4|11 Infomarketing - Controlo inteligente do motorO UMC100 é um exemplo excelente de controlador flexível, modular e expansível de motor.

Low Voltage Products

Peter O. Müller, Abhisek Ukil, Andrea Andenna – Nas grandes instalações industriais existem milhares de motores que proporcionam o movimento necessário. Qualquer paragem imprevista ou repentina de um motor pode provocar falhas graves na sequência dos proces-sos. Assim, a protecção e a gestão fiável dos motores são as bases para garantir uma sequência controlada da produção.

Alguns alimentadores actuais de motores são instalados por módulos, utilizando, por exemplo, protecção térmica para o motor baseada num relé bimetálico. Nestes sistemas, implementar funções de protecção e controlo é complexo e difícil; as funções de controlo e bloqueio do motor devem ser programadas no controlador de proces-sos e os sinais de controlo e realimentação são intermu-táveis através de módulos de entrada e saída que devem ser desenhados e cablados.

Outras funções de protecção, como a supervisão da temperatura no enrolamento do motor mediante um termistor, exigem mais dispositivos e cabos.

Estas e muitas outras funções integram-se agora numa única unidade: o controlador universal inteligente de motores UMC100. Conhecido como “módulo de gestão inteligente do motor”, o UMC100 realiza funções de controlo e protecção do motor e de comunicação entre o fieldbus e o sistema de controlo e diagnóstico.

Em comparação com os alimentadores convencionais do motor, os controladores oferecem muitas vantagens ao longo de todo o ciclo de vida de uma instalação industrial.

2 Controlo inteligente do motor | Low Voltage Products

As mudanças nos mercados mundiais são as razões pelas quais muitas empresas são obrigadas a reduzir custos de funcionamento e de produção, assim como a aumentar a produção e a qualidade. A eficiência energética é outro factor cuja melhoria interessa em particular aos fabricantes. De facto, existe agora uma procura cada vez maior de soluções mais modulares, flexíveis e integradas.

Isto, por sua vez, faz com que muitos fornecedores exami-nem as suas carteiras de produtos e procurem formas de melhorar as suas ofertas para responder a essa procura. As soluções integradas estão-se a converter rapidamente em algo habitual, em parte porque os avanços tecnológicos facilitam a integração e também porque este tipo de soluções funciona com maior eficácia como conjunto que como soma dos elementos que o compõe.

Além disso, as tendências futuras indicam que a integração é um factor capaz de favorecer ou destruir uma empresa. Há algum tempo que a ABB se encontra focalizada no último desenvolvimento das suas carteiras de produtos em resposta à tendência para a integração perfeita de dispositivos e, o êxito deste esforço pode ver-se num dispositivo: o controlador inteligente de motores UMC100.

O UMC100 Este controlador universal de motores (UMC), também denominado “módulo de gestão inteligente do motor”, foi desenhado para motores de indução de CA trifásica e combina as funções de protecção e de gestão do motor num único dispositivo, assim como a comunicação do fieldbus e o diagnóstico.

O UMC100 funciona com total independência e garante a protecção do motor a todo o momento, mesmo que falhe o controlo ou o sistema de fieldbus. A elevada precisão do sistema de medição electrónica permite a utilização mais optimizada dos motores e garante um comportamento constante de disparo.

Os parâmetros podem ser configurados como apropriado para arquivos standard de descrição de dispositivos (por exemplo, GSD/EDES), do painel de controlo ou do adminis-trador de tipos de dispositivos (DTM). O DTM permite o agrupamento de parâmetros associados e a visualização gráfica do funcionamento dos parâmetros, assim como a leitura de todos os dados das medições mediante uma ligação em linha com o dispositivo. O painel de diálogo do DTM para a configuração dos parâmetros de protecção a partir da medição da corrente do motor é apresentado em - 1.

Modelos de motor

Todo controlador inteligente de motor necessita de um modelo algorítmico do motor. O modelo estima a temperatura do motor ao longo do tempo e gera um sinal de disparo para parar o motor quando se supera um determinado limite. A selecção do modelo do motor é um passo essencial no desenho do controlador de um motor, já que afecta o comportamento da função principal do dispositivo. Esta opção de desenho exige uma solução de compro-misso básica: por um lado, o modelo deve ser o mais simples possível. Um modelo de motor complexo não “entra” na plataforma electrónica do controlador do motor e pode incluir demasiados parâmetros, o que pode dificultar a sua identificação e determinação pelo cliente. Por outo lado, a temperatura do motor deve ser estimada com precisão para o proteger eficazmente.

Os requisitos mínimos para os modelos de motor podem ser obtidos da norma IEC 60947-4-1 [3], que define os tempos mínimos e máximo de disparo para diferentes tamanhos de motor (classes de disparo) e valores da corrente no motor. Por exemplo, a norma indica que um relé de sobrecarga ou um controlador de motor que proteja um motor de classe de disparo 20 deve demorar a parar o motor entre 6 e 20 segundos quando a corrente for 7,2 vezes o valor nominal.

O cumprimento desta norma é uma exigência mínima para um controlador inteligente de motor. Um modelo muito simplificado de motor pode não captar a dinâmica da temperatura do motor com a precisão suficiente e no pior dos casos, pode não chegar a disparar quando a temperatura real do motor for excessiva. Por exemplo, a temperatura no enrolamento do motor vê-se afectada directamente pela corrente do estator devido ao efeito Joule e de forma indirecta pela condução térmica com outros componentes do motor. Um modelo de motor fiável (modelo A) deve considerar ambos os efeitos; uma mais simples (modelo B) pode considerar

apenas o primeiro efeito, que é o predominante. O gráfico junto apresenta o comportamento destes dois modelos, que demonstram um motor funcionando em condição de sobrecarga durante algum tempo antes de se desligar e volta a carregar-se em condição nominal. Comportamento térmico para os dois modelos (curva azul para o modelo A, curva vermelha para o modelo B) durante a fase final (carga em condição nominal). Neste caso, o efeito de condução térmica não é insignificante, já que o motor estava sobrecarregado pouco antes, e a temperatura no enrolamento pode aumentar temporariamente até um valor superior ao nominal, como apresenta a saída do modelo A. Por isso, um modelo mais completo como o A proporcionaria neste caso uma melhor protecção do motor.

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Este controlador universal de motores (UMC), desenhado para motores de indução de CA trifásicos, combina as funções de protecção e gestão do motor num único dispositivo

Todas as funções de controlo de que mais se necessita na prática já estão integradas no UMC100 e podem ser configu-radas com apenas alguns parâmetros. Tais funções permitem a adaptação flexível das diferentes necessidades dos clientes e um intervalo de ajuste amplo. Isto reduz consideravelmente o esforço de engenharia no sistema de controlo, uma vez que toda a função de controlo é executada no controlador do motor. As funções de controlo específicas de uma aplicação podem ser implementadas usando a lógica programável sem restrições. Se está previsto reutilizar os módulos existentes de gestão do motor no sistema de controlo distribuído (DCS), a posição dos sinais de controlo e supervisão também podem ser adaptadas à nova situação. Isto é especialmente útil na remodelação de instalações industriais antigas.

Aplica-se em quatro pontos de controlo diferentes (fieldbus, “no motor”, porta do armário, computador portátil de serviço) - 2. Para cada ponto, o controlo do motor pode ser activado ou desactivado em função do modo (automático ou local). O dispositivo básico está equipado com seis entradas digitais, três saídas a relé e uma saída de comutação de 24 V. Para aplicações mais complexas com um grande número de entradas e saída ou com sinais especiais, estão disponíveis módulos de expansão.

Os controladores de motores devem estar integrados num DCS. Para uso à escala mundial, devem ser admitidos diferentes fieldbus. Embora o UMC100 seja compatível com as normas Profibus DP, DeviceNet, Modbus e CANopen, também se garante a sua total funcionalidade independente, sem fieldbus.

O UMC100 abrange toda a gama de intensidade desde 0,24 A até 850 A. Apenas as intensidades superiores a 63 A necessitam de um transformador externo adicional, que actua mas como um transformador prévio. Disponíveis com intensi-dades nominais pequenas, os cabos do motor devem ser dirigidos através dos transformadores de corrente apenas uma vez. Os planificadores não têm que seleccionar diferen-tes tipos de dispositivos em função da intensidade nominal

do motor. Não ocorreram problemas devido a sobreposições adversas dos intervalos de medição da intensidade.Em geral, o número de características típicas que deve aplicar o planificador pode ser reduzido, o que facilita o planeamento, o inventário e a prestação de serviço.

DiagnósticoA falha de um motor pode provocar a interrupção do processo, o que, por sua vez se repercute consideravel-mente nos custos totais de exploração e manutenção. É muito habitual que a informação de diagnóstico apenas seja utilizada uma vez produzida a falha para determinar a causa. Por isso, o diagnóstico claro e integral dos motores de indução no seu ambiente de processo é de uma importância fundamental para evitar avarias e permitir a sua rectificação rápida, quando ocorrem as falhas.

Nos motores de indução são produzidas vários tipos de avarias, cuja origem pode ser externa ou interna, por diversas razões de índole eléctrica e mecânica - 3. Neste sector utiliza-se actualmente o diagnóstico de avarias de motores de indução (em especial, problemas relacionados com fontes internas) através da análise espectral da corrente do motor (MCSA) [2, 3]. No entanto, por razões económicas, o diagnóstico baseado no MCSA aplica-se sobretudo, por exemplo, a motores grandes e sistemas de diagnóstico avançados de motores/accionamentos, que são mais complexos e dispendiosos. Outros problemas como as falhas das chumaceiras são também de grande importância.

1 Configuração dos parâmetros de protecção com o DTM UMC100 2 Editor para funções de controlo personalizadas

3 Origem das avarias

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O UMC100 representa um avanço enorme para uma estratégia de ma-nutenção preditiva, que até há pouco tempo estava associada com medidas especiais muito dispendiosas.

No entanto, os problemas das chumaceiras podem não afectar directamente o circuito eléctrico do motor de indução de forma evidente e, por isso, são difíceis de detectar utilizando o MCSA. Por este motivo, podem ser mais eficazes outros tipos de diagnósticos como, por exemplo, a análise de vibrações.

Em vez de configurar diferentes sistemas de diagnóstico para garantir que são abrangidos todos os ângulos possíveis de avarias do motor, a solução ideal seria dispor de um controlador do motor com um custo comparativamente baixo que disponibilizasse funções standard de protecção e diagnóstico, assim como funções de diagnóstico do motor em linha.

O controlador UMC100 responde a estas características e oferece opções completas de teste e análise, como por exemplo: medição contínua das horas de funcionamento do motor, contagem de arranques do motor e disparos por sobrecarga, registo dos dados de diagnóstico, determinação do tempo de arranque do motor e da corrente máxima de arranque, etc. Todos os dados são acessíveis através do fieldbus e podem ser utilizados para o planeamento das operações de manutenção. Por exemplo, um aumento do tempo de arranque pode reflectir um comportamento lento da carga conectada. Além disso, a informação procedente do modelo do motor pode ajudar o operador da fábrica no funcionamento desta. Por exemplo, se a carga térmica indicada de um motor supera um limite predefinido, o opera-dor da fábrica pode reduzir a quantidade de material que se introduz num agitador para evitar um disparo.

As opções de diagnóstico avançadas encontram-se entre as principais vantagens dos controladores inteligentes de motores. Pode aceder-se às funções de diagnóstico do UMC100 desde o painel de controlo LCD, a partir de um comutador portátil de serviço através do fieldbus. Em caso de avaria do motor, um diagnóstico rápido e completo é de particular importância. A prática tem demonstrado que embora os portáteis possam estar disponíveis, nem sempre estão preparados para serem usados de imediato.Para isso, o UMC100 dispõe de um painel de controlo LCD multilingue totalmente gráfico colocado na porta do armário, que apresenta todos os dados de estados e os parâmetros de um forma fácil de compreender - 5. As mensagens de erro são apresentadas em texto claro, sendo possível definir textos de mensagens específicos da fábrica para as entradas de avarias configuráveis como necessário. Por isso, não é necessário nenhum portátil para detectar as avarias.

A manutenção preventiva é rentávelEm combinação com os sistemas de controlo da ABB, o UMC100 Asset Monitor ajuda a identificar rapidamente se uma avaria está no próprio dispositivo, na instalação eléctrica

exterior ou no processo conectado. Para isso, o Asset Monitor reúne todos os dados de diagnóstico que propor-ciona o UMC100 em intervalos configuráveis e atribui os mesmos às seguintes categorias, em conformidade com a recomendação NE107 da NAMUR:− Falha: o motor não está disponível devido a uma anomalia funcional no dispositivo de campo ou na sua periferia (por exemplo, disparo térmico).− Comprovação do funcionamento: o sinal de saída não é válido temporariamente devido ao trabalho que se realiza no alimentador do motor (por exemplo, posição de teste durante a colocação em serviço).− Fora de especificações: o alimentador do motor ainda está disponível, mas fora dos limites especificados (por exemplo, a corrente do motor está acima/abaixo do valor limite preestabelecido).− Necessidade de manutenção: o alimentador ainda está disponível, mas indica que é necessário realizar de imediato a manutenção (por exemplo, ruptura do cabo do PTC).

Estas mensagens ajudam o operador da instalação a adoptar as medidas adequadas sem grandes detalhes do dispositivo.

O pessoal da manutenção, por outro lado, pode ver facilmente todos os detalhes disponíveis no visor LCD do dispositivo ou o DTM através do fieldbus e, por exemplo, remeter instruções para que sejam tomadas medidas especí-ficas em relação ao dispositivo e com a instalação. As funções descritas de supervisão e geração de relatórios sobre o estado podem ser utilizadas para recolher, combinar, analisar e comparar informação com os dados históricos para ver, por exemplo, como variou o tempo de arranque do motor. Além disso, as advertências de desgaste incipiente dos dispositivos e componentes e sua possível avaria podem identificar-se com maior facilidade e apresentar-se ao pessoal de manutenção de forma compreensível. Isto permite um melhor planeamento das operações de manutenção e reduz ao mínimo os tempos de imobilização. Todos os dados relacionados com a manutenção são totalmente acessíveis através do fieldbus, ou seja, a informação está também disponível para as ferramentas de gestão de manutenção já existentes, se necessário.

4 O painel de controlo permite apresentar todos os dados in situ.

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Como todas as funções de protecção, supervisão e controlo estão integradas num único dispositivo, o tempo e o esforço necessários para a cablagem reduzem consideravelmente.

Em geral, o UMC100 representa um avanço enorme para uma estratégia de manutenção preditiva, que até há pouco tempo estava associada com medidas especiais muito dispendiosas e que hoje em dia se converteu numa solução economica-mente viável para muitas aplicações.

Integração simples nos espaços mais reduzidosGraças ao seu desenho compacto e ao seu sistema de medição integrado, os controladores de motores adaptam-se inclusivamente aos espaços mais reduzidos. Isto representa uma enorme vantagem, especialmente em aplicações que utilizam aparelhagem de baixa tensão extraível com um espaço limitado ou na renovação dos sistemas existentes para alojar um sistema moderno de gestão de motores - 5. Nestas aplicações, uma integração directa do nodo do fieldbus no controlador do motor seria um inconveni-ente, uma vez que seria necessária uma linha de derivação para cada um dos dispositivos. Isto origina problemas de estabilidade no fieldbus. Como consequência, é necessário reduzir a velocidade de transmissão em báudios, o que por sua vez, conduz a ciclos maiores. A melhor solução é a separação entre o nodo do fieldbus e o controlador do motor. O nodo do fieldbus independente permanece no compartimento do cabo e comunica com o seu controlador na gaveta. A linha do fieldbus é linear, não tem linhas de derivação, o que significa um benefício para que o funciona-mento seja seguro. Se a gaveta for retirada, o endereço do nodo não se perde, de modo que se as gavetas forem acidentalmente trocadas, é detectado imediatamente!

5 Quando se utiliza para aplicações como gavetas em centros de controlo de motores, o UMC100-FBP é colocado dentro da ranhura enquanto a conexão do fieldbus é montada externamente

Uma solução excelenteAo facilitar continuamente dados completos sobre o diagnóstico, o serviço e o funcionamento do motor ao sistema de controlo, o UMC100 permite detectar anoma-lias numa fase inicial e adoptar as medidas oportunas para evitar, ou pelo menos limitar, os seus efeitos. O moderno painel de controlo LCD apresenta todos os dados sobre o funcionamento e a manutenção, permitindo a detecção rápida de avarias sem necessidade de utilizar um computador portátil. A estrutura modular do dispositivo representa vantagens já nas fases de planeamento e desenho. E o tempo e o esforço necessários para a cablagem são reduzidos consideravelmente devido ao facto de que todas as funções de protecção, supervisão e controlo estão integradas num único dispositivo.

Em comparação com a tecnologia convencional, o UMC100 é uma solução excelente para a implementação de alimenta-dores de motores em instalações industriais, já que oferece muitas vantagens ao longo de todo o ciclo de vida da instalação.

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Notas:1 Norma internacional IEC-60947-4-1. Contactores e arrancadores de motor. Contactores e arrancadores electromecânicos. Ed. 3.0 (9/2009).2 Benbouzid, M. E. H. (2000). A Review of Induction Motors Signature Analysis as a Medium for Faults Detection. IEEE Transactions Industrial Electronics, vol. 47, no. 5. pp. 984 – 9933 Thompson W. T., Fenger M. (July/August 2001). Current signature analysis to detect induction motor faults. IEEE Industry Applications Magazine, pp. 26 – 34.