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Seção <strong>do</strong> LeitorNotíciasProblemas e Soluções459Evoluções daEletropneumáticaEntenda como a eletropneumática está se adequan<strong>do</strong> às novasformas de comunicação em chão-de-fábrica que, em cadanovo produto, procura acompanhar os avanços que rondam omun<strong>do</strong> da Automação Industrial.12Manutenção de servomotoresSão inúmeras as razões pelas quais se tem a<strong>do</strong>ta<strong>do</strong> a utilização<strong>do</strong>s servomotores síncronos e assíncronos trifásicos naindústria nacional. Neste artigo são levantadas algumas dasdúvidas mais freqüentes com que os profissionais de manutençãose deparam em seu dia-a-dia no campo.14Desmitifican<strong>do</strong> a visão artificialnas aplicações industriaisEntenda como funcionam os sistemas de visão que, devi<strong>do</strong> àgrande redução de custo que sofreram nos últimos tempos,tiveram um grande aumento no número de aplicações na indústria.17Comparação de sistemascom motores de passo e servomotoresCom motores de passo e servomotores competin<strong>do</strong> nas aplicaçõesindustriais, como decidir qual é o melhor? Veja nesteartigo o que é necessário levar em conta para fazer uma escolhainteligente.20Imunidade a interferência porradiofreqüênciaA RFI (Radio Frequency Interference) é um sério problema deEMI (Electromagnetic Interference) para os equipamentos eletrônicosmodernos. Conheça os níveis e mo<strong>do</strong>s de falhas e as principaistécnicas de proteção contra este problema.27Arquiteturas de sistemasde Automação Industrial utilizan<strong>do</strong> CLPsEste artigo faz uma abordagem sobre os aspectos de comunicaçãode da<strong>do</strong>s para arquiteturas comumente utilizadas emautomação de plantas de processos industriais empregan<strong>do</strong>CLPs.32ÍndiceControla<strong>do</strong>res de movimentoO crescente aumento <strong>do</strong> uso de servo-acionamentos e inversoresde freqüência em máquinas de processos dedica<strong>do</strong>s,fizeram surgir os controla<strong>do</strong>res de movimentos, que são equipamentosdesenvolvi<strong>do</strong>s para automação de máquinas quenecessitam de controle de posição, de trajetória, de velocidadeou torque.37Princípios <strong>do</strong>s motores linearesO motor linear nada mais é <strong>do</strong> que uma massa com propriedadesmagnéticas que é atraída ou repelida por outra e restringida aandar em trilhos. Veja por que, apesar de simples no seu funcionamento,os motores lineares vêm ganhan<strong>do</strong> destaque nas aplicaçõesindustriais.40Aterramento ElétricoEste artigo mostra os aspectos básicos das normas, problemase soluções, bem como o processo de tratamento químico<strong>do</strong> solo.43Analisa<strong>do</strong>res porcondutibilidade térmicaA análise por condutibilidade térmica consiste em medir a condutibilidadetérmica de uma amostra, relacionan<strong>do</strong>-a com a concentraçãode um determina<strong>do</strong> componente no gás em análise.Conheça os dispositivos capazes de realizar esta análise.46Aplicações de redes RS-485Descubra qual o segre<strong>do</strong> da popularidade da rede de comunicaçãoRS-485, cujas aplicações se estendem desde a integraçãode pontos de venda e terminais de coleta de da<strong>do</strong>s até aplicaçõesde alto desempenho em Automação Industrial.50Medi<strong>do</strong>res de deformaçãoO medi<strong>do</strong>r de deformação (strain gauge) é muito utiliza<strong>do</strong> paramedições de grandes massas ou monitoramento de estruturasem construção ou em restauração, face a sua confiabilidade,precisão e sensibilidade. Entenda seu princípio defuncionamento, suas aplicações e os critérios para escolha <strong>do</strong>melhor sensor.54Como aplicar inversores defreqüênciaConheça os aspectos mais importantes a serem considera<strong>do</strong>sna utilização de inversores de freqüência, tais como quan<strong>do</strong>utilizar sistemas escalares e vetoriais, características gerais eparâmetros que devem ser considera<strong>do</strong>s no efetivo empregode inversores.58
Editora Saber Ltda.DiretoresHélio FittipaldiThereza M. Ciampi Fittipaldiwww.mecatronicaatual.com.brMecatrônica AtualEditor e Diretor ResponsávelHélio FittipaldiEditor AssistentePaulo Gomes <strong>do</strong>s SantosPublicidadeEduar<strong>do</strong> Anion - GerenteRicar<strong>do</strong> Nunes SouzaCarla de Castro AssisMelissa Rigo PeixotoConselho EditorialAlexandre CapelliJuliano MatiasNewton C. BragaColabora<strong>do</strong>resAlaor Mousa SaccomanoAugusto OttoboniCarlos Henrique C. RalizeGilberto Abrão Jana FilhoGilberto BrancoJeff KordikJosé Ricar<strong>do</strong> da SilvaMário Sérgio Di GraziaOsmar BrunePaulo Cesar de CarvalhoPaulo Eduar<strong>do</strong> PansieraRonei RossetiSérgio VieiraWendell de Queiróz LamasFoto da capa: sala de controle da PQUASSINATURASwww.mecatronicaatual.com.brFone/Fax: (11) 6195-5335Atendimento das 8:30 às 17:30 hImpressãoW.RothDistribuiçãoBrasil: DINAPPortugal: MidesaMECATRÔNICA ATUAL(ISSN - 1676-0972) é uma publicaçãoda Editora Saber Ltda.Redação, administração,edições anteriores, publicidade ecorrespondência:R. Jacinto José de Araújo, 315CEP.: 03087-020 - São PauloSP - BrasilTel.: (11) 6195-5333EditorialAberta a temporada de eventosComeçou a temporada de feiras e eventos no Brasil sobre automaçãoindustrial. Há encontros para to<strong>do</strong> o tipo de público, desde osengenheiros mais experientes até aqueles que estão começan<strong>do</strong> acarreira agora. Uma característica similar nesses eventos, que cadavez mais toma corpo, são os encontros promovi<strong>do</strong>s por fabricantesjunto com seus parceiros de projeto. Foi o que já fizeram nesse anoempresas como Rockwell, Altus e Advantech. Esse tipo de reuniãoparece que está se tornan<strong>do</strong> uma boa alternativa para as empresas,ao invés de participar de várias feiras durante o ano.Uma das notícias que está sen<strong>do</strong> aguardada com muita expectativapelo setor é a compra da Intellution pela GE Fanuc. Quaseto<strong>do</strong> o setor de automação já sabe da compra da empresa pelosbasti<strong>do</strong>res, mas, por enquanto, to<strong>do</strong>s os detalhes estão sen<strong>do</strong>guarda<strong>do</strong>s pela matriz norte-americana que deixou a América <strong>do</strong>Sul como último lugar para o anúncio oficial. Nesse campo daautomação também há a expectativa quanto a atuação da Wonderwareno Brasil.Dentro da proposta de contemplar, na revista, a automação deprocessos, nesta edição você vai conferir os artigos “Analisa<strong>do</strong>respor condutibilidade térmica” e “Arquiteturas de sistemas de automaçãoindustrial utilizan<strong>do</strong> CLPs”, (o sucesso ou fracasso de umprocesso de automação, na maioria das vezes, é defini<strong>do</strong> já naelaboração de sua arquitetura.)Como foi dito na edição passada, estamos trabalhan<strong>do</strong> numarevista que seja a cara da automação industrial brasileira. Cadadetalhe na revista está sen<strong>do</strong> estuda<strong>do</strong> para criarmos um veículoque seja o palco de discussão de engenheiros, técnicos, gerentese diretores.E para continuar melhoran<strong>do</strong>, é importante que continuemoscontan<strong>do</strong> com a participação <strong>do</strong>s leitores com críticas, sugestõese até mesmo artigos técnicos. A idéia é que a revista não seja um“clube fecha<strong>do</strong>”, mas que tenha a participação <strong>do</strong> maior númeropossível de profissionais da área dispostos a compartilhar idéias einformações. Portanto não fique para<strong>do</strong> e participe!Empresa proprietária <strong>do</strong>s direitos dereprodução:EDITORA SABER LTDA.Associa<strong>do</strong> à:ANER - Associação Nacional <strong>do</strong>sEditores de <strong>Revista</strong>sAtendimento ao leitor: a.leitor.mecatronicaatual@editorasaber.com.brANATEC - Associação Nacional dasEditoras de Publicações Técnicas,Dirigidas e Especializadas.Os artigos assina<strong>do</strong>s são de exclusiva responsabilidade de seus autores. É vedada a reprodução totalou parcial <strong>do</strong>s textos e ilustrações desta <strong>Revista</strong>, sob pena de sanções legais. São toma<strong>do</strong>s to<strong>do</strong>s os cuida<strong>do</strong>srazoáveis na preparação <strong>do</strong> conteú<strong>do</strong> desta <strong>Revista</strong>. Caso haja enganos em texto ou desenho, serápublicada errata na primeira oportunidade. Preços e da<strong>do</strong>s publica<strong>do</strong>s em anúncios são por nós aceitos deboa fé, como corretos na data <strong>do</strong> fechamento da edição. Não assumimos a responsabilidade por alteraçõesnos preços e na disponibilidade <strong>do</strong>s produtos ocorridas após o fechamento.www.anatec.org.br
NotíciasAtualMecatrônicaNotíciasSérgio VieiraA GE Fanuc compra a Intellution e segura divulgaçãoA GE Fanuc, braço de automaçãoindustrial <strong>do</strong> Grupo GE, completoua aquisição da Intellution,uma das maiores empresas <strong>do</strong>mun<strong>do</strong> em softwares para automaçãoindustrial. A notícia da aquisiçãoestá sen<strong>do</strong> tratada com cautelapelas duas partes envolvidas naoperação.A América <strong>do</strong> Sul será o últimopaís a saber os detalhes oficiais daaquisição. De acor<strong>do</strong> com um engenheiroda GE, a estratégia é divulgaros detalhes da operação nosEsta<strong>do</strong>s Uni<strong>do</strong>s, depois na Europa,em seguida será a vez da Ásiae, em mea<strong>do</strong>s de julho ou Agostodeste ano será a vez da América<strong>do</strong> Sul. Por esse motivo, ninguémcomenta nada a respeito da aquisiçãopara a imprensa brasileira.Ex-divisão <strong>do</strong> Grupo Emerson Process,a Intellution possui mais de 185mil instalações de sistemas supervisóriosem to<strong>do</strong> o mun<strong>do</strong>. No Brasil, seuprincipal produto, o iFix, está presentenos mais varia<strong>do</strong>s segmentos industriaise, muitas vezes, é escolhi<strong>do</strong>como sistema preferencial mesmo emfornecimento de projetos turnkey deautomação, onde concorre com sistemasde outros fabricantes. Nos Esta<strong>do</strong>sUni<strong>do</strong>s suspeita-se que o nomeIntellution será manti<strong>do</strong>. Fala-se emuma nova empresa chamada: GEFanuc Intellution.“A aquisição da Intellution é parteda estratégia global <strong>do</strong> crescimento daGE e combina as tecnologias queaumentam benefícios aos clientesem torno <strong>do</strong> mun<strong>do</strong>. A comunidadeworldwide <strong>do</strong> manufacturing podeesperar as novas tecnologias quemudarão e melhorarão a maneiracomo nós fazemos o negócio”,disse Charlene Begley, presidenteda GE Fanuc, em entrevista nosEsta<strong>do</strong>s Uni<strong>do</strong>s.Na mesma reportagem, usuáriosamericanos de automação acreditamque a compra da Intellution pelaGE possibilita oportunidades semprecedentes no ambiente industrial.Eles vislumbram a oportunidade decomprar sistemas de supervisãocompletos dentro de um pacote defornecimento global pela GE.A Astrein investe em atualização tecnológicaApós investir R$ 1,5 milhãoem 2002, a Astrein Engenharia deManutenção espera obter neste anoum crescimento de 25%. Boa parte<strong>do</strong>s investimentos foram direciona<strong>do</strong>spara atualizar o Sistema Informatiza<strong>do</strong>de Manutenção - SIM,importante linha de negócios daempresa.De acor<strong>do</strong> com o diretor, MarceloÁvila Fernandes, a primeiraversão <strong>do</strong> SIM foi desenvolvida em1986 e ao longo <strong>do</strong>s anos recebeudiversas atualizações, conquistan<strong>do</strong>uma carteira de mais de 450 clientes<strong>do</strong>s mais diversos setores (alimentos,petroquímica, eletroeletrônica,gráfica, autopeças, telecomunicações,metalurgia, comunicações,têxtil, farmacêutica, entre outros).“A aquisição de produtos prontospara gerenciamento de manutençãode ativos e a terceirização de serviçosna área de manutenção eraum passo da<strong>do</strong> exclusivamente poralgumas empresas com alto grau deautomação e hoje se dissemina emempresas de pequeno e médio porte,abrin<strong>do</strong> as portas de um grande merca<strong>do</strong>”,afirma.De olho nesse merca<strong>do</strong> promissor,a Astrein definiu nova linha denegócios para atuar com serviços dePlanejamento e Controle de Manutenção(PCM). “Com esse novo serviço,a empresa cresceu 65% entre 2000 e2002 e prevê um aumento no faturamentode 25% em 2003 sen<strong>do</strong> o serviçode PCM responsável por 30%”,calcula.O Sistema Informatiza<strong>do</strong> deManutenção é volta<strong>do</strong> para atividadesde planejamento, programaçãoe controle de manutenção emequipamentos móveis, equipamentosestacionários, veículos e instalaçõesprediais, possibilitan<strong>do</strong> ocontrole de qualquer tipo de manutenção,seja ela corretiva, preventivaou preditiva. “O SIM proporcionaredução de custos de manutenção,das paradas <strong>do</strong>s equipamentos, <strong>do</strong>tempo de detecção de falhas, <strong>do</strong>sgastos com terceiros, <strong>do</strong> estoque desobressalentes, geran<strong>do</strong> aumentoda produtividade da mão-de-obra,maior simplificação e agilidade nostrabalhos administrativos, indispensáveispara as empresas com ISO9000 e QS 9000”, conclui.Mecatrônica Atual nº10 - Junho - 2003 5
NotíciasAtualEncontro Brasil-Áustria de automação em SBCMais de 100 profissionais, executivose acadêmicos ao 3º WorkshopAustrian-Brazilian Automation Day,promovi<strong>do</strong> pelo Centro Universitárioda FEI - Faculdade de EngenhariaIndustrial. O foco <strong>do</strong> evento foi a discussãoem torno da automação naspequenas e médias empresas brasileirase sua inserção no merca<strong>do</strong>globaliza<strong>do</strong>.Peter Athanasiadis, cônsulcomercial da Áustria, elogiou a iniciativae ressaltou a importânciada troca de conhecimentos entreos <strong>do</strong>is países. “A Áustria possuimuitas empresas de pequeno emédio porte e, estas, tiveramgrande dificuldade em se atualizar”,disse. Elfriede Rommens, representante<strong>do</strong> Ministério de Transporte,Inovação e Tecnologia daquelepaís, lembrou que há 30 anoso governo austríaco percebeu anecessidade de cooperação entreuniversidades e empresas parao desenvolvimento tecnológico e,desde então, apóia encontros tecnológicose fornece suporte parapesquisa, projetos corporativos edesenvolvimento de centros deexcelência locais.Entre os temas das palestrasque fizeram parte <strong>do</strong> evento destacam-se:robôs, prototipagem rápida,educação à distância, automaçãopredial e residencial integrada, técnicasde monitoramento e controla<strong>do</strong>reslógicos programáveis. PeterKopacek, professor <strong>do</strong>utor <strong>do</strong> IHRTInstitute, órgão da Universidade deTecnologia de Viena, acredita queos principais problemas <strong>do</strong> Brasilsão a falta de mão-de-obra especializadae recursos para tecnologia eNotaA Usina Coimbra-Cresciumal(Leme/SP) instalou um medi<strong>do</strong>r dedensidade para manter o nível energéticode xarope durante o processode evaporação. O equipamento, DT301,fabrica<strong>do</strong> pela Smar, foi instala<strong>do</strong> noano passa<strong>do</strong> e de acor<strong>do</strong> com o corpotécnico da Usina, tem se mostra<strong>do</strong>uma ferramenta valiosa na obtençãode resulta<strong>do</strong>s precisos no controle dexarope.desenvolvimento. Kopacek contou queo parque industrial austríaco é compostode pequenas e médias empresasque utilizam redes neurais, complexossistemas de automação e robótica.Carlos Eduar<strong>do</strong> Pereira, professorda Universidade Federal <strong>do</strong> RioGrande <strong>do</strong> Sul, e Paulo Coviello, diretorde Soluções da Siemens Brasil,apresentaram palestras sobre os problemasna automação predial e resi-A Wonderware desembarca no BrasilA Wonderware, unidade de negócios<strong>do</strong> Grupo Invensys e fornece<strong>do</strong>rade softwares de automaçãoindustrial, está desembarcan<strong>do</strong> noBrasil para dar suporte ao crescimentodas vendas <strong>do</strong>s seus produtos,como o InTouch, carro chefe daempresa. “Independentemente dainstabilidade global, a Wonderwaredecidiu expandir suas operações,atenden<strong>do</strong> a solicitação <strong>do</strong>s usuáriosde nossos produtos, e temoscerteza de que esta decisão estáno caminho certo para continuarcrescen<strong>do</strong>”, comenta Andres Szlufik,diretor regional para o Mercosul.No coman<strong>do</strong> da WonderwareBrasil está o engenheiro Eduar<strong>do</strong>Lima, profissional com mais de 15anos de experiência na área deautomação industrial e um <strong>do</strong>s pioneirosem diversos projetos envolven<strong>do</strong>sistemas de supervisão edencial, além de suas soluções deintegração. Foi discutida a presençade vários sistemas e protocolos presentesno merca<strong>do</strong> que impedemo desenvolvimento de uma automaçãopredial e residencial integrada.Os <strong>do</strong>is palestrantes lembraram quea integração na automação reduzcustos operacionais, aumenta a produtividadee melhora o controle eacesso às informações.O evento discutiu automaçãode pequenas emédias empresas.controle industrial.O merca<strong>do</strong> será atendi<strong>do</strong> pelaunidade brasileira da Wonderwareem conjunto com o distribui<strong>do</strong>rautoriza<strong>do</strong> Scan Automação quecontinuará responsável pela comercialização,suporte e treinamento<strong>do</strong>s usuários finais. “A Scan introduziuos produtos da Wonderwareno Brasil conquistan<strong>do</strong> uma baseextensa de clientes importantes eum market share expressivo atravésde um atendimento diferencia<strong>do</strong>”,conta Fontinele da Silva, diretor daScan Automação.“Com a oferta constante deinovações tecnológicas que garantemao usuário proteção total deseu investimento, temos confiançano futuro da Wonderware e nossaexpectativa é expandir e consolidarnossa posição no merca<strong>do</strong> brasileiro”,afirma Eduar<strong>do</strong> Lima.Mecatrônica Atual nº10 - Junho - 2003 7
AtualNotíciasIntrodução à Automação e à Robótica“Automação de Sistemas e Robótica”é um livro para introduzir oleitor em um segmento de crescenteimportância e aplicação naindústria moderna. As diversas áreasque abrangem o estu<strong>do</strong> da Robóticaincluem Eletrônica, Informática,Mecânica, Física e Matemática. Otrabalho, elabora<strong>do</strong> por Fernan<strong>do</strong>Pazos, aborda principalmente osconceitos da Robótica aplicada àindústria, estuda a estrutura <strong>do</strong>s sistemasautomatiza<strong>do</strong>s, seu comportamento,seus componentes básicos,elementos e dispositivos utiliza<strong>do</strong>s,além de programas simples de controlede sistemas.Em cada capítulo são aborda<strong>do</strong>sos seguintes tópicos: introduçãoà automação, controle desistemas, interfaceamento, transdutorese atua<strong>do</strong>res emprega<strong>do</strong>s emRobótica, mecanismos de transmissãode potência, robôs manipula<strong>do</strong>rese sistemas de visão.O autor é engenheiro eletrônico e,desde 1993, é coordena<strong>do</strong>r <strong>do</strong> Laboratóriode Robótica <strong>do</strong> Instituto deTecnologia ORT <strong>do</strong> Rio de Janeiro,onde projetou e desenvolveu diversosrobôs e sistemas automatiza<strong>do</strong>scontrola<strong>do</strong>s por computa<strong>do</strong>r, alémde interfaces e programas com finsdidáticos. Ministra cursos de extensãosobre Controla<strong>do</strong>res LógicosProgramáveis no COPPE (UFRJ) eé colabora<strong>do</strong>r da revista “MecatrônicaAtual” desde outubro de 2001.Rockwell realiza “Complete Automation” e divulga metasRepetin<strong>do</strong> a filosofia <strong>do</strong> eventopassa<strong>do</strong> - Integração com autonomia- a Rockwell Automation realizoumais uma edição <strong>do</strong> CompleteAutomation, evento que reuniu 12laboratórios práticos direciona<strong>do</strong>s ausuários das indústrias de processoe manufatura. “É a integração independente”,diz Danilo Talanskas,presidente da subsidiária brasileira.“As unidades têm autonomia nacondução <strong>do</strong>s negócios, mas trabalhamcomo um to<strong>do</strong> para o cliente”.Essa filosofia também serviu paraque a Rockwell desenvolvesse produtospara o cliente ter mais liberdadepara construir ou modificarsistemas de automação. É o caso <strong>do</strong>ControlLogix, sistema que combinacontrole seqüencial, de processo ede posição junto com comunicaçãode entrada e saída de sinais. O ControlLogixfoi uma das ênfases dadaspela Rockwell nos laboratórios utiliza<strong>do</strong>spelos usuários.A multinacional americana apresentoutambém suas metas para aparte de Serviços. Em nível mundial,o objetivo é ter 25% da receitaproveniente dessa área, hoje, essacota é de 12%. Na subsidiária brasileira,o setor de serviços respondepor 30% da receita. .De acor<strong>do</strong> com Talanskas, a estratégiapara alcançar os números acimacita<strong>do</strong>s é alavancar a base instaladaelevan<strong>do</strong> o conhecimento para o ERP(sistemas de gestão). Bem, na prática,significa que, cada vez mais, a Rockwellterá soluções para facilitar o trâmite deinformações entre o chão-de-fábrica eos níveis gerenciais de seus clientes.Uma dessas soluções foi lançadano ano passa<strong>do</strong>. Trata-se de um controla<strong>do</strong>rlógico que possui um módulo XMpara permitir a entrada para da<strong>do</strong>s demanutenção. Além disso, a Rockwelltambém tem direciona<strong>do</strong> fortes investimentospara a área de software com acompra de várias empresas.Outra estratégia da empresa éinvestir mais no capital humano internopara ter um diferencial no merca<strong>do</strong>.Hoje, a Rockwell possui especialistaspor funcionalidade de cadaproduto. Também foram nomea<strong>do</strong>sengenheiros de vendas que coordenamas vendas nacionais porcliente. Nesse senti<strong>do</strong>, <strong>do</strong>is engenheiroscoordenam as vendasnacionais de produtos Rockwellpara a Petrobrás e a CompanhiaVale <strong>do</strong> Rio Doce. Por ano sãoinvesti<strong>do</strong>s no Brasil US$ 2 milhõesem produto e treinamento.O presidente da Rockwell nãosoube informar quanto a empresacresceu na indústria de processo,após ter obti<strong>do</strong> licença para fabricarprodutos na tecnologia FoundationFieldbus. “Temos uma metaque não pode ser divulgada na parceriacom a Smar”.Talanskas (à esquerda) aola<strong>do</strong> <strong>do</strong> americano MichaelJohnston, diretor de Marketingpara a América Latina.8Mecatrônica Atual nº10 - Junho - 2003
...SoluçõesAtualProblemas eSoluçõesProblema de comunicação em Rede Modbus RS-485Paulo César de CarvalhoEste problema ocorreu em umarede modbus de uma usina hidrelétricano momento da implantação darede em campo. Para explicar o queaconteceu, vejamos a arquiteturada rede, na figura 1, no momentoda implantação em campo <strong>do</strong> sistema.A rede modbus RS-485 <strong>do</strong> canal“A”, formada por 9 medi<strong>do</strong>res degrandezas elétricas, to<strong>do</strong>s <strong>do</strong>mesmo fabricante, funcionava normalmente.A rede <strong>do</strong> canal “B”apresentava taxas de erro muitoelevadas e praticamente não haviacomunicação. Para esta rede observeique, quan<strong>do</strong> somente as UTRsou somente os single-loops estavamconecta<strong>do</strong>s, a rede operavanormalmente. Constatei que haviaalguma incompatibilidade entre ohardware das UTRs e o hardwaredas single-loops e passei a investigaro motivo de tal fato.Para descobrir o que estavaocorren<strong>do</strong>, reprogramei a placamestremodbus para interrompera comunicação <strong>do</strong> canal “B” e, aseguir, desconectei to<strong>do</strong>s os dispositivosescravos conecta<strong>do</strong>s àrede e, na seqüência, conectei umde cada vez. Para cada dispositivoconecta<strong>do</strong>, media a tensão da linha“D+” para a terra e “D-” para aterra. Anotei to<strong>do</strong>s os valores etambém fiz a mesma coisa para osdispositivos <strong>do</strong> canal “A”. Verifiqueique o grupo das UTRs apresentavavalores semelhantes de D+/ terra.Porém, no grupo das single-loops,a diferença entre estes valores eramaior que 3 V e, tipicamente, estadiferença não pode ser maior que3 V para equipamentos que estão namesma rede.Comparan<strong>do</strong> com os valores deD+/ terra <strong>do</strong>s MGEs, comprovei quea diferença <strong>do</strong> D+/ terra <strong>do</strong>s singleloops era da ordem de 1 V. Transferios single loops para a rede <strong>do</strong>sMGEs no canal “A” e to<strong>do</strong>s os dispositivoscomunicaram-se normalmente.ConclusãoApesar <strong>do</strong> protocolo de comunicaçãode to<strong>do</strong>s os equipamentos sermodbus e a forma de ligação sera mesma (RS-485 a 2 fios), poderáhaver incompatibilidade elétricaentre hardwares diferentes devi<strong>do</strong> àdiferença de referência <strong>do</strong>s drivesRS-485. A solução, neste caso,será preferencialmente evitar misturar,na mesma rede, hardwaresdiferentes. Quan<strong>do</strong> isso não forpossível, verificar antecipadamentea compatibilidade entre elescom a medida da tensão D+ emrelação ao terra e D- em relaçãoao terra com o mestre sem comunicação,conforme procedimentodescrito anteriormente. Este procedimentodeve ser feito alimentan<strong>do</strong>-seto<strong>do</strong>s os dispositivoscom a mesma tensão utilizada emcampo.Figura 1 - Rede MODBUS naimplantação <strong>do</strong> sistema.Mecatrônica Atual nº10 - Junho - 2003 9
AtualProblemas e...Defeito em contatores...Contatos e contatos!Alaor Mousa SaccomanoO segun<strong>do</strong> grande grupo depossíveis defeitos em contatoresse relaciona aos contatos. Estesestão sempre submeti<strong>do</strong>s a forçasde impacto e deformação, além demanobras de carga que geram altosarcos voltaicos.O poder de ação de um contatose deve basicamente à geometria<strong>do</strong> mesmo e à composição de suasligas, que podem ser na maior parte<strong>do</strong>s casos: AgNi, AgCdO ou AgSnO 2além, é claro, da presença de cobre(Cu) sobre os mesmos. Continuaremosnossa análise observan<strong>do</strong> osprincipais defeitos encontra<strong>do</strong>s emcontatos.Subtensão ou intermitência dealimentação na bobinaNa ocorrência de tensões baixasou variação <strong>do</strong>s valores nominais dealimentação, provoca-se a diminuiçãoda capacidade de “atracamento”<strong>do</strong> contator. Com o enfraquecimentoda ação de contato entre os contatosfixos e móveis, devi<strong>do</strong> à falta deforça magnética na bobina, há umaacentuada elevação das correntes<strong>do</strong> circuito de força <strong>do</strong> mesmo, provocan<strong>do</strong>a queima <strong>do</strong>s contatos.Erros de dimensionamento, cabosmuito longos e problemas dedistribuição são constantes causasdeste defeito.Figura 1 - Queima de terminalmal conecta<strong>do</strong>.Danificação da parte externa<strong>do</strong> contatorSobretensão e impulsosde tensãoMuitas vezes têm-se, nos circuitose redes, variações de tensão, emalguns casos ocasionadas por baixofator de potência, mas na maioria dasvezes por oscilações e picos de tensão.Essas variações provocam no circuitode força sobrecorrentes que superaquecemos contatos, levan<strong>do</strong> conseqüentementeà queima <strong>do</strong>s mesmos.Falta de faseSe ocorrer falta de uma das fases<strong>do</strong> motor energiza<strong>do</strong> por um contator,ele tenderá a continuar seu movimento,provocan<strong>do</strong> a sobrecarga dasfases restantes e a conseqüentequeima <strong>do</strong>s contatos liga<strong>do</strong>s nas fasessobrecarregadas.Pode-se evitar este tipo de problemaatravés de um adequa<strong>do</strong> dimensionamento<strong>do</strong>s sistemas de proteção,basicamente fusíveis retarda<strong>do</strong>s.Má conexãoParafusos, quan<strong>do</strong> aperta<strong>do</strong>s comtorque abaixo <strong>do</strong> especifica<strong>do</strong>, provocamo mau contato das conexõesque se tornam sujeitas ao aumento daresistência de contato, levan<strong>do</strong> à dissipaçãotérmica nos mesmos - contatos,parafusos, arruelas e terminais. Aqueima ocorre lenta e gradualmente(veja figura 1), com a descoloraçãovisível das partes envolvidas. Essesdefeitos podem ocorrer no circuito deforça ou de coman<strong>do</strong>. Manutençõespreventivas, com reaperto <strong>do</strong>s terminaisbasea<strong>do</strong>s em valores de torquecorretos, evitam este problema.à total danificação <strong>do</strong>s contatos,passan<strong>do</strong> pela sensível diminuiçãoda vida útil, são os maisdiversos efeitos ocorri<strong>do</strong>s pelodesrespeito às categorias deemprego (IEC 947).Curto-CircuitoA soldagem <strong>do</strong>s contatos (colamento)é provocada pelo aumentorepentino da corrente nos mesmos.Em alguns casos, pode-se ter tranferênciade material entre os contatosfixo e móvel. Dimensionan<strong>do</strong>-seo fusível corretamente, com certezaeste problema é evita<strong>do</strong>, poisele atuará nos momentos de falhade curto-circuito e sobrecorrenteexcessiva.Fim da vida elétrica-mecânicaou vida útilNesta situação, os contatos deforça soldam-se, impedin<strong>do</strong> a abertura<strong>do</strong> circuito. Isto ocorre devi<strong>do</strong>ao envelhecimento e desgaste <strong>do</strong>smesmos. A troca <strong>do</strong> contator se fazentão necessária (figura 2).Queima <strong>do</strong>s contatosCabeçote móvel intactoQueima <strong>do</strong>terminal malconecta<strong>do</strong>Erro de dimensionamentoquanto a categoria de empregoA falta de observação quantoao limite de corrente, número demanobras por hora e valores decorrente conforme a carga estabelecida,é uma grande fonte paraos mais diversos defeitos em contatosde contatores: <strong>do</strong> colamentoFigura 2 - Fim da vida útil.10Mecatrônica Atual nº10 - Junho - 2003
...SoluçõesAtualProblema com ferramenta posiciona<strong>do</strong>raJosé Ricar<strong>do</strong> da SilvaFoi solicita<strong>do</strong> ao setor de ferramentariade uma empresa, aconstrução de um dispositivo detransferência de peças obedecen<strong>do</strong>as seguintes condições, mostradasna figura 1:- Retirar a peça da esteira 1;- Colocar a peça na esteira 2;- Possibilidade de parar na posiçãointermediária;- Distância entre o centro daesteira 1 e o centro da esteira 2: 1,2m;- Peso da peça 0,820 kg.o deslocamento de uma esteira paraa outra. Como resolver isto? O sistemaem questão era comanda<strong>do</strong> porCLP e com uma simples alteração noprograma o problema foi soluciona<strong>do</strong>.Pedi mais detalhes sobre o funcionamento<strong>do</strong> dispositivo e fui informa<strong>do</strong>que, no fim <strong>do</strong> expediente, oatua<strong>do</strong>r rotativo podia ficar para<strong>do</strong>tanto na esteira 1 quanto na esteira 2.Com base nesta informação, fizemosa seguinte alteração no programa:Utilizan<strong>do</strong> um flag de inicialização(“contato” interno <strong>do</strong> CLP que é ativa<strong>do</strong>somente na primeira varredura<strong>do</strong> programa), o sistema confirmaa posição <strong>do</strong> atua<strong>do</strong>r semi-rotativoatravés <strong>do</strong>s sensores de fim-decurso.Saben<strong>do</strong> em que posição oatua<strong>do</strong>r se encontra, a válvula direcionalé acionada para confirmar aposição <strong>do</strong> atua<strong>do</strong>r, sem produzirnenhum movimento, pressurizan<strong>do</strong>assim a câmara que terá o ar deescape controla<strong>do</strong> durante o primeiromovimento. Um timer garanteo tempo necessário para que apressão de trabalho seja alcançadana câmara, antes de habilitar a partida<strong>do</strong> sistema.O problemaSempre no início <strong>do</strong> dia, o primeiromovimento <strong>do</strong> sistema erafeito com violência, sem a açãodas válvulas controla<strong>do</strong>ras de fluxo.Foram realizadas várias tentativasde ajuste na velocidade através dasválvulas controla<strong>do</strong>ras de fluxo semsucesso.A parte <strong>do</strong> circuito que apresentouproblema (representada nafigura 2), estava em perfeito esta<strong>do</strong>:um atua<strong>do</strong>r semi-rotativo com válvulascontrola<strong>do</strong>ras de fluxo queregulam a velocidade <strong>do</strong> atua<strong>do</strong>r,comanda<strong>do</strong> por uma válvula direcionalde três posições, sen<strong>do</strong> a posiçãode centro fechada para paradaintermediária, a posição com assetas paralelas deslocan<strong>do</strong> o atua<strong>do</strong>rpara esteira 1 e a posição com assetas cruzadas deslocan<strong>do</strong> o atua<strong>do</strong>rpara a esteira 2. Foram tambéminstala<strong>do</strong>s amortece<strong>do</strong>res hidráulicosnos finais de curso para absorvero impacto gera<strong>do</strong> pela inércia <strong>do</strong>movimento.A regulagem é feita por meio <strong>do</strong>estrangulamento <strong>do</strong> ar de escapedurante o movimento a ser controla<strong>do</strong>.Neste caso, depois de horascom o sistema para<strong>do</strong>, as câmarasde ar <strong>do</strong> atua<strong>do</strong>r que estavam bloqueadaspela posição central da válvuladirecional, perdiam pressão e,no dia seguinte, no primeiro movimento,não havia ar pressuriza<strong>do</strong>nas câmaras para permitir a ação daválvula controla<strong>do</strong>ra de fluxo duranteFigura 2 - Parte <strong>do</strong>circuito queapresentou problema.Figura 1 - Condições<strong>do</strong> dispositivo.Mecatrônica Atual nº10 - Junho - 2003 11
AtualReportagemEvoluçõesda EletropneumáticaFruto de um refinamento datecnologia pneumática, aeletropneumática está adequan<strong>do</strong>-seàs novas formas de comunicaçãoem chão-de-fábrica e, emcada novo produto, procura acompanharos avanços que rondam omun<strong>do</strong> da automação industrial. Deacor<strong>do</strong> com Celso Vicente, presidenteda Câmara Setorial de EquipamentosHidráulicos, Pneumáticos e de Automaçãoda Abimaq - Associação Brasileiradas Indústrias de Máquinas eEquipamentos as principais mudançasda eletropneumática acontecemmuito mais <strong>do</strong> la<strong>do</strong> da eletrônica queda pneumática propriamente dita.Ele cita como exemplo a incorporaçãoda eletropneumática às redesde comunicação digital em chão-defábrica:Profibus, DeviceNet, Interbus,Asi-Bus e outras. A partir dessa integraçãonovos campos se abriram paraa velha e conhecida pneumática, assimcomo para as próprias redes de controledigital. Para Vicente é importanteque a comunidade técnica entendaessas evoluções da tecnologia pneumáticae observe como ela tambémacompanha as evoluções da mecânicae da hidráulica. “Temos visto incorporaçãode várias funções da eletrônica”,complementa Ana Cláudia Fukushiro,responsável pela área de marketingda Festo Automação.“A comunicação eletropneumáticaem fieldbus tem mais de dez anos”,lembra Daniel Ribeiro Gonçalves,gerente da Divisão Pneumática daBosch Rexroth. Assim como Vicente,ele considera uma evolução importanteporque a pneumática acompanhatodas as tecnologias desenvolvidas noambiente fieldbus. É o caso das ferramentasde diagnóstico que possibilitamsaber o status de instrumentospneumáticos.Ainda no campo da comunicação,a eletropneumática, recentemente,também passou a se comunicar emredes de fibra ótica. Segun<strong>do</strong> DanielGonçalves, a Bosch Rexroth já possuiSérgio Vieiraprojetos nessa tecnologia que foramemprega<strong>do</strong>s na fábrica da Audi, emSão José <strong>do</strong>s Pinhais (PR).A eletropneumática é empregadano merca<strong>do</strong> tanto por usuários finaiscomo por desenvolve<strong>do</strong>res de máquinase equipamentos. De acor<strong>do</strong> comVicente, ela possui uma área deaplicação muito bem definida, nãohaven<strong>do</strong> assim, uma concorrência tãoacirrada no merca<strong>do</strong>. “Geralmente,quan<strong>do</strong> se usa a pneumática estáse buscan<strong>do</strong> um custo menor, mastambém com menor precisão nasparadas. Já a hidráulica tem customais alto, mas possui maior forçamotriz e melhor precisão”, diz Vicente,que também é gerente de marketingda Divisão Automation da Parker Hannifin..Apesar de to<strong>do</strong> o refinamento decontrole presente em sistemas digitaisou da precisão encontrada em equipamentoshidráulicos, a automaçãopneumática é, ainda hoje, indispensávelem várias partes da indústria. Elaé empregada, inclusive, em áreas críticasonde deve-se evitar ao máximoCelso Vicente: “Eletropneumática possuiárea de aplicação bemdefinida.”o uso de equipamentos elétricos. Éo caso das áreas classificadas, ouáreas de segurança intrínseca, ondeo risco de explosão deve ser próximode zero.Enquadram-se como áreas desegurança intrínseca as termelétricasa gás natural ou bagaço de cana, centrosde produção de botijões de gás,caldeiras, tanques de armazenamentode combustível, etc. A Petrobras, porexemplo, possui vários projetos deautomação de áreas classificadas enão abre mão da tecnologia pneumática.É importante lembrar que a pneumática(acionada por solenóide) oua eletropneumática (acionada porcoman<strong>do</strong> elétrico) são bastante robustase tornam-se insensíveis a vibraçõese golpes de ações mecânicas <strong>do</strong>próprio processo. Podem ser empregadasem ambientes agressivos ondehá a presença de poeira, oscilaçõesde temperatura, umidade e até submersãoem líqui<strong>do</strong>s (quan<strong>do</strong> projetadacorretamente). A pneumática trazainda vantagens quanto à facilidadede operação e manutenção de seuscomponentes.Assim como as demais tecnologias,a pneumática também traz suaslimitações. Entre elas destacam-seas altas velocidades, a difícil obtençãode velocidades uniformes e paradasintermediárias e limite de pressãomáxima de 1723,6 kPa. Basicamente,existem quatro méto<strong>do</strong>s de construçãode circuitos pneumáticos: intuitivo,minimização de contatos (seqüênciamínima), maximização de contatos(cadeia estacionária) e circuito lógico.Em um circuito, a parte pneumáticarepresenta o acionamento das partes12Mecatrônica Atual nº10 - Junho - 2003
ReportagemAtualmecânicas, enquanto o circuito elétricorepresenta a seqüência decoman<strong>do</strong>s <strong>do</strong>s componentes pneumáticospara que as partes móveisdas máquinas ou equipamentos apresentemos movimentos finais deseja<strong>do</strong>s.EM SINTONIA COM O FUTUROJá não é de hoje que o mun<strong>do</strong>caminha para a eliminação de cabos,seja lá onde eles estiverem instala<strong>do</strong>s.No ambiente de chão-de-fábrica nãopoderia ser diferente. Sen<strong>do</strong> assim,é comum encontrar equipamentoscomunican<strong>do</strong>-se em uma célula atravésde cabos e envian<strong>do</strong> da<strong>do</strong>s parasalas de controle pelo sistema wireless.Só para citar um exemplo, estarealidade já é presente em vários projetosdas empresas de saneamento,onde, as estações elevatórias comunicam-secom os centros de operaçõesvia wireless.Com a eletropneumáutica nãopoderia ser diferente e os primeirosequipamentos com envio de sinal emwireless já começam a aparecer nomerca<strong>do</strong>. Diferentemente <strong>do</strong>s CLPse das IHMs, que incorporaram o protocolo802.11, a eletropneumáuticavai aparecer no merca<strong>do</strong> de automaçãocomunican<strong>do</strong>-se através <strong>do</strong>protocolo Bluetooth, padrão de curtoalcance e baixo custo. Com essatecnologia, os usuários industriaisde eletropneumática poderão criarredes com até oito dispositivos interliga<strong>do</strong>s,sen<strong>do</strong> um deles o mestre eos outros os escravos. Geralmente,nas aplicações com Bluetooth váriasredes independentes e não sincronizadaspodem se sobrepor ou existirna mesma área. Um sistema dispersochama<strong>do</strong> scatternet é responsávelpela reunião de váriasredes sobrepostas onde um grandenúmero de dispositivos podem secomunicar.No que diz respeito a colisões deda<strong>do</strong>s, a eletropneumáutica deverásair beneficiada por comunicar-se natecnologia Bluetooth. É que cadacanal desse protocolo está associa<strong>do</strong>a uma espécie de “sub-rede” e éidentifica<strong>do</strong> pela seqüência de freqüênciase pelo relógio <strong>do</strong> dispositivomestre. Como esse dispositivo éresponsável pelo controle de tráfego,são permitidas apenas comunicaçõesponto-a-ponto entre mestre e escravo,ou ponto a multiponto também nomo<strong>do</strong> mestre/escravo.Mas, apesar da novidade interessante,os usuários deverão esperarpelo menos uns três anos para ver aArquitetura Bluetooth.cativas aconteceu quan<strong>do</strong> as válvulaspassaram a ser montadas emtrilho Din adequan<strong>do</strong>-se ao padrãode montagem encontra<strong>do</strong> na indústria.“Cada vez mais, os produtosestão caminhan<strong>do</strong> para uma modularidade”,diz a gerente de marketingda Festo.“Geralmente, quan<strong>do</strong> se usa a pneumática estáse buscan<strong>do</strong> um custo menor, mas também commenor precisão nas paradas. Já a hidráulica temcusto mais alto, mas possui maior força motriz emelhor precisão”tecnologia empregada a to<strong>do</strong> vapor. “Acurto prazo, a tecnologia wireless empneumática não deverá vingar”, completaDaniel Gonçalves, lembran<strong>do</strong>que a Bosch Rexroth possui váriaspesquisas nessa área, principalmente,no que diz respeito à confiabilidadede da<strong>do</strong>s. A Festo Automação informouque não possui conhecimentossobre a aplicação de rede wireless emeletropneumática, mas que na matrizalemã deve haver pesquisas sobre oassunto.Embora aconteça de forma maistímida que a elétrica, a parte físicada pneumática também passa pormudanças. Uma das mais signifi-A parte física da pneumáticatambém passou a contar com novoscomponentes de vedação, o quepermitiu aumentar a vida útil deválvulas bidirecionais. Lançadas noBrasil, há dez anos, as placas cerâmicasaparecem como alternativaaos carretéis de aço e plástico. Sãoconsideradas menos suscetíveis aambientes agressivos e encontramgrande aplicação nas indústrias dealumínio, papel e celulose e siderurgia.As válvulas com isolaçãocerâmica são mais caras que asconvencionais e, talvez por essemotivo, são pouco conhecidas noBrasil.A válvula proporcional de pressãoé outro exemplo <strong>do</strong> avanço na partefísica da pneumática. Através de umsinal entre 0 e 10 volts, é possívelobter uma pressão proporcional aosinal envia<strong>do</strong>. Hoje, em geral, o usuárioemprega as válvulas on/off quepermitem deixar um circuito pneumáticocom ou sem pressão. A novidadepode fazer com que a tecnologiapneumática ganhe mais espaço nasindústrias de processo, desde queseja associada a equipamentos mecânicos.Para Ana Cláudia, da Festo, cadavez mais, os usuários de eletropneumáuticadevem ter produtos comtecnologia acoplada (cilindro e válvula),o que pode representar umagrande redução de espaço e custoscom manutenção. A tendência beneficia,principalmente, os fabricantesde máquinas e equipamentos quesempre estão objetivan<strong>do</strong> reduzir otamanho de seus produtos.Mecatrônica Atual nº10 - Junho - 2003 13
ManutençãoAtualdanosas ao funcionamento <strong>do</strong> servomotor.Porém, nada como colocá-loem funcionamento para efetivamentetestar suas reais condições. Este testerequer alguns cuida<strong>do</strong>s.Lembre-se: os servomotores possuemuma relação de fluxo eletromagnético(tensão/freqüência) diferente dafornecida pela rede convencional dealimentação trifásica das concessionáriasde energia elétrica, graças asua bobinagem especialmente confeccionadapara proporcionar maiordinâmica ao sistema.Portanto, nada de alimentar o servomotordiretamente à rede trifásica,ele poderá queimar-se. Mas, e se naplaqueta de identificação <strong>do</strong> servomotorestiver marcan<strong>do</strong> 220V trifásico dealimentação? A relação de fluxo eletromagnéticoda rede de alimentaçãoé a seguinte:∅ = V = 220 = 3,67ƒ 60A relação de fluxo eletromagnéticofornecida ao servomotor pelo servoconversoré totalmente diferente e nãolinear. Isto ocorre para possibilitar aextrema dinâmica e torque a que estásujeito o servomotor. Então, deve-sefazer os testes através de um servoconversorapropria<strong>do</strong>.3. Como avaliar se a intensidadede campo magnético <strong>do</strong>s ímãs <strong>do</strong>estator está adequada ou não?Esta avaliação necessita de equipamentoespecífico, o que não épossível na maioria <strong>do</strong>s casos. Os servomotoresnovos, ainda na linha deprodução, passam por um teste numequipamento chama<strong>do</strong> de freio eletromagnéticoou dinamômetro, e neleé verifica<strong>do</strong> seu torque nominal comseu rotor bloquea<strong>do</strong>.Nos casos tradicionais (a maioriadeles) onde não se dispõe de instrumentosespecíficos para medição,e justamente onde queremos chegar,também se pode estimar, de formasimples, a intensidade de campo magnético<strong>do</strong>s ímãs. Avaliar esta intensidaderequer um pouco de habilidadee experiência, mas nada fora <strong>do</strong>comum.O procedimento para a avaliação éo seguinte:1. Desenergize o servomotor;2. Com o motor completamentemonta<strong>do</strong> (estator + rotor), deixe o servomotorbem fixo na bancada;3. Segure a ponta de eixo <strong>do</strong> servomotore tente girá-lo em qualquersenti<strong>do</strong> (obviamente este teste valepara pequenos servomotores).Nos servomotores de pequenoporte é possível girar o eixo e sentircerta dificuldade no movimento devi<strong>do</strong>à mudança de polaridade, já nos servomotoresde grande porte, este movimentonão é possível devi<strong>do</strong> à altaintensidade de campo magnético.Em qualquer outra circunstânciaonde houver certa facilidade no girar<strong>do</strong> eixo, significa que este rotor estácom campo magnético deficiente e,portanto, com algum problema. Vejana figura 2 um servomotor em corte.4. Quan<strong>do</strong> a fita envolvente <strong>do</strong>símãs está com alguma parte queroçou na carcaça, o que pode implicarno seu funcionamento?Este desgaste da fita pode identificarum possível problema mecânico noequipamento (rolamento danifica<strong>do</strong>,desalinhamento, tampa deslocada,eixo empena<strong>do</strong>, etc...). Soluciona<strong>do</strong>o problema, deve-se verificar visualmentese na região onde havia o desgasteda fita envolvente, há algumdano nos ímãs (deslocamento, trinca,etc...). Qualquer destas situações condenao rotor.Descolamento de ímã <strong>do</strong> rotorpode significar que o servomotorsofreu um sobre-aquecimento oualgum impacto <strong>do</strong> rotor com o estator.Não é aconselhável tentar colaro ímã novamente, pois, este é umprocesso automático e o processomanual pode gerar outros danos aoF.2 Servomotor em corte.servomotor. É aconselhável encaminharo equipamento para pessoalespecializa<strong>do</strong>.5. Umidade constante no servomotor:o que pode ocasionar naspeças?Basicamente, oxidação nas partesmetálicas, degradação na fita que recobreos ímãs <strong>do</strong> rotor e deterioração <strong>do</strong>verniz isolante <strong>do</strong> estator, levan<strong>do</strong> àredução da vida útil <strong>do</strong> servomotor.Nos casos onde houver a necessidadede utilizar o servomotor em condiçõesde extrema umidade, deve-seespecificar o equipamento com graude proteção IP65 (próprio para estassituações).6. Em quais aplicações, é recomendávelo uso de servomotorescom grau de proteção IP65?Normalmente, máquinas-ferramentae operatrizes, ou seja, de usinagemem geral, utilizam servomotores paradeslocamento de eixos, mesas e fusos.Os processos de usinagem exigemdinâmica e precisão (posição e rotação),mas também necessitam de flui<strong>do</strong>srefrigerantes em suas ferramentasde corte. Este flui<strong>do</strong> vaporiza-se emdeterminadas situações da usinagemfazen<strong>do</strong> com que o ambiente de trabalho<strong>do</strong> servomotor se torne agressivoem termos de umidade.Empresas <strong>do</strong> ramo alimentício ede bebidas também têm um alto índicede umidade, nestes casos também éaconselha<strong>do</strong> a utilização de grau deproteção IP65 ou maior.7. Para que serve o “resolver”?O resolver é um gera<strong>do</strong>r de sinaisanalógicos (figura 3) que forneceMecatrônica Atual nº10 - Junho - 2003 15
AtualManutençãoF.3Sinal analógico gera<strong>do</strong> pelo resolver.ao servoconversor a condição de avaliara velocidade e o posicionamento<strong>do</strong> servomotor. Seu funcionamento ésimilar ao encoder digital, com a vantagemde resistir melhor às vibrações,alta temperatura e umidade.8. “Resolver” - quais os defeitosmais comuns? O que pode provocarum destes defeitos?O “Resolver” é um <strong>do</strong>s gera<strong>do</strong>resde sinais mais resistentes, tanto emsua mecânica, quanto em sua estruturaelétrica. Normalmente, os defeitosmais comuns são oriun<strong>do</strong>s de problemasna ligação entre o servomotor eo servoconversor:- Inversão <strong>do</strong>s canais de sinal(A+B);- Cabo de sinal inadequa<strong>do</strong> (impedânciamuito alta);- Deslocamento <strong>do</strong> ponto zero <strong>do</strong>resolver: este acontece quan<strong>do</strong> pessoalnão habilita<strong>do</strong> retira o resolver nadesmontagem <strong>do</strong> servomotor (nuncaretire o resolver!).9. Como medir a resistência <strong>do</strong>servomotor?O servomotor tem alimentação trifásica(fornecida pelo servoconversor)e pelo princípio de funcionamento demotores trifásicos (quaisquer) há anecessidade de um balanceamentoentre suas fases. Este balanceamentofaz com que o valor de resistênciaentre as bobinas <strong>do</strong> servomotorpossua valores de resistência bempróximos entre si. A medição é realizadasempre entre duas fases e atravésde um ohmímetro.10. Como identificar a ligação<strong>do</strong> motor quan<strong>do</strong> há perda da placade bornes ou danos?ção de um servomotor similar e, apósas ligações, conectá-lo ao servoconversorpara ver se não gera falha.Normalmente, o servomotor possuiapenas três terminais de ligação (U,V,W), portanto, o problema reside naligação entre servomotor e servoconversor,o ideal é manter a relação U-U,V-V e W-W, para manter a seqüênciade fases correta.11. Qual temperatura ideal detrabalho para o servomotor?A temperatura ambiente ideal éde 40 C. Porém, os servomotoressíncronos não têm grandes problemascom temperatura e, portanto,não necessitam de ventilação paraauxiliar na refrigeração. Para temperaturasacima de 40 C é possível trabalharutilizan<strong>do</strong> potência reduzida.Observe na figura 4 o gráfico Potênciax Temperatura.A ventilação forçada em servomotoresserve para poder retirar maistorque <strong>do</strong> que o nominal de plaqueta.Portanto, numa situação de manutençãoonde a substituição <strong>do</strong> servomotorse faz necessária, é imprescindívela substituição <strong>do</strong> servomotor por outrocom as mesmas características ou,em certos casos, a solicitação de pessoalespecializa<strong>do</strong> para avaliar a aplicaçãoe redimensionar o sistema.12. A altitude influencia no comportamento<strong>do</strong> servomotor?Da mesma forma que no motorassíncrono trifásico convencional, ocomportamento <strong>do</strong> servomotor acimade 1000 metros <strong>do</strong> nível <strong>do</strong> mar sofrealterações. Quanto mais alto, menoré a quantidade de oxigênio presentena atmosfera (mais rarefeito fica o ar).Assim, o servomotor deve trabalharcom potência reduzida e limitada aoperar a no máximo 4000 metros dealtitude (veja figura 5).F.5 Gráfico Potência x Altura.CONCLUSÃOAs respostas aqui apresentadaspara estas perguntas, comcerteza, não resolvem 100% <strong>do</strong>scasos encontra<strong>do</strong>s no campo,porém, servem de procedimentosa serem segui<strong>do</strong>s paraeliminar possíveis causas de futurosproblemas. Estas respostasforam elaboradas em conjuntocom experientes especialistasde Engenharia, Manutenção eAssistência Técnica que vivenciamsituações como estas diariamente.•O ideal (e também mais rápi<strong>do</strong>) éatravés da comparação com a liga-F.4Gráfico Potência x Temperatura.*Augusto Ottoboni é consultor técnico plenoda SEW Eurodrive.16Mecatrônica Atual nº10 - Junho - 2003
DispositivosDesmitifican<strong>do</strong>a visão artificial nasaplicações industriaisRonei Rossetti*Gilberto Jana**AtualComo entender visão artificial sem compará-la com a visão real?Imagine a visualização de um objeto através de uma câmera e queseja possível armazenar a imagem capturada por ela. Se pudermosinteragir com essa imagem que é, na verdade, um retrato fiel <strong>do</strong> objeto,fazen<strong>do</strong> verificações de conformidade de forma extremamente veloz,entenderemos melhor o que vem a ser a visão artificial: um supersensor.As aplicações industriaispara a visão artificialvieram com os equipame n t o s denomina<strong>do</strong>s sistemasde visão ou verifica<strong>do</strong>res de imagem.Esses equipamentos permitem a verificaçãoda imagem de um produtocomparan<strong>do</strong>-a com um padrão eobten<strong>do</strong> uma resposta “sim” ou “não”.Como toda tecnologia nova, as primeirassoluções com sistemas de visãoeram grandes, caras e difíceis de programar.Só eram utilizadas em situaçõesonde nenhum outro recurso tinhaa mínima possibilidade de dar certo.Um conjunto básico para um sistemade visão consiste apenas deuma câmera e um controla<strong>do</strong>r (vejafigura 1), dispensan<strong>do</strong>, em muitoscasos, até mesmo o computa<strong>do</strong>r e omonitor (o controla<strong>do</strong>r pode ser monta<strong>do</strong>dentro <strong>do</strong> painel da máquina).Embora haja vários tipos de câmeras,as mais usadas são <strong>do</strong> tipo CCD(Charged Coupled Devices), normalmentenum substrato de silício, queconsiste basicamente de um sensorque converte sinais luminosos em elétricos.O sensor CCD é distribuí<strong>do</strong>como uma matriz, sen<strong>do</strong> que cadaparte é chamada pixel.Observan<strong>do</strong> a figura 2, vamossupor que a pastilha seja empregadanuma câmera com possibilidade devisualizar apenas tons de cinza (sis-temas colori<strong>do</strong>s requerem interpretaçãomais complicada). Suponhamostambém que cada pixel tenha umaresolução de 8 bits, ou seja, cada umdeles possa diferenciar até 256 tonsde cinza. Teremos então uma quantidadetotal de pixels a serem analisadasde 22 x 22 = 484, vezes 8 bitspor pixel, dan<strong>do</strong> no total 3872 bits deinformação a ser armazenada no controla<strong>do</strong>rou computa<strong>do</strong>r, dependen<strong>do</strong><strong>do</strong> sistema usa<strong>do</strong>.Embora não exista regra geral, osvários tipos de câmera aplica<strong>do</strong>s emsistemas de visão possuem um sensorCCD com uma quantidade de pelomenos 480 colunas por 480 linhas.Usan<strong>do</strong> o exemplo cita<strong>do</strong> percebe-seque a quantidade de informação a serarmazenada é extremamente grande,o que exige <strong>do</strong> controla<strong>do</strong>r altíssimavelocidade de processamento, sen<strong>do</strong>esse um <strong>do</strong>s aspectos determinantesda velocidade de resposta <strong>do</strong> sistema.As aplicações de sistemas de visão,geralmente, trabalham numa velocidadetotal (captura, armazenamento,processamento e resulta<strong>do</strong>) de 30milissegun<strong>do</strong>s (~1/30 segun<strong>do</strong>).Pode-se encontrar no merca<strong>do</strong>,sistemas de visão que utilizam umcomputa<strong>do</strong>r como controla<strong>do</strong>r, outrospossuem controla<strong>do</strong>res que podem ounão estar embuti<strong>do</strong>s numa câmera.Estes últimos possuem a vantagem deter entradas e saídas digitais incorporadas,o que elimina a necessidade deequipamentos adicionais. Nesse caso,o próprio controla<strong>do</strong>r pode comandardiretamente os outros equipamentosque fazem parte <strong>do</strong> processo. Tambémhá no merca<strong>do</strong> controla<strong>do</strong>res maisrobustos que podem controlar, simultaneamente,<strong>do</strong>is sistemas de visãoartificial, o que resulta em redução decusto.Outro aspecto importante é quantoao méto<strong>do</strong> de programação <strong>do</strong> controla<strong>do</strong>r,pois, isso pode ser um fatorcomplica<strong>do</strong>r na hora da implantaçãoF.1 Conjunto básico parauma solução com sistemade visão.Mecatrônica Atual nº10 - Junho - 2003 17
AtualDispositivosta<strong>do</strong> no local da aplicação. Esse trabalhodeve ser desenvolvi<strong>do</strong> em conjuntocom o fornece<strong>do</strong>r, visto que sua implantaçãorequer tempo e recursos, e umainformação incompleta poderá comprometertoda a eficácia da aplicação.F.2 Exemplo de um sensor CCD 22x22.<strong>do</strong> sistema. Alguns equipamentos permitema desconexão de periféricosapós a alteração no programa. Entretanto,alguns sistemas requerem oauxílio de um computa<strong>do</strong>r auxiliarconecta<strong>do</strong>.Durante a escolha <strong>do</strong> equipamentodeve ser observada ainda a facilidadena alteração de parâmetros, quantidadede programas residentes e quantidadede características possíveis deserem avaliadas em cada programa.Como a quantidade de informaçãoa ser processada é muito grande,devem existir recursos que permitamuma otimização <strong>do</strong> controla<strong>do</strong>r durantea captura da imagem. Um exemploé mostra<strong>do</strong> na figura 3 onde o interesseé apenas analisar o contorno dapeça. Nesse caso, o controla<strong>do</strong>r podedetectar bordas ou fronteiras, desprezan<strong>do</strong>outras características comoárea, posição, baricentro, etc.F.3 Análise <strong>do</strong> contorno de uma peça.técnica e econômica da aplicação.Algumas vezes, o custo da iluminaçãochega a superar o custo <strong>do</strong> próprioequipamento de verificação daimagem. Existem alguns equipamentosde verificação de imagem quepropõem correções <strong>do</strong>s problemasdecorrentes de má iluminação atravésde algoritmos, porém, isso sóé verdade em casos muito específicos,não sen<strong>do</strong> regra geral, nem algomilagroso, que permita a estabilidadedesejada.Com base em tu<strong>do</strong> o que foi expostoaté aqui, fica claro que este tipo deequipamento precisa não só ser criteriosamenteescolhi<strong>do</strong>, como tambémensaia<strong>do</strong> em laboratório e, depois, ajus-APLICAÇÕESDevi<strong>do</strong> à grande redução de custoque os equipamentos para inspeçãovisual sofreram nos últimos tempos, onúmero de aplicações tem aumenta<strong>do</strong>substancialmente. O emprego temocorri<strong>do</strong>, principalmente, em situaçõesonde o ser humano se cansa rapidamentede tarefas repetitivas Exemplo:observar se o rótulo de uma embalagemestá bem posiciona<strong>do</strong>; presençade objeto estranho no interior de umvasilhame, data de validade de produtos(reconhecimento de caracteres).Esse tipo de inspeção vem sen<strong>do</strong>feito tanto em processos contínuoscomo aplicações tipo “pick and place”,onde o resulta<strong>do</strong> da posição de umapeça obti<strong>do</strong> pelo sistema de visão épassa<strong>do</strong> para o manipula<strong>do</strong>r que vaiaté o local exato para pegá-la.As possibilidades de aplicação sãomuitas e os equipamentos estão cadavez mais sofistica<strong>do</strong>s. Aplican<strong>do</strong>-seesta tecnologia é possível obter processosde fabricação de produtos commuito mais qualidade.A ILUMINAÇÃOComo o sistema de visão é muitorápi<strong>do</strong> e a captura da imagem a seranalisada é feita por uma câmera, oambiente, mais especificamente, a iluminação,é de suma importância. Sombrase outras interferências podemcomprometer a repetibilidade das análisese tornar o sistema instável. Ailuminação deve ser criteriosamenteanalisada em ensaios laboratoriaisantes de qualquer possibilidade deespecificação <strong>do</strong> conjunto. Veja, nafigura 4, alguns exemplos de iluminaçõesutilizadas com sistemas devisão.Representan<strong>do</strong> a parte mais complicada<strong>do</strong> sistema, a iluminação pode,por si só, determinar a viabilidadeF.4 Iluminações para sistema de visão*Gilberto Abrão Jana Filho é gerente deengenharia da Metaltex.*Ronei Rossetti é engenheiro de aplicaçõesda Metaltex.18Mecatrônica Atual nº10 - Junho - 2003
AtualAutomaçãoNotíciasComparação desistemas com motores de passoe servomotores Jeff Kordik*Os sistemas com motores de passo e servomotores são usa<strong>do</strong>sigualmente em aplicações de controle de movimento de alta performancee alta precisão. Essas aplicações incluem a automação industrial,equipamentos semicondutores, biotecnologia, jogos e muitosoutros usos. O merca<strong>do</strong> total para tais dispositivos supera US$ 1bilhão por ano.Com motores de passo eservos competin<strong>do</strong> nas aplicações,como pode o consumi<strong>do</strong>rdecidir qual é o melhor? Amaioria já deve ter ouvi<strong>do</strong> que motoresde passo “são mais econômicos”e que os servos “são mais rápi<strong>do</strong>s”.Para fazer uma escolha inteligente,devemos analisar o problema maisprofundamente. Este artigo examinaos destaques, pontos fortes e fracos<strong>do</strong>s sistemas com servos e motoresde passo. Nós também comparamos,em detalhes, um sistema real de cadatipo e avaliamos sua conveniênciapara uma aplicação.sistin<strong>do</strong> em um servomotor A100 e umdrive programável BLU100-Si. Essesistema 2 é mostra<strong>do</strong> na figura 2.O BLU100-Si inclui to<strong>do</strong>s os recursosprogramáveis <strong>do</strong> 3540i mais algunsoutros relaciona<strong>do</strong>s com servos.A tabela 1 apresenta a lista depreços <strong>do</strong>s sistemas 1 e 2, assimcomo outros sistemas que discutiremosposteriormente. O servo-drivecusta U$ 200 mais <strong>do</strong> que o drivede motor de passo e os coman<strong>do</strong>s<strong>do</strong> servomotor possuem um prêmiode U$ 399. Tipicamente, os sistemasde servo de mesma potência custammais <strong>do</strong> que os sistemas de motoresde passo.Na tabela 2 fornecemos a potênciacontínua máxima de cada sistema.O motor de passo tem suapotência de pico em 900 rpm, ondeo torque é de 0,78 N.m. A potência éo produto da velocidade pelo torque,ou seja:onde V é a velocidade em rpm e Té o torque em N.m.A potência de pico <strong>do</strong> servo é de3000 rpm, muito maior <strong>do</strong> que a <strong>do</strong>motor de passo. Isso pode ser ounão ser bom. Se a aplicação requertorque eleva<strong>do</strong> em baixa velocidade,PREÇO E PERFORMANCEPara comparação, escolhemos<strong>do</strong>is sistemas na mesma faixa depotência: 70 - 100 watts. Ambos, motoresde passo e servos, exigem elementoseletrônicos de controle, demo<strong>do</strong> que também os incluímos nacomparação. O sistema 1 usa um motorde passo HT23-400 e um driver programável3540i. O 3540i inclui umamplifica<strong>do</strong>r e um controla<strong>do</strong>r quepode ser programa<strong>do</strong> pelo usuáriopara operar sozinho ou recebercoman<strong>do</strong>s de um PC hospedeiro, PLCou outro tipo de computa<strong>do</strong>r. Esse driverpode ser liga<strong>do</strong> em rede paraaplicações multi-eixo usan<strong>do</strong> RS-485ou ainda um Hub SiNET MotionControl Network. O sistema de motoresde passo é mostra<strong>do</strong> na figura1. Para comparação escolhemosum sistema de servo de 100 W con-HT23-400HT23-397F.1 Motores de passo e drive de 140 W.HT23-39420Mecatrônica Atual nº10 - Junho - 2003
NotíciasAutomaçãoAtualA800A400A100então o servo vai exigir o uso dereduções para “adequar a velocidadepara o torque”. Os servos, geralmente,têm menor torque que osmotores de passo de mesma potência,mas podem rodar mais rapidamente.A figura 3 ilustra um gráfico <strong>do</strong>torque versus a velocidade para omotor de passo HT23-400 e o servomotorA100. Também incluímos umservo maior, o A200, para uma finalidadeque ficará clara brevemente.Vamos considerar uma aplicaçãoprática. Se o sistema roda a 300 rpm,então o motor de passo leva uma vantagemclara. Em 300 rpm, o HT23-400tem um torque de 0,99 N.m. O servoA100 tem apenas 0,32 N.m. O únicomo<strong>do</strong> de fazer com que o servo consigater maior torque é acrescentaruma redução de 3:1 como no sistema3. Isso aumenta a saída de 300rpm <strong>do</strong> A100 em 3x. Com isso, oA100 pode produzir um torque de 0,95N.m, quase o mesmo que o motor depasso. A tabela 3 compara os valoresde torque.Mas, o sistema 3 custa US$ 1533,compara<strong>do</strong> com US$ 481 <strong>do</strong> motorde passo. Além disso, a reduçãoapenas faz o preço <strong>do</strong> servo piorar.Além disso, se o sistema exige qualquernecessidade de alta velocidade,como uma “aceleração rápida”,o A100 com redução não podealcançá-la. O A100 está limita<strong>do</strong> a3000 rpm e 5000 rpm de pico. ComF.2 Servomotores e driver de 100 W.A30T.1 Preço <strong>do</strong>s componentes e sistemas.T.2 Comparação de potência.F.3 Torque versus velocidade para 3 sistemas.uma redução de 3:1 da caixa de redução,a velocidade de saída na cargaestá limitada a 1000 rpm contínuos e1666 rpm de pico.Outra solução para o problema <strong>do</strong>torque em baixa velocidade é empregarum servomotor maior como oA200. Este deve requerer tambémum drive maior, o BLU200-Si (vejatabela 1 para o preço e figura 4para a foto <strong>do</strong> drive). Mesmo comum drive mais caro, o sistema 4,na verdade, custa menos que o sistema3 - o que usa a cabeça deredução.Como visto na tabela 3, o torquede saída <strong>do</strong> A200 é de apenas 0,64N.m, o que pode ser suficiente. Motoresde passo podem ser opera<strong>do</strong>s comum aumento da margem de torqueem comparação aos servos porqueeles podem apresentar uma reduçãode torque devi<strong>do</strong> à ressonância. Ummotor de passo de 0,99 N.m pode nãoMecatrônica Atual nº10 - Junho - 2003 21
AtualAutomaçãoNotíciasrpm proporcionan<strong>do</strong> torque total nestecaso.Começamos a formular alguns limitespara ao quais cada tipo de motordeve ser aplica<strong>do</strong>. Em 300 rpm o sistemade motor de passo tem torquesuperior e melhor preço. Em 3000 rpmo sistema de servo <strong>do</strong>mina, apesar <strong>do</strong>preço maior. Em 1800 rpm, o motor depasso tem maior torque para o preço,mas outros fatores jogam em favor <strong>do</strong>servo. Vejamos esses fatores.T.3 Comparação de torque.operar provavelmente em 0,64 N.m, oque significa que o A200 deve ganhara competição.E se a aplicação exigir uma operaçãoem 1800 rpm? Analisan<strong>do</strong> ográfico da figura 3, podemos ver queo torque <strong>do</strong> HT23-400 em 1800 rpmé de 0,35 N.m. O A100 só pode conseguirisso com uma cabeça de redução.Mas, obter o mesmo torque pormais dinheiro não é o que a maioria<strong>do</strong>s usuários pretende. O sistemaA200 proporciona 2x o torque para2,6 x o custo, e isso não é bom,a não ser que outros fatores sejamconsidera<strong>do</strong>s. Vamos analisar essesfatores.Se a aplicação requer 3000 rpm,então os servos devem <strong>do</strong>minar.Toman<strong>do</strong> um motor de passo pararodar em 3000 rpm é difícil e arrisca<strong>do</strong>.Os servos rodam bem em 3000F.4 200 Watt Servo Drive.ACELERAÇÃOPara processos de alta velocidade,não importa tanto o torqueou a velocidade, mas sim o tempo<strong>do</strong> ciclo. Para produzir muitas peçasrapidamente, devemos ter o movimentomais rápi<strong>do</strong> ponto a ponto. Issodepende da aceleração. Os movimentosrápi<strong>do</strong>s são freqüentemente 50%de aceleração e 50% de desaceleração,e apenas uma pequena parcelade tempo em velocidade constante.Esses movimentos são denomina<strong>do</strong>s“triangulares” porque o gráfico velocidadex tempo se assemelha a um triângulo.Se pudermos aumentar a taxa deaceleração de um movimento triangular,o tempo de movimento diminuirásignificativamente. A aceleraçãoé determinada pelo torque <strong>do</strong> motordividi<strong>do</strong> pela inércia. Quan<strong>do</strong> a inérciaé dada em g.cm 2 e o torque emT.4 Comparan<strong>do</strong> torque, inércia e aceleração.22Mecatrônica Atual nº10 - Junho - 2003
NotíciasAutomaçãoAtualN.m, podemos calcular a aceleraçãoem rpm/s da seguinte forma:Quan<strong>do</strong> se calcula a taxa de aceleração,inércia e torque devem ser leva<strong>do</strong>sem conta, e os servos têm umainércia muito menor <strong>do</strong> que os motoresde passo. Considere uma aplicaçãoonde a inércia de carga é 400g.cm 2 . O motor HT23-400 tem umainércia de 480 g.cm 2 , dan<strong>do</strong> um totalde 880 g.cm 2 . A aceleração máximaaté 300 rpm, para o motor de passoé:e para o servomotor na mesmarotação:Podemos alcançar 300 rpm emaproximadamente 0,003 segun<strong>do</strong>s.Se a velocidade visada é 1800 rpm,então estamos limita<strong>do</strong>s a 0,35 N.m,e então a taxa de aceleração torna-se37,983 rpm/s. O sistema 2 de servoA100 tem apenas 42 g.cm 2 de inércia,de mo<strong>do</strong> que ele não precisa demuito torque para acelerar uma cargaleve. Então, a taxa de aceleração <strong>do</strong>servo é baseada no torque disponível(0,32 N.m) e na inércia total de442 g.cm 2 . O servo alcança 300 rpmem 0,003 segun<strong>do</strong>s, muito próximo<strong>do</strong> motor de passo, e alcança 1800rpm em aproximadamente metade <strong>do</strong>tempo <strong>do</strong> motor de passo. A aceleração<strong>do</strong> motor de passo até 1800 rpmserá:Enquanto que a aceleração <strong>do</strong>servo até 1800 rpm será:A tabela 4 mostra a relaçãotempo e velocidade para os quatrosistemas com uma carga de 400g.cm 2 . Estes números são apenaspara comparação. Num sistema realnão é desejável que estes valoresde aceleração sejam encontra<strong>do</strong>s,porque assumem que to<strong>do</strong> o torqueé aplica<strong>do</strong> na aceleração. Num sistemareal, algum torque é usa<strong>do</strong>para vencer o atrito. Além disso, vocêdeve deixar uma certa margem detorque.E o que acontece se a carga formaior? Fizemos alguns cálculos comuma carga de 2000 g.cm 2 . Agora osistema é <strong>do</strong>mina<strong>do</strong> pela inércia dacarga, e então os servos perdem asua vantagem de “torque para inércia”,como pode ser visto na tabela 5.DESTAQUES E COMPLEXIDADEAinda em relação ao assunto dainércia da carga, é um bom momentopara discutir alguns destaques especiais<strong>do</strong>s servos. Os servos são,por natureza, <strong>do</strong> tipo “closed loop”.O motor e/ou a carga devem estarconecta<strong>do</strong>s para fornecer uma realimentaçãoprecisa. Usualmente, isso éfeito por um encoder óptico ou resolver.Esse dispositivo de realimentaçãoinforma ao controla<strong>do</strong>r onde o motore a carga estão durante to<strong>do</strong> o tempo.Eles também proporcionam informaçõessobre a velocidade. Os sistemasde motor de passo também podemempregar um encoder para realimentação,mas não da mesma forma.T.5 Aceleran<strong>do</strong> uma carga maior.Mecatrônica Atual nº10 - Junho - 2003 23
AtualAutomaçãoNotíciasDe fato, o 3540i pode utilizar um encodercomo opção. Sistemas baratos demotores de passo basea<strong>do</strong>s em encodernão são usualmente “servos”,mas pode-se verificar que o motornão se paralisa ou sofre interferênciasna posição desejada por uma forçaexterna.Os sistemas de servo ajustamconstantemente os sinais decoman<strong>do</strong> basea<strong>do</strong>s em realimentação<strong>do</strong> motor. Isso permite aos servossuperarem distúrbios inespera<strong>do</strong>s eserem automaticamente compensa<strong>do</strong>scontra ressonância. Eles são eficientes,usan<strong>do</strong> apenas a energiaque a carga precisa para ser movida.E são também, geralmente, silenciososdada a distância entre a ressonânciae o uso eficiente da potência.Mas os servos precisam ser ajusta<strong>do</strong>spara o loop de controle eas condições de carga. Um sistematípico de servo usa um loop de posiçãoPID (Proporcional, Integral, Derivativo).Além disso, existem muitosparâmetros de realimentação e excitaçãoque têm de ser usa<strong>do</strong>s noscálculos. Os sistemas de motoresde passo são populares não apenaspelo baixo custo, mas também porque eles são simples de entender eempregar.Existem limites para to<strong>do</strong>s os sistemasde controle de servos. Um delesé a relação de inércia. Tradicionalmente,os fabricantes <strong>do</strong>s drives deservos recomendam um limite de 10:1para a relação carga inércia <strong>do</strong> motor.Muitos drives modernos podem manusearmaiores relações, especialmentecom comutação senoidal e recursosde feed forward. Mas os limites aindase aplicam. O sistema 2 com umacarga de 2000 g.cm 2 deve ter umcasamento de inércia de 2000/41 = 47ou 47,6:1. Isso pode afetar a estabilidade.A adição de caixas de reduçãoajuda consideravelmente, porque ainércia da carga, quan<strong>do</strong> “refletida”para o motor através das engrenagensé proporcional ao quadra<strong>do</strong> da taxade redução. Uma caixa de redução de3:1 reduz a velocidade <strong>do</strong> motor em3x, e reduz a inércia refletida em 9x.Assim, o sistema 2 de motor A100,vê uma inércia de carga de 2000/9 =222 g.cm 2 . A relação deve ser 222/42= 5,3:1, o que é excelente.O motor A200 tem um tamanhomaior <strong>do</strong> que o A100 assim, sua inérciatambém é maior. A relação de inércia<strong>do</strong> A200 com uma carga de 200g.cm 2 é de 2000/200 = 10:1.Servos têm ainda vantagens adicionaisem relação aos motores depasso devi<strong>do</strong> a sua natureza de“closed loop”. Por exemplo, a correntepode ser monitorada como umamedida da carga. Se o sistema sofrercarga, o atrito e a corrente aumentam.Um sistema de servo pode detectarisso e alertar o opera<strong>do</strong>r de manutenção.A velocidade instantânea e errosde posição também podem ser informa<strong>do</strong>s.Além disso, um servomotorpode ser “desliga<strong>do</strong>” enquanto o encoderpermanece liga<strong>do</strong>. Dessa forma,se o opera<strong>do</strong>r movimentar a carga,o drive ainda continua saben<strong>do</strong> ondeela se encontra.Os servos podem ser opera<strong>do</strong>s nomo<strong>do</strong> de torque, o que é útil em aplicaçõestais como a vedação de garrafas,colocação de parafusos e tensionamentode fios. Os motores não podemmanusear aplicações onde se necessitade torque constante.Os servos podem ser sobre-excita<strong>do</strong>sde mo<strong>do</strong> a aumentar o torque.Eles podem suportar tipicamente correntesaté 3 vezes maiores que acorrente nominal de mo<strong>do</strong> a ajudara vencer variações inesperadas decarga ou para se obter uma aceleraçãorápida.POSICIONAMENTO FINODevi<strong>do</strong> ao fato de que eles empregamrealimentação e loops sofistica<strong>do</strong>sde controle, os servos bemajusta<strong>do</strong>s operam de uma forma maisfina <strong>do</strong> que os motores de passo. Elespossuem menor variação de torque emenor variação de velocidade. Paracomparação, programamos o sistema1 e o sistema 2 para operação em trêsvelocidades diferentes: muito baixa(10 rpm), baixa (300 rpm) e rápida(1800 rpm). Medimos as variações develocidade usan<strong>do</strong> um tacômetro analógicode precisão e um osciloscópiodigital. O resulta<strong>do</strong> <strong>do</strong>s testes aparecena tabela 6. O servo teve umaperformance muito melhor <strong>do</strong> que omotor de passo nas baixas velocidades,especialmente nas muito baixascomo 10 rpm. É importante ter oservo apropriadamente ajusta<strong>do</strong> ouum aumento <strong>do</strong> ripple de velocidadepode ocorrer.PRECISÃODa<strong>do</strong> que o servomotor possuium dispositivo de realimentação comoT.6 Ripple de Velocidade.F.5Precisão de posicionamento de um sistema com motor de passo.24Mecatrônica Atual nº10 - Junho - 2003
NotíciasAutomaçãoAtualum encoder, deve-se esperar que eletenha um posicionamento mais preciso.Se apropriadamente ajusta<strong>do</strong>,ele pode ficar numa faixa de ±1 dacontagem <strong>do</strong> encoder na posiçãocomandada. Porém, um ajuste pobrepode levar a uma “oscilação” ondeo motor se move, forçan<strong>do</strong> o encodera uma contagem onde ele deveriaestar para<strong>do</strong>.Os sistemas de motor de passosão normalmente open loop, o quesignifica que eles aplicam correnteaos enrolamentos <strong>do</strong> motor e esperamque as leis da Física façam oresto. Previsões sobre as características<strong>do</strong> motor são feitas, especialmentetorque x deslocamento,quan<strong>do</strong> o driver <strong>do</strong> motor é projeta<strong>do</strong>.Mas, os motores variam sensivelmentede um modelo para outro,devi<strong>do</strong> às diferenças entre as geometrias<strong>do</strong> circuito magnético (forma<strong>do</strong> dente, força <strong>do</strong> ímã, air gap, porexemplo). Os drivers standard comoo 3540i são vendi<strong>do</strong>s para diferentesconsumi<strong>do</strong>res e podem ser usa<strong>do</strong>scom motores diferentes. Isso significaque o projetista deve calcularas tabelas de passo para um motor“médio”, o que pode afetar a agudezae a precisão de funcionamento.Para poder desenhar uma curvacomparativa, programamos os sistemas1 e 2 para passos vagarososquan<strong>do</strong> acopla<strong>do</strong>s a um encoderóptico de alta resolução.As leituras <strong>do</strong> encoder foram comparadascom a posição ideal <strong>do</strong> motorde tal forma que o erro pode ser calcula<strong>do</strong>.Usamos a opção de encoder<strong>do</strong> 3540i para conectar um encoderde 120 000 cont/ver a um PC paracoletar os da<strong>do</strong>s.Os resulta<strong>do</strong>s estão plota<strong>do</strong>s nasfiguras 5 e 6. O sistema com motorde passo tem um padrão cilíndricoque se repete quatro vezes por cicloelétrico (200 vezes por rotação <strong>do</strong>eixo). Isso sugere que as tabelasde passo <strong>do</strong> drive podem ser ajustadaspara compensar os erros.Em situações especiais os fabricantesalgumas vezes fornecem tabelasespeciais para determina<strong>do</strong>s tipos demotor de mo<strong>do</strong> a se obter a performanceótima na aplicação.É neste ponto onde o feedback éútil. O driver “sabe” se o motor estáfora de posição e pode corrigir isso.Mas, mesmo os servos não são perfeitos.Eles podem posicionar dentrode uma margem de ±1 contagemda posição comandada se o sistemaestiver ajusta<strong>do</strong> apropriadamente. Osservomotores A100 têm um encoderde 800 contagens por revolução. Issosignifica 360/8000 = 0,<strong>04</strong>5 graus, oque quer dizer que devemos esperaruma precisão melhor <strong>do</strong> que ±0,<strong>04</strong>5.A figura 5 mostra isso. Assim, oservo tem aproximadamente metade<strong>do</strong> erro de um sistema de motor depasso em laço aberto sem compensação.Isso compensa o custo adicionalde um sistema de servo? Somente seprecisão for necessária. Por exemplo,suponha que estes motores sejamusa<strong>do</strong>s para movimentar uma carganum movimento linear acompanha<strong>do</strong>de um movimento de parafuso. Se opasso <strong>do</strong> parafuso é de 5 mm porvolta, o erro <strong>do</strong> motor de passo seráde ±10 graus, e o erro linear será:Mecatrônica Atual nº10 - Junho - 2003 25
AtualAutomaçãoNotíciasF.6 Precisão de posicionamento de um sistema com servo motor.O servo tem metade <strong>do</strong> erro,ou 700 mícrons. O usuário precisaperguntar: “quanto de erro eu preciso?”.TAMANHO E PESOO mun<strong>do</strong> está fican<strong>do</strong> menor.O hardware para controle de movimentoprecisa encolher também, demo<strong>do</strong> a caber nele. Os servos têmuma vantagem em muitas aplicaçõesporque os motores são menorese mais leves. Como podemosobservar na tabela 7, o tamanho daeletrônica <strong>do</strong>s servos difere muitopouco da eletrônica <strong>do</strong>s motores depasso. O drive BLU100-Si é maisleve que os outros porque ele usa osmais modernos e eficientes transistoresMOSFETs, que não precisamde dissipa<strong>do</strong>res de calor. Para aplicaçõesportáteis um peso menor éimportante.Na tabela 8 comparamos o tamanhoe a massa <strong>do</strong>s motores. O motorA100, que tem uma potência similarà <strong>do</strong> motor de passo, é bem maisleve: 0,5 kg versus 1,0 kg. O A100também ocupa metade <strong>do</strong> espaço,se você não precisar de uma cabeçade redução. O A200 pesa quase omesmo que o motor de passo eproduz o <strong>do</strong>bro da potência. Claramente,os servomotores são menoresque os motores de passo depotência equivalente.Deve ser nota<strong>do</strong> que os motoresde passo muito pequenos são menoresque os servos porque eles nãonecessitam de um encoder. Enquantoos motores podem ser reduzi<strong>do</strong>s paratamanhos menores e menores potências,os encoders têm limites, pois aroda de codificação eletrônica impede.Para tamanhos menores que 40 mm,o encoder torna-se uma porcentagemsignificativa <strong>do</strong> tamanho total <strong>do</strong>motor.CONCLUSÃODiscutiu-se que as vantagens primárias<strong>do</strong>s motores de passo são:- torque eleva<strong>do</strong> em baixas velocidades;- baixo custo;- simplicidade.Os servos também podem serusa<strong>do</strong>s onde o seu custo alto é justifica<strong>do</strong>por:- torque em altas velocidades;- tamanho compacto e peso reduzi<strong>do</strong>;- precisão e agudeza;- controle em laço fecha<strong>do</strong>.T.7Tamanho e peso da eletrônica <strong>do</strong> .Depois de avaliar estes aspectosdas aplicações no controle demovimento, uma decisão inteligentepode ser feita resultan<strong>do</strong> numa performancedesejada por um customínimo. Para aqueles que leram esteartigo esperan<strong>do</strong> uma clara vitória<strong>do</strong>s motores de passo em relaçãoaos servos, nós só podemos dizerque o vence<strong>do</strong>r é...você, o leitor,porque tem muitas possibilidades deescolha no merca<strong>do</strong> de controle demovimento, permitin<strong>do</strong>-lhe escolhero melhor equipamento para sua aplicação.T.8Tamanho e peso de motores.*Jeff Kordik é especialista em softwaree desenvolve<strong>do</strong>r de novos produtos daApplied Motion Industries.Tradução: Newton C. Braga26Mecatrônica Atual nº10 - Junho - 2003
Imunidade a interferênciapor radiofreqüênciaOsmar Brune*EnergiaAtual27RFI (Radio Frequency Interference) é um sério problema deEMI (Electromagnetic Interference) para equipamentos eletrônicosmodernos, que pode ser causa<strong>do</strong> por transmissores de alta potência(broadcast, comunicações ou radar), e também por transmissoresde baixa potência (rádios portáteis, celulares). Nem sempre otransmissor mais potente causa o maior problema. Um transmissorde baixa potência, a um metro da “vítima”, pode causar problemasbem maiores <strong>do</strong> que um transmissor de broadcast (rádio, TV) a umquilômetro de distância.Ao mesmo tempo, receptoresde rádio ou TVtambém são vulneráveisà poluição de RFI causada por computa<strong>do</strong>respróximos. Tais receptoresdevem retirar baixíssimos níveis depotência de um espectro de RF densamenteocupa<strong>do</strong>, e converter essaenergia em informação útil (rádio, TV,imagem de radar, etc.).O primeiro problema é de imunidade,isto é, a suscetibilidade de equipamentoseletrônicos falharem devi<strong>do</strong>a RFI. O segun<strong>do</strong> problema é de emissãonão intencional de radiofreqüência.Este é o terceiro artigo de umasérie sobre EMI. No primeiro artigo dasérie (EMC e EMI: Compatibilidade eInterferência Eletromagnética) foramaborda<strong>do</strong>s os conceitos básicos deEMI e EMC. No segun<strong>do</strong> artigo, foramanalisa<strong>do</strong>s distúrbios no fornecimentode energia. E nesta edição, analisaremoso problema da imunidade a RFI.A questão <strong>do</strong> controle de emissões deRFI será tratada em um artigo posterior.A leitura <strong>do</strong>s artigos anteriores érecomendada para melhor compreensãode alguns conceitos cita<strong>do</strong>s nesteartigo.To<strong>do</strong> equipamento eletrônico é umavítima potencial da energia de RFde transmissores próximos. Transmissorespodem variar de alta potênciaaté rádios portáteis ou celulares. Coma atual proliferação de produtos deRF, estes problemas certamente vãoaumentar a menos que precauçõessejam tomadas. Uma destas precauçõesé executar os projetos de equipamentoseletrônicos para que alcancema imunidade adequada para o ambienteem que devem ser utiliza<strong>do</strong>s.Sistemas construí<strong>do</strong>s com semicondutores(esta<strong>do</strong> sóli<strong>do</strong>) são particularmentevulneráveis a RFI. Atépequenos níveis de tensão induzidapodem perturbá-los. Circuitos analógicoscom sinais de baixa potência sãoparticularmente vulneráveis, assimcomo circuitos de fontes de alimentaçãocomo regula<strong>do</strong>res. Mas, circuitosdigitais também podem ser perturba<strong>do</strong>s,se os níveis de ruí<strong>do</strong> forem suficientementealtos.Projetistas de equipamentos militaresjá estão acostuma<strong>do</strong>s a colocara imunidade a RFI como objetivo primordial,uma vez que quase to<strong>do</strong>sesses equipamentos devem passarpor testes de suscetibilidade a RF.Da mesma maneira, equipamentosautomotivos requerem testes bastanterigorosos. Mas nas demais áreas,esta abordagem está sen<strong>do</strong> recéminiciada.NÍVEIS DE FALHASSistemas eletrônicos não protegi<strong>do</strong>sfalham freqüentemente ao seremsubmeti<strong>do</strong>s a campos elétricos entre1 V/m e 10 V/m, ou maiores. Algunssistemas muito sensíveis podem atéfalhar em campos da ordem de 0,1V/m, embora isto seja bem menoscomum.Infelizmente, muitos ambientes típicostêm campos varian<strong>do</strong> de 0,1 V/ma 100 V/m, portanto os problemaspodem ocorrer, e de fato ocorrem. Atabela 1 mostra alguns níveis típicos.Felizmente, campos elétricos maiseleva<strong>do</strong>s surgem somente próximos<strong>do</strong>s transmissores. A intensidade <strong>do</strong>campo elétrico é função da potência<strong>do</strong> transmissor (P), <strong>do</strong> ganho daantena (A) e da distância da antena(d). Uma fórmula simples para preverrapidamente o pior caso <strong>do</strong> campoelétrico (E) é:Onde E é da<strong>do</strong> em Volts/metro, Pem Watts e d em metros. A fórmulaassume que a fonte é isotrópica (irradiaigualmente para todas as direções)e que o receptor está no campodistante (1,5 metros a 30 MHz, ouapenas 5 cm a 1 GHz). A fórmula funcionaespecialmente bem para walkietalkiesportáteis e celulares. Nestescasos, o ganho da antena pode seraproxima<strong>do</strong> para 1.Aplican<strong>do</strong> a fórmula, observa-seque um transmissor com potênciaefetiva (P.A) de 1 W produz 5,5 V/ma 1 metro de distância, o que podecausar problemas. Por outro la<strong>do</strong>, umtransmissor de 10 kW a 1 km dedistância produz um campo de 0,55V/m.T.1 Níveis típicos de RFI.Mecatrônica Atual nº10 - Junho - 200327
AtualEnergiaMODOS DE FALHASO mo<strong>do</strong> de falha principal é aretificação, que pode resultar numoffset DC (para fontes de RF de nívelconstante) ou num componente ACdemodula<strong>do</strong> (para fontes de RF moduladas).No último caso, seu sistemaestá se comportan<strong>do</strong> como o famosorádio de cristal. Portanto, é essencialbloquear a energia de RF antes queela seja retificada, este é um conselhoque não deve ser esqueci<strong>do</strong>.Os circuitos mais vulneráveis sãoos analógicos de baixo nível de potência,como pré-amplifica<strong>do</strong>res. Altosníveis de RF têm potência comparávelaos níveis <strong>do</strong> sinal normal, e sãoamplifica<strong>do</strong>s para os estágios posteriores.Por exemplo, em certos casospode-se ouvir rádios na faixa <strong>do</strong> cidadão(27 MHz) em aparelhos de telefoneou amplifica<strong>do</strong>res de áudio,que funcionam na faixa de kHz, e nãona faixa de MHz. Em sistemas decontrole industrial, sensores analógicos(ex: pressão, temperatura)podem sofrer flutuações severas setais ruí<strong>do</strong>s forem retifica<strong>do</strong>s nos estágiosanalógicos com baixo nível depotência.Circuitos digitais, por outro la<strong>do</strong>,são mais suscetíveis a outros tiposde ruí<strong>do</strong> que não RFI, tais como “glitches”no fornecimento de energia,ESD e outros fenômenos que produzampulsos falsos. Entretanto, comníveis de RF suficientemente altos, circuitosdigitais também podem sucumbir.Raramente problemas ocorremabaixo de 10 V/m. Todavia, devi<strong>do</strong> àtendência a dimensões reduzidas etensões de operação também reduzidas,os níveis de imunidade tendem acair. Os sintomas são comportamentosbizarros, tais como parada <strong>do</strong>sprogramas ou corrupção da memória.A retificação de RF em circuitosde potência, como regula<strong>do</strong>res, normalmentese mostra através de problemasnos circuitos digitais. A tensãode alimentação pode aumentar além<strong>do</strong>s limites, causan<strong>do</strong> comportamentodigital bizarro. Ao perceber um problemagera<strong>do</strong> por RF num circuitodigital, é interessante primeiro investigaro comportamento das fontes dealimentação, para depois verificar oresto <strong>do</strong>s circuitos.TÉCNICAS DEPREVENÇÃOCONTRA RFIUma dica é aumentar a robustez<strong>do</strong>s circuitos mais críticos, que funcionamcomo “antenas escondidas”.Como mencionamos anteriormente,os receptores mais vulneráveis sãoestágios analógicos de baixa potênciae regula<strong>do</strong>res de fontes de alimentação.Outra técnica é suavizar estasantenas escondidas, que tanto podemser cabos, como descontinuidadesda blindagem funcionan<strong>do</strong> comoantenas de fendas (slot antennas).Geralmente, cabos são as antenaspre<strong>do</strong>minantes em freqüências a-baixo de 300 MHz, mas em freqüênciasmaiores, fendas e até placasde circuito impresso podem se tornarantenas eficientes.Você pode refinar esta distinçãocom uma regra popular chamada de“regra de 1/20 comprimento de onda”,que diz que qualquer cabo ou fendacom dimensões superiores a 1/20 <strong>do</strong>comprimento de onda pode ser umaantena eficiente. A 100 MHz, isto significa15 cm. A 1 GHz, apenas 15mm.Proteção no Nível<strong>do</strong> CircuitoUma boa proteção contra RFIcomeça no nível <strong>do</strong> circuito. Deve-seF.1 Proteção para circuitos analógicos.aumentar a robustez bem próximo<strong>do</strong> dispositivo mais crítico. Tambémdeve-se colocar filtros nas linhas deentrada e saídas externas.O uso de ferrites e de placas de circuitoimpresso multilayer geralmentetambém é eficaz.Circuitos analógicos merecematenção especial. Embora operemem baixa freqüência, são vulneráveisa RF de alta freqüência retifica<strong>do</strong>. Éinteressante inserir ferrites e pequenoscapacitores de alta freqüênciabem próximos destes circuitos. Oscircuitos analógicos mais críticos sãoos que trabalham com menor nível depotência, e freqüentemente tambémos que ficam mais próximos da fronteira<strong>do</strong> equipamento com o mun<strong>do</strong>externo. Porém, há casos em que osegun<strong>do</strong> e terceiro estágios tambémmerecem atenção, pois alguma parteda energia de RF pode passar peloprimeiro estágio e ser amplificada porele.Muitos sensores analógicosmodernos (de temperatura, straingauges, e outros) incorporam circuitosativos no sensor. Desta maneira,o primeiro estágio de amplificaçãopode estar longe <strong>do</strong> sistema principal.Nestes casos, é necessário aumentara robustez nas duas pontas deum sistema interliga<strong>do</strong> por um cabo:o sensor e o receptor. Isto é mostra<strong>do</strong>na figura 1.Observe algumas técnicas praticadasnestes circuitos da figura 1:28Mecatrônica Atual nº10 - Junho - 2003
EnergiaAtual- desacopla-se todas tensões de alimentação<strong>do</strong>s chips analógicos comcapacitores de alta freqüência;- coloca-se filtros de alta freqüência(capacitores de alta freqüência +ferrites) em todas as linhas queentram ou saem <strong>do</strong> equipamento;- a referência também recebe filtrosde alta freqüência, se não estiveraterrada.Regula<strong>do</strong>res de potência tambémmerecem atenção especial.Falhas nestes circuitos aparecemcomo falhas digitais, mas algunspoucos capacitores bem coloca<strong>do</strong>spodem resolver estes problemas.Regula<strong>do</strong>res são dispositivos comrealimentação, portanto qualqueroffset causa<strong>do</strong> por RF (DC ou modula<strong>do</strong>)pode afetar a tensão de saída.Se estes níveis ultrapassarem osvalores limites de uma alimentaçãopara um sistema digital, os efeitossão imprevisíveis. Uma técnica freqüentementerecomendada é colocarcapacitores de 1000 pF diretamentena entrada e saída de regula<strong>do</strong>res,tanto lineares como chavea<strong>do</strong>s. Istopode ser observa<strong>do</strong> na figura 2.Circuitos digitais podem ser afeta<strong>do</strong>spor RFI, mas dificilmente comníveis menores que 10 V/m. Portanto,se você está projetan<strong>do</strong> para o merca<strong>do</strong>comercial (3 a 10 V/m) e observaruma falha digital devi<strong>do</strong> a RFI,provavelmente trata-se de uma falhaem regula<strong>do</strong>res.Circuitos de entrada e saída, naperiferia <strong>do</strong> equipamento, devem utilizarfiltros de alta freqüência comoprimeira linha de defesa. O objetivoé isolar o sistema eletricamente <strong>do</strong>scabos que agem como antenas nãointencionais. Lembre-se que filtrosde alta freqüência geralmente devemcobrir uma ampla faixa de freqüência,entre 10 kHz e 1 GHz. Para tanto,geralmente necessitam <strong>do</strong>is ou trêsestágios cascatea<strong>do</strong>s em série. Estaanálise sobre filtros EMI foi feita noartigo anterior, a respeito <strong>do</strong>s distúrbiosno fornecimento de energia.Ferrites (ou beads) são muito úteispara aumentar a imunidade a RFI (etambém para ESD e emissões). Ferritespara EMI são mais efetivas nafaixa de 50 MHz a 500 MHz. Abaixo deF.2 Proteção para regula<strong>do</strong>res.50 MHz, sua indutância e resistênciasão muito baixas. Acima de 500 MHz,a capacitância <strong>do</strong>s terminais permitea passagem de altas freqüências. FerritesSMD (Surface Mounted Devices)podem funcionar bem na banda deGHz, pois não têm terminais expostos.Como regra, uma bead tem impedânciada ordem de 50 a 100 Ω em100 MHz, e alguns poucos ohms em1 MHz. Além disso, a energia de RFindesejável é dissipada na ferrite naforma de calor, ao invés de ser desviadapara outro ponto <strong>do</strong> circuito.Alguns cuida<strong>do</strong>s devem ser toma<strong>do</strong>sao utilizar ferrites. Primeiro, tenhacerteza de utilizar ferrites EMI, aoinvés de ferrites de baixa perda.Segun<strong>do</strong>, utilize-os em um circuitode baixa impedância para alta freqüência.Capacitores shunt (derivaçãopara o terra) de 100 a 1000pF funcionam bem para propiciaresta baixa impedância, mas deve-semanter os terminais <strong>do</strong>s capacitorescurtos para diminuir indutâncias parasíticas<strong>do</strong>s mesmos. Terceiro, cuida<strong>do</strong>com a saturação, que pode ser provocadapor correntes DC ou de baixafreqüência. Normalmente, pequenasferrites são adequadas para 100 a500 mA, e beads com o tamanho deum resistor de 2 W são adequadasde 5 a 10 A.Placas de circuito impresso multilayersão outras armas efetivas contraRFI. Já houve casos em que a imunidadecresceu 10 vezes ao mudar deuma placa de 2 camadas para outra de4 camadas. A imunidade cresce inclusivepara circuitos de baixa freqüência,como circuitos de áudio ou deinstrumentação. Muitos projetistas desistemas analógicos são resistentesà utilização de placas multi-layer porserem mais caras. Entretanto, problemasde alta freqüência como RFInormalmente requerem técnicas deprojeto de alta freqüência.Estas melhorias em placas multilayerse devem a <strong>do</strong>is efeitos. Primeiro,reduz-se as áreas de loop entretrilhas de sinal e alimentação, quepodem atuar como pequenas antenasnão intencionais. Segun<strong>do</strong>, obtém-seuma impedância de terra menor, o quediminui a amplitude <strong>do</strong> ruí<strong>do</strong> sobre areferência de terra.Proteção em Cabose ConectoresQuanto mais alta a freqüência,maior deve ser a qualidade <strong>do</strong>s cabose conectores. Cabos atuam comoantenas não intencionais (tanto receptorascomo transmissoras) para energiade RF. Conectores propiciam fuganão intencional de (e para) a blindagem<strong>do</strong> cabo, e maus conectorespodem transformar um ótimo cabo emineficiente.Cabos e conectores devem serconsidera<strong>do</strong>s como um sistema, enão individualmente. Uma analogiaútil é uma mangueira de jardim. Suaconexão à torneira, e também entrea mangueira e a conexão, são tãoimportantes como o material da mangueiraem si. A melhor mangueira<strong>do</strong> mun<strong>do</strong> vaza se a conexão nãoé boa. O mesmo acontece comcabos e conectores para problemasde RFI. Seguem-se algumas recomendações:- Use blindagem de alta qualidadeacima de 10 MHz. Acima desta freqüência,fugas tendem a ocorrer atra-Mecatrônica Atual nº10 - Junho - 200329
AtualEnergiavés da blindagem. Neste caso, deve-seutilizar malhas de alta cobertura,ou malhas sobre folhas metálicas.Somente folhas metálicas poderiamser utilizadas, mas uma ruptura poderiaprovocar fugas, portanto, malhassobre folhas são preferíveis;- Use conectores de alta qualidade.Este conselho é bom para qualquerfreqüência, mas particularmenteacima de 10 MHz. O objetivo é provercobertura de 360 o na junção entrea blindagem <strong>do</strong> cabo e o chassi <strong>do</strong>equipamento. Cada junção não deveoferecer fugas (blindagem <strong>do</strong> caboao conector, conector a conector, econector ao chassi);- Se não é possível blindar, filtre.Para cabos que transportam sinais deaté 1 MHz, filtragem pode ser utilizadanormalmente ao invés de blindagem.A 1 MHz, o comprimento de ondaé de 300 m, portanto a maior parte<strong>do</strong>s cabos não funciona como boasantenas. A filtragem, mesmo, assimé necessária para evitar que freqüênciasmais altas entrem ou saiam <strong>do</strong>sistema através <strong>do</strong>s cabos. Pequenosfiltros de alta freqüência compostosde ferrites e de capacitores de bypassfuncionam bem. Mantenha os terminaisdestes componentes curtos, econecte os capacitores de bypass aoterra <strong>do</strong> chassis, não ao terra <strong>do</strong> circuito(a menos que estes <strong>do</strong>is terrassejam comuns). Coloque estes filtroso mais próximo possível <strong>do</strong>s conectorespara minimizar a captação <strong>do</strong>ruí<strong>do</strong> por trilhas ou fios <strong>do</strong> equipamento.Ainda melhor, use conectorescom filtros embuti<strong>do</strong>s monta<strong>do</strong>s diretamenteno chassi;- Não esqueça <strong>do</strong>s cabos internos.Cabos internos ao equipamentotambém são antenas não intencionais.Cuida<strong>do</strong> com a rota destescabos, evitan<strong>do</strong> que passem pertode ranhuras no chassi (por exemplo,ranhuras de ventilação). Isto é especialmentecrítico quan<strong>do</strong> tais cabostransportam sinais analógicos debaixo nível de potência. Mantenha oscabos internos no mínimo a 5 cmde ranhuras e outras aberturas nochassi;- Se você está utilizan<strong>do</strong> flatcables,utilize o máximo número defios que puder para retornos de terrae os espalhe uniformemente no cabo.Isto minimiza áreas de loop que funcionamcomo antenas. A melhor situaçãoé uma linha de retorno de terrapara cada sinal.Técnicas deAterramentopara RFA indutância é um grande vilão parao aterramento de RF. Muitos engenheirosse preocupam com a resistência<strong>do</strong> aterramento, e se esquecem daindutância. Como regra geral, um fiocircular possui uma indutância própriade 10 nH por cm. Para a maior parte<strong>do</strong>s fios, a reatância indutiva pre<strong>do</strong>minasobre a resistência em freqüênciasacima de 10 kHz. A 100 MHz, aindutância reativa é diversas ordensde magnitude maior <strong>do</strong> que a resistência.Um meio de reduzir a indutânciaé utilizar uma tira metálica larga egrossa ao invés de um fio circular.Em teoria, um plano infinito seria omelhor, mas <strong>do</strong> ponto de vista práticoé a relação de aspecto (comprimentopara largura) que importa.Uma relação de 3 para 1 é recomendável.O local mais adequa<strong>do</strong> para aterraré próximo <strong>do</strong>s pontos de entradae saída no chassi. Esta técnicaajuda a manter a integridade da blindageme minimiza correntes de mo<strong>do</strong>comum no cabo, desvian<strong>do</strong>-as parao chassi.Se você deve aterrar sua placanum ponto único, faça-o o mais próximopossível <strong>do</strong>s conectores deentrada e saída. Esta técnica geralmenteé necessária para sistemasanalógicos, nos quais laços de terrade baixa freqüência são um problemasério.Para placas de alta freqüência oudigitais, aterre em múltiplos pontos <strong>do</strong>chassi através de conexões curtas,grossas e largas.Para placas mistas onde há circuitosanalógicos e também digitais,você pode fazer aterramentos múltiplosatravés de capacitores para aterraras altas freqüências, e manter umponto único de aterramento para asbaixas freqüências evitan<strong>do</strong> loops deterra.O objetivo principal é desviar parao chassi correntes de RF, evitan<strong>do</strong>que cheguem aos circuitos vulneráveise a suas referências de terra.Problemas de RF freqüentemente sãoobserva<strong>do</strong>s em sistemas onde filtrosde EMI são conecta<strong>do</strong>s a referênciade terra <strong>do</strong> sinal, ao invés de no terra<strong>do</strong> chassis (quan<strong>do</strong> estes 2 terras sãoisola<strong>do</strong>s entre si).Técnicas de Blindagempara RFA maior parte <strong>do</strong>s sistemas de altavelocidade necessitam de algumablindagem, no mínimo para controlaremissões irradiadas. Se você precisaalcançar imunidade na faixa de 1 a 10V/m até 1 GHz, é complica<strong>do</strong> fazê-losem blindagem. Felizmente, a menosque você tenha de cumprir especificaçõesmilitares, 30 a 60 dB de eficáciada blindagem geralmente sãosuficientes (atenuações entre 30 e1000 vezes).Materiais de baixa espessura sãoadequa<strong>do</strong>s para blindagem. Finascoberturas condutivas proporcionamblindagem efetiva na faixa de RFentre 10 kHz a 10 GHz e acima.Folhas de alumínio proporcionam 90dB de blindagem nesta faixa de freqüência.Pinturas metálicas de níquelou cobre de baixa espessura proporcionam40 a 60 dB, e deposição eletrolíticaproporciona 80 dB ou mais.Isto pode ser utiliza<strong>do</strong> em chassisfeitos de plástico, na parte interna<strong>do</strong>s mesmos.Às vezes pode ser necessário utilizarchapas de aço para blindar. Blindagensfinas são ineficientes paracampos magnéticos de baixa freqüência,tais como os provoca<strong>do</strong>s porfontes de alimentação ou circuitosde deflexão magnéticos. Neste caso,você precisa de chapas de aço grossasou outro tipo de material ferroso.Geralmente, estas considerações nãosão relevantes acima de 20 kHz. Emespecial, lembre-se de que blindagensfinas ajudam a resolver a maior parte<strong>do</strong>s problemas de imunidade a RFI.Ranhuras (exemplo: para ventilação)podem destruir blindagens contraRF. Estas descontinuidades agemcomo antenas de fendas (slot antenas),que reirradiam energia de altafreqüência.Por isso você deve manter seuscabos e placas de circuito impressoslonge destas ranhuras.30Mecatrônica Atual nº10 - Junho - 2003
É a dimensão mais longa da ranhura que é crítica, e nãoa sua área. Uma regra é limitar a maior dimensão da ranhuraa 1/20 <strong>do</strong> comprimento de onda da maior freqüência de interesse.Para 100 MHz, isto significa 15 cm, mas para 1 GHz,apenas 15 mm. Mesmo esta regra pode não ser suficiente,pois produz uma atenuação de apenas 20 dB através daranhura.Penetrações não filtradas também podem destruir blindagenscontra RF. Se um fio isola<strong>do</strong> passar através dablindagem, e este fio não for filtra<strong>do</strong>, ele poderá transportarruí<strong>do</strong> por dentro <strong>do</strong> sistema blinda<strong>do</strong>. Todas penetraçõesdevem ser ou aterradas no chassi, ou desacopladascontra o chassi via filtros de alta freqüência. Obviamente,você não pode aterrar diretamente cabos de potência oude sinal, mas neste caso filtre-os antes de passar pela barreirade blindagem.Aqui, vão algumas recomendações sobre blindagem para RF:- Use uma cobertura metálica, com o mínimo de ranhuras;- Filtre ou aterre todas as penetrações de cabos na blindagem;- Mantenha a máxima dimensão das ranhuras menor que12 mm se você precisa imunidade até 1 GHz, e mantenhaos cabos e circuitos críticos pelo menos a 5 cm destasranhuras;- Você pode precisar de materiais de vedação (gasket materials)para suas ranhuras, portanto projete os chassis paraadicionar estes materiais, se necessário.TESTES DE IMUNIDADE A RFIPara imunidade a RFI, uma norma comercial chaveé a IEC-61000-4-3, que prescreve campos de 1 a 10V/m numa faixa de freqüência de 80 a 1000 MHz. Estessão os testes que são utiliza<strong>do</strong>s pela Comunidade Européia.Outras organizações, como a FDA (Food and DrugAdministration, nos Esta<strong>do</strong>s Uni<strong>do</strong>s) também a<strong>do</strong>tam estanorma. Ela é recomendada para fabricantes de equipamentoseletrônicos mesmo quan<strong>do</strong> um nível obrigatórionão existe para seus produtos ou merca<strong>do</strong>s.Normas diferentes são utilizadas nos contratos militares(MIL-STD-461, Esta<strong>do</strong>s Uni<strong>do</strong>s) e automotivos (SAEJ1113).CONCLUSÕESEste terceiro artigo da série sobre EMC/EMI abor<strong>do</strong>uproblemas de imunidade a RFI, analisan<strong>do</strong> de que maneirapodem causar falhas, e como se pode preveni-los.Outros artigos desta série prosseguirão abordan<strong>do</strong> outrostipos de interferências eletromagnéticas e tópicos relaciona<strong>do</strong>s,como componentes, blindagem e aterramento.Bibliografia- Daryl Gerke e Bill KimmelEDN: The Designer’s Guide to Electromagnetic CompatilibityKimmel Gerke Associates Ltd.*Osmar Brune é projetista de produtos e sistemas daAltus Sistemas de Informática.
Copesul/DivulgaçãoAtualAutomaçãoNotíciasArquiteturas de Sistemas deAutomação Industrialutilizan<strong>do</strong> CLPsPaulo C. de CarvalhoNeste artigo faremos uma abordagem sobre os aspectos decomunicação de da<strong>do</strong>s para arquiteturas comumente utilizadas emautomação de plantas de processos industriais empregan<strong>do</strong> Controla<strong>do</strong>resLógico Programáveis – CLPs.Aprimeira coisa que é discutidaem um processode automação é qual amelhor arquitetura para que o sistemaatinja as exigências de um determina<strong>do</strong>projeto. Existem várias formasdiferentes de arquitetura que satisfazemas exigências <strong>do</strong> projeto e ofator custo é muito importante, poisto<strong>do</strong> projeto tem uma limitação deinvestimento que já foi previamenteaprovada pela diretoria da empresa.Fatores como prazo para a conclusão<strong>do</strong> serviço e necessidade maiorde mão-de-obra também influem naescolha da melhor arquitetura para osistema de automação. Assim, trataremosaqui de alguns conceitos quedevemos levar em consideração naanálise de uma arquitetura.NÍVEIS DO SISTEMA DE AUTOMAÇÃONível 0 – Neste nível ficam os elementosque “aquisitam” e comandamas grandezas físicas <strong>do</strong> chão-defábrica.Podemos citar elementos deaquisição de sinais: sensores, transmissoresde temperatura, pressão,chaves de fim-de-curso, contatos derelés, etc. E os atua<strong>do</strong>res: contatoras,válvulas, inversores de freqüência,etc... Além <strong>do</strong>s componentesconvencionais, ou seja, aqueles quedisponibilizam ou recebem sinais emcorrente ou tensão, temos também osequipamentos que possuem recursosde comunicação serial e, nesse caso,possuem múltiplas funções associadasa um único cabo de conexãocomo, por exemplo, os multimedi<strong>do</strong>resde energia e equipamentosespeciais de medição de grandezasanalógicas como nível e temperatura.Nível 1 - Neste nível ficam os CLPsmonta<strong>do</strong>s em painel elétrico que receberãoos sinais <strong>do</strong> nível 0. Nele, asinformações vindas <strong>do</strong> nível 0 sãotratadas e o software <strong>do</strong>s CLPsirá cuidar de deixar estas informaçõesprontas para serem exibidaspara os opera<strong>do</strong>res através de InterfacesHomem-Máquina Locais ou aindaserem enviadas a um nível acimapara serem visualizadas em salasde operação através de Sistemas deSupervisão (veja na foto ao la<strong>do</strong>). Emindústrias de processo, os CLPs estarãosempre conecta<strong>do</strong>s entre si como nível de supervisão através de umarede de comunicação industrial.Nível 2 - Neste nível ficarão asinterfaces Homem-Máquina – IHM– também chamadas de Sistemasde Supervisão, que são computa<strong>do</strong>resindustriais rodan<strong>do</strong> softwaresde supervisão e controle conecta<strong>do</strong>sem rede aos CLPs. Atravésdesses equipamentos, o opera<strong>do</strong>rpoderá comandar a planta por meiode telas gráficas, gráficos de tendências,relatórios de alarmes e relatóriosde produção.Nível 3 - Neste nível fica o sistemacorporativo da planta que acessa umbanco de da<strong>do</strong>s onde outros relatóriosgerenciais são gera<strong>do</strong>s e os aplicativossão normalmente desenvolvi<strong>do</strong>scom ferramentas <strong>do</strong> tipo Visual Basicou Delphi. O Sistema de Supervisão<strong>do</strong> nível 2 tem interface com o sistemacorporativo através <strong>do</strong> banco deda<strong>do</strong>s que é o ponto de “junção” <strong>do</strong>sníveis de supervisão e corporativo daplanta.No campo da Automação, diariamentesurgem novas tecnologias enovos conceitos e observa-se nomerca<strong>do</strong> que as empresas tendem aser conserva<strong>do</strong>ras na hora de adquirirtecnologia e querem aquilo quecomprovadamente funciona. Umanova tecnologia é mais bem aceitaem situações onde o risco de suaaplicação é compensa<strong>do</strong> pelos benefíciosque essa tecnologia poderátrazer.Ainda aproveitan<strong>do</strong> a divisão emníveis feita anteriormente, iniciaremosnossa discussão falan<strong>do</strong> sobreo nível 0 ou nível de campo, onde32Mecatrônica Atual nº10 - Junho - 2003
NotíciasAutomaçãoAtualtemos a aquisição <strong>do</strong>s sinais <strong>do</strong>chão-de-fábrica responsáveis pelasinformações indispensáveis na automação.Aqui a grande pergunta quesurge é:É melhor utilizar remota para aaquisição <strong>do</strong>s sinais ou levar ossinais através de cabos elétricosdiretamente até o CLP?A remota é um hardware que“aquisita” os sinais digitais e analógicose possui um canal de comunicaçãoserial onde esses da<strong>do</strong>s sãodisponibiliza<strong>do</strong>s em um protocolo decomunicação como, por exemplo, oMODBUS, PROFIBUS, DEVICENET,AS-i, entre outros. A diferença básicaentre eles está na velocidade de transmissão,capacidade de diagnóstico defalhas e facilidade de configuração<strong>do</strong>s equipamentos em rede. Para sefazer uma comparação entre os <strong>do</strong>isprimeiros que são amplamente utiliza<strong>do</strong>s,temos: a velocidade de comunicação:o MODBUS chega a 38.400bps, enquanto o PROFIBUS podechegar a 12.000.000 bps. Este últimotambém possui mais informações dediagnóstico, mas é mais caro e existemmenos equipamentos com essainterface. A idéia da remota é apenastransferir os da<strong>do</strong>s para o CLP semfazer nenhuma lógica entre eles, ouseja, sem fazer nenhum intertravamento,apenas passar as informaçõespara o CLP que processa essas informações.Nessa escolha devemos verificaralguns aspectos:Ligação elétrica: O custo de ligaçãoelétrica é menor para as remotas,pois você leva um único cabo de redeaté o CLP ao invés de levar um cabopara cada sinal no caso de ligaçõesconvencionais. Essa é a principal vantagemda remota.Velocidade de atuação: A aquisiçãode sinais diretamente peloCLP é mais rápida que a feita porremota. Quan<strong>do</strong> você escolher aaquisição através de remotas, questionejunto ao fabricante <strong>do</strong> equipamentoo tempo de aquisição <strong>do</strong>ssinais, principalmente quan<strong>do</strong> necessitamosfazer algoritmos de controletipo PID. Neste caso precisamosaquisitar, enviar via rede o valor analógicopara o CLP que executaráo algoritmo PID e retornará o sinalpara o atua<strong>do</strong>r. O tempo de atualização<strong>do</strong> controle deverá ser leva<strong>do</strong>em conta e deverá ser menor quea soma <strong>do</strong>s tempos de aquisiçãoe processamento <strong>do</strong> CLP para quenão resulte em mau funcionamento<strong>do</strong> controle, o que poderá inviabilizaro sistema.Segurança: Em processos industriaiscontínuos, a parada de produçãoimplica em grandes prejuízospara a companhia e paradas daplanta devem ser evitadas de todasas formas. Logicamente, a automaçãonão deve ser a causa<strong>do</strong>ra <strong>do</strong>problema de parada e as perguntasmais freqüentes são:E se a rede da remota falhar?O risco deverá ser analisa<strong>do</strong> e,caso o tempo de parada para a manutenção(cerca de 3 horas) seja umfator de muito risco para o processo,a solução será colocarmos uma rederedundante e, se possível, lançar oscabos por caminhos diferentes. Ocusto aumentará, mas, se a segurançaé o fator principal, com certezaesse custo será justificável.Pode ocorrer problema de interferênciana rede e isso provocarfalha de comunicação entre o CLPe a remota?Esse tipo de conexão atende amaioria das necessidades se a blindagem<strong>do</strong> cabo elétrico em RS-485for bem aterrada e, se este cabo forpassa<strong>do</strong> em eletroduto galvaniza<strong>do</strong>aterra<strong>do</strong>, e ainda for escolhida umatrajetória para o cabo de forma quepasse longe de cabos de alta tensãoe fontes de ruí<strong>do</strong>s elétricos.Entretanto, quan<strong>do</strong> o ambientepossui muito ruí<strong>do</strong> elétrico como, porexemplo: local com máquinas comsolda por indução, subestações eusinas de energia, etc., é aconselhávela utilização de fibras ópticas.Outra vantagem da fibra óptica é quea velocidade não diminui com a distânciacomo no caso <strong>do</strong> cabo elétrico.Para conexões longas, acima de 100metros, ou quan<strong>do</strong> o ambiente possuicampo elétrico muito intenso, a fibratorna-se indiscutivelmente a melhorsolução de meio de transmissão.E se a cabeça remota falhar, vouperder to<strong>do</strong>s os sinais que estouaquisitan<strong>do</strong>?A resposta é sim. Neste caso, seo tempo de manutenção para trocada cabeça remota (da ordem de 1ou 2 horas) não puder ser tolera<strong>do</strong>,alguns fabricantes oferecem a possibilidadede redundância na cabeçaremota. A troca da cabeça defeituosaé feita automaticamente pelo equipamento,chama<strong>do</strong> de troca tipo “hotstand by”.A remota também pode fazerintertravamento?Até aqui vimos duas possibilidades:fazer a aquisição via cabo convencionalou via cabeça remota e oprocessamento no CLP. Para algunsprocessos é possível também quea remota faça um pequeno processamentolocal evitan<strong>do</strong> que a perdade comunicação implique em riscoao sistema. Ou seja, no lugar deuma remota pode ser coloca<strong>do</strong> umpequeno CLP que aquisita os sinaisde campo, executa intertravamentoe disponibiliza as informações parao CLP central. Nesse caso, essepequeno CLP normalmente possuiIHM local para que os da<strong>do</strong>s possamser acessa<strong>do</strong>s por um opera<strong>do</strong>rlocal, deixan<strong>do</strong> o sistema mais versátile com menor dependência darede de comunicação com o CLPcentral. Essa solução é utilizada,por exemplo, para certos controleslocais que não podem parar como ocontrole de temperatura de um fornoou o controle de variáveis analógicasem um evapora<strong>do</strong>r. É bastantecomum, nessa situação, um CLPlocal aquisitan<strong>do</strong> os sinais, fazen<strong>do</strong>o processamento local. Existe umaIHM para o opera<strong>do</strong>r alterar os setpointsno local e este CLP poderáestar liga<strong>do</strong> em rede com outro CLPmaior.Muitos CLPs já vêm integra<strong>do</strong>s agrandes máquinas ou projetos. Isso émuito comum nas indústria automobilísticae alimentícia. Nesses casos,o compra<strong>do</strong>r deverá atentar paraevitar comprar uma “caixa preta”, ouseja, comprar um CLP com protocoloproprietário e sem condição deser coloca<strong>do</strong> em rede com outrosCLPs da planta. O ideal é especificaruma porta de comunicação disponívelem protocolo aberto como,por exemplo, MODBUS-RTU, PRO-FIBUS-DP, FIELD BUS, etc., os quaisMecatrônica Atual nº10 - Junho - 2003 33
AtualAutomaçãoNotíciasdevem ser as variáveis que o fabricantedeverá deixar disponível paraque esse equipamento possa serintegra<strong>do</strong> na rede de campo dafábrica. Sempre que possível, o compra<strong>do</strong>rdeverá verificar qual o CLPque virá no equipamento e solicitaralgumas opções para a marca <strong>do</strong>CLP para garantir a compatibilidadeem rede e facilitar a manutençãofutura.OUTROS EQUIPAMENTOS COMINTERFACE SERIALEquipamentos como medi<strong>do</strong>resde grandezas elétricas, inversores defreqüência, relés de proteção, etc.possuem interfaces seriais. Nessescasos, a preocupação deverá sertanto com o protocolo quanto com oformato que os da<strong>do</strong>s são disponibiliza<strong>do</strong>s.A intenção é evitar o extensotrabalho de formatação de da<strong>do</strong>spelo programa <strong>do</strong> CLP, e aumento<strong>do</strong> custo <strong>do</strong> projeto com o desenvolvimentode gateways (equipamentosque convertem protocolos de comunicação).Devem-se evitar incompatibilidadeselétricas com a mistura de equipamentosdiferentes na mesma redede comunicação, ainda que possuamo mesmo protocolo. Para se evitareste tipo de problema é sempre bomum teste prévio na etapa de desenvolvimento<strong>do</strong> projeto (ver coluna sobrerede MODBUS na seção Problemase Soluções).A figura 1 ilustra a arquiteturade nível 0 de uma indústria de processoscom a aquisição de sinaisde Entrada e Saída(E/S) convencionalutilizan<strong>do</strong> cabos multivias quesão conecta<strong>do</strong>s ao CLP. A figura 2mostra a arquitetura de nível 0 deuma industria de processos com aaquisição de sinais de E/S convencionaisempregan<strong>do</strong> remota conectadavia cabo de rede ao CLP. Nestecaso, há uma diminuição <strong>do</strong> serviçode ligação elétrica, uma vez que aremota é colocada a mais próximapossível <strong>do</strong> elemento de campo.Após digitalizar os sinais, a remotadisponibiliza uma interface de comunicaçãoserial para o CLP e basta,então, um cabo de comunicaçãoentre os <strong>do</strong>is equipamentos.F.1 Arquitetura de nível 0 com cabosmultivias.F.2 Aquisição de E/S via remota.Na figura 3 é apresentada a interfacecom o campo utilizan<strong>do</strong> umaremota e a interface via rede serialcom equipamentos especiais que dispõemde interface serial. Para isso énecessário que o CLP possua canaisde comunicação no mesmo protocolode comunicação desses equipamentos.A tendência atual é de cadavez mais equipamentos possuíreminterface serial de comunicação. Porsegurança, além <strong>do</strong>s da<strong>do</strong>s seremenvia<strong>do</strong>s via rede, alguns sinais dealarme e condições de segurança(sinais de segurança de uma caldeira,por exemplo) devem ser envia<strong>do</strong>stambém via cabeamento convencional.Vamos agora analisar o Nível 1 daarquitetura onde ficam os Controla<strong>do</strong>resLógicos Programáveis. Aqui agrande pergunta que surge é:Qual é o melhor CLP a utilizar?A resposta para esta pergunta,naturalmente, não é tão simplesporque existem muitas marcas nomerca<strong>do</strong> e o técnico que está especifican<strong>do</strong>o equipamento ou sistemadeverá se concentrar na especificaçãoque o equipamento deverá atender.Uma vez atendidas as especificações,certamente mais de uma marcapoderá ser escolhida e outros fatorescomo preço, prazo, assistência técnicae custo <strong>do</strong> serviço associa<strong>do</strong> definirãoa compra. O objetivo dessa análiseé apresentar as características fundamentaisexigidas para os sistemas deautomação utiliza<strong>do</strong>s na indústria deprocesso.REDE DE COMUNICAÇÃOENTRE OS CLPs E O SISTEMADE SUPERVISÃOEssa rede de da<strong>do</strong>s vai interligaros vários CLPs permitin<strong>do</strong> que asinformações sejam disponibilizadasem uma sala de controle. Algunsdeles utilizam redes com protocolosproprietários e isso poderá limitaro usuário quan<strong>do</strong> ele necessitarampliar o sistema. Para evitar essetipo de problema, a rede mais utilizadaatualmente para o nível 1 éa rede Ethernet. Aqui vale lembrarque existem diversos protocolos decomunicação disponíveis em Ethernete que em uma mesma redeEthernet podem trafegar diferentesprotocolos e até mesmo os protocolosde e-mail e de transferênciade arquivos (FTP). É comum separara rede ethernet da planta da redeethernet <strong>do</strong> resto da indústria paraevitar problemas de tráfego na rede<strong>do</strong> sistema de automação. Freqüentemente,chamamos a rede ethernet<strong>do</strong> sistema de automação de redeethernet industrial. Existem equipamentosdisponíveis no merca<strong>do</strong>para redes ethernet industriaisredundantes em formato de aneldan<strong>do</strong> ao sistema um nível adequa<strong>do</strong>de confiabilidade da rede(ver www.hirschmann.com). O cabode rede ethernet <strong>do</strong> tipo par trança<strong>do</strong>permite interligar distâncias deapenas 100 m. Já utilizan<strong>do</strong> fibraóptica <strong>do</strong> tipo multimo<strong>do</strong>, podemosatingir tipicamente 3 km sem o uso34Mecatrônica Atual nº10 - Junho - 2003
NotíciasAutomaçãoAtualpara a comunicação entre os CLPse o sistema de supervisão é:Disponibilidade no CLP e nodriver <strong>do</strong> Sistema de Supervisãode rede de comunicação Ethernet,sen<strong>do</strong> desejável para sistemas degrande porte que exista recurso paracomunicação por mensagem nãosolicitada.REDE DE COMUNICAÇÃOENTRE OS CLPs E OUTROSEQUIPAMENTOSF.3 Aquisição de E/S via remota e via comunicação serial com equipamentos inteligentes.de repeti<strong>do</strong>r. A figura 4 ilustra umarede ethernet industrial em formatode anel óptico redundante.Como vimos anteriormente, acapacidade <strong>do</strong> CLP se conectar auma rede aberta <strong>do</strong> tipo etherneté fundamental para automação deprocessos industriais. Outro aspectoa considerar será a performancedessa comunicação. A performanceda rede está associada à sua velocidadede comunicação e à formacomo são transmiti<strong>do</strong>s os da<strong>do</strong>s.Com relação à velocidade da redede CLPs podemos dizer que a velocidadede 10 Mbits/s atende a grandemaioria <strong>do</strong>s processos industriais,onde o tráfego de da<strong>do</strong>s é bemmenor que na rede ethernet administrativa.No entanto, alguns CLPsjá possuem rede com velocidade de100 Mbits/seg (fast ethernet). Porém,o principal “gargalo” para o sistemanão é a velocidade <strong>do</strong> meio de transmissão,mas sim a forma como oCLP trata essa comunicação. Háduas formas básicas para comunicaçãode da<strong>do</strong>s entre os CLPs eos sistemas de supervisão: Pollinge “Mensagens não Solicitadas”. Nacomunicação por polling, quem tomaa iniciativa de comunicação é sempreo sistema de supervisão, que pedepara o CLP as tabelas de comunicação.Independentemente, de terhavi<strong>do</strong> modificação nos da<strong>do</strong>s li<strong>do</strong>spelo CLP, o supervisório fará a leituradesses da<strong>do</strong>s de forma cíclica comtempo de polling ajusta<strong>do</strong> no sistemade supervisão. Assim, a cada solicitação<strong>do</strong> sistema de supervisão oCLP deverá preparar os da<strong>do</strong>s solicita<strong>do</strong>se disponibilizar os mesmosna porta ethernet para comunicação.Esse tempo, em geral, é maiorque o tempo <strong>do</strong> próprio meio detransmissão, ou seja, a performancedesse sistema depende muito maisda velocidade <strong>do</strong> CLP de disponibilizaros da<strong>do</strong>s para transmissão<strong>do</strong> que da velocidade <strong>do</strong> canal decomunicação. No mo<strong>do</strong> de comunicaçãopor “mensagem não solicitada”,o CLP é que toma a iniciativade comunicação mandan<strong>do</strong> para osistema de supervisão apenas astabelas de da<strong>do</strong>s onde houve alteração.De tempos em tempos o CLPmanda to<strong>do</strong>s os da<strong>do</strong>s, independentementede ter havi<strong>do</strong> alteração nosmesmos, e esse envio é chama<strong>do</strong>de comunicação para integridade<strong>do</strong>s da<strong>do</strong>s. O sistema de comunicaçãopor mensagens não solicitadasmelhora muito a performance, principalmentepara meios de transmissãoque tenham baixa velocidade ousistemas que tenham grande volumede da<strong>do</strong>s. A desvantagem de se utilizarmensagens não solicitadas éque o tempo de desenvolvimento<strong>do</strong> programa ladder <strong>do</strong> CLP serámaior, aumentan<strong>do</strong> o custo de serviços.Além <strong>do</strong> CLP, o sistema desupervisão também deverá admitiro recurso de mensagem não solicitadano seu driver de comunicação,e essa característica não está disponívelem to<strong>do</strong>s os drivers de comunicação.Assim, resumidamente, acaracterística importante a analisarna rede de comunicação <strong>do</strong> CLPComo já foi discuti<strong>do</strong> anteriormente,é comum em CLPs para controleindustrial a comunicação comvários equipamentos inteligentes <strong>do</strong>chão-de-fábrica: remotas, inversoresde freqüência, controla<strong>do</strong>res locaisespecializa<strong>do</strong>s e interfaces homemmáquinalocais. Sen<strong>do</strong> assim, é fundamentalque na especificação dessesequipamentos se leve em conta aquantidade de canais seriais de comunicaçãoque devem estar disponíveis,informan<strong>do</strong> o protocolo de comunicação(profibus ou modbus, por exemplo)e o meio físico da comunicação(RS-232, RS-485 ou óptico).A seguir, exibimos na figura 5 umaarquitetura típica <strong>do</strong> nível 0 e 1 de umsistema de automação. Observar asvárias redes de comunicação: Redeethernet industrial entre os CLPs eo nível 2 (sistemas de supervisão),rede de comunicação entre o CLP eequipamentos inteligentes (remotas econtrola<strong>do</strong>res locais especializa<strong>do</strong>s) eentre o CLP e IHM locais.CONCLUSÃONeste artigo analisamos o nível0 (nível de aquisição de sinais decampo) e o nível 1 (nível comunicaçãoentre CLPs e o sistema de supervisão)da arquitetura <strong>do</strong>s Sistemas deAutomação. Esperamos, então, que oleitor possa analisar esses aspectosna escolha da melhor arquitetura paraum sistema de automação. No próximoartigo abordaremos os demaisníveis da arquitetura de um sistemade automação.*Paulo C. de Carvalho é gerente de Engenhariada Altus/Campinas.Mecatrônica Atual nº10 - Junho - 2003 35
AtualAutomaçãoNotíciasF.4 Rede ethernet industrial em formato de anel óptico redundante .F.5 Arquitetura de sistema de automação.36Mecatrônica Atual nº10 - Junho - 2003
Controla<strong>do</strong>resde movimentoMário Sergio Di Grazia*A revolução industrial foi, sem dúvida, um marco inigualável nahistória moderna. A produção artesanal, dependente da habilidadeindividual, deu lugar à produção em massa, reduzin<strong>do</strong> os custos deprodução, elevan<strong>do</strong> a qualidade e permitin<strong>do</strong> o acesso a bens de consumoe bens duráveis a uma parcela cada vez maior da população.A automação de máquinas e equipamentos é a força propulsora daindústria moderna. Este artigo visa ilustrar o funcionamento básico <strong>do</strong>sControla<strong>do</strong>res de Movimento e sua contribuição ao desenvolvimentoda indústria em geral.DispositivosAtualOcrescente aumento <strong>do</strong> usode servo-acionamentos einversores de freqüênciaem máquinas de processos dedica<strong>do</strong>s,fez surgir os controla<strong>do</strong>resde movimentos, agregan<strong>do</strong> característicasde controla<strong>do</strong>res numéricoscomputa<strong>do</strong>riza<strong>do</strong>s (CNCs) com asmesmas funções e a facilidade de programaçãode um controla<strong>do</strong>r lógicoprogramável (CLP).Os controla<strong>do</strong>res de movimentos(figura 1) são equipamentos desenvolvi<strong>do</strong>spara automação de máquinasque necessitam de controle deposição, de trajetória, de velocidadeou torque.Possuem funções específicas paracontrole de servo-acionamentos comoposicionamentos simples, interpolaçãolinear, interpolação circular, interpolaçãohelicoidal, cames eletrônicos,engrenagem eletrônica entre outros.Tais funções são geralmente reunidasem blocos funcionais permitin<strong>do</strong>fácil programação, reduzin<strong>do</strong> o custode desenvolvimento <strong>do</strong> projeto, vistoque as mesmas já se encontram prontaspara uso, evitan<strong>do</strong> a criação dealgoritmos complexos e demora<strong>do</strong>s.F.1 Controla<strong>do</strong>res de Movimentos.Para facilitar a compreensão das funções<strong>do</strong>s controla<strong>do</strong>res de movimentos,descreveremos algumas das funçõesprincipais normalmente encontradasnos controla<strong>do</strong>res de movimentodisponíveis no merca<strong>do</strong>.CONTROLE DE TORQUEPermite o controle preciso <strong>do</strong>torque <strong>do</strong> servomotor independentementeda velocidade e posição <strong>do</strong>mesmo. O controle de torque é normalmenteutiliza<strong>do</strong> em aplicações onde agrandeza fundamental de controle é otorque e/ou a força aplicada à carga.Podemos citar como exemplo as operaçõesde rosqueamento de tampascomo as de embalagens de dentifrício,potes, frascos, etc., onde otorque de aperto deve ser o suficientepara garantir o perfeito fechamento daembalagem, porém não tão eleva<strong>do</strong>que impeça sua abertura.O controle de torque ainda é utiliza<strong>do</strong>para aperto de parafusos emblocos de motores e de máquinas,como também no controle de traçãoem bobinadeiras e desbobinadeiras.CONTROLE DE VELOCIDADEÉ uma das funções básicas de umcontrola<strong>do</strong>r. O controle de velocidadeé realiza<strong>do</strong> em malha fechada por realimentaçãode um encoder ou gera<strong>do</strong>rde pulsos. O controle em malhafechada proporciona alta precisão decontrole mesmo com grandes variaçõesde carga.É essencial no controle de “spindles”ou eixos - árvores em tornose/ou máquinas operatrizes, principalmenteem operações de usinagens deroscas, onde um desvio de velocidadeirá representar alteração no passo <strong>do</strong>filete, inutilizan<strong>do</strong> a peça.POSICIONAMENTOHá vários tipos de posicionamentosdependen<strong>do</strong> da função a ser realizadapela máquina. No caso de umposicionamento, o importante é levaro servomotor à posição solicitada coma máxima precisão.O posicionamento pode ser incrementalou absoluto. No posicionamentoincremental, o controla<strong>do</strong>r demovimentos conta os pulsos <strong>do</strong> encoderincremental e controla o servomotorde forma a atingir a posiçãosolicitada. No caso de perda de energia,a máquina deverá ser reiniciadaa partir da posição zero, visto que oencoder incremental não memoriza asua última posição. A maioria <strong>do</strong>s controla<strong>do</strong>respossui uma função específicadenominada “Home Position” oubusca da posição zero ou referenciamento,permitin<strong>do</strong> referenciar automaticamentea máquina. A função“Homing” utiliza normalmente o pulso“C” <strong>do</strong> encoder como referência deposição zero.Mecatrônica Atual nº10 - Junho - 2003 37
AtualDispositivosNo posicionamento absoluto énecessário a utilização <strong>do</strong> encoderabsoluto o qual informa em tempo realsua posição, mesmo com queda deenergia, não sen<strong>do</strong> necessário reiniciarou referenciar a máquina.A precisão <strong>do</strong> posicionamento édada pelo número de pulsos <strong>do</strong> encoder.Para um posicionamento precisoé recomendável que a resolução seja10 vezes maior que a resoluçãoda máquina. Por exemplo, para umamáquina que trabalhe com posicionamentosvarian<strong>do</strong> em 0,1 mm, o encoderutiliza<strong>do</strong> deverá indicar 0,01 mmpor pulso. Esse procedimento é necessário,visto que o posicionamento perfeitonão existe. O mesmo varia dentrode uma faixa aceitável de desvio,sen<strong>do</strong> normal o erro de mais oumenos um ou <strong>do</strong>is pulsos no final <strong>do</strong>posicionamento.Na maioria <strong>do</strong>s controla<strong>do</strong>res, épossível estabelecer a faixa de desviode posição aceitável, sen<strong>do</strong> o errosinaliza<strong>do</strong> pelo mesmo.Normalmente, é necessário informarao controla<strong>do</strong>r apenas o diâmetroe a posição inicial <strong>do</strong> círculo e o controla<strong>do</strong>rse encarregará de mover oseixos X e Y de forma a gerar o movimentocircular solicita<strong>do</strong>. A figura 3exibe uma mesa X,Y produzin<strong>do</strong> ummovimento circular.INTERPOLAÇÃO HELICOIDALEla necessita de três eixos, sen<strong>do</strong>formada pelas interpolações linear ecircular resultan<strong>do</strong> em uma trajetóriahelicoidal, como o filete de uma rosca,conforme se vê na figura 4.Geralmente é necessário informarapenas o diâmetro e o passo ao controla<strong>do</strong>rassim como as coordenadasde partida.ENGRENAGEM ELETRÔNICAEssa é uma das funções típicas<strong>do</strong>s Controla<strong>do</strong>res de Movimentos. Ocontrola<strong>do</strong>r garante o sincronismo defase mecânica da mesma forma queum conjunto de engrenagens.INTERPOLAÇÃO LINEARPara interpolação linear é necessáriaa utilização de <strong>do</strong>is eixos. Eixoé o nome genérico da<strong>do</strong> a um acionamentoindividual. A figura 2 ilustrauma mesa posiciona<strong>do</strong>ra X,Y, responsávelpelo deslocamento <strong>do</strong> cabeçotede corte a laser.Na interpolação linear os eixosX e Y são controla<strong>do</strong>s de formaque a somatória <strong>do</strong>s <strong>do</strong>is movimentosresulte em uma trajetória linear,também denominada de interpolaçãolinear.Na maioria <strong>do</strong>s Controla<strong>do</strong>res deMovimento é possível programar comfacilidade trajetórias lineares para formaçãode figuras geométricas definidasou compor figuras lineares porjustaposição de trajetórias. A figura2 mostra uma interpolação linear forman<strong>do</strong>um triângulo, que será corta<strong>do</strong>por um feixe de laser ou maçarico.F.2 Exemplo de Interpolação Linear.INTERPOLAÇÃO CIRCULARA interpolação circular é obtida por<strong>do</strong>is eixos de forma que o resulta<strong>do</strong>da ação conjunta <strong>do</strong>s mesmos resulteem um círculo.F.3 Exemplo de Interpolação Circular.38Mecatrônica Atual nº10 - Junho - 2003
DispositivosAtualmento <strong>do</strong> came no eixo <strong>do</strong> servo.Normalmente, é utiliza<strong>do</strong> um encoderinstala<strong>do</strong> em um ponto da máquinacomo referência de posição. Caso amáquina varie de velocidade, o controla<strong>do</strong>rirá seguir essa variação emfase mecânica varian<strong>do</strong> sincronizadamentea execução <strong>do</strong> came eletrônico.F.4Exemplo de Interpolação Helicoidal.F.6 Exemplo de Came Eletrônico.A figura 5 ilustra a aplicação emuma máquina impressora de quatrocores.No arranjo da esquerda, os castelosde impressão são aciona<strong>do</strong>spor um eixo único que distribui omovimento para cada castelo atravésde engrenagens. O motor de acionamentoé único e como a transmissãode movimentos é mecânica, existe umperfeito sincronismo entre os castelosde impressão.No arranjo da direita, os eixos eengrenagens foram substituí<strong>do</strong>s porservomotores aciona<strong>do</strong>s por um Controla<strong>do</strong>rde Movimentos. Esse arranjoé chama<strong>do</strong> de “Shaftless”, pois eliminao eixo único, reduzin<strong>do</strong> a complexidadede construção da máquinae permitin<strong>do</strong> maiores velocidades deoperação.A função de engrenagem eletrônicapermite ainda alterar o valor deengrenamento eletronicamente, comotambém avançar ou atrasar a fase deum <strong>do</strong>s servomotores, permitin<strong>do</strong> fácilajuste das cores de impressão.CAME ELETRÔNICOEsta função permite criar um movimentocomplexo sincroniza<strong>do</strong> a ummovimento de referência externo. Afigura 6 apresenta o arranjo mecânicotípico onde um motor aciona atravésde um redutor um came mecânico,que por sua vez aciona um êmboloproduzin<strong>do</strong> um movimento horizontalde acor<strong>do</strong> com o formato externo <strong>do</strong>came.A utilização de um Controla<strong>do</strong>r deMovimentos substitui o came mecânicoe seus acessórios por um servoacionamentoe um fuso de esferas.Através de programação adequada,o controla<strong>do</strong>r de movimentosreproduz eletronicamente o movi-FUNÇÕES LÓGICASFreqüentemente, os Controla<strong>do</strong>resde Movimentos oferecem, além dasfunções específicas de controle demovimentos, funções lógicas programáveisem diagrama de blocos <strong>do</strong>tipo “Ladder”, permitin<strong>do</strong> a implementaçãode lógicas de intertravamentoe coman<strong>do</strong>, facilitan<strong>do</strong> o projeto einstalação, visto que to<strong>do</strong> o controletorna-se residente em um único equipamento.CONCLUSÃOPodemos concluir que os Controla<strong>do</strong>resde Movimentos foram desenvolvi<strong>do</strong>spara facilitar a automação demáquinas e linhas de produção atravésda inserção de complexas rotinasde posicionamento e interpolação emsimples coman<strong>do</strong>s de programação.Inicialmente destina<strong>do</strong>s às máquinasde maior grau de complexidade, atualmenteestes controla<strong>do</strong>res (pela suarazoável redução de custos) já são utiliza<strong>do</strong>sem um número cada vez maiorde máquinas e equipamentos, reduzin<strong>do</strong>custos de produção e permitin<strong>do</strong>ampliar a produtividade e qualidadedas máquinas e linhas de produção.F.5 Exemplo de Engrenagem Eletrônica em uma máquina gráfica.*Mário Sergio Di Grazia é engenheirode aplicação da Yaskawa Elétrico <strong>do</strong>Brasil.Mecatrônica Atual nº10 - Junho - 2003 39
AtualRetrofittingPrincípios <strong>do</strong>smotores linearesPaulo E. Pansiera*O motor linear nada mais é <strong>do</strong> que uma massa com propriedadesmagnéticas, que é atraída ou repelida por outra e restringida a andarem trilhos.MOTORES LINEARES EMMÁQUINAS-FERRAMENTAAmesma força magnéticaque faz um rotor de ummotor convencional girar éa responsável pela propulsão em ummotor linear. O princípio é o mesmo,ou seja: tome um motor comum decorrente contínua e desenrole o estatorcom o mostra a figura 1. O efeitoproduzi<strong>do</strong> pelo eixo, que é conheci<strong>do</strong>como torque (produto da força peladistância <strong>do</strong> centro <strong>do</strong> rotor até a circunferênciamédia <strong>do</strong> estator) passaagora a uma única grandeza que é aforça tangencial.A potência, que no motor com rotoré calculada pelo produto <strong>do</strong> torquepela rotação, é no motor linear, calculadapelo produto força x velocidademédia.Para fazer o motor linear da figura1 mover-se, basta excitarmos o estatordesenrola<strong>do</strong> da mesma forma quefazíamos quan<strong>do</strong> este se apresentavaem disposição circular: alternan<strong>do</strong> ospólos e buscan<strong>do</strong> um alinhamento deopostos entre a parte móvel e fixa.Quanto mais rápi<strong>do</strong> alternarmos ospólos, mais veloz será o nosso motor.A perfeita combinação de freqüênciade chaveamento e corrente produziráum campo magnético capaz de asseguraracurácia e velocidade. Para tal,sempre em combinação com um motorlinear, deverá vir um conversor estáticoCA-CC ou CA-CA, dependen<strong>do</strong> da tecnologia<strong>do</strong> motor, assim como fazemoshoje com servomotores síncronos.Em máquinas-ferramenta, o modelode motor linear mais usa<strong>do</strong> é o deindução. Neste motor, a parte móvelé chamada de primário e construtivamenteé análoga ao estator (se bemque aqui não temos uma forma circular).Observe a figura 2.O outro pólo magnético forte échama<strong>do</strong> de secundário (figura 3).Osecundário é uma única peça (setor)ou seqüência de peças, com núcleode imãs permanentes e acessóriospara sua fixação à máquina.A disponibilidade comercial <strong>do</strong>secundário está em setores de 200, 300ou 500 mm, ou até de outras dimensões,dependen<strong>do</strong> <strong>do</strong> fabricante. Oprimário deverá sempre estar completamenteemparelha<strong>do</strong> ao secundário,por conseguinte, o número de setores<strong>do</strong> secundário deve ser suficiente parato<strong>do</strong> o curso útil <strong>do</strong> eixo e ainda algumafolga. Na prática, percebe-se que amelhor folga é exatamente o comprimento<strong>do</strong> primário, sen<strong>do</strong> 50% de sobrade secundário em cada extremidadede eixo (figura 4).Em termos de performance, taismotores possuem características querevolucionam a dinâmica da máquina.F.1 Princípio <strong>do</strong> motor digital.É claro que o trabalho da força tangencialserá sempre o mesmo, nãointeressan<strong>do</strong> se o motor é rotativo ouse é linear. Já a velocidade não. Comfusos de esfera, estávamos limita<strong>do</strong>sa rotações de 3000 e 4000 rpm, aproximadamente.Se desejássemos altasvelocidades com esses fusos, deveríamosdispor de passos largos e daí nãohaveria rigidez <strong>do</strong> fuso se os mesmosnão fossem de diâmetros apreciáveis:63 mm, 80 mm ou ainda maiores. Cominércias desta grandeza, principalmentepara a frenagem e aceleração,não era possível obter deslocamentosrápi<strong>do</strong>s em curtas distâncias e,dessa forma, ficávamos “escravos” demáquinas lentas e dizíamos (na verdadeainda dizemos) que o limite eramecânico.Os motores lineares vieram paraampliar esse limite. Modelos tradicionaisatingem 14500 N em velocidadesde 100 m/min. Para velocidades de200 m/min, a força fica reduzida praticamenteà metade. Perceba porémque quan<strong>do</strong> nos encontramos em altasvelocidades, não estamos requeren<strong>do</strong>esforço de corte e, portanto, as forçasnão precisam ser grandes. Já as velocidadessim, afinal, quan<strong>do</strong> não estamoscortan<strong>do</strong>, o tempo é morto.No caso da grandeza de força,considere um fuso de 60 mm de diâmetro.Se tivermos um motor linearproduzin<strong>do</strong> 10.000 N, isso equivalea termos um torque de 300 Nm naponta <strong>do</strong> fuso menciona<strong>do</strong>. É torquesuficiente para acionar muitas máquinas.Entretanto, se for necessário umaumento de força, pode-se usar umacombinação de <strong>do</strong>is primários paraproduzir um campo magnético maisforte.A figura 5 ilustra um exemplo deaplicação múltipla de motores linearesem máquina-ferramenta. Trata-se de40Mecatrônica Atual nº10 - Junho - 2003
RetrofittingAtualuma fresa<strong>do</strong>ra tipo portal onde to<strong>do</strong>sos eixos são lineares, assim como osmotores. Em motores lineares estamossalvos <strong>do</strong>s desgastes de fuso,folga da porca, necessidade de lubrificaçãoda porca, flexão e vida <strong>do</strong>srolamentos de mancalização.Para utilizar um motor linear, amáquina deverá ser “pensada” paratal. A própria estrutura mecânica quecarrega a ferramenta deverá ser rígidae leve, de forma a beneficiar-se dasvelocidades e acurácia destes motores(figura 6).Casos práticos mostram que motoreslineares possuem acurácia inferiora um centésimo de mícron: issomesmo, cem vezes menor que ummícron. Quer mais? Acelerações de2G. Com isso, você já tem motivos desobra para pensar ou, ao menos, considerarutilizar esses motores em umafutura aplicação.Alguns reprovam meu discursodizen<strong>do</strong> que eu não me refiro aocusto desses motores. Sem dúvida, ocusto por kW de um motor deste ésuperior (cerca de quatro vezes) aoequivalente rotativo. Contabilize que omotor linear elimina o uso de fusosde esfera, porcas e rolamentos, alémde ser afeta<strong>do</strong> pela baixa demanda demerca<strong>do</strong>.O mesmo aconteceu com os computa<strong>do</strong>res:no começo os preços eramexorbitantes até que alguém inventouo PC para a sua casa. O motor linear jáestá nesse estágio. Não estou dizen<strong>do</strong>que você deve trocar to<strong>do</strong>s os motorespor lineares desde já, mas considereinicialmente uma combinação.Máquinas híbridas estão surgin<strong>do</strong>,principalmente na área de linhas transferpara indústria automobilística etornos verticais. Nestes últimos, umeixo que é usa<strong>do</strong> tanto para a usinagemcomo para a carga e descarga, éequipa<strong>do</strong> com motor linear, enquantoque os demais ainda permanecemcom o conjunto tradicional de fuso deesfera e porca dupla.DIAGRAMA DE FORÇASE VELOCIDADESF.2 Parte móvel <strong>do</strong> motor linear.F.3 Parte fixa <strong>do</strong> motor linear.F.4 Parte móvel sobre parte fixa.F.5 Aplicação múltipla de motores lineares em máquina-ferramenta.Quan<strong>do</strong> buscamos um motor linear,o motivo mais forte deve ser umanecessidade de velocidade. O motorlinear é também uma máquina elétricae passível de realizar um trabalhomáximo, de acor<strong>do</strong> com suascaracterísticas construtivas e limitesexternos de drives.Falan<strong>do</strong> de índices e siglas úteispara a especificação <strong>do</strong> motor linear,veja na figura 7 onde as grandezasforça e velocidade estão representadas.F Nsignifica a força nominal<strong>do</strong> motor, que é um da<strong>do</strong> de catálogo.Também <strong>do</strong> catálogo de qualquerfabricante, você extrai F MAX. Emadição a esses <strong>do</strong>is fatores, outros<strong>do</strong>is surgem. São eles a V max, Fmaxe V max,FNsignifican<strong>do</strong> a velocidademáxima quan<strong>do</strong> a força também é amáxima e a velocidade máxima paraquan<strong>do</strong> a força é nominal.Perceba no gráfico que o segmentode (F max, V max,Fmax) para (F N,V max,FN) é uma reta e que representauma manutenção da potência máximaútil. O gráfico mostra um ponto de trabalhoF 1que está na região inferior dacurva. Apenas comportamentos nessaregião são possíveis.Em um “motor de gaiola” podemosacelerar indefinidamente por meio <strong>do</strong>aumento da freqüência até que hajaalgum tipo de instabilidade como umarco voltaico, sobre-aquecimento ouuma fadiga acelerada de rolamentos.Mecatrônica Atual nº10 - Junho - 2003 41
AtualRetrofittingF.6 Exemplo de estrutura de máquina.primário e o secundário. Esse espaço,chama<strong>do</strong> “gap” (<strong>do</strong> inglês), deve obedecera dimensão de 1 mm, com tolerânciade 0,3 mm. Nem mais nemmenos para reproduzir com exatidão ascaracterísticas mencionadas no catálogo<strong>do</strong> fabricante. Um gap diferentetorna o sistema mais instável, commenor acurácia ou mais rígi<strong>do</strong>, drenan<strong>do</strong>mais corrente e reduzin<strong>do</strong> olimite de força útil.A literatura disponível sobre motoreslineares no Brasil, resume-se aalguns catálogos de fabricantes estrangeirosou trabalhos de Mestra<strong>do</strong> eDoutora<strong>do</strong> sobre os princípios dessesmotores. O tratamento matemático<strong>do</strong>s motores lineares, principalmentepelo desenvolvimento das equaçõesde Maxwell para o plano, agora emtrês dimensões, diferentes <strong>do</strong> motortradicional (duas dimensões) foi elabora<strong>do</strong>em 1972 pelo Eng. SakaeYamamura, <strong>do</strong> IEEE - Tokyo. A ciênciaé bem nova. Aproveite feiras,palestras e outros eventos para familiarizar-secom este que será o suprasumoda tecnologia de movimentodeste início de século.*Paulo Eduar<strong>do</strong> Pansiera é supervisor devendas da área de soluções de automação paramáquinas-ferramenta da Siemens.F.7 Diagrama de forças e velocidade.No motor linear também podemos presenciarum limite mecânico e magnéticocausa<strong>do</strong> pela temperatura.Por ser um circuito de circulaçãode corrente, o “efeito joule” estápresente e com ele o aumento deimpedância pela temperatura. Se quisermosmanter as características deda<strong>do</strong>s de catálogo <strong>do</strong> motor, é importantemantê-lo refrigera<strong>do</strong> numa temperaturade no máximo 35 C para arefrigerante que vem <strong>do</strong> tanque.Verifican<strong>do</strong> o gráfico da figura 8,observe o quão drástico é o efeito datemperatura no rendimento <strong>do</strong>s motoreslineares. Após 35 C de temperatura<strong>do</strong> líqui<strong>do</strong> de entrada, a forçanominal já fica abaixo <strong>do</strong>s 100% deespecificação de catálogo. Caso nãose utilize líqui<strong>do</strong> refrigerante na circulaçãointerna, o motor terá no máximo50% de sua força nominal disponível.Acima de 120 C o motor já sofredanos estruturais. Até lá, a partir <strong>do</strong>s35 C já existe perda da acurácia.Dessa forma, recomen<strong>do</strong> fortementeo emprego de circuitos fecha<strong>do</strong>s derefrigeração forçada <strong>do</strong>s motores. Afigura 9 ilustra esses condutores.Ainda aproveitan<strong>do</strong> a figura, vejaque existe um espaço de ar entre oF.8 Rendimento <strong>do</strong> motor em relação à temperatura.F.9 Conectores para refrigeração.42Mecatrônica Atual nº10 - Junho - 2003
EnergiaAtualAterramento ElétricoAlexandre CapelliUm <strong>do</strong>s pontos mais críticos da instalação elétrica de umamáquina ou equipamento de automação industrial é, sem dúvida,o aterramento elétrico.O objetivo deste artigo é mostrar aspectos básicos das normas,problemas e soluções, bem como o processo de tratamento químico<strong>do</strong> solo.FUNÇÕES X NORMASABNT (Associação Brasileira deNormas Técnicas) possui uma normaespecífica que rege a área de instalaçõeselétricas em baixa tensão. Essanorma é a NBR 5410, cuja estrutura édividida em subseções. As de números:6.3.3.1.1, 6.3.3.1.2, e 6.3.3.1.3referem-se aos possíveis sistemas deaterramento que podem ser encontra<strong>do</strong>sna indústria. Não podemosconfundir, entretanto, um aterramento“dentro das normas”, com o melhoraterramento para uma situação emparticular. Conforme veremos maisadiante, a própria norma propõe trêstipos básicos de aterramento. Cabeao técnico ou engenheiro de campo,portanto, escolher a melhor alternativapara cada caso.“Sen<strong>do</strong> assim, o que garante anorma?”Ao contrário <strong>do</strong> que muitospensam, estar apenas dentro dasnormas não significa que o equipamentofuncionará bem.Quanto ao aterramento elétrico, aoinstalarmos uma máquina segun<strong>do</strong> aNBR5410, temos a certeza de quetrês itens básicos estão assegura<strong>do</strong>s:1º. O usuário <strong>do</strong> equipamento estáprotegi<strong>do</strong> contra descargas atmosféricas,através da viabilização de umcaminho alternativo para a terra.2º. Não haverá cargas estáticasacumuladas na carcaça da máquina.3º. Os dispositivos de proteçãocontra surtos terão seu funcionamentofacilita<strong>do</strong>, através da corrente desviadapara o terra.Para automação industrial é recomendávela utilização <strong>do</strong> procedimentopara “equipamentos detecnologia da informação”, onde ovalor ôhmico <strong>do</strong> terra é inferior a 5 Ω,e o sistema é equipotencial.Ora, notem que não estamos contemplan<strong>do</strong>EMI, funcionalidade <strong>do</strong>ssistemas de comunicação (RS-232,RS-485, etc.), entre outros fatores queinfluenciam o bom funcionamento <strong>do</strong>sistema.Isso significa que, além de cumpriras normas, o técnico deve escolherqual solução é a melhor, visto que oequipamento deve oferecer mais <strong>do</strong>que segurança.Segurança, aliás, não é diferencial,mas sim obrigação. Somente podemosconsiderá-la como tal, quan<strong>do</strong>ela vier acompanhada de boa performance,relação custo/benefício, econfiabilidade.A seguir trataremos <strong>do</strong>s três tiposmais comuns de aterramento utiliza<strong>do</strong>sna indústria, e devidamentenormaliza<strong>do</strong>s. O sistema IT não foiaborda<strong>do</strong>, ten<strong>do</strong> em vista sua restriçãode uso.F.1 Sistema TN-S.TIPOS DE ATERRAMENTOOs três sistemas da NBR 5410mais utiliza<strong>do</strong>s na indústria são:A – Sistemas TN-S:Notem pela figura 1 que temoso secundário de um transforma<strong>do</strong>r(cabine primária trifásica) liga<strong>do</strong> em Y.O neutro é aterra<strong>do</strong> logo na entrada,e leva<strong>do</strong> até a carga. Paralelamente,outro condutor identifica<strong>do</strong> como PE éutiliza<strong>do</strong> como fio terra, e é conecta<strong>do</strong>à carcaça (massa) <strong>do</strong> equipamento.B – Sistema TN-C:Esse sistema, embora normaliza<strong>do</strong>,não é aconselhável, pois ofio terra e o neutro são constituí<strong>do</strong>spelo mesmo condutor. Dessa vez, suaidentificação é PEN (e não PE, comoo anterior).Podemos notar pela figura 2 que,após o neutro ser aterra<strong>do</strong> na entrada,ele próprio é liga<strong>do</strong> ao neutro e àmassa <strong>do</strong> equipamento. Deve ser utiliza<strong>do</strong>somente quan<strong>do</strong> não há possibilidadeda passagem de mais umcabo pelo eletroduto.C – Sistema TT:Na figura 3 vemos que o neutroé aterra<strong>do</strong> logo na entrada e segue(como neutro) até a carga (equipamento).A massa <strong>do</strong> equipamento éMecatrônica Atual nº10 - Junho - 200343
AtualEnergiaMistura com 50% de terra e 50% degel..F.2 Sistema TN-C.Mistura pronta dentro <strong>do</strong> buraco.F.3 Sistema TT.aterrada com uma haste própria, independenteda haste de aterramento <strong>do</strong>neutro.Esse sistema é o melhor tipo paraevitar-se interferências elétricas entremáquinas, visto que cada terra é isola<strong>do</strong>.Entretanto, pela mesma razão,os equipamentos ficam mais susceptíveisà queima durante uma descargaatmosférica (loop de terra).TRATAMENTO QUÍMICO DO SOLOComo já observamos, a resistência<strong>do</strong> terra depende muito da constituiçãoquímica <strong>do</strong> solo. Muitas vezes,o aumento de número de “barras”de aterramento não consegue diminuira resistência <strong>do</strong> terra significativamente.Somente nessa situação devemospensar em tratar quimicamente osolo.O tratamento químico tem umagrande desvantagem em relação aoaumento <strong>do</strong> número de hastes, poisa terra, aos poucos, absorve os elementosadiciona<strong>do</strong>s. Com o passar <strong>do</strong>tempo, sua resistência volta a aumentar,por conseguinte, essa alternativadeve ser o último recurso.Temos vários produtos que podemser coloca<strong>do</strong>s no solo antes ou depoisda instalação da haste para diminuirmosa resistividade <strong>do</strong> solo. A Bentonitae o Gel são os mais utiliza<strong>do</strong>s.De qualquer forma, o produto a seremprega<strong>do</strong> para essa finalidade deveter as seguintes características:- Não ser tóxico- Deve reter umidade- Bom condutor de eletricidade- Ter pH alcalino (não corrosivo)- Não deve ser solúvel em água.SEQÜÊNCIA DETRATAMENTO QUÍMICO DO SOLOBuraco com 50 cm x 50 cmAdição de 25 litros de água.MisturarPreenchimento com terra.Uma observação importante noque se refere à instalação em baixatensão é a proibição (por norma)de tratamento químico <strong>do</strong> solo paraequipamentos a serem instala<strong>do</strong>s emlocais de acesso público (colunas desemáforos, caixas telefônicas, controla<strong>do</strong>resde tráfego, etc.). Essa medida44Mecatrônica Atual nº10 - Junho - 2003
EnergiaAtualvisa à segurança das pessoas nesseslocais.IMPLICAÇÕES DE UMMAU ATERRAMENTOAo contrário <strong>do</strong> que muitospensam, os problemas que um aterramentodeficiente pode causar nãose limitam apenas aos aspectos desegurança.É bem verdade que os principaisefeitos de uma máquina mal aterradasão choques elétricos ao opera<strong>do</strong>r, eresposta lenta (ou ausente) <strong>do</strong>s sistemasde proteção (fusíveis, disjuntores,etc.).Mas outros problemas operacionaispodem ter origem no aterramentodeficiente.TIPOS DE PROBLEMASENCONTRADOS EM CAMPO- Quebra de comunicação entremáquina e PC (CLP, CNC, etc.),em mo<strong>do</strong> on-line. Principalmente,se o protocolo de comunicação forRS-232.- Excesso de EMI gera<strong>do</strong> (interferênciaseletromagnéticas).- Aquecimento anormal das etapasde potência (inversores, conversores,etc.), e motorização.- Funcionamento irregular de computa<strong>do</strong>respessoais.- Falhas intermitentes, que nãoseguem um padrão.- Queima de CIs ou placas eletrônicassem razão aparente, mesmosen<strong>do</strong> elas novas e confiáveis.- Interferências e ondulações emmonitores de vídeo.BITOLA E CONEXÃO DO FIO TERRATer uma boa haste ou um solofavorável não basta para termos umbom aterramento elétrico.As conexões da haste com oscabos de terra, bem como a bitola <strong>do</strong>cabo terra também contribuem muitopara a resistência total de aterramento.No que se refere à bitola <strong>do</strong> fioterra, ela deve ser a maior possível.Temos a seguir uma regra prática queevita desperdícios, e garante um bomaterramento.Para:Sf < 35 mm 2 → St = 16 mm 2Sf ≥ 35 mm 2 → St = 0,5 SfOnde:Sf = a seção transversal <strong>do</strong>s cabos(fios) de alimentação <strong>do</strong> equipamento(fases).St = a seção transversal <strong>do</strong> fio terra.Observem que para diâmetros inferioresa 35 mm 2 para as fases, temoso fio terra de 16 mm 2 . Já para diâmetroiguais ou acima de 35 mm 2 , ofio terra deverá ter seção transversaligual à metade da seção <strong>do</strong>s cabosde alimentação. Quanto a conexões,devemos optar em 1º lugar pela fixaçãopor solda <strong>do</strong> fio terra à haste.Isso evita o aumento da resistência<strong>do</strong> terra por oxidação de contato. Seisso não for possível, poderemos utilizaranéis de fixação com parafusos.Nesse caso, porém, é convenienteque a conexão fique sobre o solo,e dentro de uma caixa de inspeção(figura 4).CONCLUSÃOConforme o leitor já deve terpercebi<strong>do</strong>, ao contrário <strong>do</strong>s bensde consumo (eletro<strong>do</strong>mésticos), odesempenho <strong>do</strong>s equipamentos industriaisé muito influencia<strong>do</strong> pelo aterramentoelétrico.Isso exige <strong>do</strong> técnico de integração,tanto <strong>do</strong>s processos contínuosquanto da manufatura, uma atençãoespecial. Portanto, é aconselhável aconsulta criteriosa da norma, bemcomo das especificações técnicas <strong>do</strong>fabricante.A melhor solução é o ponto deintersecção entre os <strong>do</strong>is “<strong>do</strong>cumentos”,pois esta é a alternativa que contemplamaior segurança com melhorperformance.F.4 Fio terra fixa<strong>do</strong> a haste por um anel.Referência Bibliográfica- “Mecatrônica Industrial” Alexandre Capelli,2002. Editora Saber Ltda.Este livro pode ser adquiri<strong>do</strong> pela Internet nosite www.editorasaber.com.br, ou pelo telefone(11) 6195-5333.Mecatrônica Atual nº10 - Junho - 200345
AtualDispositivosAnalisa<strong>do</strong>res porcondutibilidade térmicaGilberto Branco*A análise por condutibilidade térmica ou condutividade térmica,permite determinar a concentração de um gás em uma misturagasosa. A análise consiste em medir a condutibilidade térmica daamostra, relacionan<strong>do</strong>-a com a concentração <strong>do</strong> componente nogás em análise. Essa técnica é muito utilizada atualmente paradeterminar a concentração de H 2(Hidrogênio) em uma amostra.Embora seja uma análise quantitativa,uma vez que o detector,como veremos na sequência,não consegue determinar qualgás está sen<strong>do</strong> analisa<strong>do</strong> e sim oquanto de calor é transferi<strong>do</strong> <strong>do</strong> filamentopara o gás, trata-se de umatécnica com grande velocidade de respostae de fácil adaptação no controlee supervisionamento de processos. Poressas razões, e também devi<strong>do</strong> aorelativo baixo custo <strong>do</strong> equipamento,esse tipo de analisa<strong>do</strong>r é muito emprega<strong>do</strong>na análise de gases industriais.Alguns conceitos fundamentais queforam utiliza<strong>do</strong>s no desenvolvimentodessa técnica são:Calor: que é a energia térmica quese transfere de um corpo para outro,ou entre as partes deste, quan<strong>do</strong>houver diferença de temperatura.Transferência de calor: que podeocorrer de três mo<strong>do</strong>s diferentes: Condução,Convecção e Radiação.E, independentemente <strong>do</strong> processo,o calor se propaga espontaneamentede um ponto de maior temperatura paraoutro de menor temperatura.térmica em kcal / h . m 2 . o C / mS = área da secção transversalem m 2θ = diferença de temperatura emoCe = espessura em m.Como podemos observar, o fluxocalorífico depende não apenas dasdimensões físicas e diferença de temperatura,mas também de uma característicafísica própria <strong>do</strong> meio ondese processa a transferência de calor,que é a condutibilidade térmica.Define-se, então, condutibilidadetérmica como a capacidade da matériade conduzir calor, com menor oumaior facilidade.CONDUTIBILIDADE TÉRMICADOS GASESA equação que determina a condutibilidadetérmica <strong>do</strong>s gases emrelação ao ar atmosférico é:onde:Kr = condutibilidade térmica relativa<strong>do</strong> gásK gás= condutibilidade térmica <strong>do</strong>gás em kcal / h . m 2 . o C / mK ar= condutibilidade térmica <strong>do</strong> arem kcal / h . m 2 . o C / mAlgumas literaturas apresentam osCONDUTIBILIDADE TÉRMICAEm 1822, Fourier definiu que emregime estacionário, o fluxo caloríficoem um material homogêneo é da<strong>do</strong>pela equação:onde:φ = fluxo caloríficoK = coeficiente de condutibilidadeT.1 Condutibilidade térmica de alguns gases.46Mecatrônica Atual nº10 - Junho - 2003
DispositivosAtualvalores de condutibilidade térmica <strong>do</strong>svários gases e na tabela 1 observamosa condutibilidade térmica dealguns gases, em valores absolutos(K) e relativos (Kr).Note que a condutibilidade térmica<strong>do</strong> Hélio (He) e <strong>do</strong> Hidrogênio (H 2)é substancialmente maior <strong>do</strong> que asdemais, o que torna esse tipo de análisebastante seletiva. Porém, deve-seter cuida<strong>do</strong>s principalmente com outrosgases mistura<strong>do</strong>s na amostra, uma vezque, como veremos a seguir, a misturade um ou mais gases faz com que aamostra tenha uma alteração da condutibilidadetotal.CONDUTIBILIDADE TÉRMICA DEUMA MISTURA GASOSAA condutibilidade térmica de umamistura gasosa depende <strong>do</strong> tipo e daconcentração de seus componentese pode ser calculada, dentro de umdesvio médio de 2%, pela seguinteequação:onde:Km = condutibilidade térmica damisturaKi = condutibilidade térmica decada gásji = fração molar de cada gásMi = massa molar de cada gás.componente em análise com a condutibilidadetérmica da mistura gasosa.Nesse princípio de operação, é utiliza<strong>do</strong>um circuito de medição queopera por comparação consistin<strong>do</strong>,na sua forma mais simples, de duascâmaras idênticas conectadas nosbraços adjacentes de uma ponte deWheatstone, observe a figura 1. Umadas câmaras (M) é a de medição naqual circulará a amostra, enquanto aoutra câmara (R) é a de referência,onde um gás de características térmicasconstantes pode ser sela<strong>do</strong> oucircular continuamente. Esse tipo dearranjo compensa particularmente asvariações de temperatura externa àscâmaras.Quan<strong>do</strong> as duas câmaras contiveremo mesmo gás (usualmente acâmara de referência é preenchidacom Nitrogênio - N 2), os filamentosaqueci<strong>do</strong>s, que transferem calor nosenti<strong>do</strong> das paredes internas dascâmaras, estarão na mesma temperatura.Dessa forma, a ponte estaráeletricamente equilibrada levan<strong>do</strong> oamplifica<strong>do</strong>r a “entender” que nãoexiste gás de interesse na câmarade medição, fazen<strong>do</strong> com que a indicação<strong>do</strong> analisa<strong>do</strong>r seja o início dafaixa de medição.Se fizermos circular pela câmarade medição uma mistura que contenhaum gás de interesse, por exemplo,H 2em N 2, a temperatura <strong>do</strong>filamento de medição ficará menorque a temperatura da câmara dereferência, pois a condutibilidadetérmica dessa mistura é maior quea <strong>do</strong> N 2. Assim sen<strong>do</strong>, a ponte seráeletricamente desequilibrada, aparecen<strong>do</strong>então uma corrente queo amplifica<strong>do</strong>r enviará para o indica<strong>do</strong>rna proporção da concentração<strong>do</strong> componente na amostra. Aescala <strong>do</strong> medi<strong>do</strong>r poderá, dessamaneira, ser calibrada em % Vol deH 2. Observe, porém, que esse dispositivomede a diferença de condutibilidadetérmica entre os gasesdas duas câmaras.Os circuitos de medição são configura<strong>do</strong>sde acor<strong>do</strong> com o númeroe a disposição elétrica das câmarasde medição e referência na pontede Wheatstone, fator esse que apresentacomo maior vantagem entre asdemais configurações, a de ser maissensível para qualquer tipo de componenteanalisa<strong>do</strong>.Usualmente, as câmaras de mediçãoe referência são projetadas deforma a minimizar as perdas de calorPRINCÍPIO DE OPERAÇÃOEssa técnica consiste em relacionara concentração <strong>do</strong> gásF.1 Circuito básico de medição.F.2 Exemplo de câmara.Mecatrônica Atual nº10 - Junho - 2003 47
AtualDispositivospor convecção e radiação, uma vezque o filamento deve perder calorapenas por condução no gás. Essascâmaras são encontradas sob formasdiferentes, de acor<strong>do</strong> com o mo<strong>do</strong>pelo qual o gás é admiti<strong>do</strong> no interiorda câmara. Veja o exemplo dafigura 2. Caso a câmara de referênciaseja <strong>do</strong> tipo selada, as conexõesde entrada e saída serão fechadaspor conectores apropria<strong>do</strong>s, após oenchimento da câmara com gás dereferência.APLICAÇÃOO analisa<strong>do</strong>r por condutibilidadetérmica pode ser encontra<strong>do</strong> nosmais varia<strong>do</strong>s tipos de processosindustriais tais como: fracionamento<strong>do</strong> ar, alto-forno, conversor, síntese<strong>do</strong> amoníaco e fornos, determinaçãode contaminantes, etc. A seguir, descreveremosum exemplo de aplicaçãopara análise “on-line” utiliza<strong>do</strong>em uma planta de fracionamento dear.IntroduçãoUma planta de fracionamento dear, normalmente separa os componentes<strong>do</strong> ar atmosférico em trêscomponentes gasosos puros, Nitrogênio(N 2), Oxigênio (O 2), e Argônio(Ar). Os outros componentes <strong>do</strong> aratmosférico, tais como, vapor deágua, Dióxi<strong>do</strong> de Carbono (CO 2), e oshidrocarbonetos são contaminantese devem ser removi<strong>do</strong>s para garantira segurança, a eficiência de operaçãoda planta e a pureza/qualidade<strong>do</strong> produto.Princípio de Operação Geral deuma Planta de Separação deAr AtmosféricoExistem três tipos de tecnologiasbásicas que permitem a separação<strong>do</strong> ar atmosférico em componentespuros. Esses processos incluem:- Fracionamento por criogenia;- Adsorção por balanço de pressão(PSA);- Membrana de separação.O baixo custo e a facilidadede produção, porém com perda dapureza, tem torna<strong>do</strong> esta nova tecnologia(processo não criogênico) maisatrativa.As peneiras moleculares têm acapacidade de adsorver moléculasde gás para separar o Oxigênio <strong>do</strong>Nitrogênio usan<strong>do</strong> a tecnologia deadsorção por balanço de pressão(PSA). Da mesma forma, a tecnologiade membrana de separação permiteuma rápida permeação <strong>do</strong> oxigênio e<strong>do</strong> vapor de água <strong>do</strong> fluxo de Nitrogênioque atravessa as fibras da membrana.Aplicações de Analisa<strong>do</strong>resde GásOs custos de produção em umaplanta desse tipo são inicialmenterelaciona<strong>do</strong>s à operação e à energiaelétrica. Entretanto, esses custospodem inviabilizar a planta caso asvariáveis <strong>do</strong> processo não sejam bemcontroladas. Uma alta concentraçãode impurezas no Oxigênio, por exemplo,torna o produto de menor qualidadee, em decorrência disso, demenor valor no merca<strong>do</strong>. Os analisa<strong>do</strong>resde gás têm um papelfundamental nestes processos paragarantir a eficiência e conseqüentementea pureza e a qualidade <strong>do</strong>sF.2 Pontos típicos de análise.gases produzi<strong>do</strong>s.A figura 3 ilustra alguns pontosde análise que podem ser aplica<strong>do</strong>sneste processo.Uma das medições consideradasem uma planta de fracionamento dear atmosférico é a concentração deHidrogênio no ponto após a unidadede remoção de Oxigênio.O Hidrogênio é introduzi<strong>do</strong> nacoluna de Argônio bruto (em excessoe na quantidade determinada pelo cálculoestequiométrico) com a finalidadede remover o Oxigênio (contaminantenessa fase <strong>do</strong> processo).O excesso de Hidrogênio é monitora<strong>do</strong>para controlar a adição e aeficiência da conversão. Um analisa<strong>do</strong>rde condutibilidade térmica é normalmenteutiliza<strong>do</strong> nessa etapa <strong>do</strong>processo para manter o excesso <strong>do</strong>Hidrogênio < que 3%.Deve-se considerar que as característicasespecíficas da plantadependerão <strong>do</strong>s produtos e da pureza/qualidade desejada <strong>do</strong>s produtos aserem extraí<strong>do</strong>s <strong>do</strong> processo. Conseqüentemente,o tipo e a naturezada instrumentação empregada dependerá<strong>do</strong> projeto da planta. As possíveisaplicações mencionadas são típicas epodem não ser necessárias em todasas plantas.48Mecatrônica Atual nº10 - Junho - 2003
DispositivosAtualDICAS PRÁTICASGases InterferentesA amostra aplicada na mediçãopode ser binária, ou seja, compostaspor <strong>do</strong>is componentes, ou complexaque tenha um comportamento binário<strong>do</strong> ponto de vista da condutividade térmica.Essa condição é possível desdeque a variação <strong>do</strong>s diversos componentesseja interdependente.Nunca se deve desprezar a presençade outros gases na composiçãoda amostra, uma vez que asomatória da condutividade térmicadesses gases será “sentida” pelosensor e, como resulta<strong>do</strong>, será indicadaerroneamente como concentração<strong>do</strong> componente de interesse,ocasionan<strong>do</strong> um erro substancial aoresulta<strong>do</strong> da análise.Sistema deamostragemComo em qualquer aplicação deanálise, é necessário um sistema deamostragem apropria<strong>do</strong> para que seobtenha uma análise precisa e confiável.As aplicações em analisa<strong>do</strong>resem uma planta de separação de aratmosférico não são diferentes.Embora os pontos a serem analisa<strong>do</strong>ssejam limpos e praticamentelivres de contaminantes, há diversosoutros fatores importantes que, casosejam ignora<strong>do</strong>s, podem acarretar emsérias falhas na análise.Amostra na fase gasosaUsualmente, uma amostra na fasegasosa tem a seguinte seqüência:- Filtragem inicial;- Controle e redução da pressão;- Transporte da amostra até o analisa<strong>do</strong>r;- Chaveamento da amostra (quan<strong>do</strong>aplica<strong>do</strong>);- Controle de amostra / by-pass;- Chaveamento de amostra / gásde calibração (quan<strong>do</strong> aplica<strong>do</strong>);- Filtro final;- Análise.Nesse tipo de processo, ondemuitas análises são feitas em baixasconcentrações (parte por milhão -ppm), deve ser dada uma atençãoespecial para que seja evitada umacontaminação da amostra, que podeser facilmente causada pela absorção(pelos componentes analisa<strong>do</strong>s) decontaminantes existentes no própriosistema de amostragem.Outra fonte de erros pode ser adifusão <strong>do</strong>s componentes <strong>do</strong> ar atmosférico,através de tubos ou outrosmateriais plásticos ou de pequenosvazamentos no sistema.Estes problemas podem serminimiza<strong>do</strong>s utilizan<strong>do</strong>-se materiaisnão adsorventes, não quimicamenteativos. O aço inoxidável é tipicamenteo melhor material para análises combaixa umidade.A manutenção de uma alta vazãode by-pass (em relação ao diâmetro<strong>do</strong> tubo de amostragem), asseguraplantas de separação de ar atmosféricoque utilizam amostras em fluxoque contêm amostras na fase líquida.Essas amostras devem ser vaporizadasde forma a se obter composiçõesrepresentativas e para que seja evita<strong>do</strong>“tempo morto” no processo deanálise.Basicamente, os cuida<strong>do</strong>s devemser os mesmos já cita<strong>do</strong>s, lembran<strong>do</strong>ainda que deve ser dada especialatenção no processo de volatilização<strong>do</strong> componente a ser analisa<strong>do</strong>.Dois méto<strong>do</strong>s que têm si<strong>do</strong> aplica<strong>do</strong>scom sucesso consistem navaporização por spray e a deposiçãode gotas da fase líquida sobre umasuperfície aquecida. A transferência<strong>do</strong> calor se dá de forma rápida, per-Embora os pontos a serem analisa<strong>do</strong>s sejamlimpos e praticamente livres de contaminantes,há diversos outros fatores importantes que, casosejam ignora<strong>do</strong>s, podem acarretar em sériasfalhas na análise.um rápi<strong>do</strong> equilíbrio e um baixotempo de resposta ao sistema e aamostra.Para análises de concentraçãomuito baixa, (< 25 ppm), é importanteque sejam evita<strong>do</strong>s os tubos dematerial plástico nas linhas de amostragem,bem como outras possíveisfontes de difusão tais como, diafragmasde borracha nos regula<strong>do</strong>res depressão.Onde houver aplicações debombas de amostragem, e foremutilizadas bombas com diafragmasde borracha, deve-se providenciar apurga reversa (back purge) <strong>do</strong> la<strong>do</strong>externo da membrana de borrachapara garantir que os contaminantesatmosféricos sejam manti<strong>do</strong>s fora <strong>do</strong>contato com o diafragma.Como em qualquer sistema deanálise, os pontos onde pode haveracúmulo de gás (zona morta) devemser reduzi<strong>do</strong>s e/ou elimina<strong>do</strong>s, diminuin<strong>do</strong>-seassim o tempo morto daanálise.Amostra na fase líquidaExistem diversas aplicações emmitin<strong>do</strong> a vaporização de toda a faselíquida, incluin<strong>do</strong> até mesmo os componentesque tenham um alto pontode ebulição como os hidrocarbonetos.Em resumo, embora as amostrasnesse tipo de processo sejam geralmentelimpas e livres de contaminantes,são necessárias algumasconsiderações especiais principalmentepara análises em baixa concentração.Esses problemas, embora nãosejam de difícil solução, devem serobserva<strong>do</strong>s e resolvi<strong>do</strong>s para garantira confiabilidade da análise.Bibliografia- Hauser, E. A., “The Application of On-Stream Analytical Instrumentation in AirSeparation Plants” Beckman instruments,1965.- Shelley, Suzanne, “Out of Thin Air”. ChemicalEngineering, 1991.- Hardenburger, Thomas, “Producing Nitrogenat the Point of Source”, Chemical Engineering,1992.- Analisa<strong>do</strong>res Industriais - SENAI - Santos.B.L. Costa Neto e C.H. Brossi.1982.*Gilberto Branco é Engenheiro de Aplicaçãoda Contech Engenharia.Mecatrônica Atual nº10 - Junho - 2003 49
AtualEletrônicaAplicações de redesRS - 485Carlos Henrique C. Ralize*Muitas das redes de comunicação existentes atualmentesão baseadas no padrão elétrico RS-485. Sempreque precisamos de um meio elétrico para criar uma redemultiponto a longas distâncias ou alta velocidade, cominstalação rápida e barata, a primeira opção é a RS-485.Suas aplicações se estendem desde a integração depontos de venda e terminais de coleta de da<strong>do</strong>s até aplicaçõesde alto desempenho em Automação Industrial,incluin<strong>do</strong> também redes de terminais de preços em lojasde departamentos até a interligação de sensores meteorológicos.Mas qual o segre<strong>do</strong> de tal popularidade?Onome RS-485 significaRecommended Standard485. Apesar de ser conheci<strong>do</strong>por esse nome, o padrão jáfoi transforma<strong>do</strong> em norma pela TIA(Telecommunications Industry Association)e pela EIA (Electronic IndustriesAlliance). A última revisão datade março de 1998 e o código danorma é TIA/EIA-485-A. Ainda assim,a norma continua com o mesmo caráterde recomendação para a indústriaeletrônica e de telecomunicações. Istoquer dizer que apenas os padrõeselétricos necessários à fabricação detransmissores e receptores são claramentedefini<strong>do</strong>s. Entre esses padrõesestão o mo<strong>do</strong> de transmissão diferencial,as impedâncias máximas emínimas de entrada e saída <strong>do</strong>s dispositivose os níveis de tensão aceitáveisna rede. Detalhes como tipos decabos e conectores, número máximode nós, técnica de terminação, taxasde transmissão e distâncias máximas,bem como o protocolo de comunicaçãodigital são deixa<strong>do</strong>s em aberto enormalmente são determina<strong>do</strong>s pelosfabricantes de redes baseadas naRS-485.O padrão RS-485 pode ser defini<strong>do</strong>como uma rede ponto-multiponto,half-duplex, com transmissãodiferencial. Isso significa que a redepode ser formada por vários dispositivosconecta<strong>do</strong>s ao mesmo barramentoe que, enquanto um <strong>do</strong>sdispositivos opera como transmissor,F.1 As tensões características de um canal RS-485.to<strong>do</strong>s os outros operam como receptores.O mecanismo de controlede acesso ao meio físico não é defini<strong>do</strong>no padrão e faz parte <strong>do</strong> protocoloutiliza<strong>do</strong>. São muito comunsimplementações baseadas no mecanismo“Mestre-Escravo”, mas tambémpodem ser utiliza<strong>do</strong>s escalona<strong>do</strong>resou o mecanismo “Token-Passing”. Épossível ainda empregar o padrão50Mecatrônica Atual nº10 - Junho - 2003
EletrônicaAtualF.3 Composição da tensão de mo<strong>do</strong>comum (V CM) em um canal RS-485.F.2 Níveis de tensão típicos de uma transmissão RS-485. Note que a tensão de 0 V édiferencial. Pode haver uma diferença de potencial entre este nível e o terra.RS-485 para comunicação full-duplex,ou seja, transmissão e recepçãosimultânea. Neste caso, a rede nãoserá ponto-multiponto, mas sim pontoa ponto, e serão utiliza<strong>do</strong>s <strong>do</strong>is paresde cabos.A transmissão <strong>do</strong> sinal é diferencial.Isso quer dizer que qualquertransmissor RS-485 possui <strong>do</strong>is canaisindependentes conheci<strong>do</strong>s como A eB, que transmitem níveis de tensãoiguais, porém com polaridades opostas(V OAe V OBou simplesmente V AeV B). Por esta razão, é importante quea rede seja ligada com a polaridadecorreta. Embora os sinais sejam opostos,um não é o retorno <strong>do</strong> outro,isto é, não existe um loop de corrente.Cada sinal tem seu retorno pelaterra ou por um terceiro condutor deretorno, entretanto, o sinal deve serli<strong>do</strong> pelo receptor de forma diferencialsem referência ao terra ou ao condutorde retorno. Este sinal diferencial,li<strong>do</strong> em relação ao ponto centralda carga, é que é interpreta<strong>do</strong> comosinal de transmissão. Qualquer tensãomaior que 200 mV é um nível altoou “marca”. Uma tensão menor que-200 mV é um nível baixo ou “espaço”.Níveis entre -200 mV e +200 mVsão indefini<strong>do</strong>s e interpreta<strong>do</strong>s comoruí<strong>do</strong>. As figuras 1 e 2 ilustram a relaçãoentre estas tensões.Uma das características mais marcantes<strong>do</strong> padrão RS-485 é a tensãode mo<strong>do</strong> comum. Esta tensão é asoma de três componentes: a tensãodiferencial V OS, já citada, a diferençaentre os potenciais de terra <strong>do</strong>s dispositivose o ruí<strong>do</strong> induzi<strong>do</strong> nos cabos. Afigura 3 mostra esta composição. Osdispositivos RS-485 devem ser construí<strong>do</strong>spara suportar V CMvarian<strong>do</strong>entre -7 e +12 V. Essa diferença ocorreporque os circuitos A e B, por não formaremum loop de corrente, têm seuretorno absorvi<strong>do</strong> pelo terra. Diferençasde potencial de terra podem provocaresta diferença que na norma édefinida como V GPD. Em redes muitolongas esta tensão pode exceder oslimites de segurança poden<strong>do</strong>, inclusive,causar a queima <strong>do</strong>s circuitostranceptores. Um fato pouco conheci<strong>do</strong>é que um terceiro condutor podeser usa<strong>do</strong> para referência de tensão,como exemplifica<strong>do</strong> na figura 4. Sehouver a necessidade de fazer essaequalização, devemos utilizar um cabocom três condutores e interligar o terceirocondutor ao pino “signal GND”.Além disso, devemos desacoplar essecondutor <strong>do</strong> terra pela utilização deum protetor contra surtos capaz deabsorver sobretensões e descargasatmosféricas. Este tipo de instalação,no entanto, não é muito comum e namaioria <strong>do</strong>s casos o retorno pelo terraé suficiente.O outro componente importante datensão em mo<strong>do</strong> comum é a tensão deruí<strong>do</strong> V NOISE. Normalmente, os cabosemprega<strong>do</strong>s em redes RS-485 sãopares trança<strong>do</strong>s. Neste caso, podemosconsiderar que a tensão de ruí<strong>do</strong>será induzida igualmente em ambosos condutores, como mostra<strong>do</strong> nafigura 3. Por ser somada igualmenteaos <strong>do</strong>is condutores, o diferencial V OSrelativo ao ruí<strong>do</strong> induzi<strong>do</strong> será próximode 0 V. Isso permite reconstruiro sinal envia<strong>do</strong> com grande precisãomesmo em presença de muitos ruí<strong>do</strong>selétricos. Isso reduz a necessidade deusar cabos blinda<strong>do</strong>s na maioria dasaplicações. Ainda assim, se estivermostrabalhan<strong>do</strong> em altas velocidadesou longas distâncias em ambientesindustriais, os cabos blinda<strong>do</strong>s proverãomais estabilidade à rede.A figura 5 ilustra as tensões V OAe V OBmedidas em relação ao terra.Observe que há ruí<strong>do</strong> induzi<strong>do</strong> deforma praticamente igual nos <strong>do</strong>iscanais. A figura 6 demonstra a tensãodiferencial medida entre os condutoresA e B na mesma rede.OS LIMITES DO PADRÃOQualquer padrão de rede temlimites quanto à distância máxima,número máximo de dispositivos (ounós), dimensionamento de terminaçõese máxima taxa de comunicação.Com o padrão RS-485 não é dife-Mecatrônica Atual nº10 - Junho - 2003 51
AtualEletrônicaF.4 Terceiro condutor usa<strong>do</strong> como referênciade tensão para os sinais.rente, mas, curiosamente, uma dasrazões da popularidade desse padrãoé que esses limites são muito flexíveise em muitos casos, facilmente ultrapassa<strong>do</strong>s.A norma define que a máxima distânciade ponta a ponta em umarede RS-485 é de 5000 pés (aproximadamente1200 m) e a máximataxa de transmissão é de 10 Mb/s.Existe uma relação inversa entre ocomprimento <strong>do</strong> cabo e a velocidademáxima como apresenta<strong>do</strong> no gráficoda figura 7. A queda de velocidadeem grandes distâncias deve-seà necessidade de considerar os atrasosna transmissão causa<strong>do</strong>s pelaindutância e capacitância <strong>do</strong> cabo.Estes limites são os mínimos recomenda<strong>do</strong>spela norma, no entantoexistem redes que excedem ligeiramenteestes valores usan<strong>do</strong> transceptorescom características elétricasligeiramente alteradas. A rede Profibus,por exemplo, pode atingir 12Mb/s a 100 m e algumas redespodem alcançar distâncias maioresque 1200 m. É possível também utilizarrepeti<strong>do</strong>res para aumentar a distânciamáxima.Outro limite que pode ser ultrapassa<strong>do</strong>é o número de dispositivos porsegmento de rede. A norma defineum valor de impedância de entradapara os dispositivos correspondentesa uma Unidade de Carga (UL) e estabeleceque um dispositivo receptor outransceptor não pode exceder 1 UL.Também determina que um transmissordeve ser capaz de alimentar umarede carregada com até 32 ULs maiscabos e terminações. Daí, é naturalconcluir que uma rede RS-485 podepossuir no máximo 32 dispositivos.F.5 Medição <strong>do</strong>s canais A e B emrelação ao GND.F.6 Forma de onda <strong>do</strong> sinal diferencial.Todavia, essa conclusão não é correta.Na verdade, a carga máximadeve ser de 32 ULs, mas se um fabricanteproduz dispositivos com cargade 1⁄2, 1⁄4 ou 1/8 de UL, podem serformadas redes com até 64, 128,ou 256 dispositivos respectivamente.Algumas redes comerciais existentesse baseiam nesse tipo de dispositivoscom carga reduzida. Mesmo com dispositivosde 1 UL, é possível empregarrepeti<strong>do</strong>res para criar segmentosde rede independentes. Cada segmentopode ter carga de 32 UL. Opadrão não impõe limite máximo denúmero de segmentos ou de dispositivosem uma rede, porém esse númeronão é ilimita<strong>do</strong>, pois depende inclusiveda taxa de transmissão, da distânciamáxima da rede e da quantidade dedispositivos endereçáveis. O próprioendereçamento não é estabeleci<strong>do</strong>pelo padrão RS-485, mas sim peloprotocolo usa<strong>do</strong>. Por essa razão, háredes com o número máximo de nósendereçáveis varian<strong>do</strong> de 32 até 512nós.Enfim, duas outras característicasimportantes que não são totalmentedefinidas na norma são a topologiae as terminações. Pode-se utilizarRS-485 em uma variedade de topologias,como barramento, estrela ouanel. As topologias mais usadas sãoo barramento ou o daisy chain, umavariação <strong>do</strong> barramento em que ocabo vai de um nó diretamente aopróximo, ao invés de um barramentocom derivações (ver figura 8). Natopologia em barramento são forma<strong>do</strong>s“stubs”, trechos de cabo distantes<strong>do</strong> barramento e que podemadicionar cadeias de propagação dereflexões de sinais, causan<strong>do</strong> erros.A norma define que os stubs devemser manti<strong>do</strong>s curtos, por esta razão,precisa ser evitada a configuraçãoem estrela que possui muitos stubslongos. Pela mesma razão, a melhortopologia é a daisy chain em queos stubs são praticamente inexistentes.Redes como a Profibus possuemconectores apropria<strong>do</strong>s para a montagemdesta topologia. Embora redesem anel como a da figura não sejamrecomendáveis, é possível construiranéis compostos por vários segmentosponto a ponto, ou seja, cadadispositivo se comunica com o anteriorpor um canal ponto a ponto fullduplexe com o próximo por outrocanal RS-485 de mesmas características.A rede Interbus se baseianeste princípio. Embora pareça maiscomplica<strong>do</strong>, uma vez que cada dispositivodeve possuir <strong>do</strong>is transceptores,esta configuração permite criarredes de até 12 km, com até 512dispositivos se comunican<strong>do</strong> a 500kbps.Quanto às terminações, existemvárias técnicas. Uma rede curta trabalhan<strong>do</strong>em baixas velocidades podeoperar sem terminação. O méto<strong>do</strong>mais usual é utilizar <strong>do</strong>is resistoresde terminação com resistência equivalenteà impedância <strong>do</strong> cabo, conecta<strong>do</strong>sem paralelo com a rede, umem cada extremidade. A maior parte<strong>do</strong>s cabos usa<strong>do</strong>s em redes RS-485possui impedância próxima a 100 Ω,mas isso não é uma regra geral e énecessário consultar o fabricante <strong>do</strong>cabo para dimensionar corretamenteas terminações.Mas agora o leitor deverá estarse perguntan<strong>do</strong>: Se to<strong>do</strong>s os limitessão flexíveis, como devo dimensionarminha instalação? Como posso saber52Mecatrônica Atual nº10 - Junho - 2003
EletrônicaAtualqual a carga de meus dispositivos?Quantos dispositivos posso empregarem cada segmento? Quantos endereçosposso ter? Eu preciso utilizarcabos blinda<strong>do</strong>s? Que tipo de terminaçãousar?Para todas estas perguntas, a respostaé a mesma. Embora o padrãoRS-485 tenha muitos pontos emaberto, as redes derivadas dessepadrão possuem características muitobem definidas pelo fabricante oupelo consórcio que regulamenta aimplementação. E estas característicasdevem ser obedecidas. Algumasimplementações definem as características<strong>do</strong>s cabos, tais como a quantidadede condutores, blindagem eàs vezes até a cor <strong>do</strong>s condutorese da capa externa. Todas defineminclusive a pinagem <strong>do</strong>s conectores,a resistência e configuração das terminações,as taxas de transmissão,topologias recomendadas, númeromáximo de dispositivos endereçáveis,méto<strong>do</strong>s de identificação <strong>do</strong>sda<strong>do</strong>s, tamanho <strong>do</strong> pacote de da<strong>do</strong>s,méto<strong>do</strong> de controle de acesso aomeio, etc.Entre as redes industriais deprotocolo aberto existentes atualmente,são baseadas na RS-485:Profibus, Interbus e Modbus. Alémdessas, dezenas de fabricantesde equipamentos industriais possuemimplementações proprietáriasbaseadas na RS-485. Cada umadelas tem características ligeiramentediferentes, mas podemos tercerteza de que todas partilhammuitas características elétricas emcomum. Por isso é importante entendero funcionamento deste padrãotão versátil, pois sua instalaçãoserá sempre parecida e em algunscasos elas poderão até utilizar equipamentosiguais como, por exemplo,conectores e protetores contrasurtos e sobretensões.recen<strong>do</strong> uma solução de baixo custoe ainda assim muito resistente a variaçõesde tensão e ruí<strong>do</strong>s. Outros meiosfísicos existem para estas redes como,por exemplo, fibras ópticas, rádio ouEthernet. Cada um deles possui vantagense desvantagens, mas certamenteF.7 Relação entre a taxa de transmissão e o comprimento <strong>do</strong> cabo.nenhum é tão flexível, adaptável ebarato como a RS-485. Eis aí o osegre<strong>do</strong> de sua popularidade.*Carlos Henrique de Castro Ralize é Técnicoem Eletrônica <strong>do</strong> Departamento de Engenhariade Manutenção da Sabesp.CONCLUSÃOA RS-485 isoladamente não é umarede. Esse padrão é somente um meiofísico, compartilha<strong>do</strong> por dezenas deredes existentes no merca<strong>do</strong>. Mas éum meio físico muito bem projeta<strong>do</strong>com características que facilitam suainstalação em ambiente industrial, ofe-F.8 Topologias possíveis.Mecatrônica Atual nº10 - Junho - 2003 53
AtualDispositivosMedi<strong>do</strong>resde deformaçãoWendell de Queiroz Lamas*Quan<strong>do</strong> uma força é aplicada a uma estrutura, o comprimentodesta muda. A deformação decorrente é, por definição, a razãodessa mudança em relação às suas dimensões originais, sen<strong>do</strong> omedi<strong>do</strong>r de deformação (strain gauge) usa<strong>do</strong> para medi-la.Afigura 1 apresenta essecomportamento, assim comoa relação da deformaçãoε em função da força aplicada onde,como sen<strong>do</strong> uma variação fracional<strong>do</strong> comprimento:Quan<strong>do</strong> o transdutor, conheci<strong>do</strong> porextensômetro (strain gage), é cola<strong>do</strong> àestrutura forman<strong>do</strong> um arranjo conheci<strong>do</strong>por célula de carga, terá todadistorção sen<strong>do</strong> transferida para si.As células de carga contêm materialcondutor e a distorção causada pelaaplicação de uma força resulta namudança de sua resistência elétrica.Ao medir esta variação na resistênciaelétrica pode-se obter a medida equivalenteà deformação causada e, porextensão, a força aplicada. A deformaçãopode ser positiva (tensão ouexpansão) ou negativa (compressão)e é expressa em unidades como “in/in”ou “mm/mm”.Ao ser aplicada uma força axial,como visto na figura 1, um fenômenoconheci<strong>do</strong> como “Deformação de Poisson”causa a contração da barra emsua circunferência (largura), D, no senti<strong>do</strong>transversal ou perpendicular. Amagnitude dessa contração transversaé uma propriedade <strong>do</strong> material indicadapor sua “Relação de Poisson”(v):ε T= deformação na direção perpendicular(transversal) à força;ε = deformação axial.Por exemplo, a Relação de Poissonpara o aço permeia valores entre0,25 e 0,3.CARACTERÍSTICASExistem vários tipos de medi<strong>do</strong>resde deformação (strain gauges),conforme a disposição <strong>do</strong>s extensômetros(strain gages) na amostra aser medida, assim como um grandenúmero de formas e de aplicações desuas medidas, sen<strong>do</strong> o mais utiliza<strong>do</strong>o medi<strong>do</strong>r de liga metálica.Esse medi<strong>do</strong>r consiste de um fiomuito fino arranja<strong>do</strong> sobre uma folhametálica, na forma de uma grade.Na figura 2, esse arranjo (célula decarga) pode ser observa<strong>do</strong>, bem comosuas principais partes componentes.É importante que se monte corretamenteo arranjo para a melhor transferênciada tensão mecânica aplicadana amostra e, por conseguinte, maiorprecisão na medida.Um parâmetro fundamental da leituraé a sensibilidade à tensão mecânicaque está sen<strong>do</strong> aplicada, queé quantificada como fator de medida(Gauge Factor - GF).O fator de medida é a razão entrea variação da resistência elétrica e a<strong>do</strong> comprimento:O fator de medida para medi<strong>do</strong>resmetálicos está tipicamente em tornode 2. Seria ideal que os dispositivosapenas medissem a resistência elétricaem resposta à tensão mecânicaaplicada, porém tanto o transdutorquanto a amostra sofrem variaçõesem função da temperatura a que estãoexpostos. Os fabricantes desses aparelhosprocessam os materiais deforma a diminuir tal sensibilidade àsvariações térmicas.Para a efetiva leitura da forçaaplicada sobre um transdutor, faz-seuso de um circuito amplamente utiliza<strong>do</strong>em medidas elétricas: a Pontede Wheatstone, conforme mostra afigura 3.Consiste em excitar-se com umatensão elétrica (ddp) um arranjo de 4(quatro) resistores e em um par depontos específicos <strong>do</strong> arranjo (diferente<strong>do</strong>s pontos nos quais a ddp estásen<strong>do</strong> aplicada ao circuito), mede-seo quanto desse valor foi transferi<strong>do</strong> àsaída.Normalmente, a tensão elétrica nasaída é zero (ponte em equilíbrio oubalanceada), assim qualquer mudançaF.1 Deformação de uma estrutura sob ação de uma força.F.2 Célula de carga padrão: extensômetrosobre estrutura metálica.54Mecatrônica Atual nº10 - Junho - 2003
DispositivosAtualF.3 Ponte de Wheatstone.F.4 Circuito de 1⁄4 de Ponte.saída de 0 V até que uma forçaseja aplicada. Contu<strong>do</strong>, as tolerâncias<strong>do</strong>s resistores e a tensão mecânicainduzida pela aplicação <strong>do</strong> transdutorgerarão uma ddp inicial. Essa ddppode ser corrigida de duas formas: utilizan<strong>do</strong>-seum circuito de ajuste pararetornar a saída a zero; ou, pode-semedir a saída sem força aplicada ecompensar a diferença por software.Até aqui, tem si<strong>do</strong> ignorada aresistência elétrica <strong>do</strong> fio de ligaçãoF.5 Circuito de Meia Ponte.F.6 Circuito de Ponte Completa.em alguma das resistências elétricasproporciona uma alteração nessevalor, em razão direta a sua própriavariação.Partin<strong>do</strong> desse princípio de funcionamento,as medições da força aplicadaa uma superfície são realizadassubstituin<strong>do</strong>-se um ou mais resistoresda Ponte de Wheatstone por transdutores.Portanto, os medi<strong>do</strong>res de deformação(strain gauges) são forma<strong>do</strong>sa partir da colocação de células decarga nos ramos da Ponte de Wheatstone,onde, por sua vez, as células decargas são arranjos constituí<strong>do</strong>s pelosextensômetros (strain gages) coloca<strong>do</strong>ssobre estruturas metálicas padronizadas.Os arranjos normalmente utiliza<strong>do</strong>ssão os circuitos de 1⁄4 de ponte,meia ponte e ponte completa, queindicam a quantidade de transdutoresutilizada, respectivamente um, <strong>do</strong>is equatro.Como os valores medi<strong>do</strong>s são demagnitudes muito pequenas, quantomaior o número de transdutores utiliza<strong>do</strong>s,maiores serão a sensibilidadeà tensão mecânica e a precisão daleitura.Na figura 4, apenas um resistoré substituí<strong>do</strong>, o que implica em variaçõesmuito pequenas na saída.Ao substituir <strong>do</strong>is <strong>do</strong>s resistores,F.7 Ligação a <strong>do</strong>is fios.F.8 Ligação a três fios.conforme visto na figura 5, <strong>do</strong>bra-sea sensibilidade da ponte ao se fazer<strong>do</strong>is ramos ativos, embora em senti<strong>do</strong>sdiferentes, onde há um ramo monta<strong>do</strong>na expansão da amostra (R G+ ∆R) eoutro na compressão (R G- ∆R).Por fim, um arranjo com transdutoresnos quatro ramos, como visto nafigura 6, proporciona um aumento desensibilidade considerável, estan<strong>do</strong>monta<strong>do</strong>s <strong>do</strong>is transdutores na expansãoe outros <strong>do</strong>is na compressão.As equações correspondentes acada circuito supõem uma ponte inicialmenteequilibrada, o que gera uma<strong>do</strong> extensômetro, o que beneficiou oentendimento <strong>do</strong>s conceitos apresenta<strong>do</strong>s.Porém, na prática, essa atitudepode trazer consigo conseqüênciasnegativas à medição.A figura 7 demonstra uma ligaçãoa <strong>do</strong>is fios <strong>do</strong> elemento transdutor.Essa ligação acrescenta ao circuitouma resistência de 2 ohms no braçoem que o extensômetro está conecta<strong>do</strong>,consideran<strong>do</strong>-se um fio de 15 mde comprimento e 1 ohm de resistênciaelétrica.Essa resistência elétrica <strong>do</strong> fio deligação deve ser considerada comoMecatrônica Atual nº10 - Junho - 2003 55
AtualDispositivosum resistor integrante <strong>do</strong> circuito. Umacaracterística que não pode ser esquecidaé a influência dessa nova resistênciaelétrica na sensibilidade da leitura. Aperda de sensibilidade pode ser quantificadapor:Outro fator bastante significativoé a influência da temperatura. Buscan<strong>do</strong>eliminá-la, a ligação a três fiosé a opção mais recomendada, pois<strong>do</strong>is <strong>do</strong>s três fios ficam conecta<strong>do</strong>sa ramos adjacentes, neutralizan<strong>do</strong>assim os efeitos um <strong>do</strong> outro, conformeilustra<strong>do</strong> na figura 8.Com base nessas considerações,existem vários tipos de medidas deforça, conforme seu arranjo na amostra.Nas figuras 9 a 12 podem servistos alguns exemplos bastante utiliza<strong>do</strong>s.Um sistema computa<strong>do</strong>riza<strong>do</strong>mede a diferença de potencial nasaída da ponte de Wheatstone antesque uma tensão mecânica seja aplicada,então a intervalos regulares oua cada vez que uma determinadacondição ocorrer, volta a medir essesinal.A MELHOR E<strong>SC</strong>OLHAF.9 Tensão de Dobra: resultan<strong>do</strong> de uma força linear (FV) exercida no senti<strong>do</strong> vertical.Os <strong>do</strong>is critérios preliminares paraa seleção <strong>do</strong> tipo de medi<strong>do</strong>r quemelhor se adeque à necessidade daaplicação são a sensibilidade e a precisão.Deve-se destacar que quanto maiora quantidade de extensômetros a serutilizada, maior será a rapidez damedida realizada e com maior precisão.Certamente, uma ponte completaresponderá melhor que uma de 1⁄4,porém seu custo é significativamentemaior.A tabela 1 apresenta um resumo<strong>do</strong>s tipos de medi<strong>do</strong>res e suas característicasgerais. Ao escolher-se a melhormaneira de efetuar uma medida comtransdutores de força (strain gages),devem-se ter em consideração ascaracterísticas particulares para cadafabricante.APLICAÇÕESF.10 Tensão Axial: resultan<strong>do</strong> de uma força linear (FA) exercida no senti<strong>do</strong> horizontal.Os extensômetros são de grandeF.11 Tensão de Tesoura: resultan<strong>do</strong> de uma força linear (FS) comcomponentes no senti<strong>do</strong> vertical e no horizontal.F.12 Tensão de Torção: resultan<strong>do</strong> de uma força circular (FT)com componentes no senti<strong>do</strong> vertical e no horizontal.56Mecatrônica Atual nº10 - Junho - 2003
DispositivosAtualutilidade na pesagem de artigos. Porexemplo, na base de silos de grãos,em balanças, na indústria aeroespacial,entre outras.A figura 13 apresenta um arranjointerno a uma balança vertical paragrandes cargas. As células de cargaficam internas ao cilindro que sofretensão mecânica decorrente <strong>do</strong> esforçode tração em cabos de aço de guindastese de pontes rolantes, proporcionan<strong>do</strong>sua deformação e, por conseguinte,a medida da força realizada.Na Universidade de Taubaté, noLaboratório de Robótica e Instrumentação,foi construída uma garrapara o ROBOTAU, constituída porduas lâminas de alumínio, cada qualcom quatro extensômetros. Seu intuitonessa construção é servir comomedida para as deformações da garra,assim compensan<strong>do</strong> seu posicionamento.F.13 Célula limita<strong>do</strong>ra de CargaModelo TC (Alfa Instrumentos EletrônicosLtda.).CONCLUSÃOMesmo passan<strong>do</strong> despercebi<strong>do</strong>sno dia-a-dia das pessoas, os extensômetrose as montagens para mediçãodas forças por eles mensuráveis,ganham sua importância quan<strong>do</strong> hánecessidade de medições de grandesmassas ou monitoramento de estruturasem construção ou em restauração,face a sua confiabilidade, precisão esensibilidade.*Wendell de Queiróz Lamas é professor daUniversidade de Taubaté, especializa<strong>do</strong> eminformática industrial, em instrumentação e emanálise numérica.T.1 Resumo das configurações de medida. (Fonte: National Instruments).Mecatrônica Atual nº10 - Junho - 2003 57
AtualAutomaçãoNotíciasComo aplicarinversores de freqüênciaAlaor Mousa Saccomano*Neste artigo, trataremos alguns aspectos importantes a seremconsidera<strong>do</strong>s na utilização de inversores de freqüência: aplicaçãode sistemas escalares e vetoriais, características gerais encontradasem vários inversores comercializa<strong>do</strong>s e parâmetros que devemser considera<strong>do</strong>s no efetivo emprego de inversores, além de umarápida abordagem quanto a erros e defeitos.Para alcançar o efeito deseja<strong>do</strong>e otimizar os investimentos,é sumariamente importanteresponder a algumas questões e, atémesmo, se aprofundar em um estu<strong>do</strong>de custo/benefício antes de instalarum inversor de freqüência sobre ummotor ou sistema. Em muitos casos,verifica-se que a a<strong>do</strong>ção de medidasmais simples podem resultar em efeitosimilar à aplicação de um inversor emmotor de indução assíncrono trifásico.Em algumas situações, é mais interessantea utilização de servomotorbrushless quan<strong>do</strong> o principal objetivoé posicionamento. Se o problema écom sistema de partida de longa inércia,a aplicação de soft-starter (partidaeletrônica suave) pode ser uma soluçãomelhor e mais econômica.No controle de velocidade e torquepara se estabelecer um melhor resulta<strong>do</strong>sobre o sistema, seja no controlede velocidade de uma máquina-ferramenta,na variação de velocidade emsistemas de alimentação e <strong>do</strong>sagem,no controle de vazão ou fluxo de umprocesso, no controle de elevação empontes rolantes, cranes, entre outros,a utilização de um inversor é fundamental.Outra necessidade de aplicação seencontra no controle de velocidade deprocessos para economia de energia.Um exemplo disso está na utilização decontrole <strong>do</strong> fluxo de ar em um sistemacentral de ar-condiciona<strong>do</strong>. Em processosque possuem velocidade fixa emseus motores aciona<strong>do</strong>res, e o fluxo écontrola<strong>do</strong> via dampers, tem-se considerávelperda de energia, pois aregulagem <strong>do</strong> fluxo de ar se dá peloescape <strong>do</strong> mesmo no sistema. É maisinteligente e econômico que a veloci-dade <strong>do</strong> motor que aciona o ventila<strong>do</strong>r/compressor seja controlada, de mo<strong>do</strong>que, nos momentos de menor utilizaçãode carga, a velocidade seja diminuídae conseqüentemente o fluxo de artambém. Diminuin<strong>do</strong>-se a velocidade,logicamente haverá uma redução daenergia consumida pelo sistema motorinversor,resultan<strong>do</strong> em economia diretano processo.Assim, antes de optar pela instalaçãoe escolha de um inversor de freqüência,alguns cuida<strong>do</strong>s devem sertoma<strong>do</strong>s quanto a:- rede de alimentação;- sistemas de proteção e seccionamento;- interferência eletromagnética eblindagem;- cabos e aterramentos;- local de instalação e grau IP.Os aspectos de carga x desempenhoestabelecerão as informaçõescruciais para a escolha <strong>do</strong> tipo deinversor (escalar ou vetorial), e <strong>do</strong> tipode controle (com ou sem malha derealimentação) no processo.Além disso, quesitos como a interação<strong>do</strong> sistema inversor com o restante<strong>do</strong> processo ou máquina, isto é,como o equipamento se comunica comos demais equipamentos presentes oucomo as informações <strong>do</strong> inversor sãorepassadas ao opera<strong>do</strong>r/supervisor, asinterfaces IHMs necessárias, o grau decompactação <strong>do</strong> equipamento e o sistemade frenagem (quan<strong>do</strong> necessário)também devem ser especifica<strong>do</strong>spelo engenheiro ou técnico que desejaefetuar uma correta e eficiente aplicaçãode inversor no controle de motorde indução. Um ponto pouco discuti<strong>do</strong>,principalmente por ser encara<strong>do</strong>apenas como aspecto comercial, masque gera <strong>do</strong>r de cabeça aos técnicosenvolvi<strong>do</strong>s, é a assistência técnica<strong>do</strong> equipamento. Certificar-se que amesma possui competência e eficiência(atendimento rápi<strong>do</strong> e confiável) étão importante quanto o tipo de inversorque será aplica<strong>do</strong>.Outras opções valiosas a se considerarna instalação se dão quanto àqualidade de energia das mesmas, sejá existem problemas como fator depotência e fator de distorção, ou aindase há bancos de capacitores para correçãode fator de potência já instala<strong>do</strong>s.Neste caso, cuida<strong>do</strong>s especiaisdevem ser toma<strong>do</strong>s, pois os inversoressão cargas não-lineares, que normalmenteresultam em piora para aatuação de capacitores de correção.E não esqueçamos <strong>do</strong> que é básico:- tensão da rede;- freqüência da rede;- local de instalação;- sistemas de proteção específicos(fusível ultra-rápi<strong>do</strong> e sensores);- compatibilidade com o motor aser aciona<strong>do</strong> (potência, tensão de alimentação,freqüência nominal).ENTENDENDO MELHOR A APLICAÇÃO -DETALHANDO O INVERSOR.A primeira abordagem para a aplicaçãode um inversor de freqüêncianão está no próprio equipamento ouno motor, mas sim na carga. (figura 1)As considerações devem ser feitasa partir das necessidades e característicaspróprias da carga. A velocidade dacarga, seu torque, como se processa aaceleração da mesma, ciclo de trabalho,potência requerida, curva de torquex velocidade, rendimento e momentode inércia, são algumas das informaçõesque devem ser respondidas peloengenheiro ou técnico que irá especificaro equipamento de controle de velocidade-torque.Muita informação já deveestar disponível pelo próprio motor elétricoque já está instala<strong>do</strong> sobre a carga,se o processo for um retrofitting. Mas,58Mecatrônica Atual nº10 - Junho - 2003
NotíciasAutomaçãoAtualse iniciar <strong>do</strong> zero, o projeto deveráresponder as solicitações já colocadasanteriormente, além de um bom conhecimento<strong>do</strong> processo que será “toca<strong>do</strong>”pelo conjunto motor-inversor, o que semdúvida ajuda muito.Os fabricantes de motores normalmentetêm tabela<strong>do</strong>s os tipos decargas em função de velocidade xtorque de aplicações mais comuns.Destacam-se:Função constante - A velocidadeaumenta, mas o torque continua emseu valor inicial. Assim, não são espera<strong>do</strong>snesse tipo de aplicação sobressaltosde potência no motor ou inversor,ou mesmo sobretorques de partida.Função linear - Neste caso, otorque é aumenta<strong>do</strong> ponto-a-ponto,linearmente, até a velocidade nominal.Função quadrática - As cargastipificadas como função quadrática ouparabólica têm o aspecto de incrementorápi<strong>do</strong> <strong>do</strong> torque com o aumentode velocidade. Normalmente, o torquede partida é baixo, mas se eleva rapidamente.Ventila<strong>do</strong>res e bombas, sãoalguns <strong>do</strong>s exemplos neste sistemade acionamento.Função hiperbólica - Quan<strong>do</strong> acarga, aumentanto sua velocidade, temdiminuição de torque, mas necessidadede manter constante sua velocidade,como em um torno que vaidesbastan<strong>do</strong> a superfície <strong>do</strong> material,diminuin<strong>do</strong> seu raio. Como o torque éfunção direta <strong>do</strong> raio de ação da ferramenta,haverá a diminuição <strong>do</strong> torqueda carga imposta ao motor, o que podeocasionar variação de velocidade, oque é realmente indeseja<strong>do</strong>.No Brasil há diversos produtoresque atuam no merca<strong>do</strong> e fornecemsuporte para aplicação. Em seus sites,encontram-se muitas informaçõesespecíficas que auxiliam a caracterizaçãoda carga. Um outro mo<strong>do</strong>, quan<strong>do</strong>a carga é de difícil caracterização, étentar inferir o valor de torque e velocidade.Isto só é possível em cargas jáinstaladas, onde se deseja a aplicaçãode um inversor de freqüência. É trabalhosomas, em último caso, se tornauma solução viável. Deve-se procedermedin<strong>do</strong> a velocidade <strong>do</strong> sistema emseus diversos ciclos de trabalho e acorrente de consumo com um osciloscópio(via ponta de corrente ou shunt).Lembran<strong>do</strong> que o torque é funçãoF.1 Esquema de acionamento de uma carga.direta da corrente, é possível obter umaamostra razoável <strong>do</strong> tipo de função torque-velocidadeque o processo exige.Quanto ao emprego de motores,a norma brasileira NBR 7094 explicamuito sobre ciclos de trabalhos, cargase partidas e outras informações relevantesque sempre municiam o projetistapara uma perfeita aplicação.Para caracterizar o universo da aplicaçãotambém é importante conhecero ambiente para a instalação (Qual é asituação da rede de alimentação? Qualo local onde vai ser instala<strong>do</strong>? Seráem um painel? Qual o grau de proteçãoIP necessário? Há algum bancode capacitores instala<strong>do</strong>s na mesmarede?) e as necessidades de interfaceamentocom a operação/supervisão(IHM, rede de supervisão, supervisório,qual é o controla<strong>do</strong>r que atua sobreo inversor - CLP ou CNC?).Algumas dicas já podem ser dadascomo, por exemplo, a aplicação deinversores em sistemas de elevação. Éinteressante notar que, eventualmente,uma ponte rolante ou guindaste podeser sobre-solicita<strong>do</strong> em termos de respostade carga. O motor sempre responderáaos limites de sobretorqueimposto, em muitos casos em atéquase 100%. Assim, o inversor defreqüência que acionará este tipo demáquina, deve estar prepara<strong>do</strong> paramanter o motor nestas situações críticas.Habitualmente, dispomos ao sistemainversor-motor a possibilidadede se trabalhar com valores mínimosde 50% de sobre-torque, o que nosleva a um sobredimensionamento <strong>do</strong>conjunto motor entre 50% a 150%,em algumas situações,por questões de segurança. Aregra é não economizar nesse tipo deaplicação, e portanto: para não pararo processo em situação crítica, é precisosobredimensionar o equipamento.Quanto de retrofitting de motores parasistemas de elevação antigos, comorotor bobina<strong>do</strong> (motor de anéis AC-2),impor um inversor que possibilite pelomenos 100% de sobretorque é imprescindível,além de utilizar malhas fechadasneste controle de velocidade.E<strong>SC</strong>ALAR OU VETORIALHá alguns anos, o <strong>do</strong>mínio da tecnologiaescalar impedia, de certaforma, uma visão mais abrangente <strong>do</strong>sprocessos de controle de velocidadetorqueem máquinas trifásicas de indução.Fazer um motor AC trifásico variarsua velocidade, conforme a necessidade<strong>do</strong> processo sem ter de se preocuparcom os limites de velocidadede um coletor, nem com desgaste deescovas ou cuida<strong>do</strong>s com o campo deexcitação, já era um grande avanço.Quem já trabalhou com máquina decorrente contínua conhece os problemas,como o disparo por falta decampo: perden<strong>do</strong> o campo em umaMCC, perde-se a referência de controlee acontece o fenômeno denomina<strong>do</strong>disparo, com perda de torque eaumento impulsivo da velocidade <strong>do</strong>motor, levan<strong>do</strong>-o em alguns casos àdestruição. Daí a necessidade de constantemonitoramento sobre a corrente<strong>do</strong> campo de excitação. Mesmo assim,em sistemas onde o controle de velocidadeocorre em uma faixa entre 10%a 150% da velocidade nominal, aplicarinversor em mo<strong>do</strong> escalar é a soluçãomais viável quan<strong>do</strong> se consideradesempenho e custo.O controle de velocidade, manten<strong>do</strong>o fluxo estatórico (V sobre f ou Volts/Hertz) ou ainda por observação deMecatrônica Atual nº10 - Junho - 2003 59
AtualAutomaçãoNotíciasescorregamento, tem a vantagem defácil implementação e de constar namaior parte <strong>do</strong>s produtos comercializa<strong>do</strong>s.Qualquer carga, que possua patamarde controle de torque constantepara variação de velocidade, ou mesmode funções quadráticas, pode ser controladavia um inversor escalar com,por exemplo, ventila<strong>do</strong>res, calandras,bombas, entre outros tipos de carga. Oafinamento deste controle pode ser feitoa<strong>do</strong>tan<strong>do</strong>-se a realimentação (encoder,resolver, tacogera<strong>do</strong>r), que atua namalha de controle de velocidade, resultan<strong>do</strong>em melhor controle <strong>do</strong> processo.Na maior parte <strong>do</strong>s casos, a malhainterna ou de controle de corrente (indiretamente<strong>do</strong> torque), não é aplicada aoproduto, mas sim um sistema de limitaçãode corrente. Isto quer dizer quena maioria das situações, os inversoresescalares trabalham com torqueabsoluto, ou constante em valor quasemáximo, permitin<strong>do</strong> ainda a possibilidadede boost de torque em momentoscríticos, como na partida. Muitas vezes,estes valores de boost de torque sãoprogramáveis no inversor, delimitan<strong>do</strong>valores de tempo que podem chegar aalguns minutos de aplicação de sobretorque,com valores em torno de 2 a 3vezes o nominal.Outro exemplo de aplicação de controleescalar se dá quan<strong>do</strong> um mesmoinversor atuará sobre vários motores.Resumin<strong>do</strong>, se a sua aplicação nãonecessita de variação rápida de aceleração(resposta dinâmica em até 5 ms),variação de velocidade em função davariação de carga, controle de torquecom precisão de até 10% e nunca tenhaa necessidade de torque em velocidadezero, associa<strong>do</strong> a vantagem debaixo custo e robustez <strong>do</strong> equipamento,então o problema se resolve com uminversor escalar. A melhora <strong>do</strong> desempenhoserá sentida na utilização demalha de realimentação de velocidade.A possibilidade escalar sensorless nestecaso deve ser pouco explorada, devi<strong>do</strong>ao pobre desempenho da maior parte<strong>do</strong>s inversores na situação de carga evariação da mesma.Um inversor vetorial com atuaçãosensorless é uma solução abrangentepara o controle de velocidade e torquede máquinas na maioria das vezes,senão to<strong>do</strong>s os envolvi<strong>do</strong>s pela atuaçãode um inversor escalar. Respostadinâmica rápida e precisão de velocidadede até 0,5%, fazem <strong>do</strong>s equipamentos<strong>do</strong>ta<strong>do</strong>s dessa tecnologia muitomais atraentes em suas aplicações. Narealidade, a única distinção entre umvetorial sensorless e um com encoder(ou outro tipo de realimentação posicional),está na malha fechada <strong>do</strong> sistemae na parametrização <strong>do</strong> inversorpara a utilização da mesma. Em muitoscasos, principalmente em retrofitagemde máquina, não é muito fácil adequarum sensor de velocidade no eixo <strong>do</strong>motor ou outro por ele aciona<strong>do</strong>. Emoutros, o custo de cabos e sistemasgerais para realizar a realimentaçãopodem invibializar o projeto. Na maiorparte <strong>do</strong>s inversores hoje existentes nomerca<strong>do</strong>, através da setagem de simplesparâmetros, consegue-se um elementoescalar ou vetorial, com ou semrealimentação. Por exemplo, um inversormodelo CFW09 da WEG (figura 2),pode ser ajusta<strong>do</strong> para trabalhar com otipo de controle deseja<strong>do</strong>, defini<strong>do</strong> porum parâmetro (P202):0 V/f (60 Hz)1 V/f (50 Hz)2 V/f Ajustável3 Vetorial Sensorless4 Vetorial com Encoder.No caso de um G5 da Yaskawa(figura 3), a escolha é realizada através<strong>do</strong> parâmetro A1-02:0 V/f sensorless1 V/f com realimentação2 Vetorial sensorless3 Vetorial de fluxo.Para parametrização de um inversor,sempre é imprescindível conhecera aplicação. Mais um exemplo: acionaruma centrífuga, de alta inércia, o queem muitas situações deve-se utilizarum boost de torque na partida. Se foremprega<strong>do</strong> um equipamento Siemens,modelo Micromaster, o parâmetro P079- “Elevação da corrente de partida (%)” -permite que seja ajusta<strong>do</strong> um boost detensão (elevação) de mo<strong>do</strong> que a correntede partida pode ser especificadapara até 250% da nominal <strong>do</strong> motor, atéque a freqüência de trabalho desejada(velocidade de referência) seja alcançada.Os valores a serem especifica<strong>do</strong>spodem ser de 0 a 250.AJUSTANDO A OPERAÇÃOUma vez defini<strong>do</strong> o universo da aplicação,pode-se escolher o inversor edefinir quais serão os parâmetros aserem “seta<strong>do</strong>s” (ajusta<strong>do</strong>s) e procedercom a parametrização essencial. Paratanto, uma boa observada no manual <strong>do</strong>fabricante e informações junto ao pósvendasão um bom caminho a seguir.A maior parte <strong>do</strong>s inversores possuifunções genéricas que analisaremos aseguir. Mas antes, uma questão importantea ser entendida é quanto ao mo<strong>do</strong>como o inversor age no motor que estácontrolan<strong>do</strong>, no aspecto de alcançar avelocidade desejada, seja no ligamento,mudança de valor deseja<strong>do</strong> de velocidade,frenagem ou solicitação da carga.Na verdade, o que deve ser especifica<strong>do</strong>são as rampas de aceleração edesaceleração (figura 4).Estes valores são, na realidade,parâmetros a serem defini<strong>do</strong>s no inversor.O que se faz é atuar sobre osganhos <strong>do</strong>s controla<strong>do</strong>res de malha develocidade (PI ou PID, ou mesmo umoutro controla<strong>do</strong>r mais ativo). Observe odetalhe em diagrama de blocos no artigo“Controle de velocidade e torque demotores trifásicos” publica<strong>do</strong> na revistaMecatrônica Atual nº 8 (fevereiro/marçode 2003). A definição da rampa deveser pautada quanto à necessidade dacarga e disponibilidade de desempenho<strong>do</strong> motor. Assim um valor de rampamuito rápi<strong>do</strong>, pode levar a carga a tersobressaltos, o que em alguns casosnão é aconselhável (esteiras transporta<strong>do</strong>rase eleva<strong>do</strong>res). Rampas maislongas servem muito bem para acelerargrandes inércias, como centrífugase moinhos. Rampas rápidas podemsobreaquecer o motor, principalmentena desaceleração. Ainda sobre a rampa,os momentos críticos se encontram nasbordas, no início e fim da rampa, ondeocorre uma abrupta descontinuidade daaceleração, poden<strong>do</strong> gerar sobressaltosde velocidade e torque. Em muitosF.2 Inversor modelo CFW09, da WEG.60Mecatrônica Atual nº10 - Junho - 2003
NotíciasAutomaçãoAtualProblemaSobrecorrente na saídaSobretensão <strong>do</strong> linkSubtensãoFalta de fase ou subtensãoSobretemperatura nosdissipa<strong>do</strong>resErro de memória/watch<strong>do</strong>gCurto terra fase de saídaSobretemperatura no motorCapacitância para terra muito alto,falta a terraMotor não giraFlutuação de velocidadeVelocidade incompatível com aprogramada ou muito baixaInterferência EMIAumento desproporcional <strong>do</strong>conjunto de harmônicas e baixoFPAção- Verificar fases de alimentação- Aumentar o tempo de rampa- Rever a carga- Verificar a tensão, a mesma deveser no máximo 15% acima da nominal- Aumentar o tempo de desaceleração- Verificar fusível <strong>do</strong> link- Medir tensão da rede, não deve sermenor que 25% da nominal- Aumentar o tempo de desaceleração- Medir alimentação e verificar fusíveis- Verificar ventila<strong>do</strong>r- Liberar passagens de ar- Limpar filtros- Verificar aterramento- Sensoreamento da tensão <strong>do</strong> link DCcom defeito- Verificar a versão da EPROM quan<strong>do</strong>utilizá-la para reprogramar outro inversor- Inserir reatância na entrada- Verificar temperatura <strong>do</strong> motor- Verificar rolamentos <strong>do</strong> motor- Verificar carga- Testar sensor PTC ou termistor- Instalar reatância trifásica em sériena entrada- Diminuir parâmetro de freqüência dechaveamento- Instalar filtros de RFI próximos <strong>do</strong>Inversor, um para cada fase, próximosum <strong>do</strong> outro e aterrar na chapa defixação juntos- Afastar os cabos de alimentação <strong>do</strong>inversor em relação a outros circuitos- Aperto de todas as conexões- Verificar polaridades da malha derealimentação- Instalar filtros de RFI próximos <strong>do</strong>Inversor, um para cada fase, próximosum <strong>do</strong> outro e aterrar na chapa defixação juntos- Afastar os cabos de alimentação <strong>do</strong>inversor em relação a outros circuitosInserção de indutância no link DCCausas prováveis- Curto entre duas fases- Rampa de aceleração muito rápida- Inércia da carga muito alta.- Alta tensão de alimentação; alta inérciade carga- Rampa de desaceleração muitorápida- Fusível <strong>do</strong> link aberto ou contator/tiristor de disparo <strong>do</strong> link não entrou- Baixa tensão da rede- Rampa de desaceleração muitorápida- Baixo valor de tensão ou falta fase- Ventilação forçada com defeito- Ruí<strong>do</strong> elétrico- Erro de memória- Conflito de versão- Capacitância entre cabos muito alta- Excesso de carga ou rotor trava<strong>do</strong>- Baixa isolação- Cabos longos >50m- Freqüência de chaveamento alta- Erro de fiação de controle/referênciaou de potência- Mau contato nos cabos de potênciaou referência- Descontrole de velocidade- Ruí<strong>do</strong>s em sistemas próximos- Resetegem de micros e PLCsCabo aquecen<strong>do</strong>, ruí<strong>do</strong>s emequipamentosT.1 Erros e defeitos.Mecatrônica Atual nº10 - Junho - 2003 61
AtualAutomaçãoNotíciasda rampa como uma função limite- rampa S ou integração temporal <strong>do</strong>início/ fim de rampa. Das funções genéricas,podemos destacar:Partida com o motor giran<strong>do</strong> oufly start - possibilidade de permitir queo inversor energize o motor em movimento.Se esta função não for bemajustada/empregada, ocorrerá sobretensãono circuito intemediário (linkDC). Valores de rampa de aceleraçãopara esta função normalmente sãodiferentes <strong>do</strong>s valores pré-seta<strong>do</strong>spara uma aceleração normal.Jog - esta função normalmenteestá associada a uma entrada digital,que é programada para receber sinalsource (positivo) ou sink (negativo).Quan<strong>do</strong> atuada, mantém o motor comvelocidade constante, defini<strong>do</strong> nosparâmetros de freqüência de Jog ousimilar. É utilizada para ajuste de posiçãode máquinas.Rejeição de freqüências ou exclusãode freqüência de ressonância -na variação de velocidade, o conjuntovibra, além de que, nos momentosde aceleração e desaceleração, passapor toda a gama de freqüências até ovalor de velocidade deseja<strong>do</strong>. Poderáacontecer, que dada freqüência, tenhabatimento com a freqüência complexaprópria <strong>do</strong> sistema; isto fará com quea mesma se amplifique, aumentan<strong>do</strong>excessivavente o ruí<strong>do</strong> e vibração <strong>do</strong>conjunto. Essa função exclui a viabilidadede utilizar esta freqüência navariação de velocidade <strong>do</strong> motorFreqüência de PWM ou freqüênciade pulsação - as chaves de potência<strong>do</strong> inversor (IGBTs Power Mosfets,Transistores de Potência ou MCTs) sãochavea<strong>do</strong>s segun<strong>do</strong> a freqüência dePWM definida na parametrização <strong>do</strong>motor. Valores baixos de chaveamento(1,6 a 4 kHz) têm a vantagem de limitaras perdas de chaveamento (tempo desubida e descida no acionamento daschaves de potência) e diminuir a interferênciade alta freqüência. A contrapartidaé que o ruí<strong>do</strong> acústico no motoré muito desagradável. Se elevarmos afreqüência de chaveamento para níveismaiores (10kHz...20kHz), o ruí<strong>do</strong> estarána faixa inaudível, porém aumenta-seconsideravelmente as perdas de chaveamentoe interferência de RFI.Multivelocidade - esta função éuma combinação das entradas digitais(que são acessórios) <strong>do</strong> inversor,onde uma vez setadas, impõe velocidadee senti<strong>do</strong> defini<strong>do</strong> ao inversor.Proteção contra sobre temperaturaou I 2 t - esta função realiza oconstante monitoramento da temperatura<strong>do</strong>s elementos chavea<strong>do</strong>res, outambém via sensor PTC ou termistordentro <strong>do</strong> motor, supervisionan<strong>do</strong> a temperatura<strong>do</strong> motor, que é a grande responsávelpela maior parte das falhas.Self-tunning ou auto-ajuste - ossistemas que utilizam Controle Vetorialnecessitam, também de levantamentosde valores de indutância dedispersão (σLs), corrente de magentização(Iµ) constante rotótica (L R/R R),resistência <strong>do</strong> estator (R S), constantede torque (T M) e indutância estatórica(L S). Estes valores nem sempre sãofáceis de serem encontra<strong>do</strong>s pelo projetista.No auto-ajuste, o próprio inversorse encarrega via algoritmos deestimação e identificação, <strong>do</strong> levantamentodestes da<strong>do</strong>s junto o motor.E A INSTALAÇÃO?Até aqui, não falamos quase nadasobre procedimentos e dicas de instalaçãode inversores. Na realidade,esse assunto merece por si só umartigo que faremos futuramente.RESOLVENDO PEQUENOSPROBLEMAS E DEFEITOSMuitos <strong>do</strong>s erros e defeitos podemser pequenos problemas como maudimensionamento de protetores (utilizarsempre um fusível ultra-rápi<strong>do</strong> -categoria aR - para proteger o inversor),ou falta de reatâncias derede, ou mesmo problemas de EMIe fuga a terra. Antes de contatar aassitência técnica, que pode demorar,pode-se tentar algumas soluçõesrápidas.ATENÇÃO: conheça bem os limitesimpostos por sua garantia, paranão mexer onde não deve e, em conseqüênciadisso, vir a perdê-la.F.4 Rampa de aceleração e desacelaração <strong>do</strong> inversor.F.3 Inversor modelo G5, da Yaskawa.Elaboramos uma pequena e simplestabela para um apoio inicial amanutenção. São da<strong>do</strong>s genéricos,pois cada fabricante tem seu própriosistema construtivo, arranjo de projetoe códigos de falhas. O fundamental ése ter noção de onde pode ocorrer oerro: (tabela 1: Erros e defeitos).CONCLUSÃOOs aspectos de definição e aplicaçãode inversores de freqüência paraacionamento de motores de induçãoassíncronos trifásicos (MI), são consideravelmenteextensos e detalhistas. Aexperiência nos mostra que nunca umcaso é igual a outro. O objetivo desteartigo é chamar a atenção <strong>do</strong> leitorde Mecatrônica Atual para alguns <strong>do</strong>smuitos detalhes interessantes quantoa aplicação de inversores. Não abordamosainda os acessórios <strong>do</strong> sistema,como IHM, rede de comunicação,entradas e saídas digitais/analógicas,etc. Para um futuro próximo, artigos queabordem os procedimentos de manutenção,estu<strong>do</strong>s de casos de aplicaçãoe resolução de defeitos em campoe em bancada serão produzi<strong>do</strong>s. Paraquestões mais urgentes, mande-nosum e-mail para a Seção <strong>do</strong> Leitor.*Alaor Mousa Saccomano é professor <strong>do</strong> departamentode Engenharia da UNIP (Campus Alphaville)e diretor da MAC TREIN Consultoria eTreinamento S/C62Mecatrônica Atual nº10 - Junho - 2003