Centro Universitário Positivo - UnicenP Núcleo de Ciências Exatas e Tecnológicas – NCET

Engenharia da Computação Dirnei Tulio

Sistema de Proteção Anti-Surge para Compressores

Curitiba 2006

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Centro Universitário Positivo - UnicenP

Núcleo de Ciências Exatas e Tecnológicas – NCET Engenharia da Computação

Dirnei Tulio

Sistema de Proteção Anti-Surge para Compressores Monografia apresentada à disciplina de Projeto Final, como requisito parcial à conclusão do Curso de Engenharia da Computação. Orientador : Prof. Mauricio Peretto.

Curitiba, 12 de junho de 2006.

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TERMO DE APROVAÇÃO

Dirnei Tulio

Sistema de Proteção Anti-Surge para Compressores

Monografia aprovada como requisito parcial à conclu são do curso de Engenharia da Computação do Centro Universitário Po sitivo, pela seguinte banca examinadora:

Prof. Mauricio Perretto (Orientador)

Prof. Edson Pedro Ferlin

Prof. Roberto Selow

Curitiba, 12 de junho de 2006.

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AGRADECIMENTOS

Primeiramente à minha família que me incentivou a permanecer nesta árdua caminhada e ao colega de trabalho Marcio Lemos de Oliveira que me incentivou a retornar aos estudos depois de 25 anos de conclusão do 2º grau. Aos colegas de classe que muito me ajudaram, em especial Luiz Gustavo Dall’Igna Variani e Mauricio Cúnico no apoio com seus conhecimentos. Ao Thiago Felipe por seu constante incentivo. Ao meu irmão Diomar Tulio e a sua esposa Maria Eliza Comparin Tulio pelo apoio na realização dos testes. Aos professores que com paciência se dispuseram a apoiar e incentivar a realização deste projeto em especial ao professor Maurício Perretto, que com objetividade e clareza orientou seu desenvolvimento.

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SUMÁRIO

Sumário ............................................ .......................................................... viii

Lista de Siglas.................................... ........................................................ xiv

Lista de Símbolos .................................. ..................................................... xv

Resumo ............................................. ......................................................... xvi

Abstract ........................................... .......................................................... xvii

1. Introdução ......................................... ......................................................1

1.1. Histórico .................................................................................................................1

1.2. O “Surge”: Um Fenômeno a Ser Evitado ...............................................................2

1.3. Objetivo do Projeto.................................................................................................5

1.4. Divisão do projeto...................................................................................................7

2. Estudo Teórico..................................... ...................................................8

2.1. O Compressor de ar VK .........................................................................................8

2.2. Sistemas Supervisórios..........................................................................................9

2.3. Monitoração .........................................................................................................12

2.3.1. Transmissores ..................................................................................................12

2.3.1.1. O Sensor do tipo Capacitivo ...................................................................... 13

2.3.1.2. O Sensor Piezo-Resistivo.......................................................................... 19

2.4. Atuadores ou Elementos Finais de Controle ........................................................27

2.4.1. Motores.............................................................................................................27

2.4.2. Válvulas de Controle.........................................................................................28

2.5. Tratamento do Sinal .............................................................................................30

2.6. O Microcontrolador...............................................................................................32

2.6.1. Família dos Microcontroladores PIC.................................................................32

2.6.2. Característica da tecnologia RISC....................................................................33

2.6.3. Arquitetura Harvard x Von Neumann................................................................34

2.6.4. Ciclo de Instruções ...........................................................................................35

2.6.5. Fluxo de Instrução/ Pipeline .............................................................................36

2.6.6. Palavra de Instrução Longa..............................................................................37

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2.6.7. A função do Microcontrolador no Sistema Anti-Surge ......................................38

2.7. Fluxograma Básico do Sistema Anti-Surge..........................................................41

2.8. Custos Estimados ................................................................................................42

2.9. Cronograma do Projeto ........................................................................................43

3. Especificação...................................... ..................................................44

3.1. Hardware..............................................................................................................44

3.1.1. Funções do Hardware ......................................................................................44

3.1.2. Componentes Utilizados...................................................................................44

3.1.3. Requisitos do Sistema ......................................................................................45

3.1.4. Diagrama em Blocos ........................................................................................46

3.2. Software ...............................................................................................................47

3.3. Requisitos ............................................................................................................49

3.3.1. Funções do Software........................................................................................50

3.4. Ambiente de Desenvolvimento.............................................................................50

3.4.1. Fluxograma.......................................................................................................51

3.5. Firmware ..............................................................................................................52

3.5.1. Ambiente de Desenvolvimento do Firmware ....................................................52

3.6. Fluxograma do Firmware .....................................................................................53

4. Projeto do Hardware.............................................................................55

4.1. Cálculo do circuito amplificador do sensor de pressão. .......................................55

4.1.1. Cálculo sub-circuito de alimentação do sensor de pressão..............................55

4.1.2. Cálculo e Desenvolvimento do Circuito Amplificador........................................56

4.1.3. Desenvolvimento Circuito do Microcontrolador ................................................57

4.1.4. Cálculo e Desenvolvimento do Circuito do Modulador de Potência..................58

4.1.5. Sinais de Interface ............................................................................................58

Tabela 4 - Sinais de Interface entre os Circuitos E letrônicos..................58

4.1.6. Lista de Materiais..............................................................................................59

5. Projeto do Sotfware................................ ..............................................60

5.1. Diagramas de Caso de Uso .................................................................................60

5.2. Diagramas de Seqüência .....................................................................................64

5.3. Diagrama de Classes ...........................................................................................68

5.4. Código do Software Supervisório .........................................................................69

x

5.5. Código do Firmware do microcontrolador PIC 16F877A......................................69

6. Resultados ......................................... ................................................... 70

6.1. Testes com o Hardware dos Sensores de Pressão .............................................70

6.2. Testes com o Hardware do Microcontrolador.......................................................72

6.3. Testes com o Hardware do Acionador do Motor ..................................................74

6.4. Testes com o Supervisório...................................................................................74

7. Conclusão .......................................... ................................................... 79

7.1. Aspectos Negativos..............................................................................................79

7.2. Aspectos Positivos ...............................................................................................79

7.3. Desenvolvimentos Futuros...................................................................................80

8. Referências Bibliográficas......................... ..........................................82

9. Anexos............................................. ......................................................83

9.1. Circuito Esquemático da Fonte de Alimentação do Circuito.................................83

9.2. Circuito Esquemático do Circuito Transdutor de Pressão. ...................................84

9.3. Circuito Esquemático do Microcontrolador PIC 16F877A. ...................................85

9.4. Circuito Esquemático do Circuito do Modulador de Potência...............................86

9.5. Listas de Materiais do Circuito do Modulador de Potência...................................87

9.6. Listas de Materiais do Circuito do Microcontrolador.............................................88

9.7. Listas de Materiais do Circuito dos Transdutores de Pressão. ............................89

10. GLOSSÁRIO .......................................... ................................................90

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LISTA DAS FIGURAS

Fig. 1 - Mapa de Performance............................................................................................... 5

Fig. 2 - Tela de sistema supervisório...................................................................................9

Fig. 3 - Sistema supervisório interligado ao chão de fábrica e ao sistema corporativo.......10

Fig. 4 - Gráfico de registros de variáveis.............................................................................11

Fig. 5 - Tela de operação do equipamento..........................................................................11

Fig. 6 -Transmissor de Pressão Manométrica Industrial.....................................................12

Fig. 7 - Circuito de alimentação elétrica de um transmissor industrial................................14

Fig. 8 - Tensão de alimentação de um transmissor de acordo com a carga.......................15

Fig. 9 - Célula Capacitiva.....................................................................................................16

Fig. 10 - Diagrama em blocos de um transmissor de pressão............................................18

Fig. 11 - Sensor Piezo-Resistivo da Motorola.....................................................................19

Fig. 12 - Disposição circuito interno do sensor piezo-resistivo............................................21

Fig. 13 - Disposição física do sensor MPX53DP.................................................................22

Fig. 14 - Curva característica do sensor MPX53DP em relação à temperatura..................23

Fig. 15 - Figura do arranjo interno do sensor piezo-resistivo..............................................24

Fig. 16 -Curva de linearidade do sensor MPX53DP............................................................26

Fig. 17 - Válvula Rotativa, do tipo borboleta........................................................................28

Fig. 18 - Válvula de Deslocamento Linear...........................................................................29

Fig. 19 - Atuador de Ação Direta com retorno por mola......................................................30

Fig. 20 - Diagrama Básico de uma Malha de Controle........................................................31

Fig. 21 - Arquitetura de Neumann.......................................................................................34

Fig. 22 - Arquitetura de Harward.........................................................................................34

Fig. 23 - Ciclo de instrução de um PIC................................................................................35

Fig. 24 - Execução de instruções em PIPELINE.................................................................36

xii

Fig. 25 - Exemplos de tamanho de instruções de um PIC..................................................37

Fig. 26 - Microcontrolador....................................................................................................39

Fig. 27 - Arquitetura interna do PIC 16F877A.....................................................................40

Fig. 28 - Fluxograma básico do Sistema Anti-Surge...........................................................41

Fig. 29 - Cronograma do Projeto.........................................................................................43

Fig. 30 Diagrama em blocos do Sistema Anti-Surge...........................................................46

Fig. 31 - Tela Principal da IHM de operação do sistema.....................................................48

Fig. 32 - Tela de Configuração do Sistema.........................................................................49

Fig. 33 - Fluxograma do software de supervisão do sistema anti-surge.............................51

Fig. 34 - Fluxograma do firmware do PIC16F877A.............................................................53

Fig. 35 - Diagrama de Casos de Uso do Sistema Anti-Surge.............................................60

Fig. 36 - Diagrama de seqüência do caso de uso “Iniciar”..................................................64

Fig. 37 - Diagrama de seqüência do caso de uso “Operar em Manual”..............................65

Fig. 38 - Diagrama de seqüência do caso de uso “Ativar Proteção”...................................66

Fig. 39 - Diagrama de seqüência do caso de uso “Finalizar”..............................................66

Fig. 40 - Diagrama de seqüência do caso de uso “Exibir Gráfico”......................................67

Fig. 41 - Placa dos Circuitos Fonte eSensores de Pressão...............................................70

Fig. 42 - Placa do Circuito do Microcontrolador..................................................................72

Fig. 43 - Compressor utilizado para teste do Sistema Anti-Surge......................................74

Fig. 44 - Tela do Supervisório quando a máquina está em operação normal....................75

Fig. 45 - Tela do Supervisório quando a máquina está em alerta......................................76

Fig. 46 - Tela do Supervisório quando a máquina está em operação na área de surge....77

Fig. 47 - Tela do Supervisório para a consulta ao “Histórico”.............................................78

Fig. 48 - Fonte de Alimentação do Circuito Eletrônico........................................................83

Fig. 49 - Diagrama Esquemático do Circuito dos Transdutores de Pressão.......................84

Fig. 50 - Circuito do Microcontrolador PIC 16F877A...........................................................85

Fig. 51 - Circuito do Modulador de Potência.......................................................................86

xiii

LISTA DAS TABELAS

Tabela1 - Características de pressão e temperatura do sensor. ...................................24

Tabela 2- Propriedades do elemento sensor piezo-resistivo da Motorola. ....................25

Tabela 3 - Custo para a execução do projeto. ...............................................................42

Tabela 4 - Sinais de Interface entre os Circuitos Eletrônicos ........................................58

Tabela 5 - Sinais de Calibração dos Circuitos Eletrônicos ............................................71

Tabela 6 - Relação de Material da Placa do Circuito do Modulador de Potência. ........87

Tabela 7 - Relação de Material da Placa do Circuito do Microcontrolador ...................88

Tabela 8 - Relação de Materiais do Circuito dos Transdutores de Pressão................. 89

xiv

LISTA DE SIGLAS

TTL Lógica Transistor-Transistor. EEPROM Eletric Erasable Programmable Read Only Memory. PIC (Controlador com Interface para Periféricos) Peripherical Interface Controller. Led Light-emitting diode.

xv

LISTA DE SÍMBOLOS

Nm3/h- Normal metro cúbico por hora kg- kilograma. m- metro. rpm- rotações por minuto. cm- centímetros. mA- miliampère. °C- graus Celsius. kPa- kilopascal. V- Volt. h- hora. Ω Ohm. W Watt. A Ampère. bps bits per second.

xvi

RESUMO

Este projeto define a construção de um sistema de proteção anti-surge para

compressores de ar de pequeno porte. Tem a finalidade principal de reduzir os custos

dos equipamentos auxiliares fornecidos com a máquina mantendo as características

básicas de alta velocidade de resposta e segurança operacional dos sistemas desta

natureza. O sistema proporciona uma monitoração da pressão da descarga, pressão

de sucção e fluxo de ar fornecido pela máquina e caso o fluxo caia abaixo dos valores

críticos para a operação da máquina efetua o desligamento da mesma, para protegê-la

de avarias mecânicas.

O hardware é composto basicamente de três circuitos eletrônicos, o primeiro é

para os sensores de pressão que permite a normalização dos sinais fornecidos por

eles, o segundo é para monitorar e controlar a máquina através de um microcontrolador

e por fim um circuito chaveador de potência para acionar o motor. Os circuitos

analógicos dos sensores, além de amplificarem os sinais fornecidos por eles, permitem

padronizá-los para serem enviados ao microcontrolador. O microcontrolador lê os

sinais do processo, envia os dados a um software supervisório e executa um algoritmo

de controle. O circuito de potência faz o acionamento elétrico de parada e partida do

motor do compressor.

O software supervisório proporciona uma leitura dos dados da máquina. Permite

também que os dados relativos às margens de segurança de operação do sistema

sejam programados no microcontrolador sem que para isto seja utilizado um outro

hardware ou software específico, muitas vezes inexistentes na área de operação. Isto

torna esta operação mais ágil. Ele possibilita também ao operador visualizar o mapa de

surge do compressor on-line para facilitar a visualização das condições operacionais da

máquina. Permite também obter um histórico de dados de determinados horários e

ainda resgatar os momentos em que a máquina entrou em condição de operação

insegura .

xvii

ABSTRACT

This paper details the development of an Anti-Surge Protection System for small

air compressors. Its final purpose is to reduce the costs with auxiliary devices delivered

with these machines. It keeps the same high speed performance and operational

security needed in these systems.

This system allows the operator to watch the discharge pressure, suction

pressure and still monitoring the air flow of the machine and if necessary shutting it

down safely if the flow falls down to critical values where normal operation is no longer

possible, avoiding mechanical damages on it.

The hardware is composed basically of three electronic circuits. The first one

converts the signals given by the pressure sensors in to a standard range. The second

one is for monitoring and to control the machine with a microcontroller and at least a

power circuit to drive its motor. The analog circuits of the sensors amplify its signals and

standardize then before they are sent to the microcontroller. The microcontroller reads

these signals, send then to a supervisory software and still performs an algorithm of

control while the power circuit drives the machine’s motor stopping and starting it up as

necessary.

The supervisory software gives an actual reading of the machine’s data. It allows

people to program the microcontroller, sending data related to the anti-surge control line

of the machine. So, it is not necessary to have another specifics software and hardware

to program the microcontroller at field. This makes that operation easier. It also allows

the operator to see the surge map on-line to make easier the operation of the machine

and finally records the data on an established period and in the moments when the

machine worked in critical conditions.

.

xviii

1

1. INTRODUÇÃO

1.1. Histórico

O Surge em compressores centrífugos pode levar uma indústria a ter sérios

problemas. Atualmente pequenas máquinas, cujas vazões estão na casa de 10.000

Nm3/h, possuem rotores que giram a velocidades altíssimas, da ordem de 40.000 rpm.

Este fenômeno pode afetá-las, levando-as a condições críticas que requerem ações

muito rápidas para se evitar maiores danos. Para se ter uma idéia de sua força

destrutiva, vejamos o relato a seguir de um ensaio de uma máquina rotativa.

“No início de 1985, a empresa Test Devices Incorporation estava procedendo a

um teste com um rotor de um compressor de massa 270 kg e raio de 0,38 m. Quando

o rotor atingiu a velocidade de 14.000 rpm, os engenheiros ouviram o som de uma

pancada abafada vindo da sala de testes. Esta era composta de um revestimento de

aço fixado com parafusos, no seu interior uma parede feita de tijolos de chumbo e

revestimento próprio para contenção. Em caso de explosão, esperava-se que os tijolos

macios de chumbo capturassem os pedaços de forma que ruptura pudesse ser

analisada. Após as investigações os fatos apurados foram: Os tijolos haviam sido

atirados para fora da sala de testes, uma porta da sala arremessada para o

estacionamento vizinho, um tijolo de chumbo foi atirado do local de teste atravessando

a parede de uma cozinha vizinha , as vigas da estrutura do prédio onde foi realizado o

teste haviam sido danificadas, o piso de concreto abaixo da câmara de teste havia sido

empurrado para baixo aproximadamente 0,5 cm e o revestimento de aço de 900 kg

havia sido arremessado para cima, atravessado o teto e depois bateu de volta no

equipamento de teste. Cálculos efetuados mostraram que a quantidade de energia

liberada foi de 2,1 x 107 Joules. Estar perto desta explosão era como estar perto de

uma bomba explodindo”. (Halliday, 2002)

O surge descontrolado pode fazer com que momentaneamente um compressor

altere sua velocidade bruscamente e, com isto, uma condição semelhante à descrita

acima pode ser atingida.

2

1.2. O “Surge”: Um Fenômeno a Ser Evitado

Alguns compressores comprimem um gás através da redução do volume da

câmara onde ele se encontra, tais compressores chamados alternativos não entram em

“surge”.

Outros compressores comprimem um gás acelerando-o a uma alta velocidade

com um conjunto rotativo e então fazendo com que suas velocidade decresça em uma

parte não rotativa, ocorre então um aumento da pressão do gás. Compressores deste

tipo são chamados de turbo - compressores ou compressores centrífugos. Este tipo de

compressor apresenta um sério problema à medida que a relação de compressão

aumenta, isto é, a relação entre a pressão do gás na descarga e a pressão na sucção

do compressor. Com uma relação de compressão elevada e vazão reduzida, esta

vazão torna-se seriamente instável e pode até reverter completamente no interior do

compressor. Esta condição chamada de “surge”, perturba o equilíbrio de forças dentro

do compressor, e pode jogar as partes rotativas contra as estáticas podendo como

visto no histórico não apenas destruir a máquina, como até causar sérios danos em

tudo ao seu redor. O “surge” em pequena escala pode reduzir a eficiência da máquina

danificando a selagem interna da mesma.

O surge em pequena escala pode não ocorrer em todas as partes de um

compressor. Por exemplo, devido à velocidade do gás ser menor próximo às paredes

do elemento rotativo e maior no seu centro a ocorrência do surge pode se dar nesta

área, enquanto no centro o gás ainda está seguindo o seu caminho normal. Esta

ocorrência em pequena escala se manifesta da seguinte forma:

• Periódicas pulsações na vazão que podem ocorrer durante um período de 0,2

segundos;

• Pulsações periódicas na pressão de descarga principalmente se a medição

ocorrer próximo à descarga do compressor;

• Aumento do nível de vibração axial e radial da máquina;

• Aumento na temperatura de descarga.

3

No surge em pequena escala a vazão do gás oscila em alta freqüência ou

aleatoriamente dentro de um limite estreito de vazão a uma pressão praticamente

constante.

O Surge em grande escala é facilmente identificável. Tipicamente, a vazão cai

drasticamente de forma repentina, as válvulas de retenção da descarga batem e o

compressor é parado pelo sistema de proteção por alta vibração, sobre-velocidade ou

um pouco mais tardiamente por alta temperatura na descarga. A menos que as

condições de operação que levaram o compressor ao surge sejam corrigidas, a

ocorrência será repetitiva, variando da ordem de 1 a alguns segundos. Isto ocorre

porque após o surge, a pressão na descarga do compressor diminui, a vazão interna

do gás se restabelece, permitindo que o compressor volte a comprimi-lo. No entanto,

uma vez que a pressão de descarga aumente novamente o surge volta a acontecer,

este ciclo então se repetirá indefinidamente. O surge em alta escala se manifesta como

descrito a seguir:

• A pressão aumenta e a vazão cai, porque o consumo é menor que o limite

mínimo de vazão;

• A vazão rapidamente reverte a uma pressão constante porque não há consumo;

• A vazão reversa diminui a pressão na descarga, agora o gás no interior do

compressor encontra um caminho para seguir;

• A vazão normal se restabelece repentinamente.

Em observações efetuadas ao longo dos anos, verificou-se que o surge em

pequena escala ocorre quando a vazão através do compressor está próxima de 10%

da vazão mínima do compressor para compressores de pequena relação de

compressão como, por exemplo, 1,2 / 1, em casos onde a relação de compressão é

maior, praticamente não se observa o surge em pequena escala apenas o surge em

alta escala. Razões que podem levar o compressor ao surge:

• Queda de pressão na sucção do compressor por falha no abastecimento;

• Estrangulamento da entrada do compressor;

• Compressor recebe gás de outro compressor que parou;

• Queda da rotação do compressor;

• Queda no peso molecular do gás a ser comprimido;

• Aumento na temperatura do gás a ser comprimido;

• Sujeira interna ao compressor;

• Vazamento na selagem interna entre os estágios do compressor;

• Presença de líquidos nos caminhos inter-estágios de compressão.

4

De todas as razões anteriormente descritas, a mais crítica em caso de pressão

de sucção constante e pressão de descarga constante é a queda da rotação do

conjunto rotativo. É a que mais rapidamente pode levar a máquina ao surge em alta

escala. De fato, uma repentina redução de velocidade é o mais sério problema que um

sistema anti-surge tem que enfrentar. Por comparação, o fechamento repentino de uma

válvula de sucção ou descarga, ao contrário do que possa parecer é um problema

relativamente simples de resolver.

Para que se possa iniciar um projeto de uma malha anti-surge, tem-se que ter

em mãos um mapa de “performance” do compressor onde é estabelecida a linha de

limite de surge. Este mapa define exatamente qual a capacidade do compressor para

cada velocidade do mesmo e vazão, desde que sejam mantidas a composição do gás

e a sua temperatura constantes. Várias variáveis podem ser usadas como indicadoras

de capacidade de compressão da máquina, mas as mais comuns são:

• Relação ente a pressão de descarga e a pressão de sucção (P2/P1);

• Pressão de descarga (P2) se a pressão de sucção for constante;

• Pressão de sucção (P1) se a pressão de descarga for constante.

Da mesma forma, para indicar a vazão instantânea da máquina são usuais:

• A vazão standard. (Sem qualquer correção de pressão e temperatura.);

• A vazão volumétrica. (Com correção de pressão ou pressão e temperatura).

Um mapa típico mostra muitas linhas de velocidade em “rpm” para máquinas

com velocidade variável, ou linhas que indicam a abertura da válvula de sucção em

“graus” para máquinas com velocidade fixa, o comportamento de ambas é idêntico.

Estas linhas estão relacionadas com o eixo X e com o eixo Y do gráfico. Com a queda

da vazão as linhas de “rpm” ou “graus” terminam em uma linha denominada linha de

Limite de Surge. Esta linha representa o menor valor de vazão a partir de onde se

espera que a máquina entre em surge de pequena escala. Os compressores de ar,

como no caso estudado neste projeto, normalmente possuem a pressão de sucção

constante, a atmosférica; isto é: nos casos onde os filtros de sucção apresentam

pequena queda de pressão. Normalmente os gráficos relacionam a pressão de

descarga configurada como eixo Y, e vazão standard ou pressão diferencial do

elemento de medição de vazão configurada no eixo X, também é notório que estes

tipos de compressores sejam acionados por motor elétrico e que sua capacidade seja

controlada através da abertura da válvula de sucção ou da velocidade do motor, o que

5

100% velocidade nominal ou

100° abertura da válvula.

95% ou 60°

Linha de limite de

Surge Curvas para cada velocidade da máquina ou

abertura da válvula de sucção.

Pressão de Descarga ou Relação de Compressão

Vazão Instantânea ou Diferencial de

Pressão

90% ou 40°

os torna mais econômicos. Na figura 1,(Mannesmann-Demag, s.d.), pode-se ver um

mapa de desempenho típico de uma máquina de pequeno porte.

1.3. Objetivo do Projeto

Para efetuar a proteção anti-surge de um compressor de ar de instrumento de

pequeno porte, foi desenvolvida uma malha de controle que monitora a pressão de

sucção da máquina, a pressão da descarga e a sua vazão instantânea continuamente.

Os fabricantes destes sistemas após análises determinaram que o tempo

mínimo de resposta deste sistema deve ser de 50 milissegundos. Por isso, uma vez

que seja detectado que a máquina está se aproximando da região do “surge”, será

acionado um aviso na tela do supervisório e se ocorrerem dois “surges ” na máquina

haverá o desligamento da mesma. Há ainda o desligamento da máquina se ocorrer

uma obstrução na entrada da mesma fazendo com que a pressão de sucção venha a

cair abaixo de um valor programado.

Um sistema supervisório mostra as condições operacionais do compressor, mas

o controle e os cálculos da malha anti-surge são efetuados em um circuito

microcontrolador, que possui uma rotina dedicada, maior velocidade de atuação e sem

interferência do elemento humano.

Fig. 1 - Mapa de Desempenho.

6

As medições são efetuadas por elementos medidores de pressão instalados na

sucção e na descarga da máquina. Um medidor de pressão diferencial é instalado em

uma restrição na descarga da máquina de forma a se poder obter uma indicação da

vazão instantânea na máquina.

Vazão pode ser definida como a quantidade de material que passa por uma

determinada seção em certo intervalo de tempo, ou seja, é o produto da velocidade

pela área da seção por onde o material escoa. Quando esta velocidade é expressa em

unidades de massa, tem-se a vazão mássica e caso seja expressa em termos de

volume tem-se a vazão volumétrica. Existem vários métodos para se medir a vazão, a

escolha por um deles se fará levando em conta os seguintes fatores: natureza do

material, volume, precisão e controle exigido.

Os medidores de pressão diferencial medem a vazão baseada na pressão

diferencial gerada por uma restrição inserida em uma tubulação. Os medidores de

pressão diferencial podem ser desde um simples tubo em “U”, medidores indutivos,

capacitivos ou outros tipos. A relação entre a pressão diferencial e a vazão é dada pela

equação básica (1) do cálculo da vazão com base no diferencial de pressão.

Q= k (∆p)0, 5 (1)

onde:

• Q = Vazão instantânea do compressor.

• K = Constante que reúne fatores de cálculo de vazão.

• ∆p = Diferencial de pressão no elemento sensor de vazão.

Os valores da pressão de descarga e sucção do compressor também são

indicados pelo sistema supervisório onde são inseridos os valores mínimos de vazão

instantânea e de pressão de sucção para o desligamento da máquina. Valores estes

determinados pelos valores operacionais da máquina e da sua curva de desempenho.

7

1.4. Divisão do projeto

O projeto consiste de várias etapas, a saber:

• Levantamento de dados junto a uma máquina real,

• Elaboração de um cronograma de execução,

• Pesquisa dos sensores de pressão,

• Desenvolvimento dos circuitos para os sensores,

• Testes e calibração,

• Estudo do microcontrolador,

• Escolha de um microcontrolador adequado,

• Desenvolvimento do circuito para o microcontrolador e sua interface com

o microcomputador,

• Elaboração do firmware,

• Desenvolvimento de um circuito de acionamento de potência adequado

ao motor que se vai usar,

• Teste do circuito de acionamento junto com o motor,

• Programação e testes do microcontrolador,

• Estudo de técnicas de software para supervisório,

• Desenvolvimento do software supervisório,

• Realização de testes conjuntos,

• Configurações e resultados finais,

• Elaboração do manual do usuário,

• Elaboração do manual de manutenção.

2. ESTUDO TEÓRICO

2.1. O Compressor de ar VK

Este compressor possui três impelidores que giram a uma rotação de,

aproximadamente, 36.000 rpm. O primeiro, de maior tamanho, possui na sua entrada, uma

válvula de estrangulamento da sucção para controle da capacidade do compressor. A

entrada da válvula está conectada com a atmosfera através de um filtro de poeira. O ar

comprimido no primeiro estágio, sofre aquecimento e é resfriado através de um trocador

de calor ar/água onde tem sua temperatura diminuída para 40°C, aproximadamente, de

acordo com a capacidade da máquina e da temperatura ambiente. O segundo rotor recebe

o ar comprimido pelo primeiro, efetua uma nova compressão, devolve o ar para um

segundo trocador de calor semelhante ao primeiro e o envia para o terceiro impelidor. Este

último efetua a compressão final do gás. A partir de então o ar já está com uma pressão

de 6 bar. A medição de vazão é efetuada após o filtro de poeira na entrada do ar. Através

de uma restrição ali instalada é medida a diferença de pressão e de acordo com o valor do

fator k estabelecido pelo fabricante é obtida a vazão instantânea do compressor.

O sistema de proteção anti-surge, serve como proteção para evitar que a máquina

entre na região instável de operação. Uma vez atingida esta condição dificilmente uma

máquina retorna a sua função normal, porque esta é uma condição extrema de trabalho, e

a máquina que a atingir deverá ser retirada de operação, quer sendo colocada em reciclo

ou parando-a.

Para condicionar este sistema, em sua primeira operação, a máquina deverá ser

colocada em condição de teste. Isto é feito, mediante o posicionamento da válvula de

sucção em posições diversas, ou mediante a alteração da velocidade da máquina,

qualquer que seja o modo de ajuste de capacidade da mesma. Então, a máquina é levada

para uma condição operacional próxima ao ponto em que entraria em surge e seus dados

de pressão de descarga, vazão instantânea, e velocidade são anotados para que depois

seja montada a curva como mostrado na Figura1.

9

2.2. Sistemas Supervisórios

O sistema supervisório aqui desenvolvido fornece ao operador da máquina,

informações sobre as condições operacionais do compressor relacionadas à sua curva de

performance. Com ele pode ser vista a curva de performance da máquina “on line”, suas

condições de pressão de sucção, descarga, vazão instantânea, e sua curva de controle de

surge.

Consiste de uma tela de visualização e uma tela de programação. Na tela de

configuração, são fornecidos os dados que posteriormente são enviados ao hardware da

máquina. Estes dados que foram obtidos após a execução dos testes com a máquina logo

após a sua entrada em operação são gravados no circuito integrado encarregado de

efetuar a proteção de máquina.

Os sistemas supervisórios, também são utilizados para fornecer dados anteriores

aos atuais. Com isso, pode-se ter um histórico das condições em que a máquina se

encontrava anteriormente ao “surge”. Os dados também podem ser manipulados de forma

a fornecer ao operador da máquina informações que levem a preveni-lo de que alguma

situação de operação anormal esteja ocorrendo. Na Figura 2, (Unicenp- Informática

Industrial, 2004), pode-se ver uma tela de um sistema supervisório normalmente utilizado

pela indústria.

Fig. 2 - Tela de sistema supervisório.

10

As telas dos sistemas supervisórios são partes de um sistema denominado de

IHM(Interface Homem Máquina), onde o operador pode não só efetuar a monitoração de

um processo como também interagir com ele. Estes sistemas podem partir de uma

pequena estação de controle e se tornar um sistema gigantesco, com várias estações

interligadas aos mais diversos dispositivos, como por exemplo: PLC’s e sistemas

corporativos de uma indústria. Na Figura 3, (Unicenp- Informática Industrial, 2004), pode-

se ver um sistema supervisório interligado a uma rede corporativa.

Através da IHM, pode-se ver o histórico do processo, como se fossem cartas de

registro de variáveis, como pode ser visto na Figura 4, (Unicenp-Informática Industrial,

2004); e, atuar no sistema para poder alterar sua condição operacional, como na Figura 5,

(Unicenp-Informática Industrial, 2004). Esta atuação pode ser executada também através

de dispositivos de campo, um hardware específico, quando for necessário que seu acesso

esteja disponível em caráter emergencial, como no caso de uma botoeira de parada

automática da máquina. Entretanto, na maioria dos casos, a IHM deve fornecer meios

Fig. 3 - Sistema supervisório interligado ao chão d e fábrica e ao sistema corporativo.

Sistema Corporativo

11

para que se consiga efetuar as ações mais sofisticadas no equipamento, como por

exemplo: ajustes de carga ou avaliação de seu desempenho. Alguns níveis de alarme

também podem ser programados para avisar quando certos parâmetros foram atingidos,

desta forma, pode-se estar continuamente avaliando o processo.

Fig. 4 - Gráfico de registros de variáveis.

Fig. 5 - Tela de operação do equipamento.

12

2.3. Monitoração

2.3.1. Transmissores

Os transmissores são sensores destinados a fazer a conversão de um sinal de

processo que se deseja medir, em um sinal elétrico que pode ser conectado a um

dispositivo de hardware que possa fazer o tratamento e conversão deste sinal em valores

que possam ser mostrados em um sistema de controle ou monitoração. No nosso caso,

utiliza-se três medidores de pressão, dois de pressão manométrica e um de pressão

diferencial, um transmissor industrial pode ser visto na Figura 6, ( Smar, 2004 ).

A precisão global de uma medição de pressão depende de muitas variáveis. Os

transmissores de pressão utilizados pela indústria são robustos, de forma a serem imunes

aos sinais de ruído que lá estão presentes.

Fig. 6 -Transmissor de Pressão Manométrica Industri al.

13

2.3.1.1.O Sensor do tipo Capacitivo

2.3.1.1.1.Instalação

Embora os transmissores utilizados pela indústria tenham um desempenho de alto

nível, uma instalação adequada é necessária para aproveitar ao máximo os benefícios

oferecidos. De todos os fatores que podem afetar a precisão dos transmissores, as

condições ambientais são as mais difíceis de controlar. Entretanto, há maneiras de se

reduzir os efeitos da temperatura, umidade e vibração.

Os transmissores possuem em seu circuito um sensor para compensação das

variações de temperatura. Na fábrica, cada transmissor é submetido a vários ciclos de

temperatura e as características do sensor sob diferentes temperaturas são gravadas na

memória do sensor. No campo, o efeito da variação de temperatura é minimizado devido a

esta caracterização. Os efeitos devido à variação de temperatura podem ser minimizados

montando-se o transmissor em áreas protegidas das mudanças ambientais. Em ambientes

quentes, o transmissor deve ser instalado de forma a evitar ao máximo a exposição direta

aos raios solares. Deve-se evitar a instalação próxima de linhas ou vasos com alta

temperatura. Deve-se usar trechos longos de linha de impulso entre a tomada de pressão

e o transmissor sempre que o duto operar com fluidos em alta temperatura. Quando

necessário, usar isolação térmica para proteger o transmissor das fontes externas de

calor.

A umidade é inimiga dos circuitos eletrônicos. Em áreas com altos índices de

umidade relativa deve-se certificar da correta colocação dos anéis de vedação das tampas

da carcaça. Deve-se procurar não retirar as tampas da carcaça no campo, pois cada

abertura introduz mais umidade nos circuitos. O circuito eletrônico é revestido por um

verniz à prova de umidade, mas exposições constantes podem comprometer esta

proteção. Também é importante manter as tampas fechadas, pois, cada vez que elas são

removidas, o meio corrosivo pode atacar as roscas da carcaça que não estão protegidas

14

por pintura. Recomenda-se o uso de fita de teflon ou vedante similar nas conexões

elétricas para evitar a penetração de umidade. Embora um transmissor seja praticamente

insensível às vibrações, devem ser evitadas montagens próximas a bombas, turbinas ou

outros equipamentos que gerem uma vibração excessiva. Caso seja inevitável, a

instalação do transmissor deve ser executada em uma base sólida e com a utilização de

mangueiras flexíveis que não transmitam vibrações. Deve-se evitar também instalações

onde o fluido de processo possa congelar dentro da câmara do transmissor, o que poderia

trazer danos permanentes à célula capacitiva.

Procurar evitar a passagem da fiação de sinal por rotas que contêm cabos de

potência ou comutadores elétricos. As roscas dos eletrodutos devem ser vedadas

conforme método de vedação requerido pela área. A passagem não utilizada deve ser

vedada com bujão e vedante apropriado.

A fonte de alimentação de um transmissor de pressão, normalmente é de corrente

contínua e o seu circuito de instalação pode ser visto na Figura 7, (Smar, 2004). O

transmissor trabalha com o sistema a 2 fios, isto é, a mesma fiação utilizada para

alimentação serve para a transmissão do sinal. O consumo quiescente do transmissor é

de 3,6 mA e durante a operação o consumo pode chegar a 21 mA, dependendo do estado

da medida e do sensor.

A tensão de alimentação pode variar de acordo com o gráfico da Figura 8, (Smar,

2004), em relação à resistência de carga do circuito em que o transmissor estiver inserido,

Fig. 7 - Circuito de alimentação elétrica de um tra nsmissor industrial.

15

isto se deve ao fato que os transmissores industriais mais tradicionais do mercado fazem a

conversão das grandezas medidas em sinais de corrente elétrica. Apesar de que

atualmente já existam transmissores que utilizem protocolos de comunicação digitais,

contudo mesmo neste caso, estes valores são respeitados para que seja mantida a

funcionalidade do transmissor em qualquer ambiente de hardware.

2.3.1.1.2. Funcionamento do Sensor Capacitivo

O sensor de pressão mais tradicional utilizado pelos transmissores de pressão

industriais são do tipo capacitivo (célula capacitiva), conforme mostrado

esquematicamente na Figura 9, (Smar, 2004), onde:

.

Fig. 8 - Tensão de alimentação de um transmissor de acordo com a carga.

16

P1 e P2 são pressões aplicadas nas câmaras H e L.

CH = capacitância medida entre a placa fixa do lado de P1 e o diafragma sensor.

CL = capacitância medida entre a placa fixa do lado de P2 e o diafragma sensor.

d = distância entre as placas fixas de CH e CL.

∆d = deflexão sofrida pelo diafragma sensor devido à aplicação da pressão

diferencial DP = P1 - P2.

Sabe-se que a capacitância de um capacitor de placas planas e paralelas pode ser

expressa em função da área (A) das placas e da distância (d) que as separa como na

equação (2):

(2)

Onde,

Є = constante dielétrica do meio existente entre as placas do capacitor.

Fig. 9 - Célula Capacitiva.

17

Se considerar CH e CL como capacitâncias de placas planas de mesma área e paralelas,

quando P1 > P2, tem-se as equações 3 e 4 para a capacitância CH e CL:

Por outro lado, se a pressão diferencial (∆P) aplicada à célula capacitiva, não

defletir o diafragma sensor além de d/4, podemos admitir ∆P proporcional a ∆d, ou seja na

como na equação (5):

Se desenvolvermos a expressão (CL-CH) / (CL+CH), obter-se-á, a equação (6) :

como a distância (d) entre as placas fixas de CH e CL é constante, percebe-se que a

expressão (CL-CH) / (CL+CH) é proporcional a ∆d e, portanto, à pressão diferencial que

se deseja medir. Assim, conclui-se que a célula capacitiva é um sensor de pressão

constituído por dois capacitores de capacitâncias variáveis, conforme a pressão diferencial

aplicada.

2.3.1.1.3. Funcionamento do Circuito em Blocos

O Diagrama de blocos do transmissor, como mostra a Figura 10,(Smar, 2004),

ilustra esquematicamente o funcionamento do circuito. O conversor eletrônico da célula

capacitiva gera uma freqüência, que é função da capacitância do sensor.

(3) (4)

(5)

(6)

18

A Unidade Central de Processamento (CPU) é a parte inteligente do transmissor,

responsável pelo gerenciamento e operação dos outros blocos, linearização e mais

algumas funções auxiliares. O programa é armazenado em uma memória PROM. Para

armazenamento temporário dos dados, a CPU tem uma memória RAM interna. Caso falte

energia, estes dados armazenados na RAM são perdidos. A CPU possui uma memória

interna não volátil (EEPROM) onde dados que devem ser retidos são armazenados.

Exemplos de tais dados: calibração, configuração e identificação de dados. A EEPROM

permite 10.000 gravações na mesma posição de memória.

Os sinais de controle da CPU são transferidos através do acoplador óptico, e

convertidos em sinais elétricos analógicos e digitais simultaneamente para que possam

ser lidos pelo hardware de monitoração e controle da máquina.

Existe uma memória EEPROM que está localizada na placa do sensor. Ela contém

dados pertencentes às características do sensor para diferentes pressões e temperaturas.

Como cada sensor é caracterizado na fábrica, os dados gravados são específicos de cada

sensor. O conversor D/A converte os dados digitais da CPU para sinais analógicos com 15

bits de resolução.

Fig. 10 - Diagrama em blocos de um transmissor de p ressão.

19

O Controlador de Display recebe os dados da CPU acionando os segmentos do

Display de cristal líquido. O controlador ativa o backplane e os sinais de controle de cada

segmento.

Ajuste Local: são dois sensores magnéticos que são ativados através de uma

chave de fenda imantada, sem nenhum contato externo, tanto elétrico quanto mecânico.

Embora estes tipos de transmissores sejam os que predominem no mercado, no

entanto, devemos levar em conta sua velocidade de resposta que deve ser

suficientemente rápida para que a resposta do sistema não seja prejudicada pela

morosidade na conversão das medidas.

2.3.1.2. O Sensor Piezo-Resistivo

Para o sistema desenvolvido deste projeto o sensor utilizado é o modelo MPX53DP

fabricado pela Motorola que pode visto na figura 11, ( Motorola,1997).

O sensor piezo-resistivo, que utilizamos no circuito, diferentemente dos sensores

capacitivos utilizados atualmente no mercado, possui um conversor analógico de sinal, o

Fig. 11 - Sensor Piezo-Resistivo da Motorola.

20

que o torna mais adequado à nossa aplicação. Os sensores capacitivos como os

anteriormente vistos e outros tipos, a exemplo do sensor com pastilha de silício

ressonante da Yokogawa, apesar de serem robustos e especialmente desenvolvidos para

o uso industrial, pecam por sua excessiva lentidão, uma vez que possuem um

processador interno que realiza uma série de funções, como por exemplo, auto-calibração,

alteração remota de faixa de trabalho e transmissão digital simultânea com a transmissão

analógica. Isto faz com que seu atraso na propagação de alteração da grandeza medida

na sua entrada seja da ordem de 200 milissegundos, o que os torna muito lentos para

nossa aplicação que requer 50 milissegundos. Existem fabricantes cujos transmissores

têm alta velocidade de resposta aos estímulos, mas a preços proibitivos, da ordem de 10

mil dólares.

O circuito desenvolvido, totalmente analógico, é composto de amplificadores

operacionais e está previsto o seu funcionamento de um painel metálico e aterrado, com

temperaturas dentro de uma faixa de 15 a 30°C, para as quais não está se prevendo

compensação de temperatura ambiente para o sensor.

O sensor de silício piezo-resistivo, foi desenvolvido para as aplicações mais

diversas, como descrito a seguir:

• Controle de movimentação de ar;

• Sistemas de controle de meio-ambiente;

• Indicadores de nível;

• Detecção de vazamentos;

• Instrumentação Medicinal;

• Controles Industriais;

• Interface de Sistemas de controle Pneumáticos e

• Robótica.

21

O circuito eletrônico do elemento sensor é bastante simples, como pode ser

observado na Figura 12, (Motorola, 1997), o que permite que seja conectado diretamente

a um amplificador diferencial.

A tensão diferencial gerada no sensor é diretamente proporcional ao diferencial de

pressão a ele aplicado. O diferencial de tensão aumenta com o aumento do diferencial de

pressão entre a entrada P1 em relação à entrada P2. Com isto, tanto pode ser aplicado

um acréscimo de pressão na entrada P1, como um valor de vácuo na entrada P2.

Fig. 12 - Disposição circuito interno do sensor pi ezo-resistivo.

22

Segundo o datasheet, ( Motorola, 1997), este dispositivo da Figura 13, gera uma

saída muito precisa e linear diretamente proporcional à pressão nele aplicada. Este sensor

de baixo custo relega aos desenvolvedores implementar suas próprias maneiras de

compensar os desvios causados pela alteração da temperatura ambiente. Sua execução é

fácil, porque os gráficos de desvio com a temperatura são fornecidos pelo fabricante,

como pode ser visto na Figura 14, onde se tem sua curva característica.

Fig. 13 - Disposição física do sensor MPX53DP.

23

Pode-se observar pelas curvas da Figura 14, (Motorola,1997), que para pequenos

desvios de temperatura ambiente, a alteração da resposta do dispositivo será muito

pequena.

2.3.1.2.1. Funcionamento do Sensor Piezo-Resistivo

O sensor piezo-resistivo é um elemento que fornece um sinal de tensão de saída

proporcional à diferença de pressão entre as portas P1 e P2. Este dispositivo, mostrado na

figura 15, ( Motorola, 1997), utiliza um sensor tipo strain-gage construído de material

semicondutor que é sensível à posição de um fino diafragma de silício. Este diafragma é

responsável pela separação entre a câmara ligada à entrada P1 e a câmara ligada à

entrada P2. Seu deslocamento ocorre sempre que o diferencial de pressão for modificado.

Devido ao fato do strain-gage ser parte do diafragma, não há efeito de diferença de

temperatura entre ambos; embora o strain-gage em si, seja dependente da temperatura,

cujo valor deverá ser compensado se for utilizado com uma taxa de variação muita alta, da

ordem de dezenas de graus. Entretanto os circuitos compensadores podem ser

implementados utilizando-se sensores resistivos.

Fig. 14 - Curva característica do sensor MPX53DP em relação à temperatura.

24

Convém ressaltar que os gráficos aqui mostrados são baseados no ar limpo e seco

como elemento a ser medido. Para outros fluidos o fabricante deverá ser consultado.

Os valores de pressão e temperatura máximos a que o sensor pode ser submetido

podem ser vistos na Tabela 1, ( Motorola,1997), são fornecidos pela Motorola.

Os valores da Tabela 1 acima são extremos a partir dos quais o sensor poderá ser

permanentemente danificado.

Fig. 15 - Figura do arranjo interno do sensor piezo -resistivo.

Tabela1 - Características de pressão e temperatura do sensor.

25

Tabela 2- Propriedades do elemento sensor piezo-res istivo da Motorola.

Na tabela da Tabela 2, tem-se os valores de operação do elemento sensor.

26

A linearidade de um elemento transdutor define como a saída do transdutor se

comportará em toda a sua faixa de operação, e qual será o seu desvio em relação a um

valor tipo como padrão. Isto é, para cada valor de pressão aplicada à sua entrada, na sua

faixa de funcionamento, qual será o valor de tensão diferencial correspondente. Existem

diversas maneiras que os fabricantes utilizam para determinar a linearidade, alguns

utilizam os pontos extremos desviados da reta média característica, outros a média

quadrática de todos os pontos desviados desta reta. A Motorola utiliza o primeiro método

como se pode ver na Figura 16, (Motorola, 1997).

Entretanto, como mencionado anteriormente, por se tratar de um circuito

experimental, não se fará a compensação de linearidade, o demandaria muito tempo e

exigiria a criação de um cálculo ou de uma tabela de correção, o que tornaria o nosso

circuito muito lento.

Fig. 16 -Curva de linearidade do sensor MPX53DP.

27

2.4. Atuadores ou Elementos Finais de Controle

Para o uso em compressores, existem alguns tipos de acionadores que podem

alterar a capacidade da máquina de acordo com o método escolhido. Estes acionadores

podem ser motores, através de inversores, turbinas através de governadores hidráulicos

ou válvulas pneumáticas com acionadores a diafragma e mola.

2.4.1. Motores

Os motores de indução que são os mais comumente utilizados na indústria,

normalmente trifásicos, possuem uma vasta gama de variação de aplicações e seu

funcionamento é do conhecimento de básico dos que trabalham na área técnica. Vale

ressaltar que para alterar sua velocidade, normalmente são utilizados inversores que são

bem mais eficientes.

Eles podem ter sua velocidade alterada dentro de uma pequena faixa de valores,

normalmente dentro da casa dos 10 a 15 % em torno da velocidade nominal, quando

fazem parte de um sistema anti-surge, pois como vimos anteriormente, a variação de

velocidade neste tipo de máquina, embora auxilie enormemente no controle de

capacidade, é um dos maiores problemas com o qual este tipo de controle pode se

deparar. Inversores de corrente alternada são dispositivos que alteram a freqüência da

tensão fornecida para os motores, com isto, alterando a sua capacidade de desenvolver

trabalho e por conseqüência alterando a sua velocidade. No nosso caso, utilizou-se o

módulo PWM do microcontrolador PIC para ligar e desligar o motor, uma vez que este não

possui um inversor de freqüência.

28

2.4.2. Válvulas de Controle

Válvulas de Controle são geralmente divididos em dois grandes grupos de atuação:

Rotativas e de Deslizamento de Haste (linear);

Rotativas: são válvulas onde o eixo da válvula gira em torno de si mesmo,

possibilitando o obturador mover-se em ângulo, na área de vedação (sede), manipulando

a vazão controlada. Exemplos: válvulas tipo esfera, borboleta e de obturador excêntrico.

Um exemplo típico deste tipo de válvula pode ser visto na Figura 17 ( Fisher, s.d.).

Deslizamento Positivo ou de Deslocamento Linear: são válvulas onde a haste do

obturador desliza em movimento linear na área de vedação, controlando a vazão, pela

abertura ou fechamento da passagem do fluido pela sede. Exemplos: válvulas tipo globo,

gaveta, faca, diafragma. Este tipo de válvula pode ser visto na Figura 18,( Fisher, s.d.).

Fig. 17 - Válvula Rotativa, do tipo borboleta.

29

Para o uso em sistemas anti-surge de pequenas máquinas as válvulas mais

utilizadas são as válvulas rotativas do tipo borboleta, por proporcionarem uma menor

perda de carga no sistema e por terem normalmente uma atuação mais rápida, devido ao

equilíbrio de forças em seu interior ser mais estável e normalmente tendendo a zero.

São válvulas cujo melhor ponto de controle ocorre entre 20 – 50 graus de rotação,

ficando o limite de 70 graus para controle. São simples de instalar e operar e requerem

baixo torque de acionamento.

Seu atuador é normalmente posicionado pneumaticamente, mas há casos onde

possuem acionamento motorizado, obviamente devido ao seu acionamento bastante lento,

os acionadores motorizados não são utilizados para sistemas anti-surge. Os acionadores

pneumáticos possuem a vantagem de ter retorno à posição de repouso, por mola. Isto é

uma grande vantagem em relação a uma válvula motorizada porque em caso de falha da

energia auxiliar de posicionamento da válvula, esta irá para a sua posição de repouso

rapidamente. Um atuador pneumático pode ser visto na Figura 19,(Fisher, s.d.).

Fig. 18 - Válvula de Deslocamento Linear.

30

Outra característica importante é que possuem limites de curso mecânico, para

que se possa fazer a limitação da abertura ou fechamento da válvula, quando isto for

necessário e volantes de atuação manual que são disponíveis para que as válvulas

possam ser acionadas manualmente pelo operador em caso de pequenas falhas.

2.5. Tratamento do Sinal

Os sinais dos elementos de medição são fornecidos a circuitos amplificadores.

Neles os sinais de pressão diferencial convertidos em sinal de tensão diferencial, serão

condicionados a valores dentro de uma faixa padrão de trabalho que deverá ser de 0 a

5Vcc, esta tensão é aplicada diretamente ao microcontrolador, sem a interferência de

conversores analógico-digitais externos. Isto é feito para eliminarmos ao máximo a

Fig. 19 - Atuador de Ação Direta com retorno por mo la.

31

possibilidade de interferência de ruídos quando este sistema tiver que ser utilizado em

uma área industrial.

Os sinais analógicos sofrerão uma pequena filtragem em seus circuitos de origem,

mas o seu processamento ficará a cargo do microcontrolador que faz vinte leituras da

pressão de descarga e sucção e dez leituras consecutivas da vazão e então faz a média

aritmética de todos os sinais amostrados.

Normalmente em uma área industrial os sinais são transmitidos em valores de

corrente contínua de 4 a 20 mAcc. Em cabos com isolação para 600 V ou mais, envolvidos

por uma película condutora em contato em todo o seu percurso com um cabo condutor nu.

Este condutor é ligado à malha de terra do sistema elétrico, de forma a drenar as

correntes induzidas no cabo e eliminar interferências no sinal. Este sinal, normalmente é

convertido através de um resistor de 250 ohms em um sinal de 1 a 5 Vcc, no interior do

próprio dispositivo de controle, quer seja um CLP, (Controlador Lógico Programável), ou

um outro tipo de controlador dedicado. Esta arquitetura de conversão de sinais será

mantida para tornar o sistema mais facilmente adaptável à área industrial. Isto é, uma

fonte de sinal e um circuito controlador com funcionamento totalmente independente,

como na Figura 20 .

Fig. 20 - Diagrama Básico de uma Malha de Controle.

Controlador Elemento Final

de Controle

transmissor

32

2.6. O Microcontrolador

Os microcontroladores são diferentes dos processadores, pois integram em um

único dispositivo: cpu, memórias de programa e dados e vários periféricos como: timers,

watchdog timers, comunicação serial, conversores analógicos-digitais, geradores de PWM,

etc; o que torna a montagem final bem compacta. Os microcontroladores foram projetados

para comandarem equipamentos específicos como, por exemplo:

• Relógios, Alarme, eletrodomésticos, brinquedos;

• Instrumentação: estação meteorológica;

• Automação Industrial, Automóveis.

Em geral, estes sistemas exigem um controle preciso do tempo, pois trabalham em

tempo real. As capacidades de processamento e de memória variam de acordo com a

aplicação. A aplicação pode ser um simples relógio ou um equipamento industrial

complexo que envolve até uma camada de sistema operacional executando sobre o

microcontrolador.

As principais vantagens dos microcontroladores são:

• Baixo Custo e Consumo;

• Reconfiguração por Software;

• Curto tempo para desenvolvimento.

2.6.1. Família dos Microcontroladores PIC

Os microcontroladores PIC, utilizam a arquitetura RISC. O nome RISC é a

abreviação de Reduced Instruction Set Computer (Computador com Conjunto de

Instruções Reduzido).

33

Diferente da tradicional arquitetura Von Neumann, a estrutura RISC é baseada na

arquitetura Harvard, como será visto página 34. Eles têm como características, tamanhos

diferenciados entre barramento de dados e de programa, permitindo que em uma única

palavra, esteja a instrução e o operando. Existem modelos de PIC onde o barramento de

dados é de 8 bits e o de programa é de 12 bits. Com isso conseguimos compactar o

código e executá-lo em alta velocidade.

Existem várias famílias de microcontroladores de 8 bits, que se adaptam aos mais

variados projetos. Entre elas podemos citar alguns da Microchip:

O PIC 12C508 (microcontrolador de 8 pinos), 16F84 (microcontrolador de 18 pinos

com memória flash, EEPROM, RAM, e muito mais) e o 16FXXX (com mais periféricos,

como comparadores de tensão, conversor A/D, UART e outros).

2.6.2. Característica da tecnologia RISC

O alto desempenho da família de microcontroladores PIC pode ser atribuído as

seguintes características de arquitetura:

•Arquitetura Harvard;

•Conceito de registrador arquivo;

•Todas as instruções com palavras simples;

•Palavra de instrução longa (LWI - Long Word Instruction);

•Arquitetura de instruções em "Pipeline";

•Instruções de apenas um ciclo de máquina;

•Conjunto de instruções reduzido.

34

2.6.3. Arquitetura Harvard x Von Neumann

A arquitetura Von Neumann tradicional utiliza o mesmo barramento para memória

de programa e dados, como pode ser observado na Figura 21, (Gutierres, s.d.).

A arquitetura Harvard utiliza um barramento para memória de programa e um para

memória de dados, como pode ser observado na figura 22, (Gutierres, s.d).

Fig. 21 - Arquitetura de Neumann.

Fig. 22 - Arquitetura de Harward.

35

2.6.4. Ciclo de Instruções

A entrada de clock (pino OSC1 CLKIN) é internamente dividida por quatro para

gerar quatro clocks em quadratura sem sobreposição, nomeados Q1, Q2, Q3, e Q4.

Internamente o contador de programa PC é incrementado em Q1, e a instrução é retirada

da memória de programa e colocada no registrador de instruções em Q4. Ela é

decodificada e executada durante o ciclo seguinte de Q1 até Q4, como se vê na Figura 23,

(Gutierres, s.d.).

Para calcular o tempo de cada ciclo de instrução realizado, baseado no dispositivo

oscilador, por exemplo, um cristal, basta fazer o seguinte cálculo da Equação 7.

Tcy = ____1_____

( fosc / 4 )

Onde:

Tcy = Tempo de um Ciclo de Máquina.

fosc = Freqüência do oscilador.

Fig. 23 - Ciclo de instrução de um PIC.

(7)

36

2.6.5. Fluxo de Instrução/ Pipeline

Um ciclo de instrução consiste de quatro ciclos Q (Q1, Q2, Q3, Q4), figura 24,

(Gutierres, s.d ). A busca e execução são feitas em linha, de tal forma que a busca leva

um ciclo de instrução e a execução leva outro ciclo. Contudo, devido à característica de

"Pipeline", cada instrução é executada efetivamente em um ciclo, pois simultaneamente

ocorrem as execuções de uma instrução e a busca a instrução seguinte. Se a instrução

causa a alteração no contador de programa, então dois ciclos são necessários para

completar a instrução.

Fig. 24 - Execução de instruções em PIPELINE.

37

2.6.6. Palavra de Instrução Longa

Barramentos separados para instruções e dados permitem larguras de barramento

diferentes. Com isso o barramento de instruções é otimizado para uma palavra de

comprimento única. O número de bits do barramento de instruções depende de quantas

instruções são implementadas e do número de registradores disponíveis em cada família

de microcontrolador, como pode ser observado na Figura 25, (Gutierres, s.d ).

PIC 16FXXX - Instruções de 14 bits

PIC 17CXX - Instruções de 16 bits

Esta arquitetura permite que o microcontrolador tenha um conjunto de instruções

mais simples e de menor número (apenas 35), dois formatos de instrução apenas (uma

para instruções que manipulam bits e outras para bytes), execução de uma instrução por

ciclo de máquina, pipeline de execução e busca de instruções, e amplo número de

registradores de uso geral.

Fig. 25 - Exemplos de tamanho de instruções de um P IC.

38

Essa família possui uma arquitetura baseada em acumulador (o registrador W),

todas as instruções lógicas e aritméticas são referenciadas a ele. Os registradores são

divididos em duas categorias: especiais (SFR) e de propósitos geral (GPR). A maior parte

dos SFRs são usados para configurar e usar os diversos periféricos disponíveis. O

registrador de STATUS sinaliza condições especiais ocorridas durante as operações. Ele

vai ser muito útil quando iniciarmos a programação!

A memória dos PIC16 (arquitetura harward), permite realizar acessos simultâneos

às duas regiões de memória. Entretanto, a memória de dados está organizada em regiões

de endereçamentos especiais, os conhecidos bancos de memória, que são neste caso

quatro: banco 0, 1, 2 e 3, portanto se faz necessário o uso da paginação.

2.6.7. A função do Microcontrolador no Sistema Anti -Surge

O Microcontrolador é o cérebro do sistema, onde são efetuados todos os cálculos

para acionamento da máquina em tempo real. Suas principais tarefas serão:

• Receber os sinais analógicos transmitidos pelos sensores para convertê-los

em sinais digitais.

• Normalizar estes sinais para que estejam disponíveis para as operações

matemáticas a serem realizadas.

• Efetuar os cálculos necessários para monitorar a condição de operação da

máquina.

• Efetuar os acionamentos necessários em caso de anormalidade na máquina.

• Transmitir os dados calculados para o PC e seu sistema supervisório.

• Receber os dados levantados durante a pré-operação da máquina para

poder estabelecer parâmetros de controle, inseridos via sistema supervisório.

Os cálculos efetuados no microcontrolador deverão estabelecer o parâmetro de

segurança para qualquer ponto de operação do compressor.

39

Na Figura 26 ( Microchip, 2001), podemos ver o microcontrolador PIC16F877A de

40 pinos. Com um clock de 4 MHz, e executando uma instrução simples a cada ciclo de

máquina, nos dá um desempenho com velocidade alta o suficiente para este projeto.

Na Figura 27, ( Microchip, 2001), podemos ver a organização interna do PIC

16F877A. Utilizaremos três entradas analógicas, para obter os dados do compressor, e a

comunicação serial para estabelecer a comunicação com o PC.

Fig. 26 - Pinagem do Microcontrolador PIC 16F877.

40

Fig. 27 - Arquitetura interna do PIC 16F877A.

41

2.7. Fluxograma Básico do Sistema Anti-Surge

Fig. 28 - Fluxograma básico do Sistema Anti-Surge.

Aquisição de dados do Compressor (PIC)

Início

Efetuar rotina de cálculos e

controle(PIC)

Há risco de “Surge ”?

S

S

Enviar Dados para o

Supervisório

O Sistema está em modo de

Operação ?

N

N

Entrar com os parâ-metros levantados

Enviar dados para o

Microcontrolador (PIC)

O sistema está ativado ”?

S

N

Emitir Alarme e Parar o

Compressor

Parar o Compressor

42

2.8. Custos Estimados

Os gastos para a execução do projeto estão distribuídos como pode ser observado

a seguir.

Tabela 3 - Custo para a execução do projeto.

Descrição Custo em reais (R$)

Borland C++ Builder 6 professional 2700,00(1) MicrosoftWindows XP 1200,00(1) Sensores de Pressão 150,00 Gravador de PIC 350,00 Circuitos Eletrônicos 100,00 Cabos e Conectores 30,00 PIC 16F877A 19,00 Componentes( Resistores, Capacitores, CI) 50,00

Total 4.599,00 (1)- Custo inicial, a ser diluído com a execução de outros projetos.

43

2.9. Cronograma do Projeto

Fig. 29 - Cronograma do Projeto

44

3. ESPECIFICAÇÃO

3.1. Hardware

3.1.1. Funções do Hardware

O objetivo dos componentes de hardware deste projeto é:

• Efetuar as leituras contínuas das pressões de interesse;

• Converter estes valores em valores padronizados;

• Digitalizar os valores padronizados;

• Transmitir os valores de pressão para o software supervisório através de

uma porta serial via protocolo RS232;

• Calcular os parâmetros de controle da máquina;

• Efetuar o acionamento do motor do compressor.

3.1.2. Componentes Utilizados

Os principais componentes utilizados para o hardware são:

• PIC 16F877A, microcontrolador para leitura e controle do compressor;

• MPX53DP, sensor de pressão tipo piezo-resistivo;

• MAX 232, circuito integrado para converter sinais RS232 para níveis TTL;

• LF351. amplificador operacional;

• MOC3011, circuito integrado opto-acoplador;

• TIC226D, Triac, dispositivo de controle de disparo em corrente alternada ;

• LM7805, circuito integrado regulador de tensão de 5 VDC;

• LM7809, circuito integrado regulador de tensão de 9 VDC;

• LM7909, circuito integrado regulador de tensão de -9 VDC.

45

3.1.3. Requisitos do Sistema

O sistema de medição de pressão foi calibrado dentro da faixa de operação do

compressor. Para o compressor de teste utilizaremos a calibração de 0 a 200mmHg para

o sensor de pressão de descarga, -50 a 50 mmHg para o sensor de pressão de sucção e

0 a 50 mmHg para o sensor de vazão. Entretanto, para cada sistema fornecido com uma

máquina nova, os parâmetros da máquina já são fornecidos pelo fabricante da mesma.

Para os circuitos é necessária uma fonte externa de +12 Vcc e 1 A e -12Vcc e 1 A,

entretanto como o circuito de medição requer bastante precisão, nele foram instalados

reguladores de +9 Vcc e -9 Vcc. A fonte de alimentação dos sensores, foi derivada dos

+9 Vcc regulados, com um regulador a diodo zener de 5,1 Vcc, com isto, se por um motivo

qualquer um dos sensores apresentar defeito o mesmo não se propagará para os outros

sensores e para o circuito de alimentação dos amplificadores operacionais, tornando mais

fácil a solução deste tipo de problema e o hardware mais robusto. Para o PIC16F877A e

para o circuito de comunicação MAX232, também foi desenvolvida uma alimentação de

5Vcc e 1 A conforme a necessidade destes circuitos.

46

3.1.4. Diagrama em Blocos

O funcionamento do hardware é descrito a seguir:

• Os sensores medem continuamente as pressões dos pontos onde estão

instalados no compressor.

• O circuito conversor, transforma os sinais fornecidos pelos sensores em sinais

elétricos de 0 a 5 Vcc e os envia ao microcontrolador.

• O microcontrolador lê os sinais recebidos do circuito conversor e interpreta-os

efetuando os cálculos necessários e verificando se a máquina está dentro de

sua condição normal de operação. Ele efetua o acionamento do circuito

Fig. 30 Diagrama em blocos do Sistema Anti-Surge.

Descarga de ar

Compressor

Sensor de Pressão da

Sucção

Sensor de Pressão

Diferencial (Vazão)

Sensor de Pressão de Descarga

Motor

Transdutores de Pressão Analógicos

Microcontrolador

Circuito acionamento do motor

Microcomputador

Sinal analógico Sinal digital Sinal AC de potência

Sucção de Ar

47

acionador do motor desde que a variáveis controladas fique dentro dos

parâmetros estabelecidos pelo operador da máquina e pelos parâmetros de

segurança do sistema, caso contrário fará o circuito de acionamento parar o

motor.

• O microcomputador fará a supervisão do sistema disponibilizando os dados de

pressão e vazão recebidos na tela e ainda possibilitando alterações dos

parâmetros do firmware para ajuste do sistema durante a fase de testes e

ajustes da máquina (uma vez que o sistema esteja ajustado, raramente são

feitas alterações).

3.2. Software

O software supervisório é utlizado para a configuração dos parâmetros do

microcontrolador, monitoração das condições da máquina, indicação de condição de

alarme e resgate dos valores gravados de condições de operação anteriores.

A tela de interface IHM, na figura 31, tem um aspecto bastante simples. Entretanto,

desempenhará não apenas o papel de mostrar as condições de operação da máquina

como também indicar que o sistema está em condição de alarme ou de parada

automática; será também responsável por fornecer ao microcontrolador os parâmetros de

configuração do mesmo, uma vez que para cada máquina estes parâmetros devam ser

programados individualmente conforme dados específicos levantados em campo.

No campo monitoração em azul as variáveis vazão instantânea, pressão de sucção

e pressão de descarga, são mostradas.

No campo controle em bege, o status da máquina é mostrado o que indica se ela

está em operação automática ou em manual, e o indicador mostra quando o compressor

está parado (0%) ou em operação(100%). No ponteiro logo abaixo, pode-se efetuar a

parada e partida da máquina quando o status for manual.

48

No campo Comandos em cor areia, temos as opções de controle que dão opções

de operação do equipamento, ou seja, operar em manual sem a atuação da proteção, o

que é útil para a colocação do equipamento em operação. Temos a opção de operação

em automático, que é quando a proteção está ativada, a opção de configurar o sistema

que chama o formulário de configuração a opção de sair do supervisório.

A comunicação é estabelecida com o Microcontrolador via porta serial através do

botão “Ativar Comunicação”, ao seu lado podemos selecionar qual a porta de

comunicação utilizada: “COM1” ou “COM2”.Os demais detalhes podem ser vistos no

manual do usuário anexo à monografia.

Uma tela de Histórico permite recuperar os registros das variáveis monitoradas e

pode ser acionada através do botão “HISTÓRICO” ao lado do indicador de data e hora do

sistema.

Fig. 31 - Tela Principal da IHM de operação do sist ema.

49

A tela de Configuração, Figura 32, permite alterar os parâmetros de controle do

microcontrolador para isso, está cadastrada uma senha de segurança, para permitir que

apenas pessoas autorizadas possam fazer alterações nos mesmos. Caso contrário, o

sistema retornará a tela de operação.

3.3. Requisitos

Os requisitos básicos levantados para o desenvolvimento do sistema foram:

Fig. 32 - Tela de Configuração do Sistema

50

• Interface simples e intuitiva;

• Mostrar as condições operacionais da máquina em uma tela apenas;

• Permitir a recuperação de dados recentes;

• Permitir a programação do microcontrolador com segurança, por pessoal

autorizado;

• Não requerer protocolos especiais de comunicação ou dispositivos de difícil

aquisição no mercado.

3.3.1. Funções do Software

As funções do software são:

• Monitorar o comportamento da máquina, mostrando na tela as variáveis de

controle.

• Receber os dados transmitidos pelo microcontrolador através da porta serial.

• Emitir sinal visual de alarme caso a máquina esteja em condição próxima ao

surge.

• Emitir sinal visual de emergência caso a máquina entre em surge.

• Enviar parâmetros para o microcontrolador ,através da porta serial, de forma a

permitir que este assuma novos parâmetros de controle.

• Permitir a recuperação dos dados de operação e configuração em tempos

anteriores para detecção de possível anomalias na operação do compressor.

3.4. Ambiente de Desenvolvimento

O software foi desenvolvido em linguagem C++ com a ferramenta C++ Builder

Development Environment versão 6.0.

51

3.4.1. Fluxograma

Na Figura 33, tem-se o fluxograma básico do software desenvolvido para o sistema.

Fig. 33 - Fluxograma do software de supervisão do sistema anti-surge.

N S

N

S

S N

Início

Ler parâmetros de segurança do

microcontrolador

Emitir

aviso na tela.

Carregar a

configuração.

Fazer aquisição de

dados

Fazer análise dos dados.

Enviar comando pa-ra desligar a maqui-na e entrar em modo

de configuração.

Há solicitação de alteração de

modo?

Valores conferem?

Ler teclado

Ler teclado

Alterar os parâmetros do

microcontrolador e gravar arquivo de configuração.

A

A

Enviar comando para alterar o

modo de controle máquina

Configurar ?

52

O fluxograma da Figura 33, nos mostra o modo de monitoração do sistema

supervisório, que executa basicamente as seguintes tarefas:

• Inicialmente, verifica a confiabilidade dos parâmetros de controle do

microcontrolador, e se houver concordância com os valores armazenados no PC

coloca o sistema em modo de operação;

• No modo operação, o sistema recebe os dados enviados pela porta serial

através da comunicação RS232, analisa os dados e os disponibiliza para

acompanhamento do operador da máquina. Se houver alguma anormalidade

envia uma mensagem e aguarda um reconhecimento via teclado;

• Se for solicitada a parada da máquina envia mensagem ao microcontrolador que

efetuará a parada. Caso contrário, permanecerá monitorando a máquina;

• Se for solicitada a configuração do microcontrolador, efetua a parada da

máquina e envia os parâmetros de configuração ao microcontrolador;

• Retorna à leitura dos parâmetros do microcontrolador, se houver coincidência

dos dados retorna ao modo de operação.

3.5. Firmware

É a rotina executada pelo microcontrolador para efetuar a aquisição de dados, o

controle da capacidade da máquina e a comunicação com o PC que possui o sistema

supervisório.

3.5.1. Ambiente de Desenvolvimento do Firmware

Para desenvolvimento da programação do PIC 16F877A foi utilizado o software

PCW Compiler versão 3 da Monash University.

53

3.6. Fluxograma do Firmware

Fig. 34 - Fluxograma do firmware do PIC16F877A

N S

Inicio

Monitorar comunicação

serial

Fazer conver-são dos sinais

analógicos

Modo Operação

?

Realizar linearização do sinal de vazão

Zerar saída PWM

Receber e gravar os parâmetros de

controle

Retornar para o modo de operação

S

N

Pressão Sucção baixa ?

Enviar dados para o

supervisório

Modo Auto-

mático ?

Parar o

compressor

Vazão está

baixa ?

S S

N

N

Executar comando manual

54

O fluxograma da Figura 34, mostra as principais funções executadas pelo firmware,

que são descritas em seguida:

• Monitorar a comunicação serial, enviando e recebendo dados continuamente;

• Se houver solicitação de configuração , o compressor é parado, os parâmetros

são atualizados e o sistema retorna para o modo de operação;

• Se o modo é operação , o microcontrolador faz a conversão dos dados

analógicos para digitais, efetua a linearização do sinal de vazão da máquina. Em

seguida, verifica a pressão de sucção , se estiver baixa desliga a máquina e

envia os dados ao supervisório. Na seqüência, verifica se o sistema está em

automático (ativado). Se estiver, com base nos parâmetros de controle efetua o

controle da máquina, se não, efetua o comando manual e envia os dados ao

supervisório.

55

4. PROJETO DO HARDWARE

O circuito do sistema anti-surge pode ser visto nos Anexos 7.1, 7.2, 7.3, 7.4.

4.1. Cálculo do circuito amplificador do sensor de pressão.

De acordo com a Tabela 2, supondo-se uma pressão de 25 kpa tem-se uma tensão

diferencial na saída do detector piezo-resistivo de 30 mVcc para uma tensão de

alimentação de 3 Vcc.

4.1.1. Cálculo sub-circuito de alimentação do senso r de pressão

Utiliza-se um diodo zener ao invés da alimentação do próprio circuito para manter a

tensão no sensor estável mas isolada do restante do circuito. Caso haja um curto em um

dos sensores, mantendo o resto do circuito em funcionamento.

• Tensão de zener = 5,1 Volt.

• Potência do zener = 500 mW.

• Corrente máxima do zener = 500mW / 5,1V = 98 mA.

De acordo com a mesma Tabela 2, a corrente típica de consumo do sensor é de 6

mAcc. Acrescentando-se 1 mAcc de folga para possíveis variações de componentes, tem-

se:

R8 = (Valimentação-Vzener) / Iz = (9-5,1) / 7 = 557,14 Ω.

Utiliza-se o valor comercial mais próximo: 560Ω.

(8)

56

Para reduzir-se o valor da alimentação de tensão no detetor de 3,5Vdc, utiliza-se

um resistor que poderá ser ajustado caso haja diferenças nas características de

resistência interna do sensor utilizado, ela pode variar de cerca de 350 Ω a 550Ω conforme

a Tabela 2.

R= (Vzener- Valimentação) / Isensor = (5,1-3,5 ) / 7 = 228 Ω.

O resistor utilizado será o comercial mais próximo cujo valor é 220 Ω.

4.1.2. Cálculo e Desenvolvimento do Circuito Amplif icador

O fabricante do sensor sugere em seu datasheet um circuito com dois

amplificadores operacionais para permitir que o ajuste seja obtido mais facilmente.

Entretanto, para facilitar ainda mais o ajuste, foi incluído um trimpot de ajuste de off-set do

amplificador operacional do segundo estágio de amplificação.

O PIC 16F877A, possui um conversor analógico/digital cuja entrada deve ser de 0 a

5Vcc. Para amplificarmos um sinal de 30 mVcc, portanto:

Ganho = Vo / Vi = 5 / 0,03 = 166.

Podemos dividir o circuito em um ganho de 10 e outro de 16 para obtermos uma

resposta mais linear e um melhor slew-rate.

Utilizamos então, um resistor de 1 kΩ na entrada do amplificador operacional e um

trimpot de 10 kΩ para obtermos um ganho de 10 vezes com valores de resistores e

potenciômetros comerciais, então se tem:

R6 = 1kΩ e R7 = 10kΩ.

Para mantermos as correntes balanceadas no amplificador operacional utiliza-se

um resistor R5 com o mesmo valor de R6.

(9)

(10)

57

Foi colocado no circuito um trimpot de ajuste de zero de 10 kΩ, de valor igual ao

valor de R9. R9 deve ser igual a R7. (BoletimAN1 100, Motorola)

No segundo estágio amplificador mantivemos o equilíbrio de cargas com dois

resistores de 1 kΩ na entrada do amplificador operacional. Utilizamos um trimpot de

100kΩ para obter um ganho de 16 vezes ou mais de acordo com os valores de escala

determinados para a medição de pressão, e um trimpot de ajuste de off-set de 50 kΩ,

conforme datasheet do amplificador operacional TL081 da National Semiconductor. O

circuito transdutor de pressão estão representado em um só diagrama esquemático da

Figura 49 do anexo 9.2.

Para as três medições são desenvolvidos três circuitos iguais, que são alimentados

por dois circuitos reguladores de tensão LM 7809 e LM7909, que tem capacidade de 1A,

que é suficiente para alimentar todo o sistema uma vez que o consumo total não excederá

200 mA. Serão utilizados dois capacitores de 1000 microFarad para eliminar oscilações

nas fontes de alimentação. O circuito da fonte está representado na diagrama

esquemático do anexo 9.1.

4.1.3. Desenvolvimento Circuito do Microcontrolador

O circuito do microcontrolador, visto no anexo 9.3, foi desenvolvido atendendo às

especificações do datasheet. ( PIC16F87X , Microchip)

A alimentação é proveniente de um LM 7805 que tem capacidade de corrente de

1 Acc. O consumo estimado do circuito é de no máximo 100 mAcc. A comunicação com a

porta serial do computador é feita através do circuito integrado MAX232 e sua

configuração também está definida em seu datasheet.

58

4.1.4. Cálculo e Desenvolvimento do Circuito do Mod ulador de Potência

O circuito modulador de potência, visto no anexo 9.4, que utilizará a saída PWM do

microcontrolador consiste de um foto-acoplador MOC 3011, e para limitar a corrente do led

interno foi utilizado um resistor de 1 kΩ. Para o controle de potência foi utilizado o TRIAC

TIC226D que possui capacidade para chavear até 8 A de corrente a uma tensão de 400 V.

O que torna o circuito bastante robusto.

4.1.5. Sinais de Interface

Tabela 4 - Sinais de Interface entre os Circuitos E letrônicos

Anexo Rótulo Tipo de Sinal Função

9.1, 9.2, 9.3 +9 Vcc Alimentação Alimentação dos circuitos

9.1, 9.2 -9 Vcc Alimentação Alimentação dos circuitos

9.2, 9.3 PD Sinais analógicos Dado analógico

9.2, 9.3 PS Sinais analógicos Dado analógico

9.2, 9.3 V Sinais analógicos Dado analógico

9.2, 9.3 TERRA Comum de Sinal Acoplamento de Sinal

9.3, 9.4 PWM Sinal Digital Sinal de Controle

59

4.1.6. Lista de Materiais

As listas de materiais utilizados neste projeto estão disponíveis nas tabelas do anexo 9.5.

ao anexo 9.7.

60

5. PROJETO DO SOTFWARE

Nesta seção apresentam-se os diagramas de elaboração do software do sistema

supervisório, que será a interface IHM (Interface Homem Máquina) do sistema e o código

de programação do microcontrolador PIC 16F877A.

5.1. Diagramas de Caso de Uso

Fig. 35 - Diagrama de Casos de Uso do Sistema Anti- Surge

Supervisor

Sistema Anti-Surge

Operador

Iniciar

Ativar Proteção

Configurar

Finalizar

Operar Manual

Ver Histórico

Ativar Comunicação

Microcontrolador

61

Abaixo temos os casos de uso identificados do sistema.

Descrição dos casos de uso:

• Caso de uso: Iniciar .

• Atores Operador, Supervisor.

• Propósito: Monitorar as variáveis do compressor.

• Descrição: O operador inicia o sistema supervisório e pode verificar o

histórico do compressor, ativar a comunicação serial ou chamar

a tela de configuração para leitura dos parâmetros de

segurança ou alterar estes parâmetros.

• Tipo: Primário

• Caso de uso: Ativar Comunicação .

• Atores: Operador, Supervisor, Microcontrolador.

• Propósito: Ativar a comunicação com o controlador do compressor.

• Descrição: Estando o sistema supervisório funcionando inicia-se a comuni-

cação do supervisório com o controlador do compressor, as

variáveis são atualizadas e o mapa de surge é mostrado, se

houver alguma inconsistência com os parâmetros gravados no

arquivo config.sur o compressor é parado e emite aviso na

tela.

• Tipo: Primário

62

• Caso de uso: Operar em Manual .

• Atores: Operador, Supervisor, Microcontrolador.

• Propósito: Ativar o controle manual do compressor.

• Descrição: Estando o sistema supervisório funcionando pode-se parar e

partir o compressor, mas a proteção anti-surge não estará

funcional, apenas a parada por baixa pressão na sucção estará

operacional no microcontrolador, o título sistema anti-surge fica

em cor preta.

• Tipo: Primário

• Caso de uso: Ativar Proteção .

• Atores: Operador, Supervisor, Microcontrolador.

• Propósito: Ativar o controle do compressor.

• Descrição: Estando o sistema supervisório funcionando inicia-se a ativa-

ção do sistema anti-surge do compressor, o título sistema anti-

surge fica em cor azul.

• Tipo: Primário

• Caso de uso: Ver Histórico .

• Atores: Operador, Supervisor.

• Propósito: Verificar os dados registrados.

• Descrição: Estando o sistema supervisório funcionando sistema pode-se

acessar os registros anteriores das variáveis do compressor

gravados no arquivo compreg.txt .

• Tipo: Secundário.

63

• Caso de uso: Finalizar.

• Atores: Operador, Supervisor.

• Propósito: Finalizar o supervisório.

• Descrição: Desligar o sistema supervisório, encerrando a comunicação

serial com o microcontrolador.

• Tipo: Primário

• Caso de uso: Configurar .

• Atores: Supervisor, Microcontrolador.

• Propósito: Alterar os parâmetros de controle do microcontrolador.

• Descrição: Solicitar senha de configuração, desligar o compressor, enviar

via comunicação serial os novos parâmetros de controle do

microcontrolador (download) e confere os dados recebidos

(upload) .

• Tipo: Primário

64

5.2. Diagramas de Seqüência

Com base nos casos de uso definidos anteriormente, foram desenvolvidos os

diagramas de seqüência.

Na Figura 36, tem-se o diagrama de seqüência do caso de uso “Iniciar”. O operador

ou o supervisor, liga o sistema supervisório. Em seguida o supervisório verifica se está

havendo comunicação com o microprocessador e lê os parâmetros de controle do mesmo.

Se os parâmetros forem iguais aos gravados no sistema, coloca o compressor em

operação e monitora os dados de pressão e vazão.

Fig. 36 - Diagrama de seqüência do caso de uso “Ini ciar”.

Operador

Iniciar

Sistema Anti-surge

Iniciar()

Ativar comunicação()

Ler parâmetros do microcontrolador()

Monitorar compressor(variáveis)

65

Na Figura 37, vê-se o diagrama de seqüência do caso de uso “Ativar Proteção”. O

operador ou o supervisor aciona o botão “Ativar Proteção”. Em seguida o supervisório

envia comando para o microcontrolador para ativar a proteção anti-surge. A partir de então

o sistema emitirá alarmes para indicar quando o compressor estiver em condição de

operação insegura.

Na Figura 38, vê-se o diagrama de seqüência do caso de uso “Ativar Proteção”. O

operador ou o supervisor aciona o botão “Ativar Proteção”. Em seguida o supervisório

envia comando para o microcontrolador para ativar a proteção anti-surge. A partir de então

o sistema emitirá alarmes para indicar quando o compressor estiver em condição de

operação insegura.

Fig. 37 - Diagrama de seqüência do caso de uso “Ope rar em Manual”.

Operador

Operar em Manual

Sistema Anti-surge

Parar Compressor(carga)

Partir Compressor(carga)

66

Na Figura 39, vê-se o diagrama de seqüência do caso de uso “Finalizar”. O

operador ou o supervisor aciona o botão “Finalizar”. Em seguida o sistema é finalizado e a

comunicação serial com o microcontrolador é encerrada.

Na Figura 40, vê-se o diagrama de seqüência do caso de uso “Configurar”. O

supervisor aciona o botão “Configurar”. Em seguida o compressor é desligado e o sistema

recebe os novos parâmetros e envia ao microcontrolador.

Fig. 38 - Diagrama de seqüência do caso de uso “Ati var Proteção”.

Fig. 39 - Diagrama de seqüência do caso de uso “Fin alizar”.

Operador

Finalizar

Sistema Anti-surge

Sair()

Operador

Ativar Proteção

Sistema Anti-surge

Ativar Proteção(status)

67

Fig. 40 - Diagrama de seqüência do caso de uso “Exi bir Gráfico”.

Supervisor

Configurar

Sistema Anti-surge

Desligar compressor()

Download(char)

Upload()

68

5.3. Diagrama de Classes

O diagrama de classes implementados para o projeto:

cSerial

-DCB: dcb -HANDLE: hPorta -char vetor[40]; int -tam cmd +cSerial(String, int,int, int, int):Handle +Enviar(char): void +Limpar(): void +Receber(): char * + ~cSerial():

cCompressor

-Re: AnsiString -Vi: AnsiString -Vimax: AnsiString -Vimi AnsiString -Pd: AnsiString -Pdmax: AnsiString -Ps: AnsiString -Psmin: AnsiString -Psmax: AnsiString -Pdr: AnsiString -In: AnsiString -Ca: AnsiString -St: AnsiString -Lim: AnsiString -Su: AnsiString +cCompressor(); +monitorar(char*): bool +upload(char*): bool +get_Re(): AnsiString +get_Vi(): AnsiString +get_Vimax(): AnsiString +get_Vimin(): AnsiString +get_Pd(): AnsiString +get_Pdmax(): AnsiString +get_Ps(): AnsiString +get_Psmin(): AnsiString +get_Psmax(): AnsiString +get_In(): AnsiString +get_Pdr(): AnsiString +get_Ca(): AnsiString +get_Sd(): AnsiString +get_St(): AnsiString +get_Lim(): AnsiString +get_Su(): AnsiString +confvar(): void +gravar(AnsiString): void +configurar(8 AnsiString): void

FormSurge +*compressor: cCompressor +*serial: cSerial +FormSurge(Owner:TComponent*) +OperarManual(): void +AtivarComunicação(): void +Histórico(): void +AtivarProteçãoA.S(char).: void +Sair(): void

FormConfig

+*comp : cCompressor +*serial cSerial

+Form2(Owner: TComponent*) +Habilitar(): void +Download(): void +Upload(): void +Retornar().: void

FormHistorico

+Form3(Owner: TComponent*)

+Atualizar(): void +Retornar().: void

69

5.4. Código do Software Supervisório

Foi desenvolvido em linguagem C++, com a ferramenta Builder6 da Borland. Foram

desenvolvidas duas classes uma para a comunicação serial denominada cserial e outra

para efetuar a monitoração do compressor, denominada compressor. Para a interface

gráfica foram desenvolvidos três “Forms” um para o supervisório, outro para interface

direta com o microcontrolador por onde são feitas as alterações dos parâmetros de

segurança do compressor no microcontrolador e o último para verificar o histórico dos

dados.

5.5. Código do Firmware do microcontrolador PIC 16F 877A

O código de programação do microcontrolador, foi desenvolvido em linguagem C,

com o auxílio da ferramenta PCW Compiler versão 3 da Monash University.

Para agilizar a fase de testes na programação do microcontrolador foi instalado no

mesmo o programa BOOTLOADER que depois de instalado permite que o código seja

alterado com o dispositivo instalado no circuito, evitando que este seja manuseado

excessivamente o que pode levar a maus-contatos e fragilização dos seus terminais.

O código que está implementado no projeto em termos gerais monitora a

comunicação serial em 19.200 bps, converte os sinais analógicos, executa a extração de

raiz quadrada do sinal de vazão, Recebe os parâmetros de segurança da máquina e os

memoriza em sua memória EEPROM, de modo a mantê-los mesmo que o circuito seja

desenergizado. Em seguida, monitora o comando manual executando os comandos

recebidos ou executa o comando auto e supervisiona a operação do compressor. e em

caso de pressão baixa na sucção desliga a máquina independentemente do estado ser

manual ou auto. Quando em auto, se a vazão cair por duas vezes abaixo do limite mínimo

efetua a parada do compressor. Por fim, envia os dados para informação e registro no

supervisório.

É importante notar que o sistema foi desenvolvido para funcionar perfeitamente

mesmo com o supervisório desligado, obviamente sem enviar as informações, mas

assegurando a integridade da máquina.

70

6. RESULTADOS

Graças à obtenção de uma máquina de pequeno porte, pode-se efetuar os testes

com todo o sistema interligado. Os dados obtidos mostraram que o sistema responde de

acordo com o esperado como pode ser observado a seguir.

6.1. Testes com o Hardware dos Sensores de Pressão

O circuito foi desenvolvido com o apoio da ferramenta PROTEUS e montado em

uma placa universal tamanho 10x10cm, como pode ser visto na Figura 41. Na mesma

placa foram incluídas as fontes de +9VCC e -9 VCC, foram montados três circuitos

eletrônicos idênticos e neles foram conectados os sensores de pressão.

Fig. 41 - Placa dos Circuitos Fonte e Sensores de Pressão.

TP+9

TP-9

TERRA

TP1 TP2

RV2

RV1

RV3

71

Os sensores foram calibrados utilizando-se como padrão o esfigmomanômetro

modelo TYCOS com faixa de 0 a 300 mmHg.

O circuito para medição da pressão de descarga foi calibrado de 0 a 200 mmHg.

O circuito para medição da pressão de sucção foi calibrado de -50 a +50 mmHg,

como não temos padrão de pressão negativa a calibração na faixa negativa foi feita

pressurizando a entrada de menor pressão do sensor de pressão(Port 2).

O circuito para medição de vazão foi calibrado de 0 a 50 mmHg.

Os testes realizados demonstraram alta linearidade dos sensores.

Na tabela 5, podemos ver as relações entre a tensão na saída do circuito

amplificador e o valor de pressão aplicado ao sensor.

As tensões das fontes ficaram estáveis em -9 Vcc, conforme medido em TP-9, e

+9 Vcc, conforme medido em TP+9, sem aquecimento de componentes, mesmo

permanecendo ligadas por 36 horas seguidas.

O ponto de teste TP1 mostrou que o ajuste de zero através de RV2 se mostrou

eficaz. Da mesma forma em TP2 a tensão de saída do circuito pode ser monitorada e

ajustada através do potenciômetro RV1.

Tabela 5 - Sinais de Calibração dos Circuitos Eletr ônicos

Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3

Pressão

(mmHg)

Tensão

(V)

Indicação

(mmHg)

Pressão

(mmHg)

Tensão

(V)

Indicação

(mmHg)

Pressão

(mmHg)

Tensão

(V)

Indicação

(Nm3/h)

0 0 0 -50 0 -50 0 0 0

50 1,26 50 -25 1,25 -24 12,5 1,24 50

100 2,50 101 0 2,52 1 25 2,49 70

150 3,74 150 25 3,76 25 37,5 3,74 87

200 5,00 200 50 5,00 50 50 5,00 100

A indicação de vazão, que tem seu sinal variando quadraticamente em relação ao

diferencial de pressão no sensor foi observada no supervisório. A conclusão é que a

72

linearização ocorreu corretamente. Ou seja, a variação de vazão é razão quadrática do

diferencial de pressão no sensor de pressão.

Como se pode ver, os valores são bem lineares, foi observado um pequeno desvio

em relação à temperatura ambiente na energização do circuito. Entretanto, após 30

minutos de energização do circuito, este efeito em alta escala desaparece, entretanto em

um próximo desenvolvimento seria interessante prever uma compensação de temperatura

ou fazer a aquisição de componentes que já tenham esta característica de forma

intrínseca.

6.2. Testes com o Hardware do Microcontrolador

O circuito do microcontrolador foi desenvolvido em uma placa de 10x10 cm à parte

dos sensores de pressão, como se vê na Figura 42.

Fig. 42 - Placa do Circuito do Microcontrolador.

TP2

TP1

TERRA PD PS V SAÍDAPWM

73

Para se obter maior velocidade na reprogramação do circuito durante a fase de

testes foi instalado o programa BOOTLOADER que permite a reprogramação do circuito

sem que para isto haja um hardware especial e nem seja necessário a remoção do

microcontrolador do circuito.

Nesta placa foram instalados dois potenciômetros para se poder efetuar testes de

calibração do conversor A/D do microcontrolador. A resposta obtida foi linear com variação

de no máximo uma unidade de contagem numa faixa de 0 a 255. Entretanto, com os

circuitos detectores acoplados ao microcontrolador foi necessário a implementação de um

método de média de 20 medições para fornecer o valor mais correto. Isto provavelmente

se deve à derivação do amplificador operacional, já que o microcontrolador faz

amostragens a cada 30 µs. Para se obter maior precisão foram utilizadas, na programação

do PIC, variáveis do tipo long int de forma a evitar perdas devido a overflow nas

operações matemáticas.

Durante os testes a tensão de alimentação do circuito medida em TP2 em relação

ao TERRA do circuito permaneceu estável em 5 Vcc sem aquecimento dos componentes.

Os leds de monitoração da comunicação serial foram acionados corretamente

conforme previsto, sendo o amarelo para indicar a transmissão de sinais e o vermelho

para indicar a recepção dos mesmos.

Após o ajuste do sistema, as mensagens do microcontrolador, via circuito integrado

MAX232, para o computador eram transmitidas a razão de 10 mensagens a cada 8

segundos. Como as mensagens eram mandadas a cada 20 execuções da rotina,

podemos concluir que o sistema estava executando todo o programa a cada 40

milissegundos o que nos dá com uma margem de segurança de 20% uma vez que o

limite máximo estabelecido para estes sistemas é da ordem de 50 milissegundos.

Durante os testes foi também observado, que quando da ocorrência de qualquer

anormalidade na qual o sistema deva parar a máquina, o fato ocorreu imediatamente, sem

demora, nem travamentos.

74

6.3. Testes com o Hardware do Acionador do Motor

O acionador foi testado, utilizando-se um motor com corrente de 9 A, ou seja,

12,5% acima da corrente nominal. O tiristor funcionou corretamente, suportando diversas

partidas onde a corrente atinge picos maiores sem qualquer problema, o que é uma

constatação dos dados pesquisados. Na Figura 43, podemos ver o compressor usado

para o teste do sistema.

6.4. Testes com o Supervisório

A comunicação serial funciona corretamente sem travamentos, isto foi observado

no teste realizado com todo o sistema funcionando por cerca de 8 horas, em que várias

Fig. 43 - Compressor utilizado para teste do Siste ma Anti-Surge.

Restrição para a medição da

Vazão

Tomada de Pressão de Descarga

Tomada de Pressão de

Sucção

Tomada de baixa pressão para medição

da Vazão

Tomada de alta pressão para medição

da Vazão

75

condições foram simuladas, como: partida e parada do compressor e simulações de

variáveis ultrapassando os limites de controle.

Os dados são armazenados no arquivo de registro e são resgatáveis a qualquer

momento como pode ser observado na tela de Registros de Eventos do Compressor de Ar

e no arquivo compreg.txt.

A reprogramação dos parâmetros do microcontrolador ocorre normalmente como

previsto através da função download e a função upload permite confirmar os dados que

estão programados no microcontrolador.

Os comandos manuais oriundos do supervisórios são efetuados normalmente para

parar e iniciar a operação do compressor.

Foi realizado o teste de parada por baixa pressão na sucção: a sucção da máquina

foi propositalmente obstruída a pressão de sucção caiu e a máquina parou imediatamente

quando foi atingido o valor de -25 mmHg conforme programado no firmware.

Durante o teste do compressor em condição normal de operação, a tela

apresentada é como a mostrada na Figura 44.

Fig. 44 - Tela do Supervisório quando a máquina es tá em operação normal.

76

São mostrados os valores de Vazão Instantânea, Pressão de Sucção e Pressão de

Descarga. O status da controle é indicado dizendo se o sistema está em Manual ou Auto

(ativado) e a Carga que quando é igual a 0% indica compressor parado e 100% indica

compressor operando. Com o sistema em Manual a inscrição no canto superior esquerdo

Sistema Anti-Surge fica em cor Preta, caso estivesse em auto (ativado) a cor seria azul. O

“banner”de alarme em cor verde e os dizeres indicam que a operação é normal. O ponto

de operação no gráfico indica a situação de operação normal quando a cor é branca

aquém das linhas de vazão mínima (vermelha) e de controle (azul).

Em outra situação com a operação do equipamento em estado de alerta a tela

apresentada é como mostrado na Figura 45 .

Fig. 45 - Tela do Supervisório quando a máquina es tá em alerta.

77

São mostrados as mesmas variáveis mencionadas nos parágrafos anteriores. O

“banner”de alarme em amarelo e os dizeres indicam que a operação do compressor está

ocorrendo em estado de alerta. O ponto de operação no gráfico indica a situação de

operação anormal quando a cor é amarela porque está a uma distância máxima de 5%

das linhas de vazão mínima(vermelha) e ou de controle(azul). Se o sistema estiver em

auto, continuaria a operação da máquina,entretanto é gravado um registro de alarme no

histórico.

Em outra situação com a operação do equipamento em estado de emergência a

tela apresentada é como a mostrada na Figura 46 .

As variáveis também são as mesmos. Porém, o “banner” fica vermelho e os dizeres

indicam que o compressor está trabalhando na área de surge. Neste caso se o sistema

estiver ativado (auto) o compressor seria parado automaticamente. Esta condição foi

constatada quando o sistema estava em auto ou seja, com a proteção anti-surge ativada.

Fig. 46 - Tela do Supervisório quando a máquina es tá em operação na área de surge.

78

A tela de registros “Histórico” como visto na Figura 47, é de grande auxílio na

análise das condições operacionais da máquina em tempos anteriores e em caso de

falhas.

Com base nestes registros também seria possível construir uma tela de tendência

utilizando os gráficos do “Excel”, mas isto também poderia vir a ser implementado neste

próprio supervisório, não o foi porque o tempo foi demasiado curto.

Fig. 47 - Tela do Supervisório para a consulta ao “Histórico”.

79

7. CONCLUSÃO

Após os testes realizados foram levantados os aspectos positivos e negativos na

elaboração do projeto.

7.1. Aspectos Negativos

O help do Builder 6 da Borland é muito ineficiente em alguns casos, como por

exemplo: o manuseio do ListBox.

O tempo foi demasiado curto, o projeto deveria ter sido definido no ano anterior

para se poder efetuar a pesquisa e o desenvolvimento com mais acertividade.

Alguns componentes definidos inicialmente não foram encontrados no mercado

como por exemplo amplificadores operacionais de instrumentação, obrigando a utilização

de amplificadores operacionais comuns devido à sua falta no almoxarifado do Unicenp por

já estarem os disponíveis todos em uso, a implementação deste projeto com os mesmos

certamente daria a ele mais estabilidade.

7.2. Aspectos Positivos

A grande surpresa ocorreu, quando o sistema foi todo interligado, no mês de

setembro, quando eu esperava encontrar mais dificuldades, entretanto o funcionamento foi

exatamente de acordo com o projetado.

O projeto teve o desempenho esperado, os resultados obtidos calibração do

sistema e tempo de resposta inferior a 50 milissegundos conforme demonstrado na seção

80

6 desta monografia atestaram sua eficiência. Inclusive por se tratar de segurança de

equipamentos e pessoas, item cada vez mais exigido atualmente.

O desenvolvimento desde os transdutores até o supervisório proporcionaram uma

oportunidade de se aplicar as técnicas aprendidas no curso de Engenharia da

Computação: eletrônica, teleinformática, cálculo, física, sistemas digitais,

microprocessadores, instrumentação eletrônica, engenharia de software, entre outras. A

aplicação destes conhecimentos no projeto consolida o aprendizado e nos impele a buscar

novos conhecimentos.

A excelente linearidade e repetibilidade obtida dos sensores foram determinantes

para o sucesso do projeto.

O desafio da montagem com componentes de fácil aquisição no mercado foi

plenamente realizado, tendo-se em conta que equipamentos especialmente desenvolvidos

para este fim sempre envolvem altas quantias.

A inclusão de uma ferramenta de configuração do microcontrolador com o mesmo

instalado no circuito através do software supervisório foi uma meta inicial atingida com

êxito.

7.3. Desenvolvimentos Futuros

A versatilidade dos sensores de pressão permite criar aplicações para indústria e o

lar. Aplicações como medidores de nível de caixa d’água, sensores de temperatura de

aquecedores de água, mini-estação climática, condicionador de ambientes, calibradores

de pressão, monitoramento de nível em tonéis e medição de vazão entre outros são

possíveis.

81

A capacidade do microcontrolador pode ser melhor explorada porque existem

muitos pontos de entrada e saída disponíveis que não foram utilizados no projeto,

permitindo com isto que sejam monitorados outros dados da máquina. Por exemplo:

chaves de temperatura, chaves de nível, ou outros tipos de dados analógicos como por

exemplo a corrente consumida pelo motor.

Os dados gravados no arquivo de registro de eventos poderiam ser gravados em

um arquivo tipo “txt” público e enviados a um sistema corporativo para avaliação do

rendimento da máquina e dos custos de operação da máquina.

A falta de pesquisa, antes do início do projeto, dos componentes de baixo custo

disponíveis no mercado local, tornou-me mais precavido para o desenvolvimento de

futuros projetos. Porém, a experiência adquirida certamente será um balizador para outras

tarefas desta natureza com que certamente me depararei.

82

8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

HALLIDAY D. Fundamentos de Física 1, Rio de Janeiro: LTC, 2002. MANNESMANN-DEMAG. Instrumentation&Application Manual Compressor.(s.d.) DRESSER. D.86.12.1.4- Manual de Manutenção de Compressores, (s.d.) SMAR. Catálogo Eletrônico, Device Library, versão 1.05, 2006. FISHER. Catálogo Eletrônico, 2001. YOKOGAWA. Catálog Eletrônico. PEREIRA F. Microcontroladores PIC, São Paulo:ÉRICA, 2002. PIC16F87XData Sheet, Microchip, 1997. GUTIERRES Prof.A. documento capturado na Internet em 29/03/2006. UNICENP. Informática Industrial, 2005. TEXAS INSTRUMENTS.Signal Conditioning Wheatstone Resistive Bridge Sensors.

09/1999. MOTOROLA. AN1 100 - Motorola Analog to Digital Convert Resolution Extension

Using a Motorola Pressure Sensor , s.d.. NATIONAL SEMICONDUCTOR. LF351 Wide Bandwidth JFET Input Operational

Amplifier, 09/1995.

87

9.5. Listas de Materiais do Circuito do Modulador d e Potência.

Tabela 6 - Relação de Material da Placa do Circuito do Modulador de Potência.

Item

Quantidade Descrição Valor Referência Comercial Identificação

1 1 Resistor 1kΩ /

1/8 Watt - R1

2 1 Resistor 10kΩ /

1/8 Watt R2

3 1 Triac 400 V / 8 A TIC -226D U1

4 1 Opto acoplador 220V MOC 3011 -

5 1 Soquete C. I. - - -

88

9.6. Listas de Materiais do Circuito do Microcontro lador.

Tabela 7 - Relação de Material da Placa do Circuito do Microcontrolador

Item Quantidade Descrição Valor Referência Comercial Componente

1 1 Conector Fêmea - DB9 J1

2 1 Microcontrolador - PIC 16F877A U1

3 1 Circuito Integrado - MAX 232 U2

4 1 Circuito Integrado - LM 7805 U3

5 2 Resistor 100 Ω / 1/8 Watt - R1 - R2

6 1 Resistor 10 kΩ / 1/8 Watt - R3

7 2 Resistor 1 kΩ /

1/8 Watt - R4 - R6

8 1 Resistor 560 Ω / 1/8 Watt - R5

9 1 Potenciômetro 20 kΩ / 1/8 Watt Trimpot RV1

10 1 Potenciômetro 100 kΩ / 1/8 Watt Trimpot RV2

11 1 Cristal Oscilador 4 MHz - X1

12 1 Led - Led Amarelo D1

13 1 Led - Led Verde D2

14 1 Led - Led Vermelho D3

15 1 Mini-Botoeira - Push Button RESET CPU

16 5 Capacitor Eletrolítico 10µF / 25 V -

C1- C2 - C3 - C4 - C5

89

9.7. Listas de Materiais do Circuito dos Transdutor es de Pressão.

Tabela 8 - Relação de Materiais do Circuito dos Tra nsdutores de Pressão.

Item Quantidade Descrição Valor Referência Comercial Componente

Seção dos Transdutores de Pressão (3 circuitos idênticos)

1 3 Sensor de Pressão - MPX53DP R1/R2/R3/R4

2 12 Resistor 1 kΩ / 1/8 Watt - R5 - R6 -

R10 - R11

3 6 Resistor 10 kΩ / 1/8 Watt - R7 - R9

4 3 Resistor 560 Ω / 1/8 Watt - R8

5 3 Resistor 220 Ω / 1/8 Watt - R13

6 3 Capacitor Poliéster 68 pF / 100V - C1

7 6 Amplificador Operacional - TL081 U1 - U2

8 3 Diodo Zener 5,1 V /

500 mWatt -

9 3 Potenciômetro 100 kΩ / 1/8 Watt Trimpot RV1

10 3 Potenciômetro 10 kΩ / 1/8 Watt Trimpot RV2

11 3 Potenciômetro 50 kΩ / 1/8 Watt Trimpot RV3

Seção Fonte de Alimentação do Circuito Eletrônico

12 2 Resistor 1 kΩ / 1/8 Watt - R1 -R2

13 1 Led - Led Amarelo D1

14 1 Led - Led Vermelho D2

15 1 Regulador de Tensão 9 V LM 7809 U1

16 1 Regulador de

Tensão -9 V LM 7909 U1

17 1 Capacitor Eletrolítico 1000µF / 25 V - C1 - C2

18 1 Capacitor Eletrolítico 100µF / 25 V - C3 - C4

90

10. GLOSSÁRIO

• SURGE - Fenômeno de reversão instantânea de fluxo que ocorre dentro

de um compressor centrífugo devido à baixa vazão e pressão

de descarga muito elevada.

• TIRISTOR O tiristor é uma chave eletrônica de potência integrada de três

terminais que pode ser um SCR ou um TRIAC.

• SUPERVISÓRIO Software destinado a monitorar um ou mais equipamentos de

uma indústria através dos sinais eletrônicos enviados por eles.

• LOG Registro de atividades gerado por programas de computador.

• TRIAC Dispositivo semicondutor chaveador para corrente alternada.

• Banner faixa onde são escritos os estados de alarme e sua função.

• Datasheet folha de dados onde estão as especificações e características

dos componentes eletrônicos.

• Strain-gage transdutor que altera sua resistência ôhmica quando uma força

a ele aplicada produz uma deformação em sua estrutura física.