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Mecatrônica Atual

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Editora Saber Ltda Diretor Hélio Fittipaldi

www.mecatronicaatual.com.br Editor e Diretor Responsável Hélio Fittipaldi Revisão Técnica Eutíquio Lopez Redação Elizabete Rossi Publicidade Viviane Galhardi Designer Diego Moreno Gomes Colaboradores César Cassiolato Cesar da Costa Denis F. Ramos Eduardo Pinheiro Evaristo O. Alves Filipe Rodrigues Pereira Francisco José Grandinetti Marcio Abud Marcelino Octavian Postolache Paulo Antonio dos Santos Auteliano A. dos Santos Júnior Pedro Girão

PARA ANUNCIAR: (11) 2095-5339 [email protected] Capa Petrobras SA/Divulgação Impressão Parma Gráfica e Editora Distribuição Brasil: DINAP Portugal: Logista Logista Portugal Portugal tel.: 121-9267 800 ASSINATURAS www.mecatronicaatual.com.br fone: (11) 2095-5335 / fax: (11) 2098-3366 atendimento das 8:30 às 17:30h Edições anteriores (mediante disponibilidade de estoque), solicite pelo site ou pelo tel. 2095-5330, ao preço da última edição em banca.

Mecatrônica Atual é uma publicação da Editora Saber Ltda, ISSN 1676-0972. Redação, administração, publicidade e correspondência: Rua Jacinto José de Araújo, 315, Tatuapé, CEP 03087-020, São Paulo, SP, tel./fax (11) 2095-5333

Editorial Nesta edição tratamos, entre entre outros artigos, sobre a “Medição de Vazão – 3ª Grandeza mais Medida  nos Processos Industriais”. Avança em nosso país a  implantação das indústrias que podem utilizar muito a medição de vazão, seja em estações de tratamento de água em residências, indústria alimentícia al imentícia de refrigerantes, cervejas, sucos, leite até a medição de gases industriais e combustíveis.  A tendência nos próximos a nos é crescer muito a  Hélio Fittipaldi produção de álcool, e com o pré-sal os combustíveis de origem fóssil. Assim, este artigo mostra um pouco desta área, contando rapidamente a história, sua importância na automação, controle de processos e os avanços tecnológicos. Estamos em alerta para apresentarmos matérias em todas essas áreas, que podem auxiliar os nossos leitores nos desafios do dia a dia. Para tanto, pesquisamos o mercado frequentando feiras e eventos menores onde possamos encontrar novos produtos, softwares e serviços. Em nossa página de notícias desta edição, mostramos as novas instalações instalaçõe s da Jomafer Jomafer w.jomafer.com.br), onde temos a prestação de serviços em Guarulhos Guaru lhos - São Paulo ( ww w.jomafer.com.br de corte a laser e a água. Pode parecer que o corte a água não tem muito mistério, mas muitas peças em aço precisam ser cortadas em chapas com até 300 milímetros de espessura e a precisão, rapidez e qualidade, só esta máquina pode fazer o serviço desejado, devido aqui no Brasil. Não deixe de acompanhar a série de artigos sobre o primeiro e-Kart totalmente movido a eletricidade com KERS e controle de tração eletrônico, na revista Saber Eletrônica ( ww w.sabereletronica.com.br ). É o mesmo sistema utilizado pelas montadoras, nos carros híbridos que já estão circulando em nossas ruas. Este sistema da Infineon é uma família com várias capacidades, servindo para controlar robôs, talhas, talh as, empilhadeiras, empilhadeiras, automóveis, carrinhos carri nhos elétricos de transporte, próteses humanas de pé, perna, braço, etc... Ah! O projeto é totalmente aberto com software open source . Submissões de Artigos  Arti gos de nossos leitores, parcei ros e especia lista s do setor, serão bem-vindos em nossa revis ta. Vamos analisar cada apresentação e determinar a sua aptidão para a publicação na Revista Saber Eletrônica. Iremos trabalhar com afinco em cada etapa do processo de submissão para assegurar um fluxo de trabalho flexível e a melhor apresentação dos artigos aceitos em versão impressa e online .

Atendimento ao Leitor: [email protected] Associada da:

Associação Nacional das Editoras de Publicações Técnicas, Técnicas, Dirigidas e Especializadas Especializadas

Os artigos assinados são de exclusiva responsabilidade de seus autores. É vedada a reprodução total ou parcial dos textos e ilustrações desta Revista, bem como a industrialização e/ou comercialização comercialização dos aparelhos ou idéias oriundas dos textos mencionados, sob pena de sanções legais. As consultas técnicas referentes aos artigos da Revista deverão ser feitas exclusivamente por cartas, ou e-mail (A/C do Departamento Técnico). São tomados todos os cuidados razoáveis na preparação do conteúdo desta Revista, mas não assumimos a responsabilidade legal por eventuais erros, principalmente nas montagens, pois tratam-se de projetos experimentais. Tampouco assumimoss a responsabilidade por danos resultantes de imperícia do montador. Caso haja enganos em t exto assumimo ou desenho, será publicada errata na primeira oportunidade. Preços e dados publicados em anúncios são por nós aceitos de boa fé, como corretos na data do fechamento da edição. Não assumimos a responsabilidade por alterações nos preços e na disponibilidade dos produtos ocorridas após o fechamento.

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índice

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44 Editorial Eventos Notícias

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Medição de Tensões Mecânicas por Métodos Não Destrutivos O que é a Tecnologia de Tempo Real? Medição de Vazão - a 3ª Grandeza Mais Medida nos Processos Industriais Entendendo as Reflexões em Sinais Profibus Controladores de temperatura PID Modulação PWM nos Inversores de Frequência Identificação de Sistemas na Otimização do Controle de Nivel em Regime Não Linear

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literatura Este livro tem o propósito de servir de livro-texto básico para diversos tipos de cursos na área de Eletrônica Digital, seja no contexto de graduação, licenciatura, tecnologia ou em cursos de pós-graduação. A estrutura dos assuntos em dez capítulos e dois apêndices procurou seguir a natural organização de uma nova técnica de ensino de Lógica Programável, que, em relação ao ensino da tradicional Eletrônica Digital, não se alterou com o tempo. Somente foram introduzidos novos conceitos de projeto, simulação e teste de circuitos digitais com a linguagem VHDL, parecendo ser, por isso, uma metodologia apropriada, inclusive, permitindo ainda que o livro possa ser utilizado até mesmo para estudos individuais por principiantes. Esta obra apresenta de forma didática os conceitos necessários para o leitor aprender como projetar e configurar sistemas digitais simples ou complexos como processamento de sinais DSP com dispositivos PLDs (FPGA e CPLD), aplicando lógica programável com VHDL.

Elementos de Lógica Programável com VHDL e DSP Autores: Cesar da Costa, Leonardo Mesquita e Eduardo Pinheiro Preço: R$ 112,00 Onde comprar: www.novasaber.com.br

eventos Junho Norma IEC 61131-3 para Programação de Controladores Organizador: ISA – Distrito 4 (América do Sul) Data: 07 e 08 Local: Hotel Mercure Times Square – Av.  Jamaris, 100 - Moema – São Paulo/SP  www.isadistrito4.org.br 

Autocom 2011 Organizador: Maxprint Data: 07, 08 e 09 Local: Expo Center Norte, Rua José Bernardo Pinto, 333 - Pavilhão Verde - São Paulo/SP  www.ciab.org.br  Expedition 2011: Brasil, o clique da vez.Você está pronto? Organizador: Agis Distribuição Data: 09 Local: Plazza Mayor – Rua Coronel Fernando Prestes, 278 - Santo André/SP  www.agisexpedition.com.br 

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Pavilhões Internancionais tem destaque na Brasil OffShore 2011 Organizador: Brasil OffShore Data: 14 a 17 Local: Centro de Exposições Jornalista Roberto Marinho - Rod. Amaral Peixoto, km 170 – São José do Barreto - Macaé/RJ  www.brasiloffshore.com Conferência Intenancional da Brasil Offshore 2011 Abertura dia 14 de junho, horário 16 horas. Data: 15 a 17 Local: Centro de Exposições Jornalista Roberto Marinho - Rod. Amaral Peixoto, km 170 – São José do Barreto - Macaé/RJ  www.brasiloffshore.com XXI CIAB - Congresso e Exposição de Tecnologia da Informação das Instituições Financeiras Organizador: Federação Brasileira de Bancos Data 15, 16 e 17 Local: São Paulo/SP Informações: www.ciab.org.br ou  www.febraban.org.br 

EFD (PIS/CONFINS Novo X DACON Mensal ( versão 2.4) Organizador: edukaBRASIL Data: 20 Local: Espaço T&D Paulista – Alameda Santos, 1893 - 1º andar – São Paulo/SP  www.anaabreu.com.br  Sintonia de Malha de Controle (PID) Organizador: ISA – Distrito 4 Data: 20 a 22 Local: Hotel Mercure Times Square – Av.  Jamaris, 100 - Moema – São Paulo/SP  www.isadistrito4.org.br  Entelco Telecon Organizador: Mikro Tik MTCNA I Data: 27 e 28 Local: Hotel Manibu – Recife/PE

 //notícias

JOMAFER inaugura nova sede e novo serviço de corte a laser de tubos Neste ano em que completa 33 anos de fundação, a Jomafer inaugura nova sede em Guarulhos – São Paulo. A report agem da revista Mecatrônica Atual foi especialmente convidada pelo seu diretor José Mário para registrar este novo marco da vida da empresa. Atendendo os segmentos de máquinas e equipamentos em geral, implementos agrícolas, rodoviários, informática, construção civil, concreto pré-moldado, arquitetura, comunicação visual e design, a Jomafer vem investindo, ao longo desses anos, em tecnologia avançada e mão de obra selecionada. Em 1978 foram iniciadas as atividades da empresa com os serviços de corte e dobra de perfis especiais. Nos anos seguintes os investimentos foram direcionados para oferecer ao mercado, serviços com soluções em cortes de chapas. O programa de modernização em 1995 foi concentrado na importação de dobradeiras e guilhotinas CNC. Nos últimos 13 anos a Jomafer teve a certificação ISO 9000 renovada periodicamente, e no novo século entrou em atividade o serviço com Puncionadeira CNC, onde começou a produzir peças com furações e detalhes geométricos. Em 2001, passou a oferecer serviço de corte com jato de água de alta pressão, sendo a única empresa da Améric a do Sul com a máquina que corta chapas de aço de 300 milímetros, materiais compostos e não metálicos. Possui também as máquinas para corte a LASER para peças com geometrias complexas e bom acabamento. Com a nova planta inaugurada agora, entra também um novo serviço à disposição dos clientes que é o corte a LAS ER de tubos, seguido nos próximos meses também ao serviço de curvamento dos mesmos. Assim, a empresa vem acompanhando a evolução do mercado brasileiro e sempre com a utilização de equipamentos de última geração para ter o melhor TCO. Saiba mais em www.jomafer.com.br 

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 //notícias Acionamentos de alto desempenho para instalações portuárias Diante de um fluxo incessante de cargas com várias toneladas, os acionamentos das pontes rolantes portuárias estão sob constante pressão. Os usuários necessitam e exigem soluções confiáveis que proporcionem uma dinâmica excelente, precisão de posicionamento, e uma eficiente relação custo/benefício. Deste modo, os motores da ponte rolante e dos trolleys utilizados em gruas de estaleiro ou terminais de contentores requerem sistemas mecânico e eletrônico especializados e adequados a esta exigente área de aplicação. As pontes rolantes desempenham um trabalho simples: elas transportam uma carga de um local específico para outro.A fim de realizar de forma confiável e garantir um nível de precisão suficiente durante a operação, elas dependem de um acionamento que foi idealmente adaptado para esta tarefa.“As pontes rolantes são equipadas com motorredutores com freios integrados. Estes são combinados com inversores de frequência para um perfil de controle de aceleração e velocidade centralizado”, explica João de Souza Moreira, Diretor Geral da Nord Drivesystems Brasil. Uma vez que as pontes rolantes portuárias manuseiam cargas extremamente grandes, seus motorredutores são desenvolvidos para suportar elevadas forças radiais e axiais. Elas também disponibilizam um conjunto de funções especiais: permitem uma partida suave com alto torque de partida, garantem movimentações virtualmente sem choques, facilitam a sincronização de diversos acionamentos, oferecem funções poderosas de elevação, e permitem eficiente frenagem regenerativa via rampas parametrizáveis. Depois que um fabricante decide por uma pré-seleção de acionamentos, nós sugerimos faixas de potência de acordo com as especificações do cliente, refere João de Souza Moreira.

Motorredutores sob cargas extremas Para este propósito, a NORD pode especificar e fornecer motorredutores com eixo helicoidal e inversores de frequência produzidos pela própria empresa. Os motorredutores para pontes rolantes e trolleys aplicam-se em faixas de desempenho de até 160 kW com uma grande variedade de relações de transmissão. Disponível em designs de duas ou três fases com eixo vazado ou sólido, os usuários podem escolher entre modelos com uma base de suporte, modelos com flange e modelos montados no eixo. Todos os modelos são equipados com o mesmo corpo, com economia de espaço que permite uma fácil integração. Motores utilizados em pontes rolantes e trolleys costumam operar ininterruptamente em portos muito ocupados. No entanto, se o volume de negócios diminui devido às condições de mercado, algumas instalações de carga podem ficar paradas por longos períodos de tempo. A norma de construção dos motores deve, obviamente, assegurar que a operação normal pode ser diretamente retomada após cada paralisação prolongada.Além desses fatores de carga em constante alteração, as recorrentes condições climáticas rigorosas e as temperaturas extremas, bem como a água salgada em ambientes marítimos, requerem um material anti corrosão adequado a longo prazo. Se necessário, os motorredutores da NORD estão disponíveis com proteção IP55 ou IP66. Todos os modelos também estão disponíveis nas versões ATEX.

Produtos

UMC3000: Sensor com superfície em metal para sensoriamento direto O sensor à prova de água cumpre os requisitos IP68/69k  O novo UMC3000 eleva o desempenho do sensor ultrassônico em ambientes rigorosos para um nível completamente novo. A caixa sem soldagem, em 100% aço inoxidável e o sistema de cabos com resistência química permitem a monitorização e o controle ultrassônicos em áreas anteriormente consideradas impossíveis de solucionar. Dois conceitos de caixas solucionam uma variedade de aplicações. Um tubo com design sem soldas, próprio para produtos alimentares, cumpre as rigorosas normas do setor alimentar e das bebidas, enquanto um modelo roscado, com 30 mm de diâmetro é particularmente adequado para máquinas agrícolas e outras instalações exteriores. A indicação LED para presença de alvo e alimentação é equipamento de série em todos os modelos.

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Resumo das principais características: • Design completamente selado cumpre as normas IP 68/69K; • Superfície e cano sensores em aço inoxidável (Grau: 1.4404 (V4A, AISI 316L); • Amplitude do sensor totalmente ajustável de 200 a 3000 mm; • Modelos de saída analógicos e de parâmetros configuráveis; • Cumpre as diretrizes da EHEDG* «Hygienic Design». *EHEDG: European Hygienic Engineering & Design Group (Grupo europeu de engenharia e design higiênicos) Portugal Sales Department tel: +349 4 4535020 fax: +349 4 4535180 [email protected]

Alemanha SCHMITT Irmtraud tel: +49 621 776-1215 fax: +49 621 776-2505 [email protected]

 //notícias Entrevista: João de Souza Moreira, da NORD Drivesystems A NORD Drivesystems persegue um objetivo ambicioso:“Gostaríamos de ver, pelo menos, uma ponte rolante em cada um dos principais portos mundiais equipada com as nossas soluções de acionamento”, refere-se João de Souza Moreira (CEO). Pergunta: Quais são os desafios especiais enfrentados na seleção do sistema mecânico e eletrônico dos motores para pontes rolantes instaladas em estaleiros ou terminais de contentores?  João de Souza Moreira: Os sistemas de acionamentos utilizados nas pontes rolantes e nos trolleys têm de incluir um design robusto, Pontes rolantes em estaleiros, containers e outras instalações portuárias exigem serem resistentes ao desgaste e possuir caracsistemas de acionamentos mecânico e eletrônico altamente confiáveis. terísticas, tais como excelente dinâmica e movimentos precisos. Simultaneamente, os usuários procuram também um custo total econômico. Para os construtores e operadores de pontes rolantes, obEstão disponíveis vários modelos de inversores de frequência ter soluções completas de fornecedores especializados é o com um desempenho de até 160 kW que possibilitam funções como caminho mais fácil para satisfazer estas exigências. partida suave, frenagem regenerativa, o funcionamento sincronizado As pontes rolantes são comparáveis com máquinas e a elevada precisão de posicionamento. Além disso: criamos um de série ou máquinas para fins especiais? novo microsite dedicado a soluções de acionamento para aplicações de pontes rolantes em  www.cranes.nord.com.  JSM: Na medida em que se possa fazer essa comparação, existem apenas alguns fabricantes de pontes rolantes que Além dos terminais de containers, quais são as aplicaconstroem uma ponte rolante gigante ship-to-shore por dia. ções típicas para pontes rolantes equipadas com acionaLogo, a construção de pontes rolantes pode ser comparada mentos NORD? a fabricação de máquinas modulares com finalidades especiais  JSM: As pontes rolantes industriais são utilizadas, por exemplo, - e as nossas soluções de acionamentos são uma ótima corem fundições, em fábricas de construções em aço, na construção respondência para estas aplicações. de navios, centrais elétricas e engenharia pesada. Os tipos menores A NORD é um fornecedor especializado em sistetambém são utilizados em oficinas. Atulamente, existem aproximadamente 700 construtores de máquinas que fabricam pontes mas de acionamento para pontes rolantes. Em que rolantes. Desses, cerca de 15 constroem pontes rolantes portuárias consistem estes pacotes completos? gigantes.  JSM: Fornecemos uma tecnologia de acionamento confiável e com eficiente relação custo/benefício para todos os tipos e tamanhos de pontes rolantes e trolleys. A nossa vasta gama de produtos mecânicos, elétricos e eletrônicos nos permite criar soluções de acionamentos a partir de uma única fonte. Os produtos com proteção IP55 e IP66, bem como as versões protegidas contra corrosão e pó com um revestimento especial, garantem uma elevada proteção e um maior tempo de vida útil mesmo sob condições ambientais rigorosas e durante longos períodos de parada, como acontece no funcionamento sazonal.

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 //notícias Investimentos no Brasil são prejudicados pelos custos da energia elétrica Os altos custos da energia elétrica no Brasil atrapalham as indústrias de alumínio que reduziram em 10% a capacidade produtiva no país nos últimos seis anos. “Fábricas de outros setores de uso intensivo de energia também estão fechando as portas”, afirma o coordenador da Comissão de Energia da Associação Brasileira da Indústria de Alumínio (Abal), Eduardo Spalding, que participou do seminário Energia Elétrica: Fator de Competitividade da Indústria, realizado em março pela Confederação Nacional da Indústria (CNI) em parceria com a Associação dos Grandes Consumidores Industriais de Energia e de Consumidores Livres (Abrace). De acordo com Spalding, os custos da energia praticamente dobraram nos últimos seis anos e hoje o Brasil tem a terceira tarifa mais cara do mundo.“Isso inibe investimentos e, se nada for feito, nos próximos dez anos haverá um aumento de mais de 20% no custo da energia industrial”, informou. Ele destacou que o custo de produção de uma tonelada de alumínio alcançava US$ 1.069 em 2003, e a conta de energia representava 33% desse total. Em 2008, o custo de produção saltou para US$ 1.991 a tonelada, em que 44% representavam os gastos com energia. “O preço da energia condena de forma inexorável a indústria”, diz Spalding, que também integra o Conselho Temático de Infraestrutura da CNI. Segundo o presidente da Abrace, Paulo Pedrosa, além de contribuir para o fechamento de empresas no país, os elevados custos da energia elétrica comprometem o emprego e a renda dos brasileiros.Também pressionam a inflação e prejudicam as exportações. “Todas essas variáveis têm uma correlação muito grande com o preço de energia”, completou Pedrosa. Para o presidente, o primeiro passo para a redução da tarifa é retirar a carga tributária e os encargos, que representam mais de 50% dos valores cobrados dos consumidores de energia. O presidente da Abrace acrescentou que os custos dos programas sociais não devem ser repassados às contas de luz, mas absorvidos pelo orçamento da União. “Isso seria benéfico para o próprio governo, que poderia aumentar a arrecadação a partir de um crescimento do Produto Interno Bruto (PIB).” Considerada pela CNI como um dos pilares da competitividade, a desoneração tributária e de encargos das tarifas de energia é a principal proposta do estudo Efeitos do Preço da Energia no Desenvolvimento Econômico – Cenários até 2020, feito pela Fundação Getúlio Vargas (FGV) em parceria com a Abrace. De acordo com o coordenador do Projeto Energia Competitiva da FGV, Fernando Garcia, com a desoneração das tarifas, o Brasil

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Estudo confirma que a desoneração das tarifas melhora a competitividade da indústria e aumenta o ritmo de crescimento da economia

pode crescer mais e acrescentar R$ 695 bilhões ao PIB até 2020. “Isso representa economia do tamanho da África do Sul e três vezes a do Chile”, informou Garcia. Segundo ele, o custo de energia no Brasil cresceu mais rapidamente do que no resto do mundo e isso trouxe graves consequências à balança comercial. “De exportador de alguns produtos, como material de construção, passamos a ser importadores, e hoje acumulamos um déficit de US$ 3 bilhões. Para conviver com uma taxa de câmbio valorizada, precisamos tomar outras providências para reduzir os custos e aumentar a competitividade.” conclui.

 //notícias Nova geração de computadores industriais embedded com processadores Intel® Atom™ D525/  D425 e interface de display integrado A Advantech (2395.TW ) tem a satisfação de anunciar o sistema ARK-1503, um IPC embutido, compacto, sem ventilação forçada, equipado com o processador Intel ® Atom™ D525/D425, com suporte DDR3 e interface com display integrado. Ele permite uma maior economia de energia, enquanto proporciona alto desempenho e uma grande capacidade de E/S (I/O). Oferece duas opções de conexão do monitor de toque, dependendo da aplicação em particular: I-Panel link ou Golden Finger.Uma tecnologia com design inteiramente novo simplifica as suas integrações de aplicação, através de soluções fáceis – ideais para aplicações no controle de automação de máquinas, em fábricas e quiosques. Equipado com os mais recentes processadores single core (D425) e dual core Intel® Atom™ (D525), com memória DD3 de até 2 GB (D425), e 4 GB (D525). Com controladores de memória e gráficos integrados, estes processadores proporcionam velocidades de renderização de núcleo de gráficos de 200 a 400 MHz, enquanto mantêm uma excelente eficiência energética. Além de velocidades mais altas e de um menor consumo de energia, o ARK-1503 também apresenta um design low profile

(230,6 x 133,0 x 44,4 mm), e proporciona grandes recursos de I/O. Possui portas seriais 1 x RS-232, 1 x RS-232/422/485, com controle de auto fluxo, 4 x hi-speed USB 2.0, 2 x Giga-LANs, DIO, line-out e LVDS. E o slot de expansão do módulo de comunicação 1 x Mini PCIe embutido suporta um soquete CF externo e um HDD SATA 2,5”. O ARK-1503 também suporta uma ampla temperatura de operação de -20 ºC a 60 ºC.

Design de Interface com Display Integrado: I-Panel Link e Golden Finger O ARK-1503 com interface de enlace I-Panel integra LVDS, USB, sinais de tx/rx, áudio e de corrente CC, através de um conector SCSI DB36, de forma que um único cabo suporta um painel de toque com energia, vídeo, áudio e info de toque. E a opção alternada golden finger , com 164 pinos, transporta tudo incluindo alimentação, vídeo (LVDS HDMI), áudio, USB, COM e sinalização em painel de toque; suporta um monitor de toque ITM através de acoplamento direto via golden finger, sem absolutamente nenhum cabo, embora o sistema e o monitor possam ser atualizados de forma independente, para maior flexibilidade, melhor estabilidade e fácil instalação. O ARK-1503 estará disponível no final de abril; por favor entrar em contato com o seu representante de vendas local. Para maiores informações sobre o produto, visite o nosso site na Web:  www.advantech.com/applied-computing-systems/embedded-computer/default.aspx

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 //notícias ABB fortalece sua presença junto ao mercado Naval no Brasil A ABB, grupo líder em tecnologias de potência e automação, planeja fortalecer seus negócios na área Naval no Brasil com o objetivo de atender de forma mais eficaz ao crescente mercado da América Latina. A América Latina tornou-se rapidamente um mercado estratégico para a área de negócios Marine (Naval) da ABB. Planos futuros incluem o estabelecimento de um a nova fábrica de unidades de propulsores do tipo Azipod ® C - Compacto, um centro de serviços marítimos e um centro especializado em unidades Azipod ®, que vão auxiliar a ABB a servir ao rápido crescimento da indústria de construção naval do Brasil, cumprindo os requisitos de conteúdo local. “As soluções inovadoras e os produtos de qualidade da ABB conquistaram nossa posição de liderança nos segmentos de navio de alto valor agregado, como navios-sonda, plataformas de perfuração semi-submersíveis, navios de apoio offshore e navios-tanque”, disse André Luiz Silva - Gerente da unidade de negócios Marine & Cranes no Brasil. “Nosso portfólio se encaixa bem nos planos e desenvolvimento da indústria naval brasileira, e os investimentos previstos pela ABB demonstram nosso compromisso e confiança no mercado local. Acreditamos que isso irá nos proporcionar um posicionamento preferencial no fornecimento de propulsores para as 28 unidades de naviossonda da Petrobras”, comenta André. Várias regiões foram avaliadas para sediar a nova fábrica do Azipod®, incluindo Pernambuco, Santos e Rio de Janeiro, mas a decisão final ainda está pendente. A fábrica planejada terá capacidade de produção anual de mais de 30 unidades do Azipod®. O cronograma das obras permitirá a entrega dos propulsores, em tempo hábil, para as unidades de perfuração da Petrobras no Brasil. Um centro de serviços no Brasil também faz parte dos planos para 2014. Terá profissionais dedicados e especializados em serviços para as unidades do Azipod ®, além de uma oficina com ferramentas especiais para os serviços de manutenção e reformas. Esse centro de serviços também fornecerá peças sobressalentes ao mercado local. A ABB (www.abb.com) é líder em tecnologias de potência e de automação que proporcionam aos seus clientes dos setores industriais e de concessionárias a melhoria de sua performance enquanto reduzem seus impactos ambientais. O grupo ABB opera em cerca de 100 países e emprega em torno de 124.000 funcionários. Para obter mais informações, contate a ABB: Iracema Carvalho - [email protected] tel.: (11) 3082-3977 – ramal 30 Paulo Pires - [email protected] tel.: (11) 3082-3977 – ramal 28

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Redução Sistemática de Custo de Energia Como um fornecedor completo, a Endress+Hauser oferece não só um sistema de monitoramento eficiente de energia em conformidade com EMAS, ISO 1400 e EN16001, mas também o respectivo hardware e software e apoio a projetos profissionais. Equipes reúnem know-how muldialmente em áreas como gerenciamento de energia e dados operacionais, eficiência energética, comunicação e sistemas de barramento, bem como engenharia de automação. A Endress+Hauser possui um dos maiores portfólios de produtos e serviços em tecnologia de medição industrial, mas, seu valor só pode ser acessado por meio da visualização e análise dos dados de energia obtidos.A Endress+Hauser oferece às empresas a possibilidade de implementar um sistema de monitoramento automático de energia que permite uma visão clara do consumo. Assim, o usuário pode: • Monitorar o consumo de energia; • Reduzir custos; • Otimizar a operação da planta. O monitoramento de energia, portanto, constitui o núcleo de um processo de melhoria contínua que, de acordo com em 16001, resulta em um uso mais eficiente da energia. Veja algumas vantagens: • Otimização de picos de carga; • Geração automática de relatórios individuais de energia; • Detecção precoce da deterioração do desempenho; • Análise e controle automático dos principais dados referentes ao consumo de energia; • Controle contínuo do plano anual de energia; • Faturamento de energia por centros de custo; • Geração de previsões de demanda de energia para diferentes zonas de produção; • Melhoria dos processos mensais de análises de comunicações; • Documentação automática das emissões de CO 2; • Tendências de desvios (objetivos/comparação real).

Um conceito modular A base para a redução de custos de energia é uma medição confiável de energia. Para registros de vapor, ar comprimido, calor, frio, eletricidade, gás e óleo, uma medida muito exata é um pré-requisito. Informativos dos resultados das medições são relacionados aos parâmetros de avaliação, quais sensores e normas de cálculo são utilizados. A escolha incorreta de um instrumento de medição ou a rejeição de uma apropriada compensação de pressão e temperatura, tanto em aplicações de gás como de vapor de água, pode levar a graves falhas de medição. Sistemas abertos e modulares de monitoramento de energia garantem combinações sem problemas de diferentes pontos de medições, eletricidade e gás, registradores de dados, sistemas de energia computadorizados ou de i nstrumentos de registro. A transmissão de dados é realizada via Ethernet, OPC e sistemas de barramento de campo.

instrumentação

Medição de Tensões Mecânicas por Métodos Não Destrutivos Este artigo apresenta dois dos principais métodos não destrutivos para medição de tensões, um baseado em acustoelasticidade e o outro em interferometria  laser por padrão de  speckles (ESPI). É apresentada a teoria envolvida, exemplos de aplicação e os requisitos para a aplicação em campo. O tema sob análise representa uma das muitas interfaces nas Engenharias que corroboram a necessidade de conhecimentos multidisciplinares, característica fundamental da Mecatrônica. Prof.º Auteliano Antunes dos Santos Júnior

T saiba mais Andrino, M. H. Aplicação de ondas longitudinais criticamente refratadas para a medição de tensões em dutos. Tese de Doutoramento. Universidade Estadual de Campinas. Campinas, 2007. ASME [American Society of Mechanical Engineers]. Who owns mechatronics? Disponível em: . Acessado em 10 de maio de 2011. Gabor, D. A new microscopic principle. Nature. v.161, (4098), pp.777778, 1948.

ensões Mecânicas estão entre as principais causas de falha em componentes de máquinas. São compostas por uma parcela elástica, que vem dos carregamentos que os componentes sofrem, e uma porção residual, pré-existente, que é provocada pelo processo de fabricação, por solicitações prévias e outras causas. A  maior parte dos métodos de medição de tensões atuais é destrutiva, isto é, requer que o componente sob inspeção seja inutilizado. Medir tensões mantendo o sistema ou componente mecânico em funcionamento implica em um ganho significativo em tempo e recursos.  A Mecatrônica “é um campo emergente da Engenharia que integra as áreas de elétrica, mecânica, controle, ciência da computação e tecnologia da informação” (ASME, 2011). Tal integração requer conhecimentos específicos de cada uma dessas áreas e a capacidade de utilizá-los em conjunto para a solução dos problemas usuais de Engenharia. Com o avanço da tecnologia, nem sempre é necessário ou desejável que um especialista em cada

um dos tópicos listados esteja disponível para a análise requerida. De fato, em muitos casos, profissionais com forte embasamento teórico nas diversas áreas que compõem a Mecatrônica podem atuar de forma rápida e eficiente. Talvez o que mais caracterize a formação mecatrônica seja a flexibilidade com que tais engenheiros transitam entre os diversos campos do conhecimento abordados em sua formação, permitindo a criação de soluções inovadoras e multidisciplinares. Uma das áreas de interface do conhecimento é a de sensoriamento. Conhecer características do que está sendo medido, ao mesmo tempo em que tem pleno domínio sobre a forma de medir, faz com que o Engenheiro desempenhe sua função com eficiência e presteza. Quando tais sensores são empregados para medir uma variável tipicamente mecânica, como a tensão, o processo é enriquecido pela atuação do Engenheiro Mecatrônico, ou mesmo do Engenheiro de Controle e Automação com base Mecânica.

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instrumentação Este trabalho tem como objetivo apresentar duas novas técnicas de medição de tensões mecânicas, baseadas em acustoelasticidade e em interferometria, que requerem conhecimentos avançados, tanto da área de sensoriamento como da área de análise de tensões. É o primeiro texto de um série sob responsabilidade da empresa júnior Mecatron, do curso de Engenharia de Controle e Automação da Faculdade de Engenharia Mecânica da Unicamp. Esse curso tem forte base nas Engenharias Mecânica, Elétrica e de Computação, e requer de seus alunos F1. Geração de ondas longitudinais criticamente refratadas. pleno conhecimento dos conceitos necessários para abordar os aspectos científicos tratados nesse artigo. tensões, obtida em ensaios normalizados e Acustoelasticidade (Ondas Lcr) Tensões mecânicas são basicamente de denominada resistência mecânica. O termo Acustoelasticidade vem da dois tipos: elásticas ou residuais. A primeira  As tensões elásticas (aplicadas) nor-  junção de dois ramos da mecânica: a acússe refere à tensão que está sendo aplicada por malmente podem ser calculadas através de tica e a elasticidade. Refere-se à propagação uma solicitação externa (força, temperatura, métodos numéricos e analíticos. No entanto, de ondas (acústica) e sua relação com as etc.). As tensões elásticas desaparecem quando dependendo do estado interno das tensões, propriedades dos materiais (elasticidade). a solicitação que a causou é retirada. De forma os resultados podem ser muito diferentes. Segundo a teoria acustoelástica, a velocidade diferente, as tensões residuais continuam no  Assim, é importante também conhecer as de propagação de ondas ultrassônicas tem corpo e independem de que, haja atuação tensões residuais, como forma de garantir uma relação direta com a tensão existente de qualquer fonte externa. que as tensões totais estão abaixo do limite no material sob inspeção.  As tensões residuais podem ser de três definido pela resistência mecânica. O desenvolvimento de sistemas de aquitipos, que dependem da ampliação com a Os métodos capazes de medir tensões sição de dados de elevada taxa de aquisição, qual se deseja realizar a análise: macroten- residuais mais utilizados são destrutivos. aliado a uma sensível redução nos custos, sões, microtensões tipo II e microtensões Baseiam-se na medição da relaxação da tensão simplicidade de aplicação e resolução adetipo III. Todas podem estar presentes em atuante, através de um corte, um furo ou quada, fazem do método ultrassônico a um componente a qualquer momento. As outra forma de remoção de material. Com principal alternativa atual para a medição macrotensões residuais, que são designadas os dados da deformação final, constrói-se de tensões em componentes mecânicos em como tensões residuais do tipo I, variam o estado de deformações inicial e calcula-se serviço. Várias técnicas podem ser empregadentro do corpo de um componente em a tensão que atuava naquele ponto. Mesmo das para o mesmo fim, destacando-se a da uma escala maior que o tamanho de grão. que seja pouco destrutivo, com esses méto- birrefringência e a de ondas longitudinais  As microtensões residuais resultam das dos só será possível medir a tensão que foi criticamente refratadas (Lcr), cada uma diferenças dentro da microestrutura de aliviada. Assim, as tensões deixam de estar necessitando de sensores especiais dedicaum material. As tensões residuais do tipo presentes e não há mais razão para obtê-las, dos e com vantagens para determinadas II operam no nível do tamanho de grão. O a não ser se estas forem usadas em controle aplicações. As ondas longitudinais têm a tipo III é atua em nível atômico. estatístico de qualidade. Após a medição, os mais alta sensibilidade à tensão entre as  A importância do conhecimento dos tipos componentes não podem mais ser utilizados ondas ultrassônicas e uma forma particude tensão está ligada ao processo de medição. para as mesmas funções, ou o risco de falha lar dessa, as ondas Lcr, trafega próxima à O que realmente é medido pelos métodos aumenta. A forma de medir a deformação superfície, onde as tensões que levam às atualmente empregados, sejam destrutivo, após o alívio pode ser por roseta óptica, falhas normalmente se concentram, sendo ou não, é a tensão de tipo I, ou seja, a macro extensômetro ou outras. por isso empregada neste trabalho. tensão. Isso porque os métodos atuais não Fibras óticas, raios X e difração de Ondas Lcr são ondas de volume, que têm resolução para medir em níveis menores, nêutrons têm despontado como alternati- se propagam paralelamente à superfície do mas principalmente porque a falha, tal como vas para emprego na medição de tensões, material. São ondas longitudinais (frontais), é estudada hoje, está relacionada a essas os dois últimos com capacidade de medir ou seja, sua oscilação é na mesma direção da tensões, e não às microtensões. A forma de tensões residuais. Cada um destes possui propagação. A figura 1 mostra tais ondas e o relacionar as tensões com as cargas aplicadas características que dificultam sua aplicação processo de geração. As ondas longitudinais é chamada de critério de falha , e descreve em campo, embora seus resultados em labo- incidindo próximo ao primeiro ângulo crítico como o componente se comporta quando ratório sejam adequados. Questões técnicas, (θcr) na interface entre dois meios geram uma solicitado com aquele nível de tensão. Todos como a necessidade de um reator nuclear componente longitudinal paralela à superfície. os critérios atuais relacionam a tensão tipo I para a difração de nêutrons, dificultam a  A geração pode ser feita com um transdutor com a capacidade de resistir a aplicação de disseminação das técnicas. de ondas longitudinais e uma cunha para que

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instrumentação tal onda atinja a interface no ângulo desejado. Essa cunha deve ser de um material de baixa impedância acústica quando acoplado ao aço, como o acrílico. A recepção, a uma distância adequada, pode ser feita como o mesmo tipo de aparato. A determinação da velocidade é realizada através da divisão da distância entre o emissor e o receptor pelo tempo de percurso no material sob análise, lido pelo sistema de aquisição de dados.  A equação que relaciona a velocidade ou o tempo de percurso para distâncias iguais é dada por: d σ =

E(dV ij /V ij) E = dt  L 11 L 11* t 0

F2. Resultado da Medição de Tensões em oito pontos no mesmo raio em uma roda ferroviária.

Nessa equação, E é o módulo de elasticidade, L 11 é uma propriedade chamada constante acustoelástica, V ij é a velocidade de propagação, t 0 é o tempo de percurso de referência (sem tensão), dt é a diferença de tempo, dV é a diferença de velocidades e d σ é a diferença de tensão que se deseja medir. Os índices i e j referem-se às direções de propagação e oscilação da onda, respectivamente. Assim, i = j = 1 significa uma onda longitudinal.

Interferometria Eletrônica por Padrão de Speckles - ESPI  A origem da interferometria eletrônica por padrões de speckles está na holografia, cuja técnica permite que uma onda seja gravada e reconstruída posteriormente, mantendo exatamente as mesmas características da onda original. Em outras palavras, uma imagem tridimensional reproduz exatamente o objeto gravado anteriormente. Embora o princípio da holografia tenha sido proposto em 1948 (Gabor), a técnica se tornou prática somente com o advento do laser . A interferometria holográfica remete-se aos anos 60 e é embasada no princípio da reconstrução de ondas. A interferometria de speckles deriva desse princípio. O efeito speckle é uma interferência aleatória característica da reflexão de um feixe de luz coerente ao incidir em uma superfície opticamente rugosa, quando sua variação de altura é da ordem ou maior que o comprimento de onda da luz do feixe de iluminação. A característica do laser como feixe coerente e monocromático permitiu utilizar o efeito speckle como princípio de aplicação do método em problemas práticos através da formação de padrões de

F3. Resultado da Medição de Tensões Duto Petrolífero.

franjas. Através destas, é possível calcular os deslocamentos e as tensões em superfícies submetidas a cargas. Esses padrões de franjas foram inicialmente gerados através do processamento fotográfico das imagens, mas hoje, com o processamento digital de imagens, processadores de alta velocidade e alta capacidade de armazenamento de dados, é possível obter os padrões de franjas através do processamento por vídeo dos perfis de superfícies iluminadas por feixes de laser, gerando franjas de correlação por padrões de speckles. Por isso o método é conhecido como Electronic Speckle Pattern Interferometry (ESPI).

Aplicações das Técnicas de Medição por Acustoelasticidade  A figura 2 ilustra a aplicação da técnica de ondas Lcr para a medição de tensões em rodas   ferroviárias . O que está sendo mostrado é a variação da tensão em oito pontos ao longo do aro de uma roda específica. O esperado é

que os valores sejam iguais ou próximos. No entanto, as pesquisas feitas revelaram que tal variação é perfeitamente possível. Como pode ser visto, as tensões estão entre 276 e 294 MPa. Dado que cada ponto foi medido três vezes, a dispersão pode ser calculada e está indicada nas barras que mostram um desvio padrão do valor médio. O resultado apresentado refere-se a apenas uma roda, mas a mesma variação e dispersão foram encontradas em outras oito rodas do mesmo tipo medidas durante a pesquisa. Isso permitiu a criação de um novo dispositivo de medição de tensões, patenteado pela Unicamp, que está sendo desenvolvido para aplicação em campo. Tal sistema levará, à redução sensível do risco de acidentes e perdas econômicas e de vidas, uma vez que permitirá que a inspeção seja feita e ações preventivas sejam adotadas.  A figura 3 exibe a comparação entre as tensões medidas por extensômetros (teórica) e as tensões medidas utilizando ondas L cr

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instrumentação

a)

b)

F4. Resultado da Medição de Tensões em Chapa com Rasgo.

a)

b)

F5. Resultado da Medição de Tensões em Chapa com Rasgo.

em dutos petrolíferos . Conforme pode ser visto, o coeficiente da curva de ajuste, cujo valor esperado é 1 (um), tem valor 1,03, o que comprova a validade do método. O ajuste medido pelo coeficiente de correlação (0,999) é uma confirmação da estabilidade do método em diversos níveis de tensão. O experimento foi realizado em laboratório com um duto especialmente montado, com os parâmetros de influência controlados.

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Aplicações das Técnicas de Medição por ESPI  A figura 4 mostra o resultado para a medição de tensão equivalente (Von Mises) em um componente mecânico utilizando ESPI. Em (a) é vista a tensão medida e em (b) é mostrada a simulação numérica feita. Conforme pode ser observada, os resultados se assemelham em termos da distribuição das tensões. Embora seja difícil visualizar na

figura à esquerda, devido a baixa resolução das imagens geradas com o programa de aquisição do ESPI, os resultados numéricos também se assemelham significativamente aos medidos, levando a uma diferença em torno de 10% para todas as medições. Uma segunda aplicação do método foi testada em uma placa com orifício. A figura  5 expõe os resultados. Também neste caso, em (a) é mostrada a tensão medida e em

instrumentação

F6. Tela de aquisição do programa L-stress v. 2.0.

(b) é exibida a simulação numérica feita.  Agora, a diferença entre o medido por ESPI e o calculado utilizando elementos finitos foi ainda menor, da ordem de 5%.  A técnica ESPI também foi usada para a medição de tensões em eixos e bielas automotivas. A Unicamp possui um convênio com a empresa Thyssenkrupp Metalúrgica Campo Limpo, que permite o uso de seu sistema ESPI para pesquisas sobre o assunto. Os resultados preliminares demonstram uma correlação adequada entre os resultados medidos e esperados, mas ainda há a necessidade de aprimorar os controles sobre as variáveis de influência para minimizar a dispersão encontrada.

Estratégias de Controle Aplicadas Com ambas as técnicas foi necessário adotar estratégias de minimização do erro empregando tanto técnicas de filtragem quanto de controle das variáveis de influência. Em especial com acustoelasticidade, foi desenvolvido um programa computacional específico para o tratamento e aquisição dos sinais. O programa L-stress v. 2.0 (Andrino, 2007) foi desenvolvido para esta finalidade. Ele controla totalmente o processo de aquisição, que inclui o uso de um dispositivo de acionamento pneumático para a aplicação dos sensores sobre a peça e o tratamento posterior dos sinais adquiridos, utilizando correlação cruzada e transformada

de Hilbert. A figura 6 apresenta uma das telas do programa. Para a técnica ESPI, o programa que faz a aquisição e o tratamento é parte de um pacote comercial fornecido com o sistema Dantec 3D ESPI – Q300, usado no trabalho.

Conclusões  A medição de tensões com técnicas não destrutivas pode ser feita utilizando acustoelasticidade ou interferometria eletrônica por padrão de speckles . Os resultados apresentados mostram que as técnicas possuem grande potencial de aplicação. O seu emprego em campo certamente permitirá uma sensível redução nos custos de inspeção, uma vez que não irá requerer a destruição ou inutilização dos componentes testados. O sensoriamento é uma das atividades ligadas à Mecatrônica, já que requer conhecimentos de áreas distintas, envolvidas na formação desse Engenheiro, como o uso de ferramentas computacionais, o emprego de conhecimentos na área de mecânica, a utilização de sensores eletrônicos e outros. Só pode ser realizado por profissionais que tenham uma formação ampla, ou terá que envolver vários MA profissionais de áreas diferentes. *Auteliano Antunes dos Santos Júnior é Professor e Coordenador do Curso de Engenharia de Controle e Automação na Unicamp e possui pós-doutorado na Texas A&M University (EUA). Tem desenvolvido projetos tecnológicos para empresas como: Vale do Rio Doce, Petrobrás, Thyssenkrup Metalúrgica Campo Limpo e outras.

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instrumentação

O que é a Tecnologia de Tempo Real?  Vários testes, controles e aplicações de projeto exigem desempenho em tempo real. Este tutorial da National Instruments analisa os conceitos básicos de sistemas de tempo real.

também devem responder a interrupções de periféricos como mouse  e teclado. O usuário tem controle limitado sobre o modo como essas tarefas são manipuladas pelo processador. Como resultado, tarefas de alta prioridade podem ser interrompidas para que tarefas de baixa prioridade sejam executadas, fazendo com que seja impossível garantir um tempo de resposta constante Introdução aos Sistemas ser tolerados. Sistemas de tempo real do tipo para suas aplicações críticas. de Tempo Real “hard” são aqueles em que a utilidade do Em contraste, sistemas operacionais de Os sistemas operacionais de tempo real sistema torna-se zero em caso de perda do tempo real proporcionam a capacidade de foram projetados para resposta a eventos prazo. Uma unidade de controle de moto- priorizar tarefas, para que as tarefas mais e sistemas de controle de malha fechada. res automotivos (ECU - automotive engine  críticas possam sempre ter controle do  Aplicações de resposta a eventos, como um control unit ) deve processar sinais de entrada processador quando necessário. Essa prosistema de airbag  automotivo, necessitam e calcular a temporização da faísca da vela priedade possibilita a criação de aplicações de uma resposta a um estímulo em um dentro de um prazo. Se houver perda desse com resultados que podem ser previstos. determinado espaço de tempo. Sistemas prazo, o motor não irá operar corretamente. Sistemas operacionais de tempo real de controle de malha fechada, como um  A utilidade de uma tarefa após a perda de são necessários quando o processador está sistema de controle de velocidade automo- prazo depende se o sistema de tempo real envolvido em operações como controle de tiva, processam continuamente o  feedback  é do tipo “soft” ou do tipo “hard”, como malha fechada e tomada de decisão em do sistema para ajustar uma saída. A mbos mostrado na figura 1. tempo crítico. Essas aplicações requerem os sistemas exigem a realização de uma Sistemas operacionais como o Microsoft que decisões temporizadas sejam feitas baoperação dentro de um tempo determinado.  Windows e o MAC OS fornecem uma seadas em dados recebidos. Por exemplo, um Esse tipo de desempenho é chamado de excelente plataforma para desenvolvimento equipamento de entradas e saídas amostra determinístico. e execução de aplicações não críticas de um sinal de entrada e o envia diretamente Sistemas de tempo real podem ser medição e controle. Contudo, por serem para a memória. Então, o processador deve classificados como “ soft” ou “hard”. Para sistemas operacionais projetados para um analisar o sinal e enviar a resposta adequada sistemas de tempo real do tipo soft , a utilidade propósito geral, eles não são ideais para ao equipamento de entradas e saídas. Nessa de um sistema geralmente é inversamente executar aplicações que necessitem de um aplicação, o software deve estar envolvido na proporcional ao tempo de resposta após um desempenho determinístico ou de um maior malha; portanto, você precisa de um sistema determinado prazo ter sido perdido. Por tempo sem falhas. operacional de tempo real para garantir resexemplo, quando pressionamos um botão Sistemas operacionais de propósito geral posta dentro de um espaço de tempo fixo. do telefone para atender uma chamada, a são otimizados para executar uma variedade  Além disso, aplicações que necessitam de conexão deve ser estabelecida logo após o de aplicações simultaneamente, assegurando tempo de execução estendido ou operações botão ter sido apertado. Contudo, o prazo que todas as aplicações recebam um tempo autônomas são geralmente implementadas não é tão crítico e pequenos atrasos podem de processamento. Esses sistemas operacionais com sistemas operacionais de tempo real.

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instrumentação Desempenho em Tempo Real

O equívoco mais comum associado ao desempenho em tempo real é dizer que ele aumenta a velocidade de execução do programa. Apesar de ser verdade em alguns casos, a aplicação é melhorada proporcionando temporização precisa e previsível. Com essas melhorias, você pode determinar o tempo exato quando certo evento ocorrerá. Controle em Tempo Real

Com controle em tempo real, é possível monitorar e simular continuamente um sistema físico. Aplicações de controle em tempo real executam repetidamente uma tarefa definida pelo usuário com um intervalo de tempo específico entre cada execução. A maioria dos sistemas de controle em tempo real monitora um sistema físico, comparam o estado atual com o estado desejado e então simulam o sistema físico baseando-se nessa comparação. O tempo que leva para que essa malha execute é considerado o tempo de ciclo da malha. O tempo de ciclo da malha de controle varia, baseado na complexidade do sistema. O determinismo mede a consistência do intervalo de tempo especificado entre os eventos. Muitos algoritmos de controle, como o PID, requerem um comportamento muito determinístico. Por exemplo, um elevador move-se gradualmente para o andar correto por causa do comportamento determinístico da malha de controle. Sem o determinismo, o evelador chega ao andar correto, porém sem estabilidade. Em todos os sistemas de tempo real há uma quantidade de erro chamada jitter. O  jitter é outra maneira de medir o determinismo de um sistema de tempo real. Você pode calculá-lo como a diferença máxima entre qualquer atraso individual de tempo e o atraso de tempo desejado em um sistema, veja na figura 2.

tempo real deve responder a este evento dentro de um espaço de tempo garantido.  A latência é usada para descrever o tempo que leva para se responder a um evento. É similar ao determinismo em aplicações de controle em tempo real. Com resposta a eventos em tempo real, é garantido o pior caso de latência. Tecnologia de Tempo Real da National Instruments

Os módulos LabVIEW Real-Time e LabWindows™/CVI Real-Time são usados para se alcançar execução determinística confiável em hardware dedicado. Caso haja necessidade de um determinismo maior, o módulo LabVIEW FPGA, combinado

F1. Diferença entre tecnologia de tempo real Hard e Soft.

com um hardware que inclua tecnologia de entradas e saídas reconfiguráveis ( RIO – Reconfigurable I/O ) oferece resposta de hardware em nanossegundos. Use o conjunto de software da National Instruments para: • Desenvolver rapidamente aplicações determinísticas com programação gráfica ou ANSI C; • Criar facilmente controles distribuídos e sistemas de monitoração; • Eliminar o tempo gasto, integrando diversas entradas e saídas.  A National Instruments oferece uma variedade de hardwares de tempo real que contém um processador embarcado, executando um sistema operacional de tempo real para máxima confiabilidade e desempenho determinístico. É possível integrar uma vasta gama de entradas e saídas com hardware modular que possa ser expandido para atender a um grande número de canais para aquisição de dados e controle, condicionamento de sinais industriais e isolação segura. MA

F2. Um Exemplo de Diagrama de Jitter.

Resposta a eventos em Tempo Real

Com resposta a eventos em tempo real, é possível responder a um simples evento dentro de um dado espaço de tempo. O sistema de tempo real garante algum tempo máximo de resposta a um evento único. O evento pode ser tanto periódico quanto aleatório. Um exemplo de uma aplicação de resposta a um evento em tempo real é um sistema de monitoração de segurança. Se uma planta entra em um estado de perigo, o sistema de

F3. A Tecnologia de Tempo Real da National Instruments.

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instrumentação

Medição de Vazão:

a 3ª Grandeza Mais Medida nos Processos Industriais

Engº César Cassiolato [email protected] Engº Evaristo O. Alves [email protected]

 Apresentação de alguns aspectos mercadológicos atuais sobre a medição da vazão dos fluídos na Automação e Controle dos Processos Industriais

saiba mais

A

Manuais de Operação e Treinamento dos transmissores de pressão Smar: LD301, LD302, LD303 e LD400 Apresentações Transmissores de Pressão. César Cassiolato, Evaristo O.Alves, 2001-2011. Medição de Vazão Mecatrônica Atual 26 Artigos técnicos – César Cassiolato  www.smar.com/brasil2/ artigostecnicos/ Site do fabricante:  www.smar.com.br 

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vazão é a terceira grandeza mais medida nos processos industriais. As aplicações são amplas, desde aplicações simples como a medição de vazão de água em estações de tratamento e residências, até medição de gases industriais e combustíveis, passando por medições mais complexas. A escolha correta de um determinado instrumento para medição de vazão depende de vários fatores. Dentre estes, pode-se destacar: • exatidão desejada para a medição; • tipo de fluido: líquido ou gás, limpo ou sujo, número de fases; • condutividade elétrica, transparência; • condições termodinâmicas: por exemplo, níveis de pressão e temperatura nos quais o medidor deve atuar; • espaço físico disponível; • custo, etc.  Atualmente os medidores de fluidos (líquidos, gases e vapores) são de grande importância em um processo, pois são usados

para determinar as quantidades de produtos vendidos, comprados e transferidos entre fabricantes, transportadores e consumidores finais. Veja a fgura 1.  A medição de vazão de fluidos sempre esteve presente em nosso dia a dia.Por exemplo, o hidrômetro de uma residência, o marcador de uma bomba de combustível nos veículos, etc. Na História, grandes nomes marcaram suas contribuições. Em 1502 Leonardo da Vinci observou que a quantidade de água por unidade de tempo que escoava em um rio era a mesma em qualquer parte, independente da largura, profundidade, inclinação e outros. Mas o desenvolvimento de dispositivos práticos só foi possível com o surgimento da era industrial e o trabalho de pesquisadores como Bernoulli, Pitot e outros. Vejamos, inicialmente, alguns conceitos para entendermos melhor a medição de vazão.

instrumentação Como podemos definir vazão? Vazão pode ser definida como sendo a quantidade volumétrica ou mássica de um fluido que escoa através de uma seção de uma tubulação ou canal por unidade de tempo. Vazão Volumétrica

É definida como sendo a quantidade em volume que escoa através de certa secção em um intervalo de tempo considerado. As unidades volumétricas mais comuns são: m3/s, m3/h, l/h, l/min, GPM (galões por minuto), Nm3/h (normal metro cúbico por hora), SCFH (normal pé cúbico por hora), entre outras.

Q = V  t onde: V = volume; t = tempo; Q = vazão volumétrica.

F1. Variáveis de Processo.

Vazão mássica

É definida como sendo a quantidade em massa de um fluido que escoa através de certa secção em um intervalo de tempo considerado. As unidades de vazão mássica mais utilizadas são: kg/s, kg/h, t/h, lb/h.

Q m = m t onde: m = massa; t = tempo; Qm = vazão mássica. Conceitos físicos para medição de vazão Para medição de vazão se faz necessário rever alguns conceitos relativos a fluidos, pois os mesmos influenciam na vazão de modo geral. A seguir, os principais deles: Calor Específico

Define-se calor específico como o quociente da quantidade infinitesimal de calor fornecido a uma unidade de massa de uma substância pela variação infinitesimal de temperatura resultante deste aquecimento. Na prática, temos: A quantidade de calor necessária para mudar a temperatura de 1 grama de uma substância em 1ºC.

F2. Perfil de Velocidades em regime laminar.

Viscosidade

Observações: Na prática, se Re > 2.320,

É definida como sendo a resistência ao escoamento de um fluido em um duto qualquer. Esta resistência provocará uma perda de carga adicional que deverá ser considerada na medição de vazão.

o fluxo é turbulento, caso contrário é sempre laminar. Nas medições de vazão na indústria, o regime de escoamento é na maioria dos casos turbulento com Re > 5.000.

Número de Reynolds

Distribuição de Velocidade em um Duto Em regime de escoamento no interior de um duto, a velocidade não será a mesma em todos os pontos. Será máxima no ponto central do duto e mínima na parede do duto.

Número adimensional utilizado para determinar se o escoamento se processa em regime laminar ou turbulento. Sua determinação é importante como parâmetro modificador do coeficiente de descarga.

Re = vD υ

onde: v = velocidade (m/s); D = diâmetro do duto (m); 2 υ = viscosidade cinemática (m /s).

Regime Laminar

É caracterizado por um perfil de velocidade mais acentuado, onde as diferenças de velocidades são maiores. Observe a fgura 2.

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instrumentação Regime Turbulento É caracterizado por um perfil de velocidade mais uniforme que o perfil laminar. Suas diferenças de velocidade são menores.  Atente para a fgura 3. Tipos dos Medidores de Vazão Resumidamente, podemos classificar os medidores de vazão, segundo a tabela 1.

Equações para o Cálculo da Vazão  As equações para o cálculo da vazão podem ser obtidas genericamente para os três tipos de medidores apresentados. Aplica-se a Equação da Conservação da Massa, bem como a Equação da Conservação da Energia, sendo esta última na sua forma simplificada, que é a Equação de Bernoulli. Assim para o

F3. Perfil de Velocidade em regime turbulento. Tipos de medidores Características 1 Medidores indiretos utilizando I Perda de carga variável (área constante) fenômenos intimamente relacionados à quantidade de II Área variável (perda de fluído passante carga constante) 2 Medidores diretos de volume do fluido passante

3 Medidores especiais

T2. Comparação entre vários medidores de fluidos.

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Tubo Pilot; Tubo de Venturi; Annubar; Tubo de Dali; Placa de orifício Rotâmentro

I Deslocamento positivo Disco Nutante; Pistão Flutuante; do fluído Rodas ovais; Roots II Velocidade pelo impacto Tipo Hélice; Tipo Turbina do fluído Eletromagnetismo Vórtex Ultrassônico Calhas Parshall Coriolis

T1. Classificação dos medidores de vazão.

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Exemplos

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escoamento através de uma redução de área, considerando-o ideal e tomando uma linha de corrente entre os pontos 1 e 2, conforme a fgura 4.  A equação de Bernoulli aplicada ao escomento ideal, entre os pontos 1 e 2 da figura, resulta na equação seguinte: V 1 P1 v  P + + gz1 = 2 + 2 + gz 2 ρ ρ 2 2 onde o primeiro termo representa a energia cinética, o segundo a energia de pressão, proveniente do trabalho de escoamento, enquanto o terceiro termo representa a energia potencial. Idênticas parcelas existem do lado direito, para o ponto 2. Esta igualdade significa que a soma das três parcelas é uma constante ao longo de uma linha de corrente, não havendo perdas por atrito. Para o escoamento na posição horizontal, não há variação de energia potencial, sendo z1 = z2. Usando a equação da conservação da massa entre as seções 1 e 2, para o escoamento incompressível, tem-se que: V 1 A 1 = V 2 A 2 sendo A a área da seção transversal e β a razão entre os diâmetros do medidor e da tubulação, β = D2/D1 (ou d/D, conforme a notação), pode-se isolar uma das velocidades na equação de Bernoulli, obtendo-se a equação seguinte: V 2 =

2

P1 – P2 ρ

1–

 A 2  A 2

2 -1

instrumentação  A vazão pode ser então obtida, multiplicando-se esta velocidade pela respectiva área, equação. A vazão no caso é uma vazão ideal, pois foi obtida através da equação de Bernoulli, para o escoamento ideal. Q 1 = V 2 A 2 Tomando-se o caso mais extremo, em que o ponto 2 está situado sobre a vena contracta, pode-se definir um coeficiente de contração da veia principal, que é a razão entre a área da vena contracta A 2, e a área de passagem do medidor, A m. Assim:  A  C1 = 2  A m  A vazão real pode ser obtida multiplicando-se a vazão ideal por um coeficiente de correção Cv . Este coeficiente inclui as correções relativas à perda de energia entre os pontos 1 e 2, entre os quais se obtém o diferencial de pressão. Parte deste diferencial é decorrente da aceleração do escoamento e parte provém da perda de carga. Esta última age sempre no sentido de aumentar o diferencial, razão pela qual o valor de C v  é sempre inferior à unidade. Assim, tendo em conta estas correções e a área do medidor  Am, a equação para a vazão é dada por: Q 1 =

Cv Cc 1 - Cc

2

 A m

β4

O coeficiente Cc difere da unidade apenas na placa de orifício, quando as tomadas de pressão não são as de canto ( corner taps ). No caso deste tipo de tomada a vena contracta existe, mas a pressão está sendo lida junto à placa, de forma que a área A 2 pode ser considerada como a área do orifício Am. Em função da dificuldade de se determinar todos os coeficientes da equação, prefere-se ignorar o próprio Cc e introduzir os coeficientes C e K, de modo que esta equação assuma as seguintes formas: Q r = CQ 1 =

C 1-

β4

 A m

= KA m Medidores de Diferencial de Pressão

O princípio de funcionamento baseiase no uso de uma mudança de área de

F4. Escoamento com estrangulamento.

F5. Tipos de medidores de vazão mais utilizados.

escoamento, através de uma redução de diâmetro ou de um obstáculo, ou ainda através de uma mudança na direção do escoamento. Estas mudanças de área ou de direção provocam uma aceleração local do escoamento, alterando a velocidade e, em conseqüência, a pressão local. A variação de pressão é proporcional ao quadrado da vazão. São medidores já bastante conhecidos, normalizados e de baixo custo. Estima-se que abranjam 50% de utilização na medição de vazão de líquidos. São compostos de um elemento primário e um elemento secundário. O elemento primário está associado à própria tubulação, interferindo com o escoamento e fornecendo o diferencial de pressão. O elemento secundário é o responsável pela leitura deste diferencial e pode ser um simples manômetro de coluna líquida, em suas diferentes versões, ou até mesmo um transdutor mais complexo, com aquisição e tratamento eletrônico do valor de pressão lido. Tecnologias para medição de vazão no mercado

Existem inúmeras tecnologias para medição de vazão no mercado, mas sem dúvida, o “medidor com placa de orifício” ainda é o

mais usado pelo seu baixo custo associado ao grande conhecimento acumulado de décadas de aplicação. Isso significa, entre outras coisas, que todo profissional de automação ligado ao Controle de Processos pode eventualmente se deparar com um medidor desse tipo. É então conveniente conhecer seus princípios básicos de funcionamento. Além disso, ao longo de várias décadas o medidor com placa de orifício vem sendo aperfeiçoado para melhorar seu range, precisão e robustez. Diversos trabalhos práticos e acadêmicos estão disponíveis para auxiliar os profissionais que quiserem aplicar esse tipo de medidor. Veja a fgura 5 e a tabela  2 onde se tem a comparação entre diferentes tipos de medidores. Transmissor de Pressão Diferencial LD400 – Princípio de Funcionamento

 A Série LD400 de Transmissores Smar é baseada em sensores capacitivos, onde a pressão aplicada a diafragmas sensores faz com que se tenha uma variação da capacitância entre os mesmos e um diafragma central. Esta variação de capacitância é usada para variar a frequência de um oscilador que é

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instrumentação medida diretamente pela CPU e convertida em Pressão. Não existe conversão A/D o que contribui na exatidão e eliminação de drifts  embutidos nas conversões analógicas/digitais. A Smar possui a leitura digital desde a década de 80. Os sensores capacitivos são sensores muito confiáveis, com respostas lineares e praticamente insensíveis a variações de temperatura, sendo indicados em instrumentação e controle de processos, já que possuem excelentes performance em temperatura e pressão estática. Na figura 6, temos o diagrama funcional do transmissor de pressão diferencial.

• Lacre de carcaça para transferência de custódia e fiscal; • Ajuste local via sensor HALL; • Árvore de ajuste local simplificada; • Jumper de proteção de escrita; • Possibilidade de atualização de firmware  via memória  flash; • Limite de pressão de ruptura de 10000 psi; • Diagnósticos avançados: indicação de sensor em curto e aberto, falha do sensor em qualquer câmara, sensor desconectado, sobrepressão além do limite de aquisição, indicação de alguns diagnósticos no display , máxima e mínima temperatura, desvio de zero etc. LD400 – Características e Os transmissores de pressão microproBenefícios cessados possuem a grande vantagem de  A linha LD400 tem 2 Classes de exa- permitirem uma melhor interação com o tidão: usuário, com interfaces amigáveis. Além disso, • Modelo Standard: Exatidão de possuem características de auto-diagnose 0,06%; que facilitam a identificação de problemas. • Modelo Alta Performance: Exatidão Com o advento das redes  fieldbuses , podede 0,045%; se agora extrair ao máximo os benefícios da tecnologia digital. Estes transmissores • Ideal para aplicações em medição de vazão; possuem melhor exatidão, uma estabilidade • Minimiza o Erro Total Provável e eletrônica superior aos modelos analógicos, consequentemente a variabilidade do além de facilitarem ajustes e calibrações. processo;  A tecnologia digital também permite que • Ideal para aplicações em sistemas de poderosos algoritmos possam ser implemensegurança SIL2 e SIL3; tados a favor da melhoria de performance e • Por sua resposta linear, permite alta exatidão da medição e a monitoração online  rangeabilidade com exatidão; da vida do equipamento. • Rangeabilidade de 200:1; • Tempo de resposta de 35 ms (o transmis- Como especificar sore digital mais rápidos do mercado); Transmissores de Pressão? • Garantia de estabilidade de ± 0,2% do Especificações incompletas ou mesmo URL por 12 anos (modelo alta perfor- com dados inconsistentes são bastante mance); comuns na documentação para compra de • Supressor de transiente e anti-surge transmissores de pressão. À primeira vista, embutido; parecem ítens simples de projeto, porém são • Totalização bidirecional com persis- muitos os detalhes que, se não corretamente tência; especificados, poderão gerar um prejuízo • Alimentação sem polaridade (12 a na hora da montagem ou mesmo durante 50 Vcc) – previne erros de conexão e a operação, podendo este ser maior que os curto-circuito; valores dos equipamentos envolvidos. • Display  multifuncional; Este tópico procura esclarecer algumas • CPU de 16 bits, garantindo alta per- questões fundamentais no processo de espeformance; cificação de transmissores de pressão. Vale • Coprocessador matemático de alta lembrar que é importante ter os seguintes performance, o que garante alto de- conhecimentos: • princípios físicos da medição de pressempenho do transmissor; • Carcaça com as entradas das conexões são; • tipos de pressão que podem ser meelétricas na parte inferior e borneira resinada – protege contra corrosão e didas; • sensores e seu funcionamento; baixa isolação;

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• instrumentação industrial; • instalação e cuidados na operação e manutenção; • principais aplicações. O que se pretende medir?

Em geral mede-se: • Pressão manométrica; • Pressão absoluta; • Pressão diferencial; • Outras grandezas inferidas a partir de medições de pressão (vazão, nível, volume, força, densidade, etc). Vale ressaltar que as medições de pressões abaixo da atmosférica não necessariamente requerem transmissores de pressão absoluta. Os transmissores de pressão absoluta são recomendados apenas quando se quer evitar as influências das variações da pressão atmosférica. Essa influência só será crítica quando se mede pressões muito próximas (acima ou abaixo) da pressão atmosférica. Nos demais casos pode-se usar sem problemas transmissores de pressão manométrica. Para que medir pressão?

Em geral mede-se pressão para: • Controle ou monitoração de processos; • Proteção (segurança); • Controle de qualidade; • Transações comerciais de fluidos (transferências de custódia, medição fiscal); • Estudos e pesquisas; • Balanços de massa e energia. Esses objetivos devem ser considerados na escolha dos equipamentos. Quesitos mais rigorosos de desempenho tais como: exatidão, limites de sobre pressão e pressão estática, estabilidade e outros podem encarecer desnecessariamente o projeto. Todos os fabricantes em geral oferecem ao mercado mais de uma versão de transmissores com características técnicas distintas e obviamente com preços também distintos. Qual é o fluido do processo?

O fornecedor deverá ser informado das características do fluido. Em geral o fabricante poderá recomendar materiais ou conexões especiais. Vale lembrar que a decisão final será sempre do usuário ou da empresa de engenharia envolvida.  Alguns dados do fluido de processo são fundamentais na escolha do transmissor:

instrumentação • Estado (líquido, gás, vapor): Define a posição da válvula de dreno/vent; • Pressão máxima do processo: Importante para a avaliação dos limites de sobre pressão e pressão estática do transmissor; • Temperatura máxima do processo: Poderá ser determinante para o uso de selos remotos ou apenas manter uma distância mínima na linha de impulso (tubing ). Opcionais?  Alguns opcionais podem ser incluídos no fornecimento dos transmissores: • Indicador local - Esse item não tem um custo muito alto e é muito útil, pois não só permite a leitura da variável em unidades de engenharia (kgf/cm2, bar, mmH2O, Pa, psi, etc) como também facilita a configuração do transmissor quando não se dispõe de um configurador; • Manifold - A compra casada (transmissor + manifold) traz vantagens comerciais e evita qualquer incompatibilidade técnica na montagem; • Suporte para tubo de 2” - Esse item é quase obrigatório. Alguns suportes permitem também a montagem em superfícies planas. Recomenda-se especificar o suporte com pelo menos os parafusos e porcas em aço inox , garantindo-se uma melhor resistência à atmosferas corrosivas; • Prensa-cabos - Esse item pode ser encomendado junto com o transmissor. Recomenda-se porém, incluí-lo na compra do material de montagem, garantindo a compatibilidade com a bitola do cabo a ser utilizado. Protocolo de comunicação? Os protocolos de comunicação mais comuns são: • 4-20 mA+HART; • Foundation Fieldbus; • Profibus PA.  Alguns fabricantes oferecem ao mercado, transmissores que com a simples substituição da placa de circuito eletrônico ou apenas do firmware, o transmissor muda sua versão de protocolo, podendo ser usado em sistemas distintos. Os fabricantes também fornecem junto com os transmissores, CD’s com todos os

F6. LD400 – Diagrama Funcional.

arquivos (DD’s e DTM’s) de seus transmissores, garantindo a comunicação e interoperabilidade com os diversos sistemas de controle do mercado. Ferramentas especiais? Para os transmissores com protocolo Foundation Fieldbus ou Profibus PA não serão necessários configuradores portáteis, uma vez que a própria ferramenta de configuração das redes, geralmente instalada nos computadores de supervisão ou em alguma estação de engenharia, é também capaz de acessar e configurar os instrumentos. Para os projetos convencionais (4-20mA+HART), recomenda-se a aquisição de um configurador portátil (hand held). Em alguns transmissores, a configuração poderá ser feita diretamente nos instrumentos, com uso de recursos como chave magnética ou botoeiras locais. Pré-configurações? Nos transmissores convencionais (420mA+HART) é possível solicitar ao fabricante, em geral sem custos adicionais, algumas pré-configurações: • Extração de raiz quadrada; • Faixa calibrada; • Indicação no display em unidades de engenharia (pressão); • Indicação no display em unidades especiais, por exemplo: m3/h , l/h, m3. Nesse caso deve-se informar previamente a unidade e a escala. Certificações? É comum o usuário solicitar ao fabricante certificados de calibração emitidos por laboratório rastreado pela RBC. Os fabricantes sempre fornecem certificados padronizados que são gerados e emitidos durante a fase de fabricação dos instrumentos. Outros certificados de calibração, quando emitidos por laboratório de metrologia rastreado pela

RBC, podem demandar em maior prazo de entrega e em geral resultam em custos adicionais. Outra certificação importante deve ser observada quando se usa transmissores em área classificadas. Os projetos de instrumentação para esses casos adotam normas atendendo: prova de explosão, segurança aumentada ou segurança intrínseca. Os certificados são distintos e é responsabilidade do usuário sua correta utilização. O mesmo vale para SIS, Sistemas Instrumentados de Segurança. Um transmissor de pressão especificado para áreas críticas, isto é, para a função de segurança, é um equipamento projetado com probabilidades de falhas baixas e alta confiabilidade de operação. No mercado existem dois conceitos.Um que é o baseado no “Prove in Use” e outro baseado na certificação da IEC 61508. Tem-se visto na prática em muitas aplicações a especificação de equipamentos com certificação SIL para serem utilizados em sistemas de controle, e sem função de segurança. Acredita-se também que haja no mercado desinformação, levando a compra de equipamentos mais caros, desenvolvidos para funções de segurança, onde na prática serão aplicados em funções de controle de processo, onde a certifição SIL não traz os benefícios esperados, dificultando inclusive a utilização e operação dos equipamentos. Os Sistemas Instrumentados de Segurança (SIS) são os sistemas responsáveis pela segurança operacional e que garantem a parada de emergência dentro dos limites considerados seguros, sempre que a operação ultrapassa estes limites.O objetivo principal é se evitar acidentes dentro e fora das fábricas, como incêndios, explosões, danos aos equipamentos, proteção da produção e da propriedade e mais do que isto, evitar riscos de vidas ou danos à saúde pessoal e impactos catastróficos para a comunidade.

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instrumentação Nenhum equipamento é totalmente imune a falhas e sempre deve proporcionar mesmo em caso de falha, uma condição segura. Os transmissores certificados de acordo com a IEC 61508 devem tratar basicamente 3 tipos de falhas: falhas de hardware randômicas, falhas sistemáticas, falhas de causas comuns.

O que o usuário deve saber sobre Transmissores com certificação SIL e por que eles não são a melhor opção para controle e monitoração? Nenhuma mudança de configuração, simulação, multidrop ou teste de loop pode ser feita com o equipamento em operação normal (isto é, exigindo segurança). Nestas condições a saída não está em condição de ser avaliada seguramente. Ou seja, um equipamento HART/4-20mA com certificação SIL2, não estará com nível SIL caso a comunicação HART esteja habilitada e possibilitando escritas. Na condição segura deve estar com a proteção de escrita desabilitada. Nenhum ajuste local pode ser realizado (Ajuste local deve ser desabilitado). Nada é totalmente seguro. O que se busca é reduzir a probabilidade de ocorrência de falhas. Em caso de falha , esta deve ser segura, isto é, ela pode ser identificada e permitir ações corretivas.

Conexões especiais? Em aplicações com fluidos agressivos, temperatura ou viscosidade alta, sólidos em suspensão, recomenda-se o uso de transmissores com selos remotos ou integrais (os transmissores com selos integrais são chamados de transmissores de nível). Devese, sempre que possível, evitar o emprego de selos, pois estes degradam a exatidão da medição, aumentam o tempo de resposta do transmissor e sofrem grande inf luência da temperatura ambiente. A calibração de transmissores com selos remotos requer cuidados especiais, pois não só a posição do transmissor, mas a densidade do fluido de enchimento são fatores a serem considerados. Os selos com conexões flangeadas deverão ser compatíveis com os flanges de processo e respeitar as classes de pressão estabelecidas nas tabelas de pressão e temperatura das respectivas normas.

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Faixa de pressão/rangeabilidade? Os fabricantes adotam uma terminologia padronizada que precisa ser conhecida: • URL Limite superior para a faixa de calibração; • LRL Limite inferior para a faixa de calibração (em geral LRL = - URL); • URV valor superior da faixa calibrada (deverá ser menor ou igual à URL); • LRV valor inferior da faixa calibrada (deverá ser maior ou igual à LRL); • SPAN URV – LRV ( deverá ser maior que o SPAN mínimo do instrumento); • A relação URL / SPAN mínimo define a rangeabilidade do instrumento. Os catálogos dos fabricantes em geral mostram os valores de URL , LRL, e SPAN mínimo para as diversas faixas dos transmissores. Pode-se observar que o SPAN mínimo de uma determinada faixa será sempre maior que o URL da faixa imediatamente inferior. Por exemplo: Faixa 4 - URL: 25 kgf/cm2 ; Span mínimo: 0,21 kgf/cm 2 ; limites de sobrepressão ou pressão estática: 160 kgf/cm 2 ; Faixa 5 - URL: 250 kgf/cm 2 ; Span mínimo: 2,1 kgf/cm 2 ; limites de sobrepressão ou pressão estática: 320 kgf/cm 2. Para uma aplicação com faixa calibrada: 0 a 20 kgf/cm 2, é possível usar o faixa 4 ou mesmo o faixa 5. Deve-se entretanto escolher sempre o de faixa inferior. Todas as especificações de estabilidade, efeito da temperatura, efeito da pressão estática são determinados com valores percentuais de URL. Um exceção para essa escolha se dá quando os limites de sobrepressão ou pressão estática podem ser atingidos. No exemplo acima esse limite é de 160 kgf/cm 2 para o faixa 4 e 320 kgf/cm 2 para o faixa 5.

Recursos funcionais  Alguns transmissores possuem recursos funcionais bastante interessantes. Para os transmissores com protocolo Foundation Fieldbus, é importante conhecer a biblioteca de blocos funcionais disponível. O usuário deve se informar não apenas sobre a diversidade desses blocos, como também sobre a política de comercialização desses recursos. Alguns fabricantes fornecem o instrumento com alguns blocos básicos e cobram adicionais para inclusão de blocos

avançados. Importante é também se informar sobre a quantidade de blocos que podem ser processados em um único transmissor. Este limitante pode ser crítico em projetos com malhas de controle mais complexas. Para os transmissores convencionais (4-20 mA+HART) é possível também o uso de funcionalidades adicionais:

Controle PID Nessa configuração o transmissor realiza o algoritmo PID, comparando a variável do processo com um setpoint pré-ajustado e gera o sinal de saída de corrente para conexão direta ao posicionador da válvula de controle. Esse recurso é válido para malhas simples de controle e que não necessitam de intervenções do operador (sempre em automático com set point constante).

Totalização de vazão O transmissor de pressão diferencial quando usado em medições de vazão pode ser configurado para indicação local da vazão totalizada, além da instantânea. Na fgura 7 mostramos o D.B. e funções do transmissor de pressão 4-20 mA+HART.  A performance estática ou exatidão (muitas vezes confundida com precisão, onde exatidão está associada à proximidade do valor verdadeiro e precisão à dispersão dos valores resultantes de uma série de medidas) de um transmissor de pressão depende de quão bem calibrado é o transmissor e quanto tempo ele pode manter sua calibração.  A calibração de um transmissor de pressão envolve o ajuste de zero e span.A exatidão normalmente inclui efeitos de não-lineraridade, histerese e repetibilidade. Normalmente a exatidão é dada em % do span calibrado. Exemplos de medição de vazão com transmissor de pressão diferencial são vistos nas fguras 8 e 9.

Curiosidade: O mercado mundial de transmissores de pressão Hoje nos processos e controles industriais, somos testemunhas dos avanços tecnológicos com o advento dos microprocessadores e componentes eletrônicos, da tecnologia Fieldbus, o uso da Internet, etc., tudo facilitando as operações, garantindo otimização e performance dos processos e segurança

instrumentação operacional. Este avanço permite hoje que transmissores de pressão, assim como os de outras variáveis, possam ser projetados para garantir alto desempenho em medições que até então utilizam somente a tecnologia analógica. Os transmissores usados até então(analógicos) eram projetados com componentes discretos, susceptíveis a drifits  devido à temperatura, condições ambientais e de processo, com ajustes constantes através de potenciômetros e chaves. Com o advento da tecnologia digital, a simplicidade de uso também foi algo que se ganhou. Os transmissores de pressão são amplamente utilizados nos processos e aplicações com inúmeras funcionalidades e recursos. Como podemos ver na figura 1, a grande maioria dos processos industriais envolvem medições de vazão. Segundo a ARC – Advisory Group, o mercado mundial de transmissores de pressão em 2006 foi de 2,38 bilhões de dólares e tem como previsão, 2,8 bilhões em 2013.  Ainda vale citar os transmissores para aplicações SIS, Sistema Instrumentado de Segurança, assim como os transmissores wireless que começam a ser utitlizados em algumas aplicações.  A Smar está finalizando o desenvolvimento de seus transmissores de pressão  WirelessHART e ISA-SP100 e em breve os disponibilizará ao mercado. Para aplicações SIS, a Smar disponibiliza seus transmissores da linha LD400-HARTSIS. Para mais detalhes, consulte: www.smar. com/PDFs/catalogues/ld400cp.pdf 

F7. Diagrama de blocos e funções de transmissor de pressão 4-20mA+HART.

F8. Medição de vazão usando tubo de Pitot.

Conclusão

Este artigo nos mostrou um pouco da história da medição de vazão, sua importância na automação e controle de processos, peculiaridades e características, aliados aos avanços tecnológicos nos transmissores de vazão. Vimos também um pouco sobre o mercado e sua tendência de crescimento e os cuidados referentes às instalações, às especificações e terminologias adotadas para transmissores. MA

F9. Medição de vazão usando placa de orifício.

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conectividade

Entendendo as Reflexões em Sinais Profibus  Apesar de muito simples, a tecnologia do meio físico mais utilizada no Profibus-DP, a RS-485, ainda vemos alguns detalhes em campo que poderiam ser evitados e que poderiam diminuir o tempo de comissionamento e  startup e evitar as condições de intermitências e paradas indesejadas durante a operação. Trataremos brevemente sobre reflexões de sinais neste artigo. César Cassiolato Diretor de Marketing, Qualidade e Engenharia de Projetos e Seviços - Smar Equipamentos Industriais

saiba mais Minimizando Ruídos em Instalações PROFIBUS Mecatrônica Atual 46 Raio de Curvatura Mínima e Instalações PROFIBUS Mecatrônica Atual 47 Aterramento, Blindagem, Ruídos e dicas de instalação - César Cassiolato EMI: Interferência Eletromagnética - César Cassiolato Material de Treinamento e artigos técnicos Profibus - César Cassiolato Especificações técnicas e Guias de Instalações Profibus:  www.smar.com/brasil2/ artigostecnicos/ Site do fabricante:  www.smar.com.br 

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O meio físico RS-485 Neste padrão temos dois canais independentes conhecidos como A e B, que transmitem níveis de tensão iguais, porém com polaridades opostas (V OA  e V OB ) ou simplesmente V  A  e V B. Por esta razão, é importante que a rede seja ligada com a polaridade correta. Embora os sinais sejam opostos, um não é o retorno do outro, isto é, não existe um loop de corrente. Cada sinal tem seu retorno pela terra ou por um terceiro condutor de retorno, entretanto, o sinal deve ser lido pelo receptor de forma diferencial sem referência ao terra ou ao condutor de retorno. Quanto ao aterramento neste sistema de comunicação, esta é a grande vantagem do sinal diferencial: note, na figura 1a, que o sinal está trafegando com fases invertidas nos condutores do cabo enquanto o ruído trafega com mesma fase. Nos terminais de entrada do amplificador diferencial, o sinal de comunicação Profibus chega em modo diferencial e o ruído em modo comum, rejeitando-o. Sendo assim, todo ruído que for induzido no cabo, em geral de origem eletromagnética, será em sua maioria rejeitado. Linhas de transmissão diferenciais utilizam como informação apenas a diferença de potencial existente entre os dois condutores do par trançado, independente da diferença de potencial que eles apresentam em relação ao referencial de tensão (comum ou terra). Figura 1b. O que é reflexão de sinal?  A reflexão do sinal ocorre quando um sinal é transmitido ao longo de um meio de transmissão, tal como um cabo de cobre ou

conectividade

Atenção:

Sempre que possível, consulte a norma EN50170 para as regulamentações físicas, assim como as práticas de segurança de cada área. É necessário agir com segurança nas medições, evitando contatos com terminais e fiação, pois a alta tensão pode estar presente e causar choque elétrico. Lembre-se que cada planta ou sistema tem seus detalhes de segurança. Informe-se sobre esses detalhes antes de iniciar o trabalho! Para minimizar o risco de problemas potenciais relacionados à segurança, é preciso seguir as normas de segurança e de áreas classificadas locais aplicáveis que regulam a instalação e operação dos equipamentos. Estas normas variam de área para área e estão em constante atualização. É responsabilidade do usuário determinar quais normas devem ser seguidas em suas aplicações e garantir que a instalação de cada equipamento esteja de acordo com as mesmas. Uma instalação inadequada ou o uso de um equipamento em aplicações não recomendadas podem prejudicar a performance de um sistema e consequentemente a do processo, além de representar uma fonte de perigo e acidentes. Devido a isto, recomenda-se utilizar somente profissionais treinados e qualificados para instalação, operação e manutenção.

A

B

F1. Sinal Profibus-DP – RS-485 (A) e Rede Profibus-DP – RS-485 (B).

fibra óptica, e parte da energia do sinal pode ser refletida de volta para sua origem. Isso pode acontecer por imperfeições no cabo, mudança de impedância ao longo da linha de comunicação (splices ), falta do terminador, spur além do permitido, comprimento total além do permitido, etc. Os pontos mais prováveis para reflexões são nas conexões ou junções do cabo, ou ainda em locais onde se tem violada a curvatura mínima do cabo. Acompanhe agora as figuras 2a e 2c. Observe na figura 2c que, quanto maior for a taxa de comunicação, maior será a influência da reflexão, pois o tempo de bit  é menor.

Curvatura mínima Flexão, alongamento, torções, esmagamentos durante o processo de instalação do cabo Profibus podem forçar os condutores, ou mesmo alterar suas seções transversais. Isso perturba o eixo comum dos condu-

tores e blindagem, e mostra-se como uma mudança na impedância no ponto de stress  do cabo. Através da captura de sinais, estes pontos podem ser facilmente identificados pelas reflexões nos sinais. Em todos os casos, o raio mínimo especificado refere-se à superfície interna do cabo, e não ao eixo do cabo. Veja a figura 3.  A figura 4 mostra um exemplo de instalação onde a curvatura mínima foi violada e com isto o sinal Profibus se comporta como o da figura 5. Frequentemente, os danos não são visíveis e a própria isolação e integridade do cabo podem ficar comprometidas.  A figura 6 apresenta um diagrama de uma linha básica de transmissão “singleended”. Uma fonte de tensão (Vs) gera uma sinal digital com uma impedância Zs.  A linha de transmissão tem a impedância  AC (Z0) em relação ao terra e, no final do cabo tem-se a impedância (Z T), casadora de impedância. No caso do Profibus, temos o terminador no ínicio e término de cada

segmento, garantindo a melhor condição de sinais.

O que é um terminador de rede? O terminador é uma impedância que se acrescenta na rede Profibus com a função de casar a impedância da rede. Quanto maior for o comprimento da rede, maior poderá ser a distorção dos sinais. O terminador elimina erros de comunicação por distorções de sinais. Vale a pena ainda lembrar que se não colocarmos o terminador, o cabeamento funciona como uma antena, facilitando a distorção de sinais e aumentando a susceptibilidade a ruídos.  A impedância característica é o valor da carga, que colocada no final desta linha, não reflete nenhuma energia. Ou, em outras palavras, é o valor da carga que proporciona um coeficiente de reflexão zero, ou ainda, uma relação de ondas estacionárias igual a um.

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conectividade

Se não há os terminadores no segmento Profibus, o sinal resultante na carga é distorcido no tempo ( jitter ) e amplitude (oscilações). Toda vez que a geometria do cabo for alterada resultará em desequilíbrios de impedância e haverá reflexões resultantes. Tanto a rede Profibus-DP quanto a rede Profibus-PA exigem os terminadores. É obrigatório o uso dos terminadores de barramento, onde sua ausência causa o desbalanceamento, provocando atraso de propagação, assim como a oscilações ressonantes amortecidas causando transposição dos níveis lógicos (thresholds ). Além disso, melhora a margem de ruído estático. No

A

B

F3. Raio de Curvatura Mínimo. C

F2. Sinal Profibus sem reflexão (à esq.) e com reflexão por falta de terminador (à dir.) em “A”, Sinal Profibus com reflexão por splices na instalação (à esq.) e sem reflexão (à dir.) em “B“ e Sinal Profibus com reflexões em diferentes “baud rates” em “C“.

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F4. Exemplos de Curvaturas Mínimas Inadequadas e de Cabos Danificados.

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Profibus-DP os terminadores são ativos, isto é, são alimentados. Veja a figura 7. Há a necessidade da terminação ativa no barramento, no começo e no fim de cada segmento, e para manter a integridade do sinal de comunicação, ambos terminadores devem ser energizados. Vide figura 8. No Profibus-PA, deve-se ter terminadores no barramento (resistor de 100 ohms e um capacitor de 1 μF em série), um no início e outro no final. Não se deve ligar a blindagem ao terminador e sua impedância deve ser 100 ohms +/-20% entre 7,8 e 39 kHz. Este valor é aproximadamente o valor médio da impedância característica do cabo nas frequências de trabalho e é escolhido para minimizar as reflexões na linha de transmissão, assim como para converter o sinal em níveis aceitáveis de 750 a 1000 mV. Preste atenção na figura 9. Os cuidados necessários com os terminadores na rede Profibus-DP

Pelo fato dos terminadores serem ativos, um erro comum que se comete é colocar como escravo DP as estações de trabalho

F5. Sinal Profibus com reflexão devido à violação da curvatura mínima do cabo.

onde, em uma queda de energia ou reset do microcomputador, as linhas de alimentação balançam, desbalanceando a rede e causando intermitência e paradas indesejadas. Conclusão

Como o Profibus e o AS-i são tecnologias consolidadas em milhares de aplicações em todo o mundo, é essencial que os projetos de sistemas de automação que utilizam estas tecnologias possam contar com profissionais

F6. Diagrama de uma linha de transmissão básica (single-ended).

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conectividade

F7. Terminador de barramento Profibus-DP.

F8. Terminador ativo de barramento Profibus-DP.

altamente capacitados e reconhecidos para garantir o sucesso do empreendimento.  Assim, a Smar possui a maior equipe do Brasil capacitada para análise de redes digitais de automação, configuração, comissionamento, startup e instalações. São milhares de pontos Profibus e AS-i certificados e verificados pela Smar em várias aplicações e nos mais diversos segmentos industriais, garantindo, além da conformidade com os padrões, vantagens como: • aumento do desempenho e confiabilidade da rede; • redução no tempo de comissionamento, startups e paradas; • atuação preventiva e preditiva nas possíveis falhas em instalações e sinais de comunicação; • aumento da segurança operacional com as melhorias sugeridas; • elevação da performance operacional e redução dos custos globais de operação e manutenção, entre outros. Com a Smar, o cliente tem acesso a relatórios detalhados das informações e análises técnicas, mostrando os pontos em desacordo com os padrões, as correções necessárias e MA as sugestões de melhorias. Nota: Este artigo não substitui os padrões IEC 61158 e IEC 61784 e nem os perfis e guias técnicos do PROFIBUS. Em caso de discrepância ou dúvida, os padrões IEC 61158 e IEC 61784, perfis, guias técnicos e manuais de fabricantes prevalecem. Sempre que possível, consulte a EN50170 para as regulamentações físicas, assim como as práticas de segurança de cada área.

Para informações sobre certificação de redes Profibus e AS-i, consulte:  ww w. smar.com/brasil2/especialistas_profibus.asp César Cassiolato é Engenheiro Certificado na Tecnologia PROFIBUS e Instalações PROFIBUS pela Universidade Metropolitan de Manchester-UK. [email protected]

F9. Forma de onda típica na rede PA e a influência dos terminadores.

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automação

Controladores de temperatura PID Neste artigo, cujo foco central são os Controladores de Temperatura PID - um tipo de controlador contínuo que combina três modos de controle: proporcional, integral e derivativo - apresentamos também uma introdução geral ao controle de processo nas aplicações industriais Filipe Pereira [email protected]

saiba mais Curso de Automação Industrial  – Paulo Oliveira - Edições Técnicas e Profissionais Manual de Formação. Eng.º Filipe Alexandre de Sousa Pereira Catálogos OMRON  www.omron.pt

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Controle de processos Para se analisar, de uma forma eficaz, os elementos de uma linha de produção industrial é necessário ter uma compreensão global dos princípios de controle de processos. A partir daí, pode-se descrever a forma como cada elemento em particular afeta o problema do controle global. Este ponto faz uma introdução geral ao controle de processos nas aplicações industriais. Os elementos de um sistema complexo são mais facilmente compreendidos se primeiro se considerar a operação do sistema global. Como é óbvio, seria muito frustrante estudar todos os elementos de um automóvel sem saber antes que o resultado é um veículo de transporte com determinadas características. Por esta razão, iremos analisar a malha total de controle de processos, a sua função e a respectiva descrição das partes que a constituem.

Algoritmo de controle de processos  Atualmente existe uma enorme variedade de equipamentos que, combinados, constituem cadeias de controle adaptadas aos inúmeros problemas de controle e a um grande número de processos. O controle de sistemas é a regulação dos parâmetros de um processo para estarem dentro de uma determinada faixa de operação, ou para estarem de acordo com um ponto pré-definido. O controle é utilizado para monitorar, analisar e corrigir parâmetros do processo através da análise das características dinâmicas dos sistemas. Variável de processo ( PV ) é a variável medida do processo que se deseja estabilizar. Um exemplo de variável de processo é a temperatura que se mede de um sistema através de uma RTD ou termopar.

automação Setpoint (SP) é o ponto de funcionamento desejado para o sistema: ele costuma ser um valor pré-fixado pelo operador. Um exemplo de setpoint  é o valor que um operador estabelece de temperatura para uma seção industrial. Erro (E) é a diferença que existe entre a variável de processo e o setpoint , ou seja E = SP-PV . Variável de controle (CV ) é o elemento que vai ser atuado pelo controlador para condicionar a variável de processo ao valor indicado pelo setpoint . Um exemplo de uma variável de controle é uma resistência que vai condicionar a temperatura. Distúrbio ou ruído é o sinal que tende a afetar de forma adversa o valor da variável de controle. Sistema de controle em malha aberta é o sistema no qual a ação de controle é independente da saída, ou seja, a saída do controlador não tem efeito na ação de controle. Sistema de controle em malha fechada é aquele no qual a ação do controle depende da saída. Neste caso, a saída é sempre medida e comparada com a entrada por forma a diminuir o erro e manter a saída do sistema dentro do valor desejado. Realimentação é uma característica dos sistemas de controle em malha fechada e que permite comparar a entrada com a saída do sistema. Quando a realimentação se faz com o objetivo de eliminar o defasamento entre o valor desejado para o processo e o valor deste, diz-se que a realimentação é negativa. Diz-se que um controlador está em ação direta quando um aumento na variável de processo, em relação ao setpoint , provoca um aumento da saída de controle. Diz-se que um controlador está em ação inversa quando um aumento na variável de processo, em relação ao setpoint , provoca uma diminuição da saída de controle. Veja a figura 1. Para ilustrar o funcionamento de um controle em malha fechada, considere-se um sistema que utiliza vapor quente para controlar a temperatura em um depósito. Observe a figura 2.  A temperatura do depósito deverá ser mantida em 150ºC (SP). Como a variável temperatura está condicionada pelo tempo, é chamada de variável de processo (PV).  A quantidade de vapor que entra no depósito para controlar a temperatura é

F1. Controle em malha fechada.

F2. Controle.

chamada de variável de controle (CV) e a válvula que controla a quantidade de vapor, que entra no depósito para o aquecer, de elemento de controle. Se a temperatura lida do processo for inferior ao setpoint  dado pelo operador, o controlador dará informação à variável de controle (CV) para abrir a válvula, permitindo a entrada de mais vapor e, consequentemente, aumentar a temperatura dentro do depósito. Se a temperatura não for para o valor de setpoint desejado, o controlador repetirá este processo até que a temperatura do processo (PV) esteja o mais próximo possível do ponto desejado pelo operador (SP).  A diferenç a entre a temperatura do processo e a temperatura que para ele se deseja designa-se por erro que, dependendo do estado da variável de processo, pode ser negativo ou positivo.

 Assim, se a temperatura do processo for superior ao valor desejado, o erro (E) é negativo e vice-versa. Quando o erro é igual a zero, diz-se que o processo está regulado. Um controlador pode ser caracterizado pelo seu sinal de saída. Desta forma irão abordar-se dois tipos de controladores: os discretos e os contínuos. Atente para a figura 3. Os controladores discretos têm saídas do tipo On/Off, ou descontínuas. Nos controladores contínuos o sinal de saída é do tipo contínuo. Devido à natureza do seu sinal, os controladores discretos produzem no sistema a controlar uma estabilidade condicionada, ou seja, o erro do sistema oscilará entre dois valores pré-determinados, criando, na estabilidade, uma senoide de amplitude reduzida.

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F3. Controle discreto e controle contínuo.

F4. Controle do aquecimento da água num termoacumulador.

F5. Análise do controlador e variável a controlar.

F6. Controlador proporcional.

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Este tipo de controlador é o mais básico de todos os controladores, uma vez que fornece somente sinais do tipo On/Off  ao elemento de controle. Estes controladores são utilizados em sistemas onde o controle não tem de ser eficaz, por exemplo, na temperatura de uma habitação, onde através do termostato se insere um valor desejado para a temperatura (com um valor superior o aquecedor desliga-se, e com um valor inferior o aquecedor liga).  Acompanhe a figura 4. Se o aquecimento tiver uma banda morta, significa que o termostato não acionará o aquecedor quando a temperatura descer imediatamente abaixo do setpoint, mas sim num valor abaixo. Se a banda morta do aquecimento for de 4ºC e o setpoint da temperatura for de 70ºC, o aquecimento só ligará abaixo dos 70ºC-2ºC=68ºC e só se desligará acima dos 70ºC+2ºC =72ºC.  A ação da banda morta evita essencialmente o desgaste excessivo (liga/desliga) do elemento de controle que, neste caso, é o termostato. O controlador acima referido tem uma ação inversa no processo, ou seja, quando a temperatura desce abaixo do setpoint ,menos a banda morta, o controlador aumenta a sua saída para 100% (On) e quando a temperatura sobe acima do setpoint mais a banda morta, o controlador diminui a sua saída 0% (Off). Veja a figura 5. Nos sistemas, quando se adiciona uma banda morta, para aumentar o tempo de vida útil do termostato, o erro do sistema aumenta. Se a banda morta do sistema for diminuída, o erro do sistema também diminuirá mas tornará o sistema mais oscilatório, uma vez que o “liga/desliga” do sistema terá uma frequência maior. Deverá existir neste tipo de controladores um compromisso entre o erro provocado pela banda morta e a frequência de ativação do elemento de controle neste caso, o termostato. Um controlador contínuo envia um sinal analógico para o elemento a controlar, para regular a variável de processo. Nos sistemas com CLPs, o controlador contínuo terá de ter dispositivos especiais (cartas de entradas e saídas analógicas) com rotinas de programação específicas para controlar o processo.

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F8. Tipos de controle.

F7. Aquecimento e Arrefecimento.

Os controladores contínuos podem controlar os processos de três formas distintas: • Controle Proporcional (P); • Controle Integrativo (I); • Controle Proporcional Integral (PI); • Controle Derivativo (D); • Controle Proporcional Integral Derivativo (PID). Estes três modos de controle são também designados de ações de controle, cada uma delas reagindo de forma distinta ao erro presente nos sistemas. O controle proporcional ajusta a variável de controle de forma proporcional ao erro. O controle integral ajusta a variável de controle baseando-se no tempo em que o erro acontece. O controle derivativo ajusta a variável de controle tendo como base a taxa de variação do erro. A combinação destes tipos de controle forma o controlador conhecido na indústria como PID. Quando o processo se desvia do setpoint , a variável de controle executa um movimento brusco de On para Off, provocando uma oscilação. Para evitar este tipo de movimento foi desenvolvido um controlador proporcional ao desvio entre o setpoint e o valor do processo. Observe o gráfico na figura 6.

F9. Controle de temperatura em malha fechada.

F10. Controle em malha fechada.

O que é o controle de temperatura? Consiste em alterar a temperatura ambiente para a temperatura desejada através do: aquecimento ou arrefecimento. Acompanhe na figura 7. Mantendo, assim, a temperatura nos valores desejados.  A seguir, apresentamos alguns tipos de controle na figura 8: de Malha Aberta e de Malha Fechada. No primeiro deles, o ajuste da variável manipulada é feito sem consideração do valor do processo. Já, no segundo modelo sim, conforme esclarece o diagrama de blocos dessa figura.

Controle de Temperatura - Malha Fechada  A temperatura é medida através de um sensor para obter o valor do processo (PV). O utilizador especifica qual a temperatura pretendida (SV), ou o Setpoint  (SP). O controlador compara o SV com o PV  e ajusta a saída através de um relé, contator ou SSR, atuando no processo (figura 9). Controle em Malha Fechada Observe a figura 10. Nesse diagrama básico temos o elo de realimentação da temperatura real (PV) para a entrada do controlador através de uma sonda (sensor).

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F11. Processo a controlar.

F12. Controle do sistema.

Aplicações para o Controle de Temperatura Indústria Vidreira; Indústria de Plásticos; Padarias; Estufas Agrícolas; Indústria Química; Indústria Cerâmica; Etiquetagem; Indústria Automobilística; Indústria do Papel; Indústria Alimentar; Indústria de Bebidas; Refrigeração.

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Controle PID – Descrição Objetivo: Pretende-se aquecer e controlar a temperatura em 90 ºC, utilizando o controle PID do sistema descrito na figura 11. Para tal pretende-se utilizar o controlador de temperatura E5CN da OMRON. Veja a solução esquemática na figura 12, onde aparecem com destaque o sensor de temperatura e a saída do controle através MA dos contatos NC e NO de um relé.

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Modulação PWM nos Inversores de Frequência Este artigo abrange uma descrição da modulação PWM aplicada ao inversor de frequência, buscando analisar os efeitos desta técnica sobre a rede elétrica de alimentação do motor. A  abordagem em questão é realizada de maneira simplificada,  visando um entendimento básico sobre o assunto.

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saiba mais O que é PWM? Revista Mecatrônica Fácil 45

CORTIZO, Porfírio C. Fontes de  Alimentação CC-CA. Grupo de Eletrônica de Potência da UFMG. Disponível em: http://www.cpdee. ufmg.br/~porfirio /Fontes CC CA/ comando igbt.ppt Acesso em 30/04/11 FITZGERALD, A. E.; KINGSLEY  JR, Charles; UMANS, Stephen D.  Máquinas Elétricas com Introdução à Eletrônica de Potência. 6ª Ed. Porto Alegre: Bookman, 2006. POMILIO, José A. Conversores CCCA: Inversores Operando em Frequência Constante. EE833 – Eletrônica de Potência, Módulo 6, FEEC – UNICAMP. Disponível em: http://www. dsce.feec.unicamp. br/~antenor/ pdffiles/ee833/Módulo 6.pdf. Acesso em 30/04/2011. Mecatrônica Atual :: Continua no fim do artigo... 40

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s inversores de frequência constituem-se como grandes aliados no acionamento de máquinas elétricas. A evolução tecnológica deste equipamento contribuiu significativamente para torná-lo preferível em diversas aplicações. Uma técnica muito utilizada na estrutura de funcionamento de um inversor para a regulagem da frequência de operação é a modulação tipo PWM, simples e eficiente para esta necessidade.

Paulo Antonio dos Santos e Denis F. Ramos da Universidade de Taubaté - UNITAU Francisco José Grandinetti e Marcio Abud Marcelino da Universidade de Taubaté - UNITAU Univ. Estadual Paulista - UNESP/FEG

• O link CC , formado por capacitores para manter a tensão CC polarizada, relativamente constante e sem flutuações; • O estágio conversor CC-CA, formado por uma ponte de dispositivos de chaveamento (representados por chaves ideais na figura 1), para reproduzir o sinal CA. O conversor CC-CA é operado por um módulo de controle , que determinará a abertura Inversor de frequência e o fechamento das chaves para reproduzir É um equipamento destinado a realizar o sinal CA. Neste momento, também é a conversão de uma rede de corrente contínua possível variar a frequência do sinal de saída (CC) para uma rede de corrente alternada para regular a velocidade do MIT. (CA), com possibilidade de variação da Na prática, as chaves ideais são substituídas frequência do sinal. Esta variação é muito por semicondutores de potência que exercem utilizada para controlar a velocidade de a mesma função de chaveamento, tais como motores CA, principalmente os motores de  tiristores , e transistores MOSFET ou BJT . O indução (MITs). dispositivo mais utilizado para o chaveaO esquema básico de um inversor trifásico mennto é o transistor bipolar de porta isolada , está representado na figura 1. Observa-se a ou IGBT (do inglês Insulated-Gate Bipolar  Transistor ), que combina as características composição de três estágios de potência: • O estágio conversor CA-CC , formado do BJT e do MOSFET. Os semicondutores pela ponte retificadora a diodos; comuns estão ilustrados na figura 2.

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F1. Esquema básico de um inversor de frequência trifásico.

Os diodos conectados em paralelo com os dispositivos de chaveamento funcionam como proteção contra a circulação de correntes reversas no momento em que o dispositivo está no estado desligado, direcionando a passagem das correntes através dos diodos. O módulo de controle enviará sinais na forma de trem de pulsos para comando do chaveamento dos transistores. Levando-se em conta que o MIT opera por uma corrente CA senoidal, a combinação de chaveamento adequada levará a reprodução desta corrente. Uma técnica muito utilizada para a geração dos pulsos de controle é a modulação por  largura de pulso, ou PWM (do inglês Pulse  Width Modulation), descrita a seguir.

F2. Semicondutores utilizados em inversores

F3. Modulação PWM.

Modulação Tipo PWM

trem de pulsos de amplitudes limitadas pela  A modulação do tipo PWM consiste saturação do amplificador e largura limitada na geração de um trem de pulsos de onda pela duração das diferenças, formando o quadrada, porém com largura do pulso sinal modulado PWM. variada. Este tipo de modulação pode ser Dos conceitos de telecomunicações podeobtido através da comparação de um sinal se definir o chamado Índice de Modulação (M), dado pela razão entre a amplitude senoidal e um sinal triangular .  A figura 3 mostra o processo de obten-  A M  do sinal modulante (neste caso, o sinal ção do PWM, utilizando um amplificador  senoidal), e a amplitude  A P  da  portadora operacional  para a comparação dos sinais (sinal triangular em questão), definido comentados. Pode-se notar que a diferença pela equação 1: entre os sinais senoidal e triangular produzirá  A  valores positivos e negativos ao longo do (1) M = M  A P tempo. Pela característica de funcionamento do amplificador operacional, uma diferença O índice de modulação deverá estar positiva irá levá-lo à saturação no seu limite na faixa entre 0 e 1, ou 0 e 100% . Valores de tensão positivo, enquanto que uma di- superiores a 1 provocam a perda de amosferença negativa levará à saturação no seu tragem do sinal, ou seja, a onda triangular limite negativo. As diferenças têm duração não envolverá toda a região da amplitude limitada pelas intersecções das formas de da senoide, gerando um sinal PWM deonda. Portanto, tem-se como resultado um ficiente.

F4. Sinal PWM com fp=9fM.

Uma condição para a modulação é que a frequência da portadora  f   P  seja maior que a da modulante f   . No caso da figura 3, tem M  se que a portadora tem frequência três vezes maior que a modulante. Pode-se melhorar a taxa de amostragem do sinal senoidal aumentando ainda mais a frequência da portadora, obtendo uma modulação mais eficiente. A  figura 4 apresenta um sinal PWM em que a frequência da portadora é de nove vezes a frequência da modulante. Observa-se a melhora na taxa de amostragem.

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F5. Representação de uma fase de um estágio conversor CC-CA com BJTs. Controle PWM do Inversor

Cada dispositivo de chaveamento no conversor CC-CA do inversor receberá um trem de pulsos PWM, seja na forma de tensão ou corrente, dependendo do tipo de dispositivo de chaveamento. Para o IGBT, por exemplo, necessita-se de uma tensão aplicada ao terminal de  porta (gate) para que haja o chaveamento. Como exemplo, será mostrado o controle PWM em um ramo do estágio conversor CC-CA, ou seja, em uma fase da alimentação do motor. Será utilizado como elemento de chaveamento o transistor BJT (do inglês Bi polar Junction Transistor ). A montagem deste circuito está mostrada na figura 5, com os transistores representados por Q 1 e Q 4 . De acordo com o funcionamento do BJT, na ausência de pulsos, o transistor se comporta como uma chave aberta. A injeção de uma corrente no terminal de base (B), com tensão tipicamente superior a 0,7 volts, faz com que o dispositivo conduza uma corrente do terminal coletor (C) ao emissor (E). Com uma corrente de base elevada ocorre a saturação do BJT, fazendo a tensão entre os terminais coletor e emissor chegar a valores próximos a zero, e, neste caso, o dispositivo funciona como uma chave fechada. A resistência R presente na base serve para controlar a intensidade da corrente injetada.  A aplic ação do sinal PWM sobre o transistor fará com que ele opere abrindo e fechando alternadamente, com tempo de operação limitado pela largura de cada pulso. Como os dois transistores estão ligados em série, a condição fundamental para operação é manter Q 1 aberto enquanto Q 4  estiver  fechado, e vice-versa. Se os dois transistores estiverem fechados ao mesmo tempo, haverá uma ligação direta entre as tensões +V CC  e

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F6. Funcionamento de uma fase do conversor. Observa-se que os pulsos de Q4 são invertidos em relação a Q1 para evitar a condução simultânea dos transistores.

–V CC do link CC, provocando uma corrente de sobrecarga no circuito e danificando os dispositivos.  A figura 6 ilustra o funcionamento de um ramo conversor, mediante a injeção de sinal modulado nos transistores Q 1 e Q 4 .  Aplica-se o trem de pulsos modulado em Q 1 e o mesmo sinal comentado é invertido e aplicado a Q 4 , de modo a manter a condição de funcionamento alternado dos transistores. Nota-se que, quando Q 1 é excitado pelo nível positivo do pulso, comporta-se como chave fechada e deixa a saída do ramo igual à +V CC , enquanto Q 4  permanece aberto.  Analogamente, quando excitado positivamente, Q 4 entra no estado fechado, gerando –V CC na saída, com Q 1 aberto. Vale observar que a forma de onda da tensão de saída é modulada, com níveis positivos devido a Q 1 e níveis negativos devido aQ 4 . Para os demais ramos do estágio conversor CC-CA, valem as mesmas características de funcionamento, sendo o detalhe de que devem estar defasadas  de um ângulo de 120º, por se tratar de um sistema trifásico.  A saída em cada ramo do sistema corresponde à tensão de  fase . A tensão de linha da saída corresponde à diferença entre duas das tensões de fase, exibida pela figura 7. Observa-se que a forma de onda obtida fica caracterizada por cada semiciclo da senoide, ou seja, para o semiciclo positivo os valores alternam entre 0 e +V CC , enquanto que para o semiciclo negativo há alternância entre 0 e –V CC . Efeito Sobre o MIT

Nesta parte, será analisado o comportamento da corrente elétrica devida à tensão modulada sobre uma fase da alimentação do MIT, considerando-se uma ligação tipo

estrela para os terminais do motor. Este estudo será auxiliado por computador, através de simulação do circuito no antigo software EWB , versão 4.1. Basicamente, um MIT, ou motor de  indução trifásico, é composto por uma parte fixa em forma de anel, o estator , que recebe a alimentação da rede elétrica, e por outra parte móvel em formato cilíndrico, o rotor , posicionado interno ao anel do estator. Quando o estator é alimentado, um campo magnético girante é gerado e, da mesma forma que um ímã atrai um material metálico, o campo girante do estator atrai o rotor, fazendo-o girar no mesmo sentido. O modelo elétrico por fase do MIT é representado por uma impedância estatórica, com uma resistência R 1 e uma indutância L1, uma impedância rotórica, com uma resistência R  2  e uma indutância L 2 , e um ramo magnetizante , expresso por uma indutância Lm. A  figura 8-a destaca este modelo, observando que R  2  é dividido pela grandeza s , chamada escorregamento, que expressa o percentual da diferença entre as velocidades angulares do estator e rotor. Se for desprezada Lm, pode-se representar o motor como uma resistência total R T  em série com uma indutância total  LT , ou seja, um circuito R-L série , conforme a figura 8-b. Baseado nesta situação, é possível obter a curva da corrente no motor devida à tensão modulada, por fase. A figura 9 mostra as formas de onda de corrente para três tipos de modulação em tensão. Para todos os casos, a tensão de pico modulada vale 200 V e o índice de modulação utilizado no controle foi M=0,85 . A resistência total tem valor de 10 Ω a indutância 5 mH , valores típicos de um motor de 7,5 HP . Em 9-a, t em-se a curva de corrente gerada por uma tensão

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F7. Representação da tensão modulada Vab. As tensões de fase Va e Vb estão defasadas de 120º, com a tensão Vab = Va-Vb.

modulada com frequência 60 Hz senoidal e 540 Hz triangular, ou f  P =9f   . Para 9-b,  M  foi aumentada a frequência da portadora para 1,62 kHz , ou  f  P =27f   , e para 9-c a  M  portadora passa a ter 14,6 kHz , ou f  P =81f   .  M  Em todos os casos a corrente teve valor de pico aproximado de 14,5 A. Pelas curvas representadas na figura 9, para cada pulso alternado, a corrente é carregada e descarregada no circuito. Devido à variação na largura de cada pulso, ora a corrente carrega mais e ora carrega menos. O resultado é uma forma de onda com aparência senoidal, devido à modulação ter sido feita sobre uma senoide. É notável o fato de que, quanto mais for elevada a frequência da portadora, mais a curva de corrente se aproxima de uma senoide perfeita, porém a frequência máxima está limitada à capacidade do dispositivo de chaveamento. Por exemplo, o limite de frequência para um IGBT está em torno de 20 kHz . Vale observar, ainda, que quanto maior a frequência da portadora, menor será a largura dos pulsos. Verifica-se, também, que a frequência da corrente de saída é equivalente à frequência da modulante, ou seja, igual à do sinal senoidal. Este fato é comprovado ao medir-se o tempo de um ciclo completo da onda de corrente, neste caso em questão o valor encontrado foi de 16,3 ms , equivalente a uma frequência de 60 Hz . Conclusões

 A partir do estudo realizado, pode-se observar que se torna relativamente simples variar a frequência de alimentação da rede do motor CA utilizando a técnica de modulação tipo PWM, variando a frequência do sinal da modulante.Uma vez ajustada adequadamente a frequência da portadora, produz-se

F8. Representações de um MIT. Em (a), o modelo típico; em (b), uma aproximação a um circuito R-L série.

F9. Sinais de corrente de fase gerados no motor pela aplicação da tensão modulada. (a) fp=9fM. (b) fp = 27fM. (c) fp = 81fM.

um sinal de corrente quase senoidal, porém deve ser observado o limite da frequência de chaveamento do dispositivo semicondutor. Outro inconveniente é o fato de que, tanto o sinal de tensão modulada como o sinal de corrente de saída não serem perfeitamente senoidais, implicando no aparecimento de harmônicas  na rede. Há opções de adquirir o inversor de frequência com  filtro de harmônicas instalado, para evitar que este ruído cause mau funcionamento nos demais equipamentos da mesma rede que alimenta o inversor. Não há dúvida sobre a enorme praticidade que os inversores de frequência trouxeram ao mercado de acionamento de máquinas CA, consagrando-se como opção barata e conveniente. MA

...Continuação do Saiba Mais:

RASHID, Muhammad H. Eletrônica de Potência: Circuitos, Dispositivos e Aplicações . São Paulo: Makron Books, 1999. WEG. Guia de Aplicação de Inversores de Frequência. 2ª Ed. Disponível em http://www.mundo eletrico.com/ downloads/Guia_de _Aplicacao_  de_Inversores_de_Frequencia.pdf . Acesso em 17/01/2011.

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ferramentas

Identificação de Sistemas

na Otimização do

Controle de Nível em Regime Não Linear Para otimizar o controle de nível em regime não linear podem-se empregar técnicas, baseadas na teoria de identificação de sistemas, para buscar o modelo ótimo do regime de funcionamento. Em um sistema de tanques com transdutores de nível e caudal, e com válvulas e bombas monitorizáveis e controláveis remotamente, implementaram-se algoritmos que permitiram obter, com alguns minutos de gravação, os modelos matemáticos de cada regime de operação. A otimização de controladores foi também feita e é perfeitamente implementável em ambientes industriais

saiba mais

E

Aguirre, LA, Introdução à Identificação de Sistemas: Técnicas Lineares e Não-Lineares Aplicadas a Sistemas Reais (2ª Edição), UFMG. Ljung, L, System Identification - Theory for the User (2nd edition), PTR Prentice Hall, Upper Saddle River, EUA. Continua

44

no fim do artigo...

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m aplicações industriais o controle de nível de reservatórios é frequentemente acumulado com o controle de outras variáveis de interesse, como a temperatura ou o caudal. Os sistemas de controle com melhor desempenho estão dotados de capacidade para interpretar e prever os efeitos cruzados entre variáveis. Esta tarefa complica-se especialmente em casos onde existem não linearidades importantes no processo, devendo-se para tal conseguir adaptar o controlador à nova situação. Consequentemente, uma abordagem baseada em controle preditivo, em vez de puramente reativo, trará ganhos significativos no controle de um sistema não linear em que não se podem garantir condições de funcionamento.

Eduardo Pinheiro Octavian Postolache Pedro Girão Cesar da Costa

Sistemas não lineares ou de modelação complexa, ou mesmo impossível, são frequentemente sujeitos a técnicas de identificação (Aguirre). Encontram-se exemplos de aplicação de algoritmos a sistemas variados desde aviões (Narendra), a reatores (Gregorcic), até medidores de pressão arterial (Pinheiro). Para otimizar o controle de nível em regime não linear sem sobrecarregar os sistemas de controle, podem-se empregar técnicas baseadas na teoria de identificação de sistemas, para buscar o modelo que melhor representa o regime de funcionamento do processo (Nelles). Partindo de um sistema de tanques com transdutores de nível e caudal, e com válvulas e bombas monitorizáveis e controláveis remota-

ferramentas

Nome Diagrama Box-Jenkins

Descrição

É o modelo mais genérico possível, onde se consideram funções de transferência independentes para o ruído, e(k), e a entrada, u(k). Estas funções de transferên cia, são da forma: num processo com atraso k unidades temporais.

ARMAX

AR X

OE

polos e zeros podem ser total mente distintos dos de G(z). A sigla ARMAX resume os conceitos mais importan tes deste modelo, auto regression (pois os polos discretos tornam a saída presente dependente das saídas em instantes anteri ores), moving average (se não existirem zeros temos um filtro de média móvel), extra input (entradas u(k) e e(k)) B(z) e C(z) são polinomios, o que f az com que o ruído e a entrada estejam sujeitos à mesma dinâmica, portan to, este modelo é um caso particular do de Box-Jenkins em que o ruído e a variável controlada têm os mesmos pólos. O ARX é uma simplificação do ARMAX considerando que o efeito do polinomio associado ao ruído não é importante, ou seja, temos ruído aleatório aplicado directamente à dinâmica do sistema. OE significa output error, sendo o significado deste nome bastante perceptível, visto este modelo, ainda mais simples que o ARX, considerar que o ruído aleatório está aplicado diretamente à saída do sistema.

T1. Estrutura e características dos modelos mais estudados na identifica ção do sistema de tanques.

mente, procedeu-se à identificação do modelo que melhor representa o processo por injeção de ruído branco. Em seguida percorreu-se um largo espectro de regimes de funcionamento, bem como de perturbações, para estimular as várias não linearidades existentes, aplicando-se, para todos estes casos também, métodos de identificação dinâmica de sistemas. Para a aplicação das técnicas de identificação de sistemas foi desenvolvido software próprio, comunicando em tempo real com os equipamentos por meio de uma placa (NI USB-6008, com 8 entradas analógicas de escala de tensão programável e 2 saídas analógicas em tensão) ligada a um computador por USB. As entradas e saídas foram conectadas a hardware de condicionamento de sinal, permitindo a implementação dos algoritmos conhecidos. Um período de dez minutos de gravação foi suficiente para se obterem os modelos matemáticos CRA e temporais de estrutura OE, ARX, ARMAX, BJ, de diferentes parâmetros, correspondentes a todos os regimes de operação, pelo que a optimização de controladores industriais por este método pode igualmente ser conseguida em pouco tempo. Nas seguintes seções deste artigo mostraremos o sistema, discutindo as técnicas implementadas, os resultados obtidos, as principais conclusões e a forma de traduzir em benefício para a indústria a aplicação da abordagem proposta.

Identificação de Sistemas  A identificação de um sistema real pode ser um processo interativo, onde se parte de alguns pressupostos para determinar um modelo do sistema, que pode ou não cumprir com os critérios de validação, devendo-se então modificar os parâmetros ou a estrutura do modelo, ou mesmo voltar à fase de testes para obter novos dados experimentais, que permitam recuperar eventuais falhas. É fundamental para a correta identificação do sistema obter um conjunto de dados válido, portanto com uma frequência de amostragem que respeite o teorema de Nyquist e com um número de amostras suficientemente elevado para ser representativo da resposta global do sistema. Com estes pontos cumpridos, será determinante a obtenção de um modelo com uma estrutura razoável, em termos de número de polos e zeros, face à modelação previamente feita, e que verifique os critérios de validação da estimativa.

Aquisição dos dados e préprocessamento Os dados obtidos devem ter o máximo poder de descrição do processo, para tal é usual colocar-se na entrada ruído branco, para excitar todas as frequências do sistema. O procedimento mais comum consiste em forçar a entrada a assumir um de dois valores, consoante o valor do ruído branco

ultrapasse ou não um dado limite. Convém fazer uma limitação do ritmo de transição do sinal de entrada, de forma a adequá-lo às características do processo, e garantir que a saída será representativa. Havendo uma estimativa para a frequência máxima do processo, pode-se sobredimensionar uma frequência de amostragem para garantir o cumprimento do critério de Nyquist. É possível que a normal frequência de operação do sistema DCS permita uma identificação correta. O pré-processamento dos dados refere-se a um conjunto de operações que podem ser executadas sobre os dados adquiridos, de forma a melhorar os resultados obtidos com a aplicação dos algoritmos para extração do modelo do sistema. Estas operações incluem a remoção da média do sinal, filtragem de componentes ruidosas do espectro, entre outras. Obtenção do modelo Consoante se tenha um modelo feito à medida ou um modelo genérico, teremos maior ou menor conhecimento a priori  da relação entrada-saída do sistema. Utilizando as leis da física, podemos obter uma primeira aproximação da resposta do sistema, que nos permitirá conhecer aproximadamente quais as frequências próprias do sistema, qual o tempo de ensaio necessário e quais os parâmetros mais influentes na resposta. Genericamente os problemas de identificação podem ser categorizados como paramétricos ou não paramétricos (Lyung). Nos casos em que se está a lidar com problemas não paramétricos, existem diversos métodos para adquirir um modelo do sistema ou de algumas das suas curvas características, desde os mais simples como a análise transitória ou a análise em frequência, até aos mais elaborados como a análise de correlação (CRA) ou a análise espectral (SPA). Nos problemas paramétricos também existem diversos métodos para extrair um modelo do sistema. Apresentam-se sucintamente na tabela 1 os modelos mais usados durante a experiência, notando-se que o  AR MA X, AR X e OE podem ser vistos como particularizações do de Box-Jenkins para casos específicos. Possuindo algoritmos de cálculo diferentes e substancialmente mais rápidos.

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ferramentas

F1. Diagrama do sistema de tanques

F2. Fotografia do sistema de tanques ensaiado.

Validação do modelo um transmissor Brukert 8032, do tanque 1 onde u(k) é o caudal de entrada, q(k) o de  Após a obtenção do modelo, segue-se de tal forma que o nível deste se pode supor saída, e y(k) a altura da coluna de líquido no o processo de validação, através do qual se constante. Contudo, as outras válvulas de tanque. Aplicando a equação de Bernoulli à procuram descobrir eventuais lacunas ou controle, Burkert 6213, vão também atuar superfície do tanque e à saída tem-se: limitações, averiguar se há potencial para dinamicamente sobre o sistema, e serão eventuais melhorias, ou se existem erros responsáveis pela criação de outros regimes mais graves, ao nível da desadequação dos de funcionamento. dados obtidos, que obrigam a um maior  Acresce que a ação da bomba é uma fonte logo, retrocesso no plano de projeto. É nesta fase acrescida de não linearidades, devido ao fato de comparação que se vão quantificar os de o tanque 1 ser fechado, pelo que a sua erros de estimação, por exemplo através da pressão interna, registrada por transmissor análise de resíduos.  Asco 8908, será bastante volátil. Portanto, Isto indica que, mesmo para o caso ideal É prática banal a obtenção do modelo o tanque 1 não se poderá considerar um em que o tanque 1 é assumido de nível utilizando apenas uma porção dos dados referencial de estabilidade e as intricadas constante, se obtém uma equação diferencial obtidos, para que a fração restante permita relações entre os dois tanques vão ser fonte não linear, que mesmo assim não entra em comparar a resposta do modelo e a do sistema de não linearidades fortes. conta com várias não idealidades do sistema. real, averiguando se estamos próximos da  A solução desta equação, e do sistema que se solução ótima. Esta otimalidade da solução Modelação do sistema obtém quando se junta a não estacionaridade pode ser definida como a que minimiza o Neste caso, é possível fazer a modelação, do tanque 1, é pouco prática, e totalmente erro quadrático médio, ou ainda acrescida contudo, empregam-se algumas simplifica- impossível de ser extensível com facilidade de uma penalização em função da sua ções das leis que regem o comportamento aos processos industriais. dimensão. Estas soluções dizem-se regula- dos fluidos, terá de se supor a idealidade De fato, o processo onde se encontra o rizadas, e uma forma típica é a adição de dos elementos, e ainda assim, haverá que sistema de tanques é bastante mais complexo, um regularizador de Tikhonov, que permite acertar numerosas constantes (da bomba, como se ilustra na seguinte figura 2, sendo optar entre a quantidade de erro e o custo, das válvulas, dos tanques, dos fluidos), pelo a sua modelação completa um processo por exemplo combustível ou comburente, que será menos frutífero este trabalho do extremamente trabalhoso e complexo, que a solução acarreta. que a identificação. em nada comparável ao procedimento de Considerando que o tanque tem capa- identificar o sistema. Sistema de Tanques cidade C e que a resistência que as válvulas No sistema de tanques mostrado nas apresentam se reflete diretamente nos caudais, Procedimento experimental duas figuras seguintes (1 e 2), pretende- devido ao efeito integrador de caudal por Os dados podem ser adquiridos durante se identificar a influência da válvula V7 (a parte do tanque, obtém-se uma função de o normal funcionamento do processo, ou, válvula de controle de caudal entre tanques, transferência de primeira ordem: adicionando perturbações em forma de  Asco 203) no nível do tanque 2, supondo ruído branco e registrando a saída. Se estiver que se tenha um abastecimento, medido por estabelecido um protocolo de comunicações

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F3. Programa de Simulink para proceder à identificação do sistema parando o processo.

com os aparelhos, será bastante simples programar os passos necessários para gravar os dados.  Acrescente-se que os dados podem ser guardados para análise e processamento offline , ou pode-se calcular os modelos durante a aquisição, enquanto a dimensão dos dados não introduza demoras na computação que interfiram na cadeia de comando. Dois softwares foram empregados para gerar o ruído necessário, sendo igualmente fácil e viável em ambos. Na fgura 3 exemplifica-se com o código composto em Simulink  ( Mathworks ) para geração e monitorização dos sinais analógicos, ruído para a válvula V7 e leitura do transdutor de pressão. Dada a grande capacidade dos tanques, o período de amostragem aplicado foi de 3 segundos. Assim, diminui-se a quantidade de dados a processar, o que acelera significativamente alguns algoritmos, e a quantidade de ruído, embora mantendo a definição necessária. A identificação foi feita colocando o processo em torno dos vários pontos de funcionamento, e iniciando a gravação em seguida. Para cada ponto de funcionamento os dados recolhidos constituíram uma matriz de 184 valores, que se dividiu em dados de teste (1 a 93) e dados de validação (94 a 184). Efectuou-se a extração da média como operação de pré-processamento, para normalizar os dados obtidos para vários níveis e identificar-se apenas a dinâmica.

Resultados da Identificação Procedeu-se primeiro à identificação do modelo para o caso mais simples, em que o tanque 1 apresenta um nível constante de 60% e o tanque 2 ronda os 30%, com a bomba a velocidade constante e equilibrando o nível do tanque 1. Em seguida, passaram-se por outros seis regimes de funcionamento, sujeitos a diferentes especificações de nível dos dois tanques e de funcionamento da bomba, para além de diferentes perturbações, pela diferente e aleatória atuação das válvulas de purga, criando diferentes caudais de saída, para estimular as várias não- linearidades existentes.  Aplic ara m-se para todos estes casos métodos de identificação dinâmica de sistemas, obtendo-se os modelos matemáticos correspondentes, de tipo CR A e temporais de estrutura OE, ARX, ARMAX, BJ, de diferentes parâmetros de ordem e atraso.

F4. Resposta ao degrau unitário do modelo por correlação.

Primeiro ponto de funcionamento

de duas unidades de tempo, para todas as estruturas atrás descritas, Box-Jenkins,  ARMAX, AR X e OE. A adequação dos modelos, fit , foi estimada de acordo com a equação (1), uma métrica habitual, onde se mede a melhoria conseguida por estimar y(k) com o modelo, , em vez de simplesmente tomar a média.

Tendo-se já removido a média dos dados, efetuou-se a extração do modelo por correlação (CRA) para obter uma estimativa do eventual atraso do sistema, através da resposta transitória ao degrau unitário. Como ilustrado na igura 4, constatou-se que nestas condições o sistema apresenta um atraso de duas unidades de tempo. Sabendo que o processo apresenta um atraso de duas unidades de tempo, aproximou-se o comportamento com modelos de primeira e segunda ordem com um atraso

Todos os modelos de primeira ordem apresentaram graus de  fit  a rondar os 60%, excetuando-se o ARX com um  fit  de aproximadamente 47. Os modelos de segunda ordem (ordem das funções de transferência que compõem o modelo) com o mesmo atraso melhoraram muito o grau de aproximação das curvas aos dados

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experimentais de validação, tendo todos os modelos um fit a rondar os 81%. As estimativas dos modelos face aos dados reais apresentam-se na figura 5. Nessa figura verifica-se que os modelos de segunda ordem seguem muito mais proximamente a resposta real, de tal forma que é quase impossível distinguir diferenças entre eles. Nos modelos de 1ª ordem a diferença é mais notória. Efetuando a análise de resíduos, constata-se também que à melhoria nos resultados no tempo ao aumentar de 1ª para 2ª ordem, acresce que não há overfitting . A  componente dos dados que não é explicada por alguns modelos, nomeadamente o OE a azul, continua a ser não correlacionado e passa a ser independente, portanto tem-se a melhor descrição dos dados possível. A  autocorrelação mostra que os resíduos são não correlacionados, enquanto a correlação cruzada mostra que são independentes, estando-se em ambos os casos totalmente dentro do intervalo de confiança de 99% traçado. Veja a figura 6.  Abandonamos por isso a análise dos modelos de 1ª ordem, notando o fato de que nos modelos de 3ª e superiores começa a haver overfitting aos dados, pois apesar de se melhorar muito pouco o fit , os resíduos deixam de ser independentes. Isto é, os modelos de ordem superior começam a ter polos e zeros que não descrevem a dinâmica do sistema. O máximo grau de fit possível foi obtido por um OE de terceira ordem (81,8%) e um Box-Jenkins de quinta ordem (82,6%), ambos de atraso de duas unidades, quando um OE de segunda ordem apresenta um  fit  de 81,6%. Verifica-se portanto que o  fit  máximo dos dados ronda os 82, pelo que, um modelo OE de 2ª ordem com um  fit  de 81,6 pode ser encarado como uma solução bastante boa, visto ser um modelo bem simples com resultados equiparados aos mais elaborados. Os modelos de 2ª ordem apresentam uma resposta ao degrau unitário bastante semelhante, bem como o fit , mas a análise de resíduos revelou que o OE era o mais simples que respeitava os intervalos de confiança, pelo que foi este o escolhido (figura 7). Recorrendo a um pequeno abuso de notação, o modelo ótimo identificado apresenta a seguinte expressão de saída possuidor

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F5. Estimativas dos modelos de 1ª e 2ª ordem (esquerda e direita respectivamente) Ponto 2

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Descrição Bomba ao máximo, tanque 1 80% e tanque 2 a 30% com purga forte. Bomba ao máximo, tanque 1 90% e tanque 2 a 60%, com purga pequena. Bomba em reposição, tanque 1 80% e tanque 2 a 60% com purga forte Bomba em velocidade baixa e irregular, tanque 1 a 60% e tanque 2 a 30% com purga forte Bomba em velocidade baixa e irregular, tanque 1 a 80% e tanque 2 a 60% com purga pequena.

Modelo BJ de 4ª ordem atraso 0

OE de 2ª ordem atraso 2

OE de 4ª ordem atraso 0

OE de 4ª ordem atraso 1

BJ de 4ª ordem atraso 0

T2. Estrutura e resumo das características dos modelos mais estudados

de margem de fase infinita e margem de ganho de 30,4 dB.

Restantes pontos de funcionamento Foram identificados os melhores modelos de cada regime de funcionamento por intermédio do mesmo procedimento descrito em detalhe na seção anterior. Verificou-se uma grande dispersão do tipo e ordem dos modelos ótimos. Os regimes de funcionamento analisados foram os que se apresentam na seguinte tabela 2, onde também se indica a função de transferência do modelo identificado para Y(z)/U(z).

Para que se possa constatar a grande diferença na resposta do sistema de tanques a estes vários pontos de funcionamento, mostra-se a resposta ao escalão unitário dos modelos de quatro regimes (figura 8). Verifica-se que mesmo em um sistema simples, as não linearidades presentes influenciam fortemente o comportamento do sistema, pelo que, quando existem desvios significativos do regime de funcionamento será expectável que todas as variáveis se modifiquem, pelo que é importante identificar o modelo ótimo, para que o controlador do processo possa ser otimizado. Controle do Sistema

Os dados recolhidos dos modelos identificados mostram que apenas o regime de

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F6. Análise de resíduos dos modelos de 1ª e 2ª ordem (esquerda e direita). Os resíduos de 2ª ordem são independentes para todos os modelos, mas apenas o OE apresenta autocorrelação sempre dentro dos limites

funcionamento 1 apresenta boas características de estabilidade, devido a possuir um ganho estacionário bastante baixo, de tal forma que nem existe cruzamento com os 0 dB, sendo a margem de fase infinita e a de ganho de 35 dB. Contudo, este caso é uma exceção, a maior parte dos modelos apresentam margens de ganho bastante reduzidas, próximas dos 0 dB. Mais ainda, vários modelos requerem que a ação de controle esteja durante algum tempo acima dos 100%, o que é impraticável para a válvula, pelo que idealmente se deveria atuar também sobre outros elementos do sistema, como a bomba ou alterar o regime de funcionamento. Como o sistema tem estas características, não se podem colocar ações de controle muito fortes, para não desestabilizar o sistema, nem criar condições inalcançáveis da ação de controle.  A colocação de controle integral leva a que o erro de regime estacionário seja eliminado, contudo isto é conseguido com uma ação de controle que envia para a válvula valores de 800%, o que não é possível, devido à saturação do atuador em 100%. Mesmo no caso mais favorável, o regime 1, a margem de ganho reduz-se de 35 para 9,73 dB e a margem de fase para 42,6º, com uma resposta muito mais lenta (tempo de pico 24 amostras) e com uma sobre-elevação de 27%. Reduzindo o ganho da componente integral de 1 para 0,5 a sobre-elevação diminuir, para 5%, mas o tempo de pico, que coincide com o tempo

F7. Resposta ao escalão dos modelos de segunda ordem.

F8. Resposta ao escalão de quatro modelos ótimos.

de estabelecimento a 5% é ainda mais lento, 42 amostras, como se ilustra na figura 9. Com a introdução de controladores com componentes integral, o sistema fica bastante lento e também oscilatório, com acções de controle irrealizáveis em permanência (da ordem de 700%), pelo que qualquer opção com integração não é viável. A adição de componente derivativa é completamente contraindicada, dada a proximidade de vários regimes da instabilidade.  A única opção possível é fazer o controle com controladores proporcionais apenas.  Aumenta ndo o ganho onde a margem de ganho é grande, como no regime 1, e diminuindo onde a margem de ganho é diminuta, como em todos os outros. Com este controlador consegue-se ter um maior

valor final da resposta do regime 1, abdicando de pouca margem de ganho e mantendo a característica da resposta. Nos outros regimes, trata-se sobretudo de atenuação para garantir uma maior estabilidade sem que o real valor da ação de controle seja muito distante do alcançável.  A introdução de um controlador proporcional de ganho 1,15 no regime 1 não coloca o sistema em oscilação, apresenta uma pequena melhoria de desempenho, à custa de uma redução para 29,2 dB da margem de ganho e com a introdução de valores da ordem dos 110% durante alguns momentos, visível na seguinte figura 10. Daqui conclui-se que o controle tradicional de um sistema fortemente não linear e com regimes de funcionamento tão díspares está

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severamente limitado. Consequentemente, uma abordagem baseada em controle preditivo, em vez de puramente reativo, trará ganhos significativos no controle de um sistema não linear em que não se podem garantir condições de funcionamento. Em qualquer dos regimes, a implementação de técnicas de identificação de sistemas, em menos de dez minutos de dados, permite determinar um modelo que representa fielmente o comportamento do sistema. Portanto, em vez de controle reativo com uma componente mínima de inteligência e resultados medíocres no desempenho do controlador, será bastante melhor identificar o sistema, o que é rápido e leve computacionalmente, para depois implementar uma estratégia de controle preditivo, seguindo a estrutura apresentada na seguinte figura 11.

F9. Resposta ao escalão (azul em baixo) e ação de controle (verde acima) com controlador I, resposta muito lenta mesmo com controle completamente irrealizável.

F10. Resposta ao escalão (azul em baixo) e ação de controle (verde acima) com controlador P de ganho 1.15, a ação de controle é quase totalmente realizável.

Conclusões

Identificou-se de um sistema de tanques real estando presentes fortes não linearidades. Os resultados apresentados ilustram a dificuldade em controlar um nível num sistema com diversas fontes de perturbação e constrangimentos de funcionamento. Consequentemente, o sistema empregado emula bastante bem um sistema industrial real, comprovando que embora o controle seja difícil, é sempre possível identificar a dinâmica do sistema para cada regime de funcionamento.  Após a aquisição de dados, começou-se por utilizar o algoritmo CRA para verificar qual o atraso do sistema, analisando-se depois diversos modelos capazes de o descrever, Box-Jenkins, ARMAX, ARX e OE. Selecionou-se o OE na maioria dos casos, visto ser mais simples que os restantes e apresentar um grau de aproximação da mesma ordem de grandeza. A metodologia subsequente a esta escolha foi analisada em detalhe, sendo comparados diferentes modelos segundo a análise de resíduos e a qualidade da aproximação a dados de validação também gravados. Para os vários regimes estudados foram escolhidos os modelos mais representativos. Sendo sempre suficiente o período de gravação de 10 minutos, para um período de amostragem de 3 segundos. Os modelos com representação ótima de cada regime são de tipo e ordem diversa, o que é uma consequência das não linearidades do sistema.

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F11. Estrutura de controle preditivo onde com a qual a identificação de sistemas permite Download With Free Trial otimização do controlador.

 A implementação de cont roladores do processo é dependente do regime de funcionamento, pelo que se constatou ser difícil af inar um controlador para todos os regimes de funcionamento, sobretudo porque vários estão nas imediações da instabilidade.  Assim sendo, como os modelos são boas representações do sistema, a otimização do controlador passa pela implementação de uma estrutura de controle preditivo, a qual pode identificar o modelo do processo em pouco tempo e assim garantir a melhorias na resposta do sistema.

...Continuação do Saiba Mais:

Gregorcic, G, Lightbody, G, A Comparison of Multiple Model and Pole-Placement Self-Tuning for  the Control of Highly Nonlinear  Processes, Anais da 11 th Irish Signals

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Cesar da Costa - [email protected] Instituto Federal de Educação Tecnológica de São Paulo - IFET-SP Rua Maria Cristina, 50 - Cubatão - São Paulo

Ogata, K, Modern Control Engineering (4th Edition), Prentice Hall, Englewood Cliffs, EUA. Pinheiro, E, Postolache, O, Modelling of Oscillometric Blood Pressure Monitor - from white to black  box models, Recent Advances in Biomedical Engineering, GR Naik 

(Ed.), In-Tech, Viena, Áustria. 50

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