conjunto eletromecÂnico para ensaios didÁticos … · por inversor de frequência, motor...

The 4th International Congress on University-Industry Cooperation – Taubate, SP – Brazil – December 5th through 7th, 2012 ISBN 978-85-62326-96-7

CONJUNTO ELETROMECÂNICO PARA ENSAIOS DIDÁTICOS EM CONTROLE E

AUTOMAÇÃO

Flavio Eduardo de Moraes [email protected] [email protected] SENAI – Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial - Escola Nami Jafet Rua Don Candido de Alvarenga nº350, Mogi das Cruzes (SP) Brazil Wilton Ney do Amaral Pereira [email protected] UNITAU - Universidade de Taubaté – Depto. de Engenharia Elétrica Rua Daniel Danelli, s/n - 12060-440, Taubaté-SP - Brazil

Resumo: Esse artigo apresenta a concepção e o início do desenvolvimento de um conjunto

eletromecânico destinado ao estudo da teoria de controle de sistemas lineares. Sua principal finalidade é prover uma plataforma experimental para facilitar a aprendizagem nos cursos de engenharia e de tecnologia em automação industrial. A justificativa para o projeto é o elevado grau de abstração necessário para compreensão dos fundamentos científicos envolvidos neste estudo e a quase inexistência de equipamentos didáticos no mercado nacional. O sistema é composto por inversor de frequência, motor elétrico, gerador, tacogerador e carga resistiva. A emulação de um sistema realimentado linear será realizada pelo interfaceamento com uma placa de aquisição de dados da National Instruments operando com o Labview 2012 e a operação real por meio de CLP industrial. Os dois métodos permitem ajustes e medidas de um sistema realimentado por P, I e PID assistidos por um supervisório integrado ao Labview. A combinação destes dois métodos permitirá demonstrar a congruência entre modelagem de um sistema físico e operação de um dispositivo extensivamente empregado em ambiente industrial. Funções de transferência e respostas às excitações clássicas (degrau, rampa linear e parabólica) serão numericamente simuladas ou emuladas por cargas resistivas programáveis. Estima-se que a futura natural do conjunto será a integração de ensaios empregando compensadores analógicos e digitais. Considera-se que a abordagem adotada pode facilitar significativamente a aprendizagem de sistemas de controle eletromecânicos. A associação entre simulação numérica e operação de um sistema real permite ilustrar com excepcional clareza o comportamento de um sistema físico linearmente controlado. Os ensaios iniciais de dimensionamento do conjunto são também apresentados. Palavras chave: controle linear, simulação numérica, eletromecânica, aquisição de dados, ensino de engenharia, CLP.

1. INTRODUÇÃO

A compreensão dos conceitos de controle automático é decisiva na concepção, projeto, desenvolvimento, instalação e operação dos modernos sistemas de produção industrial. A principal dificuldade dos estudantes é o elevado grau de abstração exigido para a perfeita aprendizagem. Nos cursos de engenharia, o estudo dos sistemas de controle envolve equações íntegro-diferenciais, transformadas de Laplace, Fourier e Z, tanto em tempo contínuo como em tempo discreto. Na modelagem matemática, a determinação da função de transferência é a base de toda a formulação simbólica sistema físico controlado. Na teoria clássica, é considerado linear,


determinístico e invariante no tempo. Uma vez determinada, a função de transferência permite definir todas as estratégias de controle que foram concebidas nos últimos 70 anos. Equipamentos, com “hardware” periférico, unificados por “software”, constituem o corpo físico e virtual de processos artificialmente controlados.

O objetivo deste trabalho é apresentar a fase da concepção e dimensionamento de um conjunto eletromecânico para apoiar e ensino e treinamento em controle e automação dentro da realidade do ensino das engenharias e dos cursos superiores em tecnologia no país. Nossas dificuldades são amplamente conhecidas. Dentre as contradições da política educacional brasileira, destacam-se:

- alunos ingressantes no nível superior com precária formação do ensino fundamental e médio; - asfixiantes limitações financeiras das IES (Instituições de Ensino Superior), tanto públicas

quanto privadas; - descompasso entre as demandas das empresas nacionais e o perfil dos profissionais

oferecidos por estas IES; - pela baixa remuneração, baixa atração dos melhores, dos setores tecnológicos, ao exercício

exclusivo do magistério superior; - para sobreviver com dignidade, docentes tornam-se em conferencistas ambulantes,

acumulando aulas em duas, três ou até quatro IES; - mesmo nas IES públicas, sob regime de dedicação exclusiva ou em tempo integral, docentes

buscam fugas ou tolerâncias legais;

Este cenário vem se agravando pelo contínuo processo de desindustrialização e pela reduzida taxa de inovação tecnológica das empresas nacionais. Os autores consideram que o projeto de equipamentos didáticos, aderentes a realidade nacional, devem buscar:

- simplicidade operacional para facilitar a aprendizagem; - paralelismo, congruência e sincronismo com um desenvolvimento teórico assimilável ao

discente médio de nossas IES; - oferecer amplo material de apoio didático-pedagógico aos docentes que irão utilizar o

equipamento no laboratório, preferencialmente produzido por profissionais com larga experiência no ensino e treinamento na área tecnológica;

- baixo custo, robustez, portabilidade física e conectividade analógica e digital; - volume e peso reduzidos, pois o espaço livre para laboratórios nas IES é cada vez menor,

exigindo laboratórios universais e rotativos, não especializados; - permitir interação via “wireless” ou por via física universal, tipo USB, com microcomputadores

portáteis, para transferência de dados para tratamento matemático, simulação numérica, apresentação gráfica e elaboração de relatórios,

- emprego máximo de componentes nacionais, buscando facilidade na busca de peças de reposição;

- fabricação nacional, cujo projeto e desenvolvimento considerem a realidade acima descrita.

O conjunto em desenvolvimento é composto por inversor de frequência, motor elétrico, gerador, tacogerador e carga resistiva variável, ajustada para emular perturbações da variável controlada conforme algumas funções clássicas de análise do comportamento de sistemas lineares (degrau, pulso, rampa, etc). Sua potência máxima limita-se a 480 Watts, acionadas por comutação manual ou via “software” em passos de 60 Watts.


A análise do sistema de controle será realizada por dois métodos e em dois domínios. O primeiro é a emulação numérica do controlador por meio de um microcomputador PC interligado pela placa de interface e aquisição de dados NI myDAQ, utilizando o programa NI Labview 2012, ambos da National Instruments. A função de transferência do conjunto eletromecânico, matematicamente modelada ou experimentalmente aproximada, em abordagem temporal, pode ser representada por uma equação diferencial ordinária. No domínio da frequência, por transformadas de Laplace. Ambas constituem a abordagem em tempo contínuo. Em tempo discreto, a representação é por uma equação de diferenças; no domínio da frequência, empregam-se transformadas Z. Estas quatro situações podem ser numericamente emuladas pelo Labview com apoio do MatLab ou do MyOpenLab. Desta forma, é possível estimar virtualmente o comportamento do sistema antes de colocá-lo em operação real. Respostas do sistema real, aqui considerado linear e invariante em tempo contínuo (LITC), podem ser obtidas nas excitações mais comuns nos estudos teóricos da teoria clássica de controle (degrau, pulso, rampa linear e rampa parabólica).

No caso de medições com o conjunto eletromecânico em operação, com a placa de aquisição NI MyDAQ da National Instruments, dotada de entradas e saídas, analógicas e digitais, gerenciada pelo “software” Labview, será possível adquirir e visualizar graficamente excitações e respostas. A variável de controle é a velocidade de rotação do eixo motor. A variável controlada, sob a perturbação da carga resistiva variável, é a tensão elétrica aplicada sob a variação da potência elétrica entregue a esta carga. Dados adquiridos permitirão levantar as características de amortecimento e de estabilidade do sistema realimentado.

O segundo método de análise do sistema de controle será em operação real com o controle realizado por um CLP comercial, monitorado pelo supervisório Elipse Scada integrado ao LabView e controlado por um IHM também comercial. As saídas serão adquiridas e comparadas com valores obtidos durante o primeiro método, buscado verificação a convergência entre o modelo matemático previamente estabelecido e o comportamento do sistema real.

Nos dois métodos de análise, as ações de controle tipo proporcional, integral e derivada serão analisadas sob três condições:

- sob carga fixa (sem perturbação) com evoluções da variável de entrada (“set-point”) conforme programação prévia nas funções clássicas (degrau, pulso, rampas);

- com entrada fixa (“set-point” travado) e perturbação evoluindo, conforme as funções clássicas;

- com variável de entrada e perturbação evoluindo nas funções clássicas, combinando as duas condições anteriores;

Estas três formas de análise abrem amplas possibilidades de estudos e ensaios do conjunto eletromecânico. O emprego do CLP comercial, atuando como controlador PID (Proporcional +Integral+Derivado) tem vantagem de apresentar ao estudante uma aplicação típica do ambiente industrial.


Figura 1. Diagrama em blocos da plataforma de ensaios 2. DESCRIÇÃO DO CONJUNTO ELETROMECÂNICO

Em blocos, o conjunto eletromecânico para ensaios didáticos em controle e automação está representado na Figura 1. A variável de controle do sistema é a rotação do eixo do motor. Sob carga, esta rotação tende a diminuir. O tacogerador informa o comparador com o “set-point” e atua no inversor de freqüência, elevando a potencia elétrica aplicada no motor trifásico, buscando manter a velocidade o eixo em velocidade constante. Sob a perturbação na malha de controle, representada pela variação da carga resistiva aplicada ao gerador, onde a variável controlada é a tensão CC produzida, a velocidade de rotação é, então mantida pela leitura do tacogerador, uma tensão diretamente proporcional a esta velocidade.

Este sistema, sofrendo perturbações na forma de variação da carga resistiva, deverá responder linearmente, mantendo a tensão aplicada na carga, independentemente da carga aplicada. Tanto variações da entrada (“set-point”) como da perturbação, podem ser programadas nas funções básicas de modelagem e ensaios de um sistema linear (pulso, degrau e rampas).

2.1 CONTROLE POR PLC

O CLP utilizado para essa aplicação será o ATOS 4004, programável pelo “software” WINSUP. A figura 2 mostra o diagrama em blocos utilizando o sistema de controle por CLP.

Figura 2: Diagrama em blocos da plataforma de ensaios utilizando a metodologia com CLP


2.2 SAÍDA ANALÓGICA Uma saída analógica do CLP será utilizada para atuar no inversor de acordo com a variação da carga, mantendo, em malha fechada, a rotação do eixo motor. O sinal de controle será em tensão, entre 0 a 10V.

2.3 SAÍDAS DIGITAIS

Serão necessárias oito saídas digitais para ligar ou desligar, por meio de relés, as cargas resistivas, com passos de 60 Watts, aplicadas ao gerador CC. A programação do CLP permitirá emular várias formas de variação do “set-point” e da perturbação aplicáveis ao conjunto eletromecânico. A figura 3 ilustra os relês que serão acionados pelo CLP e que ativarão as cargas.

As diversas formas de atuação do controlador podem também ser analisadas. Ações P, PI ou PID, tanto em emulação numérica como na operação real do sistema. O comportamento do sistema real poderá ser comparado com simulações numéricas virtuais ou com valores emulados pelo controlador emulado via “software”.

2.4 ENTRADAS ANALÓGICAS

Serão necessárias duas entradas analógicas, que receberão os parâmetros de controle do conjunto eletromecânico. Na primeira será aplicado o sinal de saída do comparador analógico, onde o sinal de entrada ou valor do “set-point” é comparada com o sinal produzido pelo tacogerador. Via “software” comandará o inversor de freqüência para atuar no motor trifásico. Há também a possibilidade desta ação, em malha aberta, ser realizada por um potenciômetro.

Figura 3. Diagrama do cartão de saída do CLP com os reles de acionamento das cargas

A segunda entrada será utilizada para uma ação manual, via outro potenciômetro, para comandar o acionamento da carga resistiva, que emulará a perturbação. Este acionamento, comandado pelas saídas digitais ou analógica (se não houver saídas digitais disponíveis), atuará sobre o banco de relés. Seu acionamento poderá também ser realizado via programação do CLP.

Haverá também o monitoramento do tempo decorrido no qual o inversor alcança a frequência desejada para manter o eixo motor na velocidade de rotação estabelecida pelo “set-point”. Para isso, a saída analógica do CFW07 deverá ser parametrizada no modo referência de saída, que indicará qual é a real frequência da tensão aplicada ao motor trifásico. No processo de aceleração e desaceleração, será parametrizada uma rampa com um tempo adequado a maior precisão no ajuste da rotação desejada no eixo motor, permitindo um ajuste fino desta velocidade. 2.5 CONTROLADOR PID DO WINSUP


O algoritmo PID do Winsup pode ser escrito de maneira simplificada, conforme a equação: S = P+I+D onde:

S é saída para controle do processo, podendo ser analógica ou do tipo PWM (“Pulse Width Modulation” - Modulação por Largura de Pulso).

O algoritmo PID é a soma dos três elementos, combinando as ações para executar o controle da variável do processo (neste projeto é a frequência). Será necessário definir a contribuição de cada parâmetro, programando ganhos para cada um dos termos, os quais são descritos abaixo:

Kp - ganho proporcional (0% a 100 %);

Ki - ganho integral (4 a 250 repetições / minuto);

Kd - ganho derivativo (0 a 25,5 minutos).

2.5.1 Ação proporcional

O controle proporcional mantém uma relação linear entre o valor da variável de processo e a posição do elemento final de controle. A magnitude da correção é proporcional à amplitude do desvio, ou seja, a saída do controlador é proporcional ao erro. Quanto maior for o desvio, maior será a correção do termo proporcional. A unidade empregada é uma porcentagem, variando o termo proporcional de 0 a 100%. O gráfico da figura 4 mostra a influência do termo proporcional supondo: S = P (controle somente com termo proporcional).

2.5.2 Ação integral

A finalidade da ação integral é eliminar o desvio permanente deixado pela ação proporcional, provocando a contínua correção do sinal de saída até que o erro seja eliminado. A correção é proporcional à integral do erro. Enquanto houver desvio na variável controlada, agirá elevando ou reduzindo a ação do controlador, só cessando quando o erro no laço de realimentação se anular. O termo integral pode ser expresso como uma média do erro ao longo do tempo. A unidade empregada é REPETIÇÕES/MINUTO, podendo executar desde 4 a 250 repetições por minuto. A contribuição do termo integral poderá ser positiva ou negativa, de forma que soma de P+I poderá alcançar o valor máximo para a saída (100%), ou mínimo (0%) em relação ao “set-point”.

Figura 4. Comportamento da ação proporcional

Fonte: Manual Winsup (avançado)

2.5.3 Ação Derivativa

O termo derivativo introduz uma ação corretiva proporcional à velocidade de variação do desvio. Combinada com a ação proporcional, se a variável controlada se afastar do “setpoint”, a ação é mais rápida e significativa do que as ações P ou P+I. Por outro lado, quando a variável tenta


retornar ao valor anterior, o modo derivativo exerce uma ação contrária, reduzindo as eventuais oscilações. Ë possível afirmar que a finalidade da ação derivativa é diminuir o tempo de correção do desvio, antecipando a ação corretiva. A ação derivativa é também conhecida por ação antecipatória. O tempo de antecipação é chamado “tempo derivativo”, expresso em minutos.

2.5.4 Ajuste dos parâmetros do PID2

No algoritmo do PID2, o termo proporcional (Kp), é o responsável pela energia média entregue à carga. Quando ajustado em 100%, no “setpoint” ele fornece 50% de energia ao atuador ou planta. No limite inferior da banda proporcional, fornece 100%. No limite superior, 0%. Se Kp=50%, teremos 25% no setpoint, 50% no limite inferior e 0% no superior. O termo integrativo (Ki) pode variar de 4 a 250 repetições por minuto. Ele pode contribuir com uma faixa de ±50% da energia na carga, que associada ao termo proporcional, permite obter uma variação de 0 a 100% de energia entregue ao atuador ou à planta. O valor determina quantas vezes por minuto é calculado o erro do sistema. Este erro vai alterar o valor da parcela integral de energia, aumentando ou diminuindo o valor da ação, buscando reduzir o erro. O termo derivativo tem a função antecipatória, ou seja, tenta “prever” como um determinado erro vai se propagar ao longo do tempo. Reajusta a ação global do controlador, e também, tenta minimizar o erro.

Tabela 1. Reações do sistema controlado sob ação do PID2. Fonte: Tutorial Elipse SCADA

AJUSTES REAÇÕES

Kp

Kp deve ser aumentado caso haja oscilações abaixo do “setpoint”.

Kp elevado provoca maior “over-shoot” inicial, com oscilações acima do “setpoint”.

Ki Ki muito alto pode desestabilizar o sistema, com oscilações em torno do “setpoint”.

Ki alto provoca correção do erro mais rápida, porém provoca maior “over-shoot”.

Kd Kd elevado provoca menor “over-shoot”, diminuindo o tempo de estabilização, porém o sistema pode oscilar em torno do “setpoint”.

Na maioria dos casos, padrões estabelecidos pela prática para valores de Kp, Ki, e Kd são capazes de estabilizar o sistema. Sem oscilações e no menor tempo, normalmente é preciso um ajuste fino destes parâmetros, empregando um simulador numérico para analisar o sistema ou por tentativa e erro, conforme ilustra a Tabela 2.

Tabela 2 . Tipo de Tag do Elipse SCADA Fonte: Tutorial Elipse SCADA

2.6 INTERFACE HOMEM-MÁQUINA

O software supervisório será o ELIPSE SCADA instalado num microcomputador PC conectado ao PLC. O Elipse MMI (Man-Machine Interface) é um software de supervisão completo. Possui banco de dados proprietário, relatórios formatados, históricos, receitas, alarmes e controle estatístico de processos. Seus recursos disponíveis e necessários no caso da plataforma de ensaios são:


· Históricos, receitas e relatórios. · Controle Estatístico de Processos (Módulo CEP); · Objetos de tela Browser (históricos) e alarmes históricos; · Registro de alarmes em disco.

O Elipse MMI é indicado para sistemas de qualquer porte, onde não sejam necessárias conexões com bancos de dados externos. A supervisão de um processo com o Elipse SCADA ocorre através da leitura de variáveis de processos no campo. Os valores dessas variáveis são associados a objetos do sistema chamados “tags”. Os "tags” são todas as variáveis (numéricas ou alfanuméricas) envolvidas num aplicativo. Os atributos são dados fornecidos ao Elipse SCADA referentes aos parâmetros de sistema e componentes da aplicação. Podem ser considerados “tags”: a frequência do inversor e um atributo da potência que o gerador está fornecendo. O valor do “tag” ou do atributo associado poderá ser mostrado pelos objetos de animação em uma tela de computador. Para a aplicação neste trabalho, os ”tags” serão do tipo PLC, utilizados quando se deseja ler e escrever dados num controlador programável separadamente. Eles podem representar qualquer tipo de variável, como entrada ou saída digital ou analógica, dependendo da configuração e do endereçamento requerido pelo “driver”. Antes de criar um “tag” PLC, é necessário criar um objeto “driver”, ao qual o “tag” será associado. Os “drivers” de comunicação são bibliotecas (arquivos .DLL) responsáveis pela interligação do Elipse SCADA com o PC através da comunicação serial RS232. A Tabela 2 mostra o tipo de “tags” que será usada no Elipse SCADA.

Figura 5. Diagrama em blocos da plataforma de ensaios utilizando a metodologia com placa de aquisição de dados.

2.7 UTILIZANDO MÉTODO DE CONTROLE POR PLACA DE AQUISIÇÃO DE DADOS

A Figura 5 mostra o diagrama em blocos utilizando o sistema de controle pela placa de aquisição de dados. Nesta configuração nota-se que mudou apenas o sistema de controle, retirando assim o CLP e o software supervisório Elipse Scada e entrando no lugar a placa de aquisição de dados NI MyDAQ e o programa Labview 2012.

2.8 UTILIZAÇÃO DA PLACA NI MyDAQ

NI myDAQ é dispositivo de aquisição de dados portátil e de baixo custo baseado para trabalhar junto ao NI LabVIEW, permitindo realizar medições, processamento e analises sinais do mundo real, podendo fazer comparações entre o sistema real com o sistema simulado. O NI myDAQ é ideal para essa aplicação devido suas características físicas na disponibilização de 2 entradas e


saidas analógicas, 8 I/O digitais e canais para medições (multímetro digital e osciloscópio) A Figura 6 mostra o aspecto físico do NI myDAQ e a Figura 7 mostra as conecções disponíveis do hardware.

Figura 6: NI myDAQ Figura 7: Conecções Fonte:National Instruments Fonte:National Instruments

2.9 SAÍDAS DIGITAIS

Para essa aplicação, serão necessários algumas adaptações nos circuitos devido a NI myDAQ trabalhar com 5Vcc nas vias de I/O, que são de baixa potência, para o acionamento das cargas. Sendo assim, o esquema elétrico da Figura 8 mostra a interface para acionamento das cargas. Como são disponíveis 8 vias de I/O, cada via será conectada a um desses circuitos.

3. APLICAÇÃO DO PROGRAMA LABVIEW 2012

LabVIEW é uma linguagem de programação gráfica que utiliza ícones, em vez de linhas de texto, para criar aplicações. Em contraste às linguagens de programação baseadas em texto, em que instruções determinam a execução do programa, o LabVIEW utiliza programação baseada em fluxo de dados,onde o fluxo dos dados determina a execução.(Manual de treinamento do LabVIEW básico1).

Através do Labview 2012 é possível desenvolver algorítmos, modelagem, simulação e cofecção de dados incluindo a elaboração de interfaces gráficas, sendo possível ter uma gama ampla de lógicas além do PID, podendo utilizar lógica de controle fuzzy, preditivo, adaptativo, ou seja, ampliando sua aplicação para diversas áreas em aplicações acadêmicas. É possível realizar as simulações, modelar, simular e analisar sistemas dinamicamente. Esse programa sistemas lineares e não lineares modelados em tempo contínuo, tempo discreto ou uma mista dos dois.

A grande vantagem é poder construir os modelos através de diagrama de blocos realizar testes, medições, gráficos fazer simulações para validação do sistema e a partir disso fazer os acionamentos de hardware pela placa de aquisição de dados. Utilizando o LabVIEW, pode-se criar aplicações de testes, medições, aquisição de dados, controle de instrumento, registro de dados, análise de medição e geração de relatório. No LabVIEW é possível construir uma interface de usuário, utilizando um conjunto de ferramentas e objetos. A interface de usuário é conhecida como Painel frontal. Então, ao adicionar o código utilizando representações gráficas de funções para controlar os objetos do painel frontal. O diagrama de bloco contém esse código. Sob certos aspectos, o diagrama de bloco assemelha-se a um fluxograma. (Manual de treinamento do LabVIEW básico1).


Figura 8: Diagrama elétrico da interface de saida para acionamento das cargas

2.5 CONSIDERAÇÕES SOBRE O CONJUNTO ELETROMECÂNICO

Será utilizado um inversor de frequência para controlar a velocidade da rotação de um motor trifásico de 1HP, 4 polos(1720 rpm), 3,2A de corrente nominal, mecanicamente acoplado a um gerador CC de imã permanente WEG de 0,3kW, 170V, com relação de acoplamento de 1:1.

No conjunto eletromecânico será utilizado o inversor de frequência CFW07 da WEG, de fácil programação, possuindo recursos que favorecem a integração com o CLP e com a placa de aquisição de dados. O sensor do processo será um tacogerador que fornece uma tensão CC de 0 a 30V proporcional a velocidade de rotação do eixo motor, aplicada no comparador analógico do “set-point”. A carga de resistiva será formada por um conjunto de oito lâmpadas incandescentes de 60 W, comutadas por relês, acionadas conforme a programação prevista no ensaio do conjunto, até o valor máximo de 0,48 kW.

Figura 9. Diagrama elétrico de acionamento das cargas resistivas.

O objetivo da ação de controle é minimizar oscilações de tensão que irá refletir diretamente na potencia elétrica consumida pela carga resistiva. Essas oscilações são diretamente decorrentes da variação da velocidade de rotação do eixo motor.

2.5.1 CIRCUITO DE ACIONAMENTO DAS CARGAS


A forma de acionamento das cargas (degrau, pulso, rampa linear ou parabólica) emulam as perturbações que o conjunto eletromecânico irá receber. O modo de acionamento (pela placa de aquisição de dados ou por meio do CLP) vai depender do tipo de análise desejada (simulação numérica, emulação digital ou operação real). Uma chave seletora habilitará o modo exclusivo desejado. A Figura 9 mostra a conexão das cargas através dos contatos dos relés, acionados manualmente, pelo CLP ou pela programação da NI MyDAQ.

3. ANÁLISE DAS CURVAS TÍPICAS DE UM SISTEMA DE CONTROLE

A finalidade de um sistema de controle com realimentação negativa é atuar no dispositivo controlado até que o erro entre o “set-point” e a variável controlada se anule. No caso do conjunto eletromecânico em desenvolvimento, a variação na velocidade de rotação do eixo motor provocará a ação de correção desta velocidade. O controlador enviará comando para elevar ou reduzir a potência aplicada no motor trifásico, buscado manter esta velocidade estável. Com a perturbação do sistema, surge um transiente na variável controlada. Na partida do sistema, por exemplo, o ideal seria que o eixo motor fosse para a velocidade nominal instantaneamente ou, pelo menos, no menor tempo possível, sem oscilações pronunciadas até que o sistema atinja o regime estacionário. Na velocidade operacional, perturbações representadas pela variação da carga, a ação de controle deve manter o eixo motor em velocidade estável. A Figura 10 apresenta o comportamento de um sistema controlado real. Se for de 2ª. ordem, representa o comportamento de um sistema realimentado criticamente amortecido.

Figura 10. Comportamento ideal do sistema de controle de frequência

Fonte: Manual Winsup (avançado)

Para alcançar o valor desejado sem risco de oscilações em torno do “set-point”, é preciso admitir um tempo maior para se alcançar a velocidade de rotação desejada. Neste caso, o inversor de freqüência deverá ser parametrizado no modo referência de saída. A Figura 11 mostra este comportamento, típico de um sistema super-amortecido.

Se o eixo motor deve alcançar rapidamente a velocidade nominal, num tempo menor do que foi obtido nas condições mostradas na figura 11 escolhe-se uma faixa em torno do “setpoint”. Assumindo que abaixo desta faixa a energia fornecida ao motor seja máxima, este tipo de atuação admitirá algum “over-shoot” (sobrecrista). A amplitude das oscilações, entretanto, não deve ultrapassar os limites desta faixa. Este é o comportamento de um sistema sub-amortecido, mostrado na Figura 12. O confinamento das amplitudes de oscilação do “over-shoot” é definido pelos ajustes realizados nas constantes Kd, Ki e Kd do controlador PID.

Tempo (s)

Rotação


No comportamento sub-amortecido, a ação derivativa, ao sentir a brusca variação de velocidade de rotação do eixo, intervém, atuando antes que o erro se eleve bruscamente, ultrapassando os limites da faixa ajustável do “set-point”. Na ação PD é fornecida energia acima do valor médio consumido para manter a potência do motor na velocidade nominal. Esta é a razão da presteza na resposta do sistema, mas o preço é a possibilidade dos “over-shoots”. No controlador PID isto é compensado, pois os erros acumulados pela ação I (integral) executa correção crescente até eliminar este erro. Assim é possível tornar mais rápida a resposta do sistema às perturbações aplicadas ao sistema, no limite, dentro da comportamento criticamente amortecido, onde oscilações são reduzidas a valores ínfimos (Ogata,2010).

Figura 11. Sistema com resposta Figura 12. Sistema com resposta mais rápida mas sem risco de oscilações. admitindo oscilações “limitadas”. Fonte: Manual Winsup (avançado) Fonte: Manual Winsup (avançado)

No comportamento sub-amortecido, a ação derivativa, ao sentir a brusca variação de velocidade do eixo, intervém, agindo no atuador antes que o erro se eleve demasiado, ultrapassando os limites da faixa assinalada em torno do “set-point”. Na ação PD é fornecida energia acima do valor médio consumido para manter a frequência em um determinado “setpoint”, pode ocorrer que a frequência mantenha-se em regime estacionário. Esta é a razão da presteza na reposta do sistema, mas o preço é a possibilidade dos “over-shoots”. No controlador PID isto é compensado, pois os erros acumulados pela ação I (integral) executa correção crescente até eliminar este erro. Assim é possível tornar o sistema mais rápido com característica semelhante ao comportamento do criticamente amortecido. Embora intrinsecamente sub-amortecido, as oscilações inerentes deste tipo de comportamento podem ser reduzidas a valores ínfimos (Ogata,2010).

4. ENSAIOS PRELIMINARES DO CONJUNTO ELETROMECÂNICO EM MALHA ABERTA

Na fase inicial deste trabalho foi conveniente levantar alguns dados ensaiando o conjunto eletromecânico em malha aberta, buscado entender a dinâmica do sistema. A montagem utilizada é mostrada na Figura 13.

Tempo (s)

Rotação

Rotação

Tempo (s)


Figura 13: Diagrama de blocos em malha aberta do sistema ensaiado No ensaio, foi mantida a velocidade nominal de 60Hz (frequência da rede elétrica) gerando, em vazio, a tensão contínua de 110 V. Esta tensão serviu como principal valor de referência do ensaio, pois a variação da velocidade de rotação do eixo influi diretamente na tensão produzida. O inversor de frequência foi configurado de forma que a frequência da alimentação trifásica do motor fosse controlada por um potenciômetro de 10kΩ. O gerador CC, acoplado ao eixo motor, foi conectado a carga resistiva variável. A elevação da carga, em malha aberta, provoca a queda da rotação do eixo motor e redução da tensão CC produzida. O ajuste manual do potenciômetro ligado no inversor atua sobre a velocidade de rotação buscando-se o valor nominal da tensão.

Tensões e velocidades de rotação foram medidas em diversos valores de carga, sempre se ajustando o inversor de freqüência para manter em 110V o valor da tensão CC gerada. As Figuras 14 e 15 ilustram a montagem realizada.

Figura 14: Inicio da Preparação do ensaio


Figura 15: Plataforma com todas as cargas ativadas

A carga resistiva variável foi implementada com a conexão progressiva de oito lâmpadas incandescentes de 60 W sob tensão nominal de 127 VAC. Foram medidas as seguintes grandezas:

Carga aplicada ao gerador (W)

Tensão do tacômetro (Vcc)

Tensão de saída do gerador (Vcc)

Corrente de saída do gerador (A)

Corrente de linha do motor trifasico (A)

Frequência produzida pelo inversor para manter a tensão do gerador (Hz)

Velocidade de rotação do eixo motor (rpm)

A Tabela 3 apresenta os valores levantados no ensaio.

Tabela 3: Valores obtidos nos ensaios do processo.

N CARGAS

(W) TENSÃO

TACOMETRO(Vcc)

TENSÃO SAIDA (Vcc)

CORRENTE SAIDA

GERADOR(A) CORRENTE MOTOR(A)

FREQ.AJUS. P/ 110V SAIDA GERADOR(Hz)

ROT. AJUS. P/ 110V SAIDA

GERADOR (Hz)

0 0 31,94 110,40 0,00 2,20 60,10 1726

1 60 31,88 108,80 0,46 2,30 60,90 1747

2 120 31,8 107,60 0,92 2,50 61,50 1764

3 180 31,73 106,60 1,38 2,60 62,30 1787

4 240 31,57 105,50 1,82 2,70 62,90 1808

5 300 31,56 104,80 2,27 2,90 63,60 1827

6 360 31,39 103,50 2,71 3,10 64,00 1837

7 420 31,32 102,60 3,15 3,20 64,50 1852

8 480 31,23 101,60 3,58 3,50 65,00 1865

Com estes dados, foram elaborados os seguintes os gráficos das Figuras 16 e 17.


Figura 16: Relação entre as correntes do motor e do gerador

Figura 17: Variação da tensão CC com a elevação da carga

O ensaio permitiu verificar que não há uma relação direta entre a tensão gerada e a velocidade de rotação do eixo motor. Esperava-se, supondo um modelo teórico ideal, que a tensão gerada dependia apenas da velocidade de rotação do eixo motor, sem vinculo com a carga aplicada, conforme estabelece a lei de Faraday. Não-linearidades da permeabilidade do material ferromagnético do gerador, a reação do induzido sob alta corrente e perdas por efeitos Joule nos condutores exigirá a reconfiguração da modelagem e da malha de controle do conjunto eletromecânico. Sem este refinamento, valores obtidos nas duas formas de análise concebidas para este equipamento apresentarão baixa convergência, escapando do principal objetivo didático da realização eletromecânica: elevada aderência entre a teoria e a prática.

Algumas características essenciais para modelagem do conjunto foram levantadas. Na Figura 16 observa-se razoável linearidade entre a corrente do gerador e a variação da carga. A relação velocidade de rotação pela freqüência do inversor com tensão constante sob carga variável será a base da modelagem da malha de controle do conjunto.

Algumas características se destacaram:

- tensão do tacogerador: a variação da velocidade do eixo motor é proporcionalmente pequena, da ordem de 8%, do vazio a carga máxima, representando variações na faixa dos milivolts na tensão do taco gerador, que exigirá cuidadoso condicionamento de sinal antes de ser aplicado nas entradas analógica de comparação. Isto significará assumir uma constante proporcional previamente estabelecida além da ação P do controlador PID;


- a ação sobre o inversor de frequência vai exigir uma malha interna de controle, que irá modificar a concepção inicial do conjunto eletromecânico;

Os dados coletados pelo ensaio prévio do conjunto serão muito úteis na próxima etapa do projeto.

5. CONCLUSÃO

A concepção e o ensaio prévio do conjunto eletromecânico indicam a viabilidade técnica e conveniência prática do projeto. Adicionalmente, não há, no mercado interno, um equipamento semelhante. A perspectiva de sucesso como um instrumento valioso de apoio ao ensino de controle e automação. A visualização de fenômenos que exigem modelagem matemática complexa auxiliará significativamente a aprendizagem neste domínio do conhecimento. A utilização de componentes e equipamentos de uso comum no mercado interno facilitará a sua implementação com baixo custo. O aspecto compacto da montagem deve assegurar sua portabilidade e fácil transporte entre um laboratório universal e um almoxarifado de equipamentos. Em etapa mais avançada do desenvolvimento do projeto, será investigada a viabilidade de substituir os “softwares” comerciais por versões abertas e de uso gratuito, buscando-se redução adicional no custo de fabricação do equipamento. viabilizando sua comercialização por alguma empresa interessada em sua produção industrial.

Outro aspecto relevante será empregar componentes amplamente utilizados no cotidiano das indústrias e das empresas prestadoras de serviço em sistemas automatizados. Alunos ou funcionários, em programas de treinamento, estarão operando o mesmo material que encontrarão em suas atividades profissionais. A utilização do conjunto eletromecânico não se restringe aos cursos técnicos, tecnológicos ou às engenharias da área elétrica. Será também útil no treinamento de recursos humanos nas áreas da mecânica, produção, química industrial, petroquímica, aeroespacial, etc.

Nos estudos iniciais, foi previsto apenas o emprego de cargas resistivas, mas poderá evoluir, se for o caso, para cargas reativas, ampliando as possibilidades de estudos com este conjunto didático.


REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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ELECTROMECANICAL SET FOR DIDATIC EXPERIMENTS IN CONTROL AND AUTOMATION Flavio Eduardo de Moraes [email protected] [email protected] SENAI – Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial - Escola Nami Jafet Rua Don Candido de Alvarenga nº350, Mogi das Cruzes (SP) Brazil Wilton Ney do Amaral Pereira [email protected] UNITAU - Universidade de Taubaté – Depto. de Engenharia Elétrica Rua Daniel Danelli, s/n - 12060-440, Taubaté-SP – Brazil Abstract: This paper presents the design and early development of an electromechanical assembly for the study of control theory of linear systems. Its main purpose is to provide an experimental platform to facilitate learning courses in engineering and technology in industrial automation. The rationale for the project is the high level of abstraction necessary to understand the scientific foundations involved in this study and almost no teaching equipment in the domestic market. The system consists of a frequency inverter, electric motor, generator tachogenerator and resistive load. The emulation of a linear feedback system may be performed by two methods: by interfacing with a data acquisition board from National Instruments Labview operating at 2012 and control by a PLC manufacturing. Both methods allow adjustments and measurements of a feedback system with PID control assisted by a supervisor. The first method realizes control by numerical control and the second by direct action of the CLP. The combination of these two methods will demonstrate the congruence between the modeling of a physical system and the operation of a device quite common in industrial environments. Transfer functions and responses to classical excitations (step, ramp linear and parabolic) are numerically simulated or emulated by programmable resistive loads. Estimated future developments set to test the possibility of using analog and digital compensators. Finally, it is considered that the approach can facilitate learning, as associate numerical simulation and operation of a real system clearly paves the behavior of a physical system linearly controlled. Keywords: Linear control, numerical simulation, electromechanical, data acquisition, university, PLC.

conjunto eletromecÂnico para ensaios didÁticos … · por inversor de frequência, motor...

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