FACULDADE DE TECNOLOGIA ITAQUERA

Carlos GomesCharles Rodrigues da SilvaCelso Takechi MotohiroProjeto Integrador:

Interface para controle de potncia multifuno por controle manual e remoto via barramento RS485 com protocolo ModBus RTUSo Paulo

2014

Carlos Gomes

Charles Rodrigues da Silva

Celso Takechi Motohiro

Projeto Integrador:

Interface para controle de potncia multifuno por controle manual e remoto via barramento RS485 com protocolo ModBus RTU

Documentao apresentada disciplina de Eletrnica de potncia como parte da nota de trabalho referente ao projeto integrador do primeiro semestre.Orientador: So Paulo

2014

Sumrio

1. Introduo

42. Tema

43. Objetivo

44. Metodologia

55. Cronograma

66. Referencial terico

66.1. Controle de potncia

66.2. Borda de subida (Leading-edge)

106.3. Borda de descida(Trailing-edge)

136.4. Modulao por largura de pulso(PWM)

196.5. Motor universal

256.6. Linearidade do torque

277. Implementao

427.1. Projeto e implementao da dete

427.2. Projeto e implementao do mdulo de converso RS232 para RS48543

7.3. Projeto e implementao da interface de I/O para o Arduino

458. Coleta de Dados

619. Concluso

6210. Referncias Bibliogrficas

631 INTRODUO

Este estudo tem por objetivo aplicar os conhecimentos adquiridos em sala de aula e por pesquisa na ampliao do projeto do semestre anterior, intitulado kit didtico para estudo do barramento RS485 e protocolo de comunicao modbus RTU. Agora incluindo um controle de potencia micro-controlado que possui como diferencial um melhor controle para ofertar baixas potencias, o que um problema para os controladores que possuem o TRIAC como elemento de controle, e estes so o que dominam o mercado, alem de ofertar uma melhor linearidade no modo PWM .2 TEMA

A maior parte dos trabalhos acadmicos de automao acaba tratando de um nico tema ou resolvendo um nico problema de forma unidisciplinar, porm a necessidade real de qualquer problema a multidisciplinaridade de matrias e tcnicas.

Por isso os esforos para este trabalho ter ser o mais amplo possvel nas disciplinas tcnicas com uma profundidade adequada para a compreenso das mesmas.3 OBJETIVOProjetar uma interface para controle de potncia multifuno por controle manual e remoto via barramento RS485 com protocolo ModBus RTUcontendo as seguintes partes: Um boto de interface para a seleo de um dos trs modos de operao. Uma Interface de potencia em CA. Um mdulo com 5 LEDs indicando a otencia percentual ofertada.4 METODOLOGIA

Por se tratar de um trabalho de aplicao imediata da tecnologia com o objetivo da fixao e solidificao dos conhecimentos adquiridos o trabalho foi dividido da seguinte maneira Cronograma

Levantamento bibliogrfico com os fundamentos tericos necessrios para execuo do projeto (Referencial Terico e bibliogrfico)

Desenvolvimento do projeto baseado nas informaes adquiridas

Implementao e testes

Coleta de dados Concluso5 CRONOGRAMACronograma de atividades para elaborao do artigo tcnico e construo

do projeto prticoAtividadeData prevista de conclusoResponsvel

planejamento da elaborao do trabalho prtico e artigo tcnico23/03/2015Carlos e Charles

artigo tcnico: redao da introduo e objetivos03/04/2015Todos

artigo tcnico: redao de materiais e

mtodos10/04/2015Charles e Carlos

trabalho prtico: definio de lista de

materiais e ferramentas a serem utilizadas15/04/2015Celso e Miche

trabalho prtico: montagem17/04/2015Celso e Michel

artigo tcnico: redao de resultados e

discusso de resultados24/04/2015Todos

artigo tcnico: redao das concluses28/04/2015Carlos e Charles

artigo tcnico: 1 verso01/05/2015Todos

artigo tcnico: reviso06/05/2015Todos

artigo tcnico: aprovao da verso final pelo grupo07/05/2015Todos

artigo tcnico: entrega do artigo11/05/2015Carlos

trabalho prtico: reviso e ajustes finais14/05/2015Todos

trabalho prtico: orgnizao da apresentao do projeto16/05/2015Todos

trabalho prtico: transporte do trabalho at

a Fatec Itaquera18/05/2015Carlos e Celso

trabalho prtico: apresentao do projeto18 a 23/05Todos

trabalho prtico: desmontagem do projeto23/05/2015Todos

trabalho prtico: descarte de materiais23/05/2015Todos

6 REFERENCIAL TEORICO

6.1 Controle de potnciaOs controladores de potncia (Dimmers) permitir-lhe controlar o nivel de potncia entregue a um circuito de maneira razoavelmente precisa. H vrios tipos de dispositivos de controle de potncia disponveis, mas os mais populares so o de controle por borda de subida e por borda de descida.

Os controladores de potncia por controle de fase trabalham cortando fora partes da tenso e reduzindo a potncia da fonte fornecida. Os dois tipos diferentes funcionam de diferentes maneiras o que acaba afetando sua compatibilidade com certas cargas:Os controladores de borda de subida so indicados para: cargas indutivas (por exemplo, transformadores de baixa tenso magnticos), cargas resistivas (por exemplo, incandescente).

Os controladores de borda de descida so indicados: cargas capacitivas (por exemplo, transformadores de baixa tenso eletrnicos, reatores para lmpadas LED), cargas resistivas (por exemplo incandescentes).

Porem tambm temos a modulao por largura de pulso (MLP) - mais conhecida pela sigla em ingls PWM (Pulse-Width Modulation) - que envolve a modulao de sua razo cclica (duty cycle) porem sem alterar a freqncia.

6.2 Borda de subida (Leading-edge)Controladores de potncia por borda de subida so mais baratos e mais simples do que os controladores de borda de descida, e foram usados originalmente para controlar o brilho de lmpadas incandescentes e halgenas ou transformadores magnticos wirewound . Eles usam um " TRIAC " ( Triodo para corrente alternada) para controlar a potncia, e s vezes so chamados dimmers TRIAC .

A maioria dos dimmers por borda de subida possui uma potncia mnima de controle relativamente baixa, o que causa um problema de controle de lmpadas LED ou CFL ou qualquer outra carga de baixa potencia. Porem mesmo com esta caracterstica este o controle mais comum no mercado.

6.3 Borda de descida(Trailing-edge)Controladores de potencia por borda de descida so mais sofisticados do que os de borda de subida, e costumam usar um MOSFET (Metal Oxide Semiconductor, Transistor de Efeito de Campo) ou IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), em vez de possui um TRIAC e bobina. Garantindo um controle de potencia mais suave, e reduzindo sensivelmente o zumbido eletromagntico.

Um dimmer de borad de descida possui uma carga mnima mais baixa (muitas vezes 10W) do que dimmers de borda de subida, tornando-se uma escolha melhor para o controle de brilho de baixas potencias bem como cargas de baixa potencia.

6.4 Modulao por largura de pulso(PWM)A vantagem de PWM que a perda de energia nos dispositivos de comutao muito baixo. Quando um interruptor estiver desligado no h praticamente nenhuma corrente, e quando ele est ligado e energia est sendo transferida para a carga, quase no h queda de tenso atravs do interruptor. A perda de potncia, sendo o produto da tenso e da corrente, , assim, em ambos os casos, prximo de zero. PWM tambm funciona bem com controles digitais, que, devido sua natureza de ligar / desligar, pode facilmente definir o ciclo de trabalho necessrio.

6.5 Motor universal Chama-se motor universal um tipo de motor de funciona tanto em corrente contnua quanto em corrente alternada. Na verdade, um motor universal um motor CC com excitao srie , ou seja, um motor CC cujos enrolamentos de campo e de armadura esto conectados em srie, podendo, portanto ser alimentado por uma nica fonte, que pode ser contnua ou alternada monofsica. A figura abaixo mostra o modelo de um motor universal.

Esse motor quando alimentado por tenso contnua funciona como um motor CC descrito anteriormente. Porm, ao ser alimentado por tenso alternada senoidal monofsica o motor funciona do mesmo jeito, pois as correntes de campo e de armadura so as mesmas (enrolamentos esto em srie) e quando uma muda sua polaridade, a outra muda ao mesmo tempo. Em outras palavras, o sentido do fluxo produzido pelo campo e o sentido da corrente de armadura mudam ao mesmo tempo, mantendo o sentido da fora eletromagntica e, portanto do torque.

A inverso do sentido do movimento de rotao obtida, invertendo-se apenas as ligaes das escovas. A representao esquemtica a seguir ilustra essa inverso. Observe que a bobina ligada escova A dever ser ligada escova B e vice-versa.

Os motores universais possuem caractersticas de desempenho muito interessantes, o que determina o tipo de aplicao em que usado. Essas caractersticas esto mostradas na figura abaixo, em que se apresentam as curvas de torque e de velocidade em funo da corrente de armadura.

Observe que os motores universais possuem elevado torque em baixa rotao, para um certo valor de corrente de armadura. Essa caracterstica torna os motores universais adequados para acionamento, em corrente alternada, de vrios eletrodomsticos (liquidificadores, aspiradores de p, furadeiras), bem como acionamento de veculos eltricos de transporte de massa (trens, carros eltricos, metr).

Torque desenvolvido em um motor universal (motor DC-Srie)

A equao para o torque desenvolvido em um motor de corrente contnua pode ser derivado da seguinte forma. A fora sobre uma bobina.

6.6 PROTOCOLO MODBUS RTURedes de comunicao constituem um tema de crescente importncia em sistemas de automao industrial. Atualmente, diversos dispositivos utilizados em automao industrial so providos de interfaces de comunicao para algum tipo de rede. Alguns dispositivos, como controladores programveis, fornecem mltiplas opes de rede de comunicao, cada uma delas talhada para determinada classe de aplicao.

So muitos os motivos que determinaram a disseminao das redes de comunicao, entre os quais pode-se citar:-O barateamento dos microprocessadores e interfaces de comunicao serial. Isto determinou a proliferao de dispositivos inteligentes de baixo custo que se comunicam com outros dispositivos inteligentes. O alcance desta comunicao pode variar desde poucos metros (dentro de uma sala), at os limites de empresas, cidades, estados e pases.-A dificuldade, falta de espao e alto custo, quando no impossibilidade, de passar centenas ou milhares de fios de instrumentao ao longo de distncias que podem variar de poucos metros a milhares de quilmetros. Uma rede de comunicao tem a capacidade de transmitir atravs de um nico fio uma quantidade muito grande de informaes. Isto pode substituir milhares de fios de instrumentao, propiciando grande economia de espao e fiao.

-A distribuio e especializao do processamento. Ao invs de concentrar a inteligncia num nico controlador ou computador central ligado por fios em instrumentos burros, as redes possibilitam subdividir grandes tarefas em diversas sub-tarefas especializadas executadas por diversos componentes de uma rede de comunicao (controladores, instrumentos inteligentes, etc).

-Disponibilidade com custos cada vez mais acessveis de diversos meios de comunicao pblicos ou privados, tais como cabos eltricos, fibras ticas, rdio, micro-ondas, satlites, infra-estrutura telefnica, e outros.

A rede MOBUS RTU foi criada em 1978 pela empresa Modicon, fabricante de controladores programveis. Ao invs de definir a rede como proprietria (uso exclusivo) da empresa, o protocolo foi aberto e disponibilizado para uso geral. Devido simplicidade de sua implementao, e ao pioneirismo de ser um protocolo aberto, alcanou enorme popularidade entre fabricantes de diversos tipos de dispositivos de automao, tais como:

-controladores programveis

-computadores de superviso

-terminais de operao

-instrumentos de medio e atuao (medidores de vazo, vlvulas inteligentes, medidores de energia)

-RTUs (remote terminal units), ou unidades de entrada e sada remotas

-rels de proteo eltrica

-controladores PID multi-loop

Existe outra verso similar a rede MODBUS RTU, chamada de MODBUS ASCII, que no entanto no possui tanta aceitao, porque necessita de mais bits para transmitir a mesma informao que MODBUS RTU.

Afigura 6.6.1mostra a arquitetura de um equipamento com interface de comunicao MODBUS RTU. Trata-se de um exemplo de equipamento de E/S Remoto (entradas e sadas remotas), tambm conhecido como RTU (Remote Terminal Unit). Observa-se que basta um microprocessador (CPU, uma UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter), um conversor de meio fsico, e um conector, alm de alguns cristais. O sistema de E/S (entradas e sadas) foi simplificado no desenho, pois no o interesse primordial deste artigo.

figura 6.6.1O conector o limite fsico da interface de comunicao do equipamento. Nele se conectam os cabos de comunicao, que podem ser ligados a outros equipamentos com interface MODBUS RTU de forma direta ou indireta, como veremos adiante. No conector, encontram-se os pinos de transmisso e recepo de dados, alm de outros pinos auxiliares (terra de sinal, e sinais de controle eventualmente necessrios).

O sinal de transmisso para o conector provm de um componente denominado transmissor ou driver (TX), e o sinal de recepo do conector chega a um componente determinador receptor ou receiver (RX). Estes componentes tm a funo de transformar a codificao eltrica do sinal dentro do equipamento (TTL, CMOS, etc) numa codificao adequada para a rede de comunicao externa ao equipamento (RS-232, RS-485, fibra tica, etc).

A UART uma unidade de converso paralela/serial assncrona. Ela transforma os dados vindos de forma paralela da CPU (via data bus ou barramento de dados) em um sinal nico serial que ser transmitido via TX. De forma similar, a UART transforma os dados vindos de forma serial da rede de comunicao via RX para dados na forma paralela que podem ser lidos pela CPU.A CPU e a UART se comunicam atravs do data bus de forma paralela (um barramento de 8 ou 16 bits, tipicamente), com auxlio das linhas de controle RD (read) e WR (write). A linha de interrupo (INTR) utilizada pela UART para avisar a CPU sobre a recepo de um ou mais bytes via RX, ou para avisar a CPU que os bytes que a mesma solicitou transmitir j foram transmitidos. INTR tambm pode avisar sobre condies de erro na recepo de dados, entre outras funes. Registradores especializados dentro da UART permitem a leitura e escrita de dados, cdigos de erros, sinais de controle, configurao da velocidade de transmisso (baudrate), etc.Observa-se que h um cristal para a UART, que utiliza o sinal de clock gerado como base de tempo para determinar o tempo de durao de cada bit na comunicao serial. Quanto menor a durao do bit, maior a taxa de comunicao (ou baudrate), medida em bits por segundo (bps). Redes velozes possuem altos baudrates. A rede MODBUS normalmente opera com baudrates entre 110 bps e 115.200 bps (mais tipicamente entre 9600 e 38400 bps).

Filosofia de Acesso ao Meio Fsico e Endereamento dos DispositivosA disciplina mestre-escravo consiste em que todas as comunicaes so iniciadas pelo mestre, que transmite uma mensagem denominada requisio. Nesta requisio, o mestre solicita um servio para um dos escravos. Para indicar qual o escravo que deve executar este servio, a mensagem de requisio embute o endereo do escravo. Todos os escravos recebem a mensagem de requisio, mas somente aquele cujo endereo coincide com aquele embutido na requisio deve executar o servio. A execuo do servio consiste em aes internas no escravo (tais como ler ou escrever operandos), seguida da transmisso de uma mensagem deste escravo para o mestre, denominada resposta. A resposta confirma a execuo do servio, e eventualmente contm dados solicitados pelo mestre.

Cada dispositivo escravo pode ter um endereo de n associado na rede. No caso de uma rede MODBUS, este endereo pode variar de 1 a 247, sendo possvel portanto haver 1 mestre que no possui endereo e 247 escravos numa rede MODBUS.Em resumo, a disciplina consiste em:O mestre envia uma requisio para o escravo de endereo X, que ouvida por todos os escravos na rede somente o escravo X executa o servio solicitado nesta requisio, e envia uma resposta para o mestre.

Mensagens em BroadcastAnteriormente, dissemos que o endereo de um escravo pode variar de 1 a 247. No entanto, o mestre pode transmitir uma requisio para o endereo 0, que significa broadcast. Isto determina que:-todos os escravos da rede devem executar o servio solicitado-nenhum escravo deve emitir uma resposta para o mestre confirmando o servio (do contrrio, todos tenderiam a transmitir ao mesmo tempo, causando coliso entre respostas).Portanto, o mestre no recebe confirmao do servio dos escravos (resposta). Este tipo de endereamento til, por exemplo, se o mestre deseja escrever um mesmo conjunto de dados, simultaneamente, em todos os escravos da rede.

No entanto, no faz sentido utilizar broadcast para ler dados dos escravos, pois estes dados viriam na resposta, que no existe neste caso.

Tipos de Dados

O protocolo MODBUS define os seguintes tipos de dados:Dados de 1 bit:

-coils: podem ser lidos do escravo ou escritos no escravo

-inputs: somente podem ser lidos do escravo

Dados de 16 bit (ou registers):

-holding registers: podem ser lidos do escravo ou escritos no escravo

-input registers: somente podem ser lidos do escravo

Endereamento Lgico dos Dados

Cada um dos tipos definidos anteriormente pode ter at 9999 operandos ou variveis. Cada operando deve ter um endereo lgico para diferenci-lo dos demais operandos. Existe uma faixa de endereos destinada aos operandos de cada tipo de dados, conforme define-se a seguir:-coils: 00001 a 09999-inputs: 10001 a 19999

-input registers: 30001 a 39999

-holding registers: 40001 a 49999Formato das MensagensConforme visto anteriormente, h 2 tipos de mensagens:-requisies transmitidas pelo mestre

-respostas transmitidas pelos escravos

Uma mensagem uma seqncia de bytes consecutivos. Na figura 2 mostramos um exemplo de seqncia de 2 bytes. Uma mensagem MODBUS pode ser uma seqncia que varia deste alguns poucos bytes (menos de 10) at algumas centenas (mximo de 256 bytes).

Cada um dos servios definidos na seo anterior possui um formato de mensagem para a requisio e outro para a resposta.

A requisio normalmente deve transportar as seguintes informaes:

-O endereo do escravo (1 a 247, ou 0 para broadcast)

-O servio solicitado (ex: 16 = preset multiple registers). Isto automaticamente informa -O tipo de operando -associado (no caso do comando 16, holding registers).

-O endereo do primeiro operando

-A quantidade de operandos consecutivos, a partir do primeiro

-Caso seja uma escrita, os dados a serem escritos pelo mestre no escravo. Pode-se ter no mximo 250 bytes de dados (125 registers, ou 2000 bits).

-CRC (cyclic redundancy check), utilizado para deteco de erros.

A resposta normalmente deve transportar as seguintes informaes:-O endereo do escravo (1 a 247)

-O servio solicitado

-O endereo do primeiro operando

-A quantidade de operandos consecutivos, a partir do primeiro

-Caso seja uma leitura, os dados a serem lidos pelo mestre a partir do escravo. Pode-se ter no mximo 250 bytes -de dados (125 registers, ou 2000 bits).

-CRC (cyclic redundancy check), utilizado para deteco de erros.6.7 PROJETO ASSISTIDO POR COMPUTADORComputer Aided Design (CAD), expresso da lngua inglesa que pode ser traduzida como "Projeto Assistido por Computador", , se considerado de forma bastante ampla, uma tecnologia multidisciplinar, um conjunto de ferramentas utilizadas por todas as reas em que existe uma forma desenvolvida de interao do computador digital atividade de projeto, bem como ao controle e gesto deste processo.

O CAD pode ser definido como a utilizao de um sistema computacional para o auxlio na criao, modificao, anlise e/ou otimizao de um projeto, podendo interagir junto a sistemas de automao da produo, como o CAM (Computer Aided Manufacturing), que utiliza computadores e equipamentos de controle numrico nos processos de produo.

Esta , sem dvida, uma das principais caractersticas e potencialidades dos sistemas CAD, uma maior integrao entre duas reas tradicionalmente isoladas como o setor de projetos e a produo, caracterstica que vista como essencial para a "fbrica do futuro". Todas as diretrizes produzidas pelo CAD so transformadas em um programa que ser executado pelo CAM, ou seja, o CAD analisa, programa e demonstra na tela do computador o novo produto e o CAM, atravs de mquinas de controle computadorizado, executa sua fabricao. Outra das principais caractersticas do sistema CAD favorecer de forma marcante uma nova forma de integrao vertical entre as reas de projeto, produo, controle e gesto. 6.8 AVALIAO DE CONFIABILIDADE POR MONTE CARLOTodos os componentes eletrnicos possuem tolerncia de fabricao. Resistores podem ser comprados com 10%, 5% e 1%. Capacitores possuem tolerncias assimtricas como +20%/-50%. Fontes de alimentao variam basicamente entre 1% e 10%(Os parmetros dos componentes podem variar com a temperatura e a idade do mesmo. Os circuitos devem ser projetados para acomodar essas tolerncias e variaes.

Essas variaes podem gerar uma reduo na qualidade como um todo e at a reduo de quantidades funcionais produzidas.Estes problemas podem ser mitigados em uma inspeo final de todos os itens produzidos para garantir que esto dentro das especificaes, e os que no passaram retornam para linha de produo para as correes. Esta tcnica funciona bem para pequenos lotes ou para produo de equipamentos especiais. Uma forma de atender a um volume maior de produo projetor os circuitos com componentes de ajuste, garantindo assim que um maior nmero de unidades atendam as especificaes.Entretanto esto surgindo cada vez mais aplicaes que necessitam circuitos com alta confiabilidade como aplicaes espaciais, aeronuticas e mdicas, que s podem ser conseguidos com projetos baseados em modelos estatsticos bem definidos.Para esta simulao vamos utilizar o mtodo de Monte Carlo para prever qual a distribuio de probabilidades de um evento ocorrer, ou seja, qual a distribuio de probabilidade de uma placa estar fora das especificaes de funcionamento.Para a compreenso do mtodo ser feita uma demonstrao de como prever o consumo de bebida em uma festa.Para uma festa de 40 convidados, espera-se que 80% compaream e ser escolhida uma distribuio binomial, pois a distribuio de probabilidade binomial adequada para variveis discretas (quantidade de visitantes) que podem assumir somente duas condies mutuamente exclusivas que estarem ou no presentes na festa, j para a quantidade de litros consumidos estimado na literatura uma percpita de 600 ml por pessoa, mas este tambm um valor que pode variar, ento estimamos em uma faixa de 400 e 800 ml, e como o consumo uma varivel continua e se adequa a uma distribuio uniforma de probabilidade.Ser gerada uma amostra de 10.000 itens para os convidados e seu consumo com base nesta informao tambm foi gerado o histograma da figura 6.8.1 das distribuies de probabilidade de consumo.

figura 6.8.1Vemos pelo histograma acima que o consumo de 19500 ml ocorre em aproximadamente 400 das 10.000 simulaes, porem podemos melhorar a simulao ordenado a tabela por consumo em ordem crescente e separando as 500 (5% das simulaes) simulaes que mais consumiram e encontramos na linha de numero 500 uma quantidade de 25773 ml, onde podemos concluir que temos uma chance de 95% do consumo ser menor que 25,8 litros aproximadamente e que a chance do consumo ser maior que os 25,8 litros de apenas 5%, como pode ser visto no histograma da figura 6.8.2

figura 6.8.2Poder ser verificado que para uma boa simulao temos a necessidade de uma gerao de nmeros aleatrios muito grandes, e ainda mais qual a distribuio de probabilidade da populao, o que pode ser um problema, uma forma de se conseguir essa distribuio pode ser consultando a literatura ou aplicando o um teste de aderncia como a do qui-quadrado, que determina quo aproximado as distribuies tericas, como a normal, continua e etc., se ajustam as distribuies amostrais.6.9 SENSORES E ATUADORES ELETROPNEUMTICOSVlvula de Controle Direcional A funo das vlvulas direcionais de permitir, orientar ou interromper um fluxo de ar. Por distribuir o ar aos elementos de trabalho, so conhecidas tambm como vlvulas de distribuio. Constituem os instrumentos de comando de um circuito. Tambm so utilizadas em tamanhos menores como emissoras ou receptoras de sinais para o comando das vlvulas principais do sistema, e ainda em funes de tratamento de sinais. Duas das principais caractersticas que possibilitam sua classificao, so o nmero de vias e o nmero de posies, definidos a seguir:

Vias: Denominamos assim o nmero de bocais de conexo do elemento de distribuio. Pode-se ter vlvulas de 2, 3, 4, 5 ou mais vias. No possvel um nmero de vias inferior a dois.

Posies: refere-se ao nmero de posies estveis do elemento de distribuio. As vlvulas mais comuns possuem 2 ou 3 posies, apesar de alguns modelos particulares possurem mais. No possvel um nmero de posies inferior a dois.

Caractersticas funcionais das vlvulas: Existem vrias caractersticas a serem definidas para a escolha de uma vlvula, que so as seguintes:

Vazo nominal: Expressa em Nl/min, representa a vazo normal de ar em l/min que passa pela vlvula, com uma presso de alimentao de 6 bar e uma perda de carga de 1 bar.

Na figura 6.9.1 temos um vlvula de duas posies e quatro vias

figura 6.9.1Frequncia de comutao: Reflete a rapidez com que a vlvula comuta as suas posies.

Dimensionamento das vlvulas: A vazo normal necessria para o acionamento de um cilindro pneumtico, depender em geral da vazo necessria para o acionamento, que por sua vez depender do tamanho do cilindro, da velocidade de seu acionamento e da presso de operao, onde:

Onde:

Qr =Vazo necessria (Nm3/h)

D = Dimetro do pisto do cilindro (cm)

C = Curso do cilindro

t = tempo de execuo do movimento

p = Presso de operao

A vazo nominal normal que a vlvula deve ter determinada pela seguinte expresso:

Onde:

Qn = Vazo nominal da vlvula (Nl/min)

p = Queda de presso admitida na vlvula (bar)

pe = Presso absoluta de alimentao da vlvula (bar)(presso manomtrica + 1,013)

Qr = Vazo exigida pelo acionamento (Nm3/h)

Atuador cilndrico de dupla ao

Os cilindros pneumticos so dispositivos que transformam a energia potencial do ar comprimido em energia cintica ou em presso. Basicamente consistem em um recipiente cilndrico provido de um mbolo ou pisto. Ao introduzir-se uma certa vazo de ar comprimido, este se expande dentro da cmara e provoca um deslocamento linear. Se for acoplada uma haste rgida ao embolo, este mecanismo ser capaz de empurrar um corpo, ou simplesmente prend-lo. A fora proporcional presso do ar e superfcie do pisto:

F = P x A

Onde:

F = fora

P = presso

A = rea do embolo

Os cilindros de ao dupla realizam trabalho recebendo ar comprimido em ambos os lados. Desta forma realizam trabalho tanto no movimento de avano como no movimento de retorno. Um sistema de comando adequado permite ao ar comprimido atingir uma cmara de cada vez, exaurindo o ar retido na cmara oposta.

Certos tipos de cilindros incorporam um m no pisto com a finalidade de atuar um sensor magntico do tipo Reed-Switch ou similar, montado na parte externa do cilindro, durante o final de seu curso na figura 5.3.3.1 temos o seu smbolo do cilindro de dupla ao com embolo magntico. Este sinal eltrico utilizado para comandar outros componentes do sistema, tais como atuadores e contadores, emitir sinais luminosos, atuar contatores, rels, CLP, ou mesmo controlar seu prprio movimento.

Figura 6.9.2SENSOR INDUTIVO

Os sensores indutivos so equipamentos eletrnicos capazes de detectar a aproximao de peas metlicas, componentes, elementos de mquinas, etc, em substituio s tradicionais chaves fim de curso. A deteco ocorre sem que haja o contato fsico entre o sensor e o acionador, aumentando a vida til do sensor por no possuir peas mveis sujeitas a desgastes mecnicos.

O princpio de funcionamento baseia-se na gerao de um campo eletromagntico de alta freqncia, que desenvolvido por uma bobina ressonante instalada na face sensora.

A bobina faz parte de um circuito oscilador que em condio normal (desacionada) gera um sinal senoidal. Quando um metal aproxima-se do campo, este por correntes de superfcie (Foulcault) absorve a energia do campo, diminuindo a amplitude do sinal gerado no oscilador.

A variao de amplitude deste sinal convertida em uma variao contnua que comparada com um valor padro, passa a atuar no estgio de sada.

Na figura 6.9.3 encontra-se o smbolo do sensor indutivo NA

Figura 6.9.3SENSOR CAPACITIVO

Os sensores de proximidade capacitivos so dispositivos capazes de detectar a presena de objetos plsticos, lquidos, orgnicos e tambm os metlicos detectados pelos sensores indutivos.

Eles funcionam gerando um campo eletrosttico criado por um oscilador controlado por capacitor, e detectando mudanas neste campo causadas por um alvo que se aproxima da face ativa.

As partes internas do detector consistem em uma ponta capacitiva, um oscilador, um retificador de sinal, um circuito de filtragem e um circuito de sada. Na ausncia de um alvo, o oscilador est inativo (no oscila). Quando o objeto a ser detectado se aproxima da face sensorial ele aumenta a capacitncia do circuito com a ponta de compensao at atingir um determinado valor, ativando o circuito oscilador e consequentemente o circuito de sada, fazendo com que o sensor comute seu estado, de aberto para fechado ou vice-versa.

Na figura 6.9.4 encontra-se o smbolo do sensor capacitivo NA

Figura 6.9.46.10 GRFICO DE GANTTO diagrama de Gantt um grfico usado para ilustrar o avano das diferentes etapas de um projeto. Os intervalos de tempo representando o incio e fim de cada fase aparecem como barras coloridas sobre o eixo horizontal do grfico. Desenvolvido em 1917 pelo engenheiro mecnico Henry Gantt, esse grfico utilizado como uma ferramenta de controle de produo. Nele podem ser visualizadas as tarefas de cada membro de uma equipe, bem como o tempo utilizado para cumpri-la. Assim, pode-se analisar o empenho de cada membro no grupo, desde que estejam associados, tarefa, como um recurso necessrio ao desempenho dela.

Associado a esta ideia, est o fato de esta forma de representao grfica, das atividades de um projeto, permitir, ainda, avaliar os seus custos, resultante do consumo de recursos necessrios concluso de cada uma de suas tarefas. A forma de balizar o desempenho do projeto, por medio relativa entre o tempo decorrido, e o grau atual de concluso da tarefa, perante o previsto, e a partir do diagrama de Gantt, permite tirar concluses sobre o seu desempenho em termos de custo e prazo. Uma das tcnicas de balizamento, mais frequentes, e utilizadas para aquele efeito, chamado de EVM (Earned Value Management). Na figura 6.10.11 temos um exemplo do grfico de Gantt

figura 6.10.1Minimamente todos os sistemas de gesto de projetos seguem os seguintes passos

1. Cadastros dos recursos: Pessoas e equipamentos e disponibilidade de horas ms.2. Cadastro das tarefas: Com data de inicio e termino e interdependncia das mesmas.3. Associar os recursos s tarefas: Observando as horas disponveis do recurso.4. Cadastro de mile stones: So os momentos onde se deve verificar a pontualidade do projeto.

5. A ps feito o cadastro deve ser feito o acompanhamento do projeto cadastrando o percentual de execuo de cada tarefa.

Feito isso podemos levantar alguns relatrios

1. Analise PERT de cominho otimista e pessimista

2. Analise do cominho critico3. Custo de um recurso

4. Custo de uma tarefa

5. Custo do projeto

Para fazer este controle vamos usar o ProjeX que um plugim do Exell para controle de projeto por Diagrama de Gantt7 IMPLEMENTAO

7.1 FONTE

A fonte de alimentao foi implementada com o intudo de fornecer uma teno de 24Vcc que uma padro industrial para alimentao de dispositivos, foi optado projetar a fonte com reguladores lineares pela simplicidade e fcil acesso aos componentes, uma preocupao com relao aos padres industrias que a mesma possui duas sadas positivas, sendo uma para o mdulo e outra para sensores e demais dispositivos trs sadas negativas, sendo uma para cada um dos positivos e a terceira para ficilitar o processo de equipotencializao das referencias das fontes que normalmente o negativo das mesmas.Abaixo vemos na figura 7.1.1 imagens a) da PCI, b) do estudo dimencioal 2D, c) do estudo dimensional 3D e d) a placa montada e por fim na figura 7.1.2 temos o diagrama eltrico. a b

c d

figura 7.1.1

figura 7.1.1

7.2 CONVERSOR RS232 PARA RS485Todos os computadores portteis ou de mesa possuem portas de comunicao, onde se destacam a serial RS-232, USB, e de rede, porem no comum virem de fbrica com portas RS485, portanto para que o computador possa interfacear com este projeto, temos a necessidade de um mdulo de converso, este mdulo de converso normalmente do RS232 para o RS485, o processo comum converter os sinais do RS232 para TTL com o circuito integrado MAX232, e posteriormente converter os sinais TTL para nveis RS485 com o circuito integrado MAX485, mas o KIT do Garagino j vem com um cabo que leva os nveis dos RS232 para TTL, o que levou a projetar somete a converso do sinal TTL para os sinais RS485 com o circuito integrado MAX485, mas como est se tornando comum computadores com somente com USB a converso deveria ser feita via FT233 que pega a portas USB e converte em nveis lgicos TTL e posteriormente com o MAX485 transfere os nveis TTL para RS485, porem o FT232 um componente encontrado somente no formato SMD o que dificulta a solda manual, ento para este projeto usaremos a converso RS232 para RS485 e caso o computador possua somente USB, dever ser comprado separadamente um conversor USB para RS232.Abaixo vemos na figura 7.2.1 imagens a) da PCI, b) do estudo dimencioal 2D, c) do estudo dimensional 3D e na figura diagrama eltrico 7.2.2.

.

a b

c

figura 7.2.1

figura 7.2.2

7.3 MDULO DE I/OO Projeto do mdulo de I/O pode ser dividido em 5 blocos, onde os mesmos tem seu funcionamento detalhado descrito abaixo, bem como detalhes de alguns escolhas e dimensionamento.1. Fonte de alimentao: O microcontrolador e todos os demais componentes no mdulo de I/O so alimentados com 5Vcc, porem o padro de alimentao industrial de 24Vcc, o que leva a uma necessidade de converso dos 24Vcc para 5Vcc, e por simplicidade foi escolhido os reguladores da famlia 78, porem o 7805 que gera 5Vcc em sua sada no suporta os 24Vcc o que nos levou a implementar uma cascata de um 7815 que suporta os 24Vcc de entrada e gera uma sada de 15Vcc est sim suportvel pelo 7505 podendo este agora gerar os 5Vcc necessrios.2. Interface RS485: Tem como principal componente o MAX 485 que recebe um sinal com nvel TTL e converte o mesmo para os nveis do barramento RS485. Outro ponto a ser observado so os jumpers para ativar o resistor de inicio ou final de linha e outros dois jumpers para acionar os resistores de Pull Up e Pull Down das linha RS-485, permitindo dessa forma que o aluno possa verificar de forma flexvel todas as possibilidades de configurao, e por ultimo destaca-se que temos duas portas do barramento RS-485 permitindo o uso da topologia Daisy Chain (mais indica), ou usando somente uma porta para implementar as demais topologias.3. Interfaceamento de entrada: A interface de entrada serve para compatibilizar as tenes de entrada normalizadas em 24Vcc para as 5Vcc do microcontrolador, isso poderia ser feito de vrias forma porem foi escolhido um simples divisar de tenso para facilitar a analise de Monte Carlo que ser feita, e para baratear os custo de implementao do prottipo, podemos verificar tambm que o divisor de teno no est ligado diretamente no micro controlador, mas sim em um registrador de deslocamento, o que facilita a expanso das portas de entrada consumindo sempre somente 3 portas do micro controlador para isso, librando suas portas para outras funes futuras de projeto.4. Interfaceamento de sada: Como na interface de entrada, este circuito serve para compatibilizar as tenes e mxima potencia oferecida pelo microcontrolador com as necessidades das cargas a serem acionadas, e a forma que traz uma maior versatilidade com o uso de reles, como no circuito de entrada vemos que o acionamento dos transistores que acionam os reles de sada no feita diretamente pelas portas do microcontrolador, mas sim por um registrador de deslocamento, com isso podemos expandir facilmente as portas de sada consumindo sempre somente 3 portas do microcontrolador, liberando algumas portas para outras funes futuras de projeto.

5. Circuito de endereamento: O protocolo Modbus RTU necessita ser endereado, e para isso foi criado um circuito onde o endereamento ser feito por chaves do tipo DIP Switch.6. Circuito de Reset: O circuito de reset, faz tanto o reset automtico no momento em que o mdulo de I/O ligado, bem como o reset manual no jumper de reset.Abaixo vemos na figura 7.3.2 a imagens da PCI, na figura 7.3.3 o estudo dimensional 2D, na figura 7.3.3 o diagrama eltrico na figura 7.3.4 temos o estudo dimensional 3D.

figura 7.3.1

figura 7.3.2

figura 7.3.3

figura 7.3.47.4 AVALIAO DE CONFIABILIDADE DO DIVISOR DE TENSO DA ENTRADA PELO MDOTO DE MONTE CARLOFaremos duas analises com mil interaes cada, na primeira os dois resistores so de 10% e na segunda os dois resistores so de 5%

O calculo do divisor para uma corrente mxima de 1mA obtemos valores de 19K para R1 e 5K para R2 porem comercialmente s so encontrados nos valores de 18K para R1 e 5,1K para R2

Para os resistores de 10% tivemos o seguinte resultado

E levando em conta que os valore aceitveis para o micro controlador ento entre 4,75V e 5,25V, temos que a placa produzida no ira necessitar de remanufatura do divisor de entrada somente 39% das vezes.

Podemos verificar que aumentando a preciso demos um problema maior, pois a gora somente 32% no necessita de remanufatura, isso se justifica devido ao resistor ser produzido com maior preciso entorno dos valores de 18K e 5,1K o que coloca o divisor em uma faixa problemtica na maior parte do tempo.

7.5 INSTALAO DO ScadaBR

O software ScadaBR fica disponvel no site do projeto, http://www.scadabr.org.br - procure dentro da seo Downloads. Alguns usurios vo preferir baixar diretamente no repositrio do Sourceforge, em http://scadabr.sourceforge.net

A instalao no Windows bastante simplificada. Para usurios iniciantes ou para quem quiser experimentar o ScadaBR, basta clicar sobre o boto "Prximo" vrias vezes at finalizar, sem alterar as configuraes-padro. Todo o processo de instalao intuitivo e vem com vrias instrues na tela, mas pode ser visto nos detalhes abaixo.

Aps a instalao j possvel explorar o ScadaBR. No menu iniciar ser instalado um cone "Configurao do Tomcat",onde voc pode parar, iniciar o ScadaBR, ou definir que o mesmo inicie automaticamente ao ligar o computador. Em alguns computadores, voc deve clicar com o boto direito sobre "Configurao do Tomcat" e ento selecionar "Executar como administrador". Se ainda no estiver iniciado, clique "Start".

Com o ScadaBR rodando, abra um navegador (nossa recomendao o Mozilla Firefox) e digite o endereo:

http://localhost:8080/ScadaBR/:

Entre com usurio admin, senha admin

Na primeira vez que voc acessar o programa, ir abrir automaticamente a ajuda, devendo a mesma ser lida atenciosamente conhecer as principais informaes tcnicas sobre o ScadaBR. Para voltar futuramente ajuda, basta clicar sobre o cone com ponto de interrogao.

Como voc poder ver na figura acima, existe uma barra de cones na parte de cima da tela, junto ao logotipo do ScadaBR.

Tanto na barra de cones, como na aplicao do ScadaBR em geral, os principais cones que voc precisa conhecer so:

7.6 CONFIGURAO DO ScadaBR PARA MODBUS RTU

Agora com o ScadaBR j instalado ele deve ser configurado para se conectar ao mdulo de I/O via Modbus RTU e necessitamos coletar a condio da entrada do mesmo e enviar comando para acionar as sadas, vamos fazer isso com uso do procedimento abaixo.

Uma vez instalado o programa, rode a aplicao e faca o login, o default e admin para o User Id e para o Password. Uma pagina como essa devera aparecer:

Inicialmente devemos criar uma data source, que identifica cada dispositivo na rede.Clique em Data sources para abrir a lista de data source.

Clique em na aba e selecione Modbus Serial:

Clique em adicionar dispositivo:

Abrira uma tela parecida com a figura abaixo:

Preencha os seguintes dados:

Nome: Arduino

Periodo de Atualizacao: 1000msPorta: Use a COM que foi criada pelo conversor USB/RS485

Baudrate: 9600, deixar igual a linha do sketch COMM_BPS = 9600, /* baud rate */

Data Bits: 8

Stop Bits: 1

Parity: Nenhuma, deixar igual a linha do sketch PARITY = 'n', /* paridade */

Codificacao: RTUOBS: Verifique a versao do sistemas operacional do computador (versao 32bits ou 64bits) e instale o Java de acordo com esta versao.

As outras opcoes desta caixa nao precisam ser alteradas.Apos preencher tudo, clique em salvar.

Tendo criado o dispositivo de dados ou data source, devemos inserir os pontos de medicao que sao chamados de data points. Clique em adcionar data points para adicionar um data point no fim da pagina.

Para criar o data point que corresponde a leitura da chave ligada no pino digital D4 por exemplo, preencha os campos da janela aberta desta forma:

Preencha o campo nome de forma semelhante ao nome dado a respectiva variavel no sketch do Arduino.A Id do escravo, deve ser a mesma do sketch do Arduino:MB_SLAVE = 1, /* endereco do escravo modbus.

Na biblioteca JPMZOMETA foram implementados o comandos 3, 6 e 16 do protocolo Modbus, que sao os comandos para leitura e escrita dos registros do tipo holding. Desta forma o campo faixa do registro de todos os datasources devero estar marcados como registrador holding.

O campo tipo de dados modbus varia conforme o tipo da varivel, para representar o estado de um pino digital, use binrio e o Bit em 0. Para uma varivel analgica marcar como inteiro de dois bytes com sinal.

O campo offset deve estar de acordo com a posicao ocupada pela varivel na tabela enum do sketch.

Marcar a caixa configurvel apenas nas variveis onde o SCADABR deve escrever, alterando o valor das mesmas no sketch do Arduino. As variveis que representam entradas digitais e analgicas no devem ser marcadas.Apos preencher tudo, clique em salvar o data point criado.

Para criar o data point que corresponde ao LED ligado no pino digital D5 preencha os campos da janela aberta desta forma:

Apos preencher tudo, clique em SALVAR para salvar o data point criado.

Agora voc deve habilitar todos os data points criados, clique no boto vermelho na coluna Status de cada data point

A caixa Data Points deve estar parecida com a figura abaixo:

Na caixa Propriedades do modbus serial clique no boto vermelho para habilitar o Data Source. Clicar no olho para acessar a tela Watch list

A tela ser como esta:

Clique nas setas dos data points que desejar monitorar, assim eles vo aparecer na caixa da direita da tela.

Com o Arduino ligado, o ScadaBR vai comear o polling atualizando os valores dos data points habilitados no intervalo de tempo definido no campo perodo de atualizao na caixa propriedades do modbus serial.

Quando o boto tctil estiver pressionado, o data point MB_PINO_4 estar em 1 e ira marcar 0 quando o boto no estiver pressionado. O LED amarelo ligado no pino digital 13 do Arduino acende sempre que o boto estiver pressionado.

O data point MB_PINO_5 controla o estado do LED verde ligado no pino digital 5. Clicando no cone pino ser aberta uma caixa onde e possvel ligar ou desligar o LED digitando 1 ou 0 respectivamente.

Se ocorrer um problema qualquer na comunicao, ou se o data source ou o data point no estiver habilitado uma mensagem de aviso como esta ser mostrada.

8 COLETA DE DADOS

Nem todos os mdulos implementados funcionaram como o previsto, porem foi possvel chegar a algumas concluses preliminares. Abaixo temos o resultado das coletas de dadosFONTE DE ALIMENTAO

Apresentou funcionamento adequado com um pequeno aquecimento dos reguladores.

CONVERSOR RS232 PARA R485

Os problemas de sinalizao no cabo que acompanha o Kit do Garagino, foraram um reprojeto do mdulo, como esta constatao ocorreu tardiamente, impossibilitou a reconstruo deste em tempo hbil.MDULO DE I/O

Os teste na matriz de contato com acesso de forma indireta (RS232 em nveis TTL) indicaram uma bom comportamento da interfaceMANUAL DE INSTALAO E CONFIGURAO DO ScadaBRSendo instalado com sucesso no foi possvel testar seu funcionamento devido aos problemas descritos n modulo de converso RS232 para RS4859 CONCLUSO

O desenvolvimento deste projeto integrador foi muito enriquecedor, pois foi possvel verificar a importncia das matrias que tivemos at o terceiro semestre, alm da oportunidade do desenvolvimento de conhecimentos transversais como:1. Gesto de projetos

2. Anlise dos requisitos e delimitao do escopo (abrangncia de um projeto)

3. Pesquisar e a aprender a usar ferramentas de apoio ao projeto

4. Estudar e a aplicar conhecimentos de novas tcnicas e produtos

E os conhecimentos especficos desenvolvidos que justificam as matrias1. Portugus: Com a metodologia e tcnicas de redao tcnica/cientfica

2. Ingls: Com a leitura de interpretao de manuais tcnicos em ingls e compreenso de vdeos demonstrativos de programas e equipamentos.

3. Estatstica: Que forneceu o conhecimento bsico para poder ser compreendido o mtodo de Monte Carlo.

4. Eletrnica analgica: Onde foi ministrado praticamente todo o conhecimento para a produo da fonte linear.

5. Eletrnica Digital I/II: Com os princpios bsicos dos registradores de deslocamento.6. Microcontroladores: Para este projeto o micro controlador o corao do mesmo, onde o arduino foi pesquisado praticamente do zero pela maioria dos membros da equipe.

7. CAD: Abrindo a porta para a importncia do projeto assistido por computador e estimulando o estudo dos ECAD, que so produtos de CAD voltados para eletroeletrnica.

8. Sistemas de controle: Onde foram pesquisados os sistemas supervisrios

9. Automao II: Que forneceu os princpios de gesto de projeto e com isso facilitando o estudo do grfico de Grantt.Podemos destacar algumas dificuldades tcnicas e gerencias do projetoA previso da gesto de tempo no foi conhecidente com o previsto o que acabou levando ao atraso do mesmo, pois as horas extra aulas previstas para a execuo do trabalho acabou sendo consumida por trabalhos das matrias, e no tnhamos como controlar o aparecimento das mesmas no cronograma. No projeto do conversor RS232 para RS485 foi imaginado que o cabo de comunicao serial que vem junto com o Kit do Garagino forneceria todos os sinais eltricos necessrios para a converso para RS485, porem verificamos tardiamente que isso no a realidade, onde o reprojeto do mesmo foi necessrio no tendo tempo hbil para a compra.

Prximos PassosDestacamos as possibilidades de continuidade deste trabalho indicamos as possibilidades abaixo tanto para hardware quando para softwareImplementaes futuras para hardware

1. Implementar um barramento Full-Duplex pois o implementado simplex.

2. Implementar sadas e entradas analgicas.

3. Implementar sadas digitas a transistor possibilitando ter uma sada PWM.

4. Implementar uma entrada de contador rpido.

Implementaes futuras de software

1. Implementar mais funes do Modbus

10 REFERENCIAS BIBLIOGRAFICASProjeto de circuitos estrncios com estatstica: Filho, Mario Vaz da Silva 1998

Tecnologia eletropneumtica industrial: Parker 2005

Diagrama de Gantt: Kioskea 2014

Manual do Kit RS485: Labiratrio de Garagem (sem data)