Eficiencia Energetica e Sistemas de Gest

 

E NGE NGEN N HA HARIA RIA INDUSTRI IN DUSTRIAL AL EM FOC FOCO Pesquisa Básica, Aplicada e Desenvolvimentos VOLUME 1

Organizador

Alessandro Rosa Lopes Zachi

 

Engenharia Industrial em Foco

Pesquisa Básica, Aplicada e Desenvolvimentos Volume 1 Organizador:  Alessandro Rosa Lopes Lopes Zachi  Autores:  Autores:  Alessandro Rosa Lopes Lopes Zachi  Aline Gesualdi Manhães  Amaro Azevedo de Lima  Lima   Andrei Fiegenbaum Fiegenbaum  Angelo Fernando Fernando Fiori Fiori  Aniela Improta França  França   Antonio Carlos Valdiero Valdiero Carlos Henrique Figueir Figueiredo edo Alves Denys Pestana Viana  Dionísio Henrique Carvalho de Sá Só Martins Edmundo Rodrigues Soares Fernando José Antunes  Antunes  Hector Reynaldo Meneses Costa  Ivan Junior Mantovani  Julianaa Novo  Julian Novo Gomes Luiz Antônio Rasia Luiz Carlos Gomes Sacramento Junior Junior Nuno Miguel Fonseca Ferreira  Ricardo Alexandre Amar de Aguiar Robson da Silva Abrantes iago de Moura Prego

 

Copyright© 2016 Alessandro Rosa Lopes Zachi (Org.) Título Tít ulo Origi Original nal:: Engenharia Engenha ria Industrial In dustrial em Foco – Pesquisa Básica, Aplicada e Desenvolvimentos: Volume 1 Editor  André Figueiredo Figueiredo Editoração Eletrônica  Luciana Lima de Albuquerque

PUBLIT SOLUÇÕES EDITORIAIS Rua Miguel Lemos, 41 salas 711 e 712 Copacabana - Rio de Janeiro - RJ - CEP: 22.071-000 Telefone: (21) 2525-3936 E-mail: [email protected] Endereço Eletrônico: www.publit.com.br

 

Lista de componentes do Conselho Editorial

 Alessandro Jacoud Jacoud Peixoto, Peixoto, D.Sc. (COPPE/UFRJ) (COPPE/UFRJ)  Antônio Candea Leite, D.Sc. (PUC-Rio) (PUC-Rio)  Antônio  Antô nio Mau Maurício rício Casta Castanhei nheira ra das das Neves Neves,, D.Sc. D.Sc. (CEF (CEFET/R ET/RJ) J)  João Marcos Marcos Meireles Meireles da Silva, D.Sc. (UFF) (UFF)  José Soares Soares Barbosa, D.Sc. (UERJ) (UERJ) Luciano Santos Constantin Raptopoulos, D.Sc. (CEFET/RJ) Mauro Sandro dos Reis, D.Sc. (CEFET/RJ) Regina Cely Rodrigues Barroso, D.Sc. (UERJ)

 

AGRADECIMENTOS

Os autores gostariam de agradecer a DEUS, ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq), à   Comissão de Aperfeiçoamento de Pessoal do Nível Superior (CAPES), à   Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio Grande do Sul (FAPERGS) e ao  Núcleo de Inovação em Máquinas Automáticas e Servo Sistemas (NIMASS) da   Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul (UNIJUÍ ) pelo apoio financeiro, pela infraestrutura laboratorial e pelo incentivo no desenvolvimento de projetos de Pesquisa, Desenvolvimento e Inovação (P&D&I), à   Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro (FAPERJ), (FAPERJ), ao Laboratório de Instrumentação e Ultrassom (LINUS) e ao Laboratório de Processamento de Sinais e Instrumentação (LAPSI) do CEFET/RJ, à empresa ANTRAX Serviços de Engenharia e Representações pela participação voluntária no processo de termografia, ao Laboratório Laborat ório de Sinais, Multimídia Multimídi a e Telecomuni elecomunicações cações (SMT) (SMT ) e(LEDAV) ao Laboratório de Ensaios Dinâmicos e Análise dede Vibração da COPPE/POLI/UFRJ, ao Laboratório Acesso Sintático (ACESIN) da UFRJ, ao Grupo de Investigação ROBOC ROB OCORP ORP do Instituto Instituto Superior Superior de Engenharia Engenharia de Coimbra Coimbra do Instituto Politécnico de Coimbra, ao engenheiro Guilherme  W.. Bungner (VGK Engenharia/RJ).  W Engenharia/RJ). Entidades e pessoas cujas contribuições diretas e indiretas foram de fundamental importância importância para a obtenção dos resultados resultados de pesquisa apresentados neste livro.

 

DEDICATÓRIA

Dedicamos esta obra a todos os nossos familiares, em especial a  Sérgio Garcia Zachi (in memoriam), Jandira Rosa Lopes Zachi,  Alessandra RosaZachi LopesPZachi, Carolina Rosa Lopesnça Zachi,  Arthur Miguel acíficoAna Rosa, Angelica Mendonça Mendo dos Santos Zachi, Maria Clara Mendonça dos Santos Zachi, Luiz Francisco Mendonça dos Santos Zachi, Luiz Miguel Mendonça dos Santos Zachi, Zachi , Nilo Fiori, Fiori, Irene Fiori, Leonardo Leonardo Fiori, Elisa Espíndola, Antonio Francisco Valdiero. Anita Maria Basso Mantovani, Eneida Maria Fiegenbaum, Aldina Barichello Rasia (in memoriam), Rosangela de Araujo Pestana, Pestana, Maria de Nazaré da Silva Abrantes e Edilene Soares da Costa. Os Autores

 

PREFÁCIO

O livro Engenharia Industrial em Foco – Pesquisa básica,  Aplicada e Desenvolvimentos é uma coletânea de trabalhos técnico-científicos frutos das atividades de pesquisa de docentes e profissionais de engenharia, envolvidos com setor produtivo e interessados nas soluções de problemas da indústria e da sociedade. Nesta obra, foram reunidos trabalhos associados a dissertações de mestrado concluídas no Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica e no Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica e Tecnologia de Materiais do Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca (CEFET/RJ) – Campus Maracanã, no Programa de Pós-graduação em Modelagem Matemática da Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul (UNIJUÍ) - Campus Panambi e no Mestrado em Engenharia Eletrotécnica, especialização em Automação e Comunicações em Sistemas de Energia do Instituto Superior de Engenharia de Coimbra (ISEC) e do Instituto Politécnico de Coimbra (IPC)  A intenção dos trabalhos desta obra é divulgar as atividades de pesquisas básicas, aplicadas e desenvolvimentos na área de engenharia industrial, fomentar a formação de profissionais qualificados no nível de pós-graduação e mostrar os impactos potenciais dos resultados obtidos para a sociedade e para a comunidade científica. Esperamos que os leitores sintam-se confortáveis com a leitura e que os engenheiros e jovens estudantes sintam-se incentivados a aguçarem seus interesses pela pesquisa científica básica e aplicada. O organizador.

 

Sumário 1 – PROJETO DE INSTRUMENTAÇÃO ELETRÔNICA PARA DIAGNÓSTICO E PREVENÇÃO DE ARCO ELÉTRICO EM INST INSTALAÇÕES ALAÇÕES INDUSTRIAIS .......... ..........11 11 Robson da Silva Abrantes, Carlos Henrique Figueiredo Figueiredo Alves e Alessandro Rosa Lopes Zachi 2 – REDES NEURAIS PARA A CLASSIFICAÇÃO DE FALHAS MECÂNI MECÂNICAS CAS EM MÁQUINAS RO ROT TATIV TIVAS AS.... ....31 31 Dionísio Henrique Carvalho de Sá Só Martins, Denys Pestana Viana, Amaro Azevedo de Lima e iago de Moura Prego 3 – EFICIÊNCIA ENERGÉTICA E SISTEMAS DE GESTÃO DE CONSUMOS EM EDIFÍCIOS DE SERVIÇOS SER VIÇOS ............................................................... ....................................................................... ........59 59 Nuno Miguel Fonseca Ferreira e Edmundo Rodrigues Soares 4 – ASPECTOS DA ADESÃO E DA RESISTÊNCIA  À CORROSÃO CORROSÃO DE REVESTIMENT REVESTIMENTOS OS OBTIDOS  ATRA  A TRAVÉS VÉS DA TÉCNICA DE ASPERSÃO ASPERSÃO TÉRMICA ... ...97 97 Fernando José Antunes, Hector Reynaldo Meneses Costa e Ricardo Alexandre Amar de Aguiar 5 – DESENVOLVIMENTO, MODELAGEM E CONTROLE DO PRO PROTÓ TÓTIPO TIPO DE D E UM ROBÔ GANTRYY....................................................... GANTR ........................................................................ .................131 131  Antonio Carlos Valdiero, Valdiero, Angelo Fernando Fernando Fiori, Fiori, Ivan Junior Junior Mantovani, Manto vani, Andrei Fiegenbaum e Luiz Antônio Rasia 

 

6 – OTIMIZAÇÃO DOS FILTROS UTILIZADOS EM POTENCIAIS RELACIONADOS A EVENTOS LINGUÍSTICOS....................................................... ............................................................ .....169 169 Luiz Carlos Gomes Sacramento Junior, Aline Gesualdi Manhães, Juliana Novo Gomes e Aniela Improta França 

 

1 PROJETO DE INSTRUMENTAÇÃO ELETRÔNICA PARA DIAGNÓSTICO E PREVENÇÃO DE ARCO ELÉTRICO EM INST INSTALAÇÕES ALAÇÕES INDUSTRIAIS Robson da Silva Abrantes Carlos Henrique Figueiredo Alves Alves Alessandro Rosa Lopes Zachi

Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca – CEFET/RJ 

1. INTRODUÇÃO

Instalações elétricas e manutenção de equipamentos são áreas de estudo de bastante interesse paras as indústrias. Manter a confiabilidade das instalações elétricas tornou-se parte imprescindível das práticas de eficiência energética adotadas nas empresas. Quando uma falha ocorre ela pode causar superaquecimento nos equipamentos, quedas de energia não planejadas, possíveis lesões de operadores, risco de incêndio e danos permanentes nas instalações. Diante desse cenário, torna-se importante acompanhar as variáveis e os parâmetros de uma instalação, avaliando seu desempenho de modo sistemático para definir a necessidade de uma intervenção. Esta intervenção, em geral, pode ser realizada de forma preventiva , corretiva ou preditiva. 11

 

Neste sentido, este trabalho realiza um estudo sobre duas técnicas de manutenção preventiva aplicadas no diagnóstico e na prevenção de arcos elétricos em instalações e equipamentos industriais. O trabalho investiga a aplicação da tecnologia de termografia infravermelha e a técnica de inspeção por ultrassom para comparar seus desempenhos no que se refere à prevenção de falhas provocadas por arcos elétricos. Como parte da pesquisa, propõe-se um sistema eletrônico de instrumentação e controle baseado em um microcontrolador para monitorar e alarmar sobre a ocorrência de eventos de falha. São apresentados e discutidos alguns resultados experimentais obtidos em laboratório utilizando o circuito desenvolvido. desenvolvido. 1.2. Fundamentação teórica  A manutenção preventiva  caracteriza-se   caracteriza-se pelo trabalho sistemático para evitar a ocorrência de falhas, mantendo um controle contínuo sobre o equipamento. Esta forma de intervenção é considerada como o ponto de apoio das atividades envolvendo tarefas sistemáticas tais como: as inspeções, substituição de peças e reformas (PATTON, 1983, KARDEC e corretiva  a  é NASCIF, 2001). A manutenção corretiv  é o tipo de intervenção mais antigo. Caracteriza-se por um conjunto de atividades efetuadas após a ocorrência de uma falha que, em geral, consiste em recolocar o componente danificado novamente em condições de operação operação (KOTHAMASU (KOTHAMASU et al .,., 2009). A manutenção  preditiva  pode   pode ser definida como um conjunto de atividades de acompanhamento das variáveis importantes do sistema. O monitoramento periódico dos parâmetros operacionais pode desempenhar um papel importante na prevenção do início 12

 

de uma avaria. Assim, quando uma intervenção é necessária, pode-se analisar se o equipamento ou a instalação estão em condição de funcionamento ou se é necessário uma parada para iniciar uma manutenção corretiva planejada. atuaçãoEmdacada manutenção preditiva nas indús-é triasOé campo bastantedeamplo. equipamento ou instalação possível adotar pelo menos um tipo de técnica de análise: Análise Vibracional, Ferrografia, Termografia, Ultrassonografia e  Análise de Pressões Pressões (ALESSI e OGAW OGAWA, 2010). 1.3. Termografia Termografia infravermelha

 A termografia é uma técnica de inspeção não destrutiva e não invasiva que tem como princípio de funcionamento a detecção da radiação infravermelha emitida naturalmente pelos corpos com intensidade proporcional a sua temperatura (CHOU e YAO, 2009). Desta forma, cada valor de temperatura gera um determinado comprimento de onda que pode ser associado a uma cor em uma escala cromática (REIS e CONTATE, 2012). A radiação infravermelha não é visível a olho nu e por esta razão é necessário o uso de lentes especiais que filtrem radiaçãodetransformando o espectro eletromagnético em um aespectro cores criando assim um espectro térmico. Este espectro pode ser visualizado em uma escala monocromática ou policromática (Figura 1.1). Em ambas as escalas a cor preta se associará à faixa mais fria do espectro, assim como a cor branca se associará à faixa mais quente.  A termografia hoje tem um papel muito importante na área de manutenção preditiva (HUDA e TAIB, 2013). Através da sua utilização, é possível eliminar muitos problemas 13

 

de produção, evitando falhas elétricas, mecânica e fadiga de materiais. Na Figura 1.2, tem-se um exemplo da utilização de um termovisor para a inspeção de um equipamento. Em instalações elétricas é possível visualizar com a ajuda deste aparelho os maus contatos nos componentes eletroeletrônicos que provocam dissipação de calor (REIS e CONTATE, 2012, CHOU e YAO, 2009). 1.4. Ultrassonogr Ultrassonografia afia

 A técnica de ultrassonografia baseia-se em detectar as ondas sonoras produzidas pelos equipamentos e instalações na faixa de frequência acima de 20 kHz. Nesta faixa de frequências, as principais fontes das ondas instalações elétricas e redes de distribuições são as sonoras descargasemparciais, as descargas por efeito corona, arcos ou trilhamentos (GONÇALVES e NAGAO, 2006, DE OLIVEIRA et al., 2006).

Figura 1.1. Exemplo de imagens termográficas (HUDA, 2012). Fotos Fo tos da conexão de um cabo trifásico. (a) Policromática. Policromática. (b) Monocromática.

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Figura 1.2. Exemplo de utilização de um termovisor.

Fonte: Fon te: https://zilocchi-loja.com.br https://zilocchi-loja.com.br/fluke-ti300.html. /fluke-ti300.html.

 As ondas mecânicas que pertencem à faixa de ultrassom são tipicamente imperceptíveis ao ser humano e, portanto, a técnica depende de um equipamento especialmente projetado para esta finalidade. O equipamento de ultrassom é constituíd constituídoo por um transdutor piezoelétrico cujo princípio de funcionamento é o de converter a onda mecânica em um sinal elétrico. Na maioria dos equipamentos, para que o operador possa identificar os eventos, este sinal elétrico na saída do transdutor é convertido em sinal sonoro audível que vai para um fone de ouvido para indicar a intensidade sonora detectada. A inspeção dos sistemas de distribuição, ou seja, linhas e equipamentos, com a técnica de ultrassonografia é realizada ponto a ponto nas proximidades das estruturas (GONÇALVES e NAGAO, 2006, DE OLIVEIRA et al., 2006). Em geral, o operador aponta o transdutor piezoelétrico do dispositivo medidor para 15

 

o ponto que deseja inspecionar e pelo fone de ouvido consegue identificar o ruído captado (ALESSI e OGAWA, 2010). 1.5. Termografia aplicada em engenharia elétrica

da prática os componentes que envolvamDentro eletricidade tem termografia, a maior aplicação, onde se inspeciona aquecimento em acionamentos, aquecimento em bornes, aquecimento em componentes elétricos, quadros de comando até subestações de energia. Em eletricidade e eletrônica, a monitorização constante e a detecção precoce de alterações na temperatura de um determinado componente permitem a prevenção de falhas de maquinaria e consequentes perdas de produtividade, além de resultar em redução significativa nos custos com manutenção corretiva por falhas indesejadas de máquinas, por conta de defeitos em componentes elétricos que as integram. Para a detecção de alteração da temperatura alguns critérios devem ser considerados. Um componente está aquecido quando sua temperatura é maior que a temperatura do ambiente; o aquecimento é calculado pela diferença entre a temperatura do componente e a temperatura do ambiente; fatoresinternas como carga e evento devem ser considerados; nas inspeções os cuidados devem estar voltados para a carga, nível de utilização da instalação, circuito ou equipamento; o aquecimento máximo admissível para um componente ou equipamento é igual à diferença entre a máxima temperatura admissível e a temperatura ambiente (WOO, 2015). Os componentes do sistema elétrico que podem acarretar interrupções no fornecimento de energia, muitas vezes 16

 

causando danos irreparáveis são: disjuntores; chaves seccionadoras; bases e fusíveis; barramentos e condutores em geral; conexões; transformadores de distribuição, dentre outros. No caso destes componentes, são consideradas anomalias térmicas as ocorrências das seguintes situações: temperatura medida é superior à máxima temperatura admitida para o componente avaliado, na Figura 1.3 podemos verificar uma anomalia no dispositivo elétrico do sistema.

Figura 1.3. Exemplo de falha identificada. Fonte: Fonte: (WOO, 2015).

1.6. Limites de temperatura

Uma das variáveis mais importantes na implantação do Programa de Manutenção Preditiva dos painéis elétricos é a Máxima Temperatura Temperatura Admissível (MT (MTA) A) de seus componentes, componentes, ou seja, a máxima temperatura sob a qual se permite que o componente opere. Seus valores podem ser obtidos a partir das especificações técnicas dos componentes ou junto aos fabricantes. Não sendo possível obter estes valores, recomenda-se a fixação de 90o C como valor de referência para conexões e componentes metálicos e de 70o C para cabos isolados (WOO, 2015). 17

 

Na indústria, dentro do plano de manutenção, é executada a coleta de cinco temperaturas, em momentos distintos, e posteriormente tira-se a média das mesmas. A temperatura média será considerada como temperatura de trabalho e servirá como ponto de partida para a classificação dos limites de temperaturas. Os limites serão estabelecidos identificando a falha através do ”delta de temperatura (δ)”, e posteriormente ações para correção das irregularidades serão indicadas. 2. SITUANDO O PROBLEMA

Nesta pesquisa, o interesse é detectar com antecedência a possibilidade de ocorrência de arcos elétricos em instalações e equipamentos industriais. A intenção é fornecer ao operador uma sinalização antecipada do efeito para que seja possível uma tomada de decisão preventiva. Neste contexto, pretende-se avaliar o desempenho das técnicas de termografia e ultrassonografia para o diagnóstico e a prevenção de possíveis falhas provocadas provoc adas por ocorrência de arcos elétricos. 3. METODOLOGIA DA PESQUISA

foram ensaios das experimentais Inicialmente em laboratório pararealizados verificar oalguns desempenho técnicas de ultrassonografia e termografia para detectar o surgimento das descargas elétricas em equipamentos. Para os ensaios, foi montado em bancada um circuito para produzir descargas elétricas com intensidades controladas. Na Figura 1.4, tem-se um diagrama em blocos do aparato experimental. O objetivo de montar este sistema foi simular as condições de falha por arco elétrico no interior do quadro que são geralmente 18

 

causadas por sobretensão, manobras indevidas ou por defeito de isolamento. Para comparar os desempenhos das técnicas citadas anteriormente, utilizou-se um termovisor comercial e um circuito eletrônico para as medidas de ultrassonografia. Este circuito eletrônico de instrumentação, projetado especialmente para os ensaios de ultrassonografia, foi desenvolvido utilizando um microcontrolador como unidade de processamento e controle. 4. DESCRIÇÃO DOS ENSAIOS EXPERIMENT EXPERIMENTAIS AIS

O circuito para a geração de descargas elétricas (Figura 1.5) é composto basicamente por um transformador de média tensão 127 V / 4 KV, um regulador de tensão tipo VARIAC de 1KVA e duas hastes de cobre de 1/2’ x 100 mm cada. As hastes foram acomodadas no interior de um quadro elétrico real de média tensão, similar aos comumente utilizados em instalações industriais.

Figura 1.4. Diagrama em blocos do aparato experimental montado em laboratório. Fonte: autoria própria. 19

 

 A montagem das hastes dentro do quadro foi realizada com o auxílio de isoladores. Duas das extremidades foram conectadas ao circuito do transformador enquanto que as outras duas foram posicionadas frente a frente mantendo uma distância constante entre si de 5 mm. Na Figura 1.6, têm-se as imagens da bancada experimental montada no Laboratório de Instrumentação e Ultrassom (LINUS) do Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica do CEFET/RJ. A bobina do primário do transformador foi ligada à rede de 110 110 V. V. Para produzir a descarga elétrica controlada foi aplicada uma variação gradativa de tensão no primário do transformador pelo pelo ajuste do VARIAC. VARIAC. Este ajuste foi realizado monitorando-se a tensão de entrada do primário com um multímetro digital HOMIS Modelo 760 e a intensidade corrente na Modelo bobina do umEste alicate amperímetro Instrutherm VAsecundário 330 (Figuracom 1.6). procedimento foi adotado para garantir segurança dos cabos, dos equipamentos do laboratório e do operador.

Figura 1.5. Diagrama elétrico do circuito gerador de descargas elétricas do Laboratório de Instrumentação e Ultrassom (LINUS)

do CEFET/RJ. Fonte: Adaptada de (LAGRECA, 2012). 20

 

Figura 1.6. Aparato experimental montado no Laboratório de Instrumentação e Ultrassom (LINUS) do CEFET/RJ. (a) Imagem panorâmica. (b) Detalhe do interior do quadro elétrico. Fonte: autoria própria.

4.1. Ensaios com o termovisor te rmovisor (termografia)

 A técnica de inspeção por imagens termográficas é bastante eficiente quando há emissão de radiação infravermelha proveniente da dissipação de calor nas estruturas a serem vistoriadas. No caso de arcos elétricos, a dissipação de calor só ocorre quando o fenômeno já foi estabelecido. Na Figura 6, seguem as imagens dos resultados preliminares obtidos com a utilização do termovisor comercial modelo FLIR I40 (Figura 1.7(a)). Nos ensaios, a tensão na bobina do primário do transformador foi elevada até o valor de 85 V (RMS), que é o valor partir do elétrico é geradoComo entreseospode terminaisa (hastes de qual cobre)um noarco i nterior interior do quadro. observar na Figura 1.7(a), antes do rompimento do arco não há indicação de partes quentes na região entre os terminais. Observe na imagem da Figura 1.7(b) que só após o estabelecimento do arco é que a radiação infravermelha emitida é captada pelo termovisor.

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Figura 1.7. Ensaio preliminar para detecção de arco elétrico por termografia em laboratório. (a) Imagem termográfica captada antes do rompimento do arco elétrico. (b) Imagem termográfica captada no rompimento do arco elétrico.

Os ensaios de ultrassom foram realizados com auxilio do osciloscópio Tektronix 4034, conectados a 01 Transdutor de Ultrassom NDT system Modelo IBMF152 de 5MHZ. Os ensaios de Termografia foram realizados com auxilio termógrafo modelo FLIR I40. 4.2. Ensaios utilizando o ultrassom

 A inspeção inspeção ultrassônica foi o segundo ensaio realizado nesta pesquisa. Teve como objetivo principal monitorar o quadro elétrico de média tensão, analisando o comportamento das ondas ultrassônicas emitidas pelos eletrodos sob a forte influência do campo elétrico.  Aplica -se uma varia  Aplica-se variação ção da tensã tensãoo no primá primário rio do trans trans-formador de 0 volts a 85 volts e percebe-se p ercebe-se a ruptura ruptu ra do arco elétrico entre os eletrodos no secundário do transformador. Ressalta-se aqui que o padrão estabelecido para os ensaios, 22

 

foi o mesmo utilizado nos experimentos com diagnóstico por termografia. No momento inicial dos ensaios ultrassônicos, a tensão foi variada gradativamente pelo dispositivo VARIAC, nos terminais do primário pr imário do transformador transfor mador.. Foi executado um conjunto de medições com ultrassom em 07 instantes distintos de tensão: Zero, 20, 35 , 40, 60, 80 e 85 volts. A intensidade da corrente elétrica também foi monitorada, para efeitos de controle e segurança do modelo, durante todo o processo.  Ao at atin ingi girr 85 vo voltltss e 8, 8,45 45 am ampe pere ress re resp spec ectitiva vame ment nte, e, verifica-se a formação de arco elétrico entre os eletrodos frontais no secundário do transformador. Este momento da formação do arco elétrico e verificado no gráfico da Figura 1.8. Diferente da termografia, onde a falha ficou evidente apenas no momento de rompimento do arco elétrico, na inspeção por ultrassom, quando a tensão no primário do Transformador atinge aproximadamente 80V, pode-se observar um sinal de 400mV pico a pico, proveniente do sensor de ultrassom, indicando a presença de descargas parciais dentro do quadro elétrico.

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Figura 1.8. Visualização da forma de onda no osciloscópio. Ocorrência do arco elétrico em 85 volts.

5. CONCLUSÃO

Todo Plano de Manutenção Elétrica com caráter preventivo é executado periodicamente, já que a manutenção corretiva é evitada a todo custo, pois caso seja necessária, será pela falha do equipamento. Esta situação representaria a interrupção de energia elétrica para diversas áreas.  Atualmente a inspeção termográfica é parte obrigatória aplicada ao plano de manutenção preventiva nas empresas e indústrias, voltadas à diagnósticos em suas instalações elétricas. Pode-se observar, observar, de acordo com os procedimentos praticados nesta pesquisa, onde neste caso, a falha foi 24

 

apresentada ao ensaio termográfico, apenas em estágio avançado de aquecimento, o que em alguns casos não atende a segurança completa das instalações. Como complemento ao plano de manutenção preventiva /preditiva, pode-se adicionar a técnica de inspeção por ultrassom, onde resultados prematuros das instalações serão apresentados, apontando falhas por descargas parciais, antes do aquecimento e perdas por efeito Joule, o que pode levar ao seccionamento e desligamento da planta, em muitos casos levando a prejuízos na ordem de milhares de reais.  A técnica de Ultrassom, Ultrassom, somada a termografia na inspeção de sistemas elétricos, demonstra ser uma ferramenta eficiente e fundamental na predição de falhas provocadas por anormalidade em isolação elétrica em cabos, conexões e terminações elétricas. Em conjunto, as duas técnicas preventivas e preditivas, a manutenção consegue identificar áreas que necessitam receber mais atenção e planejar ações que proporcionem confiabilidade e disponibilidade para os ativos de elétrica e consequentemente operacionais, ficando evidenciado, através do estudo comparativo, que uma técnica complementa a outra, para maior confiabilidade no processo final de manutenção preditiva. O sucesso do trabalho depende simplesmente da inclusão do plano de inspeção por Ultrassom na sistemática / programa de manutenção. Equipamentos de ultrassom têm uma vasta série de aplicações efetivas e podem servir eficazmente de muitas maneiras como primeira linha de defesa contra colapsos. Nenhuma tecnologia pode fornecer sozinha, soluções totais para todo tipo de manutenção. Dessa forma, faz-se necessário conjugar 25

 

o ultrassom com outras tecnologias, reduzindo, falhas de equipamentos, tempo de manutenção, consumo de energia e, com isso, melhorando o sistema e a qualidade dos processos. REFERÊNCIAS

 ALESSI, L. P., OGA OGAW WA, S. K. Estudo comparativo entre as técnicas aplicadas à inspeção instrumentalizada de redes de distribuição de energia elétrica. Monog Monografia rafia de conclusão de curso de graduação, UFPR, Curitiba/PR, 2010. Disponível no sítio http://www http://www.eletrica.ufpr .eletrica.ufpr.br/ufpr2/tccs/151.pdf. .br/ufpr2/tccs/151.pdf. Acesso em 04/10/2016. CHOU, Ying-Chieh; YAO, Leehter Leehter.. Au  Auto toma mati ticc di diag agno nosti sticc sys sys-tem of electrical equipment using infrared thermography . In: Soft Computing and Pattern Recognition, 2009. SOCPAR’09. International Conference of IEEE, 2009. p. 155-160.

DE OLIVEIRA, H. R. P. M., et al. Evaluation of the insulation of 15 kV-25 kV feeders and procedures for substitution of damaged units. In: Conference Record of the 2006 IEEE International Symposium on Electrical Insulation. IEEE, 2006. p. 126-131. GONÇALVES, Vando GONÇALVES, Vando Garcia; NAGANO, Gilberto Gilberto Kazuyuki. Kazuyuki. Inspeção Instrumentalizada em redes de distribuição urbana e rural em 15 e 34,5 kV . Trabalho técnico: Sessão 1 - Instalações elétricas na distribuição. CIDEL 2006. HUDA, AS Nazmul, et al.  A semi-automatic approach for thermographic inspection of electrical installations within buildings. Energy and Buildings , 2012, 55: 585-591. 26

 

HUDA, AS Nazmul; TAIB, Soib.  Application of infrared thermography for predictive/preventive maintenance of thermal defect in electrical equipment . Applied ermal Engineering, 2013, 61.2: 220-227. KARDEC, Allan; NASCIF NASCIF, , Júlio. Manutenção-função unção estratégica . Qualitymark Editora Ltda,Manutenção-f 2001. KOTHAMASU, Ranganath; HUANG, Samuel H.; VERDUIN, William H. System health monitoring and prognostics - a review of current paradigms and practices. In: Handbook of Maintenance Management and Engineering . Springer London, 2009. p. 337-362. PATTON, D., et al. Preventive maintenance. Instrument SocietyJoseph of America, 1983. REIS, Virgílio Pinheiro; CONTATE, Davi Dias. Emprego da termografia na inspeção preditiva . Bolsista de Valor , 2012, 2.1: 109-112. REIS, V. P., CONTATE, D. D.. Emprego da termografia na inspeção preditiva . Revista de divulgação projeto Petrobras, v. 1, n. 1, p. 100 – 107, 2012.  WOO Dr. Dr. Joseph.; A short History of the development of Ultrasound in Obstetrics and Gynecolog . Disponível em: . Acesso em: 30 Abril, 2015.

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SOBRE OS AUTORES Robson da Silva Abrantes é graduado em Engenharia Elétrica, com ênfase em Eletrônica, pela Universidade Santa Úrsula em 2008. Tem especialização em gerenciamento

de projetos pelaConcluiu Universidade dodeEstado do Rio Janeiro UERJ (2011). o curso mestrado em de Engenharia Elétrica pelo Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca - CEFET/RJ em 2015. Atualmente é Engenheiro da Empresa Atento Brasil onde atua como gestor regional (Rio, Bahia, Minas Gerais, Goiânia e Porto Alegre) atuando nas atividades de suporte a projetos, planejamento, estudos e montagem de escalas de manutenção preventiva e corretiva de equipamentos eletromecânicos. Carlos Henrique Figueiredo Alves é graduado em Engenharia Eletrônica pela PUC-Rio e possui mestrado e doutorado em Engenharia Biomédica pela COPPE/UFRJ. Foi professor visitante da Universidade Estadual da Pensilvânia (Penn State, USA), onde também concluiu o pós-doutorado. Alves está à frente do Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca (CEFET/RJ) desde 2011 e exerce seu

segundo mandato de 2015 a 2019. Anteriormente, foi vice-diretor, na gestão 2007-2011. É docente titular do CEFET/ RJ e ingressou na instituição em 1991, como professor do Departamento de Engenharia Elétrica (DEPEL). Foi chefe do DEPEL, membro do Conselho Diretor, do Conselho de Ensino e presidente do Conselho Departamental. Foi professor do Programa de Pós-Graduação em Tecnologia e, atualmente, é professor do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica do CEFET/RJ. Desenvolve projetos na área de instru28

 

mentação eletrônica, especificamente na fabricação de transdutores de ultrassom para geração e processamento de imagens médicas, voltadas para investigação de patologias na vista humana e epiderme. Suas áreas de interesse são transdutores de ultrassom para aplicações biomédicas, Instrumentação eletrônica aplicada e processamento de sinais e imagens.  Alessandro Rosa Lopes Zachi possui graduação em Engenharia Industrial Eletrônica pelo Centro Federal de Educação Tecnológi ecnológica ca Celso Suckow da Fonseca – CEFET/RJ em e m 1998, mestrado e doutorado em Engenharia Elétrica pela COPPE/ UFRJ em 2001 e 2007, 2 007, respectivamente. Foi Foi chefe do Departamento de Engenharia Elétrica (DEPEL) entre 2006 e 2009. Realizou estágio de pós-doutorado na Organização Europeia para Pesquisa Nuclear (CERN) em 2008 e na Universidade do Estado do Rio de Janeiro - UERJ em 2014. É professor permanente do Departamento de Engenharia de Controle e  Automação (DEAUT) e atual coordenador do Prog Programa rama de Pós-graduação em Engenharia Elétrica (PPEEL) do CEFET/ RJ. Tem experiência em sistemas eletrônicos programáveis e realiza pesquisa científica e tecnológica nas áreas de controle e instrumentação, abordando principalmente os seguintes temas: teoria de controle linear e não-linear, controle adaptativo, robótica e instrumentação eletrônica aplicada.

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2 REDES NEURAIS PARA A CLASSIFICAÇÃO DE FALHAS MECÂNICAS EM MÁQUINAS ROTATIVAS Dionísio Henrique Carvalho de Sá Só Martins Denys Pestana Viana Amaro Azevedo Azevedo de Lima Thiago de Moura Prego

Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca – CEFET/RJ 

2.1. INTRODUÇÃO

O desempenho de uma máquina, ao longo de sua vida útil, pode ser rapidamente degradado a partir do surgimento dos primeiros sinais de falha. Quando as condições operacionais da máquina começam a mudar, o primeiro efeito é a mudança do padrão de vibração seguida por uma perda de desempenho. Se nenhuma ação for tomada, em geral decorrente do não monitoramento do equipamento, equip amento, ocorre o aumento de ruído audível, e uma redução significativa de desempenho.  Antes  Ant es que a vib vibra ração ção at atinj injaa nív níveis eis exc exces essiv sivos, os, uma int intererrupção na operação para dar lugar a procedimentos de manutenção pode reduzir a extensão dos danos e prolongar a vida útil do equipamento. 31

 

De posse de técnicas inteligentes, tais como as RNAs, é possível classificar o padrão de vibração e identificar o tipo de falha antes que esta atinja níveis irreversíveis, e ocasione uma parada definitiva do equipamento. 2.1.1. Vibração Vibração mecânica

 A vibração é um movimento de oscilação oscilação de uma máquina ou de algum de seus componentes, que sai de sua posição de equilíbrio, ou seja, da região de estabilidade estática ou estabilidade dinâmica, devido a um desequilíbrio da distribuição de massa ao longo de seu elemento girante.  As pesquisas iniciais na área de vibração mecânica tinham como objetivos compreender os fenômenos naturais e criar modelos matemáticos que fossem capazes de representar a vibração de sistemas físicos. Com o passar do tempo, o estudo desta área do conhecimento teve aplicação em projetos de engenharia, tais como o diagnóstico de falhas em máquinas rotativas. Para estes tipos de máquinas, a vibração é uma característica operativa não desejável, sendo um indicativo de anormalidade mecânica ou elétrica em um dos componentes do equipamento em questão. Desta forma, é necessário que haja o constante monitoramento deste fenômeno em máquinas como motores, pois o alto nível de vibração produz o desgaste prematuro de componentes como engrenagens e rolamentos, além de afrouxar ou desprender peças utilizadas para fixação (RAO, 2011). 32

 

2.1.2. Mancal de rolamento

O mancal de uma estrutura ou máquina pode ser definido como as superfícies de contato por meio das quais há uma transmissão de carga. Sua finalidade é suportar uma carga mecânica, em geral caracterizada por um eixo, permitindo seu movimento rotacional em relação à estrutura da máquina rotativa. O funcionamento apropriado de tais dispositivos depende, em grande parte, de um contato suave entre seus componentes (TANDON e CHOUDHURY, 1997). Em aplicações industriais, mancais de rolamento são classificados como componentes mecânicos críticos, uma vez que as ocorrências de falhas nesses dispositivos constituem a principal causa de colapso de máquinas rotativas. Os principais componentes de um rolamento compõem as principais fontes de defeitos de mancais de rolamento, que são: pista externa, gaiola, elementos rolantes (esferas) e pista interna. Esses componentes são mostrados na Figura 2.1.

Figura 2.1. Elementos de um mancal de rolamento (BONES, 2015). 33

 

 A presença de um defeito altera significativamente os níveis de vibração em um mancal, logo, é necessário ter conhecimento dos tipos de defeitos envolvidos em um mancal e que técnica deverá ser empregada para estes serem classificados (TANDON e CHOUDHURY, 1999). Defeitos em mancais podem divididos em locais distribuídos. Alguns exempl exe mplos os deser defeitos distribuídos sãoou rugosidades superficiais, ondulações, desalinhamento entre as pistas rolantes, bem como por elementos rolantes de tamanhos diferentes, quando montados de forma incorreta. Sempre que um elemento com defeito local interage com outro elemento ocorrem mudanças abruptas no contato dessa interface resultando na geração de pulsos de duração muito curta. Tais pulsos Tais vibrações e ruídos r uídos de quedefeitos podem ser monitorados a fimproduzem de se detectar a presença no rolamento. Os defeitos costumam evoluir de forma lenta, de modo que os mancais emitem sinais com bastante antecedência à falha final.  A pr pres esen ença ça de um de defe feititoo ca caus usaa um au aume ment ntoo si sign gnififi-icativo nos níveis de vibração, em virtude da intensificação do processo de produção de pulsos de curta duração gerados pela interação entre uma falha local e o elemento adjacente. Quando um elemento rolante colide com uma falha localizada, ocorre uma excitação de ressonâncias na estrutura em frequências específicas. Essa constatação abre margem para a elaboração de um método eficiente de diagnóstic diagnóstico, o, no qual é realizado um isolamento isolamento de frequências visando permitir uma identificação de ressonâncias associadas às falhas. 34

 

2.2. TIPOS DE MANUTENÇÃ MANUTENÇÃO O

 A manutenção é definida como a combinação de todas as ações técnicas e administrativas destinadas a manter ou recolocar um item (equipamento) em um estado no qual possa desempenhar uma função requerida (ABNT, 1994). Nas indústrias, os gastos referentes à manutenção dos equipamentos correspondem a maior parte dos custos operacionais, por isso a gestão incorreta da manutenção pode gerar grandes prejuízos para a produção e consequentemente diminuir a competitividade do produto no mercado (ABREU, 2012).  A manutenção pode ser classificada de acordo com as seguintes características de intervenção em: corretiva, preventiva e preditiva. 2.2.1. Manutenção corretiv c orretivaa  A manutenção manutenção corretiva corretiva é o tipo de manutenção manutenção que ocorocorre após a quebra do equipamento. O objetivo deste tipo de intervenção é permitir que um equipamento ou sistema retorne a sua normalidade. Ela tem a função de garantir que a produção seja reiniciada no menor tempo possível, levando em consideração os fatores de segurança e qualidade inerentes ao processo produtivo produtivo.. 2.2.2. Manutenção preventi preventiva va

 A manutenção preventiva tem como propósito monitorar periodicamente as condições elétricas, eletrônicas e mecânicas dos equipamentos a fim de maximizar a produção e evitar paradas por quebras nos equipamentos (WALTER, 2006). 35

 

Em algumas situações este tipo de manutenção pode não ser

Em algumas situações este tipo de manutenção pode não ser recomendado, por gerar alto custo e intervenções desnecessárias, pois não avalia a condição real da peça ou a necessidade de ser realizar aquela intervenção. Em função disso, pode existir a possibilidade da inserção de um defeito que não havia antes na máquina. 2.2.3. Manutenção preditiva Segundo a NBR 5462 (ABNT, 1994), a manutenção preditiva é aquela que tem a finalidade de manter o equipamento sempre em condições normais de operação, através da aplicação de técnicas de análise que usam meios de supervisão ou de amostragem, com o objetivo de diminuir as manutenções corretivas e preventivas. Este tipo de manutenção indica as condições reais de funcionamento das máquinas com base em dados que informam o seu desgaste ou processo de degradação.  Assim, é possível prever o tempo de vida útil dos componentes das máquinas e equipamentos e as a s condições para que esse tempo de vida seja bem aproveitado. Com base no conhecimento e na análise dos fenômenos, torna-se possível antever eventuais defeitos ou falhas nas máquinas e equipamentos. A manutenção preditiva, após a análise dos fenômenos, adota dois procedimentos para trabalhar com os problemas detectados: estabelece um diagnóstico e efetua uma análise de tendências. O diagnóstico indica a origem e a gravidade do defeito constatado. A análise da tendência da falha prevê com antecedência a avaria ou a quebra, por meio de aparelhos que exerçam uma vigilância constante para predizer a necessidade 36

 

do reparo. A manutenção preditiva adota vários métodos de

investigação para poder intervir nas máquinas e equipamentos. investigação Dentre os vários métodos, destacam-se: o estudo das vibrações; análise dos óleos; análise do estado das superfícies e análises estruturais de peças (LIMA e SALLES, 2006).  Ao se realizar a manutenção preditiva busca-se: aumentar o tempo de disponibilidade dos equipamentos; eliminar desmontagens desnecessárias para a inspeção; reduzir o trabalho de emergência não planejado; aproveitar a vida útil total dos componentes e de um equipamento; aumentar o grau de confiança no desempenho de um equipamento ou linha de produção; programar atividades de manutenção baseadas no diagnóstico; reduzir custos de manutenção e aumentar a produtividade. 2.3. ANÁLISE ANÁLISE DE D E VIBRAÇÃO  A medição e a análise de sinais de vibração em um sistema possibilitam a identificação de falhas antes de sua quebra. A análise do sinal de vibração pode ser realizada através de diversas técnicas que indicam o nível de vibração da máquina pela amplitude do sinal, bem como o componente que apresenta falha, a partir das características de frequência. Todas as máquinas em funcionamento produzem vibrações que, com o tempo, sofrem um processo de degradação, provocado pela modificação da distribuição de energia vibratória do conjunto dos elementos que constituem a máquina. Observando a evolução do nível das vibrações, é possível obter informações sobre o estado da máquina. 37

 

2.3.1. Extração de características

 A extração de características é uma etapa fundamental para o reconhecimento de falhas em máquinas rotativas, através de uma apropriada extração de características, o espaço de dados é transformado num espaço de características que possui menor dimensão do que o espaço de dados original. Os sinais de vibração são captados por acelerômetros piezoelétricos no mancal próximo do motor e no mancal afastado do motor nas direções axial, radial e tangencial. Estes são processados com o objetivo de retirar as características dos sinais que sejam capazes de diferenciar os tipos de falhas. Dentre diversas técnicas existentes para a extração de características, destacam-se a análise espectral, curtose e entropia. 2.3.2. Análise espectral

Esta técnica, por definição, se baseia na análise do espectro de frequência do sinal de vibração obtido no domínio do temFouri er Transform Transform  (FFT) po, que é convertido através da Fast Fourier para o domínio da frequência. A FFT é um algoritmo rápido para se computar Discrete Fourier Transform Transform (DFT). A Equação (2.1) mostra a equação de cálculoda DFT.  X [ K ] =

1

 ∑  N 

x [ n] e  

−  jk  0n

(2.1)

,

n < N >

onde X [K ] representa o sinal no domínio da frequência discreta, x [n] é o sinal no domínio do tempo discreto, n é o número de amostras, N  é  é o período, k  é  é o índice de frequência relativo à Ω0, Ω0 =

2π   N 

 é a frequência fundamental. 38

 

Para cada sinal vindo dos acelerômetros, nas três direções,

em cada mancal foram obtidas três características que correspondem ao valor da amplitude do espectro nas frequências R f   (frequência de rotação do motor) 2R f , e 3R f . Isso dá origem a 18 características. Além dessas, usa-se também como característica frequência de rotação do motor, obtida pelo cálculo da FFTa do sinal vindo do tacômetro tacômetro. .  A vantagem vantagem da util utilizaç ização ão deste tipo de análise análise está no fato de que cada tipo de falha produz uma assinatura espectral espectral única. 2.3.3. A curtose

 A curt curtose ose (K ) é um indicador estatístico, que pode ser utilizado utili zado na análise de variáveis aleatórias indicando a característica impulsiva do sinal. A curtose cur tose é um indicativo de forma, ou seja, o quão próximo a distribuição da variável aleatória em questão, se aproxima de uma distribuição gaussiana (CASELLA e BERGER, 2011). A Equação (2.2) representa o cálculo da curtose. curtose. K  =

4  E ( x − µ )

σ 

4

(2.2)

− 3,

 x –  μ) é o valor esperado da variável aleatória x  e onde E ( x  e σ  é  é o desvio padrão.

Valores positivos da curtose indicam fenômenos impulsivos presentes na distribuição, não preservando a suavidade da distribuição gaussiana, podendo apresentar variação brusca em torno da média. Por outro lado, quando a curtose assume valores negativos, isso indica pouca ou nenhuma variação ao 39

 

longo de sua distribuição. Para cada sinal de vibração foi cal-

culada a curtose, resultando em outras seis características. 2.3.4. A entropia

O conceito de entropia H  foi  foi proposto por (SHANNON, 1948) para realizar estudos na área da Teoria da Informação. Nesta área, a entropia diz respeito a uma medida da incerteza do conteúdo de uma mensagem antes de esta ser recebida. Entropia pode também ser definida como uma medida da aleatoriedade ou imprevisibilidade de uma variável aleatória.  A entropia H (u), para uma variável aleatória discreta u é dada pela Equação (2.3). Utiliza-se método das janelas de Parzen para a estimativa da função densidade de probabilidade, do inglês Probability Density Function (PDF) (PARZEN, 1962).  H ( u ) =

n

∑

pi (u ) log

i =1

 

1  pi ( u )

(2.3)

,

onde  pi (u) é densidade de probabilidade da variável aleatória discreta u.  A entr entropia opia foi util utilizad izadaa por (PE (PEST STANA, ANA, 2016) para problemas envolvendo falha de mancal e de eixo, obtendo bons resultados de classificação. Assim como a curtose, que fornece a medida de impulsividade do sinal, a entropia também pode gerar características discriminativas entre classes. Quanto menor for o valor da diferença entre as medidas de entropia dos vetores de características de duas classes, mais facilmente estas classes serão identificadas corretamente. Para cada sinal de vibração foi calculada a entropia, resultando em mais seis características. 40

 

2.4. SEPARAÇÃO DO CONJUNTO DE DADOS

UTILIZANDO K-FOLD

 A validação cruzada é uma técnica para avaliar a capacidade de generalização de um modelo ou algoritmo de classificação, a partir de uma base de dados (KOHAVI, 1995). Esta técnica é amplamente empregada em problemas onde o objetivo da modelagem é a predição (previsão). Busca-se então determinar o quão preciso é este modelo na prática, ou seja, o seu desempenho para novos conjuntos de dados. Diversas formas de realizar o particionamento dos dados foram sugeridas, onde os três métodos mais utilizados são: holdout , k-fold ,  jackknife   e leave-one-out (KOHAVI, 1995). Para este trabalho, foi empregada a técnica k-fold , com 10 folds  para  para avaliação dos resultados. O método de validação cruzada denominado k-fold  con  consiste em dividir o conjunto total de dados em k subconjuntos mutuamente exclusivos de mesmo tamanho e, a partir disto, um subconjunto é utilizado para teste e os k – 1 restantes são usados para estimar os parâmetros e calcular a acurácia do modelo. Este processo é realizado P  vezes   vezes alternando de forma circular com o conjunto de teste. Neste trabalho foi utilizado o método k-fold   usando 10  folds . Seguindo esta metodologia, o conjunto original de dados é dividido de forma aleatória em 10 partes com tamanhos aproximadamente iguais. Dentre estas 10 partes, três são selecionadas de forma aleatória para comporem o conjunto de teste e as demais são usadas para o conjunto de treinamento. Este processo é repetido 120 vezes de forma que todas as 41

 

combinações possíveis sejam feitas para compor os conjuntos

de teste e de treinamento. Posteriormente é feita uma média dos resultados da classificação das 120 combinações para obter um único resultado (MARTINS et al., 2016). 2.5. AS REDES NEURAIS ARTIFICIAIS (RNAs)

Desenvolvida após a 2ª Guerra Mundial, a Inteligência  Artificial (IA) que é aplicável em diversas diversas áreas, tais como: como: engenharia, estatística, medicina, busca métodos ou até mesmo dispositivos computacionais no intuito de simular a capacidade humana de processamento de informações para a resolução de problemas. Tais sistemas podem ainda ser criativos, lidar com a perda de dados e adaptar-se às diversas situações (HAQUE e KASHTIBAN, 2005).  A IA tem tem com comoo inte intenç nção ão mim mimeti etiza zarr as seg segui uint ntes es cara caract cterí erísti sti-cas associadas ao cérebro, entre elas: a sua robustez e tolerância a falhas; o poder de lidar com informações ruidosas; ser altamente paralelo; apresenta um tamanho pequeno e compacto. As RNAs têm como objetivo a solução de problemas através de modelos que emulam o comportamento dos neurônios do cérebro humano, de forma bastante simplificada, no que diz respeito ao aprendizado, ou seja, acertando, errando e fazendo novas descobertas. 2.6. DESCRIÇÃO DA BANCADA EXPERIMENTAL DOS DEFEITOS  A bancada experimental utilizada neste trabalho foi o  Alignment Balance Vibration Trainer  Trainer  (ABVT),   (ABVT), comercializada pela Empresa Spectra Quest Inc.. Esta ferramenta foi projetada para estudar o comportamento dinâmico de motores com eixo 42

 

apoiado em mancais de rolamento e/ou deslizamento, permi-

tindo o treinamento em análise de vibração e a simulação de defeitos de desbalanceamento, desalinhamento e defeitos em mancais de rolamentos, entre outros.  A Figura 2.2 mostra a estrutura do simulador simulador,, na qual se pode observar: o motor como máquina acionadora, unido ao eixo por meio do acoplamento; dois mancais de rolamentos que sustentam o eixo e os rotores com furos rosqueados para a introdução do desbalanceamento.  As principais características desta bancada são: possui um motor de corrente contínua com uma potência de 0,25 CV, a sua faixa de velocidade varia no intervalo [700; 3600] RPM, o comprimento do seu eixo é de 520 mm, o diâmetro do seu eixo é de 16 mm, o diâmetro do rotor possui 15,24 mm e a distância da separação dos mancais é de 390 mm.

Figura 2.2. Estrutura do simulador (LÓPEZ, 2014).

Os defeitos estudados por meio desta bancada foram os seguintes: desalinhamento paralelo horizontal, desalinhamento paralelo vertical, desbalanceamento, defeito na gaiola do mancal próximo ao motor, motor, defeito na esfera do mancalpróximo ao 43

 

motor, defeito na pista externa do mancal próximo ao motor,

defeito na gaiola do mancal afastado do motor, defeito na es fera do mancal afastado do motor e defeito na pista externa do mancal afastado do motor. O defeito de desalinhamento paralelo horizontal é implementado através de parafuso que a quantidade de desalinhamento, istoum é realizado comregula a ajuda de um paquímetro digital. O desalinhamento paralelo vertical éimplementado na bancada colocando calços na base do motor. O defeito de desbalanceamento é implementado na bancada através da fixação de parafusos e arruelas no rotor. Estes parafusos e arruelas são pesados em balanças de precisão a fim de reproduzir bem o defeito. Os defeitos nos mancais próximo ao motore afastado do motor são inseridos na bancada por meio da troca de mancais normais por mancais com defeitos na gaiola, na esfera ou na pista externa. 2.6.1. A base de dados

Os sinais de vibração usados neste trabalho apresentam uma taxa de aquisição de 50.000 amostras durante 5 segundos resultando num total de 250.000 amostras, a frequência de amostragem empregada foi de 50 kHz. A base de dados utilizada neste experimento apresenta a seguinte divisão: (i) Sinais normais: normais: Esta classe apresenta apresenta 49 cenários com distintas velocidades de rotação. Com o objetivo de balancear b alancear a população de classes foi feito o seguinte procedimento: a 44

 

partir de cada um dos cenários foram criados mais 7 sinais através da soma de ruído branco aos sinais originais resul-

tando em 343 cenários deste tipo de sinal; (ii) Desalinhamento paralelo horizontal: apresenta 197 cenários divididos em quatro graus de severidade: 0,5 mm (50 cenários), 1 mm (49 cenários), 1,5 mm (49 cenários) e 2 mm (49 cenários); (iii) Desalinhamento paralelo vertical: esta classe apresenta 301 cenários separados em seis graus de severidade: 0,51 mm (51 cenários), 0,63 mm (50 cenários), 1,27 mm (50 cenários), 1,4 mm (50 cenários), 1,78 mm (50 cenários) e 1,9 mm (50 cenários); (iv) Desbalanceamento: possui 333 amostras separadas em sete graus de severidade: 6 g (49 cenários), 10 g (48 cenários), 15 g (48 cenários), 20 g (49 cenários), 25 g (47 cenários), 30 g (47 cenários) e 35 g (45 cenários). Os outros 6 tipos de falhas analisados são nos mancais próximo ao motor e afastado do motor. Estes tipos de falhas são mais evidentes quando associados a um tipo de desbalanceamento (LÓPEZ, (LÓPE Z, 2014). São elas: (i) Defeito na gaiola aos do mancal próvalores ximo ao tem 188 cenários associados seguintespróximo demotor: desbalanceamento: 0 g (49 cenários), 6 g (48 cenários), 20 g (49 cenários) e 35 g (42 cenários); (ii) Defeito na pista externa do mancal próximo ao motor: esta classe apresenta 184 cenários associados aos seguintes valores de desbalanceamento 0 g (49 cenários), 6 g (49 cenários), 20 g (49 cenários) e 35 g (37 cenários); 45

 

(iii) Defeito na esfera do mancal próximo ao motor: esta classe tem 184 cenários associadas aos seguintes valores de des-

balanceamento 0 g (50 cenários), 6 g (49 cenários), 20 g (49 cenários) e 35 g (38 cenários); (iv) Defeito na gaiola do mancal afastado do motor: possui 188 cenários associados aos seguintes valores de desbalanceamento: 0 g (49 cenários), 6 g (49 cenários), 20 g (49 cenários) e 35 g (41 cenários); (v) Defeito na pista externa do mancal afastado do motor: esta classe apresenta 188 cenários associadas aos seguintes valores de desbalanceamento 0 g (49 cenários), 6 g (49 cenários), 20 g (49 cenários) e 35 g (41 cenários); (vi) Defeito na esfera do mancal afastado do motor: esta classe tem 137 cenários associados aos seguintes valores dedesbalanceamento 0 g (49 cenários), 6 g (43 cenários), 20 g (25 cenários) e 35 g (20 cenários). 2.7. RESULT RESULTADOS ADOS

Para avaliar as técnicas de reconhecimento de padrões estudadas foram realizadas simulações em um notebook  da  da marca Acer com processador Intel Core i3 de 1,50 GHz e 6 GB de memória RAM com sistema operacional Windows 8. Todas as simulações foram realizadas utilizando-se a plataforma de simulação do Matlab® versão 2013b. O classificador utilizado no presente trabalho, para reco MultiLa ltiLayer yer Perce erceptro ptronn  nhecer os padrões de falha, é a rede neural neural Mu (MLP) com 3 camadas, sendo uma camada de entrada com quantidade de neurônios igual ao número de características extraídas, 20 neurônios na camada oculta e uma camada de 46

 

saída com neurônios referentes às classes das falhas. Os parâmetros de treinamento da rede neural foram escolhidos em-

piricamente e tem os seguintes parâmetros: 1000 épocas de treinamento, erro médio quadrático desejado de 10-5 e passo de aprendizagem de 0,01. A partir do treinamento conferido à RNA apuram-se os resultados retornados da rede, na forma de matrizes de confusão. 2.7.1 O experimento 1

O primeiro experimento consistiu em realizar o diagnósticode falhas utilizando um vetor com 31 características extraídas do mancal mais próximo do motor e do mancal mais distante do motor. As classes analisadas foram: normal (C1), desbalanceamento (C2),(C4) desalinhamento (C3), desalinhamento vertical e defeito em horizontal mancal (C5). A Tabela 2.1 mostra o resultado da classificação nos  folds  cor  correspondente ao conjunto teste. O acerto médio foi de 97,1% com desvio padrão de 1,5%. O tempo de processamento deste experimento foi de 3 horas e 29 minutos. Tabela 2.1. Matriz de confusão do Experimento 1.

Classes C1 C2  Alvo C3 C4 C5 Total (%)

C1 69/69 0/69 0/69 0/69 0/69

Classificadas C2 C3 C4 C5 0/67 0/39 0/60 0/214 66/67 0/39 0/60 2/214 0/67 36/39 2/60 2/214 0/67 1/39 58/60 0/214 1/67 2/39 0/60 210/214

 Acerto (%) 100 ± 0 98,5 ± 1,4 92,3 ± 4,2 96,7 ± 1,6 98,1 ± 0,4 97,1 ± 1,5

47

 

Devido às baixas instâncias do desalinhamento horizontal um total de 197 cenários distintos, tornando o número de ele-

mentos do desalinhamento horizontal (total de 39), na matriz de confusão, baixos em relação às outras classes, acarretando em um desempenho inferior aos das outras classes. 2.7.2. O experimento 2

No experimento 2, foi utilizado o mesmo vetor de características do experimento 1, porém foi feita uma separação na classe dos defeitos em mancal em: defeitos no mancal afastado do motor e defeitos no mancal próximo ao motor.  As classes analisadas foram: normal (C1), desbalanceamento (C2), desalinhamento horizontal (C3), desalinhamento vertical (C4), defeito no mancalafastado do motor (C5) e defeito no mancal próximo ao motor (C6). A Tabela 2.2 mostra o resultado da classificação nos folds  correspondente  correspondente ao conjunto teste. O acerto médio foi de 98,0% com desvio padrão de 1,4%. O tempo de processamento deste experimento foi de 3 horas e 42 minutos. Conforme o teste da Tabela 2.2, o desempenho das classes C3 (desalinhamento horizontal) é afetado por possuir poucas instâncias (total de 39), em relação às outras classes, onde é o provável motivo de seu desempenho inferior (total de 94,9%) em relação às outras classes. O desempenho reduzido de C4 (desalinhamento vertical) também pode ser motivado pelas baixas instâncias, em relação às classes majoritárias.

48

 

Tabela 2.2. Matriz de confusão do Experimento 2.

Classificadas Classes C1 C2 C3 C4 C5 C1 69/69 0/67 0/39 0/60 0/103 C2 0/69 66/67 0/39 1/60 0/103

 Alvo

C3 C4 C5 C6 Total (%)

0/69 0/69 0/69 0/69

C6 0/112 0/112

Acerto (%)

100 ± 0 100 ± 0

0/67 37/39 1/60 0/103 1/112 94,9 ± 3,2 0/67 0/39 58/60 0/103 1/112 96,7 ± 3,0 1/67 0/39 0/60 103/103 2/112 100 ± 0 0/67 2/39 0/60 0/103 108/112 96,4 ± 2,3 98,0 ± 1,4

2.7.3. O experimento 3

Noexperimento experimento2,3no foientanto utilizadofoio feita mesmo de características do umavetor separação nas classes dos defeitos no mancal próximo ao motor e no mancal afastado do motor em: defeitos na gaiola, na pista externa e na esfera.  As classes analisadas foram: normal (C1), desbalanceamento (C2), desalinhamento horizontal (C3), desalinhamento vertical (C4), defeito na gaiola do mancal afastado do motor (C5), defeito na pista externa do mancal afastado do motor (C6), defeito na esfera do mancal afastado do motor (C7), defeito na gaiola do mancal próximo ao motor (C8), defeito na pista externa do mancal próximo ao motor (C9) e defeito na esfera do mancal afastado do motor (C10). A Tabela 3 mostra o resultado da classificação nos folds  correspondente  correspondente ao conjunto de teste. O acerto médio foi de 96,3% com desvio padrão de 2,3%. O tempo de processamento deste experimento foi de 3 horas e 49 minutos. 49

 

pod e ser notado nas Conforme pode nas Tabelas 2.1, 2.1, 2.2 e 2.3 2. 3 o desempenho do classificador foi satisfatório na classificação com

5, 6 e 10 classes, mostrando sua versatilidade para diferentes configurações de neurônios na camada de saída. Para o teste com 10 classes, conseguiu-se identificar tanto a posição do mancal defeituoso bem como que tipo de falha o rolamento apresentou. Ao utilizarmos o classificador com 10 classes, naturalmente homogeneizou-se a base de dados para o processo de treinamento.

50

 

   )    9    1    5    1  ,  ,  ,  ,    0    3  ,    0    1  ,  ,    %    0    3    (    5    3    2    1   ±    2   ±    4    0    2   ±   ±   ±   o   ±   ±   ±   ±    0   ±    0   ±    0    t    0    3   r    1    0    3    0    4    7

 ,  ,  ,  ,  ,    0  ,    0  ,    0    0    6   e    7    7    2    5    1    6    1    4    1    1   c    9    9    9    A    9    9    9    9    7    7    7    7    7    7    7    7    7    0    7    2    2    2    2    2    2    2    2    2    1    2    /    /    /    /    /    /    /    /    /    /    C    0    0    0    0    0    0    0    0    0    7    2    7    7    7    7    7    7    7    7    9    7    7    3    3    3    3    3    3    3    3    3    3    /    /    /    /    /    /    /    /    /    C    0    0    0    0    0    0    0    0    7    /    3    0    8    8    8    8    8    8    8    8    8    3    8    8    3    3    3    3    3    3    3    /    /    /    /    /    /    /    6    3    /    3    /    C    /    0    0    0    0    0    1    0    3    0    1

 .    3   o   t   n   e   m    i   r   e   p   x    E   o    d   o    ã

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   f   s   u   n   o   c   e    d   z    i   r   t   a    M

   fi    i   s    5    8    8    8    8    8    8    8    8    8    8    3   a    3    3    3    3    3    l    C    /    /    /    /    /    /    3    /    3    /    3    /    3    /    6    C    0    0    0    0    3    0    0    1    1    0    0    0    0    0    0    0    0    0    0    6    4    0    6    6    6    /    /    /    7    6    /    6    /    6    /    6    /    6    /    6    /    C    /    0    0    0    5    0    1    0    1    0    1

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   9    9    9    9    9    9    9    9    9    3    3    9    3    3    /    /    6    3    /    3    /    3    /    3    /    3    /    3    /    3    /    C    /    0    0    3    0    1    0    1    1    0    0

   7    7    7    7    7    7    7    7    7    6    2    7    6    6    /    /    6    /    6    /    6    /    6    /    6    /    6    /    6    /    C    /    5    1    1    0    0    0    0    0    0    0    6    9    9    9    9    9    9    9    9    9    9    1    6    6    6    /    /    6    /    6    /    6    /    6    /    6    /    6    /    6    /    C    9    /    0    0    0    0    0    0    0    0    0    6    )   s    %   e   s    0    1    2    3    4    5    6    7    8    9    1    (   s   a    C    C    C    C    C    C    C    C    C    C    l   a    l    t    C   o    T   o   v    l    A

51

 

2.8. CONCLUSÃO

 Através de um estudo mais detalhado das falhas mecâni-

cas mais comuns, bem como seus efeitos, sua manifestação no espectro de frequência e das técnicas de diagnóstico utilizadas na identificação e no tratamento dos sinais de vibração. Este trabalho desenvolveu um estudo experimental de classificação das falhas mecânicas em máquinas rotativas, utilizando MLP como classificador. Foi desenvolvida toda uma metodologia para criação da base de dados e criação dos algoritmos para processamento dos sinais de vibração e extração das características, para treinamento da rede neural, onde foram abordadas as falhas por desbalanceamento, desalinhamento, além de incluir as falhas de mancal.  As investigações investigações da da curtose, da entropia entropia e do segundo segundo con junto de acelerômetros, foram fundamentais para o bom desempenho de classificação deste trabalho. Através da curtose, entropia e da utilização do segundo conjunto de acelerômetros, a rede neural pode discriminar com mais eficiência as particularidades inerentes de cada classe, atingindo acurácia acima de 95% para classificar defeitos com 10 classes, podendo assim identificar tanto a posição do mancal defeituoso, como a falha em particular par ticular do rolamento. Com base nos resultados expostos, a rede MLP, é bastante eficaz para classificar múltiplas falhas em máquinas rotativas, alcançando desempenho superior a 90% em todas as classes e baixo desvio padrão associado.

52

 

REFERÊNCIAS

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SOBRE OS AUTORES Dionísio Henrique Carvalho de Sá Só Martins  concluiu o bacharelado em Engenharia de Controle e Automação no CEFET/RJ em 2013. Concluiu especialização em Engenharia Mecatrônica na Universidade Católica de Petrópolis em (2016). É aluno de mestrado de Engenharia Elétrica no

CEFET/RJ com previsão de término em 2016. As linhas de pesquisa de interesse são: diagnóstico automático de falhas, classificação e instrumentação industrial. Denys Pestana Viana  concluiu  concluiu o bacharelado em Engenharia Elétrica na UERJ em 2013. Concluiu o mestrado em engenharia elétrica no CEFET/RJ em 2016. Atuou por 10 anos no Centro de Pesquisas de Energia Elétrica (CEPEL) na área de 55

 

ensaios elétricos e instrumentação. Atualmente é engenheiro de projetos elétricos. As linhas de pesquisa de interesse são: diagnóstico automático de falhas, processamento de sinais,

classificação e instrumentação industrial.  Amaro Azevedo de Lima  recebeu  recebeu o título de Engenheiro Ele-

trônico UFRJ,pelo o título de M.Sc. pela COPPE/UFRJ o título pela de Ph.D. Instituto Tecnológico de Nagoya noe  Japão nos anos de 1999, 2001 e 2005, respectivamente. Nos anos de 2005 e 2006 ele foi aceito e atuou no programa de pós-doutorado do CNPq, e nos anos de 2007 e 2008 ele trabalhou como pesquisador em projetos envolvendo a COPPE/ UFRJ. Desde 2009 ele está no CEFET/RJ atuando como professor na Coordenação de Telecomunicações e na Coordenação de Engenharia de Controle e Automação, ambos no campus Nova Iguaçu; e no Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica e no Pro Programa grama de Pós-graduação em Instrumentação e Óptica Aplicada, ambos no campus Maracanã. Seus interesses incluem reconhecimento automático de fala, kernel learning machines , avaliação de qualidade de fala e reconhecimento de padrões. iago de Moura Prego  possui graduação em Engenharia

Eletrônica e de Computação pela Universidade Federal do Rio de Janeiro (2007), mestrado em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal do Rio de Janeiro (2009) e doutorado em Doutorado em Engenharia Elétrica pela Univ Universidade ersidade Federal do Rio de Janeiro (2012). Atualmente é Professor - curso técnico em Telecomunicações do Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca, Professor - Mestrado em Eng. Elétrica (PPEEL) do Centro Federal de Educação 56

 

Tecnológica Celso Suckow da Fonseca e Pesquisador da Universidade Federal do Rio de Janeiro. Tem experiência na área de Engenharia Elétrica, com ênfase em Telecomunicações.

 Atuando principalmente nos seguintes temas: Processamento de Voz, Avaliação de qualidade, Desreverberação.

57

 

3

EFICIÊNCIA ENERGÉTICA E SISTEMAS DE GESTÃO GEST ÃO DE CONSUMOS EM EDIFÍCIOS DE SERVIÇOS Nuno Miguel Fonseca Ferreira Edmundo Rodrigues Soares

Instituto Politécnico Politécnico de Coimbra Co imbra – IPC Instituto Superior de Engenharia de Coimbra – ISEC Departamento de Engenharia Eletrotécnica – ISEC 

3.1. APRESE APRESENT NTAÇ AÇÃO ÃO

Da necessidade de reduzir o consumo de energia torna-se fulcral efetuar a monitorização dos consumos de energia elétrica em edifícios bem como em grandes complexos com vista à otimização da energia. Pr Pretende-se etende-se projetar um sistema, designado por “Energy Analyser” que permita monitorizar a energia de vários consumidores descentralizados e agregar todas as informações recolhidas num único local, evitando a necessidade de efetuar leituras locais. Desta forma, paraassim além de não ser necessário destacar um funcionário para efetuar essas mesmas leituras, o “Energy Analyser” irá apresentar os parâmetros elétricos que estão a serem recolhidos por analisadores de energia elétrica instalados no sistema, efetuar diagramas de carga para posterior análise, registar os parâmetros elétricos de um intervalo de tempo e disponibilizar também 59  

a funcionalidade de impressão de todas as informações inerentes a cada leitura efetuada. O “Energy Analyser” suporta um número ilimitado de analisadores de energia e é completa-

mente personalizável. 3.2. INTRODUÇÃO

Este trabalho contempla o desenvolvimento de um sistema de monitorização de energia elétrica designado por “Energy Analyser”. Os combustíveis fósseis, nomeadamente o petróleo, são um recurso natural finito, a sua disponibilidade na natureza está comprometida devido à exploração que tem sido feita de forma inconsciente, tornando-o cada vez mais escasso. Esta escassez provoca inflação do preço deste recurso. Grandes complexos apresentam normalmente consumos de energia extremamente elevados, sendo necessário controlar os consumos de energia. É quase impossível controlar o consumo energético de centenas de pessoas que por dia frequentam um complexo desta natureza, tornando-se fundamental a monitorização por forma a reduzir os consumos de energia. Através de dados recolhidos é possível criar ações de consciencialização e ajustar o contrato de energia/potência contratada da melhor forma possível. Com o desenvolvimento deste sistema pretende-se ultrapassar as dificuldades que surgem quando se pretende monitorizar a energia em grandes complexos, onde é complicado ter a perceção exata da distribuição dos consumos energéticos. A utilização de um sistema deste tipo possibilita uma análise da distribuição do consumo de energia a fim de avaliar possíveis intervenções. Através do conhecimento desta distribuição de consumos pode-se tentar reduzir os consumos, e os desperdícios afetando os custos envolvidos na instalação, 60  

fornecendo indicações precisas e possibilitando a verificação da exatidão dos valores debitados pela empresa de distribuição de energia elétrica.

3.3. MONITORIZAÇÃO DA ENERGIA ELÉTRICA

 A monitorização da energia elétrica fornece informação detalhada que pode auxiliar o consumidor a realizar decisões que o levem a obter uma melhor utilização racional da energia, reduzindo deste modo os seus consumos. A monitorização dos consumos permite ao utilizador consciencializar-se como certos comportamentos influenciam significativamente seu consumo energético. A criação de um registo histórico de consumos vai permitir ao consumidor conhecer os padrões dos consumos de energia na sua habitação, levando-o a adotar medidas e ações que alterem os mesmos. Os aparelhos de monitorização são aparelhos passivos, pelo que estes limitam-se a monitorizar os consumos e não a alterar os mesmos, a alteração dos mesmos cabe unicamente ao consumidor. consumidor. 3.3.1. Sistemas de monitorização de energia existentes

Existem sistemas de monitorização capazes de medir os consumos de apenas um equipamento elétrico e outros capazes de medir os consumos totais de eletricidade realizados numa habitação, num edifício de serviços ou numa indústria. Existem no mercado diversos sistemas de monitorização de consumos de energia, cada um com as suas características, mas nem todos dão resposta ao mesmo tipo de necessidades, sendo alguns mais dedicados à análise dos parâmetros elétricos, enquanto outros se limitam a efetuar apenas leituras à distância. 61  

Uma das formas de medir os consumos totais de eletricidade é utilizar um sistema de monitorização energética constituído por sensores de corrente, normalmente transformadores de corrente de núcleo aberto (split-core), que podem ser ligados a

um dos circuitos do quadro elétrico. Este tipo de sensores é geralmente utilizado neste tipo de medições pois não é necessário interromper o circuito para proceder à sua instalação e permitem a medição de correntes na ordem das centenas de amperes, dependendo do sensor utilizado. A complexidade deste tipo de sistemas é variável, pois alguns são constituídos por um único dispositivo responsável por medir e disponibilizar num pequeno visor as leituras realizadas, enquanto outros mais complexos, mas no entanto mais potentes, são constituídos por dois dispositivos. No caso dos sistemas mais complexos, os dois dispositivos si, geralmente à comunicação semcomunicam fios. Um dosentre dispositivos efetua recorrendo a leitura e transmissão dos dados a um outro dispositivo, normalmente normalmente portátil, que disponibiliza os dados recebidos num visor, podendo posteriormente enviar os mesmos para um computador. Dos vários sistemas de monitorização de energia existentes, destacam-se:

2.0é éformada um sistema monitorização uma solução ViGIE sem fios, por de várias unidades decom sensores, que transmitem toda a informação para uma Gateway . Pode ser utilizada em várias áreas (saúde, alimentar, hoteleira), para a monitorização de diversos parâmetros em simultâneo, não havendo um limite no número de utilizadores. Os sensores sem fios transmitem os dados em tempo real para o servidor, que guarda a informação automaticamente. 62  

O Sistema Wi-LEM é uma solução de monitorização sem fios, de fácil instalação. Com o sistema Wi-LEM é possível

monitorizar rapidamente todos os consumos de energia elétrica sem ser necessário a criação de infraestruturas. infraestr uturas. Os dados de consumo de energia elétrica são automaticamente registados num servidor, existindo uma aplicação web capaz de originar gráficos interativos. Os dados registados podem ser automatia utomaticamente enviados por correio eletrônico ou exportados para um ficheiro Excel para uma posterior análise.

O eMonitor é um sistema de monitorização flexível que permite manter um dos histórico dos consumos do edifício (eletricidade, gás e água), respetivos custos associados e das variáveis ambientais (por exemplo a temperatura). Caracteriza-se essencialmente pela sua flexibilidade de instalação, adaptando-se facilmente ao edifício e aos requisitos pretendidos pelo cliente e pelos custos moderados de instalação, possibilitando a interligação a diversos equipamentos já instalados no edifício bem como a outros existentes no mercado. O eMonitor permite definir alertas automáticos através de envio de mensagens de correio eletrónico ou de SMS, informando sobre a deteção de consumos anómalos ou apenas sensibilizando os utentes do edifício. Com este sistema é ainda possível o armazenamento contínuo de dados relativos aos consumos totais do edifício, desagregados por secções ou até por equipamentos, criando-se um histórico de consumos que poderá ser utilizado nas auditorias e inspeções periódicas. 63  

O Optimal Monitoring System é um sistema que possibili-

ta aos utilizadores a construção de relatórios de acordo com as suas necessidades, permitindo assim utilizações que abordam diretamente as necessidades desejadas. O sistema possibilita o envio de relatórios por correio eletrónico, painéis de visualização de dados, envio de alertas por mensagem, por correio eletrónico, bem como uma aplicação para dispositivos móveis onde possibilita a visualização dos dados. Tabela 3.1. Comparação de alguns sistemas de monitorização de energia.

Parâmetros / Produtos

   0  .    2   e    i   g    i    V

Funcionalidades de Automação

x

Integração apenas com equipamento próprio

x

Gestão centralizada de edifícios

  m   e    L      i    W

  r   o    t    i   n   o    M   e

   l   g   n   a    i   r   m   e   m   o    i    t    t    t    i   s   y   p   n    S    O   o    M

x  x

x

x

x x 

Monitorização de múltiplos pontos de leitura 

x

Elaboração de relatórios

x

 Anális  Aná lisee deta detalha lhada da de co consu nsumo moss e cu custo stoss

x

x

x 

Notificação de alarmes personalizados

x

x

x 

x

x

x x  

64  

Para uma melhor análise dos vários sistemas de monitorização de energia existentes, observar em detalhe a Tabela Tabela 3.1. 3.3.2. Análise Inicial

 

 

 A fase inicial do trabalho foi dedicada à pesquisa de informação para dar resposta aos objetivos especificados. Tendo Tendo em conta a necessidade de criar uma plataforma online  com   com elevadas funcionalidades e requisitos, começou-se por fazer o levantamento de Frameworks  tendo   tendo em vista a facilitar o desenvolvimento da aplicação, uma vez que a criação de uma plataforma WEB de raiz levaria imenso tempo a desenvolver.  Ao utilizarmos este tipo de ferramentas de trabalho, consegue-se uma arquitetura e uma concepção necessária para fazer uma aplicação robusta e altamente fiável. O passo seguinte passou por perceber o funcionamento dos equipamentos de monitorização de energia da Carlo Gavazzi, equipamentos cedidos pela GreenWorld uma vez que são representantes da marca. Foi necessário adquirir um conhecimento profundo das grandezas que os equipamentos permitem p ermitem analisar, analisar, pois só assim foi possível avançar para a fase de desenvolvimento das aplicações que vão dar suporte ao sistema desenvolvido. Por último, procedeu-se à criação de uma aplicação em Java com o objetivo de proceder á leitura de ficheiros “csv” armazenados no servidor FTP. Estes ficheiros possuem variáveis com os valores obtidos pelos analisadores de energia provenientes das instalações. Uma vez os valores lidos, estes serão armazenados numa base de dados. Em suma, foram desenvolvidas duas aplicações, uma tendo em vista a monitorização de energia denominada de “Energy Analyser” e, outra, denominada de 65  

“aplicação Java” para a leitura de ficheiros “csv” armazenados no servidor e inserção dos valores das variáveis numa base de dados.

3.3.3. Diagrama de blocos do sistema a desenvolver

Figura 3.1. Diagrama de blocos do sistema a ser desenvolvido.

3.3.4. Conceito do site desenvolvido

Entende-se como página web, um documento ou recurso de informação informação que é adequado para a Word Word Wide Web Web (www) (www ) podendo ser acedida através de um web browser de um dispositivo móvel ou fixo que tenha acesso à internet. Esta informação é geralmente em formato HTML ou XHTML, pode fornecer navegação para outras páginas da web através de links de hipertexto, ou seja, documentos que podem conter todo o tipo de informação: textos, fotos, animações, partes de vídeo e sons, que permite conexões entre documentos. (CHISHOLM edem VANDERHEIN VANDERHEIN e JACOBS, 2000). As páginas poestar num computador local ou num servidorda webweb remoto, e o servidor web pode restringir o acesso apenas a uma rede privada. As páginas web são solicitadas aos servidores da web usando Hypertext Transfer Protocol (HTTP), ou em português Protocolo de Transferência de Hipertexto, um protocolo de comunicação utilizado para sistemas de informação de hipermédia distribuídos e colaborativos (Network Working 66  

Group. 1999) A sua utilização para a obtenção de recursos interligados levou ao estabelecimento da World Wide Web. A  World  W orld Wide Web Web é um sistema de documentos em hiperméh ipermédia que são interligados e executados na internet.

Figura 3.2. Conceção geral do sistema a desenvolver desenvolver..

Vantagens:

  Existem inúmeros equipamentos com acesso a internet, que permitem a consulta de páginas web, ou seja: um PDA, um Tablet, um Smartphone ou um computador.   Não é necessário a pré-instalação pré-instalação de um software, a conconsulta é acedida através do browser (Figura 3.2). 

67  

3.4. ANALISADORES ANALISADORES DE ENERGIA 3.4.1. A Carlo Gavazzi

 A utilização racional da da energia leva não só à instalação de

sistemas de gestão, mas também à instalação de unidades de produção de energia denominada “verde”. No sector ambiental e nomeadamente em sistemas de distribuição e tratamento de águas os consumos de energia elétrica são importantes pelo que a sua gestão é fundamental. A Carlo Gavazzi possui uma gama completa e produtos para gestão de energia elétrica: •

•

•

•

Indicadores Multifunção Contadores de Energia   Analisadores de Energia  Conversores de Potência 

Estes equipamentos permitem a leitura e análise das diversas grandezas elétricas, e integrá-las em sistemas de supervisão e gestão através de portas de comunicação ModBus RS485. Localmente além da medição das grandezas elétricas é também possível monitorizá-las o que permite proteger os equipame equi pamentos ntos de situações situações anómalas. anómalas. 3.4.2. Gama de Produtos Desde o simples Indicador Multifunção, Multifunção, passando pelo analisador de rede até ao equipamento para análise de qualidade da rede a Carlo Gavazzi põe a seu dispor a solução que melhor se adapta às suas necessidades. No que respeita às comunicações além de ModBus possuímos soluções para ligação em Ethernet (protocolo P/ TCP/HTTP/FTP) com capacidade Web Server  assim   assim como possi68  

bilidade de envio de alarmes via modem GSM. A possibilidade de interligação com o Sistema Dupline permite reunir todas as informações de nível, caudal, alarmes, comandos num único sistema por forma a gerir toda a instalação de forma fiável, eficaz e rentável. Para aplicações em sistemas fotovoltaicos fotovoltaicos a Carlo Gavazzi possui o WM14

SOLAR que além de analisador das diversas grandezas elétricas é também energia e de contador dede horas, sendoprogramável. o início da contagemcontador de horas de dependente um nível potência

 Analisadores de Energia Energia EM21

O EM21 72D (Figura 3.3) é um analisador de energia trifásico, inovador, econômico e compacto. É o único analisador no mercado com display extraível patenteado que permite a montagem em trilho DIN (4 módulos) e em painel (72x72mm), sem necessidade de qualquer acessório ou adaptador.

Figura 3.3. Analisadores de energia energia EM21. Fonte: Fonte: http://www. http://www. carlogavazzi.net.br/_catalogos/solucoes-para-medicao-de-energia.pdf. 69

 

O EM21 é de fácil instalação, deteta automaticamente a sequência de fases, é autoalimentado e de programação muito simples. O EM21 possui saída de impulsos e opção de comunicação RS485/ModB RS485/ModBus. us.

Concentrador de Energia VMU-C 

O VMU-C EM é um concentrador adequado para aplicações de monitorização de energia, com armazenamento de dados integrado e capacidade para recolher, registar, registar, analisar e transmitir todas as variáveis medidas provenientes dos analisadores de energia. Este tipo de concentrador tem integrado um web-server capaz de monitorizar um máximo de trinta e dois analisadores localmente. Na ausência de uma ligação á internet nas instalações, exisexiste uma versão deste concentrador denominado de VMU-W VMU-W com um módulo 3G integrado para habilitar as comunicações, tais como, envio de dados, alarmes, mensagens bem como envio de correio eletrônico eletrônico..

70

 

Figura 3.4. Concentrador de energia VMU-C. Fonte: Adaptada de https://www.gavazzionline.com/pdf/BRO-VMU-C-Y-EM.pdf 

3.5. ESPECIFICAÇÕES TÉCNICAS

O VMU-C tem integrado um web-server capaz capa z de monitorizar até 32 analisadores de energia bem como gerir vários tipos de dados tais como: Energia Energi a (kWh, kVARh) kVARh) e variáveis instantâneas (V, A Var, VA, PF, Hz, THD), Temperaturas, Entradas de sinais analógicos, Entradas de sinais digitais,  Alarmes  Alarm es via Web, correi correioo eletró eletrónico nico ou SMS, Dois tipos de Tarifas, Relatórios em formato for mato Excel, Dados disponíveis di sponíveis por FTP/HT. 71

 

3.5.1. Visão Conceptual da Instalação do Sistema

 A Figura 3.5 ilustra um possível exemplo da configuração de uma instalação. Esta configuração é constituída por uma unidade central (vmu-c) que tem integrado um web-server ca-

paz de monitorizar até 32 analisadores de energia bem como gerir vários tipos de dados. Na alínea seguinte irá ser demonstrado as configurações a implementar neste dispositivo.

Figura 3.5. Possível configuração de implementação de uma instalação.

3.5.2. Aplicação Jav Javaa

Esta aplicação tem como principal finalidade, a leitura dos ficheiros que são armazenados no servidor FTP, inicialmente criados e enviados pelos “vmuc’s” configurados para esse efeito. Cada ficheiro existente no servidor FTP é processado individualmente, ou seja, após na a leitura dasdados variáveis existentes bem como o armazenamento base de de um determinado ficheiro, a aplicação passará para o processamento do ficheiro seguinte. A aplicação foi desenvolvida em Java uma vez que esta linguagem possui uma independência de arquitetura, sendo projetada para dar suporte a sistemas que serão implementados em plataformas heterogéneas (hardware e software), ou 72

 

seja, após a compilação é gerado um arquivo intermediário que poderá ser executado em qualquer arquitetura (Windows, Linux, Mac, Unix). Uma Uma vez que a aplicação desenvolvida terá de estar sempre em funcionamento para manter toda a atualização dos parâmetros energéticos, foi utilizado um Raspberry

Pi para correr a aplicação a plicação em Java 24/dia. 3.5.3. Raspberry Pi

O Raspberry Pi é uma pequena placa, de baixa potência, construída a partir de um CPU  de   de 700 mHz ARMv6, com o hardware e o processador gráfico integrados em um único chip. O processador gráfico e a CPU compartilham 256 MB de memória RAM. A placa inclui conexões para USB, Ethernet, gráficos de alta definição, áudio, E/S para finalidades gerais e um cartão SD na qual o sistema operativo arranca.

Figura 3.1. Componentes do Raspberry Pi. Fonte: http://blog. filipeflop.com/embarcados/tuto filipeflop.com /embarcados/tutorial-raspberry-pi-linux.html. rial-raspberry-pi-linux.html.

73

 

O reduzido consumo energético foi um fator de extrema importância para executar a aplicação uma vez que este irá estar ligado 24h por dia. Tendo em vista que poderão existir falhas de energia na rede de alimentação do dispositivo, procedeu-se à configuração do Raspberry Pi para iniciar au-

tomaticamente a aplicação assim que se volte a ligar após a ocorrência uma falha. foi de voltar extrema impor-a tância, poisde garante-se queEste não passo é necessário a iniciar aplicação manualmente para se voltar ao processamento de ficheiros, que vão chegando ao servidor FTP, evitando assim períodos grandes de ausência de dados atualizados na plataforma de monitorização de energia. Esta configuração foi realizada através da edição do ficheiro “rc.local” no sistema operativo do Raspberry Pi, bastando para o efeito escrever a localização do ficheiro de inicialização da aplicação desenvolvida que se encontra no cartão de memória. 3.6. APLICA APLICAÇÃ ÇÃO O WEB DE MONITORIZAÇÃO

 A aplicação web de monitorização é constituída por uma interface gráfica que permite monitorizar os dados provenienprovenientes dos analisadores de energia instalados em diversos edifícios independentemente da sua dimensão, permitindo posteriormente otimizar aEsta exploração diversos consumospossui registados nas instalações. interfacedos gráfica desenvolvida um sistema de login para utilizadores previamente autorizados. 3.6.1. Características e Funcionalidades Principais

Para o desenvolvimento da aplicação de monitorização de energia, foi necessário ter em conta a eficiência e a flexibilidade 74

 

que esta teria de proporcionar aos utilizadores, sendo o grande objetivo, efetuar diagramas de carga e registar os parâmetros elétricos para uma análise posterior. posterior. Uma das grandes capacidades da aplicação é a capacidade de aceitar um número ilimitado de redes instaladas nos mais diversifi-

cados complexos. Assim sendo a aplicação possibilita ao utilizador: •

•

•

•

•

•

•

Sistema de Login com dois tipos de acessos Páginas extremamente dinâmicas com atualização de zonas específicas na página, não havendo a necessidade de carregar toda a página sempre que se altere um parâmetro. Visualização de três tipos de gráficos sendo possível ao utilizador escolher entre áreas, linhas e barras. Possibilidade de exportar gráficos em modo impressão e em Excel  Atribuição de nomes aos concentradores de energia (VMU-C) para uma melhor identificação da rede ou edifício em que se encontra instalado. Tabelas de visualização de informação extremamente dinâmicas com possibilidade de pesquisa por qualquer item da tabela de forma automaticamente. Envio de emails diretamente para a GreenWorld através do utilizador registado.

3.6.2. Página Principal da Aplicação

 A página principal da aplicação (logged.php), foi concebida para fornecer o máximo de informação possivel ao utilizador. Para uma melhor percepção das funcionalidades e das opções que a aplicação oferece ao utilizador, bem como a sua 75

 

construção, a página encontra-se dividida em seis grandes grupos distintos exemplificados na Figura 3.6. •

Grupo A – Menus de navegação

O grupo A constitui os menus que servirão exclusivamen-

te para possibilitar a interação entre as diferentes páginas e funcionalidades que compõem a aplicação. •

Grupo B – Informação de utilizador

Este grupo permite fornecer informação ao utilizador autenticado, bem como a possibilidade de proceder a alterações do seu perfil.

Figura 3.6. Página Principal da Aplicação. •

Grupo C – Seleção da rede para visualização dos parâmetros energéticos

O grupo C representa uma funcionalidade de extrema importância em toda a aplicação, permite ao utilizador selecionar 76

 

um local de uma determinada instalação para proceder à análise ou à consulta dos parâmetros energéticos, associados ao analisador de energia selecionado. Na Figura Figura 3.7 ilustra o ampo que possibilita ao utilizador a escolha do analisador de energia a visualizar visualizar.. O primeiro cam-

po denominado de VMU-C permite ao utilizador selecionar qual a rede a visualizar, por outras palavras, é neste momento que se escolhe qual o concentrador de energia a consultar consultar.. O segundo campo denominado de “Analyser”, contem todos os analisadores de energia que estão contidos na rede, ou seja todos os analisadores ligados ao concentrador de energia previamente selecionado. No exemplo abaixo, é possível verificar a escolha da rede bem como todos os analisadores que estão contidos na mesma. Cada VMU-C possui um número de série único utilizado para possibilitar a distinção de todas as redes. Para uma melhor identificação das redes, bem como dos locais em que estão instaladas, é possibilitado ao utilizador com privilégios de administrador a atribuição de um nome identificativo a cada VMU-C. Na imagem seguinte vemos que foi atribuído o nome de “INOPOL” ao VMU-C.

Figura 3.7. Seleção da rede a visualizar. 77

 

Sempre que exista uma alteração na escolha da rede a consultar, o campo (“analyse (“analyser”) r”) é automaticamente automaticame nte atualizado atualizado com os analisadores contidos na sua rede, não havendo a necessidade de haver o carregamento de toda a página sempre que se faça alterações em algum dos campos. Sempre que ocorra uma alteração no campo VMU-C, é chamada uma função que se

encarregara de fazer o pedido à base de dados recebendo de imediato os analisadores de energia associados. associados. Para o processo de pesquisa de analisadores de energia, foi desenvolvido um ficheiro (getanalyser.php) que receberá o número de série do VMU-C escolhido, fazendo de seguida a consulta à base de dados. •

Grupo D – Visualização dos parâmetros principais

 A visualização dos parâmetros principais é de extrema utilidade, pois permite ao utilizador ter a perceção quase imediata dos últimos valores lidos pelo analisador de energia previamente selecionado. Através da Figura 3.8, é possível visualizar que os parâmetros se encontram separados em quatro secções distintas, estando divididos em energia, tensão, corrente e custos energéticos.

Figura 3.8. Visualização de parâmetros principais.

Este grupo “D” também possui a particularidade de atuali atu alização zação automática, sempre sempre que exista alteração do campo campo 78

 

“analyser” mencionado anteriormente. A atualização é efetuada com recurso a um ficheiro desenvolvido para o efeito, sendo este denominado de “getdata.php”. •

Grupo E – Visualização de gráficos

O grupo “E” surge na necessidade do utilizador conseguir

efetuar diagramas de carga, parâmetros elétricos num intervalo de tempo bemregistar como terosuma melhor perceção dos dados analisados num determinado intervalo de tempo. Para além de ser possível p ossível visualizar gráficos durante um determinado período, o utilizador poderá exportar os dados bem como imprimir diretamente o gráfico gr áfico visualizado. Para uma melhor distinção de informação, a visualização de gráficos é constituída por três separadores distintos, que serão atualizados sempre que exista uma alteração do analisador de energia selecionado. O tipo de informação que o utilizador poderá obter através dos três separadores poderá ser do tipo:   “Energy Data Data”” para a visualização de gráficos com os parâmetros de energia elétrica.   “Main Meters Data Analysis Analysis”” para a visualização visualização das das variáveis (tensões correntes, fatores de potencia, frequência, 

etc).   “Economic Analysis Analysis”” para uma análise económica económica dos custos da energia consumida. Na Figura 3.9 é possível visualizar os três separadores que possibilitam ao utilizador gerir a informação que pretende visualizar. 79

 

Figura 3.9. Separador Separadores es que separam os três tipos de informação nos gráficos.

Secção “Energy Data” 

 A secção “Energy Data Data”” foi desenvolvida com o intuito de possibilitar leituras em forma de gráfico relativas à energia ativa e reativa, obtidas pelos analisadores de energia instalados. A energia elétrica necessária para o funcionamento de equipamentos como por exemplo, os motores é formada por duas componentes: a componente ativa (energia ativa) e componente reativa (energia reativa). A energia ativa medida em kWh é a energia que executa trabalho, ou seja, no caso dos motores é a energia responsável pelo movimento de rotação.  A energia reativa medida em kVArh kVArh é a componente da energia elétrica que não realiza trabalho, mas é consumida pelos equipamentos com a finalidade de formar os campos eletromagnéticos necessários para o seu funcionamento funcionamento.. Para uma melhor interpretação de dados, é possibilitado ao utilizador a criação de três tipos de gráficos distintos, sendo estes em forma de linha, área ou barras, podendo 80

 

o utilizador efetuar leituras diárias ou num determinado intervalo de tempo. Na Figura 3.10, é possível visualizar o diagrama de carga relativo à potência ativa ao longo do dia 10 de Dezembro de 2015, sendo possível verificar que o pico de energia ativa consumida ocorre pelas 10:20 horas.

Figura 3.10. Diagrama de carga da energia ativa no dia 10 de Dezembro de 2015.

Na imagem da Figura 3.11 é possível visualizar o diagrama de carga da energia ativa para o período 10/09/2015 a 10/12/2015.

Figura 3.11. Diagrama de carga da energia ativa para o período 10/09/2015 a 10/12/2015.

81

 

Secção “Main Meters Data Analysis” 

 A secção “Main Meters Data Analysis Analysis”” foi desenvolvida com o intuito de possibilitar as leituras em forma de gráfico relativo aos parâmetros das tensões, correntes, fatores de potência, frequências, potências ativa e potencias reativa, obtidas pelos analisadores de energia instalados. Na Figura 3.12 é pos-

sível visualizar as correntes em cada fase ao longo do dia 10 de Dezembro de 2015.

Figura 3.12. Leitura do parâmetro da corrente (A) no dia 10 de Dezembro de 2015.

Secção “Economic Analysis Analysis”  ”  Esta seção é dedicada à análise económica da instalação, permitindo visualizar os custos da energia consumida para um determinado período selecionado. Quando o utilizador acede a este separador, surge um gráfico que mostra para o dia selecionado (com uma resolução horária), o custo total da quantidade de energia consumida, tendo em conta duas 82

 

tarifas (T1 e T2). A resolução resolução do gráfico (eixo das abcissas) varia consoante o período de dados selecionado, podendo a resolução ser horária, diária, mensal e anual. Na Figura 3.13 é possível visualizar os custos da energia ativa consumida ao longo do dia 10 de Dezembro, verificando-se que a hora de maior consumo ocorreu durante as 11 horas.

Figura 3.13. Análise Económica da energia energia ativa (KWh) no dia 10 10 de Dezembro de 2015.

3.7. DESENVOLVIMENTO E PROCESSAMENTO DE GRÁFICOS

Para a visualização de gráficos, foi utilizada uma biblioteca em  Jav  JavaScript  aScript  denominada   denominada de Morris.js. Esta biblioteca é construída em cima do jQuery, exibindo os dados através de uma linha gráfica interativa. Para incluir os dados nos gráficos a partir de uma base de dados, e automatizar a atualização dos gráficos, houve a necessidade de combinar o código da biblioteca com código PHP. Sempre que o utilizador proce83

 

da à alteração num determinado gráfico, como por exemplo na escolha de uma nova data ou mudança do tipo de gráfico (áreas, barras, linhas) ou mesmo o parâmetro par âmetro a ser consultado, o gráfico é atualizado de imediato. Para a visualização de gráficos, a aplicação desenvolvida assenta em três secções distintas, sendo estas “Energy Data”, “Main Meters Data Analysis”

e Economic Analysis , onde ambas as secções assentam no mesmo método de construção, mudando apenas alguns parâmetros e o ficheiro associado a cada uma delas que têm como objetivo receber os parâmetros e proceder às consultas na base de dados. 3.7.1. Menu “Users”

O menu utilizadores detém a finalidade de proporcionar ategestão comaoacesso à plataforma. Através desmenu,deéutilizadores possibilitado utilizador com privilégios de administrador de pesquisar, criar, editar ou mesmo eliminar utilizadores, estando todas as funcionalidade divididas em três páginas distintas (“users list”, “users management”, “authorizations”). Apenas os utilizadores com permissões de administrador poderão ter acesso a este menu.  Na imagem da Figura 3.14 é demonstrado o painel com a lista de utilizadores registados (“users (“users list”), que serve ser ve exclusivamente para a pesquisa e visualização de todos os utilizadores registados, ou seja, com acesso à plataforma.

84

 

Figura 3.14. Visualização do painel da lista de utilizadores.

 A pági página na gestão de util utilizad izadore oress deno denomin minada ada de “users management”, que se encontra demonstrada na imagem da Figura 3.15, permite toda a gestão de utilizadores. Encontram-se representadas três zonas (A, B, C) sendo que cada zona possui finalidades distintas, ou seja, através da zona “A” é possível modificar o tipo de acesso à plataforma, na zona “B” é possível editar ou eliminar e por último surge a zona “C” que tem como objetivo a criação de um novo utilizador.

Figura 3.15. Visualização do painel de gestão de utilizadores.

 A terc terceira eira pági página na deno denomina minada da de “autho authorizat rization ion”” surge com a necessidade de atribuir permissões das redes instaladas instaladas aos utiuti lizadores, ou seja, cada utilizador só terá acesso à visualização 85

 

dos dados das redes a que estejam associados. Esta funcionalidade é de extrema importância uma vez que impede que os utilizadores tenham acesso aos parâmetros energéticos de instalações alheias. Através da imagem da Figura 3.16, é possível verificar duas zonas, nomeadamente a zona “A” e a zona “B”.

Figura 3.16. Visualização de redes instaladas atribuídas aos

utilizadores.

 A zona “A” surge com a necessidade de visualizar as redes associadas a cada utilizador, para tal, sempre que exista uma mudança do campo “users”, as redes associadas a este serão apresentadas, sendo possível eliminar ou criar uma nova relação (zona “B”), entre o utilizador e as redes existentes. Após se dar início à atribuição de uma rede instalada a um determinado utilizador, utilizador, surge uma nova janela como é demonstrado na imagem da Figura 3.17. Nesta janela, é possível escolher das redes existentes, aquela a que se deverá associar ao utilizador em questão para este assim aceder à plataforma ter acesso à mesma.

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Figura 3.17. Atribuição de nova nova rede ao utilizador. utilizador.

Página “User Profile”  Profile” 

O perfil de utilizador é o conjunto de informações que o utilizador poderá fornecer à plataforma de monitorização de energia. Contém informações que serão utilizadas em algumas a lgumas funcionalidades da plataforma tais como o nome e imagem de perfil sendo ainda possível ao utilizador modificar a palavra-chave. Os perfis de utilizador garantem que as preferências pessoais são utilizadas de cada vez que inicia sessão na plataforma. Através da imagem da Figura 3.18, é possível visualizar o aspeto geral da página “user profile”.

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Figura 3.18. Aspecto geral da página perfil de utilizador. utilizador.

 Menu “Companies”  “Companies” 

O menu “companies” surge com o objetivo de visualizar todas as empresas registadas na plataforma, com o intuito final de fazer a correspondência com as redes instaladas. Através deste menu, éde possibilitado ao utilizador privilégios de administrador pesquisar, criar, editar oucom mesmo eliminar empresas, estando todas as funcionalidade divididas em duas páginas distintas (“Companies List”, “Companies Management”). Apenas os utilizadores com permissões de administrador poderão ter acesso a este menu. Na imagem da Figura 3.19, é demonstrado o painel com a lista de empresas registadas (“Companies List”), que serve exclusivamente para a pesquisa e visualização de todas as empresas registadas na plataforma.

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Figura 3.19. Visualização do painel da lista de empresas.

 A página gestão de empresas denominada de “companies management”, que se encontra demonstrada na imagem da Figura 3.20, permite toda a gestão das empresas registadas na plataforma desenvolvida. Encontram-se representadas duas zonas (A, B) sendo que cada zona possui finalidades distintas, ou seja, através da zona “A” “A” é possível inserir um novo registo na base de dados sendo que através da zona “B”, é possível editar ou eliminar os dados sobre um determinado registo.  Após se dar inicio à criação de uma nova empresa para se inserir na base de dados, surge uma janela com com um formulário formulário para a inserção dos dados, onde deverá ser facultado o nome, email, contato, endereço bem como o numero de identificação fiscal. Na imagem da Figura 3.21 é demonstrado formulário para inserção dos dados relativos à adição de uma nova empresa na base de dados.

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Figura 3.20. Visualização do painel de gestão de empresas.

Figura 3.21. Formulário para a criação de nova empresa.

3.7.2. Página “VMU-C && Analysers”

 A página “VMU-C && Analysers Analysers”” surge na necessidade de o utilizador ter uma visão geral de todas as redes instaladas, nos mais diversificados locais ou edifícios em que se encontram. 90

 

Esta página é constituída por dois separadores, sendo o primeiro denominado de “VMU- C/W” e o segundo de “Analysers”. O primeiro separador (VMU- C/W) surge na necessidade de visualizar e gerir todas as redes existentes. Neste separador cabe ao utilizador com privilégios de administrador atribuir nomes às redes existentes, facilitando assim uma identificação quase de forma imediata dos locais das instalações em que as

redes se encontram, uma vez que a identificação das redes pelo utilizador através do número de série se tornaria bastante inapropriado. Todas as redes existentes só ficaram visíveis, após serem previamente associadas a uma empresa que se encontre definida na base de dados. Cada empresa poderá ter um número ilimitado de redes associadas existindo para o efeito o botão “new entry” Esta opção só se encontra disponível para os utilizadores com privilégios de administrador. Através da imagem da Figura 3.22“VMU-C é possível && visualizar o aspeto geral deste separador da página Analysers”.

Figura 3.22. Visão geral das redes instaladas.

Para a visualização de todas as redes instaladas bem como os analisadores de energia que compõem cada rede, surge o 91

 

separador “Analysers” que foi anteriormente referido. Este separador permite identificar todos os analisadores de energia em cada rede bem como facultar informações importantes, como por exemplo os endereços de cada analisador de energia a que estão associados em cada rede. Através da imagem da Figura Fig ura 3.23 é possível visualizar o aspeto geral deste separador sep arador da página “VMU-C “ VMU-C && Analysers”.

Figura 3.23. Visão geral de redes e analisadores de energia.

3.8. CONCLUSÕES

O teste experimental permitiu comprovar a funcionalidade da solução desenvolvida, mas também serviu para identificar os aspetos que poderão ser melhorados futuramente. Contudo, desde já se identificam alguns aspetos a melhorar, ou seja,aspetos evoluirimportantes a aplicação de em alguns paramonitorização o utilizador. de Umenergia dos aspetos a implementar futuramente, é a possibilidade de atribuir alarmes às redes instaladas, por exemplo, sempre que exista um parâmetro que tenha um valor fora do normal seja enviado um alerta para o utilizador, podendo este ser enviado por correio eletrónico bem como estando visível na plataforma 92

 

de monitorização de energia. Esta implementação possui um carater importante uma vez que poderá identificar anomalias nas redes instaladas evitando assim problemas nas instalações. Uma outra melhoria que poderá ser implementada assenta Uma na possibilidade da atribuição diferentes tarifas de energia a cada rede instalada. As redes instaladas poderão estar inseridas a nível global, existindo uma panóplia enorme de tarifas que

variam de país para país, originando assim uma maior valia para a aplicação bem como para o utilizador, uma vez que permite de uma forma mais precisa os cálculos dos custos da energia consumida nas instalações. Um outro foco que poderá tornar a aplicação mais robusta, assenta na capacidade da leitura de outros tipos de grandezas, tais como, contadores de água e gás, sendo que para isso, seriam necessárias poucas alterações à programação. Seria ainda interessante no futuro, aprofundar as metodologias de análise aos dados obtidos com esta aplicação, com o objetivo de permitir ao utilizador um maior controlo sobre a sua instalação. Esse controlo possibilitaria ao utilizador, efetuar alterações que levem à poupança de energia  REFERÊNCIAS

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SOBRE OS AUTORES Nuno Miguel Fonseca Ferreira   licenciou-se em 1996 em Engenharia Eletrotécnica pela Faculdade de Engenharia da 95

 

Universidade do Porto. Foi Assistente do Instituto Superior de Engenharia de Coimbra desde 1997 até Março de 1999. Desde 1999 que exerce funções de Professor Adjunto no Instituto Superior de Engenharia do Instituto Politécnico de Coimbra. Em 1999 obteve o grau de Mestre em Engenharia Eletrotécnica pela Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto. Em 2006 obteve o grau de Doutor em Engenharia Eletrotécnica pela Faculdade de Engenharia da Universidade

de Trás os Montes e Alto Douro. Exerceu o cargo de Vice-Presidente do Instituto Superior de Engenharia de Coimbra de 2001 a 2005, exerceu o cargo de Pró Pró-Pr -Presidente esidente do Instituto Politécnico Politécnico de Coimbra de 2008 a 2009, exerceu o cargo de Presidente do Instituto Superior de Engenharia de Coimbra de 2010 a 2013, exerce o cargo de Vice-Presidente do Instituto Politécnico Politécnico de Coimbra de 2010 a 2017, é o responsável institucional das relações internacionais do Instituto Politécnico de Coimbra e é pesquisador do centro de Investigação GECAD desde 2006. Edmundo Rodrigues Soares foi aluno de Mestrado em Engenharia Eletrotécnica do Instituto Superior de Engenharia, Instituto Politécnico de Coimbra, tendo sido bolseiro de Investigação na mesma instituição. Atualmente é coordenador de projetos no ramo da eletrônica industrial no segmento da

indústria automóvel automóvel..

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4 ASPECTOS DA ADESÃO E DA RESISTÊNCIA À CORROSÃO DE REVESTIMENTOS OBTIDOS ATRAVÉS DA TÉCNICA DE ASPERSÃO ASPER SÃO TÉRMI TÉRMICA CA

Fernando José Antunes Hector Reynaldo Meneses Costa Ricardo Alexandre Amar de Aguiar

Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca – CEFET/RJ 

4.1. INTRODUÇÃO

 Após os prim  Após primeiro eiross regi registro stross de util utilizaç ização ão da Asper Aspersão são Térmica (AT), (AT), em 1882 e 1889, por M.U.Schoop (Zurique, Suíça), iniciou-se diversos estudos a respeito dessa nova tecnologia de revestimento. Já em 1908, Schoop (SIEGMANN & ABERT, 2013) utilizou o processo a arco elétrico, permitindo que outros materiais fossem pulverizados contra a superfície, como: aço, aço inoxidável e zinco. Com a melhoria dos equipamentos e o melhor controle do processo, surgiu a indústria de metalização [1,2]. Desde então, muitas melhorias nos processos foram feitas. O pó passou a ser alimentado diretamente nos dispositivos de combustão, os quais foram modificados e permitiu a pulverização em alta velocidade. Houve também uma significativaa evolução da matéria prima para os revestimentos. significativ revestimentos. A tecnologia de equipamentos de pulverização térmica apresentou 97

 

avanços significativos paralelos aos diversos processos de pulverização: por chama, arco elétrico e plasma. O processo por detonação, a tecnologia de aquecimento do gás e pulverização do pó foram melhoradas. O processo por detonação apresentava melhor aderência e resistência ao desgaste. Atualmente, o processo HVOF vem apresentando resultados tão bons quanto o processo por detonação (ASM 2004). Muitos materiais e equipamentos foram desenvolvidos para atender essa alta tec-

nologia. Houve o aperfeiçoamento do sistema de refrigeração a água, de eletrodos e o uso de altas tensões de arco. Atingiu-se maior velocidade na saída dos gases.  A combinação do ataque eletroquímico com a erosão mecânica acelera a taxa de degradação e reduz consideravelmente a vida útil dos materiais expostos ao ambiente marinho severo. A utilização dos materiais em meios agressivos, durante um período de tempo, provoca o aparecimento de sinais de deterioração, sobretudo na superfície, podendo afetar a funcionalidade do componente ou do conjunto antes do previsto. Por isso, o conhecimento das condições da superfície e a natureza do substrato é de crucial importância na fabricação dos materiais utilizados nesses meios. Diante disso, a indústria do petróleo está cada vez mais preocupada em buscar materiais que combinem boa resistência à corrosão e resistência mecânica, sendo estes fundamentais (MAHESH &  JA  JAYAGANTHAN YAGANTHAN & requisitos PRAKASH, 2008, SÁ BRITO BRITO, , 2010, GENTIL, 2007).  A proposta deste trabalho é apresentar as principais características de aspersão térmica, seus principais processos e características microestruturais. 98

 

4.2. ASPERSÃO TÉRMICA

Uma grande variedade de aplicações mecânicas e componentes mecânicos operam em condições severas, com alta carga, velocidade e temperatura, em ambientes altamente hostis.  Assim, o reforço da superfície destes componentes é essencial para a proteção contra a corrosão e o desgaste mecânico. Entre os vários métodos de proteção, a aspersão térmica de um

material adequado pode prolongar a vida útil da peça ou ma terial, mantendo suas propriedades mecânicas originais, enquanto protege-os contra o desgaste e a corrosão (MAHESH & JAYAGANTHAN JAYAGANTHAN & PRAKASH, 2008). 20 08). Os processos de AT oferecem soluções práticas e econômicas a diversos setores da indústria, destacando-se: a naval, aeronáutica, automobilística e a médica. Suas aplicações têm por objetivosdos principais: a resistência aoindustriais desgaste e a corrosão materiais,aumentar peças e componentes (DORFMAN, 2002, SÁ BRITO, 2010, GENTIL, 2007).  As constantes buscas para minimizar os custos, tanto na fabricação quanto na manutenção, contribuem para o contínuo desenvolvimento das técnicas de aplicações e de materiais de revestimentos. 4.2.1 Fundamentos  A AT AT ou “ermal Spray” Spray” (TS), também conhecida conhecida como metalização, consiste, basicamente, de um grupo de processos nos quais partículas de revestimentos, metálicos ou não metálicos, são aquecidas e projetadas contra a superfície de um substrato previamente preparado (MAR (MARQUES, QUES, 2003). 99

 

De uma forma mais ampla, podemos dizer que a pulverização de materiais é um procedimento que envolve duas etapas distintas: preparação da superfície, limpeza e controle da rugosidade, e a AT propriamente dita. Para se obter um resultado satisfatório, é imprescindível que o substrato esteja isento de impurezas de qualquer natureza: óleo, graxa, óxidos, etc., e com a rugosidade adequada a garantir a maior adesão na superfície e entre as partículas aspergidas.

 A Figura 4.1 mostra, esquematicamente, os componentes típicos de pulverização térmica: fonte de calor, materiais de consumo, gás ou ar, material de revestimento e o substrato (DORFMAN, 2002a).

geral do procedimento de AT. Fonte: Figura 4.1. Esquema (DORFMAN, 2002a).

O calor necessário ao processo é obtido pela queima de um gás ou da geração de um arco elétrico em uma tocha de aspersão. As partículas fundidas pelo calor são aceleradas por um gás comprimido contra o substrato, que ao se chocarem 100

 

com a superfície se solidificam, formando uma camada de revestimento com estrutura lamelar. Estes revestimentos (basicamente de Ni ou Co) aumentam a resistência à corrosão e ao desgaste. Os materiais de revestimento podem ser de metais, óxidos, compostos intermetálicos, “cermets ”, ”, plásticos orgânicos e alguns vidros. Podem Podem ter a forma de varetas, cordão, arames ou pó. Já os substratos podem ser de metais, cerâmicos, óxidos,

vidros, plásticos e madeira (AWS, 1985, MARQUES, 2003). Os revestimentos pulverizados termicamente são compostos de partículas individuais que são entrelaçados, mecanicamente e metalurgicamente, para formar um revestimento sólido. Em geral, a ligação metalúrgica é limitada entre o revestimento e o metal base. O revestimento adere principalmente através de um mecanismo de ancoragem mecânica. Forças de ligação típicas podem variar entre 7 e 83 MPa (1000 e 12000 psi) e é uma função do processo específico, material, e dos parâmetros de pulverização. Materiais pulverizados são mais duros e mais resistentes ao desgaste do que quando fundidos ou forjados do mesmo material. Isto é devido à presença de óxidos e a uma combinação de endurecimento e têmpera que as partículas pulverizadas sofrem no impacto. A têmpera rápida ajuda na formação de um disco rígido, fases metaestáveis e grãos finos no interior da partícula. A Figura 4.2 mostra a composição de um revestimento depositado por AT.

101

 

Figura 4.2. Esquema de uma seção transversal de um revestimento depositado por AT. Fonte: (ENGLAND, 2013?).

 A porosidade é encontrada em todos os revestimentos de pulverização térmica, principalmente por causa de lacunas de ar entre as partículas pulverizadas. Tipicamente, a densidade dos revestimentos é de 80 a 99 % do volume do material aspergido. A quantidade de porosidade num dado revestimento é uma função do processo de pulverização, do material e dos parâmetros de pulverização (DORFMAN, 2002a). 4.2.2 Processos

Tradicionalmente, os processos de AT são classificados em dois grupos básicos: combustão e energia elétrica. Embora também utilize a energia elétrica como fonte de calor, calor, pode-se considerar o processo à Laser, como um terceiro grupo, pois compartilha um arco elétrico a um feixe de laser. 102

 

 A diferença básica entre os processos de AT é a fonte de calor utilizada. A Figura 4.3 mostra a classificação segundo as fontes de calor. calor. Esta classificação pode ser complementada incluindo o processo “combustion-arc ”. ”. Esse processo, segundo MENEZES, consiste na introdução de uma pequena câmara de combustão interna à pistola, anterior ao arco elétrico, que gera gases de combustão, com temperatura e pressão elevadas omaior suficiente para (MENEZES, gerar partículas de menor diâmetro e com velocidade 2007).

Uma nova nova técnica, introduzida em 1990, chamada de “Cold-Gas Spraying Method ” (CGSM), também conhecida como “Cold Spray ”, ”, é um processo de aspersão com gás frio, que não usa a energia térmica para fundir o material material que será depositado. Utiliza a energia cinética para propelir as partículas ao substrato (DORFMAN, 2002b). Portanto, não será abordada neste trabalho.  A Tabela 4.1 aprese apresenta nta uma uma compara comparação ção entre entre as princip principais ais características de todos os processos de AT (THORPE, 1993).

Figura 4.3. Classificação dos Processos de AT. Fonte: (THORPE, 1993). 103

 

 .    )    3    0    0    2  ,    S    E    U    Q    R    A    M    (   :   e   t   n   o    F  .

   T    A   e    d   s   o   s   s   e   c   o   r   p   e    d   s   a   c    i   t   s    í   r   e   t   c   a   r   a   c   s    i   a   p    i   c   n    i   r   p   s   a   e   r   t   n   e   o    ã   ç   a   r   a   p   m   o    C

 .    1  .    4   a    l   e    b   a    T

104

 

 A classificação dos dos processos indicados indicados acima está detalhada a seguir. 4.3. ASPERSÃO TÉRMICA POR COMBUSTÃO

Este grupo utiliza o calor gerado pela queima de um gás combustível. O gás mais comumente utilizado é o acetileno devido a sua maior temperatura de chama. Qualquer substância que se funda e não sublime a temperaturas inferiores a cerca

de 2760 C pode ser pulverizada por AT por Combustão. A Tabela 4.2 mostra os gases combustíveis utilizados e suas respectivas temperaturas de chama (MARQUES, (MARQUES, 2003) Tabela 4.2. Gases e Temperatura de chama. Fote: (MARQUES, 2003). Combustível Propano + Oxigênio Gás Natural + Oxigênio Hidrogênio + Oxigênio  Acetileno + Oxigênio Oxigênio

Temperatura o C 2640 2735 2690 3100

O gás combustível é usado somente para fundir o material de revestimento, sendo o ar comprimido, geralmente, o responsável pela pulverização pulverização e aceleração das partículas desse material contra o substrato (DORFMAN, 2002b, MARQUES, 2003). Nesse processo as partículas se oxidam pela presença do oxigênio contido no ar, prejudicando a aderência. Um gás inerte pode ser utilizado em substituição ao ar comprimido, minimizando o efeito oxidante. 105

 

Os materiais de revestimento podem ser de metais e ligas metálicas, na forma de arame, cordão ou pó, e materiais cerâmicos, na forma de vareta, cordão ou pó. A alimentação em forma de pó, normalmente, é por gravidade, e por isso suas partículas adquirem baixa velocidade e, ao se encontrarem com a chama se fundem, conforme a Figura 4.4. Devido às menores velocidades e temperaturas atingidas pelas partículas, os revestimentos obtidos, nesse processo, têm menor aderência com o substrato tanto quanto entre as lamelas, e uma maior

porosidade.

Figura 4.4. Esquema de AT por chama com pó. Fonte: (DORFMAN, 2002c).

 A alimentação do material na forma de vareta ou arame é semelhante, e é alimentado de forma contínua e concêntrica através de roletes que são tracionados por um motor elétrico, motor pneumático ou por uma turbina de ar, conforme a Figura 4.5. Para aspergir o material, o ar comprimido lança as partículas fundidas até o substrato. Nesse processo, a ve106

 

locidade das partículas aspergidas é seis vezes maior do que à pulverização com pó, mostrado na Tabela Tabela 4.1, vista acima.

Figura 4.5. Esquema de AT por chama com arame. Fonte: (DORFMAN, 2002c).

4.4. POR CHAMA CONVENCIONAL CONVENCI ONAL (FS – “Flame Spray”) Spray”)

Também chamada de processo de AT Oxiacetilênica, pelo uso majoritário da mistura dos gases: oxigênio e acetileno.  A facilidade de manuseio e o baixo custo de operação são os atrativos principais desse processo, além de possuírem características importantes para certas aplicações mais específicas. Por exemplo, uma maior porosidade permite a retenção de óleo que ajuda nas propriedades de atrito nos revestimentos de anel de pistão, em aplicações industriais industria is automotivas (DORFMAN, 2002b).  As pi pisto stola lass de as asper persã sãoo com ali alimen mentaç tação ão com pó ou arame são bastante simples, compactas e leves, conforme a Figura 4.6.

107

 

Figura 4.6. Pistola de AT por chama com arame. Fonte: autoria própria.

Outras características da técnica à chama são listadas abaixo (PAWLOWSKI, 1995): Porosidade: 10-20%; Espessuras depositadas: 100-2500 aspersão: 120-250 mm. µm (0,1 – 2,5 mm); Distância para 4.5. POR DETONAÇÃO (D-Gun)

Desenvolvido na década de 1960, pela “Union Carbide ” (“Praxair Surface Technologies ”), ”), uma das grandes vantagens deste processo de detonação foi à aplicação de carbonetos com excelente força de ligação, dureza e densidade. O processo D-Gun é baseado em detonações sucessivas das misturas de oxigênio, gás combustível e uma carga de pó, em vez da queima contínua de uma chama de combustão. A pistola desse processo consiste basicamente de um cano longo refrigerado a água, com válvulas de entrada para os gases e o pó por onde é alimentada a mistura que é inflamada pela 108

 

centelha de uma vela de ignição, resultando em uma explosão.  A explosão gera ondas de detonação detonação de de alta pressão e temperatura, fundindo e acelerando as partículas do material, sempre em pó, em alta velocidade, para fora da pistola, contra a superfície do substrato, resultando em um depósito extremamente duro, denso e bem aderente (DORFMAN, 2002b). A Figura 4.7 mostra um esquema de uma pistola D-Gun.

de Pistola2013?a). de AT D-Gun. Fonte: Figura 4.7. Esquema (ENGLAND,

Cerca de 1 a 15 1 5 detonações por segundo são geradas, com purgas de nitrogênio após cada ejeção de pó e a cada detonação. A temperatura atinge cerca de 3.900 ºC, em média (Tabela (T abela II.1) e a velocidade de saída das partículas é da ordem de 750 m/s. O ciclo de purga, injeção e detonação, é repetido numa frequência de 3 a 6 Hz. Essas detonações sucessivas provocam um ruído na ordem de 150 dB, sendo necessárias instalações especiais com isolamento acústico. Por isso é um processo mecanizado e/ou robotizado (DORFMAN, 2002b, MENEZES, 2007). Outras características são citadas a seguir (PAWLOWSKI, 1995): Porosidade: 0,5 % para WC-Co, 2 % para Al 2O3; Taxa de 109

 

alimentação de pó: 0,96 – 2,4 kg/h; Distância de aspersão: 100 mm. 4.6. POR ALT ALTA VELOC VELOCIDADE IDADE (HVOF) (HVOF)

O processo de pulverização térmica HVOF é basicamente o mesmo que o processo FS, exceto quanto à velocidade das partículas aspergidas que são extremamente elevadas, cerca de 1200 m/s. Pistolas mais modernas permitem gerar velocidade entre 3200 a 5000 m/s (MENEZES, 2007, SÁ BRITO, 2010).

O processo HVOF baseia-se numa combinação de transferência de energia térmica e cinética, ou seja, a fusão e a aceleração de partículas de pó contra o substrato. As partículas de pó do material de revestimento são alimentadas axialmente numa corrente de gás quente, em seguida, para uma pistola de pulverização onde são derretidas e impelidas para a superfície da peça de trabalho a ser revestida. A mistura de gases: oxigênio, hidrogênio, propano, propileno, acetileno ou querosene líquido, é responsável pelo calor gerado na combustão. A temperatura da chama atinge 2700 ºC a 3170 ºC, dependendo da mistura.  A pistola possui três seções: uma zona de mistura, mistura, zona de combustão e do bocal. Durante a operação, o corpo da pistola é arrefecido por ar ou água. O combustível e o oxigênio são misturados por meio de jatos coaxiais e guiados para a zona de combustão, onde um dispositivo de ignição externo ou uma chama piloto inicia a combustão. Durante a combustão, o gás se expande no bocal, onde é acelerado. O pó é acelerado por um gás transportador e injetado na chama. O pó tem o mesmo sentido de fluxo que o gás circundante expandido. Ao entrar 110

 

na zona de combustão, através do injetor, as partículas de pó são aquecidas e são ainda mais aceleradas. Devido à alta velocidade e alto impacto do pó pulverizado, o revestimento produzido é menos poroso e tem uma força de ligação superior aquele produzido por outros métodos (TAN & LOONEY & HASHMI, 1999, SANTOS & TOLEDO TOLEDO & CARRILHO, 2007). A Figura 4.8 mostra um esquema de Pistola de AT HVOF.

Figura 4.8. Esqu  Esquema ema de Pistola de AT HVOF. HVOF. Fonte: (ENGLAND, 2013?a).

Estudos recentes discutem a real necessidade de que as partículas aspergidas estejam no estado líquido no momento do impacto contra o substrato, pois sua velocidade supersônica acumula excessiva energia cinética, suficiente para uma fusão superficial após a colisão (SANTOS & TOLEDO & CARRILHO, 2007, SÁ BRITO, 2010). Outras características são citadas a seguir (PAWLOWSKI, 1995): Porosidade: menor que 1%; Taxa de alimentação de pó: 1,2 – 4,8 kg/h. Inicialmente, a AT HVOF foi desenvolvida como uma alternativa ao processo de AT AT D-Gun. Contudo, devido ao seu baixo custo inicial para sua instalação e as vantagens verificadas de melhor qualidade: adesão, menor porosidade e tensões 111

 

superficiais inferiores, vêm sendo o processo de AT preferido com relação aos processos D-Gun e Plasma (SANTOS & TOLEDO & CARRILHO, 2007, 20 07, SÁ BRITO, 2010). 4.7. ASPERSÃO TÉRMICA POR ENERGIA ELÉTRICA

 A AT AT por por energia elétrica utiliza o arco elétrico como fonte de calor, calor, que é uma descarga elétrica produzida por uma diferença de potencial em um meio gasoso parcialmente ionizado.  Arcc Spr Spray ay Pr Process  ocess ” (ASP), o arco elétrico é No processo a “ Ar

mantido entre dois eletrodos de arames de revestimento, que são fundidos pelo arco e projetados contra a superfície do substrato por um gás atomizante, normalmente, ar comprimido. No processo plasma, o arco é obtido entre um eletrodo de tungstênio ou grafite e a base da pistola de aspersão. O material de revestimento é aplicado em forma de pó e é fundido pelo calor gerado por uma atmosfera de plasma criada por um gás, em geral, argônio ou nitrogênio, que ao passar pelo arco elétrico é aquecido, gerando o plasma. 4.8. ARCO ELÉTRICO (“ Arc Spray Spray Process”)

Neste processo, dois arames eletricamente condutores (um positivo e outro negativo) são continuamente postos em contato uns com os outros com um ângulo predeterminado. Um Um arco é fechado entre os dois arames, produzido por uma diferença de potencial de 18 a 48V, estabelecida entre os mesmos. A temperatura se aproxima de 4000 ºC e a velocidade das partículas de 50 a 150 m/s. O arco funde as pontas dos arames e o metal fundido é atomizado por um fluxo contínuo 112

 

de ar ou de um gás não oxidante (nitrogênio, hélio ou argônio). A taxa de alimentação controlada do arame garante a fusão uniforme. A Figura 4.9 apresenta um esquema simplificado da técnica a arco elétrico.

Figura 4.9. Esquema de Pistola de AT ASP. Fonte: (ENGLAND, 2013?b).

 As características microestruturais microestruturais do material pulverizado em forma de arame dependem da concepção do bocal de ar, pressão do ar e das configurações de energia. O sistema é constituído por uma fonte de energia, de um controlador de arame e uma pistola de arco. Normalmente, pressão de atomização de ar baixa resulta em revestimentos mais ásperos, enquanto a alta pressão produz textura de superfície mais lisa e “ splats ” mais finos. Os óxidos podem ser reduzidos, aumentando as taxas de alimentação e substituindo o ar por gases inertes. Normalmente, a taxa de alimentação mais alta é uma função da amperagem (DORFMAN, 2002b). Um sistema de aspersão a arco elétrico, mostrado na figura II.10, consiste em (DAVIS et al .,., 2004, MENEZES, 2007): Suprimento de ar comprimido; Unidade Unidade de energia – entrada de CA / saída de CC; 113

 

Figura 4.10. Esquem Esquemaa de um sistema si stema de d e AT a ASP. ASP. Fonte: (SANTOS & TOLEDO & CARRILHO, 2007).

 As van vanta tagen genss do pro proces cesso so de ASP são são:: a fac facili ilidad dadee de uso, aprendizado, é portátil e de fácil manutenção. O processo a arco também produz maiores taxas de deposição e, em geral, tem maior coesão interlamelar que os revestimentos por combustão de baixa velocidade. Ele também fornece revestimentos mais espessos e de menores custos operacionais do que por plasma. Outros benefícios são a sua capacidade de altas taxas de pulverização de materiais, substratos relativamente frios, e os custos de consumo inferior ao de outros processos.  A desvantagem desvant agem do processo proce sso a arco é que os revestime reve stimentos ntos têm tipicamente altos níveis de porosidade, óxidos e partículas não fundidas. Os revestimentos são geralmente mais ásperos do que em outros processos, mas podem ser controlados. Os tipos de materiais que podem ser aplicados pelo processo a arco estão limitados a arames sólidos e arames condutores tubulares. Um arame tubular tem preenchimento de pó envolvido por um anel de metal. A vantagem do arame tubular é a sua composição química única que não 114

 

podem ser normalmente reproduzida em arames, devido aos efeitos de endurecimento e/ou custo. Diâmetros de arames típicos são de 1,60 mm e 2 mm. Outras características da técnica à chama são listadas abaixo (PAWLOWSKI, 1995): Porosidade: 2-10%; Diâmetros típicos dos arames: 2-5 mm; Potência elétrica: 5 a 10 kW. 4.9. PLASMA Com o advento da indústria aeroespacial, no final dos

anos 50, tornou-se necessário o controle mais eficaz da corrosão e da alta variação de temperatura, devido à exposição de seus componentes a condições cada vez mais severas. Materiais cerâmicos e carbetos foram desenvolvidos, mas não puderam ser empregados porque exigem temperaturas para sua fusão e sobreaquecimento muito acima daquelas obtidas na AT por combustão ou arco elétrico. Diante disso, foi desenvolvido desenvol vido o processo de AT por plasma. plas ma. Para um melhor esclarecimento desse processo, segue uma breve explicação teórica sobre o assunto. O plasma é um dos estados físicos da matéria, similar ao gás, no qual certa porção das partículas é ionizada. A adição de energia nas moléculas da matéria modifica as forças eletromagnéticas de ligação de seus átomos. O estado da matéria evolui de sólido para líquido e depois de líquido para gás.  Adicionando ainda mais energia, ocorre ocorre a dissociação das ligações moleculares, levando-o à ionização. As moléculas de gás são divididas em partículas carregadas, íons e elétrons livres, conforme mostra o esquema da Figura 4.11. 115

 

Figura 4.11. Formação do plasma. Fonte: (ACXYS TECHNOLOGIES, 2013?).

Para a produção de plasma, o gás é continuamente injetado no gerador de plasma, que atravessando uma descarga elé-

trica é então ionizado. Finalmente, Finalmente, o gás, agora como plasma, é dirigido para a superfície a ser tratada. O controle da descarga elétrica que sai da fonte conduz a um plasma a baixa temperatura. Em altas velocidades de processamento, materiais tratados não têm tempo suficiente para aumentar temperatura de (ACXYS superfície.TECHNOLOGIES, Polímeros sensíveis ao calor sãoa sua tratados sem danos TECHNOL OGIES, 2013?). Existem dois processos de AT a plasma: arco não transferido e arco transferido. A Figura 4.12 apresenta a diferença básica entre os processos.

116

 

Figura 4.12. Diferença básica entre AT arco não transferido x transferido. Fonte: (http://www.azom.com/article.

aspx?ArticleID=1061#_What_is_a). aspx?ArticleID=1061#_W hat_is_a). Acesso em 24/05/2013.

No primeiro caso, o arco elétrico é gerado entre um catodo de tungstênio e um anodo de cobre. No segundo caso, o arco atinge a peça de trabalho que fecha o circuito elétrico. 4.9.1. Arco Plasma não Transferido (“Air Plasma Spraying” – APS)

O processo de AT AT por plasma de arco não transferido utiliza o calor de um arco plasma para provocar a fusão do material de revestimento que é aplicado, na forma de pó (THORPE, 1993). Aplicação a partir de arames tem sido desenvolvida mais recentemente (MENEZES, 2007). O termo “arco plasma” é utilizado para descrever uma família de processos de trabalho em metais que usam um arco elétrico constringido para fornecer energia térmica de alta densidade. O arco elétrico é gerado entre um elétrodo de tungstênio, concêntrico a pistola de aspersão, e o bico da pistola, de cobre, constrita e arrefecida por água. Ao passar pelo arco elétrico, o gás, geral117

 

mente argônio ou nitrogênio, podendo ser combinados com o hidrogênio ou hélio, é aquecido e ionizado gerando o plasma, conforme esquema mostrado na Figura 4.13.

Figura 4.13. Esquema de AT por plasma não transferido. Fonte: (ENGLAND, 2013?b).

 A temperatura típica do gás de plasma varia de 5.000 a 25.000 oC, dependendo das misturas dos gases. A velocidade das partículas atinge entre 80 a 300 m/seg. Outras variáveis -importantes do processo, que afetam a fusão são: tipo de bocal constritor, taxa de alimentação do pó, ângulo de injeção, vazão do gás e as configurações de energia (amperagem e voltagem). Um gás secundário pode ser adicionado para aumentar o calor e / ou manter a tensão constante. A taxa de solidificação normal após o impacto com o substrato é rápida, cerca de 10 ºK/seg (DORFMAN, 2002b). Uma vantagem do processo é a sua versatilidade em mudanças de temperatura do plasma, velocidade das partículas e nas condições de operação. Esta versatilidade permite uma ampla seleção de materiais de pulverização e a distribuição do tamanho das partículas. Além disso, as altas temperaturas as118

 

sociadas com o plasma permitem a deposição em materiais cerâmicos, de alto ponto de fusão, tais como zircônio estabilizado com ítrio para aplicações de barreira térmica (THORPE, 1993, DORFMAN, 2002b). Outras características do processo são listadas abaixo (DORFMAN, 2002): Porosidade: na faixa de 1 - 7 %; Taxa de alimentação de pó: 3 – 6,6 kg/h. 4.9.2. Arco Plasma Transferido (“Plasma Transferred  Arcs” - PTA PTA)

O processo de arco de plasma transferido (PTA) é uma espécie de pulverização híbrida entre plasma e solda. Neste processo, um arco é estabelecido entre o elétrodo não consumível do maçarico de plasma e a própria peça de trabalho. A matéria-prima, sob a forma de arame ou de pó, é introduzida no plasma externamente. O material é fundido e aspergido sobre o substrato, produzindo uma ligação metalúrgica semelhante à soldadura, mas com uma menor diluição. Este processo é capaz de produzir revestimentos densos e lisos, mas não é possível de se aplicar em substrato de cerâmica (VAN DER BERGE, 1998). A Figura 4.14 apresenta um esquema de AT por plasma transferido.

119

 

Figura 4.14. Esquema de AT por plasma transferido. Fonte: (COMMERSAL (COM MERSALD D GROUP, GROUP, 2013?). 201 3?).

4.10. Aspersão Térmica a Laser

No processo a laser, um feixe de laser de alta energia é aplicado sobre o substrato, com um comprimento de onda de 1.064 µm e uma duração de pulso de somente 10 ms, removendo todas as suas impurezas, sem aquecer significativamente o substrato. Imediatamente após, um jato de plasma contendo o pó para o revestimento é aplicado sobre o substrato. Um esquema desse processo é mostrado na Figura 4.15 (SÁ BRITO, 2010, SANTOS & TOLEDO TOLEDO & CARRILHO, 2007). O principal benefício desse processo é o tempo economizado entre a preparação da superfície superfície e a aplicação da AT AT propriamente dita. A aplicação simultânea do laser e do plasma dispensa a preparação prévia da superfície, reduz a probabilidade de contaminação do substrato e reduz o custo geral, pois também consome pouca energia, cerca de 3 KW, quando comparado com outros processos de ASP (SANTOS & TOLEDO & CARRILHO, 2007, SÁ BRITO, 2010). 120

 

Figura 4.15. Esquema de AT a Laser. Fonte: (SÁ BRITO, 2010).

Esse processo é robotizado e é considerado ecologicamente correto por não ser necessária a utilização de solventes e nem da preparação da superfície por jateamento (SANTOS & TOLEDO & CARRILHO, 2007, SÁ BRITO, 2010). 4.11. Aderência

 A adesão da camada de pulverização térmica a um substrato tem sido uma preocupação primária para engenheiros como o é para qualquer processo de revestimento.  A qualidade dos revestimentos depende, fundamentalmente, do tratamento prévio da superfície do substrato e das condições de operação da aspersão térmica. Uma das propriedades importantes dos revestimentos depositados, também responsável pela qualidade deste, deste, é a sua aderência com o substrat substrato. o. O comportamento mecânico de um revestimento por pulverização térmica depende principalmente de sua adesão ao substrato, bem como da coesão entre as partículas depositadas 121

 

– “splats”. A análise de aderência do revestimento geralmente considera ser o resultado de uma combinação de três mecanismos fundamentais relacionados com a natureza das forças de ligação: mecânicas, físicas e químicas. Forças mecânicas provenientes de revestimentos em forma de cunha aderidos aos substratos e interagindo com a aspereza de superfície; forças químicas, provenientes de reações químicas entre o revestimento e o substrato; e as forças físicas referentes às interações de d e Van Van der de r Waals Waals (BALIĆ et al .,., 2009, COMMERSALD GROUP,, 201 GROUP 2013?) 3?).. Uma ligação eficaz entre as partículas aspergidas e o subs-

trato é indispensável para garantir a qualidade do revestimento. Trincas e descolamento do revestimento do substrato são os dois principais tipos de falhas de revestimento. Consequentemente, a avaliação da integridade estrutural dos revestimentos revestimentos é importante para garantir a segurança e confiabilidade de peças revestidas (BALIĆ et a l., l., 2009).  A re resis sistên tênci ciaa de um re reve vest stim imen ento to é me medi dida da,, em ge geral ral,, co como mo a força necessária para separar o revestimento do substrato, sendo o preparo adequado da superfície do substrato o fator determinante para obtenção de bons resultados (MENEZES, 2007). Um dos métodos para se avaliar a aderência de um revestimento aplicado por AT é o ensaio de adesão por tração Pull-off (“ ).). Este método é baseado na aplicaçãododerevesuma tensão de test”  tração crescente perpendicular à superfície timento. Para tal um tarugo de alumínio ou aço é colado na superfície do revestimento. Após a cura do adesivo o suporte é tracionado até atingir o valor mínimo individual, fixado pela NORMA PETROBRAS N-2568 (2004). Uma falha adesiva 122

 

inferior a este valor indica um revestimento de baixa adesão sendo, portanto reprovado (BALIĆ et al .,., 2009). A Figura 4.16 mostra um esquema básico do ensaio de tração (MENEZES, 2007).

Figura 4.16. Esquema de um ensaio de tração.

Fonte: (MENEZES, 2007).

 As fraturas que ocorrem em consequência do ensaio de tração são classificadas em função do local predominante da ruptura (BALIĆ et al .,., 2009): •

•

•

 Adesiva: a ruptura ocorre na interface revestimento / substrato (falha devido à perda de aderência); Coesiva: a ruptura ocorre entre as camadas do revestimento (falha devida à falta de coesão); No adesivo: a ruptura ocorre em qualquer posição no interior do adesivo ou nas suas interfaces. Neste caso, o teste deve ser considerado inválido, pois somente será possível saber que a aderência do revestimento é superior ao valor obtido.

Outro método para se avaliar a aderência é a realização de ensaios de dobramento. Este ensaio consiste em submeter um corpo de prova a uma deformação plástica por flexão. O 123

 

corpo de prova, assentado sobre dois apoios afastados a uma distância especificada, é dobrado por intermédio de um cutelo, que aplica um esforço de flexão no centro do corpo, até que seja atingido o ângulo de dobramento especificado, 90°, 120° ou 180°. Embora forneça apenas resultados qualitativos, o ensaio de dobramento é um meio bastante simples e eficaz para detectar problemas metalúrgicos e de compacidade o comportamento dos materiais em serviço. ser viço.que podem afetar Devido a sua relativa simplicidade, o ensaio de dobramento é largamente utilizado nas indústrias e laboratórios com o

objetivo de verificar a capacidade de deformação dos materiais, na detecção de defeitos de compacidade e metalúrgicos e para obter valores comparativos de ductilidade dos materiais. Os parâmetros do ensaio, tais como dimensões do corpo de prova, distância dos apoios, diâmetro do cutelo, ângulo de dobramento e os critérios de aceitação são definidos por normas ou códigos de fabricação. A NORMA PETROBRAS N-2568 (2004) propõe critérios de avaliação para os ensaios de dobramento (ENGLAND, 2013?b), que estão apresentados na Tabela Tabela 4.3.

Tabela 4.3. Critério de avaliação dos ensaios de dobramento para aprovação aprova ção das camadas. Fonte: (BALIĆ et al .,., 2009). 124

 

Trincas finas e curtas na região próxima ao dobramento são permitidas. A camada é considerada reprovada quando é possível remover remover a camada pela incisão de uma lâmina de faca ou canivete junto às trincas existentes após o ensaio. Após o ensaio, o revestimento do corpo-de-prova não pode ter indícios de trincamento grosseiro ou desplacamento (Figura 4.17) (BALIĆ et al .,., 2009).

Figura 4.17. Padrões para avaliação das trincas e descontinuidade em corpos de prova revestidos revestidos e ensaiados por dobramento condição rejeitada. Fonte: (BALIĆ et al .,., 2009).

Para analisar o resultado do ensaio, examina-se a olho nu a zona tracionada do corpo de prova; para ser aprovado aprovado,, o corpo de provadonão deveé conter trincasreprovado ou descontinuidades. resultado ensaio considerado reprov ado se o corpo de O prova apresentar estes defeitos ou se romper antes de atingir o ângulo especificado (ENSAIO MECÂNICO:DOBRAMENTO, 1997?). Os demais parâmetros a serem considerados em um refino são os parâmetros instrumentais, tais como background, 125

 

a função perfil (que modela o formato dos picos), intensidade, extinção, e orientação preferencial, entre outros. Este método também é altamente indicado para análise quantitativa de fases, sendo possível a identificação de diversas fases presentes em uma única amostra. 4.12. CONCLUSÃO

 Aspersão térmica temcom comoestrutura principallamelar microestrutura umaa camada de revestimento que confere elevada resistência a adesão aumentando a resistência à corrosão e ao desgaste. A presença de defeitos é inerente ao proces-

so e devemos destacar a presença de rede de óxidos, poros e microtrincas, sendo que o seu controle depende da composição químicas das ligas e do processo escolhido. A combinação substrato/revestimento vai afetar diretamente na propriedade de adesão. REFERÊNCIAS

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SOBRE OS AUTORES Fernando José Antunes  possui graduação em Engenharia Mecânica pela Universidade Gama Filho (1988) e mestrado em Engenharia Mecânica e Tecnologia de Materiais pelo Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca (2013). Tem experiência na área de Engenharia Mecânica, 129

 

com ênfase em Engenharia Mecânica. Atualmente trabalha na Marinha do Brasil no corpo de engenheiros. Hector Reynaldo Meneses Costa possui graduação em Engenharia Mecânica pelo Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca (1990), mestrado em Engenharia Metalúrgica pela Pontifícia Universidade Católica do Rio de  Janeiro (1993) e doutorado em Engenharia Metalúrgica e de

Materiais pela Universidade Feddo Federal eralCentro do Rio Fdeederal Janeiro  Atualmente é professor Titular Titular de (1999). Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca. Tem experiência na área de Engenharia Mecânica e de Materiais e Metalúrgica,

com ênfase em Projetos de Equipamentos e comportamento mecânico, atuando principalmente nos seguintes temas: simulação numérica, processos de soldagem, projeto mecânico, microscopia eletrônica e integridade estrutural. Ricardo Alexandre Amar de Aguiar possui graduação em Engenharia Mecânica pela Universidade do Estado do Rio de Janeiro (1988), mestrado em Engenharia Mecânica pelo Instituto Militar de Engenharia (1990) e doutorado em Engenharia Mecânica pela Universidade Federal do Rio de Janeiro (2011). Atualmente é professor associado III do Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca. Tem experiência na área de Engenharia Mecânica, com ênfase em

Mecânica dos Sólidos e Desenvolvimento de Protótipos, atuando principalmente nos seguintes temas: Materiais e estruturas Inteligentes, Projeto Mecânico, Análise Numérica, Modelagem, Modelagem, Memória de Forma, Elementos Finitos, Atenuadores de Vibração, Soldagem e Engenharia do Produto. 130

 

5 DESENVOLVIMENTO, MODELAGEM E CONTROLE DO PROTÓTIPO PROTÓTIPO DE UM ROBÔ GANTRY Antonio Carlos Valdier Valdiero o Angelo Fernando Fiori Ivan Junior Mantovani Andrei Fiegenbaum

Luiz Antônio Rasia

Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul - UNIJUÍ/Campus Panambi 

5.1. INTRODUÇÃO

Neste capítulo apresenta-se o desenvolvimento do protótipo de um robô do tipo Gantry numa bancada experimental, a modelagem de suas principais dinâmicas e os resultados do controle independente de junta. Conforme Paatz (2008), os robôs do tipo Gantry são os mais robustos e possuem um desacoplamento cinemático e dinâmico devido à ortogonalidade entre os eixos de suas juntas prismáticas. O protótipo de robô desenvolvido é uma proposta de solução de baixo custo para robotização de empresas de pequeno porte da indústria de transformação, sendo composto por uma estrutura de cantoneiras, guias lineares de esferas, transmissão por fuso de esferas e acionamento elétrico com motor de corrente alternada com 131

 

inversor de frequência. Apresenta-se a modelagem do robô com a inclusão de suas principais não linearidades. A bancada experimental do protótipo do robô permite a realização de testes para determinação dos parâmetros do modelo proposto e para sua validação experimental. A ideia da utilização do controle clássico do robô permite ilustrar o seu desempenho e obter resultados experimentais dos efeitos das não linearidades de atrito e de folga. A seguir apresenta-se uma breve revisão bibliográfica referente ao assunto abordado, destacando-se as contribuições propostas. 5.2. UMA BREVE REVISÃO BIBLIOGRÁFICA E O DESAFIO PROPOSTO

Segundo a ISO 10218 (1992) apud  Romano  Romano (2002), um robô é um manipulador de base fixa ou não, multifuncional de fácil programação e reprogramação, controlado automaticamente, sendo amplamente utilizado na indústria. Conforme Shang e Cong (2014), a aplicação de robôs na indústria justifica-se pelo aumento da produtividade, da qualidade e da segurança, principalmente em atividades insalubres, repetitivas e perigosas à saúde do trabalhador. O domínio de aplicações pode ser ampliado por meio da robotização de baixo custo, especialmente em empresas de pequeno porte e em tarefas que permitam um maior intervalo de erro de posicionamento, tais  pick-and-place ) ou de como em tarefas de pega-e-posiciona ( pick-and-place  acabamento superficial de polimento e pintura.

Nos robôs do tipo Gantry, Gantry, onde as juntas são prismáticas e perpendiculares entre si, utilizam-se frequentemente as transmissões do tipo fuso e porca-castanha (parafuso de potência), 132

 

conforme o modelo com fuso de esferas mostrado na Figura 5.1, as quais apresentam as vantagens de estabilidade, eficiência, precisão, durabilidade, velocidade e custo (SHIMADA et al., 2013). Entretanto podem possuir as desvantagens de efeitos causados pelas não linearidades de folga e atrito (HANIFZAD FZ ADEGAN EGAN e NAGAMUNE, NAGAMUNE, 2015).

Figura 5.1. Modelo de fuso de esferas: (a) Fotografia do fuso de esferas utilizado no robô Grantry na Bancada Experimental; (b) Desenho Esquemático e Principais Componentes (1) Fuso, (2) Castanha, (3) Flange, (4) Esferas. Fonte: Adaptado de Fiori et al.(2015a).

Os modelos matemáticos são importantes para prever o comportamento de um sistema dinâmico (SLOTINE e LI, 1991), principalmente no caso de um robô com a presença de não linearidades. Ao prever o comportamento a partir do modelo matemático, o robô pode ser melhor projetado e dimensionado a partir das especificações de componentes, 133

 

permitindo a realização de simulações numéricas e a análise do desempenho do controle para uma dada tarefa programada. Este trabalho de pesquisa está relacionado à linha de pesquisa de “Modelagem Matemática de Sistemas Não Lineares e Controle de Sistemas Dinâmicos” e possui contribuições em relação à literatura recente (DOUAT, 2014; HANIFZADEGAN e NAGAMUNE, 2015; SHIMADA et al .,., 2013;  YANG, YAN e HAN, 2015), entre as quais pode-se pode-se destacar: •

Construção e modelagem matemática da dinâmica do protótipo de um robô Gantry com junta prismática com transmissão mecânica do tipo fuso de esferas e acoplamen-

•

•

•

to elástico, acionada por motorredutor elétrico de corren te alternada com utilização de inversor de frequência; Inclusão da dinâmica do atrito na modelagem da junta robótica; Identificação experimental das características não lineares do atrito e da folga; Resultados experimentais do controle independente da  junta do protótipo do robô robô Gantry Gantry,, ilustrando o efeito das não linearidades de folga e atrito.

Na literatura internacional, pode-se destacar as recentes pesquisas de Douat (2014), Kermorgant e Chaumette (2014) e Bebek, Joong e Çavuşoğlu (2013) sobre o controle de manipuladores robóticos cartesianos; Zhu e Fujimoto (2013), Grami e Gharbia (2013), Shen et al. (2014) e Lin, Yau Yau e Tian Tian (2013) sobre a não linearidade do atrito; Phunong (2014), Hanifzadegan e Nagamune (2015), Zhang et al. (2013) e Shimada et al. (2013) que tratam da transmissão por fuso de 134

 

esferas; Nordin e Gutman (2000), Dwivedula e Pagilla (2013) bem como Durdevic e Yang (2013) e Yang, Yan Yan e Han Han (2015) (2015) que estudaram a não linearidade da folga. Estas pesquisas apontam a relevância deste estudo bem como a abordagem constante destes temas na literatura internacional. Douat (2014) apresentou maneiras de melhorar a precisão em robôs paralelos com dois graus de liberdade através dos sinais de sensores na malha de realimentação do controle. Kermorgant e Chaumette (2014) apresentam um controle para um robô multi-sensor sob várias restrições. Bebek, Joong e Çavuşoğlu (2013) usaram um robô paralelo com cinco graus de liberdade para a realização de intervenções de base agulha

em pequenos animais. Lin, Yau e Tian (2013) investigaram formas de melhorar a precisão de um motor na aplicação de robôs lineares afirmando que a precisão em motores lineares está limitada pela ação de dois fenômenos não lineares em especial: oscilações e atrito. As oscilações surgem nas estruturas magnéticas e causam problemas no controle de posição. O atrito por sua vez, surge na interação entre superfícies e gera erros, oscilações e ciclos ilimites no movimento, afetando diretamente a precisão do controle. Os autores destacam ainda que a combinação das características do atrito (estático, viscosa, Coulomb e Stribeck), como no modelo LuGre, é muito utilizada quando se requer precisão na ordem de micro ou nano metro. Segundo os autores, o modelo Lugre é o mais utilizado nas investigações por não separar os comportamentos, mas apontam que há outros modelos que contemplam outras características, mas que, apesar da complexidade das equações, todas possuem 135

 

boa relação com os resultados experimentais. Zhu e Fujimoto (2013) provaram que o atrito pode ser devidamente compensado pelo movimento, tanto o movimento de reversão quanto de inversão não linear. Grami e Gharbia (2013) estudaram a compensação de atrito em um robô manipulador planar com dois graus de liberdade. Além de Shen et al. (2014), que estudou diversos modelos de compensação de atrito e desenvolveu um modelo que permite a utilização de controladores de deslocamento para a compensação dos erros. Shimada et al. (2013) desenvolveram um modelo para detecção de contato no fuso de esferas que tem características de atrito não linear complexas. Para Phunong (2014), os fusos de esferas es feras são amplamente utilizados hoje nas aplicações em máquinas ferramentas, ro-

bôs, equipamentos militares, médicos, de montagem de precisão, além de serem amplamente aplicados em diversos setores nas indústrias de aviões e automóveis, uma vez que são econômicos, confiáveis e eficientes mecanismos, dadas suas características de alta capacidade de carga, longa vida, alta rigidez, facilidade de transporte e segurança em altas velocidades. No entanto os sistemas que se utilizam desta transmissão são afetados pela não linearidade do atrito devido ao contato entre as superfícies e as imperfeições mecânicas. O atrito é geralmente descrito como a resistência ao movimento de duas superfícies em contato e é um dos maiores desafios nos sistemas de controle de alta precisão, podendo o desempenho e prejudicar o movimento. Pode-sedeteriorar compensá-lo de modo a minimizar sua influência no sistema. Hanifzadegan e Nagamune (2015) desenvolveram um controle para o acionamento com transmissão do tipo fuso 136

 

de esferas. Zhang et al . (2013) discorreram sobre os efeitos do acionamento, concluindo que são importantes para a modelagem dinâmica, dinâmica, por afetarem as características dinâmicas do sistema. Segundo Nordin Nordin e Gutman (2000), o controle de sistemas com folga tem sido estudado desde 1940, haja visto que sistemas que exibem folga são muito complicados, especialmente quando se deseja alta precisão. Os sistemas que exibem folga apresentam frequentemente erros no estado estável, ou limitações nos sistemas que oscilam. Em seu estudo os autores apresentam um histórico dos modelos utilizados para descrever, analisar e compensar a folga.

Dwivedula e Pagilla (2013) estudaram modelos que descrevem a folga em transmissões por engrenagens. Durdevic e Yang (2013) investigam o controle híbrido para um robô com folga nas transmissões. Yang, Yan e Han (2015) destacam que a folga é a principal p rincipal fonte de erro de posicionamento e impactos e que sua minimização/compensação é a maneira mais eficaz de melhorar a precisão de posicionamento e evitar o impacto. Eles ressaltam ainda que apesar das mais diversas aplicações de robôs (como na medicina e na indústria), os modelos que descrevem as suas dinâmicas ainda não possuem a acurácia necessária o que afeta diretamente a precisão no desempenho de suas funções. O redutor é um dos principais componentes de transmissão e afeta diretamente as propriedades dinâmicas. No entanto, o conjunto motor-redutor possui difícil modelagem e controle, especialmente em condições de baixas velocidades (como neste trabalho), dada uma rigidez muito maior. maior. Em contraste com outros parâmetros mecânicos 137

 

como o momento de inércia, a folga depende do desgaste, do desalinhamento da montagem e outros fatores não controláveis (consequentes do processo de fabricação de baixo custo). Diversas referências bibliográficas (SLOTINE e LI, 1991; SCIAVICCO SCIA VICCO e SICILIANO, SI CILIANO, 1996; NOF N OF,, 1999; TSAI, 1999) 1999 ) fundamentam os aspectos teóricos deste trabalho de pesquisa em robótica. Os trabalhos apresentados anteriormente trataram do estudo de especificidades das características construtivas e apresentam relevância. O presente trabalho de pesquisa traz contribuições a medida que alia diversas características construtivas (utilização de motorredutores de corrente alternada, inversores de frequência, fuso de esferas, acoplamento elástico e sensores de deslocamento angular e linear) e busca

identificar características não lineraes (como o atrito) ou mesmo desprezadas (como a folga) na modelagem. Além disso, caracteriza-se enquanto uma abordagem teórica-experimental do estudo das não linearidades apresentando uma metodologia para a identificação experimental.  Além disso, conforme destacam Tao Tao e Kokoto Kokotović vić (1995), algumas não linearidades, tais como a folga e o atrito, são pouco estudadas enquanto pesquisa teórica-experimental, de modo que controle de sistemas onde se consideram tais não linearidades são um problema teórico e experimental amplo e em aberto e para aos autores, estudos nesta área são de grande relevância para aplicações. Os resultados deste trabalho podem auxiliar no desenvolvimento futuro de estratégias de controle mais precisas e por consequência, na melhoria da qualidade dos processos, além de contribuir para a robotização de baixo custo nas mais diversas aplicações. 138

 

 A segui seguirr descre descreve-se ve-se a banca bancada da exper experiment imental al do protótipo do robô Gantry que foi desenvolvida neste trabalho de pesquisa. 5.3. DESCRIÇÃO DA BANCADA EXPERIMENTAL DO PROTÓTIPO DO ROBÔ GANTRY

 A bancada experimental do protótipo do robô Gantry pode ser dividida nos seguintes componentes principais: mecanismo, acionamento e sistema de controle (conforme ilustrado na Figura 5.2) e descritos detalhadamente na sequencia a partir das indicações numéricas. O mecanismo do robô Gantry é uma estrutura cartesia-

na na forma de pórtico que permite deslocamentos lineares de um elo (13) em relação ao anterior. Com três graus de liberdade e juntas prismáticas (14) com transmissão mecânica do tipo fuso de esferas (11), as quais transformam rotações em translações a partir dos torques aplicados por motorredutores CA (8) ligados à inversores de frequência (6), os quais são controlados através de software  e  e hardware   de comando e aquisição aquisiçã o de dados. O robô está montado em uma estrutura de cantoneiras (base fixa/bancada), de modo que, para transladar, o robô utiliza-se uma guia lisa (12). Estas guias compõem as juntas do robô Este robô está instalado no Núcleo de Inovação em Máquinas Automáticas e Servo Sistemas (NIMASS) no Campus Panambi da UNI JUÍ.. A Figur  JUÍ Figuraa 5.3 mos mostr traa a fot fotogr ografi afiaa do pro protót tótip ipoo com destaque para a junta 1, onde forma realizados os testes mostrados neste capítulo. 139

 

Figura 5.2. Desenho da bancada experimental do robô Gantry. Fonte: Adaptado de Fiori et al.(2014).

1 2 3 4 5

Controle Placa eletrônica

dSPACE Microcomputador Fonte de Alimentação Transdutor de Deslocamento Encoder

6

Acionament o Acionamento Inversor de

Mecanismo

13

Elos

Frequência 7 Caixa de Comando 14 Juntas 8 Motorredutor CA 15 Bancada Castanhas de 9 Esferas  Acoplamento 10 Elástico Eixo do fuso de 11   esferas 12 Eixo liso da guia de esferas

 

Os componentes do sistema de acionamento do protótipo estão destacados na Figura 5.4. A partir da rede elétrica (fonte de potência), após operação pelo sistema de controle, 140

 

a alimentação de energia elétrica vai para o motor de corrente alternada (5) onde é convertida em energia mecânica.

do Protótipo do Robô Gantry. Fonte: Figura 5.3. Fotografia  Adaptado de Fiori Fiori (2015).

 A energi energiaa mecâni mecânica ca é transmi transmitida tida por um red redutor utor de engre engre-nagens (4) conectado no fuso (2) por meio de um acoplamento elástico (3) que permite desalinhamentos entre o eixo de saída do redutor e o eixo movido do fuso numa construção mecânica de baixo custo. O torque motor da saída do redutor é transmitido para um fuso (2), onde a castanha de esferas (1) se desloca. Paralelamente, existe uma guia lisa (6) com esferas (7) que tem a função de junta prismática passiva. A potência fornecida é na forma de corrente alternada com tensão de 220V.  As especificações técnicas do motor CA e seu respectivo redutor encontram-se descritas na Tabela 5.1. 141

 

Tabela 5.1 - Características do Motor CA e do Redutor de Engrenagens. Componente

Motor CA 

Código

IP56-60Hz-4 Polos

Fabricante Principais Características

NOVA 

Redutor de  W63-U-24 ATI Brasil  ATI Engrenagens -P80B14-B3

Trifásico Blindado; Rotação: 1730 rpm (181,1651 rad/s); Potência: 750 W; Rendimento: 74% (se utilizada 50% da potência), 78,4% (se utilizada 75% da potência) e 80,5% (se utilizada 100%). Relação de Redução: 24x; Rendimento dinâmico:

78%.

Fonte: Adaptado de Fiori (2015).

Figura 5.4. Componentes do Sistema de Acionamento da junta 1. Fonte: Adaptado de Fiori (2015). 142

 

O fuso e a castanha de esferas (junta prismática ativa) e a  junta prismática passiva (eixo liso com esferas), bem como o acoplamento elástico, que foram mostrados na Figura 5.1 e suas características técnicas estão descritas na Tabela Tabela 5.2. Tabela 5.2 - Características dos eixos, da castanhas e do acoplamento elástico das juntas do robô. Componente

Eixo Fuso Roscado

Código

SFUR-2510T4N

Fabricante Principais Características

Kalatec

Diâmetro: 25 mm (0,025m); Passo: 10 mm (0,01m); Capacidade carga dinâmica: 100 kg; Pass Passo: o: 10 mm (0,01m); Curso total: 1265mm (1,265m).

Castanha de Esferas para o SFU02510-4 Eixo Roscado

Eixo Liso

SF25 2500

Castanha de Esferas para o Eixo Liso

LM25UU

 Acoplamento 10.11-AZ02 Elástico

Kalatec

Diâmetro: 25 mm (0,025m); Capacidade carga dinâmica: 2954 kg;

Diâmetro: 25 mm (0,025m); Capacidade Kalatec carga dinâmica: 100 kg; Curso total: 1200mm. (1,2m) Diâmetro: 25 mm Kalatec (0,025m); Capacidade carga dinâmica: 100 kg; Desalinhamentos Axial: 0,8 mm (0,0008m); Acriflex  Desalinhamentos Radial: +0,2 mm (0,0002m); Desalinhamentos Angular: 1° (0,0174532925 rad).

Fonte: Adaptado de Fiori (2015). 143

 

O sistema de controle da bancada experimental utiliza um microcomputador, para a interface entre o usuário e o robô, com uma placa de aquisição e controle dSPACE dSPACE modelo 1104, que é programada a utilização dos softwares Matlab/Simulink e ControlDesk para capturar os dados e realizar o comando das tarefas. Esta plataforma se utiliza de uma interface gráfica para exibir, salvar e alterar em tempo real as condições dos testes experimentais. A placa eletrônica dSPACE possui 8Digital entradas de conversão analógico-digital –  Analogic Converter  ) e 8 saídas de conversão(ADC digital-analógica (DAC – Digital Analogic Converter ),), além de diversas portas digitais e 2 entradas específicas para encoder incremental. Para a alimentação em corrente contínua dos sensores e da instrumentação em geral, utiliza-se uma fonte de alimentação HP

6543A (faixa de voltagem de saída: 0-35V; regulagem da corrente máxima de saída: 0-6A; precisão de 15mV e 6,7mA.). Os sensores de deslocamento (transdutores - (1)) e de deslocamento angular (encoders - (2) e (3)) são montados na junta do robô conforme apresentado na Figura 5.5.

144

 

Figura 5.5. Fot Fotografia ografia mostrando a montagem dos sensores na

 junta do robô Gantry: Gantry: (1) transdutor linear (Balluff, (Balluff, BTL6 A110 M0500-A1-S115) da posição da junta; (2) encoder incremental (Hohner, 7510-0622-1000) no eixo motor e (3) encoder incremental (Hohner, 7510-0622-1000) no eixo do fuso de esferas. Fonte: Adaptado de Fiori (2015).

 A Figur Figuraa 5.6 mos mostra tra o com comand andoo do aci aciona onamen mento to do motor elétrico composto por um inversor de frequência (2), um disjuntor (3), uma caixa de comandos manuais (1) e de conexão com as saídas digitais da placa dSPACE do sistema de controle.

145

 

Figura 5.6. Desenho da ligação do motor e fotografia dos elementos do comando do motor elétrico: (1) Caixa de Comando, (2) Inversor de Frequência e (3) Disjuntor. Fonte: Adaptado de

Fiori (2015).

5.4. MODELAGEM MATEMÁTICA DO ROBÔ GANTRY

Para facilitar a compreensão da modelagem matemática do robô Gantry com a inclusão das não linearidades de folga

e atrito, apresenta-se na Figura 5.7 um desenho esquemático dos principais elementos da junta robótica, as dinâmicas envolvidas e os sinais de entrada e de saída dos diversos subsistemas modelado modelados. s.

146

 

Figura 5.7. Desenho esquemático com a representação das dinâmicas dos subsistemas da junta robótica e suas não linearidades para modelagem matemática do robô Gantry . Fonte:

 Adaptado de Fiori Fiori (2015).

 Antes de apresentar a modelagem uma breve descrição do funcionamento domatemática, sistema e dasfaz-se hipóteses simplificadoras. A partir de um sinal de controle ( u) enviado pela caixa de comandos do inversor de frequência, o motorredutor CA produz um torque (T m) e um deslocamento angular do eixo do motorredutor (θ m). Considerando a existência de folga no acoplamento elástico, haverá uma relação não linear entre o deslocamento angular do eixo do motorredutor (θ m) e o deslocamento angular (θ ) do fuso. No fuso, o torque é convertido em uma força na castanha (F u) por meio de uma relação cinemática. Entre o fuso e castanha há também uma não linearidade de folga (dada a partir de uma relação de transmissão (m) e a diferença entre a posição inicial das esferas no fuso do lado esquerdo (c l ) e do lado direito (c r )) e a presença 147

 

de uma força de atrito (F atr ) com características não lineares.  A castanha se move com um deslocamento linear ( y   y ) que está relacionado diretamente a uma variável de junta (d i ) para cada  junta prismática ativa do robô Gantry Gantry,, considerando a convenção de Denavit-Hartenberg na modelagem cinemática da posição e orientação do efetuador final do robô Gantry em função das variáveis de junta. Como hipóteses simplificadoras para modelagem matemática do robô Gantry, tem-se: •

a dinâmica elétrica não será considerada na modelagem, por ser entendida como muito rápida em relação à dinâmica mecânica, ou seja o sinal de controle ( u) tem uma relação quase estática com a saída do torque motor apli-

•

•

•

•

cado (T m); a folga (backlash) é constante em toda a extensão do fuso, não sendo considerada a variação de seus parâmetros ao longo do eixo e nem devido ao desgaste; para a modelagem será considerada a folga no acoplamento elástico e entre o fuso e a castanha da junta prismática ativa; os elementos da transmissão são considerados como corpos rígidos; na modelagem incluiu-se as características não lineares do atrito, identificados a partir de testes experimentais. Pela aplicação da lei do equilíbrio equilíbrio dinâmico no fuso, tem-se:

∑T =  J   θ 

(5.1)

m

148

 

dosfuso torques, quedeum torque doo motor No (Tm)somatório aplicado no e doistem-se torques contrários, torque de atrito (Tatr) e o torque de carga ( Tc =

Fu p

2π 

) devido à

força de reação da massa deslocada (Fu) sobre o fuso, logo: Fu p  Tm − Bθ θ  − = J mθ 

2π 

(5.2)

Reescrevendo (5.2), obtém-se: Fu p     J mθ  + Bθ θ  = T m −

2π 

(5.3)

onde cada variável e parâmetro está descrito com sua unidade de medida (no SI) na Tabela 5.3.

Tabela 5.3 - Descrição dos parâmetros e variáveis do modelo do eixo-fuso Parâmetro/Variável

 Jm

Descrição Unidade Momento de inércia do eixo kgm2 motor

θ

Des eslo loca cam men entto ang ngul ulaar do fu fuso so

Bθ

Coeficiente de atrito viscoso do Ns/m eixo do motor

T

Torque do motor

m

rad

Nm

Fu

Força da reação da massa mola N deslocada 

p

Passo do fuso

m/rad

Fonte: Adaptado de Fiori (2015). 149

 

Para a dinâmica da castanha, tem-se:

∑F =  My

(5.4)

 M  ӱ + B  ẏ = F u

(5.5)

onde os parâmetros e variáveis da equação (5.5) estão descritos na Tabela Tabela 5.4. dos parâmetros e variáveis do modelo Tabela 5.4 - Descriçãocastanha-massa  Parâmetro/Variável

Descrição

Unidade

 M 

Massa deslocada sobre o eixo-fuso

kg 

Deslocamento linear da junta pris-

y 

mática  Força de reação da massa mola

F

m N 

deslocada  Coeficiente de atrito viscoso da Ns/m massa 

u

B

Fonte: Adaptado de Fiori (2015).

Há a presença da não linearidade de folga no robô, tanto no acoplamento elástico como na castanha. Entretanto para fins de análise linear, pode-se também obter o modelo matemático simplificado para as condições onde a folga é desprezível e que o atrito é linear, ou em que há o controle com compensação destas não linearidades. Neste caso particular, tem-se que:

150

 

θ  = θ m

(5.6)  p

(5.7)

 y =   θ  2π 

Utilizando-se a relação cinemática da equação (5.7) e suas Utilizando-se derivadas na equação (5.3) combinada com a equação (5.5), tem-se: 2 2  M + J  2π   y +  B + B  2π   y = 2π  T  m   θ     m    p p p        

(5.8)

Considerando-se as definições de massa equivalente (Meq) e de coeficiente de amortecimento equivalente (Beq), dadas por: 2

 2π    M eq = M + J  m    p    2π    Beq = B + B θ     p  

(5.9)

2

(5.10)

Pode-se reescrever a equação (5.8) utilizando as relações descritas nas equações (5.9) e (5.10), resultando numa dinâmica de segunda ordem para cada junta prismática acionada por um torque motor, tal como:    = 2π  T   M eq y  + Beq eq y m  p

(5.11)

O modelo descrito na equação (5.11) pode ser reescrito considerando as características não lineares do atrito equivalente da seguinte forma: 151

 

 M eq y  + Fatreq = 2 pπ  T m

(5.12)

onde, Fatr   representa a força de atrito equivalente, contemplando as características do atrito não linear descritas a seguir. eq 

Conforme Canudas de Wit et al. (1995), o atrito atr ito dinâmico não linear pode modelado pela equação (5.13). Fatr  = σ 0 z + σ 1 z + σ   2 y

(5.13)

onde Fatr é a força de atrito dinâmico do modelo LuGre. Os parâmetros dinâmicos σ0  e σ1  são o coeficiente de rigidez das deformações microscópicas entre as superfícies em contato durante o regime de predeslizamento e o coeficiente de

amortecimento associado à taxa de variação de z (ou seja, ż), respectivamente. O parâmetro estático σ2 é o coeficiente de amortecimento viscoso (B). A dinâmica do estado interno do atrito é denominado por z, o qual descreve a deflexão média das superfícies em contato durante a fase de atrito estático, ou, em outras palavras, a deformação do movimento de pré-deslizamento. Por fim, o parâmetro ẏ representa a velocidade relativa entre as superfícies. A taxa de variação de z é dada pela equação (5.14). dz

σ 0

dt =  z = y − g ( y ) y z

(5.14)

 A função g(ẏ) é dada pela expressão da equação (5.15).

152

 

g ( y ) = Fc + ( Fs − Fc )e

 −   y y     s 

2

(5.15)

onde Fc é a força de atrito de Coulomb, Fs é a força de atrito estático e ẏs é a velocidade de Stribeck.  A função da equação (5.15) acrescida do atrito viscoso constituiu o chamado mapa estático de atrito, dado pela equação (5.16) que captura as principais características não lineares do atrito. A partir de testes experimentais descritos em Fio Fiori ri et al. (2015b), pode-se obter os pontos experimentais mostrados no gráfico da Figura 5.8.   y   −    y Fatr =  Fc + ( Fs − Fc ) e      sgn ( y ) + σ 2 y   2

s

(5.16)





O mapa estático do atrito pode ser representado por uma curva teórica pelo ajuste dos parâmetros (dado pela Tabela 5.5), conforme apresentado na Figura 5.8.  Assim como o atrito, a não linearidade de folga é importante de ser compreendida, modelada e compensada por limitar o desempenho desempe nho e o controle de sistemas sist emas mecânicos. mecâni cos. Segundo Tao Tao e Kokotović (1995), a folga limita muito o desempenho causando atrasos, oscilações e imprecisões e é comum em muitos componentes (como atuadores e conexões mecânicas).

153

 

Figura 5.8. Mapa estático do atrito em função da velocidade linear da junta em regime permanente. permanente. Fonte: Adaptado de Fiori et. al (2015b). Tabel abelaa 5.5 5.5 - Parâmetros Parâmetros para o Cálculo das Características do Atrito  Valor  V alor

Par arâm âmet etro ro De Desc scri riçã çãoo

Unidade

Fc

Coeficiente de atrito de Cou10300 lomb

N

Fs

Coeficiente de atrito estático

N

ẏs

Velocidade de Stribeck 0,002 Coeficiente de amortecimento 3,2189 ∙ 10 viscoso (B ) positivo Coeficiente de amortecimento 1,5277 ∙104 viscoso (B ) negativo

σ2p σ  2n

12300

3

m/s Ns 2/m2 Ns 2/m2

154

 

 M   J m  M eq 

Massa deslocada

11,250

Momento de inércia do eixo 1.2298 10–5 motor Massa equivalente 23,0530

kg  kgm2

kg  

Fonte: Adaptado de Fiori (2015).

 A folga é uma característica não diferenciável (por não ser contínua, sendo descrita através de equações discretas) e não linear. Dada a existência da folga, as equações (5.3) e (5.5) descritas anteriormente não podem ser combinadas, estando acopladas por uma relação matemática com tempo discretizado que representa a relação entre o deslocamento linear da  junta prismática (y) e o deslocamento deslocamento angular (θ) na presença de folga, descritas por e apresentada na equação (5.17). Este

modelo para folga foi adotado com base no trabalho de Tao e Kokotović (1995).    y =     

m (θ ( t ) − cl )  

seθ (t ) ≤ vl

m (θ ( t ) − cr )

seθ (t ) ≥ vr 

 y ( t − 1)

(5.17)

se vl < θ (t ) < vr 

onde m, cl(