3- Acionamento Sincronizado de Máquinas (Coleiro e Esteira), Notas de estudo de Tecnologia Industrial

Baixe 3- Acionamento Sincronizado de Máquinas (Coleiro e Esteira) e outras Notas de estudo em PDF para Tecnologia Industrial, somente na Docsity! 3- Sincronização de Máquinas (Coleiro + Esteira) 1. Introdução: Um Coleiro é um equipamento industrial destinado várias aplicações, como por exemplo: • Fechamento de cartuchos revestidos; • Fechamento de caixas de papelão; • Rotulagem; • Paletização; • Encadernação em lombada quadrada; • Fixação de peças de madeira; • Fixação de peças de materiais poliméricos. Principalmente, as aplicações em sistemas de fechamento de embalagens e fixação de peças, geram a necessidade de se integrar, em um único processo, dois equipamentos distintos: • Um Coleiro (que processa e aplica o adesivo) e; • Uma Esteira de Transporte (que movimenta o substrato que receberá a aplicação do adesivo). No caso deste exemplo, trata-se de um coleiro que utiliza um adesivo do tipo hot-melt, que deve ser previamente aquecido a uma dada temperatura controlada, antes de ser aplicado. O Coleiro é dotado uma cuba metálica, que é o recipiente aonde uma certa quantidade de blocos ou de fragmentos de adesivo seco é, manualmente, depositada, para, posteriormente, ser aquecida até que o adesivo atinja um certo ponto adequado de derretimento; A energia térmica necessária para realizar o derretimento do adesivo é provida por um conjunto de resistências elétricas associadas, que, para uma melhor distribuição da energia térmica produzida, se encontram alojadas, estrategicamente distribuídas, ao derredor do corpo da cuba metálica do coleiro. A temperatura do adesivo contido na cuba é monitorada por um Detector de Temperatura Resistivo (em inglês Resistance Temperature Detectors or RTDs) do tipo Pt100. Os RTDs são, normalmente, fornecidos encapsulados em sondas para detecção e medição de temperatura. A sonda de detecção de temperatura da cuba se encontra alojada, estrategicamente, no corpo da cuba metálicas de modo a ter contato físico com o adesivo já derretido, em um ponto adequado. O Coleiro é dotado também de uma Bomba: que se encontra instalada na parte inferior da cuba e que produz a pressão que suga o adesivo, já derretido, para fora da cuba, impelindo-o a circular, através de duas mangueiras termoelétricas, em direção aos respectivos dispositivos aplicadores do adesivo, instalados nas extremidades vazantes de ambas mangueiras. Devido a proximidade física entre a Cuba e a Bomba não possui resistência de aquecimento própria, mas tem, também, a sua temperatura monitorada, de modo que o Controlador processa as duas informações de temperatura (temperatura atual do coleiro e temperatura atual da Bomba), em um único sistema de controle de duas malhas (onde o estado lógico da uma única saída depende do processamento e análise de duas informações de medidas). André Luis Lenz 1 A bomba do coleiro é movida por um motor C.A. trifásico de quatro polos, de alto rendimento, com tensão nominal 220V, frequência nominal de 60Hz e potência de 0,25KW (1,44A). O motor da bomba será acionado por um inversor de frequência adequado, uma vez que a velocidade da bomba deverá variar. A variação da velocidade do motor da bomba poderá ocorrer de dois modos: • Modo Manual: por intervenção do operador, utilizando um potenciômetro, instalado em uma caixa de controle manual. O potenciômetro é conectado diretamente ao inversor de frequência; • Modo Automático: com o incremento ou decremento da velocidade controlada por um Controlador programável, em função de necessidades inerentes a aplicação do adesivo. 2. Descrição das Características do Controle: Nesta dissertação focalizaremos estudar as características do acionamento do motor da bomba do coleiro e também as características do comando e do controle deste acionamento, inclusive no que diz respeito ao Controlador Programável utilizado e o seu respectivo programa. Todavia, convém ressaltar que, o emprego do Controlador Programável possibilitará realizar com um único controlador, tanto as funções de comando e controle do acionamento do motor bamba do coleiro, como também as funções pertinentes ao controle temperatura do equipamento, bem como as do controle de posicionamento na aplicação do Adesivo. Estes assuntos são tratados em outras literaturas, a parte, desta mesma série. Deste modo, a especificação do Controlador Programável, se torna bastante complexa. É um grande desafio para um único equipamento compacto, apresentar uma ótima relação custo- benefício, realizando as performances desejada, pelas necessidades dessas múltiplas tarefas: • Controle preciso de temperatura em seis diferentes zonas de controle da máquina; • Controle preciso de posicionamento em dois canais independentes de aplicação do adesivo; • Comando e controle do acionamento de motor da bomba do coleiro em velocidade variável. Para isso foi necessário a seleção de um Controlador Programável capas de realizar, concomitantemente, funções de comandos e controles discretos, bem como funções de controle de processos contínuos. Assim, foi necessário o emprego de um Controlador Programável dotado das seguintes características: • Controle Analógico Otimizado integrado, capaz de executar programas com funções e instruções convenientes, para realizar o controle de temperatura em múltiplas zonas; • Função de Contador Rápido integrada, para controle de posicionamento na aplicação do adesivo, com a medição de distâncias, pela contagem de pulsos provenientes de um encoder incremental, usando contador rápido com duas entradas individuais, compatível com pulsos de frequência de até 20KHz. • Função de Comunicação integrada, capaz de suportar a incorporação de uma IHM (Interface Humano - Máquina) gráfica. É desejável também que as características da função de André Luis Lenz 2 2. 0 (Espera): motor da bomba do coleiro desligado, o motor da bomba DEVE ESTAR PARADO; 3. Automático: motor da bomba do coleiro girando COM VELOCIDADE PROPORCIONAL SINCRONIZADA com a velocidade do movimento esteira. O esquema elétrico do acionamento do motor da bomba é mostrado a seguir: André Luis Lenz 5 3.4 Esquema Elétrico do Comando do Acionamento do Motor da Bomba: O esquema elétrico do comando e controle do acionamento do motor da bomba é mostrado a seguir: Quando a chave é operada para o modo Manual, o motor da bomba do coleiro deverá ser acionado e girar, em velocidade sem sincronismo com a do motor da esteira, porém com velocidade que pode ser ajustada, manualmente, pelo operador, por meio de potenciômetro (ver P1 no Esquema do Acionamento), que é conectado diretamente inversor da motor da bomba. Já, quando a chave é operada para o modo Automático, o motor da bomba deverá continuar girando, porém a sua velocidade, agora, deve ser determinada pelo sincronismo com a velocidade do motor da esteira. 3.5 Implementação do Controle da Velocidade da Bomba do Coleiro: Para poder fazer o sincronismo proporcional entre a velocidade da bomba do coleiro e a velocidade do movimento da esteira precisamos estabelecer um sistema de controle de malha fechada, cuja configuração básica equivalente é mostrada a seguir: André Luis Lenz 6 onde: w = referência de velocidade (velocidade desejada); r = realimentação de velocidade (velocidade atual); e = erro ou diferença; yr = sinal de controle; y = variável manipulada (frequência de saída do inversor de ); x = variável controlada (velocidade do eixo do motor, rotação); z = perturbações (variação de carga no eixo do motor). Para produzir o sinal que servirá como referência de velocidade (velocidade do movimento da esteira), o controlador deverá monitorar a velocidade da esteira. Para isso utilizaremos o sinal de pulsos proveniente que um Encoder Incremental, que deve ser instalado, adaptado de forma adequada, ao mecanismo tracionador da esteira. É importante notar que, no projeto deste equipamento, a principal função que demanda o emprego do encoder incremental para detectar o movimento da esteira, é, antes de tudo, a função de medição de distâncias, pela contagem de pulsos provenientes do encoder, usando a instrução de Contador Rápido, disponível no controlador. Tal medição se faz necessária para o correto posicionamento da aplicação do adesivo sobre superfície do produto, que é transportado pela esteira. No entanto, uma vez que o emprego do encoder é exigido pela função de posicionamento na aplicação do adesivo, ao utilizarmos, também, a contagem dos seus pulsos para produzir a informação de referência de velocidade, estaremos fazendo uma maximização do aproveitamento deste recurso. O sinal de pulsos fornecido pela saída do encoder da esteira é enviado para a entrada digital X0 do controlador. A entrada X0 corresponde ao Canal CH0 de entrada da instrução de contador rápido do controlador. Por uma questão de organização, o Programa do Controlador (denominado Projeto) é elaborado particionado em módulos (denominados POUs - Program Organisation Unit), de modo que há módulos (POUs) específicos, para comandar ou controlar determinadas funções, também específicas, do equipamento. No Projeto em questão, a instrução de contagem rápida dos pulsos do encoder será implementada na POU que é destinado a controlar o posicionamento na aplicação do adesivo, entretanto, essa informação será passada, como variável global, para ser utilizada, também, no POU que controlará a velocidade da bomba do coleiro. André Luis Lenz 7 frequência dos pulsos de saída do encoder instalado na esteira; • A sinal da realimentação da velocidade (ou velocidade atual), que será lido de uma saída analógica do inversor de frequência do motor da bomba do coleiro. O controle se torna, efetivamente, possível de ser realizado e o resultante sinal de controle será a geração de dois sinais de nível lógico, em duas diferentes saídas digitais do controlador: • Havendo necessidade de acelerar o movimento da bomba do coleiro, a saída YE do controlador programável é ligada (em nível lógico 1); • Por outro lado, havendo necessidade de desacelerar o movimento da bomba do coleiro, a YF do controlador programável é ligada ( em nível lógico 1); • Em nenhuma situação as saídas YE e YF são ligadas concomitantemente, mas, antes se a não houver necessidade alguma de corrigir a velocidade da ambas ficarão desligadas (nível lógico 0). Um outra método possível de se controlar a frequência de saída do inversor seria pelo controlador produzir um único sinal de saída, um sinal analógico, padronizado para variar tensão de 0 – 10V, e impô-lo a entrada analógica do inversor, como sinal de referência de velocidade, de modo concorrente ao sinal do potenciômetro. Todavia, esse método exigiria a inclusão de mais um módulo ao controlador, um novo módulo com, ao menos, uma saída analógica (um conversor D/A), pois, na configuração apresentadas, o mesmo não possui nenhuma saída analógica, apenas as 8 entradas analógicas, providas pelo módulo conversor A/D, por isso, esse método não foi possível de ser implementado. 4. O Inversor de Frequência do Motor da Bomba do Coleiro: O inversor do motor da bomba utilizado foi o inversor de frequência fabricado pela Moeller, André Luis Lenz 10 modelo M-MaxTM. Este inversor recebe os dois sinais digitais em suas entradas digitais DI2 e DI3. Na parametrização do inversor de frequência, deve-se atentar para se definir a função dessas duas entradas digitais do inversor para receberem, respectivamente, pulsos de incrementa e pulsos de decrementa velocidade (incrementa / decrementa frequência de saída do inversor). A parametrização disso é feita pelo grupo de parâmetro de controle do inversor (grupo P6). Neste grupo de parâmetros você pode definir as condições de operação para a frequência de saída do inversor. O parâmetro P6.2 determina qual será a origem dos sinais que comandarão a variação da frequência de saída do inversor. A entrada analógica AI1 (sinal do terminal de controle 2) é configurado de fábrica para a referência de frequência (em P6.2). O ajuste pode ser feito conectando-se um potenciômetro externo (recomendado resistência fixa: 1 KΩ a 10 KΩ). A resistência fixa do potenciômetro de referência é alimentada a partir do conversor de frequência através do sinal de terminal de controle 1 com 10 V (carga máxima: 10 mA). Os sinais dos terminais de controle 3 e 5 são pontos de referência (GND) para os sinais de referência analógica. Com o valor 3 (que é o padrão de fábrica) atribuído a esse parâmetro, podemos ajustar a frequência de saída (0 – 60 Hz) e consequentemente a velocidade do motor de indução trifásico conectado à saída do inversor (0 a nMotor rpm) por meio do potenciômetro conectado ao terminal de controle dois (sinal de tensão proporcional de 0 – 10V). A tempo da variação na frequência de saída é baseado em outros parâmetro os quais são relativos às rampas de aceleração e de desaceleração (o padrão de fábrica é 3s). Por outro lado, atribuindo-se o valor 5 a esse parâmetro selecionamos a origem como sendo “Motor potentiometer”. O ajuste do valor desejado de frequência através da função “Motor Potentioneter” tem o mesmo efeito do que quando ela é feita via o teclado escamoteável do painel do inversor, por meio do acionamento manual da dupla de teclas ↑ “incrementa” e ↓ “decrementa” frequência. André Luis Lenz 11 5 Motor Potentiometer Usando-se a função Motor Potentiometer”, tanto a tecla para ↑ “incrementar frequência” quanto a tecla ↓ “decrementar frequência” deverão ser definidas para serem conectadas a um determinado par de terminais do conjunto entradas digitais disponíveis, que vai de DI1 até DI6. No caso, estaremos definindo para incrementar frequência pela entrada DI2 e decrementar frequência pela entrada DI3. O grupo de parâmetros das entradas digitais (grupo P3). O grupo de parâmetros P3 é usado para ajustar a função e a operação das entradas digitais DI1 até DI6. P3.18 define qual entrada servirá para acelerar (incrementar frequência) e P3.19 define qual entradas servirá para desacelerar (decrementar frequência). Os valores para P3.18 e P.19 devem ser selecionados de acordo com a mesma lista de opções usada para o parâmetro P3.2, que é apresentada a seguir: Já o parâmetro, P3.2 define qual entrada digital (no caso é mantido o padrão, DI1) será usada para conectar o botão de partida. O desenho a seguir mostra as possíveis formas de conexão das entradas digitais, tanto para o tipo de ligação denominado ligação fonte e quanto para o tipo ligação dreno: André Luis Lenz 12 2 (DI2) 3 (DI3) P3.27): O estado da entrada DI-4 do inversor é comandada diretamente pela chave de operação Manual / Automático, indo ao estado lógico 1 (ligado) quando a chave estiver em modo manual, não havendo a necessidade de nenhuma intervenção por parte do controlador programável. Assim, como configuramos, anteriormente, a fonte de referência de velocidade primária no parâmetro P6.2, para ser pelas entradas digitais., agora devemos configurar o parâmetro P6.18. Também novas rampas de aceleração e desaceleração são definidas em P6.19 e P6.20 e ... com isso, a configuração de parâmetros do inversor de frequência (para efeito do controle proposto) está concluída. As demais parâmetros restantes a serem necessariamente configurados para o funcionamento adequado do motor da bomba, não são relevantes ao controle de velocidade em si, e podem ser configuradas segundo o motor especificado e considerando sua aplicação como bomba. 5. O Programa do Controlador: Como vimos, o programa do controlador programável, de acordo com demanda da sua complexidade, convém ser composto n partes (também chamados módulos do programa ou simplesmente de Tarefas ou Rotinas). No contexto dos controladores da NAIS-Panasonic (Matsushita), estas partes são, ainda, denominadas pela sigla POU (Program Organization Unit.). O Programa de Controle Automático completo do equipamento em questão é composto por um total de 8 POUs (ou 8 tarefas rotineiras), a saber: André Luis Lenz 15 3 5.0 5.0 4 A rotina / tarefa do Controlador Programável que irá executar o controle do sincronismo da velocidade da bomba do coleiro e a velocidade da esteira de transporte é a POU denominada INVERSOR. Existem várias linguagens padronizadas pela norma IEC 61131-3, as quais podemos utilizar para escrever programas para controladores programáveis, mas até hoje, ainda, a que melhor se apresenta para o programador que tenha sua origem na tradição dos comandos eleletroeletrônicos (como é o meu caso), é a linguagem LADDER. O termo LADDER significa, em inglês, escada (escada de mão) e significa também progressão gradual (passo a passo, encadeamento). É assim que um programa de controlador programável é executado: passo a passo, degrau por degrau. Assim, cada POU é composta por uma série passos ou degraus, dispostos e executados em cadeia (em inglês NETWORKS ou rungs). Com a execução de uma única instrução especial, que se encontra na tarefa de propósito geral denominada “Controle”, o Controlador Programável realizará a leitura de todas as informações relativas aos sinais presentes nas entradas analógicas do seu módulo e armazena-as em regiões de memória denominadas registradores, como é mostrado a seguir: O campo alaranjado, a esquerda. contém um número (no caso é 1) que corresponde ao número da NETWORK (que chamaremos, simplesmente de Passo). Com a execução dessa instrução (especial) mostrada, o Controlador procede Aquisição de Dados, ou seja, todas a as informações analógicas são lidas pelo controlador e armazenadas em registradores adequados.. As informações lidas correspondem às diversas Variáveis de Sistema, que as múltiplas funções de controle (movimento, posicionamento, temperatura), exercidas pelo Controlador Programável, precisam acessar para ser realizadas. Assim, com a execução dessa instrução, o controlador lê, simultaneamente: • As informações referentes às temperaturas atuais do adesivo nas seis zonas de controle do sistema de aquecimento (Ch0 – Ch5); • A informação referente ao volume atual de abastecimento de adesivo na cuba do coleiro (Ch6); • A informação a frequência atual da saída do inversor de frequência do motor da bomba (Ch7). Toda informação lida por um Controlador Programável a partir de sinais analógicos precisam ser convertidas para um valor numérico proporcional que é codificado em formato binário, adequado a ser armazenado nos registradores digitais e processado por um microcontrolador, unidade central de processamento, que também é digital. André Luis Lenz 16 Os controladores programáveis suportam trabalhar com variados tipos de dados de valores numéricos codificados e outros, como mostra a tabela a seguir: Tipos de Dados Padrão (IEC 61131-3): BOOL Booleano (1 bit) 0 ~ 1 INT Inteiro (16 bits) -32768 ~ 32767 DINT Duplo Inteiro (32 bits) -2147483648 ~ 2147483647 REAL Numero Real (32 bits) -3.402823*E38 ~ -1.175494*E-38, 0.0, +1.175494*E-38 ~ +3.402823*E38. WORD Conjunto de 16 bits consecutivos (16 bits) Não se aplica a operações aritméticas DWORD Conjunto de 32 bits consecutivos (32 bits) Não se aplica operações aritméticas TIME Duração (16 ou 32 bits) 0.01 ~ 327.67 s (se 16 bits) 0.01 ~ 21 474 836.47 (se 32 bits) STRING Conjunto de caracteres consecutivos (comprimento variável) ARRAY Conjunto de Elementos de Dados similares Uma variável que contenha dados do tipo WORD consiste num grupamento de 16 estados binários, assim, WORD e INT ocupam registradores de mesmo tamanho, todavia INT é um tipo de dados numérico e WORD não é. Muito embora uma WORD aceite ser carregada com valores numéricos (expressos tanto em decimal, quanto em hexadecimal ou binário), ela não aceita ser processada em operações aritméticas. WORD é o padrão para o valor inicial, por exemplo, para a declaração de uma variável no cabeçalho de uma POU ou na lista de variáveis globais. No caso da instrução apresentada, todos os valores numéricos provenientes da leitura das entradas analógicas são guardadas em registradores de dados tipificados, por default, como WORD e, portanto, armazenadas nos respectivos registradores de 16 bits. Dentre eles, o que nos importa no momento, é apenas o registrador de endereço DT117, que contém o dado referente a leitura da informação da frequência de saída do inversor de frequência do motor da bomba. O controlador programável em questão, é dotado de uma área de memória atribuída para registradores de dados, capaz de armazenar até 32765 dados de 16 bits. A faixa de endereços disponível vai desde DT0 (%MW5.0 no padrão IEC) até DT32765 (%MW5.32764). É realmente uma farta quantidade de registradores de dados disponível. Os valores contidos nos registradores de 16 bits podem ser tanto do tipo WORD como do tipo INT. Tanto no tipo de dado WORD quanto no tipo de dado INT (inteiro), ocorre de os valores decimais estarem representados em binário, no entanto, os dados do tipo INT podem representar valores de -32768 a 32767, ao passo que, os dados do tipo WORD, podem representar valores na faixa de 0 a 65535, por isso, as operações aritméticas não aceitam processar, diretamente, dados do tipo WORD. André Luis Lenz 17 aumenta com o aumento da velocidade do sistema esteira / bomba, todavia ainda assim, é pequena o bastante para não comprometer a eficácia do controle. • Se Pulsos AMOSTRADOS for zero, significa que a esteira está parada, e a rotina inversor deve comandar o inversor da bomba para que ele reduza a sua frequência de saída (a frequência mínima de saída do inversor da bomba é de 15 Hz; • Se Pulsos AMOSTRADOS for positivo, ai então ele deverá ser comparado com um dado que é relativo ao valor da frequência de saída atual do inversor do motor da bomba. Dessa comparação é que resulta a decisão de acelerar, desacelerar ou manter a velocidade estável. A parte da rotina INVERSOR, que realiza o controle proposto é apresentada a seguir: Lista de variáveis: Diagrama ladder: continua → André Luis Lenz 20 6. Considerações finais e agradecimentos: Esta dissertação faz parte de uma série "Eletroeletrônica Industrial em Controle de Automáticos", cuja lista de temas é: 1- Relés de Estado Solido (SSR - Solid State Relays); 2-Acionamento de Aquecimento para Termofusão de Polímeros; 3- Acionamento Sincronizado de Máquinas (Coleiro + Esteira); 4- Polímeros Adesivos Termofundíveis (Hot Melt); 5- Controle de Temperatura de Aquecimento em Multizonas; 6- Comutação Rápida de Eletroválvulas em Aplicadores Hotmelt. Portanto, o assunto aqui abordado (Sincronização de Máquinas (Coleiro + Esteira)) prosseguirá, complementado, nas dissertação consequentes e subsequentes. Agradecimentos especiais à empresa Priscell Ind. Com. Ltda., que me contratou como projetista e supervisor de montagens eletroeletrônicas, por um certo período nos anos de 2010/2011, me propiciando, assim, o aprimoramento do conhecimento técnico e tecnológico, essencial, que tornou esta dissertação possível. 7. Referências Bibliográficas: • FP Sigma User Manual (2003) – Panasonic-Matsushita; • M-MaxTM Series - Adjustable Frequency (2010) - Drive - Operation Manual - EATON-MOELLER André Luis Lenz 21