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UNIVERSIDADE SÃO FRANCISCO
CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
ELABORAÇÃO DE UM SISTEMA SUPERVISÓRIO, PARA AUTOCLAVE DE PNEUS.
Área de Engenharia Elétrica
por
Valter Salmazo Junior
João Hermes Clerici, MSc Orientador
Campinas (SP), Dezembro de 2010
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UNIVERSIDADE SÃO FRANCISCO
CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
ELABORAÇÃO DE UM SISTEMA SUPERVISÓRIO, PARA AUTOCLAVE DE PNEUS.
Área de Engenharia Elétrica
por
Valter Salmazo Junior
Relatório apresentado à Banca Examinadora do Trabalho de Conclusão do Curso de Engenharia Elétrica para análise e aprovação. Orientador: João Hermes Clerici, MSc
Campinas (SP), Dezembro de 2010
ii
AGRADECIMENTOS Primeiramente agradeço a Deus, que me concedeu
mais esta oportunidade em minha vida.
A minha esposa, Ana e meus filhos Bruno e
Gabriela, pela compreensão e paciência, nos
momentos mais difíceis do curso e aos meus pais,
que investiram na minha formação, dando-me
condições para seguir meu próprio caminho.
A meus amigos e colegas que de alguma forma me
prestigiaram, com críticas construtivas, ou até
mesmo discussões em sala de aula.
Agradeço ao Professor João Hermes Clerici, pela
orientação na elaboração deste trabalho, ao senhor
Hélio Tadeu Patrocinio, da divisão de recapagem de
pneus - Dpaschoal, pela disponibilidade e
colaboração.
Agradeço aos professores e ao coordenador do curso de
Engenharia Elétrica, da Universidade São
Francisco, pela amizade e dedicação o ensino.
iii
DEDICATÓRIA Dedico este trabalho à minha família, especialmente a
minha querida esposa Ana e aos meus filhos Bruno
e Gabriela, que estiveram sempre presentes
colaborando para o sucesso desta etapa da minha
vida.
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SUMÁRIO GLOSSÁRIO ............................................................................................................................................ v
RESUMO ................................................................................................................................................ 1
ABSTRACT ............................................................................................................................................. 2
1. INTRODUÇÃO .............................................................................................................................. 3
1.1. Objetivos gerais ......................................................................................................................... 4
1.2. Objetivos específicos.................................................................................................................. 4
2. O PROCESSO DE VULCANIZAÇÃO A FRIO ................................................................................ 4
2.1. O sistema automatizado ............................................................................................................. 5
2.2. Diagrama em blocos do sistema ................................................................................................. 7
2.3. Automatização do processo ........................................................................................................ 7
2.3.1. Controle das pressões ................................................................................................................ 8
2.3.2. Controle da temperatura ............................................................................................................ 9
2.3.3. Aspectos de segurança ..............................................................................................................10
2.4. O Simulador .............................................................................................................................11
2.4.1. CLP ..........................................................................................................................................11
2.4.2. Dispositivos analógicos de entrada ...........................................................................................12
2.4.2.1. Transdutor de temperatura ...................................................................................................13
2.4.2.2. Transdutores de pressão .......................................................................................................14
2.4.2.3. Transdutores de corrente......................................................................................................15
2.4.3. Outros dispositivos ...................................................................................................................15
3. PROGRAMA DE CONTROLE .......................................................................................................16
3.1. Descrição do processo ..............................................................................................................19
3.2. Software do CLP.......................................................................................................................20
3.3. Sistema supervisório .................................................................................................................23
3.3.1. Telas do sistema .......................................................................................................................23
3.4. Comunicação via WEB .............................................................................................................30
4. CONSIDERAÇÕES FINAIS...........................................................................................................32
4.1. Conclusão ................................................................................................................................32
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .......................................................................................................33
v
GLOSSÁRIO
Autoclave: Cilindro metálico usado para tratar componentes a alta pressão e temperatura,
neste caso é utilizado na vulcanização de pneus.
CLP: Controlador lógico programável.
Contator: É um dispositivo elétrico de manobra e proteção, que consegue chavear correntes
elevadas através de sinais elétricos de baixa intensidade.
DLL: Dynamic-link library (Biblioteca de ligação dinâmica), são rotinas prontas com
finalidades específicas para serem utilizadas na elaboração de softwares.
Envelope: É uma câmara de ar externa ao pneu que garante que a pressão seja uniforme nos
sulcos do pneu.
IHM: Interface homem máquina, faz interação entre o operador e o equipamento.
Mainfold: É o corpo da máquina, vaso de pressão principal.
NVRAM: Non-Volatile Random Access Memory, que significa memória não volátil de
acesso aleatório
P.I.D.: Controlador proporcional, integral e derivativo, utilizado em controle com
realimentação, muito encontrado em sistemas industriais.
PWM: Modulação por largura de pulso.
Saco de ar: É a câmara de ar do pneu.
Set-Point: Ponto de ajuste de pressão ou temperatura.
Transdutor: Dispositivo que converte uma grandeza em sinal elétrico a ser utilizado pelo
CLP.
Válvula solenóide: É uma válvula com controle eletromagnético.
Vulcanização: A vulcanização é um processo termo-químico que ocorre a altas pressões e
temperatura aplicadas aos polímeros elastoméricos, também chamados de borrachas.
1
RESUMO
SALMAZO JUNIOR, Valter. Elaboração de um sistema supervisório integrado a um CLP, para supervisão de uma autoclave via web. Trabalho de Conclusão de Curso, Universidade São Francisco, Campinas, 2010.
O projeto consiste no desenvolvimento de um sistema supervisório de controle que tem a
finalidade de automatizar e monitorar, local e remotamente, via WEB, uma autoclave,
utilizada no processo da recapagem de pneus de veículos pesados.
A etapa de vulcanização é a parte mais crítica do processo de recapagem, pois nesta etapa é
feita a união da banda de rodagem (parte do pneu que fica em contato com o solo), com a
carcaça (parte externa do pneu que abriga a câmara de ar) por um processo químico, que
depende de temperatura, pressão e tempo. O sistema desenvolvido tem por objetivo garantir
que estas variáveis estejam dentro dos padrões exigidos pelos fabricantes, maximizando o
desempenho da autoclave, reduzindo o desgaste e o consumo de energia. O sistema pode ser
utilizado em autoclaves novas ou existentes com pequenas modificações.
Palavras Chave: Autoclave, CLP, Supervisório, Vulcanização
2
ABSTRACT
SALMAZO JUNIOR, Valter. Development of a supervisory system, integrated with a PLC to supervision of an autoclave through web. Campinas, 2010. Final Term Work, São Francisco University, Campinas, 2010.
The project is to develop of a supervisory control system that aims to automate and monitor
locally or remotely via WEB, an autoclave used in the process of retread tires for heavy
vehicles. The step of vulcanization is the most crítical part of the process of retread, because
this stage is the union of the tread (wich is part of the tire in contact with the ground), with the
housing (outside of the tire that holds the inner tube), by a chemical process, wich depends on
temperature, pressure and time. The developed system aims to ensure that these variables are
within the standards required by manufactures to maximize the performance of the autoclave,
reducing equipment wear and energy consumption. This system can be used on new or
existing autoclaves, with minor modifications.
Keyword: Autoclave, PLC, Supervisory, Vulcanization
3
1. INTRODUÇÃO
No mercado de recapagem de pneus, para veículos pesados há uma grande lacuna na
etapa de vulcanização, que é a etapa onde o pneu é submetido a pressões e temperatura
controladas para aderência da banda na carcaça. Os sistemas existentes atualmente no
mercado são pouco eficientes em relação ao controle do processo, e na detecção de falhas, ou
são muito caros. Neste trabalho foi desenvolvido um sistema supervisório dedicado, com
possibilidade de monitoração remota através da internet, para automatização do sistema de
vulcanização, que pode ser instalado em autoclaves existentes com poucas modificações, e
com um custo menor do que os existentes no mercado atualmente.
No processo de recapagem de pneus, a etapa de vulcanização, é a parte mais crítica,
pois nesta etapa é feita a união da banda de rodagem (parte do pneu que fica em contato com
o solo) com a carcaça (parte externa do pneu que abriga a câmara de ar) por um processo
químico, que depende de temperatura, pressões e tempo. O sistema supervisório tem por
objetivo garantir que estas variáveis estejam dentro dos padrões exigidos pelos fabricantes,
maximizando o desempenho da autoclave, e reduzindo o desgaste do equipamento e o
consumo de energia.
O supervisório adquire e disponibiliza os dados dos transdutores de pressões,
temperaturas, correntes e também mostra o estado da máquina durante todo o processo, que é
longo, podendo chegar a mais de 5h.
O controle de temperatura foi feito através de um controlador P.I.D. (proporcional,
integral e derivativo) que garante ao processo temperaturas uniformes, sem as variações do
sistema on/off, que são comumente utilizados, tornando o processo químico mais eficiente e
mais econômico, possibilitando inclusive a redução do tempo do pneu na autoclave.
No controle das pressões, a abertura e fechamento das válvulas foram feitos utilizando
o sistema PWM que consiste na modulação dos tempos de abertura e fechamento de válvulas
que garante melhor precisão nas pressões e um controle mais eficiente no enchimento da
autoclave com ar, garantindo um processo melhor e mais econômico.
No capítulo 1 será abordada em detalhes a etapa de vulcanização, suas
particularidades, os métodos que foram utilizados para o desenvolvimento do software, e um
descritivo dos principais componentes utilizados no painel elétrico onde o software será
utilizado.
4
No capítulo 2 será abordado o desenvolvimento prático do projeto detalhando as
soluções para os problemas ocorridos.
No capítulo 3 será abordado o sistema supervisório, sua integração com o software, e o
recurso que possibilita a monitoração remota.
No capítulo 4 serão demonstrados, o funcionamento automatizado e os testes
comprovando a eficiência do sistema desenvolvido.
Finalizando no capítulo 5 a conclusão do projeto.
1.1. Objetivos gerais
Desenvolver um sistema que permita automatizar uma autoclave utilizada para a
recapagem de pneus e fazer o monitoramento de seu funcionamento remotamente, via WEB.
1.2. Objetivos específicos
• Desenvolver um programa de controle, utilizando um CLP, para automatizar uma
autoclave.
• Desenvolver um sistema supervisório para controle e operação da autoclave.
• Montar um equipamento de testes para simulação das condições da autoclave.
• Fazer o monitoramento do funcionamento do sistema via web.
2. O PROCESSO DE VULCANIZAÇÃO A FRIO
Figura 2.1 - Exemplo de autoclave (vista lateral) Figura 2.1 Exemplo de autoclave (vista lateral)
5
Há vários processos de vulcanização de pneus, porém o que descrevemos é o mais
utilizado e para o qual o sistema foi desenvolvido. Este processo é chamado de vulcanização a
frio, por trabalhar com baixas temperaturas.
A autoclave basicamente é um cilindro metálico onde se aplica pressão, e temperatura
com resistências elétricas, ou outra fonte de calor instaladas em seu interior, e um ventilador
para circulação do ar internamente. No caso particular de recapagem de pneus, além de
pressão da autoclave (corpo), há mais duas pressões envolvidas, a pressão no saco de ar, que
seria a câmara de ar do pneu, e a pressão no envelope ou 3ª pressão que se trata de um
envelope que é posto externamente ao pneu.
2.1. O sistema automatizado
Descrevendo o processo, uma vez o pneu dentro da autoclave com o saco de ar e os
envelopes colocados, é dado o comando para o processo iniciar, a autoclave começa a
aquecer, e são liberadas as pressões no corpo e no saco de ar, há uma particularidade entre
estas pressões, que tem que haver um diferencial de 2 kgf/cm2 entre as pressões, para não
haver esmagamento da carcaça. Ou seja, a pressão no corpo de vulcanização gira em torno de
6 kgf/cm2, e a pressão no saco de ar em torno de 8 kgf/cm2, quando as pressões são acionadas
a tendência do saco de ar é de encher antesa que o corpo pois a quantidade de ar necessária é
menor que a do corpo, no caso das autoclaves existentes sem painel de controle automático,
isto é feito através de uma válvula mecânica diferencial, e não há controle independente da
entrada de ar do corpo e do saco de ar, ou seja quando as pressões são acionadas, a mesma
válvula libera as duas pressões.
A pressão no corpo tem um agravante, pois o como o tamanho da câmara é muito
grande, e geralmente é utilizada linha de ar compartilhada, quando a válvula é aberta a
pressão na linha cai até os limites do compressor. Usualmente se coloca um pulmão de
armazenamento, porém este pulmão na maioria das vezes tem volume menor que o da
autoclave. Uma vez que as pressões no corpo e no saco de ar estejam nos seus respectivos set-
Points, e a temperatura esteja subindo, quando é atingido um determinado valor de
temperatura, a pressão no envelope é liberada.
O objetivo do controle da pressão do envelope é manter a pressão sobre a banda mais
uniforme, resumindo, o pneu está com câmara de ar cheia com 8 kgf/cm2 de pressão, o corpo
está com pressão de 6 kgf/cm2 sobre o conjunto, e internamente ao envelope a pressão é de
6
4,0 kgf/cm2 ,então a banda recebe uma pressão total de 6,0 kgf/cm2 em relação a carcaça. Esta
temperatura de disparo da pressão do envelope pode variar de acordo com o fabricante de
banda, geralmente é por volta de 105º C, pois a partir de 80º C o processo de vulcanização já
se inicia, porém o tempo de vulcanização já passa a ser contado a partir do momento em que o
set-point de temperatura é atingido.
Figura 2.2 - Colocação do envelope no pneu a ser recapado (foto retirada do site www.retread.org)
Há um tempo mínimo em que o pneu precisa ficar sob estas condições para que haja
aderência da banda na carcaça, este tempo é chamado de tempo de vulcanização ou tempo de
processo. Este tempo passa a ser contado a partir do momento que as condições de pressão e
temperatura são satisfeitas.
Com relação à temperatura no caso das autoclaves convencionais, geralmente as
resistências são acionadas por contatores, que desligam quando a temperatura chega no set-
point, voltando a ligar quando a temperatura cai alguns graus.
Quando o tempo de processo termina, as pressões são liberadas, para que a autoclave
possa ser aberta, prevalecendo a mesma condição de carga das pressões no corpo e no saco de
ar, ou seja, do diferencial.
Uma vez as pressões estejam nos limites de segurança à autoclave já pode ser aberta e
os pneus já podem ser retirados, para se iniciar um novo processo.
7
2.2. Diagrama em blocos do sistema
Figura 2.3 - Diagrama em bloco do sistema
2.3. Automatização do processo
A automatização foi feita utilizando um CLP e um módulo de potência, que podem ser
programados sem a necessidade de grandes modificações nas autoclaves existentes no
mercado, bem como a vantagem de monitoração do processo através de um sistema
supervisório trabalhando junto ao CLP, fornecendo gráficos e dados da situação corrente do
Figura 2.3 - Esquemático do pneu na autoclave
8
processo. O CLP basicamente realiza o controle das pressões, da temperatura e do tempo
conforme descrito nos tópicos seguintes.
2.3.1. Controle das pressões
No caso das pressões, o problema do diferencial, entre o corpo e o saco de ar foi
solucionado, acionando as válvulas, via saída digital do CLP Acionando as válvulas por um
determinado tempo, como a fonte de ar é a mesma para as duas válvulas (do corpo e do saco
de ar), e o volume do corpo é bem maior do que o volume do saco de ar, a pressão no saco de
ar será bem maior, porém o software faz com que as válvulas sejam acionadas por um
determinado tempo, e depois são fechadas, então são lidas as pressões nos recipientes.
Através de cálculos matemáticos é verificada a proporção de tempo em que a válvula
do saco de ar tem que ficar aberta em relação ao tempo da válvula do corpo aberta. Durante
todo o processo de enchimento da máquina esta verificação é feita constantemente e o cálculo
é ajustado, pois como a máquina está aquecendo, ao mesmo tempo em que está enchendo de
ar, há variações neste cálculo. Quando as pressões chegam próximas de seus limites esta
modulação das válvulas é feita com mais freqüência para melhorar a precisão.
O problema da linha de fornecimento de ar ser comum para todos os equipamentos foi
solucionando abrindo e fechando a válvula de alimentação de pressão do corpo, sendo que
estes tempos de abertura e fechamento são dados em função do tamanho do recipiente de
armazenamento de ar e do consumo na linha. Quando a válvula está aberta, todo o ar da linha
tende a ir para o corpo, mantendo a pressão na linha, A pressão de produção de ar do
compressor, quando a válvula está fechada, sobe no recipiente de armazenamento, garantindo
que na próxima vez que a válvula for aberta, a pressão na linha se mantenha em valores
aceitáveis.
No caso da pressão no envelope, que é disparada quando as pressões e temperatura
atingem valores pré-determinados, por terem o invólucro muito pequeno, e possuir um redutor
na válvula de admissão, não influencia as outras pressões. O sistema de controle do valor da
pressão do envelope é feito de maneira mais simples, abrindo a válvula de admissão de
pressão e fechando quando a pressão atinge seu set-point.
Quando o enchimento da máquina é finalizado, as pressões passam a ser monitoradas
constantemente, e mantida em seus respectivos set-points, abrindo ou fechando as válvulas de
admissão e de alívio.
9
No caso da descarga, vale a regra do enchimento da máquina, ou seja, tem que ser
garantido o diferencial de pressão entre o corpo e o saco de ar.
2.3.2. Controle da temperatura
A temperatura é controlada através de um controlador P.I.D. do CLP O controlador
P.I.D. é acionado aquecendo e mantendo a temperatura constante durante o processo de
vulcanização. A vantagem da utilização de um controlador P.I.D. ao invés do tradicional on–
off, (comumente usado), é de obter a temperatura uniforme e sem muita variação.
O controle on-off, evidentemente, não consegue manter a variável em um set-point. O
comportamento da variável controlada equivale a uma oscilação próxima aos valores
equivalentes aos comandos on e off do controlador. A figura a seguir ilustra a resposta de um
sistema sob controle on-off, mostrando que a oscilação não é necessariamente senoidal. A
linha vermelha indica o valor desejado da variável controlada; observe que a média não
equivale necessariamente ao valor desejado.
Uma característica interessante do controle on-off é que o valor médio da variável
controlada muda conforme a perturbação externa. Este efeito é observado em sistemas de
condicionamento de ar: mantido o set-point, a temperatura média é mais alta em dias quentes.
O controlador P.I.D. (Proporcional Integral Derivativo), tem por característica manter
a saída, sem grandes variações, como mostra a figura abaixo:
Figura 2.4 - Gráfico do controle de temperatura sistema on-off
saída
x
10
Figura 2.5 - Gráfico característico da resposta de um controle PID
No controlador P.I.D. temos três parâmetros a serem ajustados: o ganho proporcional e
as constantes de integração e derivação, que têm influência direta sobre o comportamento do
controlador. No caso do nosso processo, por não ter a temperatura inicial predefinida, foi
adotado um valor médio para regulagem dos parâmetros do P.I.D. Estes parâmetros foram
regulados através de tentativa e erro de acordo com as regras abaixo:
• Ganho proporcional: Controla o tempo de resposta (dentro dos limites da fonte de
calor)
• Tempo integral: Diminui o erro de regime
• Tempo derivativo: Atua no sobre sinal (Mostrado na figura 2.6)
2.3.3. Aspectos de segurança
Na operação da autoclave, por se tratar de um processo que envolve pressões e
temperaturas elevadas, devem ser considerados os riscos do processo em relação à segurança.
Como os dispositivos de acionamento da autoclave são eletro-mecânicos ou eletrônicos
sujeitos a falhas, foi utilizada uma válvula de segurança mecânica, instalada no corpo da
autoclave que abre ao atingir um determinado limite de pressão (inferior a pressão de ruptura
do vaso de pressão), além dos sistemas de proteção do CLP, o sistema conta também com um
pressostato digital, que informará ao CLP se ocorrer alguma falha com o sensor de pressão do
corpo da autoclave.
saída
x
11
2.4. O Simulador
Para desenvolvimento e teste do software, e do sistema supervisório, foi construído um
modelo, que simula as condições de funcionamento do equipamento, baseado nos
componentes descritos a seguir.
2.4.1. CLP
O simulador utiliza um CLP, que é o mesmo que foi utilizado no painel de controle
comercial, onde foi instalado o software que controla todo o processo, e fornece dados para o
sistema supervisório.
O CLP utilizado é da marca HI Tecnologia, modelo ZAP900, com módulo de
expansão HXM500, com as seguintes características:
• Tensão de alimentação de 10 a 30 Vdc.
• 2 canais seriais RS232C, com conector DB9.
• Supervisão de hardware via Watch Dog Timer.
• 256 Kbytes de memória de programa tipo flash ROM.
• 128 Kbytes de memória de dados tipo RAM estática retentiva.
• Relógio em tempo real com calendário
• 8 canais de entrada digital opto-acoplada que podem operar de 10 a 30 Vdc (no
módulo principal), e mais 4 na expansão.
• 8 canais de saída digital opto-acoplada PNP a transistor que podem operar de 5
a 24 Vdc com corrente máxima individual de 350mA, (no módulo principal), e
mais 4 na expansão.
• 8 canais de entrada analógica, com resolução de 10 bits, sendo que as entradas
de 0 a 3 são de corrente 4 a 20ma e as entradas de 4 a 7 podem operar em
tensão de 0..10Vdc, ou em corrente 4 a 20mA.
• 1 canal de saída analógica, com resolução de 10 bits, operando de 4 a 20mA.
• Interface Homem-Máquina incorporada ao PLC com teclado numérico de 15
teclas, incluindo teclas de função e led´s programáveis.
• Display LCD alfanumérico de 2 linhas x 16 colunas com “backlight” azul.
• Software de programação em ambiente Windows.
12
Figura 2.6 - CLP ZAP900, HI Tecnologia.
Figura 2.8 - Diagramas esquemáticos do CLP e do módulo de expansão.
2.4.2. Dispositivos analógicos de entrada
Os dispositivos analógicos de entrada têm por objetivo ler os sinais de pressões,
temperaturas e correntes, e converter estes sinais para padrões que sejam entendidos pelo CLP
No caso do simulador, por não termos condições de adquirir estes sinais, serão gerados por
potenciômetros para as entradas de tensão utilizando o seguinte circuito:
13
Figura 2.9 - Circuito para simular entradas analógicas de tensão.
Um circuito integrado regulador de tensão, regula a tensão da fonte em 12Vdc, e a
tensão de saída variando de 0 a 10 Vdc é obtida por um divisor resistivo.
No caso das entradas de corrente foi utilizado o seguinte circuito:
Figura 2.10 - Circuito para simular entradas analógicas de corrente.
Neste circuito, a corrente varia de 4 a 20mA, controlada pelo potenciômetro.
A principal dificuldade de utilizar a simulação por potenciômetros é a precisão, e a
não linearidade da resposta do circuito. Porém, por se tratar de um simulador, não é muito
relevante.
2.4.2.1. Transdutor de temperatura
14
Para a medida da temperatura da autoclave, também chamado de temperatura do
corpo, e da temperatura de segurança, foram utilizados termopar tipo PT-100, com haste de
inox de 130 mm de comprimento e 6,3 mm de diâmetro, rosca ¼” BSP, com proteção de
alumínio e dispositivo condicionador de sinal de 4 a 20 mA calibrado para temperaturas
variando de 0 a 150º C, ligados nos canais analógicos 0 e 7 do CLP
Figura 2.11 - Transdutor de temperatura
2.4.2.2. Transdutores de pressão
A autoclave trabalha com três pressões diferentes: pressão na autoclave ou pressão no
corpo, pressão no saco de ar e pressão no envelope ou 3ª pressão. Estas pressões são lidas por
transdutores de pressão com escala de 0 a10 kgf/cm2 e saída de 4 a 20mA, com alimentação
de 24 VDC, da marca Zurich. Estes transdutores são ligados nos canais analógicos 1, 2, 3
respectivamente, do CLP.
Figura 2.12 - Transdutor de pressão
15
2.4.2.3. Transdutores de corrente
O painel possuí leitores de correntes do tipo toroidal em cada fase de alimentação
elétrica: (R, S e T), variando de 0 a 5 A, que são interligados a condicionadores de sinais, que
convertem os 0 a 5 A em a 4 a 20 mA, A função desses transdutores é monitorar a corrente de
alimentação do equipamento, e servem também para detectar interrupção de alguma
resistência. Estes equipamentos são ligados aos canais analógicos 4, 5 e 6 respectivamente, do
CLP.
Figura 2.13 - Transdutor de corrente
2.4.3. Outros dispositivos
Além dos dispositivos de interfaceamento, o painel conta com uma fonte de
alimentação chaveada de 24 VDC 30W, transformador de tensão isolador entrada 220 VCA,
e saída e 220 VCA potência de 500W (somente painel comercial), protetor contra surtos
varistorizado de 10 kA 220 V (somente o painel comercial), acopladores a relé 24 Vdc 1
contato NA para interfaceamento de algumas saídas do CLP e os dispositivos a serem
comandados externamente, como ventilador, válvulas, etc.: (somente no painel comercial). No
caso do painel do simulador, estas saídas são simuladas com LEDs. Há também dispositivos
de entrada de sinais digitais, como pressostato de segurança, contato de resposta de
funcionamento do ventilador, chave fim de curso de porta aberta, (que no caso do painel
simulador são substituídos por chaves do tipo alavanca).
Os dispositivos de acionamento e parada da autoclave e o botão de reset de falhas são
botões com um contato N.A. com furação de 22 mm. No simulador serão botões de pressão
tipo miniatura.
16
Figura 2.14 – Painel do simulador
1-
2-
3-
4-
5-
6-
7-
8-
3. PROGRAMA DE CONTROLE
O programa de controle foi desenvolvido adotando os seguintes sinais de monitoração
do processo:
• Pressostato de segurança, se a pressão no corpo ultrapassar a pressão máxima pré-
estabelecida este pressostato atua, fazendo com que todas as válvulas de alívio sejam
abertas, e o módulo de potência que controla o aquecimento seja desligado.
• Botões de liga e desliga que inicia e aborta o processo.
• Botão de reset de falhas
1
2
3
4
5
6
7
8
Controles de temperatura analógicos
Controles das pressões analógicos
Controle das correntes analógicos
Botões de pressão de início de processo, fim de processo e reset
Sinais digitais dos sensores, e contatos (entradas)
Sinais digitais de saída (Leds)
CLP
Saída analógica para o módulo de potência
17
• Sinal de retorno do contator de acionamento do ventilador que diz se o ventilador está
funcionando ou não.
• Chave fim de curso da porta que informa se a porta está aberta ou não
• Temperatura do corpo, medida através de um termopar PT100, regulado de 0 a 150º C
com conversão de sinal para 4 a 20 mA
• Temperatura de segurança medida através de um termopar PT100 regulado de 0 a 150º
C com conversão de sinal para 4 a 20 mA
• Sinais de pressão do corpo, saco de ar e envelope.
• Sinais de corrente nas fases R, S e T de alimentação elétrica.
Processando os sinais de entrada o CLP liga ou desliga as saídas descritas abaixo de
acordo com o processo pré-programado:
• Válvulas solenóides de admissão de ar no corpo, saco de ar e envelope.
• Válvulas de descarga do corpo, saco de ar e envelope.
• Ventilador
• Bloqueio do(s) módulo(s) de potência de acionamento das resistências elétricas de
aquecimento, ou seja, quando esta saída é acionada, os módulos de potência param de
funcionar independente do controle P.I.D.
• Sinaleiros de processo iniciado, advertência e falha.
• Controle do(s) módulo(s) de potência através da saída analógica de 4..20mA.
• Alarme sonoro.
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Início
IHM, botões
Proc. iniciado
Não
Sim Pressões e temperatura
normais
Lê pressões e
temperatura
Mostra no display
Sim
Não
Mostra alarmes, visual e sonoro
A falha é crítica
Processa as falhas críticas
Sim
A
Alarme sonoro
resetado
Não
Desliga alarme sonoro e processa
as falhas
Sim
1
B
Não
19
3.1. Descrição do processo
Basicamente ao se acionar o botão de início de processo, o CLP verifica se a porta está
aberta através da chave fim de curso, ou seja, se a porta estiver aberta o processo não é
iniciado informando na IHM (interface homem máquina), e no supervisório a falha ocorrida.
No supervisório, além da falha ser informada, ela é armazenada em um banco de dados com a
data e hora da ocorrência. As condições para que o processo seja iniciado além da porta estar
fechada, é que a temperatura e pressão no corpo estejam abaixo de um limite de segurança.
Qualquer situação de falha é reportada na IHM, e no supervisório, acionado o alarme sonoro e
visual. Quando não se trata de falhas críticas, como pressão muito elevada (pressostato de
segurança acionado), ventilador com problemas e porta aberta, são falhas que tem que ser
corrigidas para que o processo possa continuar normalmente, as demais falhas podem ser
resetadas, ou seja, o alarme sonoro pode ser desligado, porém não o alarme visual, mostrando
assim que a máquina está em falha controlada.
Na instalação do painel automático, a válvula diferencial mecânica da máquina é retirada,
sendo que o controle do diferencial de pressão entre o corpo e o saco de ar passa a ser
controlado pelo CLP
O sistema de controle trabalha em duas partes, processamento e supervisão, sendo que a
parte de supervisão tem prioridade sobre o processamento normal, ou seja, se os cálculos
Alarme sonoro não
resetado
Processa as falhas
Sim A
Não
Executa o processo
B
1
Figura 3.1 - Fluxograma do sistema de controle
20
internos do CLP mandar uma válvula abrir é checado se não há nenhuma condição que
impeça esta abertura.
A outra modificação que foi feita na máquina, é que a válvula de alívio da pressão no
saco de ar em vez de aliviar para o ambiente passa a aliviar para dentro do corpo,
proporcionando assim a garantia de que na descarga, nunca a pressão no saco de ar seja
inferior a pressão do corpo, evitando assim o esmagamento. Também economiza energia, pois
se jogarmos o ar quente de volta no corpo da máquina não precisamos gastar energia para
aquecê-lo novamente. No mais a máquina não é modificada em nada a não ser a substituição
do painel antigo por um painel novo com o CLP
A grande vantagem da utilização do CLP é a possibilidade de monitoração do processo.
Foi desenvolvida uma ferramenta específica para traçar os gráficos de pressão e temperatura,
bem como o status de funcionamento da máquina que ajudou na regulagem dos parâmetros da
máquina, já que todo o software foi desenvolvido de forma parametrizável.
3.2. Software do CLP
A filosofia de desenvolvimento do software baseia-se na segurança e na funcionalidade,
limitando as ações dos operadores a ações de risco. Inicialmente, quando o CLP é energizado,
todas as variáveis de processo são carregadas, da memória flash. Nessas variáveis são
armazenados os dados de processo, como os set-points de temperatura e pressões, método de
aquecimento, tempo máximo de abertura das válvulas, tempo de processo e demais variáveis
para que o processo funcione, Estás variáveis podem ser mudadas a qualquer tempo pelo
supervisor do sistema através do sistema supervisório, para adequação do processo ao tipo de
produto.
O motivo desta carga inicial de variáveis na energização é para minimizar os efeitos, do
ambiente sobre o CLP, pois para o funcionamento do processo, as variáveis são armazenadas
em memórias retentivas do tipo NVRAM, sujeitas a modificações involuntárias, devido a
descargas atmosféricas, falha de bateria do sistema e ruídos na alimentação do sistema.
Todas as vezes que se efetua a modificação de uma variável, tem que ser feita a gravação
na memória flash do sistema para que esteja sempre atualizada.
Os dados dos transdutores de pressão e temperatura são lidos constantemente, a cada
300ms, para garantir que as decisões tomadas no processo, sejam as mais próximas da
realidade.
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Ao pressionar, o botão de início de processo, é verificado o estado da máquina, para
avaliar se há condições de funcionamento. É verificado se a porta está fechada, se o disjuntor
de alimentação do ventilador está ligado, se há alimentação nas saídas do CLP, se o processo
já não foi iniciado anteriormente, e se não há pressões excessivas para início do processo.
Uma vez que todas estas condições forem satisfeitas, o processo é iniciado, colocando a
autoclave em estado de carga, ligando o sistema de aquecimento, o ventilador e as pressões do
corpo e do saco de ar.
Durante a etapa de aquecimento, são verificados continuamente, o funcionamento do
ventilador, as correntes nas três fases de alimentação, o aumento das pressões, o diferencial de
pressão entre o corpo e o saco de ar, e o tempo de aquecimento. Através de históricos de
processos anteriores são informados através das variáveis, o tempo máximo para aquecimento
e o tempo máximo para carga de ar na máquina.
Se durante este processo ocorrer alguma falha, a mesma é mostrada de forma visual (na
tela da IHM e sistema supervisório) e sonora, e não aborta o processo, com exceção da falha
de pressão crítica, onde o pressostato de segurança é acionado. Nessa situação o processo é
abortado e todas as válvulas de descarga da máquina são abertas e o módulo de potência
responsável pelo aquecimento é bloqueado. O alarme sonoro pode ser desligado a qualquer
tempo, porém o alarme visual só pode ser desligado, quando a falha for solucionada.
Sempre que ocorrer uma falha, o “causador“ é interrompido. Por exemplo, se as pressões
estão elevadas, as válvulas de entrada de ar são bloqueadas, e as de saída liberadas, até a
normalização do sistema. Porém geralmente as falhas ocorrem por mau funcionamento de
equipamentos, como válvulas entupidas, ou danificadas, falta de ar na linha, etc. O software
procura manter, as condições o mais próximo da ideal, até que seja reparado o defeito.
Por volta de 3,0 kgf de pressão no corpo, a autoclave efetua um teste de vazamento, que
consiste no fechamento da válvula de descarga do envelope, e desligamento da bomba de
vácuo. Se após um determinado tempo, da válvula fechada, houver pressão no envelope, o
sistema reporta falha, e continua o processo normalmente, fechando a válvula de descarga no
envelope e religando a bomba de vácuo, que permanece ligada até o disparo da pressão no
envelope.
Na etapa de aquecimento, quando as pressões no corpo e no saco de ar tiverem atingidos
seus respectivos set-points, e a temperatura atingir um valor pré-determinado, por volta de
105º C, é liberada a pressão no envelope. Uma vez que as pressões e temperatura atingiram
seus respectivos set-points, o processo entra em estado de vulcanização.
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Para efeito de monitoramento de qualidade de processo, existe um contador de número de
processos, que é ativado quando a temperatura atingir 80º C, pois até esta temperatura, o
processo pode ser abortado manualmente para correção de falhas internas ao equipamento,
como montagem de pneus com problemas, ou furos em mangueiras. Acima desta temperatura,
o processo não deve ser mais abortado, pois as reações químicas de vulcanização começam a
ocorrer.
Geralmente os responsáveis por estas falhas são os montadores de pneus, que para não
sofrerem sansões por falhas na vulcanização, muitas vezes abortam o processo acima da
temperatura, colocando em risco a qualidade de toda a carga, ao invés de perder só um pneu.
Como o número de processos é registrado, o supervisor tem conhecimento do número de
vezes que foram efetuados processos, para detectar este tipo de problema.
Na etapa de vulcanização, passa a se contar tempo de vulcanização, que é pré
determinado, mantendo as pressões e temperaturas nos seus set-points. Como o ar que vem de
fora está mais frio que o ar no interior da autoclave, toda vez que as válvulas de admissão de
ar são liberadas, ocorre uma expansão deste ar, causando desvios, ao redor dos set-points,
necessitando que a abertura e fechamento das válvulas de admissão e de descarga sejam
controladas por um sistema de modulação PWM.
Quando o tempo de vulcanização é atingido, é iniciada a etapa de descarga, onde as
resistências são desligadas, e as pressões são descarregadas, atentando pelo fato de manter um
diferencial de pressão pré determinado entre a pressão do corpo e do saco de ar, para evitar o
esmagamento do pneu.
Quando as pressões estiverem totalmente descarregadas, a autoclave entra em estado
desligado.
Apesar da autoclave estar desligada, por estar com a porta fechada, e a temperatura em seu
interior ser elevada, a expansão do ar no interior, eleva a pressão, e oferece risco para a
abertura da porta. Para minimizar este problema, o botão de fim de processo, quando
pressionado, abre as válvulas de descarga, podendo assim ter controle manual destas pressões
residuais.
Outro controle implementado, é o de um contador de tempo que se inicia junto com o
processo, que tem por finalidade disparar o alarme sonoro em intervalos regulares, para
chamar a atenção do operador, para que o mesmo observe as condições do processo.
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O software foi desenvolvido para minimizar as interferências do operador em relação ao
processo tornando-o mais automático possível, procurando garantir a segurança, a
produtividade e principalmente a qualidade.
3.3. Sistema supervisório
Completando o desenvolvimento do software do CLP, foi desenvolvido um sistema
supervisório, com o objetivo de monitoração do sistema para efeito de manutenção e controle.
O sistema foi basicamente desenvolvido em linguagem “DELPHI 7”, com rotinas
desenvolvidas em linguagem “C”, que rodam em sistema operacional Windows XP, Vista ou
“7” em 32 bits, e faz a comunicação com o CLP através de porta de comunicação serial
RS232C.
Basicamente, o sistema faz uma varredura de determinadas variáveis do CLP, mostrando
de forma organizada, e compressível visivelmente, na tela do computador essas informações.
A comunicação do computador com o CLP é feita através da chamada de uma DLL
(Biblioteca de ligação dinâmica), pelo software supervisório, fazendo com que a porta serial
leia ou escreva em determinadas variáveis do CLP. Esta DLL, que é fornecida pelo fabricante
do CLP disponibiliza diversos controles sobre a comunicação, como estabelecimento e
monitoramento da conexão, confirmação de leitura e escrita das variáveis, tornando assim a
conexão confiável e segura.
3.3.1. Telas do sistema
A primeira tela do sistema é a de abertura, que contém quatro opções que podem ser
selecionadas. A primeira opção , iniciar comunicação, conecta o sistema supervisório com o
CLP, rodando as rotinas de inicialização e abertura da porta de comunicação.
A segunda opção, visualizar gráficos, permite visualizar gráficos armazenados de
processos anteriores, sem a necessidade de iniciar a comunicação com o CLP.
A terceira opção sobre, informa os dados referentes ao sistema, como versão, autor,
etc.:,
A ultima opção sair, é para fechar a tela.
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Figura 3.2 - Tela inicial do sistema supervisório
Na segunda tela do sistema supervisório, também chamada de tela de mostradores,
temos uma figura animada do lado direito na parte superior da tela, que mostra o estado das
válvulas de admissão e de descarga, dos três invólucros: corpo (autoclave), saco de ar (câmera
de ar) e envelope, o estado do ventilador, e se o sistema de vácuo no envelope está ligado ou
não, facilitando o diagnóstico do fluxo de ar na autoclave.
Figura 3.3 - Tela de estado das válvulas
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Na parte inferior da tela estão os mostradores analógicos, que indicam: a temperatura
da autoclave, a temperatura de segurança, as pressões no corpo, saco de ar e envelope, com
seus respectivos set-points, e o consumo estimado de energia elétrica, proporcionando a
visualização fácil das condições do equipamento.
Figura 3.4 - Tela das entradas analógicas
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Na segunda tela ainda estão disponíveis, as ocorrências de falhas durante o processo, o
horário de início e de final de processo, o tempo restante para concluir a vulcanização e a
etapa do processo.
Figura 3.5 - Tela de mostradores
Além desta tela existe outra sub-tela, que disponibiliza as informações de pressão e
temperatura, em um gráfico em função do tempo, sendo uma ferramenta importante para
análise do processo, pois como a duração do processo é longa, pode se ver o valor destas
variáveis em qualquer fase do processo. Uma vez concluído o processo, este gráfico é
armazenado em uma pasta com o nome do mês corrente, para possível consulta futura através
da ferramenta visualizadora de gráficos.
Está sub-tela é baseada em um “trend” de quatro variáveis, que podem ser vistas
individualmente ou em conjunto, com propriedades de deslocamento e zoom para facilitar a
análise, As variáveis no gráfico apresentam cores diferentes, e podem ser selecionados os
intervalos de aquisição na tela de setup do sistema.
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Figura 3.6 - Tela de gráfico de temperatura e pressões x tempo
Na tela de mostradores há uma aba, chamada ferramentas, onde é possível, selecionar
a ferramenta de visualização de gráficos, a tela de setup do sistema, ou um banco de dados
dos últimos erros ocorridos. No caso da guia de setup, é possível ajustar o tempo de aquisição
das variáveis do gráfico e também alterar as variáveis do CLP. Como este sistema foi
desenvolvido visando à flexibilidade, é possível alterar os valores dos set-points, os tempos de
abertura das válvulas, os offsets, etc. Lendo diretamente de um banco de dados de receitas, ou
alterando diretamente na tela os valores destes parâmetros, no CLP, sem a necessidade de
interromper o processo, porém estas alterações só podem ser feitas, por pessoal autorizado.
Para isso foi implementado uma senha de acesso. Por segurança, há um comando que copia
todos os valores das variáveis retentivas para uma memória flash interna ao CLP, que é lida
todas as vezes que o CLP é ligado, minimizando o problema de alteração involuntária de
alguma memória retentiva, causando falhas no processo.
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Figura 3.7 - Tela de ajustes de variáveis
Se observarmos a tela da figura 3.7, veremos que há uma barra de botões, que
possibilita a leitura do valor atual das memórias retentivas do CLP e a gravação dos novos
valores. Há também dois outros botões que lê e grava defaults, que gravam uma cópia dos
valores das memórias no computador em arquivo texto, possibilitando, que em algum
problema onde seja necessário a substituição do CLP, os valores das memórias retentivas
possam ser restabelecidos de maneira fácil, diminuindo o tempo de máquina parada.
Como citado anteriormente, há uma tela para visualização de gráficos de processos já
executados. Os gráficos são armazenados em formato específico, com o nome sendo a data e
hora do início do processo, em pastas com o nome do mês em que foi executado, facilitando a
busca. Estes gráficos dispõem dos valores das pressões e temperatura no decorrer do tempo de
duração do processo, em formato de “trend”, e também dados como horário de início de
processo, final de processo, duração de processo e tempo de vulcanização.
A importância de armazenar estes gráficos, para consulta, tem relação direta com o
histórico do processo, já que uma boa vulcanização é fundamental, na qualidade do pneu
ressolado. Se por algum motivo houver algum problema com um pneu, com uma analise do
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gráfico do processo onde este pneu foi vulcanizado, pode se avaliar se o problema foi na etapa
de vulcanização ou em outra etapa do processo.
Figura 3.8 - Visualizador de gráficos de processos concluídos
O sistema também disponibiliza informações sobre as falhas ocorridas durante o
processo armazenando em um banco de dados, o tipo a data e a hora da ocorrência, facilitando
o diagnóstico em uma eventual falha do sistema.
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Figura 3.9-Arquivo de log de falhas
3.4. Comunicação via WEB
Como o sistema supervisório roda em um computador com sistema operacional Windows,
é possível intervir no supervisório, desde que este computador esteja conectado na Internet,
através de um software de desktop remoto. Como um dos principais fatores que modificaram
o desenvolvimento do sistema foi facilitar a manutenção, a possibilidade de acesso ao sistema
remotamente, é indispensável.
A ferramenta de acesso remoto utilizada foi o VNC personal edition, versão freeware da
empresa Realvnc Inc.. Os motivos desta escolha foram a facilidade de manuseio, o fato de ser
freeware e o principal, é que o software permite que seja operado em modo “Listen”.
Modo “listen” é um modo de operação onde em um computador que esteja conectado à
Internet, e permita conexões entrantes, ou seja, permita que algumas portas pré- configuradas
sejam acessadas externamente, rodem o VNC viewer, aguardando que a outra máquina (que
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esteja rodando o sistema supervisório) se conecte através da porta pré-determinada, utilizando
o protocolo IP.
O VNC conta com uma sessão de segurança integrada, que garante proteção contra
conexões intrusas, ataques de “meio do caminho”, entre outros, pois utiliza chaves de 2048
bits para verificar identidade, aceita nomes de usuários e senhas de até 256 caracteres, e
possui criptografia de 128 bits. A segurança, é um ponto muito importante a ser levado em
consideração pois a operação indevida, pode levar a falhas graves no processo.
O modo “listen” é muito importante, pois a maioria das empresas utilizam políticas de
segurança em suas redes de computadores, não permitindo conexões entrantes, melhorando
ainda mais as características de segurança do VNC. Para efetuar uma conexão com o
computador remoto, basta adicionar o endereço da estação “listen” na guia “add new client”
do VNC Server que está rodando no computador onde está instalado o sistema supervisório,
como mostrado na figura 3.9.
Figura 3.9 - Guia add new client VNC server
Este procedimento garante que somente seja conectada uma estação remota se o
operador desejar, não permitindo a intervenção indesejada no sistema.
Uma vez conectado, o computador remoto passa a ter acesso, ao computador onde está
rodando o sistema supervisório, tendo a liberdade para visualizar, o estado da máquina
corrente, e fazer ajustes nas variáveis de processo se necessário.
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4. CONSIDERAÇÕES FINAIS
4.1. Conclusão
Após a etapa de testes ficou constatado o perfeito funcionamento do sistema, tanto
local, quanto através da web, atendendo a todas as expectativas, sendo que os resultados dos
testes mostraram a eficácia do sistema. No controle das pressões o sistema solucionou os
problemas de estabilidade das pressões em função da variação de temperatura durante o
processo, mantendo as pressões estáveis nos seus respectivos set-points, sacrificando menos a
linha de fornecimento de ar.
No controle de temperatura houve uma grande melhora na estabilização da
temperatura no seu valor de set-point, bem como redução no consumo de energia da máquina,
pois com a estabilização da temperatura o tempo de ciclo pode ser reduzido, de acordo com o
fornecedor de banda. A automatização trouxe outras melhorias como a redução do número de
falhas de processo, e o tempo de assistência do equipamento por um operador permitiu
também mostrar os resultados do processo em um sistema supervisório, facilitando o
diagnóstico e evitando muitas vezes o deslocamento de um técnico até o equipamento,
reduzindo custos e aumentando a qualidade do processo.
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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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[2]http://www.retread.org - acesso em 21/04/10
[3]http://www.mecatronicaatual.com.br/secoes/leitura/273 - acesso em 12/06/10
[4]http://www.zurichpt.com.br/?pagina=produtos2.php&categoria_id=21&categoria_nome=Transmissores%20de%20Press%E3o - acesso em 18/06/10
[5] http://www.contemp.com.br/produtos/controladores-de-potencia-tiristorizados-cargas-resistivas/ - acesso em 18/06/10
[6]http://www.hitecnologia.com.br - acesso em 20/06/10
[7]http://www.hitecnologia.com.br/download/pns0001200.pdf – acesso em 12/07/10
[8]http://www.realvnc.com - acesso em 07/08/10
[9] OLIVEIRA, Carlos Antonio José, Sistema comercial integrado com Delphi 7 – Cadastro e
estoque. São Paulo: Érica, 2003, edição 1, 566p.
[10] Cantú, Marco, Dominando o Delphi 6 – A bíblia, tradução João Eduardo Nóbrega Tortello,
revisão técnica: Álvaro Antunes -- São Paulo: MAKRON Books, 2002, 934p. Titulo original:
Mastering Delphi 6.