TCC - Rui de Oliveira Junior

UNIVERSIDADE DO PLANALTO CATARINENSEDEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS

CURSO DE INFORMÁTICA(BACHARELADO)

CONTROLE DE VELOCIDADE DE MOTORES ELÉTRICOS VIA

REDE INDUSTRIAL

RUI DE OLIVEIRA JUNIOR

LAGES (SC)

2009

UNIVERSIDADE DO PLANALTO CATARINENSEDEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS

CURSO DE INFORMÁTICA(BACHARELADO)

CONTROLE DE VELOCIDADE DE MOTORES ELÉTRICOS VIA

REDE INDUSTRIAL

Relatório do Trabalho de Conclusão de Curso submetido à Universidade do Planalto Catarinense para obtenção dos créditos de disciplina com nome equivalente no curso de Informática - Bacharelado.


Orientador: Prof. Carlos Roberto da Silva Filho, M.Eng.

LAGES (SC)

2009

CONTROLE DE VELOCIDADE DE MOTORES ELÉTRICOS VIA REDE

INDUSTRIAL


ESTE RELATÓRIO, DO TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO, FOI JULGADO ADEQUADO PARA OBTENÇÃO DOS CRÉDITOS DA

DISCIPLINA DE TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO DO VIII SEMESTRE, OBRIGATÓRIA PARA OBTENÇÃO DO TÍTULO DE:

BACHAREL EM INFORMÁTICA

Prof. Carlos Roberto da Silva Filho, M. Eng.Orientador

BANCA EXAMINADORA:

Prof. Rafael Pellizzoni de Oliveira, Esp.Uniplac

Prof. Rafael Gattino Furtado, Esp.Uniplac

Prof. Wilson Castello Branco Neto, Dr.Supervisor de TCC

Prof. Angelo Augusto Frozza, M. Sc.Coordenador de Curso

Agradeço ao meu Orientador Carlos da Silva Filho, pelo seu apoio incondicional apesar de todas as dificuldades enfrentadas pela distância e por ter me recebido em Joinville e sanado todas as dúvidas referente ao desenvolvimento do trabalho bem como a estruturação do mesmo.

LISTA DE ILUSTRAÇÕES

FIGURA 1 - Motor de indução trifásico (WEG Catalogo de Motores Elétricos)....20FIGURA 2 - Extensão x taxa de transmissão (Fonte: SANTOS, 2007, p. 6)..........25FIGURA 3 - CAN relacionado com modelo OSI....................................................26FIGURA 4 - Foundation filedbus relacionado com o modelo OSI (Fonte: ...)........27FIGURA 5 - Protocolo profibus na comunicação industrial....................................28FIGURA 7 - Inicio da configuração da rede Profibus-DP.......................................38FIGURA 8 - Tela Principal Sistema Simatic...........................................................39FIGURA 9 - Inserção das Estações..........................................................................40FIGURA 10 - Seleção do CPU do CLP.....................................................................41FIGURA 11 - Configuração do CPU do CLP............................................................42FIGURA 12 - Estação mestre está configurada, ou seja, o clp mestre.......................43FIGURA 13 - CLP mestre e CLP escravo configurados............................................44FIGURA 14 - A figura mostra que a rede foi inserida...............................................45FIGURA 15 - Mestre e escravo ainda sem conexão via rede.....................................46FIGURA 16 - Definição do tipo de rede e taxa de transmissão no CLP mestre........47FIGURA 17 - Definindo o CLP mestre da rede.........................................................48FIGURA 18 - Definição do tipo de rede e taxa de transmissão no CLP escravo.......49FIGURA 19 - Definindo o CLP escravo da rede.......................................................50FIGURA 20 - Interligação da estação escrava com a mestre.....................................51FIGURA 21 - Conexão lógica entre mestre e escravo...............................................52FIGURA 22 - Configuração de (2 bytes) entre mestre e escravo...............................53FIGURA 23 - Rede mestre escravo configurada........................................................54FIGURA 24 - Programa do mestre transmitindo para o escravo...............................55FIGURA 25 - Programa rodando on-line...................................................................56FIGURA 26 - Tela inicial para programação do sistema supervisório......................58FIGURA 27 - Configuração do driver........................................................................59FIGURA 28 - Conversão de serial para MPI.............................................................60FIGURA 29 - Tabela MPROT...................................................................................61FIGURA 30 - Configuração do Tag...........................................................................62FIGURA 31 - Configuração dos bits do tag...............................................................63FIGURA 32 - Inserção do Botão................................................................................64FIGURA 33 - O Botão está acionado e o sistema está rodando.................................65

LISTA DE SIGLAS

CAN - Controller Area NetworkCLP - Controlador Lógico ProgramavelEDS - Eletronic Data SheetERP - Enterprise Resource PlanningFDL - Fielbus Data LinkKbps - Kilo Bites por SegundoLAN - Local Area NetworkmA - Mile AmperesMbps - Mega Bits por SegundoMES - Manufacturing Execution SystemsOSI - Open System InterconnectionSCADA - Supervisory Control and Data AcquisitionTCP - Transport Control ProtocolUCP - Unidade Central de ProcessamentoV - VoltsEIA - Eletronic Industries AssociationRS - Recommended StandardPA - Process AutomationTCP/IP - Trasport Control Protocol/ Internet ProtocolCPU - Central Processing Unit

RESUMO

O presente trabalho tem por objetivo desenvolver um sistema para controlar a velocidade dos motores elétricos de indução em uma rede industrial Profibus-DP, muito utilizado na indústria, independente do ramo de atividade. Para efetuar esse controle foi necessário estudar os protocolos de rede industrial, mais utilizados pela indústria. Em seguida determinar os componentes necessários para desenvolver o trabalho. O SIMATIC foi a plataforma utilizada para programar o CLP mestre que comunica-se através de uma rede profibus-DP com o CLP escravo. Através de suas saídas o CLP escravo aciona o inversor de freqüência possibilitando a variação de velocidade do motor elétrico de acordo com a rotina implementada. O motor o qual vai girar na velocidade determinada pelo sistema que está rodando no CLP mestre, O CLP mestre é acionado através de um sistema supervisório que possui uma tela de monitoramento e controle, exemplo pode-se acionar o motor através de um botão e o mesmo passa a rodar na velocidade programada de acordo com a freqüência. Desse modo o operador pode acompanhar se o motor está acionado e se o processo foi concluído.

Palavras-chave: Profibus-DP; CLP; sistema supervisório.

ABSTRACT

This study aims to develop a system to control the speed of induction electric motors in a Profibus-DP industrial network, widely used in industry, regardless of branch of activity. To make this control was necessary to study the industrial networking protocols, most used by industry. Then determine the components needed to develop the work. The SIMATIC is the platform used to program the PLC master that communicates itself through a network with the Profibus-DP slave PLC. Through the PLC outputs its slave triggers the frequency inverter allowing the change in speed of the electric motor in accordance with routine implemented. The engine which will in turn speed determined by the system that runs the master PLC, the master PLC is activated supervisory through a system that has a screen for monitoring and control, example you can trigger the motor via a button and it will run at the speed programmed in accordance with the frequency. Thus the operator can monitor if the engine is activated and the process was completed.

Key-words: Profibus-DP; CLP; supervisory system.

SUMÁRIO

LISTA DE ILUSTRAÇÕES........................................................................................V

LISTA DE SIGLAS....................................................................................................VI

RESUMO....................................................................................................................VII

ABSTRACT..............................................................................................................VIII

1 INTRODUÇÃO..............................................................................................................111.1 Apresentação...........................................................................................................111.2 Descrição do problema............................................................................................121.3 Justificativa..............................................................................................................121.4 Objetivo geral..........................................................................................................141.5 Objetivos específicos...............................................................................................141.6 Metodologia.............................................................................................................14

2 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL.........................................................................................162.1 Apresentação...........................................................................................................162.2 Histórico da automação industrial utilizando CLP´s...............................................172.2.1 Controle Analógico e Digital...........................................................................................182.2.2 Utilização na indústria.....................................................................................................182.3 Motores elétricos de Indução...................................................................................182.3.1 Noções fundamentais de motores elétricos......................................................................182.3.2 Motor de indução trifásico...............................................................................................192.3.3 Inversores de frequência..................................................................................................202.4 Sistemas SCADA....................................................................................................202.4.1 Coleta de Dados no chão de Fábrica..............................................................................212.5 Protocolos de rede industrial...................................................................................212.5.1 Rede RS-485.....................................................................................................................232.5.2 Protocolo CAN.................................................................................................................242.5.3 Fondation fieldbus...........................................................................................................252.5.4 Profibus............................................................................................................................272.5.5 Modbus.............................................................................................................................302.5.6 Devicenet..........................................................................................................................312.6 Vantagens do uso das redes industriais...................................................................332.7 Conclusão................................................................................................................34

3 SISTEMA DE CONTROLE DE MOTORES ELETRICOS DE INDUÇÃO............................363.1 Programação da rede Profibus-DP..........................................................................36

3.2 Configuração da rede Profibus-DP..........................................................................443.3 Conclusão................................................................................................................55

4 SISTEMA DE SUPERVISÃO DE MOTORES ELÉTRICOS DE INDUÇÃO..........................564.1 Sistema Supervisório...............................................................................................564.2 Conclusão................................................................................................................64

5 CONSIDERAÇÕES FINAIS............................................................................................66

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS......................................................................69

Bibliografia complementar............................................................................................71

1 INTRODUÇÃO

1.1 Apresentação

A automação industrial está presente praticamente em todas as indústrias, e

ela tem contribuído em muito para que o processo seja mais rápido, barato, seguro,

trazendo maior lucratividade. O avanço da automação industrial, está ligado, em

grande parte, ao avanço da microeletrônica que se deu nos últimos anos.

Segundo Savaris (1990), o ambiente industrial tem mudado drasticamente

nos últimos anos. A produção baseada no uso intensivo de operações manuais evoluiu

para a adoção de sistemas automatizados, com o suporte de computadores e

equipamentos inteligentes. As duas maiores forças por trás dessas mudanças têm sido

a competição entre as companhias industriais e a utilização de tecnologias digitais,

através de equipamentos e dispositivos baseados em microprocessadores. As

aplicações incluem máquinas-ferramentas, robôs, bancos de dados, redes de

comunicação, dentre outros.

Os CLPs (Controlador Lógico Programável) surgiram na década de 60 e

substituíram os painéis de cabine de controle com reles, diminuindo, assim, o alto

consumo de energia, a manutenção e modificação de comandos e as onerosas

alterações na fiação.

Nos anos 90, programas de computador foram criados com a tentativa de

obter maior produtividade, qualidade e competitividade. Dentro desta visão de

integração entre o chão de fábrica e o ambiente corporativo, decisões dentro do

sistema organizacional de produção passam a ser tomadas dentro do mais alto grau dos

conceitos de qualidade, baseado em dados concretos e atuais que se originam nas mais

12

diferentes unidades de controle.

O controle de velocidade dos motores elétricos de indução é utilizado em

sistemas de misturadores, esteiras, elevadores de carga, bobinadeiras e outros

equipamentos do ambiente industrial. É responsável por posicionar os dispositivos nos

pontos certos, diminuindo assim a perda de matéria prima com erros de

posicionamento.

Tendo em vista as dificuldades das indústrias, é proposto um estudo dos

protocolos de rede industriais mais utilizados para elaborar uma ferramenta para

efetuar o controle de velocidade de motores elétricos, após será elaborado um sistema

de supervisão para monitoramento dos mesmos.

Estre trabalho está dividido em 5 capitulos. O Primeiro se refere a introdução

do trabalho, explicando a proposta implementada. No segundo capitulo temos o estudo

sobre os pricipais dispositivos e ferramentas necessárias. Já no terceiro capitulo temos

a configuração e implementação do sistema de controle de velocidade. No quarto e

penúltimo capitulo temos a implementação do sistema supervisório que controla os

dispositivos necessários para o acionamento do motor elétrico. E por ultimo temos as

considerações finais que expressão todo o conhecimento obtido e se os objetivos aqui

propostos foram realizados.

1.2 Descrição do problema

Atualmente, as indústrias necessitam de confiabilidade no controle de seus

processos. Um controle importante a ser supervisionado é o controle de velocidade de

motores elétricos. Para ter certeza de tal controle é preciso um sistema que obtenha os

dados diretamente do campo em tempo real. Entretanto, numa fábrica existem diversos

motores que tem sua velocidade controlada e fica praticamente impossível gerenciar

todos em função da distância em que eles se encontram um dos outros. Neste caso,

uma rede industrial é de vital importância para gerenciar remotamente este conjunto de

equipamentos. O problema consiste em como gerenciar um protocolo de rede

industrial para controlar a velocidade dos motores instalados no chão de fábrica.

13

1.3 Justificativa

Na indústria existem muitas aplicações para os motores elétricos, que têm

por finalidade participar da automação dos processos, gerando melhor produtividade,

precisão, menor índice de falhas e proporcionando respostas rápidas aos controles em

tempo real. Em uma linha de produção, os motores não podem falhar, não podem ser

acionados no momento errado, para que informações erradas não se propaguem

prejudicando a produção e causando perdas para a indústria. É preciso um sistema de

controle eficiente, estável, seguro de forma que seus dados trafeguem corretamente

sem problemas durante o processo.

Segundo Rembond (1993), as vantagens técnicas e econômicas apresentadas

pelas redes de campo em sistemas industriais tiveram como conseqüência o

aparecimento de diversas soluções proprietárias, a maioria delas incompatíveis entre

si. Observa-se uma demanda do mercado por soluções padronizadas, de modo a

garantir a interoperabilidade entre sistemas e componentes produzidos por diferentes

fabricantes e desenvolvedores, o que resultou num esforço de padronização, a nível

internacional.

Uma solução é o desenvolvimento de sistema de controle de motores

elétricos de indução em tempo real que, auxiliado por um sistema de supervisão, pode

gerenciar diversos dispositivos, minimizando as falhas e aumentando o desempenho

do processo. Através do sistema de supervisão, o operador tem sua monitoração e

controle facilitado; disponibiliza, em tempo útil, o estado atual do sistema através de

um conjunto de previsões, gráficos e relatórios; permitindo assim, a tomada de decisão

operacional, seja ela automática ou por iniciativa do operador.

Segundo Malcolm e Zhao (1995), a chave para o sucesso em aplicações

distribuídas, como sistemas de automação industrial, é a execução no tempo oportuno

de tarefas computacionais que geralmente residem em diferentes nós computacionais,

e a coordenação da comunicação entre eles de forma que acompanhe o objetivo

comum.

Desta forma o desenvolvimento de um controle de velocidade de motores

elétricos de indução em tempo real é útil, pois muitas das soluções do mercado são

14

proprietárias, partindo de uma solução de distribuição livre pode-se garantir maior

interoperabilidade entre as redes.

O desenvolvimento de soluções não proprietárias é bem vindo para as

indústrias, alem de baixar o custo os sistemas atingem maior abrangência no chão de

fabrica. Possibilitando uma maior integração dos controles, e principalmente

facilitando a supervisão dos dispositivos.

1.4 Objetivo geral

Desenvolver um sistema de controle velocidade de motores elétricos de

indução via rede industrial.

1.5 Objetivos específicos

Os objetivos específicos deste trabalho são:

a) Analisar os protocolos de redes industriais existentes no mercado e sua

relação com o modelo OSI (Open System Interconnection);

b) Comparar os protocolos de rede industrial em relação ao protocolo

Profibus-DP quanto as suas vantagens e desvantagens;

c) Desenvolver um sistema de controle de velocidade de motores elétricos

em tempo real via rede Profibus-DP;

d) Desenvolver um sistema de supervisão que troque dados com a rede

Profibus-DP.

1.6 Metodologia

O projeto inicia com uma análise dos protocolos de redes industriais em

relação ao modelo OSI, com o objetivo de classificar sua camada de atuação principal

e poder relacionar umas com as outras. Após a identificação da camada de atuação das

redes, foi analisado que tipo de informações cada rede carrega no seu campo de dados.

15

Isto significa que cada rede leva informações do estado do motor, suas configurações e

as informações de realimentação de modo distinto, o que pode resultar em diferença de

desempenho. Outro fator importante analisado é a taxa de transferência dos dados na

rede, ou seja, sua velocidade, em função da operação em tempo real.

Após a análise das redes, foi feito um levantamento dos componentes do

sistema de controle necessários para controlar a velocidade dos motores elétricos. É

apresentada a arquitetura do sistema e os parâmetros que a rede deve carregar para

gerenciar o controle. A partir dos parâmetros, iniciou-se a implementação do sistema.

Neste ponto foi especificada a linguagem de programação a ser empregada, juntamente

com o sistema de supervisão. Outra questão que foi analisada neste ponto é a diferença

da parametrização digital da velocidade do motor em relação à sua parametrização

analógica. Nesta análise, buscou-se determinar a diferença com que os dados devem

ser inseridos no protocolo da rede Devicenet.

Na etapa de implementação, vários testes foram realizados de modo a

verificar a confiabilidade da rede, seu desempenho e sua capacidade de gerenciar

remotamente o controle de velocidade de motores de indução. Terminada a

implementação da primeira versão do sistema, novos refinamentos foram feitos com o

intuito de obter-se um sistema final, na forma de um protótipo. A partir do protótipo,

várias conclusões foram obtidas, principalmente com relação à capacidade da operação

entre duas redes distintas na troca de dados com o sistema de controle de velocidade.

Por fim, foi analisada a interoperabilidade entre redes distintas na automação

industrial, observando as vantagens que umas têm em relação às outras, em função do

processo e do sistema de controle empregado.

16

2 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL

Neste capítulo é apresentado o conceito de automação, pois sem ela, seria

quase impossível realizar o projeto deste trabalho, os componentes para o

funcionamento do sistema de automação, como é o funcionamento dos dispositivos de

processamento com seus periféricos e o tipo de lógica de programação que será

utilizada no sistema de controle de motores elétricos via rede industrial neste trabalho.

Logo após, este capítulo apresenta informações coletadas através de pesquisas sobre os

protocolos de rede industrial em relação ao modelo OSI. Após a uma comparação

entre os protocolos de rede industrial em seguida são destacadas as vantagens e

desvantagens do uso das redes industriais nos sistemas de controle e automação.

2.1 Apresentação

Por automação entende-se a capacidade de se executar comandos, obter

valores, regular parâmetros e controlar funções automaticamente, com ou sem a

intervenção humana. Automação também é sinônimo de integração, ou seja, da função

mais simples, a mais complexa. Existem um ou mais sistemas que permitem que um

dispositivo seja controlado de modo inteligente, tanto individualmente, quanto em

conjunto, visando alcançar um maior conforto, informação e segurança (PIRES, ET

AL, 2003).

Dependendo da área onde se deseja aplicar um sistema automatizado,

existem vários tipos de automação, entre os quais pode-se citar: automação industrial,

automação predial e doméstica, automação comercial, automação bancária e de

escritórios.

17

A automação industrial busca essencialmente a eliminação da intervenção

humana em um processo de controle e supervisão de motores elétricos, ao qual

também é o proposto da aplicação do projeto deste relatório de conclusão de curso,

quer seja na operação de máquinas na linha de produção ou no controle de processos

que envolvam variáveis mensuráveis e a partir das quais uma eventual atuação seja

necessária para obtenção do produto ou resultado final.

2.2 Histórico da automação industrial utilizando CLP´s

Todo sistema de controle digital baseia-se na idéia comum de sintetizar o

pensamento de um programador em instruções elétricas para as quais um dispositivo

externo possa responder. Desta forma, o trabalho do Controlador Lógico Programável

(CLP) é avaliar as condições externas através de pontos de entrada e saída, executar o

algoritmo de controle através de uma Unidade Central de Processamento (UCP) e

então responder ao processo que esteja sendo controlado, para que este se comporte da

maneira como o programador idealizou (PERUCH, 2002).

Atualmente têm adquirido diversas outras funções com alta confiabilidade

como tratamento de sinais analógicos, controle contínuo multi-variáveis, controle de

posição de alta precisão entre outros. Com o uso de uma ferramenta gráfica

desenvolvida para a programação, a lógica de funcionamento do processo pode ser

feita com redes de contatos, blocos funcionais ou listas de instruções, assim criando os

softwares para os processos industriais, obtendo os resultados desejados, tendo

flexibilidade na programação (DEVICE, 2002).

O controlador lógico programável aplicado neste trabalho será a linguagem

Ladder Logic, esta linguagem simula um diagrama de chaves e bobinas que se

assemelham a sistemas de controle automáticos antigos, baseados em painéis, botões e

relês.

18

Para a automatização do controle de velocidade de motores eletricos, é

de total importância o conhecimento e aplicação dos CLP´s para o desenvolvimento do

projeto, pois através dele será feita a instalação e programação e todo o funcionamento

do motor elétrico de indução, visto que será enfatizado a segurança e confiabilidade

dos sistema no processo industrial em um protótipo.

2.2.1 Controle Analógico e Digital

Para realizar a aplicação que controlará o motor elétrico de indução os

instrumentos de medição que serão utilizados na construção do protótipo, serão de

grande importância para obter visualização dos indicadores de velocidade dos motores

elétricos.

2.2.2 Utilização na indústria

Atualmente, a maioria dos CLP´s utilizados na implementação de painéis

seqüenciais de intertravamento, controle de malhas, sistemas de controle estatístico de

processo, sistema de controle de estações, sistemas de controle de células de

manufatura entre outros. Os CLP´s são encontrados em processos de: empacotamento,

engarrafamento, enlatamento, transporte e manuseio de materiais, usinagem, geração

de energia; em sistemas de controle predial de ar condicionado, sistemas de segurança,

montagem automatizada, linhas de pintura e sistemas de tratamento de água, existentes

em indústrias de alimentos, bebidas, automotiva, química, têxtil, plásticos, papel e

celulose, farmacêutica, siderúrgica e metalúrgica.

2.3 Motores elétricos de Indução

2.3.1 Noções fundamentais de motores elétricos

Motor elétrico é a máquina destinada a transformar energia elétrica em

energia mecânica. O motor de indução é o mais usado de todos os tipos de motores,

pois combina as vantagens da utilização de energia elétrica - baixo custo, facilidade de

19

transporte, limpeza e simplicidade de comando - com sua construção simples, custo

reduzido, grande versatilidade de adaptação às cargas dos mais diversos tipos e

melhores rendimentos pelo fato de ser o tipo de motor mais utilizado pela indústria, foi

utilizado como base um motor de indução para variar a velocidade e supervisionar

(WEG, 2009).

Os Motores de indução funcionam normalmente com uma velocidade

constante, que varia ligeiramente com a carga mecânica aplicada ao eixo. Devido a sua

grande simplicidade, robustez e baixo custo, é o motor mais utilizado de todos, sendo

adequado para quase todos os tipos de máquinas acionadas, encontradas na prática.

Atualmente é possível controlar a velocidade dos motores de indução com o auxílio de

inversores de freqüência que são aplicados no projeto, mais adiante será explicado o

funcionamento dos inversores (WEG, 2009).

2.3.2 Motor de indução trifásico

O motor de indução trifásico é composto fundamentalmente de duas partes:

estator e rotor. A figura 1 mostra a vista de um motor elétrico trifásico e seus

principais componentes. O Estator é composto pela carcaça do motor, o núcleo de

chapas e o enrolamento trifásico. Já o rotor é composto pelo eixo, por um núcleo de

chapas semelhante as do estator e as barras e anéis de curto-circuito. Outras partes

mostradas são: tampa, ventilador, tampa defletora, caixa de ligação, terminais e

rolamentos como pode-se ver na figura 1 (WEG, 2009).

FIGURA 1 - Motor de indução trifásico (WEG Catalogo de Motores Elétricos)

20

2.3.3 Inversores de frequência

O inversor de freqüência tem por finalidade controlar a variação de

velocidade de um motor elétrico de indução trifásico, disponibilizando funções e

recursos que permitem proteger e controlar os motores elétricos de forma facilitada e

eficaz. Os inversores se dividem em dois grupos: escalar e vetorial.

2.4 Sistemas SCADA

A utilização desses sistemas SCADA (Supervisory Control and Data

Acquisition) se dá, na sua maior parte, em indústrias de processo contínuo, ou seja, são

aquelas indústrias que utilizam uma linha de produção. Porém, de alguns anos para cá,

eles foram sendo adaptados para a indústria de processos discretos e, futuramente,

estarão sendo adotados em larga escala nessas indústrias, inclusive por aquelas que

possuem processos de alimentos. Todas as informações apresentadas pelo SCADA são

providas por uma rede de sensores e coletores de dados espalhados pela linha ou

células de produção. (DESENVOLVIMENTO, 2000).

O SCADA transforma esses dados em informações visuais, para consulta

instantânea das atividades que estão ocorrendo no chão de fábrica. Os dados coletados

podem ser armazenados em um banco de dados, ficando disponíveis a outros sistemas

como MES (Manufacturing Execution Systems) e ERP (Enterprise Resource

Planning). Tendo essas informações em uma base de dados é possível traçar gráficos e

estimativas sobre o desempenho da produção.

Motivos de parada, tais como:

Problemas mecânicos ou falta de matéria prima;

Máquinas gargalo;

E vários outros eventos do chão de fábrica.

2.4.1 Coleta de Dados no chão de Fábrica

21

O sistema de aquisição de dados é dividido, basicamente, em duas partes:

coleta de dados e comunicação. A primeira pode ser subdividida em três modos: CLPs,

sensores e sistemas de monitoramento dedicado (MEIRELES, 2000). A comunicação é

a responsável pelo envio dos dados coletados das máquinas para os softwares de

supervisão. O próprio programa CLP de um motor elétrico de indução, através dos

relés existentes nos painéis elétricos, e o CLP podem fornecer alguns dados relevantes.

Os sensores fazem a ligação entre o processo e os sinais elétricos que serão analisados,

em última instância, por um sistema de supervisão, possibilitando monitorar o

funcionamento das máquinas no chão de fábrica.

Segundo (MEIRELES, 2000), os sensores mais comuns são de: Força,

Potência, Aceleração e Emissão Acústica. O sistema de monitoramento dedicado é um

equipamento responsável por aumentar a inteligência das máquinas. Ele é composto

por um sensor e um circuito eletrônico que faz o tratamento do sinal de sensores. Ele

fornece, então, um sinal tratado que pode ser lido por algum sistema externo ou ligado

diretamente no motor elétrico de indução.

Algumas informações de ocorrência, tais como início e fim de ciclo, podem

ser obtidas diretamente do programa CLP do motor, ou utilizando históricos via

sistema SCADA. O próximo capítulo apresenta o inicio do desenvolvimento do

sistema para aplicação no projeto.

2.5 Protocolos de rede industrial

A troca de informações em ambientes industriais requer tecnologias que

atendam a requisitos de tempo real, as restrições temporais associadas aos sistemas

industriais os diferem dos demais sistemas, qualquer falha em um ambiente industrial

pode acarretar conseqüências desastrosas. Atualmente há uma vasta variedade de

padrões fieldbus.

Segundo (QUEIROZ, 2002), alguns dos padrões mais amplamente usados

segundo incluem; AS-Interface, CAN (Controller Área Network), Devicenet,

FOUNDATION fieldbus, Modbus, RS-485 e Profibus DP e PA.

22

Nesta fase, foi realizada a pesquisa sobre os protocolos de rede industrial

para conhece-los e entender como funcionam relacionando os com o modelo OSI.

Baseado na pesquisa identifica-se que o modelo OSI é composto por 7

camadas segundo Systems (2002, p.3), sendo elas:

Camada Física: A camada física define as características técnicas dos

dispositivos elétricos (físicos) do sistema. Ela contém os equipamentos de

cabeamento ou outros canais de comunicação que se comunicam

diretamente com o controlador da interface de rede;

Camada de Enlace ou Ligação de Dados: Esta camada detecta e,

opcionalmente, corrige erros que possam acontecer no nível físico. É

responsável pela transmissão e recepção (delimitação) de quadros e pelo

controle de fluxo. Ela também estabelece um protocolo de comunicação

entre sistemas diretamente conectados;

Camada de Rede: A camada de Rede é responsável pelo endereçamento

dos pacotes, convertendo endereços lógicos ou IP (internet protocol) em

endereços físicos, de forma que os pacotes consigam chegar corretamente

ao destino. Essa camada também determina a rota que os pacotes irão

seguir para atingir o destino;

Camada de Transporte: A camada de transporte é responsável por usar os

dados enviados pela camada de Sessão e dividi-los em pacotes que serão

transmitidos para a camada de Rede. No receptor, a camada de

Transporte é responsável por pegar os pacotes recebidos da camada de

Rede, remontar o dado original e assim enviá-lo à camada de Sessão;

Camada de Sessão: A camada de Sessão permite que duas aplicações em

computadores diferentes estabeleçam uma sessão de comunicação. Nesta

sessão, essas aplicações definem como será feita a transmissão de dados e

coloca marcações nos dados que estão sendo transmitidos. Se porventura

a rede falhar, os computadores reiniciam a transmissão dos dados a partir

da última marcação recebida pelo computador receptor;

Camada de Apresentação: A camada de Apresentação, também chamada

23

camada de Tradução, converte o formato do dado recebido pela camada

de Aplicação em um formato comum a ser usado na transmissão desse

dado, ou seja, um formato entendido pelo protocolo usado. Um exemplo

comum é a conversão do padrão de caracteres (código de página) quando,

por exemplo, o dispositivo transmissor usa um padrão diferente do

ASCII, por exemplo. Pode ter outros usos, como compressão de dados e

criptografia;

Camada de Aplicação: A camada de aplicação faz a interface entre o

protocolo de comunicação e o aplicativo que pediu ou receberá a

informação através da rede. Por exemplo, ao solicitar a recepção de e-

mails através do aplicativo de e-mail, este entrará em contato com a

camada de Aplicação do protocolo de rede efetuando tal solicitação. Tudo

nesta camada é direcionado aos aplicativos e também oferece serviço aos

usuários.

Já os protocolos de rede industrial trabalham com uma organização

diferente das camadas, porém obedecendo basicamente a mesma hierarquia de serviços

prestados pelas camadas.

2.5.1 Rede RS-485

Nos anos 60 o comitê conhecido como EIA (Electronic Industries

Association) criou uma interface de comunicação de dados entre equipamentos

chamado de RS (Recommended Standard), que tinha o objetivo de trocar dados

digitais entre um computador central (Mainframe) com os terminais remotos ou apenas

entre dois terminais, assim surgiu os padrões RS (MARIA, 2007).

A RS-485, conhecida também como EIA485 ideal para ambientes propícios

de interferência eletromagnética, transmissão de dados com altas taxas de transmissão

e longas distâncias, sua classe conhecida como “forma diferencial” (MARIA, 2007).

A taxa de transmissão tem uma velocidade de 10Mbps em 12m (metros) e de

24

100Kbps para 1200m, a figura 2, demonstra a diferença entre a distância e a taxa de

comunicação.

FIGURA 2 - Extensão x taxa de transmissão (Fonte: SANTOS, 2007, p. 6)

A comunicação RS-485 tem seu tipo de comunicação multiponto, desta

forma permite conectar até 32 dispositivos, mas apenas um dispositivo envia dados por

vez, enquanto isso, os demais escutam e somente o dispositivo endereçado pelo pacote

de dados interpreta. Transmissão (half-duplex) (SANTOS, 2007).

2.5.2 Protocolo CAN

De acordo com Sousa, Inamasu, Torre (2001, p.1) o protocolo CAN foi

desenvolvido na década de oitenta por Robert Bosh Gmb para interconexão entre

dispositivos de controle em automóveis, mas em poucos anos esta tecnologia migrou

para outras áreas. Atualmente encontram-se padrões baseados no CAN em outros tipos

de veículos como caminhões, ônibus, barcos, satélites, máquinas agrícolas, máquinas

da construção civil e máquinas militares.

Outros padrões como o CAN foram desenvolvidos para automação de

plantas industriais, aplicações na área da robótica e para aplicações em instrumentação,

25

como em instrumentação médica e agrícola. A crescente popularidade de aplicações

com CAN em sistemas de automação e controle é sustentada, entre outros fatores, por

este possuir, em relação a outros padrões, características muito próprias para tais

sistemas, das quais cita-se: possibilidade de configurações para operar com taxas de

comunicação de poucos Kbps até 1 Mbps.

As camadas de aplicação, apresentação, sessão, transporte, apresentação,

rede, do modelo OSI no CAN estão dentro de um único grupo, o de protocolos de alto

nível que são abertos para serem definidos segundo as necessidades da aplicação.

Já a camada de enlace de dados abrange os seguintes parâmetros: enlace de

dados, subcamada de ligação lógica e subcamada de acesso ao meio.

A camada física abrange os seguintes parâmetros: física, subcamada de

ligação ao meio, subcamada de sinalização, subcamada de interface dependente do

meio, como mostra figura 3.

FIGURA 3 - CAN relacionado com modelo OSI (PEGAR FONTE)

2.5.3 Fondation fieldbus

O Foundation Fieldbus é um sistema da comunicação totalmente digital, em

26

série e bidirecional que conecta equipamentos “Fieldbus” tais como sensores,

atuadores e controladores. O fieldbus é uma rede local (LAN) para automação e

instrumentação de controle de processos, com capacidade de distribuir o controle no

campo. O protocolo Foundation Fieldbus não pertence à nenhuma empresa, ou é

regulado por um único organismo ou nação. Ao contrário dos protocolos de rede

proprietários. Foi desenvolvido baseado no padrão OSI embora não contenha todos os

seus níveis. Em primeira análise pode dividi-lo em nível físico (que trata das técnicas

de interligação dos instrumentos) e nível de software (“Communication Stack”) que

tratam da comunicação digital entre os equipamentos e nível do usuário (user layer),

onde o usuário poderá ver o mundo da rede Foundation Fieldbus e seus dispositivos de

campo. (FOUNDATION FIELDBUS 2003, p. 1)

Como pode-se ver na figura 4.

FIGURA 4 - Foundation filedbus relacionado com o modelo OSI

O fieldbus é um protocolo desenvolvido para automação de sistemas de

fabricação. O protocolo visa à interligação de instrumentos e equipamentos,

possibilitando o controle e monitoração dos processos. Geralmente é utilizado com os

softwares supervisores (SCADA, etc.), que permitem a aquisição e visualização desde

27

dados de sensores até status de equipamentos.

O fieldbus foi desenvolvido baseado no padrão OSI, porém não contém todos

os seus níveis. Fieldbus é dividido em dois níveis principais: Nível Físico (interligação

entre os instrumentos e equipamentos) e Nível de Software (tratam das formas de

comunicação entre os equipamentos).

2.5.4 Profibus

O Profibus surgiu de uma cooperação de 21 corporações na Alemanha, em

1987. Eis que estas companhias sentiam a necessidade de estabelecer a comunicação

entre máquinas no processo industrial. Assim, em 1995 foi fundada a Profibus

International, um conglomerado de 22 entidades disseminadas pelo mundo com a

meta de trazer uma gama completa na solução de gerenciamento e comunicação na

interligação dos dispositivos nos níveis intermediários e superiores em um sistema de

automação, e com a vantagem de ser um protocolo aberto independente de

fornecedores. A Profibus é representada na camada de campo por Profibus DP e na

camada de sensor e atuador por Profibus PA (MELO, 2009) como mostra a figura 5.

FIGURA 5 - Protocolo profibus na comunicação industrial (Fonte: BRUNE, 2004b, p. 17).

28

Profibus DP (Decentralized Periphery), é o mais utilizado por ter um perfil

otimizado com conexão de baixo valor e alta velocidade, especialmente projetada para

a comunicação entre sistemas de automação e seus dispositivos de entrada e saída,

transdutores e analisadores, (BRUNE, 2004b).

O Profibus DP pode transmitir sinal de 4 a 20 mA em sistemas de

automação de processos, no sistema de automação de manufatura pode

ter sinal de transmissão de 24 V, mas mesmo assim este sinal também

pode ser substituído pelo Profibus DP;

A camada física do Profibus é baseado no padrão universal RS-485 que

usa um simples cabo de par trançado com uma malha de blindagem. No

caso de grandes distâncias e o possível uso de redundância a fibra ótica é

o melhor meio, com um acoplador ótico faz a conversão para o padrão

RS-485. A figura 6 mostra o uso de fibra ótica com redundância e

repetidores duplos, isto é, com uma porta RS-485 e duas portas óticas.

Cada porta com duas fibras TX (transmissora) e RX (receptora);

A camada de enlace é implementada pelo serviço Fieldbus Data Link

(FDL) que é a responsável em gerenciar as comunicações telemáticas,

como: estruturar as mensagens, verificar integridade dos dados,

disponibilizar serviços de enviar dados com reconhecimento ou sem

reconhecimento, solicitar e enviar dados com respostas, enviar e solicitar

dados ciclicamente com resposta, ajustes de parâmetros operacionais e

informes de eventos;

O controle de acesso ao meio é efetuado com uma mistura de Token Ring

entre o mestre e mestre-escravos (poll) entre os mestres e os escravos;

Pode ter mais de um mestre na rede, sua comunicação com os escravos

será quando tiver privilégio da permissão;

Os escravos são dispositivos passivos, apenas respondem as consultas

executadas pelos mestres;

29

FIGURA 6 - Rede RS-485 liga a fibra ótica usando Profibus DP

Conforme MELO (2009), os mestres são divididos em classes:

O mestre classe 1 tem que estar obrigatoriamente presente, sua

permissão é para ler e escrever dados nos dispositivos de campo, sendo

na maioria das vezes um CLP.

Os mestres classe 2 são usados para configuração dos dispositivos

escravos, eles podem ler os estados dos dispositivos escravos, mas não

podem determinar as suas saídas. Não precisa ter sua conexão

permanente na rede.

Segundo MELO (2009), encontra-se protocolo Profibus DP nas seguintes

versões:

Profibus DP-V0 usa a classe 2 e pode ser controlado localmente ou pelo

dispositivo de configuração. Capacidade de transmissão é cíclica, ou seja,

sua mensagem é enviada para cada escravo e o escravo recebe e devolve

as entradas lidas nos seus módulos de entrada. A parametrização é feita

quando energiza o sistema ou após uma falha de comunicação.

Profibus DP-V1 foi incluso a capacidade de transmissão de dados

acíclica, ou seja, os mestres usam os intervalos de tempo entre as

30

varreduras para solicitar dados ou enviar a um escravo. Permite a

parametrização e ajuste dos dispositivos com a rede em funcionamento.

Profibus DP-V2 foi incluso a comunicação entre escravo usando

mensagens de broadcast sem intervenção do mestre.

Profibus PA (Process Automation), foi definida especificamente para

automação de processos, seus requisitos são para atender áreas potencialmente

explosivas conhecidas como “Áreas classificadas”. Profibus PA está no nível de

sensor, atuador, campo e célula. Acima disto é conectada normalmente a rede Profibus

DP que esta no nível superior.

Na rede Profibus PA o mestre é o mesmo usado por uma rede Profibus DP.

Para conectar-se a rede DP existe dois tipo de interface, a interface PA-

LINK, e interface PA-Acoplador. As Interface são resposáveis por adequar os níveis

elétricos e as taxas de velocidade, pois nem sempre são iguais.

Segundo BRUNE (2004b), as características da Profibus PA são:

Protocolo DP-V1

Dados e alimentação no mesmo cabo

Compartilha o mesmo mestre da Profibus DP

O mestre é da classe 1

Adequado para áreas classificadas

Topologia em barra ou estrela

2.5.5 Modbus

De acordo com Maria, (2007), o protocolo modbus se subdivide em 3 tipos;

o modbus TCP/IP (Transport Control Protocol / Internet Protocol) que é utilizado

para interligação de sistemas de supervisão e CLP´s; modbus PLUS que é utilizado

para comunicação entre CLP´s e chaves de partida eletrônica de motores e o modbus

PADRÃO.

31

Já é utilizado para comunicação dos CLP´s com os dispositivos de entrada e

saída de dados, reles de proteção, controladores de processo, atuadores de válvulas. O

Modbus utiliza o meio físico RS-232 ou RS-485 em conjunto com o protocolo mestre

escravo, o qual não será aplicado neste projeto.

2.5.6 Devicenet

Open DeviceNet Vendor Association é uma organização independente que

gerencia as especificações da rede DeviceNet visando seu crescimento mundial.

A rede DeviceNet foi baseada no protocolo CAN, originalmente

desenvolvido pela Bosch para indústria automobilística, visando os custos dos sistemas

de cabos nos automóveis por uma rede de baixo custo (SANCHES, 2007).

O meio físico da rede DeviceNet utiliza dois pares de fios, um deles para

comunicação e outro para a alimentação. Os sinais de comunicação utilizam uma

técnica de tensão diferencial para reduzir o efeito de indução e ruídos eletromagnético.

A alimentação é em corrente contínua de 24V (SANCHES, 2007)

Segundo Sanches (2007), a topologia deve ser com um cabo tronco principal,

sua derivação deve ser instalada com cabo fino de menor diâmetro em relação ao

tronco, e sua limitação é de 6 metros por lance independente de sua taxa de

transmissão. Na DeviceNet pode se usar as seguintes topologia:

Derivação linear;

Linear;

Árvore;

Estrela;

Anel;

O número máximo de nós, ou estações ativas é de 64 equipamentos, que

utilizam o barramento para comunicar com endereço 0 a 63, mas o endereço 62 para

comunicação com o computador de configuração da rede, e o endereço 63 para futuros

instrumentos (SANCHES, 2007).

O método de comunicação, dependendo do projeto do equipamento pode se

32

utilizar na rede DeviceNet os seguintes tipos: (PADOVAN E ROSSIT, 2000, p. 3)

Polled message: (...) gera uma mensagem de comando direcionada a um

determinado escravo (ponto-a-ponto) e a resposta do escravo é

direcionada ao mestre, portanto podemos perceber que para cada escravo

o mestre gera uma requisição individual e recebe um pacote de

informações do respectivo escravo;

Strobed message: neste método o mestre gera uma requisição tipo mult-

cast no barramento da rede e todos os escravos com comunicação strobed

respondem um após o outro, portanto temos uma requisição geral do

mestre e respostas individuais de cada escravo strobed;

Cyclic message: neste método o escravo atualiza seus dados no mestre da

rede em intervalos de tempo pré-definidos, e este método tem grande

utilização em aplicações onde a variação de determinado ponto não

necessita de atualização instantânea;

Change of state: neste caso o escravo irá enviar seus dados ao mestre

quando houver mudança de estado de suas entradas, e quando o escravo é

configurado para trabalhar com método COS ele tem um recurso de

comunicação cíclica para indicar ao mestre que ele está na rede

(SANCHES, 2007).

Como DeviceNet é um protocolo aberto, tem que ter uma maneira de adequar

vários equipamentos e softwares configuradores, de vários fabricantes, esta maneira é

feita pelo EDS (Electronic Data Sheet), que é um arquivo que informa as

características dos instrumentos como tipo, modelo etc.. Este arquivo deve ser

instalado no software especifico. O EDS é disponibilizado pelos fabricantes dos

equipamentos ou software (SANCHES, 2007).

33

2.6 Vantagens do uso das redes industriais

As redes industriais de campo, utilizadas para sistemas de controle e

automação trazem muitas vantagens ao chão de fabrica. A monitoração é uma dessas

vantagens, pois processos monitorados são mais seguros e evitam desperdícios de

matéria prima quando ocorre qualquer erro em algum processo. (SEGURA, 2005),

segue abaixo algumas vantagens dos fieldbuses:

Reduzem a cablagem e o número de interfaces usadas;

Limitam a complexidade do projeto da rede;

Reduzem o número de canais de comunicação entre os processos de

controle e o equipamento industrial;

Maior modularidade da rede, facilitando sua expansão;

Facilidade de instalação e manutenção;

Tempo de acesso (1-10ms) menor que de MAP/EPA e Mini-MAP

(100ms) devido a sua menor complexidade;

Baixo custo, o que torna os fieldbuses ideais para interligação de

componentes mais simples;

Maior compatibilidade devido ao uso de padrões;

Eliminação da dependência de um só fornecedor, reduzindo ainda

mais os custos.

Com a automação industrial é vital o uso de redes, pois os dispositivos que

antes trabalhavam isolados, tendo seu controle mais difícil e caro, agora trabalham

interligados pelos diversos tipos de fieldbus e topologias de redes utilizadas no chão

de fábrica. (SEGURA, 2005), segue a definição de alguns tipos de fieldbus:

Sensorbus: A rede de nível mais baixo, geralmente usadas para ligar

pequenos sensores, como interruptores. Transmite dados de tamanho

pequeno e precisa de processamento mínimo por parte do sensor;

Devicebus: A categoria de rede para uso geral que oferece serviços de

comunicação para dispositivos que conseguem realizar múltiplas

34

funções e comunicar informações sobre diagnósticos e funções a

realizar e já realizadas;

Fieldbus: Suporta uma maior transmissão de dados, mas geralmente a

uma menor velocidade e necessita de um maior poder de

processamento por parte do dispositivo. Algumas tecnologias deste

tipo suportam a distribuição de funções de controle diretamente nos

dispositivos;

Control: Usado principalmente para comunicação ponto-a-ponto

(peer-to-peer) entre dispositivos de controlo de alto nível como PLC’s

(Programable Logical Controller) ou controladores.

Enterprise: É tradicionalmente a espinha dorsal (backbone) da rede da

companhia, onde são partilhados os dados relativos aos negócios. É

predominantemente TCP/IP sobre Ethernet.

2.7 Conclusão

Neste capítulo foram apresentados alguns dos principais conceitos referentes

a CLP´s, inversores, sistemas SCADA e protocolos de redes industriais mais

utilizados, comparação deles quanto ao modelo OSI, e as vantagens de utilizar redes

de controle industrial no chão de fabrica.

Com base no estudo dos Protocolos de redes foi escolhido utilizar o

protocolo Profibus devido a suas características de conectividade e interoperabilidade,

e também pela disponibilidade de que utilizam essa tecnologia de fieldbus. Foi

escolhida a linguagem Ladder para implementar o sistema de controle e supervisão

dos motores elétricos de indução por ser a linguagem mais utilizada e com muitos

artigos e materiais para consulta.

Sendo assim, conclui-se, então, que após o estudo dos dispositivos e análise

dos protocolos de rede industrial e a comparação entre eles será utilizado o protocolo

de rede industrial Profibus-DP para trafegar as informações do sistema de controle e

supervisão de motores elétricos de indução. Os detalhes da implementação do sistema

35

de controle de velocidade são apresentados no capítulo seguinte.

36

3 SISTEMA DE CONTROLE DE MOTORES ELETRICOS DE INDUÇÃO

Neste capítulo é mostrado todo o desenvolvimento da aplicação de controle

de velocidade de motores elétricos através de um CLP (Controlador Lógico

Programavel) que controla um inversor de freqüência e possibilita a variação de

velocidade do motor elétrico de indução.

Para o desenvolvimento desta fase do trabalho, foram utilizados recursos da

escola técnica Tupy em Joinville – S.C, com a orientação do Prof. Carlos da Silva

Filho.

3.1 Programação da rede Profibus-DP

Para programar uma rede Profibus-DP deve-se implementar as

configurações de hardware, determinando como o sistema deve trabalhar. Entretanto,

é preciso configurar a rede de acordo com a arquitetura do sistema. O sistema deverá

ser configurado conforme o modo de operação da rede. Neste caso a rede irá operar

como mestre/escravo. Na figura 7 tem-se uma configuração Profibus-DP no modo

mestre/escravo.

Entretanto para configurar a rede profibus-DP é preciso realizar uma

programação dos parâmetros da rede. A figura 7 mostra uma rede Profibus-DP

configurada, onde o mestre tem o endereço 2 e o escravo o endereço 3 da rede.

Aparece também a configuração possível da rede MPI, onde o mestre tem endereço 2 e

o escravo endereço 3. Entretanto esta rede não está sendo utilizada e portanto não está

totalmente configurada. A figura 37 mostra também que existe um campo para a

configuração das redes Profibus PA e Profinet.

37

FIGURA 7 - Inicio da configuração da rede Profibus-DP

A figura 8 mostra passo a passo as telas de programação de uma rede

Profibus-DP num ambiente do sistema Simatic da Siemens. Este software é preciso

para configurar a rede, uma vez que a rede profibus-DP disponível trabalha com os

CLP´s da Siemens. Se os CLP´s fossem de outro fabricante, outro ambiente de

programação seria utilizado. Pois cada CLP utiliza um ambiente de programação

desenvolvido pelo seu fabricante. Como pode ser observado na figura 8 não existe

nenhum CLP configurado, nem a rede.

A figura 8 mostra o ambiente de programação da rede profibus, sendo este

ambiente uma ferramenta desenvolvida pela Siemens. Esta ferramenta computacional

precisa de licença para ser executada. É a única ferramenta existente para trabalhar

com os CLP´S utilizados. A figura mostra também que ao ser inicializado o sistema

nenhum CLP está configurado, apenas a rede MPI aparece, pois é a rede mínima para

configuração numa arquitetura mestre/escravo nesta plataforma de desenvolvimento.

38

A figura mostra ainda que no lado esquerdo encontram-se os elementos utilizados, que

no primeiro momento é apenas uma pasta onde os objetos referentes ao hardware

devem ser inseridos, para informar ao software como compilar a versão final

configurada da rede.

FIGURA 8 - Tela Principal Sistema Simatic

O primeiro passo é configurar os CLPs. A configuração do CLPs consiste em

selecionar o modelo da CPU, fonte de alimentação e estação de trabalho, bem como os

módulos de entrada e saída. A figura 9 mostra a inserção das estações.

39

FIGURA 9 - Inserção das Estações

A figura 9 mostra que para inserir os componentes de hardware a serem

utilizados na configuração da rede, basta clicar com botão direito do Mouse e

selecionar o tipo de hardware disponível, dentre vários permitidos pelo ambiente.

Mostra também que muitas variantes poderiam ser programadas, como por exemplo a

configuração da estação da série 400, que contém recursos mais avançados. Neste

ponto é escolhida a estação da família 300, pois esta é que encontra-se disponível para

a configuração.Após a inserção das estações, deve-se selecionar a CPU do CLP e seus

módulos de entrada e saída. Isto pode ser visto na figura 10.

40

FIGURA 10 - Seleção do CPU do CLP

Uma vez selecionada a estação a ser programada a mesma deve ser

configurada com todas as características disponíveis em hardware para que o programa

de controle possa ser compilado corretamente. Neste ponto deve-se configurar o

hardware do CLP. Para tal deve-se escolher todos os módulos de acordo com o

hardware existente. Esta configuração pode ser observada na figura 11.

41

FIGURA 11 - Configuração do CPU do CLP

Uma vez selecionado o hardware deve-se observar no hardware o tipo da

fonte de alimentação disponível a ser conectada ao CLP. Isto implica na seleção do

modelo e a disponibilidade de corrente, de acordo com os módulos que a fonte irá

alimentar.

Deve-se selecionar também a CPU a ser empregada, pois esta possui as

características de hardware necessárias para a programação da rede. Deve-se observar

que a CPU selecionada na fig 11 é tal que possui a capacidade de processar até 1000

instruções a cada 0,1 ms. Esta característica deve ser conhecida antes da inserção, pois

define o desempenho em tempo real da rede e da execução das instruções pela CPU.

Cabe ressaltar que nem toda a CPU possui a capacidade de operar em rede Profibus

com desempenho satisfatório. Esta CPU selecionada possui ainda 16 entradas digitais

integradas, assim como 16 saídas digitais. Destas saídas 3 são passíveis de serem

configuradas como saídas de pulso a uma taxa de 2,5 Khz e 3 podem receber pulsos de

42

encoder incremental.

Estas entradas e saídas devem ser utilizadas prioritariamente em sistema de

controle de posicionamento, quando for o caso.Uma vez selecionada a CPU, deve-se

configurar a rede. A figura 12 mostra a seleção da CPU. Se forem comparadas as duas

figuras, pode-se observar antes da seleção (figura 11) e depois da seleção (figura 12).

FIGURA 12 - Estação mestre está configurada, ou seja, o CLP mestre

Após a configuração da CPU, a figura 12 mostra o endereçamento de entrada

e saída configurado para entradas de contagem rápida de entrada e saída, que neste

caso vai de 768 à 783. Este endereço fica fixado caso o programa de controle precise

destes atributos. Ainda ficam configurados os endereços de entrada e saída digitais dos

módulos integrados, que aparecem com os seguintes endereços: byte 124 à 125, para

entrada e saída digital.

43

Uma vez configurada a estação mestre e a estação escrava, pode-se observar

na tela de gerenciamento geral do sistema as estações programadas. A figura 13 mostra

as estações dos CLP´s já configurada.

FIGURA 13 - CLP mestre e CLP escravo configurados

A figura 13 mostra que a configuração realizada para o CLP mestre foi a

mesma adotada para o CLP escravo. No caso as duas CPUs possuem as mesmas

características. Entretanto outras configurações poderiam ser implementadas.

A partir deste ponto começa a configuração da rede. Deve-se neste ponto

adicionar uma nova rede profibus-DP, informando a estação que é mestre e a estação

que é escrava, conforme mostra a figura 14. A configuração da rede profibus é feita

pela inserção das estações previamente configurada em outro ambiente de

desenvolvimento denominada NetPro.

44

FIGURA 14 - A figura mostra que a rede foi inserida

Quando é inserida a rede, as estações não estão configuradas de forma

interligada com a rede, conforme a figura 15.

3.2 Configuração da rede Profibus-DP

Nesta fase foi realizada a configuração dos parâmetros de rede do

protocolo profibus-DP. Foi definida a taxa de transmissão e outras

45

particularidades para que os dispositivos possam se comunicar através do

protocolo.

FIGURA 15 - Mestre e escravo ainda sem conexão via rede

Ao iniciar a programação da rede, observa-se que por default aparecem os

endereços inseridos seqüencialmente nas estações configuradas. Caso as CPUs

configuradas anteriormente não fossem as escolhidas, estas estações não iriam

aparecer. Isto se deve ao fato de que as CPUs configuradas já possuim integrada o

módulo de rede profibus-DP.

Neste caso, deve-se interligar as estações à rede e configurar os endereços de

rede. Entretanto, antes de interligar a rede é preciso configurar a estação mestre na

rede profibus, informando que a rede é do tipo DP e sua taxa de transmissão, que neste

caso será de 187,5 Kbps, conforme mostra a figura a 16.

46

FIGURA 16 - Definição do tipo de rede e taxa de transmissão no CLP mestre

A figura mostra a configuração da rede profibus DP, onde a taxa de

transmissão está configurada. Mostra também a possibilidade de alterar o endereço de

rede e que as propriedades da rede podem ser alteradas. Em outras redes industriais

estas opções algumas vezes estão disponíveis, em outras não.

Após a seleção deve-se informar que o primeiro CLP será o mestre da rede,

conforme mostra a figura 17.

47

FIGURA 17 - Definindo o CLP mestre da rede

Além da definição da taxa de transmissão e demais características da estação

esta precisa ser configurada como mestre da rede. Isto informa ao sistema operacional

da estação e ao compilador que alguns atributos da rede serão gerenciados pelo mestre.

Entre estes atributos, pode-se destacar que a geração do “token” é o principal. O token

consiste é uma mensagem que circula pela rede, onde cada estação que desejar trafegar

dados deverá acrescentar suas informações e dados nesta mensagem e que uma vez

modificado, deve ser liberado para que outra estação possa trafegar dados pela rede.

Isto significa que a rede profibus-DP consiste de uma rede em barramento ligada

fisicamente, mas opera como um anel lógico, gerenciado pelo mestre DP, como mostra

a figura 17. Após a configuração do mestre, é preciso configurar a estação escrava,

conforme mostra a figura 18.

48

FIGURA 18 - Definição do tipo de rede e taxa de transmissão no CLP escravo

Após a configuração do mestre deve-se configurar as demais estações como

escravas, neste caso. A figura 18 mostra esta definição. A fig 18 mostra também que a

estação escrava deve ser configurada com a mesma taxa de transmissão da estação

mestre e que o protocolo deve ser o mesmo. Caso seja preciso, pode utilizar-se

conversor de protocolo, como a conversão DP/FMS, como mostra a figura.

Uma vez configurada a estação escrava, deve-se interligar com a estação

mestre.

49

FIGURA 19 - Definindo o CLP escravo da rede

Neste ponto é preciso interligar a estação escrava com a estação mestre,

conforme a figura 20.

50

FIGURA 20 - Interligação da estação escrava com a mestre

Quando foi configurada como mestre a estação do CLP mestre cria um

enlace lógico que aparece na figura 20 este enlace aparace para que o desenvolvedor

estabeleça a conexão lógica dos escravos ao mestre. Cabe ressaltar que mais de um

mestre pode existir numa arquitetura complexa.

Neste caso existe apenas um escravo para um mestre. Neste ponto configura-

se a rede de forma a conectá-la de domo lógico, conforme a figura 21. A configuração

lógica significa apenas que no software será informado que existe uma conexão entre o

mestre e o escravo, conforme mostra a figura 21.

51

FIGURA 21 - Conexão lógica entre mestre e escravo

A partir da definição da conexão lógica entre a estação mestre e as demais

estações escravas, o compilador sabe como selecionar o código para ser compilado

conjuntamente com o programa de controle.

Após a configuração deve-se alocar endereços de rede para comunicação

entre mestre e escravo. Neste caso, os endereços devem ser selecionados, informando

o tipo de dado a ser transmitido. A rede trabalha basicamente com dados do tipo Byte e

do tipo Word (2 bytes). A figura 22 mostra a configuração de 2 bytes configurados

entre o mestre e o escravo.

52

FIGURA 22 - Configuração de (2 bytes) entre mestre e escravo

Conforme pode ser observado, foi configurado o endereço do byte 30 para

saída do mestre (que possui uma memória física própria) para o endereço do byte 30

do escravo (que também possui uma memória física própria). Isto significa que o

mestre tem um endereço de memória alocada com o número 30 na sua CPU e o

escravo também possui uma memória alocada com o número 30 na sua CPU, que são

diferentes. Portanto não há conflito de endereçamento. Certamente, o número da linha

de memória alocada no mestre e no escravo poderia ser diferente, embora não seja

necessário.

Neste ponto, apresenta-se a rede configurada, conforme a figura 1, que é a

arquitetura de rede do sistema, conforme a figura 23.

53

FIGURA 23 - Rede mestre escravo configurada

Neste ponto a rede está configurada, mas deve-se fazer um programa para

cada CLP. Portanto, têm-se dois programas, sendo um mestre e outro escravo.

O programa mestre deve receber os sinais do campo, através de suas entradas

e transferir para o escravo, no caso o programa mestre recebe comandos do sistema

supervisório, através da memória 70.

O escravo por sua vez deve receber os sinais enviados pelo mestre e

comandar as saídas do CLP escravo. O CLP escravo é que comanda o inversor, que

por sua vez comanda o motor.

A figura 24 mostra o programa do mestre, que consiste num bloco de

transmissão do tipo byte para o escravo.

54

FIGURA 24 - Programa do mestre transmitindo para o escravo

Portanto conforme mostra figura todas as entradas do CLP foram enviadas

do mestre para o escravo, embora a única que tenha sido enviada do supervisório para

o mestre seja a entrada na memória “70.0”. Portanto o código transmitido é

“00000001”, do MSB para o LSB (bit mais importante para o menos importante). A

figura já aparece no modo on-line, provando a comunicação profibus-DP.

No programa do escravo apenas é recebida a informação e enviado os

comandos para as saídas correspondentes do CLP que comanda o inversor, conforme

mostra a figura já do programa on-line.

55

FIGURA 25 - Programa rodando on-line

3.3 Conclusão

Através deste capitulo foi realizada a programação do hardware do CLP

mestre e do CLP escravo, foram setados todos os parâmetros de transmissão de dados

entre o CLP mestre e o CLP escravo.

Após a configuração dos parâmetros de hardware do CLP mestre e do CLP

escravo, foi inserida uma rede Profibus-DP. A rede foi devidamente configurada para

trabalhar na arquitetura mestre-escravo. Depois de todas as configurações foi

implementado um programa para o CLP mestre o outro para o CLP escravo. O

programa do CLP mestre recebe as informações enviadas pelo supervisor e as repassa

para o CLP escravo, que por sua vez envia os comandos para as saídas

correspondentes do CLP que comando o inversor.

4 SISTEMA DE SUPERVISÃO DE MOTORES ELÉTRICOS DE INDUÇÃO

Neste capitulo será desenvolvida a aplicação supervisora através de um

software SCADA. Através do software desenvolvido poderemos controlar o motor

elétrico de indução utilizando o CLP mestre que envia os comandos para o CLP

escravo través de uma rede profibus-DP. O CLP escravo através de suas saídas ira

comandar o inversor de freqüência, e o inversor acionara o motor elétrico.

Após o desenvolvimento dos sistemas vamos a parte de validação do sistema

de controle de velocidade e do sistema de supervisão.

4.1 Sistema Supervisório

Agora será desenvolvido o sistema supervisório SCADA que se comunicara

com o CLP mestre e comandara o sistema de controle de velocidade. O programa

supervisório deve ser capaz de comunicar-se com o Mestre e comandar o sistema de

controle de velocidade. A figura a seguir mostra passo a passo a configuração do

programa supervisório, aparece uma tela em branco para a programação.

57

FIGURA 26 - Tela inicial para programação do sistema supervisório

O próximo passo é carregar o driver para que haja a comunicação entre o

software aplicativo supervisório e o clp da Siemens via memória do CLPs e interface

serial. Nesta figura abaixo, apresenta-se que o drive “mprot.dll” está sendo incluído no

executável do sistema supervisório. Neste ponto configura-se o driver “mprot” para

leitura do protocolo “MPI” da interface seria do CLP com o micro computador. Neste

caso o executável deve converter o protocolo serial para MPI para que o CLP possa

receber esta informações e vice-versa.

58

FIGURA 27 - Configuração do driver

A partir deste ponto, deve-se configurar a serial e seu formato para ser

convertido para MPI, conforme mostra a figura.

59

FIGURA 28 - Conversão de serial para MPI

Após a configuração do driver, deve-se configurar os “tags”. Um tag no

supervisório é uma referência ao endereço de memória do CLP. Este endereço é o

mesmo endereço programado no CLP. Posteriormente, é preciso apenas programar um

evento num objeto para disparar a mensagem e comandar com um código binário “1”,

informando que a memória deve ter seu status alterado para 1, e por conseqüência

comandar o CLP mestre. Após o comando do CLP mestre o programa do clp mestre

encaminha os dados para o escravo que comanda o inversor que comanda o motor.

Cada tag deve ser configurado com a seguinte condição conforme vemos na

figura a seguir.

60

FIGURA 29 - Tabela MPROT

No programa implementado, temos:

N1 = 2, pois foi o endereço default selecionado na comunicação.

N2 = (TipoDado × 100 + Área), conforme instruções da DLL, que no caso fica:

2 – pois é do tipo byte x 100 + 8 (que representa o acesso a memória)

PORTANTO FICOU: 208 no N2

N3 = não usado

N4 = endereço programado no clp mestre.

Esta configuração pode ser vista na figura a seguir:

61

FIGURA 30 - Configuração do Tag

Para cada tag são criados campos para determinar os bits do byte,

conforme mostra a figura a seguir.

62

FIGURA 31 - Configuração dos bits do tag

Por fim são inseridos objetos do tipo botão para comandar o programa do

CLP. A configuração do botão de comando pode ser vista na tela a seguir.

63

FIGURA 32 - Inserção do Botão

Após esta configuração o programa está pronto para comandar o programa

do CLP.

O programa a ser rodado tem apenas um botão, mas o que realmente

interessa não é a quantidade de itens, mas que o sistema comande o processo,

conforme mostra a figura.

64

FIGURA 33 - O Botão está acionado e o sistema está rodando

O sistema já está rodando e o motor elétrico de indução já está trabalhando

conforme a freqüência programada.

Através do botão inserido na tela podemos ligar e desligar o motor elétrico

de indução o qual ira será acionado com a freqüência que foi pré programada na rotina

do sistema. O Sistema é religado automaticamente se houver qualquer queda de

energia.

4.2 Conclusão

Após a implementação sistema de controle de velocidade, foi implementado

um sistema supervisório simples com parâmetros para ligar e desligar o motor elétrico

de indução através através de um botão na sua interface. De acordo com a proposta do

trabalho, nesse ponto já temos um controle de velocidade de motores elétricos efetivo.

65

Ao clicar no botão no sistema supervisório o motor é acionado de acordo com a

freqüência pré-programada no sistema de controle de velocidade. Infelizmente de

acordo com o tempo disponível para implementação, e por se tratar de ferramentas

que não temos disponíveis com facilidade, não foi implementada uma segunda

velocidade para controle do motor.

Contudo com o projeto desenvolvido foi visto que o controle de velocidade é

totalmente possível e com mais tempo na ferramenta de desenvolvimento seria

possível aprimorar ainda mais o sistema, variar a velocidade e programar diversas

outras situações. Nesta fase do trabalho terminamos a proposta inicial com êxito pois

todos os objetivos propostos foram alcançados.

5 CONSIDERAÇÕES FINAIS

Durante o trabalho de conclusão de curso pode-se observar o funcionamento

dos motores elétricos trifásicos de indução, realizando pesquisa sobre motores

elétricos, protocolos de rede industrial mais utilizados, sobre CLP´s, inversores de

freqüência e sistemas supervisórios. Desta forma foi possível conhecer as

características e realizar a programação de cada equipamento utilizado e assim chegar

ao objetivo deste trabalho que é implementar o sistema de controle geral de velocidade

de motores de indução ligados em rede, Profibus-DP.

Programar os inversores de freqüência para o controle de velocidade dos

motores de indução, programar o sistema de supervisão para controle através da rede

local ethernet.

O motor de indução trifásico, hoje em dia, é a solução de tração elétrica

mais difundida nas indústrias sendo um investimento de baixo custo, resistente,

tamanho e potência adequada.

No decorrer do trabalho foi desenvolvido um sistema de controle onde foi

criado um sistema supervisório que tornou possível controlar a velocidade do motor.

Também foi estudando o programa Simatic manager do CLP, que é o programa

utilizado para a programação dos CLP´s com a linguagem ladder, a lógica que

controla o inversor de freqüência. O inversor tem a função de fornecer a freqüência

necessária para o motor atingir sua velocidade. Foi estudado também os protocolos de

redes industriais tais como RS-485, CAN, FOUNDATION FIELDBUS, Profibus-DP e

PA, Modbus DeviceNet, com o estudo dessas redes industriais pode-se observar que a

maioria das grandes plantas de processo industrial independentemente da área

empregada, necessita de diferentes tecnologias de redes de campo para atender a todos

67

os processos.

A partir das informações apresentadas, foi possível demonstrar que a

implementação de um sistema de controle e monitoramento de velocidade de motores

de indução, via rede local é perfeitamente possível e viável de ser implantada,

garantindo flexibilidade quando mudanças de operações no processo produtivo se

tornarem necessárias.

Os benefícios proporcionados por este sistema de controle são:

• vida útil do motor que é ampliada;

• otimização de processos com acompanhamento do operador;

• redução do consumo de energia elétrica, evitando desperdício e gastos, e

facilitando o controle de velocidade do motor, pois ele pode ser monitorado e as falhas

analisadas e corrigidas de qualquer ponto da empresa.

Todos os objetivos propostos pelo trabalho foram alcançados, o sistema de

controle de velocidade de motores elétricos funcionou de acordo com o esperado, os

protocolos de rede industrial mais utilizados foram analisados e o sistema supervisório

proposto foi implementado. Conclui-se que é totalmente possível efetuar o controle de

velocidade de motores elétricos via protocolo de rede industrial. E que o sistema é

muito útil para as industrias pois com ele se torna possível o acionamento e

gerenciamento dos motores elétricos instalados no chão de fabrica.

Devido a complexidade de ferramentas necessárias para implementação do

trabalhos, foram enfrentadas diversas adversidades bem como a distância em que o

prof. Carlos se encontra, e pelo fato das ferramentas utilizadas não serem comuns em

nossa região. As ferramentas são proprietárias e tem um custo elevado para aquisição,

então se não tivesse o empenho do prof. Carlos, e o auxilio da Escola Técnica Tupy,

não seria possível o desenvolvimento do trabalho.

Fica para trabalhos futuros, o desenvolvimento da aplicação de controle de

velocidade de motores elétricos utilizando como protocolo de transmissão de dados o

protocolo Devicenet, que era a proposta inicial do trabalho de conclusão de curso.

Podendo com esse protocolo trabalhar ainda mais na parte de gerenciamento de

motores elétricos podendo criar um log mostrando todos os estados que o motor teve

68

em um determinado espaço de tempo.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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70

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WEG. Motores Elétricos. Jaraguá do Sul: WEG, 2009.

BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTAR

CAPELLI. Automação Industrial: controle do movimento e processos contínuos. São Paulo: Érica, 2006.

ROSÁRIO. Princípios de mecatrônica. Prentice Hall, 2005.

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APÊNDICE – CONTROLE DE VELOCIDADE DE MOTORES ELÉTRICOS

VIA REDE INDUSTRIAL

Rui de Oliveira Junior1 e Carlos Roberto da Silva Filho1

1Departamento de Ciências Exatas e TecnológicasUniversidade do Planalto Catarinense (UNIPLAC) – Lages – SC – Brasil

[email protected], [email protected]

Abstract. This study aims to develop a system to control the speed of induction electric motors in a Profibus-DP industrial network, widely used in industry, regardless of branch of activity. To make this control was necessary to study the industrial networking protocols, most used by industry. Then determine the components needed to develop the work. The SIMATIC is the platform used to program the PLC master that communicates itself through a network with the Profibus-DP slave PLC. Through the PLC outputs its slave triggers the frequency inverter allowing the change in speed of the electric motor in accordance with routine implemented. The engine which will in turn speed determined by the system that runs the master PLC, the master PLC is activated supervisório through a system that has a screen for monitoring and control, example you can trigger the motor via a button and it will run at the speed programmed in accordance with the frequency. Thus the operator can monitor if the engine is activated and the process was completed.

Resumo. Resumo O presente trabalho tem por objetivo desenvolver um sistema para controlar a velocidade dos motores elétricos de indução em uma rede industrial Profibus-DP, muito utilizado na indústria, independente do ramo de atividade. Para efetuar esse controle foi necessário estudar os protocolos de rede industrial, mais utilizados pela indústria. Em seguida determinar os componentes necessários para desenvolver o trabalho. O SIMATIC foi a plataforma utilizada para programar o CLP mestre que comunica-se através de uma rede Profibus-DP com o CLP escravo. Através de suas saídas o CLP escravo aciona o inversor de freqüência possibilitando a variação de velocidade do motor elétrico de acordo com a rotina implementada. O motor o qual vai girar na velocidade determinada pelo sistema que está rodando no CLP mestre, O CLP mestre é acionado através de um sistema supervisório que possui uma tela de monitoramento e controle, exemplo pode-se acionar o motor através de um botão e o mesmo passa a rodar na velocidade programada de acordo com a freqüência. Desse modo o operador pode acompanhar se o motor está acionado e se o processo foi concluído.

73

1. Introdução

A automação industrial está presente praticamente em todas as indústrias, e ela tem

contribuído em muito para que o processo seja mais rápido, barato, seguro, trazendo maior

lucratividade.

O avanço da automação industrial está ligado, em grande parte, ao avanço da

microeletrônica que se deu nos últimos anos. O ambiente industrial tem mudado

drasticamente nos últimos anos. A produção baseada no uso intensivo de operações manuais

evoluiu para a adoção de sistemas automatizados, com o suporte de computadores e

equipamentos inteligentes. As duas maiores forças por trás dessas mudanças têm sido a

competição entre as companhias industriais e a utilização de tecnologias digitais, através de

equipamentos e dispositivos baseados em microprocessadores. As aplicações incluem

máquinas-ferramentas, robôs, bancos de dados, redes de comunicação, dentre outros.

Os CLPs (Controlador Lógico Programável) surgiram na década de 60 e

substituíram os painéis de cabine de controle com reles, diminuindo, assim, o alto consumo de

energia, a manutenção e modificação de comandos e as onerosas alterações na fiação. Nos

anos 90, programas de computador foram criados com a tentativa de obter maior

produtividade, qualidade e competitividade. Dentro desta visão de integração entre o chão de

fábrica e o ambiente corporativo, decisões dentro do sistema organizacional de produção

passam a ser tomadas dentro do mais alto grau dos conceitos de qualidade, baseado em dados

concretos e atuais que se originam nas mais diferentes unidades de controle.

O controle de velocidade dos motores elétricos de indução é utilizado em sistemas de misturadores, esteiras, elevadores de carga, bobinadeiras e outros equipamentos do ambiente industrial. É responsável por posicionar os dispositivos nos pontos certos, diminuindo assim a perda de matéria prima com erros de posicionamento. Tendo em vista as dificuldades das indústrias, é proposto um estudo dos protocolos de rede industriais mais utilizados para elaborar uma ferramenta para efetuar o controle de velocidade de motores elétricos, após será elaborado um sistema de supervisão para monitoramento dos mesmos.

2. Justificando as vantagens de uma rede local interligada através de rede industrial

Na indústria existem muitas aplicações para os motores elétricos, que têm por finalidade

participar da automação dos processos, gerando melhor produtividade, precisão, menor índice

de falhas e proporcionando respostas rápidas aos controles em tempo real. Em uma linha de

produção, os motores não podem falhar, não podem ser acionados no momento errado, para

que informações erradas não se propaguem prejudicando a produção e causando perdas para a

indústria.

74

É preciso um sistema de controle eficiente, estável, seguro de forma que seus

dados trafeguem corretamente sem problemas durante o processo. As vantagens técnicas e

econômicas apresentadas pelas redes de campo em sistemas industriais tiveram como

conseqüência o aparecimento de diversas soluções proprietárias, a maioria delas

incompatíveis entre si.

Observa-se uma demanda do mercado por soluções padronizadas, de modo a

garantir a interoperabilidade entre sistemas e componentes produzidos por diferentes

fabricantes e desenvolvedores, o que resultou num esforço de padronização, a nível

internacional. Uma solução é o desenvolvimento de sistema de controle de motores elétricos

de indução em tempo real que, auxiliado por um sistema de supervisão, pode gerenciar

diversos dispositivos, minimizando as falhas e aumentando o desempenho do processo.

Através do sistema de supervisão, o operador tem sua monitoração e controle facilitado;

disponibiliza, em tempo útil, o estado atual do sistema através de um conjunto de previsões,

gráficos e relatórios; permitindo assim, a tomada de decisão operacional, seja ela automática

ou por iniciativa do operador.

A chave para o sucesso em aplicações distribuídas, como sistemas de

automação industrial, é a execução no tempo oportuno de tarefas computacionais que

geralmente residem em diferentes nós computacionais, e a coordenação da comunicação entre

eles de forma que acompanhe o objetivo comum. Desta forma o desenvolvimento de um

controle de velocidade de motores elétricos de indução em tempo real é útil, pois muitas das

soluções do mercado são proprietárias, partindo de uma solução de distribuição livre pode-se

garantir maior interoperabilidade entre as redes.

O desenvolvimento de soluções não proprietárias é bem vindo para as

indústrias, alem de baixar o custo os sistemas atingem maior abrangência no chão de fabrica.

Possibilitando uma maior integração dos controles, e principalmente facilitando a supervisão

dos dispositivos.

3. Componentes usados no sistema de controle de velocidade de motores de indução

A Para melhor compreensão dos objetivos propostos pelo estudo, nesta seção apresentamos neste item o conceito de automação, pois sem ela, seria quase impossível realizar o projeto deste trabalho, os componentes para o funcionamento do sistema de automação, como é o funcionamento dos dispositivos de processamento com seus periféricos e o tipo de lógica de programação que será utilizada no sistema de controle de motores elétricos via rede industrial neste trabalho.

75

3.1. Motores elétricos de indução

Motor elétrico é a máquina destinada a transformar energia elétrica em energia mecânica. O motor de indução é o mais usado de todos os tipos de motores, pois combina as vantagens da utilização de energia elétrica - baixo custo, facilidade de transporte, limpeza e simplicidade de comando - com sua construção simples, custo reduzido, grande versatilidade de adaptação às cargas dos mais diversos tipos e melhores rendimentos pelo fato de ser o tipo de motor mais utilizado pela industria, vamos utilizar como base um motor de indução para variar a velocidade e supervisionar (WEG, 2009)

3.2. Rede Profibus

O Profibus surgiu de uma cooperação de 21 corporações na Alemanha, em 1987, eis que estas companhias sentiam a necessidade de estabelecer a comunicação entre máquinas no processo industrial. Assim, em 1995 foi fundada a Profibus International com conglomerado de 22 entidades disseminadas pelo mundo com fito de trazer uma gama completa na solução de gerenciamento e comunicação na interligação dos dispositivos nos níveis intermediários e superiores em um sistema de automação, e com a vantagem de ser um protocolo aberto independente de fornecedores. A Profibus é representada na camada de campo por Profibus DP e na camada de sensor e atuador por Profibus PA (MELO, 2007).

3.3. Conceito de motores

Todos os motores elétricos valem-se dos princípios do eletromagnetismo, mediante os quais

condutores situados num campo magnético e atravessados por correntes elétricas sofrem a

ação de uma força mecânica, ou eletroímãs exercem forças de atração ou repulsão sobre

outros materiais magnéticos.

Na verdade, um campo magnético pode exercer força sobre cargas elétricas em

movimento. Como uma corrente elétrica é um fluxo de cargas elétricas em movimento num

condutor, conclui-se que todo condutor percorrido por uma corrente elétrica, imerso num

campo magnético, pode sofrer a ação de uma força (MATHEUS, 2003, p. 4).

3.4. Inversores de freqüência

Os inversores são compostos por dispositivos eletrônicos que convertem a tensão da rede

alternada (CA), em tensão contínua (CC) de amplitude e freqüência constantes, e finalmente

converte esta última, numa tensão de amplitude e freqüência variáveis (CA).

Os inversores de freqüência têm uma vasta aplicação na indústria de máquinas

e processos em geral. Com a capacidade inerente de variar a velocidade ou controlar o toque

de motores elétricos trifásicos CA permitem aos projetistas, desenvolver máquinas que sem os

mesmos, seriam praticamente impossíveis de serem fabricadas.

Alguns exemplos de aplicações para a utilização com eficiência dos drives são

aplicados em pontes rolantes, elevadores, escadas rolantes, compressores,

76

ventiladores,bombas, sistemas de ar-condicionado, extrusoras, bobinadoras, guindastes,

cortadeiras, dobradeiras, controladores de vazão, pressão e temperatura.

3.5. Controlado lógico programável

Todo sistema de controle digital baseia-se na idéia comum de sintetizar o pensamento de um

programador em instruções elétricas para as quais um dispositivo externo possa responder.

Desta forma, o trabalho do Controlador Lógico Programável (CLP) é avaliar as condições

externas através de pontos de entrada e saída, executar o algoritmo de controle através de uma

Unidade Central de Processamento (UCP) e então responder ao processo que esteja sendo

controlado, para que este se comporte da maneira como o programador idealizou.

4. Sistema supervisório rodando

Assim Para programar e configurar este sistema foi utilizado CLP da Siemens, software

Simatic manager configurar o CLP e programa supervisório Elipse SCADA.

No Elipse SCADA foi realizado a configuração para supervisionar e controlar

o processo de velocidade do motor, para isto foi desenvolvido uma tela com um botão Liga

Desliga que o mesmo aciona o motor para trabalhar na velocidade pré-programada.

5. Considerações finais

A partir das informações apresentadas, foi possível demonstrar que a implementação de um

sistema de controle de velocidade de motores de indução, via rede industrial Profibus-DP, é

perfeitamente possível e viável Garantindo flexibilidade quando mudanças de operações no

processo se tornarem necessárias.

Algumas vantagens podem ser enumeradas:

Vida útil do motor que é ampliada

Otimização de processos com acompanhamento do operador

Redução do consumo de energia elétrica, evitando desperdício e gastos.

Facilidade no controle de velocidade do motor, pois ele pode ser programado

de acordo com a necessidade da aplicação.

Este projeto de pesquisa vem de encontro às necessidades da indústria, através

do desenvolvimento de soluções que possibilitem novas formas de gestão, produção e

automação. É nesses sentindo que o uso das redes ethernet interligadas com as redes

77

industriais comandados por pcs ligados em redes locais, vem a optimizar o processo industrial

como apresentado neste trabalho.

Referências

WEG. Motores Elétricos. Jaraguá do Sul: WEG, 2009.

MATHEUS, H. Conversores de Freqüência e Soft Starters. Apostila. Descreve uma introdução sobre motores elétricos e conceitos de inversores de freqüência. 2003. Disponível em: <http://www.ejm.com.br/Downloads/Inversores.pdf>. Acesso em: 04 mai. 2006.

MELO, C. A. W. S. O Família Profibus. Apostila. Trata sobre família de protocolos profibus. Curso Superior de Tecnologia em Automação Industrial Disponível em: <http://www.cefetrn.br/~walmy/RI_A7.pdf>. Acessado em: 11 out. 2008.Cardoso, B. e Mascarenhas, M. (1996) “Curso Completo de Teoria Musical e Solfejo”, São Paulo: Irmãos Vitale.

TCC - Rui de Oliveira Junior

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