidades - H1

6 bar

5 bar

4 bar

3 bar

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

3,50

4,00

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25

Ac

ele

raç

ão

(g

)

Frequencia (Hz)

Acelerações - H1

6 bar

5 bar

4 bar

3 bar


66

Resultados

Figura 6.26 - Amplitude do deslocamento com três actuadores

Figura 6.27 - Velocidade do deslocamento com três actuadores

Figura 6.28 - Aceleração do deslocamento com três actuadores

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25

Am

pli

tud

e m

áx

ima

(0

,1m

m)

Frequência (Hz)

Amplitudes - 3 Actuadores

6 bar

5 bar

4 bar

3 bar

0,0

100,0

200,0

300,0

400,0

500,0

600,0

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25

Ve

loc

ida

de

(m

m/s

)

Frequência (Hz)

Velocidades - 3 Actuadores

6 bar

5 bar

4 bar

3 bar

0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

6,00

7,00

8,00

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25

Ac

ele

raç

ão

(g

)

Frequencia (Hz)

Acelerações - 3 Actuadores

6 bar

5 bar

4 bar

3 bar


67


O registo das amplitudes terá maior foco de atenção na sua explicação, por ser o mais

importante e uma vez que as velocidades e acelerações dependem de si.

Ter maior pressão nos músculos significa conferir maior rigidez ao sistema

(diminuição do amortecimento) e quando isso se verifica, diminui-se a frequência natural de

vibração do sistema.

O comportamento dinâmico do sistema reflecte-se na razão entre a frequência de

excitação, $, que se impõe à mesa e a sua frequência natural de vibração, $�. Quando esta

relação é igual a um, tem-se que a transmissibilidade de deslocamento e o factor de

amplificação dinâmica são máximos. Este último designa-se por frequência de

ressonância, $ .

A transmissibilidade absoluta é superior a um quando a frequência de excitação é

inferior à frequência natural de vibração e inferior a um, e tendendo para um limite, quando a

frequência de excitação é superior a !2$".

Relativamente ao factor de amplificação dinâmica, m, quando a frequência de

excitação tende para:

• infinito, m tende para zero (amplitude de movimento tende para zero);

• zero, m tende para um (amplitude de movimento tende para o valor do

deslocamento estático).

Para ilustração dos resultados obtidos segue-se um exemplo:

Quis saber-se a resposta natural ou livre da mesa móvel. Transmitindo-lhe um impulso

de força, Figura 6.29, observou-se o seu comportamento.

Figura 6.29 - Resposta livre do sistema

Pela análise da resposta, conclui-se tratar de um sistema sub-amortecido. Apresenta

um movimento oscilatório de frequência angular wd constante e cuja amplitude decresce de

forma exponencial com o tempo.


68

Neste tipo de sistemas, a razão entre o amortecimento efectivo e o crítico, designada

por ξ, está compreendida entre 0 e 1.

Pelo princípio do decremento logarítmico, podem obter-se os valores notáveis

referidos acima, os quais influenciam a dinâmica do sistema.

No exemplo, foram usados os seguintes parâmetros:

• Td – período natural amortecido;

• wd – frequência natural de vibração amortecida;

• wn – frequência natural de vibração não amortecida;

• wr – frequência de ressonância;

• ξ – amortecimento do sistema;

• Yi – amplitude inicial;

• Yf – amplitude final;

• Xi – deslocamento inicial;

• Xf – deslocamento final;

• N – número de ciclos.

4# � 2 $$

4% � .& � .'5

ln(")"*

+ � ξ 7 $, 7 4- 7 5 .1/

$0 � $121 � ξ3 425

$6 � $781 � 2ξ9

Pressurizaram-se os músculos horizontais a 3 bar e aplicou-se uma força impulsiva.

Da resposta obtida registaram-se os valores de amplitudes máximas e mínimas, assim como o

período amortecido, Figura 6.30.


69

Figura 6.30 - Amplitudes e período amortecido da resposta do sistema

Substituindo os valores nas equações (1) e (2), obtiveram-se os seguintes resultados:

$: � 41.8879

$; � 43.9578 � ξ � 0.274235

Confronto dos resultados experimentais com os teóricos

Transmissibilidade de deslocamento máxima:

$< � 40.52

�=>??@ABCDEF � 40.522 � 6.4AB

Valores para a transmissibilidade de deslocamento:

• $ C $G D 4EHIJ F 1;

• $ F √2$K D 4ELMN C 1.

$O � 43.9578 P�!�) Q � 7RABS

T2$U � 62.17 V�!�) W � 9.9XABY

Factor de amplificação dinâmica máximo para $ � $Z, depois do qual tende para

zero, no infinito.

A partir dos 9,9Hz dá-se um decréscimo, até à estabilização, da transmissibilidade de

deslocamento.

Analisando os resultados teóricos e os experimentais, explicam-se os comportamentos

dinâmicos do simulador.


70

6.6 Resposta dinâmica

Depois de descoberta a frequência de ressonância da

actuou-se um músculo e observou

diferentes pressões e frequências.

Resultados

Frequência (Hz) Pressão (bar)

1

3

4

5

3 4

4 4

5 6

6 6

7 6

8 4

9 4

10 6

do simulador multi-axial

Depois de descoberta a frequência de ressonância da parte móvel do simulador

ervou-se a resposta dos sensores ao deslocamento da

diferentes pressões e frequências.

Escala (osciloscópio) Deslocamento (osciloscópio)

parte móvel do simulador,

a resposta dos sensores ao deslocamento da mesa para

Deslocamento (osciloscópio)

11 5

13 5

16 5

20 6

Tabela 6.9 - Resposta em deslocamento a diferentes frequências e pressões

Figura


Os resultados estão, em tudo, de acordo com o esperado e justificado anteriormente.

De notar o efeito do

deslocamento a partir dos 10Hz.

Pode ainda ver-se, na

autómato, comprovada através do osciloscópio.

Resposta em deslocamento a diferentes frequências e pressões

Figura 6.31 - Resposta das válvulas digitais a 25Hz



efeito do factor de amplificação dinâmica máximo dos 6 para os 7Hz

deslocamento a partir dos 10Hz.

se, na Figura 6.31, a capacidade de reprodução de frequências do

autómato, comprovada através do osciloscópio.


71

Resposta em deslocamento a diferentes frequências e pressões


dos 6 para os 7Hz e o

, a capacidade de reprodução de frequências do


72

6.7 Ensaios com modelo sísmico

Após a implementação e análise do comportamento dinâmico do simulador, o passo

seguinte impôs-se naturalmente: o ensaio dum modelo sísmico.

Para o efeito, foi usado o provete concebido anteriormente pelos colegas André

Martins e Daniel Gonçalves.

Figura 6.32 - Modelo sísmico usado

Desconhece-se a rigidez do modelo sísmico, contudo, os colegas simularam o provete,

em software apropriado, para saber a que frequências se davam os modos de vibração.

1º Modo de vibração – 13,23Hz 2º Modo de vibração – 17,4Hz

3º Modo de vibração – 35,3Hz 4º Modo de vibração – 45Hz

Tabela 6.10 - Simulação dos modos de vibração do provete


73

Resultados

Figura 6.33 - Deslocamentos com os três actuadores e provete

Figura 6.34 - Velocidades com os três actuadores e provete

Figura 6.35 - Acelerações com os três actuadores e provete

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25

Am

pli

tud

e m

áxim

a (

0,1

mm

)

Frequência (Hz)

Amplitudes - 3 Actuadores c/ provete

6 bar

5 bar

4 bar

3 bar

0,0

100,0

200,0

300,0

400,0

500,0

600,0

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25

Ve

locid

ad

e (m

m/s

)

Frequência (Hz)

Velocidades - 3 Actuadores c/ provete

6 bar

5 bar

4 bar

3 bar

0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

6,00

7,00

8,00

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25

Ac

ele

raçã

o (g

)

Frequencia (Hz)

Acelerações - 3 Actuadores c/ provete

6 bar

5 bar

4 bar

3 bar


74

A simulação, não contemplando todas as características físicas do provete, serviu

como orientação para os intervalos de frequências a que se esperavam ver os modos de

vibração.

À falta de instrumentos adequados, apenas o primeiro modo foi possível identificar a

olho nu, acontecendo aos 11Hz, Figura 6.37. Com a mesa a vibrar a 2Hz, o provete adquire

uma oscilação muito notória, Figura 6.36.

Figura 6.36 - Oscilação a 2Hz


75


Era de prever que, somando o provete ao amortecimento já

verificado com a actuação dos três músculos horizontais, a

frequência natural de vibração descesse mais. No entanto, manteve-

se pelos 6Hz. Também a dinâmica do sistema não foi muito alterada.

Conclui-se que o provete, todo ele em alumínio e madeira,

apesar de rígido é bastante leve.

Figura 6.37 - 1º Modo de Vibração


76

6.8 Limites frequenciais

Não fossem os condicionalismos estruturais, a mesa poderia ser operada até um

máximo de 125Hz, considerando que o tempo de comutação das válvulas digitais é de 4ms.

�[\] � 1�0.004 � 0.004�) � 125AB

A base de tempo, que a 5ms limitava o sistema no modo normal, agora para 1ms,

impedia a obtenção de frequências com mais de uma casa decimal.

Frequência

Pretendida (Hz)

Período

(s)

Número de

ciclos

Número de

ciclos

(truncado)

Período (ciclos

truncados) (s)

Frequência

obtida (Hz)

10 0,1 100 100 0,1 10

10,5 0,095238 95,238095 95 0,095 10,5

10,05 0,099502 99,502488 99 0,099 10,1

Tabela 6.11 - Limites frequenciais do sistema

A gama de frequências possível compreende-se no intervalo entre 0,1 e 125,0Hz.

Contudo, por questões práticas, a gama foi reduzida para valores entre 0,1 e 25,0Hz,

apesar da frequência de ressonância da estrutura se encontrar aos 70Hz.

Resumem-se os valores máximos possíveis de amplitudes, velocidades e acelerações,

Tabela 6.12:

Sem provete Com provete

Amplitude (horizontal) ≤ 20mm ≤ 20mm

Velocidade (horizontal) ≤ 533mm/s ≤ 505mm/s

Aceleração (horizontal) ≤ 74 m/s2 ≤ 73 m/s2

Frequência 0,1 – 25,0 Hz

Tabela 6.12 - Características dinâmicas máximas do simulador multi-axial


77

7 Desenvolvimento do programa final

7.1 Introdução

Para o desenvolvimento do programa final, não só a informação do funcionamento dos

actuadores foi aproveitada. Também o conhecimento e o trabalho desenvolvido na

programação foram úteis para a fase seguinte, que consistiu, em grande parte, na aplicação

dos vários princípios usados anteriormente, mas dando-lhes agora uma vertente mais prática,

uma vez que a máquina se destinaria para uso científico.

7.2 Descrição da programação

Pretendia-se que o programa final fosse tão flexível quanto necessário, para que o

utilizador executasse ensaios segundo as suas próprias especificações, dentro dos limites do

possível.

Nesse sentido, e antes de mais, a concepção centrou-se na definição estrutural, tendo

sido criados quatro grupos, e os subgrupos que se acharam relevantes, dentro do que já se

tinha objectivado para o simulador:

• Demonstração;

• Mesa Sísmica;

o Modo Velocidades;

o Modo Seno;

• Ensaios;

o Ensaio 1

o Ensaio 2;

• Manutenção/Manual.

Consoante o modo de actuação escolhido, o utilizador deveria poder definir os valores

para as variáveis existentes, desde que nenhum limite, estabelecido pelo programador, fosse

ultrapassado. As variáveis possíveis são:

Desenvolvimento do Programa Final

78

• Pressão por conjunto de actuadores;

• Frequência de funcionamento/Velocidade;

• Eixos de actuação;

• Primeira acção de actuação;

• Número de pulsos/ciclo em velocidade;

• Duração do modo.

E com o display constante de informação sobre:

• Duração actual;

• Deslocamentos relativos, instantâneos e máximos.

Apresenta-se em GRAFCET a estrutura do programa desenvolvido, Figura 7.1 -

Estrutura do programa final

Figura 7.1 - Estrutura do programa final


79

Etapa/Macro-Etapa/Transição Acções

1 E Simulador multi-

axial

Set relé Verificação circuito eléctrico

T Ok inicial “1” se circuito eléctrico OK

2 E Inicializar Despressurização de todos os músculos, caso não estejam, levando a mesa à posição de repouso

T Botão menu “1” se músculos despressurizados e mesa no repouso

3 E Menu Escolha do modo de actuação ou sair do programa

T Botões menu Activa o menu seleccionado ou abandona o programa

4 E Demo Activa demonstração pré-programada

5 ME Mesa Sísmica • Modo Velocidades

• Modo Seno

6 ME Manutenção/Manual • Manutenção

• Manual

7 ME Ensaios • Ensaio 1

• Ensaio 2

8 E Fim Despressurização de todos os músculos, caso não estejam vazios, levando a mesa à posição de repouso

9 E Pós-Fim Reset relé

Tabela 7.1 - Descrição das etapas e acções


80

Todas as macro-etapas têm como estrutura a representação da Figura 7.2:

Figura 7.2 - Estrutura de uma macro-etapa

Etapa/Transição/Jump Acção

10 E Mesa Sísmica IN

Contém duas etapas: Modo Seno Modo Velocidades

T Botões Mesa Sísmica Activa o modo seleccionado ou abandona modo

11 E Modo Velocidades Activa o modo velocidade

T Centrar Mesa “1” se o botão centrar mesa for actuado

12 E Centrar Mesa Modo

Velocidade

Pressurização dos músculos horizontais até centragem da mesa

T NOT Saída Centrar “1” quando mesa centrada

13 J Modo Velocidades Activa etapa Modo Velocidades

14 E Mesa Sísmica OUT Abandona modo Mesa Sísmica

15 J Mesa Sísmica OUT Abandona modo Mesa Sísmica

Tabela 7.2 - Descrição da macro-etapa e acções


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7.3 Descrição do programa final

O presente capítulo destina-se a detalhar o programa final quando operado pelo software

de SCADA Vijeo Citect®.

Dos aspectos mais importantes a ter em conta quando se desenvolve um programa a ser

usado por terceiros é, sem dúvida, a segurança. Nesse sentido, foram implementadas medidas

justas que garantissem a integridade do operador, bem como da própria máquina.

7.3.1 Descrição dos princípios de funcionamento do programa:

• Quando se inicia o programa, é necessário fazer o check-up eléctrico do

sistema. Caso contrário, ou na eventualidade de algum erro, o programa não

permite avançar;

• Sempre que não estiver a decorrer nenhum modo de actuação, a mesa encontra-

se na posição de repouso, com todos os músculos despressurizados e sem

nenhuma válvula actuada;

• Antes de se iniciar qualquer modo de actuação, ao mesmo tempo que se

actuam as válvulas digitais de admissão dá-se uma pressurização incremental

em todos os músculos, comandando as válvulas proporcionais através de

rampas lentas e pré-definidas. Este procedimento traduz-se numa posição

elevada e central da mesa: inicial;

• Todos os movimentos horizontais começam de modo suave. A pressurização

inicial dos músculos horizontais, antes de cada modo de actuação ou ensaio,

corresponde ao valor intermédio entre 1bar e a pressão definida pelo utilizador.

A pressão aumenta depois até ao valor definido, segundo uma rampa;

• No final de cada actuação ou ensaio, a mesa retorna lentamente à posição de

repouso;

• Todas as variações de pressão se dão através de rampas pré-definidas;

• Nenhuma actuação acontece se algum dos músculos se encontrar com uma

pressão inferior a 1bar;

• Nenhuma actuação acontece se as variáveis não forem definidas pelo

utilizador;


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• Nenhuma actuação acontece, excepto a manutenção, a manual e a

demonstração, se a mesa não estiver centrada;

• Ao centrar a mesa acontece o mesmo que em 3. Ter a mesa centrada significa

que as leituras dos três sensores horizontais se encontram dentro dum limite

pré-definido. Depois de centrada, a mesa retorna lentamente à posição de

repouso;

• Se, durante alguma actuação ou ensaio, a mesa ultrapassar os limites pré-

definidos de deslocamento, retorna lentamente à posição de repouso;

• Na eventualidade da mesa não se posicionar no repouso depois de qualquer

actuação ou ensaio, a etapa “inicializar” encarrega-se dessa acção. A transição

seguinte só fica activa quando a mesa está despressurizada e em repouso.

7.3.2 Programa final pelo software Vijeo Citect®

O uso do software SCADA no âmbito do corrente projecto é muito significativo. O

Vijeo Citect® é uma ferramenta poderosa, que tem o aliciante de criar uma relação mais

próxima com o utilizador, e não apenas por uma questão estética. A sua utilização deixa de

lado o software com o qual se programa o autómato que, não sendo muito intuitivo, poderia

criar uma primeira má impressão sobre o programa desenvolvido e as suas potencialidades.

Existem ainda as grandes vantagens da geração de relatórios, alarmes e gráficos.

Instruções para a navegação

Todas as páginas têm três elementos em comum: o relógio, a “casa”, e um atalho para

alarmes.

Encontra-se sempre visível no canto inferior direito um relógio e um calendário.

O botão “casa” pode ser pressionado a qualquer altura e remete o utilizador para o “menu

iniciar”, a partir do qual se pode aceder a qualquer modo de actuação ou sair do programa.

Os ícones presentes no canto inferior esquerdo representam atalhos para páginas de

alarmes. Qualquer erro ou alarme accionado tem a sua natureza, a hora e data de ocorrência

registadas, numa página própria.


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Figura 7.3 – Navegação no SCADA

Programa

Quando o programa é acedido, surge no ecrã uma pequena janela, onde se

contextualiza o trabalho, apresenta o título, a instituição de ensino, o nome do aluno e o do

Professor orientador.

Figura 7.4 – Layout da página inicial

Clicar na tela remete para a página do check-up eléctrico.

Figura 7.5 – Layout do check-up eléctrico

Ao fazer o check-up, se tudo estiver bem, as luzes correspondentes à monitorização

dos 24VDC de potência e ao relé ficam verdes. Pode prosseguir-se para o menu inicial, Figura


84

7.6. Se uma ou ambas as luzes se mantiverem a vermelho não é possível prosseguir, pelo que

se deve averiguar a sua ocorrência.

Figura 7.6 – Layout do menu inicial

A partir do menu inicial, e clicando no botão correspondente, escolhe-se o

procedimento a realizar. À frente de cada botão encontra-se uma pequena descrição da página

seguinte.

Dispõe-se das seguintes opções de navegação:

• Demonstração;

• Mesa Sísmica;

• Ensaios;

• Manutenção/Manual;

• Abandonar.

Demonstração

É executada uma acção de curta duração onde se demonstram as potencialidades do

simulador sísmico.

Terminada a demonstração, é-se remetido novamente para o menu inicial.

Mesa Sísmica

Tornar o programa mais versátil e flexível implicou a subdivisão do menu mesa

sísmica em dois: modo velocidades e modo seno.


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Mesa sísmica – modo velocidades

Este modo de actuação baseou-se no ensaio definido previamente como

“Velocidades”. O deslocamento da mesa é feito por 10 impulsos em cada sentido. A duração

do período é constante e tem um valor de 400ms, o que corresponde a uma frequência de

1,25Hz.

Permite a escolha independente, ou em simultâneo, dos 6 eixos disponíveis, H1, H2,

H3, V1, V2 e V3, e para velocidades de actuação diferentes entre si. As velocidades de

admissão e exaustão também são independentes.

No caso de se quererem combinar actuações em fase ou desfasadas, existe a opção de

“primeira actuação”, podendo escolher-se o sentido do primeiro movimento. Esta opção é

particularmente interessante no plano horizontal: seleccionando os mesmos valores de

velocidade, com a primeira actuação definida para a admissão num dos eixos, e exaustão nos

outros dois, obtém-se um movimento sincronizado e bem definido por parte da mesa.

Tal como os eixos, “primeira actuação” e velocidades, também a duração do ensaio e

pressões de funcionamento são definidas pelo utilizador.

Existe um mostrador do lado direito que exibe o tempo decorrido.

Em baixo, encontram-se os botões para centrar a mesa, zerar os sensores de

deslocamento, iniciar, parar, e ainda uma luz indicativa da mesa centrada.

Os valores permitidos para introdução pelo utilizador são:

• Velocidades admissão/exaustão – 1 a 8;

• Pressão central – 1 a 2bar;

• Pressão horizontal e vertical – 1 a 6bar;

• Duração – até 10 000 horas.

Figura 7.7 - Layout do modo velocidades


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Mesa sísmica – “modo seno”

Este modo de actuação baseou-se no método definido previamente como “Modo

Seno”.

A escolha dos eixos para actuação é exclusiva por conjunto – horizontal e vertical. No

entanto, o eixo a actuar depende da opção do utilizador.

A frequência é definida pelo utilizador, mas igual para cada conjunto de actuadores.

A duração em funcionamento pode ser feita por uma de duas maneiras: tempo ou

número de ciclos. Optando por número de ciclos, o utilizador faz um compromisso entre

frequência de actuação e número de vezes que as válvulas digitais são actuadas. No caso se

seleccionarem os dois conjuntos de actuadores e se definirem frequências diferentes, o modo

só termina após a menor frequência ter atingido o número de ciclos imposto.

O utilizador pode, em tempo real, observar o tempo ou o número de ciclos decorridos.


• Frequência – 0,1 a 25,0Hz;



• Duração tempo – até 10 000 horas;

• Duração ciclos – até 32767.

Figura 7.8 - Layout do modo seno

Ensaios


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No sentido de cobrir todas as possibilidades de actuação, dando liberdade de escolha

ao utilizador, foi definido como importante ter um modo especial, dedicado a ensaios.

Também neste espaço está contemplado o uso por parte de profissionais, no que toca a

ensaios de modelos sísmicos, ou uma visão mais académica, facilitando a contínua

caracterização do simulador multi-axial.

Ensaios – Ensaio 1

O primeiro ensaio é uma versão da actuação mesa sísmica – modo seno. Com uma

aplicabilidade mais vasta, este ensaio possibilita a escolha independente ou simultânea de

todos os eixos, incluindo a opção “primeira actuação” e a definição independente de

frequências de funcionamento.

Com a possibilidade de geração de gráficos de deslocamentos horizontais e verticais, e

por cada eixo, o utilizador pode aceder a esta informação graficamente e, se pretender,

exportá-la para um ficheiro Excel®, da Microsoft® Office®.


• Frequência – 0,1 a 25,0Hz;



• Duração tempo – até 10 000 horas;

• Duração ciclos – até 32767.


Figura 7.9 - Layout do ensaio 1

Ensaios – Ensaio 2


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Mantendo a essência do método que lhe deu origem, o ensaio número dois difere do

modo velocidades pelo facto de permitir alterar o número de pulsos por sentido de actuação

(admissão e exaustão), entre 1 e 20.

Com a possibilidade de geração de gráficos de deslocamentos horizontais e verticais, e

por cada eixo, o utilizador pode aceder a esta informação graficamente e, se pretender,

exportá-la para um ficheiro Excel®, da Microsoft® Office®.


• Número de pulsos – 1 a 20;



• Duração tempo – até 10 000 horas.


Figura 7.10 - Layout do ensaio 2

Manutenção

Ao seleccionar esta opção, é executado um ciclo em que o utilizador verifica

visualmente se todas as válvulas digitais estão operacionais, se existe tensão de 24VDC, se o

relé se encontra alimentado e se a botoneira de emergência está operacional. Em caso

afirmativo, vão-se acendendo luzes verdes. Só é possível abandonar a manutenção se tudo

estiver a funcionar correctamente.


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Figura 7.11 - Layout da manutenção


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Manual

O modo de actuação manual destina-se, principalmente, à verificação experimental do

correcto funcionamento do sistema pneumático. Serve, também, como um primeiro contacto

do utilizador com a máquina, podendo experimentar os deslocamentos, 4 graus de liberdade

ou observar a resposta dos actuadores.

É permitida a definição das pressões, movimentar a mesa no sentido de todos os eixos

horizontais, e subir e/ou descer a mesa.



• Pressão horizontal e vertical – 1 a 4bar.

Figura 7.12 - Layout do modo manual

Geração de gráficos

Os valores registados pelo autómato podem ser acedidos na forma gráfica,

apresentando o aspecto da Figura 7.13


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Figura 7.13 - Geração de gráficos no SCADA


93

8 Resultados

No inicio deste projecto, as capacidades dinâmicos do simulador contavam com valores

máximos de aceleração fixados em 1,8g, no plano horizontal; frequências inferiores a 3Hz e

superiores a 7Hz representavam problemas no comando da mesa. Estes problemas

resolveram-se naturalmente, estando na base desta grande mudança de comportamento a

substituição do autómato.

Ao longo de todo o trabalho, e analisando os resultados, o simulador multi-axial revelou-

se muito eficiente na reprodução de características dinâmicas, comparáveis às que se

verificam na realidade. Tem-se a aceleração como característica mais relevante, e de valores

superiores aos mínimos pretendidos.

A concretização deste projecto espelhou-se na simulação com sucesso de um modelo

sísmico, a condições dinâmicas adequadas. Estas características encontram-se num simulador

compacto, leve e de baixo custo.

Contudo, quando vistas por diferentes perspectivas, as opções tomadas na concepção do

simulador podem demonstrar aspectos positivos e outros menos bons, que poderão definir

uma aplicabilidade mais vasta.

Crê-se que a estabilização das amplitudes por volta dos 10Hz limite um pouco as

potencialidades do simulador. A rigidez da mesa deveria, por isso, ser superior, deslocando a

sua frequência natural de vibração para um valor ligeiramente mais elevado.

Será muito difícil implementar alguma estratégia de controlo precisa, uma vez que os

sensores de deslocamento não são os mais rápidos, com menos histerese, e os actuadores têm

uma característica acentuadamente não-linear. O trabalho fica dificultado com a falta de

feedback do real valor da pressão em cada actuador, uma vez que uma válvula proporcional

actua sobre um grupo de músculos, e não apenas um.

Alguns destes pormenores poderão ser melhorados para um trabalho futuro.


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9 Conclusões

A implementação de soluções iniciais muito simples, aumentando gradualmente e sempre

que necessário a complexidade da programação, implicou um significativo uso do tempo nem

sempre justificado.

No entanto, no começo de um projecto é extremamente difícil idealizar o quão complexa

deverá ser uma solução. Desta forma, todas as programações experimentadas tiveram o seu

quê de importância, tanto na aprendizagem como na perspectiva de abordagem ao problema

em questão.

Conseguiu extrair-se do simulador multi-axial capacidades dinâmicas de relevância, com

um comando rigoroso, e tempos de actuação favoráveis ao pretendido.

Os objectivos propostos foram superados, materializando-se numa ferramenta de grande

valor e utilidade para estudos sismológicos e/ou de vibrações.


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10 Bibliografia

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An Introduction to the Theory of Seismology, 4th ed., e K.E. Bullen and Bruce A. Bolt

(1993).

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Han Kung Lee (2010).

Martins, André, e Daniel Gonçalves. Simulador Sísmico Multiaxial. Porto, 2007.

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Rodrigues, José. Apontamentos da disciplina de Vibrações e Ruído. Porto, 2009.

Schneider Electric SA. Vijeo Citect User Guide. 2007.

Schneider Electric SA; Catálogo M340 (2010).

Schneider Electric SA; Unity ProS User Guide (2008).

Washington University - http://faculty.washington.edu/tpratt/frequencies.htm (2010).


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ANEXO A – Elementos eléctricos/electrónicos


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109


111


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simulador multi-axial - repositorio-aberto.up.pt · o qual surgiu insatisfação comportamental por...

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