Automação de Banca Didática de Óleo-hidráulica · Automação de Banca Didática de...

of 123/123
Automação de Banca Didática de Óleo-hidráulica João Clemente Quintal Jorge Dissertação do MIEM Orientador: Professor Doutor Francisco Jorge Teixeira De Freitas Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Opção de Automação Fevereiro de 2013
  • date post

    30-Sep-2018
  • Category

    Documents

  • view

    219
  • download

    0

Embed Size (px)

Transcript of Automação de Banca Didática de Óleo-hidráulica · Automação de Banca Didática de...

  • Automao de Banca Didtica

    de leo-hidrulica

    Joo Clemente Quintal Jorge

    Dissertao do MIEM

    Orientador: Professor Doutor Francisco Jorge Teixeira De Freitas

    Mestrado Integrado em Engenharia Mecnica

    Opo de Automao

    Fevereiro de 2013

  • ii

  • iii

    Whatever the mind of man can conceive and believe, it can achieve

    Clement Stone

  • iv

  • v

    Resumo

    O uso de bancas didticas no ensino serve para que a aprendizagem dos

    estudantes tenha um carter mais aproximado ao ambiente laboral e, ao mesmo tempo,

    para que os mesmos ganhem maior sensibilidade prtica, motivando-os assim para a

    inovao industrial.

    O principal objetivo deste trabalho a implementao de uma plataforma de

    automao sobre uma de um conjunto de quatro bancas didticas para ensino de

    sistemas eletro-hidrulicos, que se encontram no laboratrio de leo-hidrulica da

    Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, por forma a garantir a leitura e

    clculo de variveis, bem como a programao de movimentos.

    A banca est dotada de diversos atuadores, lineares e rotativos, autmato

    programvel e interface homem-mquina de modo a permitir conceber e realizar

    exerccios didticos com funcionamento programado e automtico.

    Inicialmente, foi necessrio configurar adequadamente a banca e,

    posteriormente, proceder ao seu ajuste e determinao de caratersticas.

    Ento, foram implementados diversos exerccios demonstrativos,

    nomeadamente envolvendo, medio, monitorizao e programao de sequncias de

    movimentos, sem requerer que o utilizador tenha que recorrer programao do

    autmato nem da interface.

    Finalmente, foram realizados alguns testes de modo a verificar o bom

    funcionamento dos exerccios implementados e a sua adequao finalidade didtica a

    que se destinam.

  • vi

  • vii

    Automation of Didactic Oil-hydraulic Bench

    Abstract

    The use of training benches for teaching purposes is important to allow

    students to achieve an environment closer to industry while giving greater practice

    sensitivity, thus motivating students to industrial innovation.

    The main objective of this work is the implementation of an automation

    platform, on one of a set of four training benches that are at the laboratory of oil-

    hydraulics at the school of Engineering of the University of Porto, allowing to make

    automatic readings of physical variables, calculation of variables and programming of

    sequential movements.

    The bench is equipped with various actuators, both linear and rotary, PLC and

    one human machine interface. Initially a configuration of the bench was necessary to

    make it adequate for the exercises which were intend to be developed. The adequate

    setting and determination of characteristics was done.

    Later demonstrating exercises were programmed to allow measurement of

    physical variables, monitoring of functions and sequencing of movements without

    requiring the user to program the PLC or the interface.

    Finally some tests were carried out to verify the proper functioning of the

    implemented exercises and assess the adequacy of the equipment for its didactic

    purposes.

  • viii

  • ix

    Agradecimentos

    Em primeiro lugar pretendo agradecer ao meu orientador, Professor Doutor

    Francisco Jorge Teixeira de Freitas, pela forma como me orientou, pelas suas

    recomendaes e pela liberdade que me permitiu, que foi decisivo para o meu

    desenvolvimento pessoal.

    Deixo uma palavra de agradecimento ao Sr. Joaquim Silva, tcnico de

    laboratrio, pela disponibilidade total, pela transmisso dos seus conhecimentos e pela

    companhia na hora de fumar o cigarrinho porta do laboratrio.

    Colega Sara Bazenga Fernandes, um grande obrigado pelo seu apoio, pelas

    discusses construtivas e pelo companheirismo durante a realizao deste trabalho.

    Aos meus pais e irmos, que deram todo o seu apoio financeiro e anmico para

    que pudesse concretizar esta etapa. Em especial, ao Emdio Jorge e Ana Jorge que me

    acompanharam desde a escola primria at aqui, confesso-vos que a caminhada foi dura

    mas valeu a pena.

    Ao meu amor, Sofia Correia, um carinhoso agradecimento pelo seu apoio

    durante estes meses da minha vida e em especial, por me ter emprestado o seu

    computador sem quaisquer restries, depois do meu ter avariado. s uma mulher

    fantstica e cada vez te amo mais.

    E por fim mas no menos importante, a todos os meus colegas e amigos do

    ramo de automao deixo uma palavra de apreo pelo seu esprito de grupo e pela

    confraternizao ao longo do ano.

    A todos um muito Obrigado!

  • x

  • xi

    ndice Geral

    Resumo .............................................................................................................................. v

    Abstract ........................................................................................................................... vii

    Agradecimentos ................................................................................................................ix

    1. Introduo ................................................................................................................ 1

    1.1 Uso de bancas didticas na formao para o mundo industrial ..................... 1

    1.2 Bancas de referncia ...................................................................................... 2

    1.3 Motivao e objetivos da dissertao ............................................................ 4

    1.4 Estrutura da dissertao ................................................................................. 5

    1.5 Contribuies da dissertao ......................................................................... 6

    2 Estudo da banca didtica .......................................................................................... 7

    2.1 Descrio genrica da banca .......................................................................... 7

    2.2 Anlise detalhada da banca ............................................................................ 9

    2.2.1 Central hidrulica ................................................................................ 9

    2.2.2 Consola hidrulica ............................................................................ 11

    2.2.2.1 Atuadores hidrulicos ............................................................ 11

    2.2.2.2 Vlvulas de comando ............................................................. 13

    2.2.2.3 Elementos de monitorizao .................................................. 14

    2.2.3 Consola de comando ......................................................................... 15

    2.2.3.1 Autmato de comando ........................................................... 17

    2.2.3.1.1 Autmato base modular .................................................. 17

    2.2.3.1.2 Mdulos do autmato ..................................................... 19

    2.2.3.2 Interface HMI ........................................................................ 20

    3. Exerccios de demonstrao didtica ..................................................................... 23

  • xii

    3.1. Descrio sucinta dos exerccios a realizar ................................................. 23

    3.2. Exerccio de demonstrao 1 Determinao de caraterstica de

    vlvula fluxomtrica .................................................................................... 24

    3.2.1. Determinao de caraterstica de vlvula fluxomtrica, para

    baixos caudais ................................................................................. 24

    3.2.1.1. Anlise do exerccio ............................................................. 34

    3.2.2. Determinao de caraterstica de vlvula fluxomtrica, para

    caudais mais elevados..................................................................... 36

    3.2.2.1. Anlise do exerccio ............................................................. 41

    3.2.3. Efeito da temperatura na medio de caudal .................................... 42

    3.3. Exerccio de demonstrao 2 Ajuste de pressostatos ............................... 43

    3.3.1. Anlise do exerccio .......................................................................... 49

    3.4. Exerccio de demonstrao 3 - Implementao de uma plataforma

    para realizao de movimentos sequenciais ............................................... 52

    3.4.1. Combinao de movimentos de dois cilindros assimtricos ............. 56

    3.4.2. Combinao de movimentos de cilindro assimtrico com

    motor hidrulico ............................................................................. 61

    4. Concluses e trabalhos futuros .............................................................................. 65

    4.1. Concluses ................................................................................................... 65

    4.2. Trabalhos Futuros ........................................................................................ 66

    5. Referncias e Bibliografia ...................................................................................... 69

    ANEXO A Atuadores Hidrulicos ............................................................................... 71

    ANEXO B Preparao da banca ................................................................................... 77

    B.1 Montagem dos componentes hidrulicos ....................................................... 78

    B.2 Incorporao provisria de transdutor de posio .......................................... 78

    B.3 Incorporao de transdutor de presso ........................................................... 79

    B.4 Estabelecimento de comunicao entre elementos......................................... 80

  • xiii

    B.5 Caraterizao do transdutor de posio .......................................................... 81

    B.6 Ajuste dos detetores magnticos de fim de curso ........................................... 83

    B.7 Programao do autmato .............................................................................. 88

    B.8 Programao da interface ............................................................................... 90

    Anexo C Dados experimentais cilindros assimtricos .............................................. 93

    ANEXO D Grafcets de Programao.......................................................................... 99

  • xv

    ndice de Figuras

    Figura 2.1 - Banca didtica de leohidrulica utilizada no trabalho. ............................. 8

    Figura 2.2 - Central Hidrulica. ........................................................................................ 9

    Figura 2.3 - Esquema simblico da central hidrulica. .................................................... 9

    Figura 2.4 Quadro eltrico de potncia ....................................................................... 11

    Figura 2.5 Cilindros hidrulicos. ................................................................................. 12

    Figura 2.6 Detetores magnticos de fim de curso. ...................................................... 12

    Figura 2.7 - Motor hidrulico instalado na banca. .......................................................... 13

    Figura 2.8 - Configurao base da banca em termos de componentes hidrulicos. ....... 14

    Figura 2.9 Consola de comando. ................................................................................. 15

    Figura 2.10 Esquema simblico da consola de comando. ........................................... 16

    Figura 2.11 Autmato instalado na banca e respetivos mdulos. ............................... 17

    Figura 2.12 Esquema das ligaes eltricas da base modular do PLC twido. ............. 18

    Figura 2.13 - Bases de conexo TELEFAST para entradas e sadas digitais. .............. 18

    Figura 2.14 - Configurao dos mdulos acoplados ao autmato twido. ....................... 19

    Figura 2.15 - HMI STU 655 ............................................................................................ 21

    Figura 2.16 - Portas de comunicao da HMI STU 655 ................................................. 22

    Figura 3.1 Variao tpica do caudal com a presso ................................................... 25

    Figura 3.2 Variao tpica do caudal com ajuste da vlvula. ...................................... 25

    Figura 3.3 Circuito hidrulico para medio de caudal atravs do uso de cilindro. .... 26

    Figura 3.4 Controlador proporcional+integrativo+derivativo. .................................... 31

    Figura 3.5 - GRAFCET referente ao exerccio 1 atravs do uso de cilindro. ..................... 33

    Figura 3.6 Caraterstica da vlvula reguladora de caudal para baixos caudais (primeiro

    ensaio). .................................................................................................................. 35

  • xvi

    Figura 3.7 - Caraterstica da vlvula reguladora de caudal para baixos caudais (segundo

    ensaio). .................................................................................................................. 36

    Figura 3.8 Circuito hidrulico para medio de caudal atravs de motor trocoidal. ... 38

    Figura 3.9 GRAFCET referente ao exerccio 1 atravs do uso de um motor hidrulico. 41

    Figura 3.10 Caraterstica de vlvula reguladora de caudal (Variao de caudal com

    ajuste manual). ...................................................................................................... 42

    Figura 3.11 Efeito da temperatura na medio do caudal ........................................... 43

    Figura 3.12 Pressostato. ............................................................................................... 44

    Figura 3.13 - Esquema eltrico simplificado do pressostato .......................................... 44

    Figura 3.14 Circuito hidrulico para ajuste de pressostatos. ....................................... 45

    Figura 3.15 - Anlise de repetibilidade do pressostato 1 para determinado ajuste. ....... 49

    Figura 3.16 Anlise de repetibilidade do pressostato 2 para determinado ajuste. ....... 50

    Figura 3.17 - Variao de histerese para diferentes ajustes do pressostato 1. ................ 50

    Figura 3.18 - Variao de histerese para diferentes ajustes do pressostato 2. ................ 51

    Figura 3.19 Circuito hidrulico correspondente plataforma de sequncia de

    movimentos. .......................................................................................................... 52

    Figura 3.20 - GRAFCET referente implementao da plataforma. ................................. 54

    Figura B 1 - Placas base da banca didtica. .................................................................... 78

    Figura B 2 - Configurao das vlvulas de comando hidrulico. ................................... 78

    Figura B 3 - Esquema eltrico do transdutor de posio. ............................................... 79

    Figura B 4 - Transdutor de presso. ............................................................................... 79

    Figura B 5 - Esquema eltrico do transdutor de presso. ............................................... 79

    Figura B 6 - Transdutor de presso instalado na banca. ................................................. 80

    Figura B 7 - Implementao de derivao para servir transdutor de presso. ............... 80

    Figura B 8 - Comunicao entre elementos da banca e computador. ............................. 81

    Figura B 9 - Montagem provisria do transdutor de posio. ........................................ 82

  • xvii

    Figura B 10 - Verificao de histerese no transdutor de posio. .................................. 82

    Figura B 11 - Zona linear de medio de distncias atravs do transdutor de posio. . 83

    Figura B 12 - Circuito hidrulico. .................................................................................. 85

    Figura B 13 - GRAFCET usado como modelo de programao. ....................................... 86

    Figura B 14 - Esquema que ilustra os pontos de leitura do detetor. ............................... 87

    Figura B 15 - Diviso do programa do autmato em sub-rotinas. ................................. 89

    Figura B 16 - Editor de expresses do Vijeo Designer. ................................................. 91

    Figura B 17 grafcet correspondente programao da HMI .................................... 101

    Figura B 18 Grafcet correspondente ao posicionamento / reposicionamento dos

    cilindros. .............................................................................................................. 102

  • xix

    ndice de Tabelas

    Tabela 2.1 Dados tcnicos das centrais hidrulicas 1 e 2. ........................................... 10

    Tabela 2.2 Dados tcnicos da central hidrulica 3 ...................................................... 10

    Tabela 2.3 Dados tcnicos da central hidrulica 4 ...................................................... 10

    Tabela 2.4 Dados tcnicos dos cilindros instalados na banca didtica. ....................... 12

    Tabela 2.5 Dados tcnicos referentes ao motor hidrulico instalado na banca. .......... 13

    Tabela 2.6 Dados tcnicos dos detetores instalados junto dos atuadores. ................... 15

    Tabela 2.7 Dados relativos s conexes de entradas e sadas digitais e fonte de

    alimentao do autmato ...................................................................................... 19

    Tabela 2.8 Referncia e funo bsica de cada mdulo .............................................. 19

    Tabela 2.9 Caratersticas da HMI STU 655 ................................................................ 21

    Tabela 3.1 Descrio das transies e aes da plataforma ........................................ 55

    Tabela B 1 - Equaes Usadas para caraterizar os cilindros. ......................................... 87

    Tabela B 2 - Resumo dos dados referentes aos cilindros hidrulicos da banca. ............ 88

    Tabela B 3 Tabela correspondente s transies do grafcet ilustrado na figura B.19.

    ............................................................................................................................. 103

  • Automao de Banca Didtica de leo-hidrulica

    1 Introduo

    1. Introduo

    Este captulo pretende contextualizar o tema do trabalho proposto bem como a

    motivao para o seu desenvolvimento. So apresentados os objetivos e a respetiva

    importncia no que diz respeito ao uso de bancas didticas para o apoio ao ensino dos

    estudantes que frequentam o curso de Engenharia Mecnica, na rea de automao, em

    sistemas leo-hidrulicos. efetuada uma introduo ao tema sobre o qual incide o

    trabalho bem como uma descrio geral da estrutura do documento e, por fim, so

    apresentadas as principais contribuies que o trabalho proposto pretende atingir.

    1.1 Uso de bancas didticas na formao para o mundo

    industrial

    Nos ltimos anos o mundo tem assistido a permanentes alteraes tecnolgicas

    levando a indstria produtiva sua incorporao e consequente inovao contnua dos

    processos de produo atravs da implementao de processos progressivamente mais

    automticos.

    Com a necessidade contnua da utilizao eficiente de recursos naturais e a

    preocupao com o meio ambiente necessrio associar tecnologia e criatividade. A

    automatizao dos processos de produo industrial vem ajudar as empresas a reduzir

    desperdcios de recursos, diminuir tempos de produo, aumentar os seus padres de

    qualidade e produtividade mantendo as mesmas competitivas no mercado.

  • Automao de Banca Didtica de leo-hidrulica

    2 Introduo

    Devido a estas necessidades por parte da indstria produtiva, os engenheiros

    devem estar preparados para a procura incessante de solues inovadoras de modo a

    acompanhar as mudanas contnuas do mercado. Assim, o ensino de engenharia deve

    dotar os seus estudantes dos adequados conhecimentos tericos, que so por demais

    importantes, mas tambm de uma vivncia prtica dos sistemas sobre os quais incidem

    os seus estudos.

    O uso de bancas didticas dotadas de meios automticos de funcionamento

    serve exatamente para que os estudantes conciliem os seus conhecimentos tericos com

    os prticos atravs da aplicao e observao de leis, fundamentos e tcnicas. Com isto

    os estudantes ficam familiarizados com os processos industriais existentes e ganham

    mais sensibilidade no que diz respeito influncia e importncia da automao nos

    mesmos.

    1.2 Bancas de referncia

    Para realizar exerccios sobre os temas abordados em escolas de engenharia e

    demonstrar situaes reais que ocorrem no meio industrial, so usados vrios tipos de

    bancas didticas consoante o tema a abordar.

    Assim, para realizar exerccios que proporcionem ao utilizador uma

    compreenso bsica sobre circuitos leo-hidrulicos existem, em primeiro lugar, as

    bancas de comando essencialmente manual. Atravs destas os alunos podem realizar

    exerccios de hidrulica convencional fazendo uso dos seus componentes,

    nomeadamente:

    Atuadores lineares; Atuadores rotativos; Vlvulas direcionais de comando manual; Vlvulas fluxomtricas; Vlvulas manomtricas; Vasos volumtricos graduados; Manmetros.

    Com estas bancas os alunos podem realizar exerccios diversos tais como:

  • Automao de Banca Didtica de leo-hidrulica

    3 Introduo

    Movimentos simples ou sequncias de movimentos atravs do uso de vlvulas direcionais;

    Controlo de fora atravs de vlvulas manomtricas; Controlo de velocidade atravs de vlvulas fluxomtricas; Medio de caudal atravs de uso do vaso graduado e com o auxlio

    de um cronmetro.

    Este tipo de bancas revela-se bastante adequado para o ensino das noes

    bsicas de hidrulica convencional. No entanto no acompanham o desenvolvimento

    industrial nesta rea, em que se evidencia o uso de comandos eltricos combinados

    mesmo com a hidrulica proporcional.

    Deste modo, existem bancas didticas dotadas com equipamentos que

    permitem a demonstrao de temas mais complexos no comando de sistemas

    hidrulicos. Assim, este tipo de bancas pode incluir equipamentos como:

    Eletrovlvulas direcionais convencionais; Botoneiras para comando de vlvulas; Displays numricos para monitorizao; Luzes sinticas; Potencimetros para comando de referncia para vlvulas

    proporcionais; Transdutores e detetores.

    Com este tipo de bancas j possvel realizar exerccios de demonstrao mais

    abrangentes, nomeadamente a iniciao automao de sistemas hidrulicos. Contudo

    estas bancas possuem as suas limitaes, tais como a cablagem eltrica necessria

    atendendo complexidade do exerccio a realizar e consequente dificuldade na deteo

    de erros de montagem, e incapacidade de ler e registar automaticamente tempos, por

    exemplo.

    Num patamar mais elevado encontram-se as bancas automatizadas, objeto do

    presente estudo, pelo facto de possurem autmato programvel (PLC) e interface

    homem-mquina (HMI). Com estes componentes j possvel realizar experincias tais

    como:

    Aes de comando atravs da interface; Movimentos sequenciais de atuadores programados; Leitura e registo automtico de tempos; Clculos matemticos e; Monitorizaes contnuas.

  • Automao de Banca Didtica de leo-hidrulica

    4 Introduo

    Este tipo de bancas apresenta claras vantagens relativamente s anteriormente

    descritas, pelo facto de serem capazes de realizar medies, processar dados e sinais

    com rapidez e preciso, e no necessitarem de botoneiras fsicas, de displays de

    monitorizao nem de luzes sinticas visto que a interface suporta estas necessidades.

    No entanto, requer que a mesma seja objeto de desenvolvimento e programao prvia

    sua utilizao para fins demonstrativos na rea da leo-hidrulica.

    1.3 Motivao e objetivos da dissertao

    O principal objetivo do uso de bancas didticas avanadas na ajuda formao

    de alunos em sistemas leo-hidrulicos passa por difundir este tipo de sistemas, bem

    como incentivar e facilitar a compreenso no que se refere aplicao prtica dos

    estudos tericos de sistemas hidrulicos e da automao a si associada. Assim os

    mestrandos ampliam os seus conhecimentos prticos e compreendem a importncia da

    automao de sistemas leo-hidrulicos no meio industrial.

    Ao chegar ao 3 ano do curso de mestrado integrado em Engenharia Mecnica,

    os estudantes frequentam uma disciplina denominada Sistemas Hidrulicos e

    Pneumticos e uma outra disciplina de Automao e Segurana Industrial. No que

    diz respeito aos sistemas hidrulicos so tratados temas de hidrulica convencional e

    no que diz respeito automao so ensinados os sistemas lgicos e a programao de

    PLCs. Nesta altura conveniente chamar a ateno dos estudantes para a existncia e

    importncia dos sistemas hidrulicos automatizados, sejam estes do tipo convencional

    ou proporcional, uma vez que esta abordagem pode ser feita de um modo simples e

    descontrado atravs de algumas demonstraes didticas. Os alunos podem interagir

    com as bancas atravs de interface HMI1, bem como alterar as ligaes hidrulicas e

    manusear alguns componentes hidrulicos, sem que seja necessrio saber programar o

    autmato nem a interface homem-mquina.

    1 HMI Sigla de expresso inglesa que significa Human - Machine Interface. Em portugus

    significa Interface Homem Mquina.

  • Automao de Banca Didtica de leo-hidrulica

    5 Introduo

    Este cenrio motiva o desenvolvimento de uma plataforma de automao para

    uma banca didtica, de um conjunto de quatro, existente no laboratrio de leo-

    hidrulica da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, com o objetivo de

    implementar alguns exerccios de forma flexvel proporcionando aos utilizadores a

    possibilidade de interagir ativamente com as bancas atravs do manuseio de alguns

    componentes. Neste processo h sempre a necessidade de alterar as ligaes hidrulicas

    existentes conforme o exerccio que queiram realizar.

    Neste sentido foram definidos vrios objetivos que se pretendem alcanar no

    final deste trabalho, os quais se podem resumir da seguinte forma:

    Estudar e caraterizar os componentes existentes na banca; Introduzir novos componentes de modo a garantir uma maior

    abrangncia de exerccios a realizar; Definir a configurao base da banca em termos de componentes

    hidrulicos; Implementar um conjunto de exerccios de demonstrao prtica

    referentes ao tema de automao de sistemas leo-hidrulicos.

    1.4 Estrutura da dissertao

    Alm desta introduo, que serve para contextualizar o tema deste trabalho e

    defini-lo, este documento constitudo por mais trs captulos que descrevem de modo

    mais detalhado e organizado todo o trabalho desenvolvido.

    No captulo 2 efetuada uma anlise detalhada da banca sobre a qual incide o

    trabalho, nomeadamente a caraterizao dos componentes existentes. No mesmo

    captulo definida a configurao base da banca em termos de vlvulas de comando.

    No captulo 3, feito de modo individual a apresentao, implementao e

    anlise de cada exerccio proposto. Estes so descritos de forma detalhada, de modo a

    permitir identificar o universo dos componentes necessrios para a sua realizao.

    No captulo 4 so apresentadas as concluses mais importantes, que resultam

    essencialmente do trabalho desenvolvido, sendo ainda sugeridas propostas que levem ao

    desenvolvimento do panorama atual do tema, de modo a dar seguimento a este trabalho.

  • Automao de Banca Didtica de leo-hidrulica

    6 Introduo

    No final do documento so apresentadas as referncias bibliogrficas

    utilizadas, bem como um conjunto de apndices onde consta a informao

    complementar a este trabalho.

    1.5 Contribuies da dissertao

    Este trabalho permitiu desenvolver uma plataforma para realizao de

    exerccios diversos na temtica da automao de sistemas hidrulicos abordando a

    hidrulica convencional e a hidrulica proporcional, contribuindo deste modo para

    o aumento das ferramentas disponveis para o ensino destes temas. Permitiu ainda

    detetar as particularidades funcionais de alguns componentes, que em condies

    normais de funcionamento so passadas despercebidas ao utilizador.

    Com este trabalho inicia-se uma nova fase de desenvolvimento de capacidades

    de aprendizagem com impacto inequvoco para a formao prtica industrial no

    laboratrio.

  • Automao de Banca Didtica de leo-hidrulica

    7 Estudo da banca didtica

    2 Estudo da banca didtica

    Este captulo carateriza a banca sobre a qual incide o presente trabalho pelo

    que inicialmente realizada uma introduo geral da mesma, sendo depois feita a sua

    descrio mais aprofundada quer em termos de configurao, quer em termos de

    comando. Assim, de um modo detalhado, o captulo est subdividido nos seguintes

    temas:

    Central hidrulica onde evidenciada a sua importncia e tambm caraterizada a sua construo;

    Consola hidrulica: o Atuadores tipos e caratersticas; o Vlvulas de comando; o Meios de monitorizao e medio;

    Consola de comando: o Autmato onde descrito o tipo de autmato disponvel bem

    como os mdulos acoplados a este, por forma a garantir as leituras e atuaes necessrias realizao dos exerccios;

    o Interface homem mquina neste subcaptulo descreve-se a interface que se encontra acoplada banca, suas portas de comunicao e seu mtodo de desenvolvimento de programao;

    2.1 Descrio genrica da banca

    Este trabalho incide sobre uma de quatro bancas Hidromtica disponveis no

    laboratrio de leo-hidrulica da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto.

  • Automao de Banca Didtica de leo-hidrulica

    8 Estudo da banca didtica

    Nesta banca possvel realizar diversas demonstraes didticas, podendo-se

    conjugar a hidrulica convencional com a proporcional.

    A banca, objeto deste trabalho, constituida pelas seguintes partes essenciais:

    Central hidrulica a unidade produtora de energia hidrulica, que pode ser escolhida de entre vrias disponveis, e que interligada com as restantes partes da banca de um modo flexvel, atravs de ligaes hidrulicas com engate rpido, por um lado, e atravs de um cabo eltrico com ficha multipolo, por outro;

    Consola hidrulica constituida por uma infrestrutura de suporte mecnico robusta, sobre a qual esto instalados atuadores hidrulicos, vlvulas, manmetros e um vaso graduado, conjugados com uma pr montagem de ligaes hidrulicas terminadas por engate rpido;

    Consola de comando atravs da qual se permite no s comandar e monitorizar a central hidrulica distncia, mas ainda comandar e monitorizar os elementos montados sobre a consola hidrulica.

    Esta descrio sucinta pode ser observada atravs das figuras seguintes sendo

    que esquerda ilustrada a banca em termos fsicos e direita ilustrada a estrutura

    genrica da mesma.

    Figura 2.1 - Banca didtica de leohidrulica utilizada no trabalho.

  • Automao de Banca Didtica de leo-hidrulica

    9 Estudo da banca didtica

    2.2 Anlise detalhada da banca

    2.2.1 Central hidrulica

    Em termos de fonte de potncia hidrulica, a banca inclui uma central

    hidrulica amovvel escolhida de entre vrias disponveis, como se apresenta nas figuras

    ilustradas nas tabelas 2.1 a 2.3.

    As grandezas caraterizadoras da potncia hidrulica so o caudal e a presso. O

    caudal determina a velocidade de um atuador, seja a velocidade linear no caso de um

    atuador linear, seja a velocidade angular no caso de atuadores rotativos. A presso

    determina a fora, ou binrio, disponvel num atuador. O facto de as centrais serem

    amovveis confere um carter flexvel s bancas, visto que cada central tem

    caratersticas distintas e pode-se alternar de banca para banca.

    Dependendo do tipo de central hidrulica, a bomba pode ser submersa ou

    exterior ao fluido hidrulico.

    Associado bomba hidrulica existe uma vlvula limitadora de presso de

    modo a evitar que quando se atinjam presses elevadas no circuito hidrulico, estas no

    resultem em insegurana para o utilizador nem em sobrecarga indevida para o motor

    eltrico.

    As figuras seguintes ilustram uma central hidrulica tpica bem como a sua

    representao simblica.

    Figura 2.2 - Central Hidrulica.

    Figura 2.3 - Esquema simblico da central hidrulica.

  • Automao de Banca Didtica de leo-hidrulica

    10 Estudo da banca didtica

    As tabelas seguintes apresentam, os seus dados tcnicos mais importantes.

    Tabela 2.1 Dados tcnicos das centrais hidrulicas 1 e 2.

    Imagem Central 1 e 2 - com bombas de engrenagem exterior

    Capacidade do reservatrio: 40 [l]

    Motor eltrico de acionamento

    Potncia eltrica: 1,5 [kW]

    Alimentao trifsica: 380 [V]/50 [Hz]

    Velocidade nominal: 1380 [rpm]

    Bomba hidrulica:

    Tipo construtivo: De engrenagem exterior

    Caudal nominal: 6,5 [lpm]

    Gama de presso: 10 a 50 [bar]

    Tabela 2.2 Dados tcnicos da central hidrulica 3

    Imagem Central 3 - com bomba de palhetas simtrica

    Capacidade do reservatrio: 40 [l]

    Motor eltrico de acionamento

    Potncia eltrica: 1,5 [kW]

    Alimentao trifsica: 380 [V]/ 50[Hz]

    Velocidade nominal: 1380 [rpm]

    Bomba hidrulica

    Tipo construtivo: De palhetas simtrica

    Caudal nominal: 9,1 [lpm]

    Gama de presso: 10 a 50 [bar]

    Tabela 2.3 Dados tcnicos da central hidrulica 4

    Imagem Central 4 - com agregado de bombas de engren. ext.

    Capacidade do reservatrio: 40 [l]

    Motor eltrico de acionamento

    Potncia eltrica: 1,5 [kW]

    Alimentao trifsica: 380 [V]/ 50[Hz]

    Velocidade nominal: 1380 [rpm]

    Bombas hidrulicas

    Tipo construtivo: De engrenagem exterior

    Caudal nominal da bomba 1: 7,5 [lpm]

    Caudal nominal da bomba 2: 6,5 [lpm]

    Gama de presso: 10 a 50 [bar]

  • Automao de Banca Didtica de leo-hidrulica

    11 Estudo da banca didtica

    Na parte superior de cada central hidrulica encontram-se ligadas as

    mangueiras flexveis, dotadas de terminal de engate rpido, para fazerem a ligao entre

    a central e a consola hidrulica.

    Acoplado a cada central hidrulica encontra-se o seu quadro eltrico de

    potncia que dispe de botoneiras para comando local, tal como se pode ver na fig. 2.4.

    O interruptor geral est instalado nesta unidade, logo no possvel fornecer energia

    eltrica banca didtica sem que exista uma central associada mesma. direita do

    interruptor geral existe um seletor que serve, como o prprio nome indica, para

    selecionar o comando local ou o comando distncia do arranque do motor

    eltrico. Alm dos elementos referidos, tambm se encontram quatro sinais luminosos

    de monitorizao do estado da central, nomeadamente:

    Indicador de central ligada /desligada; Indicador do nvel do leo; Indicador da condio do filtro; Indicador do disparo trmico do disjuntor.

    Figura 2.4 Quadro eltrico de potncia

    2.2.2 Consola hidrulica

    2.2.2.1 Atuadores hidrulicos

    Nesta subseco so caraterizados os atuadores que servem para realizar os

    movimentos na banca em estudo, sendo que todos estes esto equipados com conexes

    de engate rpido. Cada banca dispe de dois atuadores lineares e de um atuador rotativo.

    Os cilindros hidrulicos so compactos, de corpo em liga de alumnio, e esto

    equipados com detetores de fim de curso magnticos, como se pode apreciar na fig. 2.6.

  • Automao de Banca Didtica de leo-hidrulica

    12 Estudo da banca didtica

    Estes cilindros tm caratersticas idnticas, diferenciando-se essencialmente no seu

    curso de trabalho. O cilindro de maior curso oferece a possibilidade de aplicar uma

    carga atravs do uso de uma mola amovvel colocada no extremo da haste do cilindro,

    como se pode verificar atravs da fig. 2.5.

    Na tabela 2.4 so referidas as principais caratersticas dos cilindros que se

    encontram instalados na banca didtica. Informaes mais detalhadas sobre os mesmos

    encontram-se disponveis no ANEXO A Atuadores Hidrulicos. No presente texto

    apenas se referem as caratersticas necessrias para a realizao dos exerccios didticos

    propostos.

    Tabela 2.4 Dados tcnicos dos cilindros instalados na banca didtica.

    Dados Cilindro 1 Cilindro 2

    Referncia do componente: CHDKGB40 100M CHDKGB40 50M

    N de detetores magnticos: 2 2

    Funcionamento: De duplo efeito De duplo efeito

    Amortecimento fim de curso: No No

    Presso nominal: 160 [bar] 160 [bar]

    Curso: 100 [mm] 50 [mm]

    Dimetro da haste: 22,4 [mm] 22,4 [mm]

    Dimetro do mbolo: 40 [mm] 40 [mm]

    rea da cmara principal: 12,56 [cm2] 12,56 [cm2]

    rea da cmara secundria: 8,62 [cm2] 8,62 [cm2]

    No que diz respeito a atuadores rotativos a banca em estudo dispe de um

    motor hidrulico do fabricante EATON, como se pode observar atravs da fig.2.7.

    Figura 2.5 Cilindros hidrulicos.

    Figura 2.6 Detetores magnticos de fim de curso.

  • Automao de Banca Didtica de leo-hidrulica

    13 Estudo da banca didtica

    Figura 2.7 - Motor hidrulico instalado na banca.

    Na tabela 2.5 encontra-se um resumo dos dados tcnicos referentes aos motores

    hidrulicos instalados. No ANEXO A Atuadores Hidrulicos, podem ser consultadas

    informaes mais detalhadas acerca deste componente.

    Tabela 2.5 Dados tcnicos referentes ao motor hidrulico instalado na banca.

    Dados Descrio Motor hidrulico

    Srie: Series J

    Referncia: 129 0371

    Cilindrada: 8,2 [cm3/rot]

    N de dentes da roda: 12

    Presso mx. em regime contnuo: 140 [bar]

    Presso mx. em regime intermitente: 165 [bar]

    Tipo construtivo Trocoidal tipo Gerolor

    2.2.2.2 Vlvulas de comando

    Em termos de comando, a banca possui duas placas base sobre as quais

    possvel montar vlvulas direcionais, que podem ser do tipo convencional ou

    proporcional. As ligaes entre as vlvulas de comando e os atuadores so feitas

    atravs de mangueiras flexveis montadas com terminais de engate rpido, permitindo

    um manuseamento relativamente fcil e rpido.

    Uma configurao de base de uma banca pode ser como se apresenta na fig.

    2.8.

  • Automao de Banca Didtica de leo-hidrulica

    14 Estudo da banca didtica

    Figura 2.8 - Configurao base da banca em termos de componentes hidrulicos.

    Esta configurao dispe dos seguintes componentes:

    Duas eletrovlvulas de controlo direcional (4/3) com linha de presso fechada na posio central, A e B ligadas a T, centradas por molas, com socorro de atuao manual;

    Uma vlvula de reteno pilotada dupla do tipo modular montada entre a placa base e a vlvula direcional, impedindo o fluxo de leo na ausncia de presso hidrulica;

    Uma vlvula de controlo de fluxo do tipo modular montada entre a placa base e a vlvula direcional, de orifcio varivel em meter-out;

    Uma vlvula limitadora de presso proporcional - instalada sobre placa base. Esta vlvula tem a funo de fazer um controlo da presso entrada das vlvulas direcionais, j que se encontra instalada em derivao alimentao na linha de presso.

    2.2.2.3 Elementos de monitorizao

    Na banca, objeto de trabalho, existem cinco detetores instalados. Dois detetores

    magnticos de fim de curso, em cada cilindro, e um detetor indutivo no motor

    hidrulico.

    No que diz respeito aos cilindros, os detetores magnticos transmitem ao

    autmato um sinal de presena do mbolo, quando este se encontra em alguma das suas

  • Automao de Banca Didtica de leo-hidrulica

    15 Estudo da banca didtica

    extremidades. Contudo, no transmitem em que posio se encontra o cilindro quando

    este est fora dos seus pontos extremos.

    Junto ao motor hidrulico est colocado um sensor indutivo que deteta a

    passagem dos dentes de uma roda dentada que est acoplada ao atuador. Essa

    informao utilizada para realizar o clculo da sua velocidade de rotao.

    Na tabela 2.6 so descritos alguns dados tcnicos dos detetores utilizados.

    Tabela 2.6 Dados tcnicos dos detetores instalados junto dos atuadores.

    Dados Descrio

    Detetores magnticos Detetor indutivo

    Tecnologia: Detetor Reed Indutivo

    LED indicador: Sim Sim

    Cabo de sada: 2 fios 3 fios

    Sinal DC: 24 V 8 a 30 V

    Carga aplicvel Rel / PLC -

    Freq. de comutao (mx) - 500 Hz

    2.2.3 Consola de comando

    A consola de comando a unidade onde se encontram os elementos

    necessrios para o utilizador realizar o comando e monitorizao da banca didtica

    distncia. nesta consola que se encontra instalado o autmato programvel, a HMI,

    o painel de conexes eltricas bem como um painel de botes de comando manual e

    monitorizao com sinalizadores, tal como ilustrado na fig. 2.9.

    Figura 2.9 Consola de comando.

  • Automao de Banca Didtica de leo-hidrulica

    16 Estudo da banca didtica

    Atravs dos botes de presso instalados no painel de comando manual, o

    utilizador pode realizar o arranque e paragem da central hidrulica, em modo manual.

    Neste mesmo painel encontram-se 4 sinalizadores que indicam o estado em que se

    encontra a central hidrulica (ligado/desligado), o nvel do leo, condio do filtro

    (sinalizador ativa-se quando o filtro est obstrudo) e finalmente um sinalizador que

    informa a ocorrncia do disparo trmico do contator da central.

    Os restantes comandos e monitorizaes so realizados atravs do autmato e

    da HMI, havendo neste caso a necessidade de programao dos mesmos. (fig. 2.10)

    Figura 2.10 Esquema simblico da consola de comando.

    O painel de conexes eltricas existente na consola de comando serve para esta

    se interligar com a consola hidrulica transmitindo ordens de comando aos seus meios

    de atuao e recebendo sinais de monitorizao, quer sejam discretos ou contnuos. Em

    sntese, o painel de fichas constitudo por:

    4 fichas XLR de painel fmea (3 pinos) estas so utilizadas para ativao, pelo autmato, dos solenoides das vlvulas direcionais;

    1 ficha XLR de painel fmea (5 pinos) preparada para se conectar a uma vlvula proporcional atravs de uma ficha de eletrnica de comando externo;

    5 fichas XLR de painel (7 pinos) usadas para receber os sinais dos detetores (3) e dos transdutores (2) da consola hidrulica no autmato, sendo que uma das fichas de monitorizao digital (3 a contar da esquerda na figura anterior) est ligada a uma entrada rpida do autmato para permitir leitura do detetor que se encontra a medir os impulsos associados ao motor hidrulico.

  • Automao de Banca Didtica de leo-hidrulica

    17 Estudo da banca didtica

    2.2.3.1 Autmato de comando

    Cada uma das bancas dotada de um autmato programvel TWIDO, de

    arquitetura modular, com capacidade para 24 entradas e 16 sadas digitais, mdulo de

    comunicao do tipo RS485, um mdulo de expanso com 8 entradas analgicas e um

    mdulo de expanso com 2 sadas analgicas, tal como se apresenta na fig. 2.11.

    Todos os componentes enunciados so do fabricante Schneider Electric e a sua

    programao feita atravs do software twido suite com opo de duas linguagens de

    programao, nomeadamente Ladder e lista de instrues.

    Figura 2.11 Autmato instalado na banca e

    respetivos mdulos.

    1 Mdulo de comunicao;

    2 Autmato base modular (PLC2);

    3 Mdulo de entradas analgicas;

    4 Mdulo de sadas analgicas.

    2.2.3.1.1 Autmato base modular

    O autmato base modular alimentado por uma fonte de 24 VDC. Esta

    unidade dispe de 24 entradas digitais e de 16 sadas digitais por transstor, sendo que

    as ligaes so feitas por conetor multipolo tipo HE10. Alm das entradas e sadas

    digitais, tambm dispe de uma porta de comunicao RS485 que utilizada para se

    ligar ao computador, seja para fazer monitorizao das variveis do autmato, seja para

    enviar programas para este.

    2 PLC Sigla de expresso inglesa que significa Programmable Logic Controller, em

    portugus significa Controlador Lgico Programvel.

    1 2 3 4

  • Automao de Banca Didtica de leo-hidrulica

    18 Estudo da banca didtica

    Na fig. 2.12 encontra-se ilustrado o esquema da base modular retirado do

    catlogo do fornecedor.

    Figura 2.12 Esquema das ligaes eltricas da base modular do PLC twido.

    As sadas e entradas digitais acima referidas esto ligadas a duas bases de

    conexo TELEFAST atravs de cabos pr montados, como ilustrado na fig. 2.13. Todas

    as entradas e sadas so ligadas a estas bases. Com estas bases obtm-se um adequado

    isolamento galvnico dos sinais de entrada e as atuaes de sada so efetuadas por rel

    eletromecnico.

    Conexo de entradas Conexo de sadas Ligao aos rels

    Figura 2.13 - Bases de conexo TELEFAST para entradas e sadas digitais.

  • Automao de Banca Didtica de leo-hidrulica

    19 Estudo da banca didtica

    Para melhor perceber as caratersticas das bases de conexo, da fonte de

    alimentao e da porta srie, so apresentados alguns dados tcnicos na tabela seguinte.

    Tabela 2.7 Dados relativos s conexes de entradas e sadas digitais e fonte de alimentao do autmato

    Bases TELEFAST

    Designao Nmero de entradas/sadas Descrio Base de conexo

    passiva Cabo pr montado 16 Entradas digitais ABE 7H20E000

    Base para rels 8 Sadas digitais ABE 7R08S111

    Fonte de alimentao do autmato

    Input AC Frequncia Output DC Modelo

    230 [V] 50 [Hz] 24 [V], 2 [A], 48 [W] ABL7 RE2402

    2.2.3.1.2 Mdulos do autmato

    Neste subcaptulo so descritos os mdulos instalados em cada banca, tal como

    ilustrado na fig. 2.14, sendo que estes se resumem da seguinte forma:

    Mdulo de comunicao; Mdulo de entradas analgicas; Mdulo de sadas analgicas.

    Figura 2.14 - Configurao dos mdulos acoplados ao autmato twido.

    De forma sucinta, a tabela 2.8 descreve os mdulos acima referidos e

    respetivas funes:

    Tabela 2.8 Referncia e funo bsica de cada mdulo

    Mdulo Referncia Caratersticas

    Mdulo de comunicao TWDNOZ485D Ligao srie RS485, para ligao HMI

    Mdulo de entradas analgicas TM2AMI8HT 8 entradas analgicas [0,10V] ou [0,20mA] Resol. 10 bit.

    Mdulo de sadas analgicas TM2AVO2HT 2 sadas analgicas [-10V,10V] Resol. 11bit + sinal

  • Automao de Banca Didtica de leo-hidrulica

    20 Estudo da banca didtica

    O mdulo de comunicao contm uma porta do tipo RS485 que usada para

    comunicar com a interface homem mquina, que se encontra no painel central da banca.

    O utilizador pode controlar a banca atravs de ordens dadas ao PLC, desde que a

    interface esteja devidamente programada. Podemos assim dizer que a interface funciona

    como mestre e o PLC como escravo.

    O mdulo de entradas analgicas, acima referido, oferece ao autmato a

    possibilidade de ler grandezas analgicas, provenientes de transdutores eletrnicos.

    Neste caso, o mdulo de expanso possui 8 entradas analgicas capaz de ler sinais em

    tenso (0 10 [V]) ou em corrente (0 20 [mA]).

    No que diz respeito s entradas analgicas, o autmato oferece uma escala de

    resoluo normal de 10 bit praticvel numa gama entre 0 e 1023. Sendo este valor

    inserido numa palavra de 16 bit, torna-se expandido na gama geral entre -32768 e

    32767. Desta forma oferecida ao programador a liberdade de definir o intervalo mais

    adequado, desde que no exceda os limites estabelecidos.

    O mdulo de sadas analgicas disponvel oferece a possibilidade de controlar

    2 dispositivos de controlo proporcional, tal como o caso de vlvulas proporcionais.

    Estes convertem valores numricos em sinais de sada em tenso. A gama disponvel

    em tenso situa-se no intervalo [-10 e + 10V], dispondo de uma resoluo de 11 bit,

    mais sinal. Tambm possvel, neste caso, o uso da gama normal, que agora se situa no

    intervalo (-2048 a 2047), ou o uso da gama geral que se situa entre -32768 e 32767.

    2.2.3.2 Interface HMI

    Neste subcaptulo caraterizada a interface homem-mquina (HMI) ilustrada

    na fig. 2.15. Como j referido no captulo anterior, cada uma das bancas objeto deste

    trabalho est equipada com uma interface policromtica de 3,5", que permite ao

    utilizador interagir com a banca atravs do seu painel ttil, monitorizando os estados

    desta, bem como dando ordens para que os mesmos se alterem.

  • Automao de Banca Didtica de leo-hidrulica

    21 Estudo da banca didtica

    Figura 2.15 - HMI STU 655

    O ecr apresenta as imagens criadas pelo utilizador e as variveis do

    equipamento remoto. O painel ttil responsvel pelas operaes de alterao do ecr e

    envio dos dados para o anfitrio (PLC).

    Para a alimentao deste componente utilizada a mesma fonte de tenso que

    alimenta o autmato, ou seja 24VDC.

    A tabela 2.9 descreve as caratersticas da interface em causa:

    Tabela 2.9 Caratersticas da HMI STU 655

    Referncia Dimenso do ecr

    Resoluo do ecr (pixels)

    Mono/Cor Tecnologia do ecr Porta serie Porta ethernet

    HMI STU 655

    8,9 cm (3,5 pol)

    320240 (QVGA)

    65.536 cores e retroiluminao

    de LED TFT

    RJ45 (RS232/ RS485)

    10BASE T/ 100BASE-TX

    Em termos de memria disponvel a interface est dotada de:

    Flash de aplicao 32MB; Backup de dados em FRAM3 64KB; DRAM4 de execuo da aplicao 64MB.

    A interface oferece uma excelente visualizao com cores precisas numa tela

    QVGA de 65 mil cores. O tempo de vida estimado pelo fornecedor encontra-se definido

    em nmero de toques no ecr, que poder ascender a 1 milho.

    3 FRAM Sigla de expresso inglesa que significa ferro magnetic random-acess memory, que

    um tipo de memria de computador no voltil. 4 DRAM Sigla de expresso inglesa que significa dynamic random-acess memory. um tipo

    de memria que armazena cada bit de dados num condensador ou capacitor. A informao perdida se a carga no for atualizada periodicamente.

  • Automao de Banca Didtica de leo-hidrulica

    22 Estudo da banca didtica

    Em termos de comunicao, a HMI STU 655 est dotada de vrios tipos de

    interface que se encontram ilustrados na fig. 2.16 e especificam-se do seguinte modo:

    Interface srie COM1 RJ45 Transmisso assncrona (RS232 e RS485);

    Interface USB1 com conetor do tipo A V2.0 (perifricos USB); Interface USB2 com conetor do tipo USB mini B V2.0 utilizado

    para transferncia de aplicaes; Interface de Ethernet

    Figura 2.16 - Portas de comunicao da HMI STU 655

    Para a programao da interface usado o software VIJEO DESIGNER

    disponibilizado pelo fabricante, que permite a configurao de painis.

    Nestes painis com resoluo ttil de (12x16) podem ser adicionados botes e

    caixas de texto de leitura, ou de escrita, dando a possibilidade ao utilizador de visualizar

    e alterar estados discretos e analgicos. Quando necessria uma programao mais

    complexa, fazendo uso de variveis intermdias, pode-se recorrer ao uso de scripts que

    se baseiam na linguagem de programao java .

  • Automao de Banca Didtica de leo-hidrulica

    23 Exerccios de demonstrao didtica

    3. Exerccios de demonstrao didtica

    O presente captulo tem como objetivo descrever a conceo e implementao

    de um conjunto de 3 exerccios didticos de caratersticas distintas para prtica

    laboratorial de leo-hidrulica.

    A realizao destes exerccios tem por intuito oferecer ao estudante a

    possibilidade de realizar atividades demonstrativas salientando as vantagens do uso de

    sistemas hidrulicos automatizados. So apresentados exerccios de caraterizao e de

    interao ativa entre o estudante e a banca. Por fim, apresentado um exerccio de

    tomada de deciso por parte do estudante, em que este configura uma sequncia de

    movimentos a realizar pelos atuadores instalados na banca.

    3.1.Descrio sucinta dos exerccios a realizar

    No primeiro exerccio, pretende-se que o estudante determine a caraterstica de

    uma vlvula fluxomtrica, nomeadamente uma vlvula reguladora de caudal,

    compensada, com vlvula de reteno integrada. Este um exerccio onde necessrio

    realizar uma medio volumtrica com grande rigor pelo que, no existindo um

    transdutor de caudal na banca, se prope o uso de um cilindro hidrulico ou, para

    medio de caudais mais elevados, o uso de um motor hidrulico como alternativa

    aceitvel para o fim em vista.

    No segundo exerccio, o estudante colocado perante a necessidade de ajustar

    pressostatos instalados na banca, criando um procedimento automtico para a sua

    realizao e verificao.

  • Automao de Banca Didtica de leo-hidrulica

    24 Exerccios de demonstrao didtica

    Por fim, no terceiro exerccio desenvolvida uma plataforma didtica que

    coloca disposio do estudante uma capacidade para configurar uma sequncia

    flexvel de movimentos de atuadores. Com isto, o utilizador tem a liberdade de

    programar uma sequncia sua vontade e, posteriormente, apreciar a sequncia

    programada atravs da ordem de execuo.

    3.2.Exerccio de demonstrao 1 Determinao de

    caraterstica de vlvula fluxomtrica

    O objetivo deste exerccio consiste na identificao da caraterstica de uma

    vlvula reguladora de caudal atravs da medio do caudal mdio que a atravessa para

    diferentes condies de funcionamento. Para realizar uma medio rigorosa de baixos

    caudais prope-se inicialmente usar um cilindro hidrulico, como vaso de medio.

    Numa segunda fase do exerccio proposto o uso de um motor hidrulico, para medio

    de maiores caudais.

    3.2.1.Determinao de caraterstica de vlvula fluxomtrica,

    para baixos caudais

    O exerccio consiste, essencialmente, na medio do caudal que atravessa a

    vlvula reguladora de caudal, para distintas condies de ajuste manual da mesma e

    para vrias condies de presso, usando um cilindro hidrulico como elemento de

    medio de volume.

    Para a realizao deste exerccio necessrio medir o tempo associado a um

    volume que atravessa a vlvula. Sendo esse volume o correspondente variao total do

    volume do atuador, geometricamente bem definido, permite-se assim pela medio de

    tempo obter um valor de caudal rigoroso. Sendo este procedimento realizado de modo

    automtico em 3 vezes consecutivas, obter-se- o valor mdio pretendido.

    Duas caratersticas podem ser obtidas. Uma primeira caraterstica da relao,

    para um dado ajuste da vlvula reguladora de caudal, do caudal que passa pela vlvula

    para uma gama de presso que lhe imposta. Uma outra segunda caraterstica consiste

  • Automao de Banca Didtica de leo-hidrulica

    25 Exerccios de demonstrao didtica

    em manter um diferencial de presso constante na vlvula e registar o caudal que a

    atravessa, para cada posio de ajuste da mesma.

    Como uma vlvula reguladora de caudal uma vlvula que define com grande

    rigor o caudal que a atravessa, independentemente da queda de presso a que est

    sujeita, a primeira das caratersticas a experimentar requer a identificao de valores de

    caudal muito semelhantes, o que significa necessidade de elevado rigor na medio de

    caudal (ver fig. 3.1).

    Para a segunda das caratersticas, o caudal que passa pela vlvula varia

    significativamente para a gama de ajuste da sua regulao de comando, pelo que

    necessrio realizar medies de caudal numa ampla gama de valores, sendo o rigor de

    cada valor menos significativo (ver fig. 3.2).

    Para permitir a medio de baixos caudais foi optado pelo uso do cilindro de

    maior curso disponvel na banca, uma vez que constitui um volume varivel maior e

    assim permitem-se minorar eventuais erros incorridos por medio de tempos de curta

    durao. Pelo mesmo motivo, o movimento til para a medio do caudal mdio o de

    avano da haste, que corresponde cmara principal do cilindro.

    Para a obteno da segunda caraterstica proposta, necessrio controlar a

    queda de presso na vlvula de modo a que esta se mantenha constante ao longo de um

    ensaio.

    No final da realizao do exerccio espera-se que o utilizador obtenha

    resultados semelhantes aos que se ilustram nas figuras seguintes.

    Figura 3.1 Variao tpica do caudal com a presso

    Figura 3.2 Variao tpica do caudal com

    ajuste da vlvula.

    Para que se possa realizar este exerccio necessrio cumprir um procedimento

    prvio junto da banca que se pode resumir atravs do seguinte diagrama.

  • Automao de Banca Didtica de leo-hidrulica

    26 Exerccios de demonstrao didtica

    A fig. 3.3 ilustra o circuito hidrulico usado para a realizao do exerccio.

    Figura 3.3 Circuito hidrulico para medio de caudal atravs do uso de cilindro.

    Energizao da banca

    Verificar ligao da central fonte de alimentao de energia eltrica

    Ligar interrutor geral da banca

    Ir para o exerccio de caraterizao da vlvula reguladora de caudal atravs do men da HMI

    Set Up da banca

    Configurar conexes hidrulicas de acordo com o esquema hidrulico que ilustrado na HMI

    Confirmar configurao hidrulica na HMi de modo a passar etapa seguinte

    Configurar ligaes eltricas de comando e monitorizao de acordo com o esquema na HMI

    Confirmar configurao eltrica na HMI de modo a passar ao menu seguinte

    Realizao do exerccio

    Ligar a central atravs do boto disponvel para o efeito

    Ativar controlo de presso

    Definir presso de funcionamento

    Definir posio de ajuste da vlvula reguladora de caudal

    Dar ordem de incio de execuo do exerccio atravs do boto disponivel para o efeito.

    Vlvula em ensaio

  • Automao de Banca Didtica de leo-hidrulica

    27 Exerccios de demonstrao didtica

    Os componentes principais a serem utilizados, e suas particularidades, so os

    que se descrevem de seguida:

    Central hidrulica com bomba de cilindrada fixa, a escolher pelo utilizador, entre as disponveis;

    Cilindro assimtrico de duplo efeito (de maior curso): o Dimetro da cmara principal:40 [mm] o Curso til do cilindro: 96,70 [mm].

    Eletrovlvula de centro em Y, com A e B ligados a T: o Solenide A movimento de avano (conexo sada digital

    EV.3); o Solenide B movimento de recuo (conexo sada digital

    EV.4); Vlvula reguladora de caudal compensada:

    o Orifcio A ligado sada A2 da eletrovlvula e orifcio B ligado entrada da cmara principal do cilindro.

    o Regulao na posio 0 da escala graduada totalmente fechada;

    o Regulao na posio 5 da escala graduada totalmente aberta;

    Transdutor de presso (conexo entrada analgica EA1); Vlvula limitadora de presso de comando proporcional (conexo

    sada analgica VP).

    Os comandos disponibilizados ao estudante para realizar o exerccio atravs da

    HMI so os que se descrevem de seguida:

    Painel inicial quando a fonte de energia eltrica ligada, na central hidrulica, a banca didtica fica energizada e o painel inicial disponibilizado ao utilizador. Para passar ao menu de exerccios basta carregar em qualquer zona do painel ttil.

  • Automao de Banca Didtica de leo-hidrulica

    28 Exerccios de demonstrao didtica

    Menu principal neste painel disponibilizado ao utilizador o acesso ao conjunto dos 3 exerccios de demonstrao instalados na banca. Ao pressionar o boto correspondente a Caraterizao de vlvula reguladora de caudal (VRC) o utilizador levado para o menu referente aos exerccios de caraterizao da vlvula reguladora de caudal. O utilizador pode voltar ao painel inicial pressionando o smbolo casa.

    Menu VRC neste painel apresentado um texto com uma pequena introduo referente aos exerccios. Para a realizao deste exerccio o utilizador deve pressionar o boto caudais baixos. O utilizador pode ainda:

    Voltar ao painel anterior e; Voltar ao painel inicial.

    Verificar ligaes hidrulicas neste painel, o utilizador deve certificar-se de que a consola hidrulica est configurada conforme o esquema disponibilizado, podendo em alternativa selecionar:

    [1] Voltar pgina inicial; [2] Voltar ao painel anterior; [3] Obter informao ao pressionar abre uma

    janela pop-up com informao referente configurao da consola hidrulica;

    [4] OK validar ligaes e passar ao painel seguinte.

    Janela extra (pop-up) - aparece quando o utilizador pressiona o boto de validao (OK). Para validar a configurao:

    Pressionar (SIM), e passa ao painel seguinte; Pressionar (NO), e volta ao painel no

    validado

    1 2 3 4

  • Automao de Banca Didtica de leo-hidrulica

    29 Exerccios de demonstrao didtica

    Verificar ligaes eltricas Neste painel o utilizador deve certificar-se de que as ligaes eltricas de comando digital das vlvulas direcionais esto corretamente efetuadas. Pressionando no boto ( i ) so disponibilizadas mais informaes acerca da configurao eltrica.

    Painel de iniciao do exerccio este o painel disponibilizado ao utilizador aps validao da configurao eltrica. O utilizador tem acesso aos botes:

    Ligar central; Stop emergncia; Informao; Ativar controlo de presso (fica disponvel de

    pois de ligar a central); Voltar ao painel anterior; Voltar ao painel inicial.

    Painel de execuo do exerccio - Apenas depois de ligar a central, que o utilizador fica com as restantes selees disponveis, nomeadamente:

    Definio da presso de referncia (setpoint); Iniciar medio de caudal; Ativar controlo de presso (para permitir

    controlo presso de referncia); Desativar controlo de presso encontra-se

    atrs do boto de ativao do controlo e fica disponvel quando o controlador ativado;

    Desligar central (deve ser s premido aps desativar controlo de presso).

    Os comandos disponibilizados no painel de execuo do exerccio so descritos

    em maior detalhe de seguida:

    Voltar ao painel anterior boto disponvel que d a possibilidade de voltar ao painel anterior. Este boto encontra-se ativo desde que o painel apresentado pela primeira vez e at que a central hidrulica ligada e, depois de realizar um ensaio e da central hidrulica ser desligada. Isto garante que nenhum processo est ativo quando se pretende voltar ao painel anterior. Para interromper um exerccio em

  • Automao de Banca Didtica de leo-hidrulica

    30 Exerccios de demonstrao didtica

    execuo deve ser usado o boto disponvel para o efeito, ou seja, o boto de emergncia.

    Voltar ao painel inicial Boto que se encontra desbloqueado quando todos os processos esto inativos, tal como o boto descrito anteriormente.

    Ligar central ativa a central hidrulica. Depois de premido, liga uma luz indicadora verde, que sinaliza o facto de a central estar efetivamente ligada. A central hidrulica pode, contudo, tambm ser ligada pelo boto fsico no painel da consola de comando.

    Desligar central desliga a central hidrulica. Quando este premido a luz verde, indicadora de central ligada, substituda por uma luz vermelha que sinaliza a central desligada. Durante a realizao de um exerccio, este boto fica inativo. Se o exerccio correr normalmente, no final do mesmo exibido o valor do caudal mdio em lpm e o boto para desligar torna a central fica disponvel, sendo que para sair do painel do exerccio necessrio desligar a central. Com isto, evita-se que se desligue a central durante um exerccio de medio. O boto fsico (Vermelho) que se encontra na consola de comando est configurado como boto de emergncia pois o seu uso, por parte do utilizador, no pode ser controlado pelo autmato recebendo apenas um sinal de que foi premido;

    Ativar controlo de presso ativa o controlo da presso para o valor de referncia selecionado sendo o valor enviado para a vlvula proporcional igual soma do valor correspondente zona morta mais o valor do controlador;

    Ajuste de presso Com os dois botes disponveis no painel, o utilizador pode definir o valor da presso que deseja ter na linha de presso. Com estes botes possvel regular uma presso entre 8 e 40 [bar] atravs de incrementos de 0,5 [bar]. Inicialmente, quando o painel disponibilizado, o valor de referncia est pr-definido em 10 bar e, quando o controlador desativado, o valor de referncia mantm-se no valor que se encontrava antes de ser desativado;

    Desativar controlo de presso boto disponvel para desativar o controlo de presso sendo que o valor enviado para a vlvula limitadora de presso proporcional zero;

    Iniciar medio Boto disponvel para iniciar o processo de medio, cabendo ao utilizador ativar, ou no, o controlo de presso. Se o utilizador decidir a sua ativao e definir a presso de referncia, pode de seguida dar ordem de incio de medio sendo que o autmato aguarda automaticamente que a presso estabilize no valor de referncia e ento inicia o movimento para determinar o valor mdio do caudal que passa pela vlvula;

  • Automao de Banca Didtica de leo-hidrulica

    31 Exerccios de demonstrao didtica

    Stop de emergncia Premindo este boto, o exerccio interrompido, todas as etapas ativas so levadas a zero, a central desligada, e aparecer um novo painel com a indicao de que ocorreu uma emergncia. Carregando no painel de emergncia a condio de no emergncia rearmada e o utilizador levado de novo ao menu principal. Os atuadores permanecem na posio em que se encontravam no momento em que o boto de alarme foi premido. Assim se for necessrio alterar a posio de algum dos atuadores, basta ligar a central atravs do boto fsico (verde) da consola de comando, atuar as vlvulas manualmente e posteriormente desligar a central atravs do boto fsico (vermelho) da consola de comando;

    Para se fazer o controlo de presso atravs do autmato foi configurado um

    objeto avanado do software de programao. Esta ferramenta consiste num controlador

    proporcional+integrativo+derivativo (PID), na qual se pode configurar um conjunto de

    variveis para que este funcione corretamente. Estas variveis no foram

    disponibilizadas ao utilizador, de modo a garantir a estabilidade de funcionamento da

    banca, e por no ser este tema o objeto do exerccio. Esta ferramenta apresentada na

    fig.3.4.

    Figura 3.4 Controlador proporcional+integrativo+derivativo.

  • Automao de Banca Didtica de leo-hidrulica

    32 Exerccios de demonstrao didtica

    As variveis a configurar no controlador so:

    Estado do controlador - atravs desta varivel possvel ver em que estado se encontra o controlador. Entre outros, destacam-se os seguintes:

    o Controlador inativo; o Controlador em progresso; o Setpoint foi atingido quer isto dizer que a diferena entre o

    valor medido e o valor de referncia igual a zero; Varivel a medir no caso presente a presso; Converso Linear converso linear de bit para bar:

    o Valor mnimo valor de converso; o Valor mximo valor de converso;

    Alarmes: o Valor mnimo ultrapassado varivel de aviso (interna ou

    externa); o Valor mximo ultrapassado - varivel de aviso (interna ou

    externa); Setpoint; - varivel disponibilizada ao utilizador para utilizar como

    referncia ao controlador; Parmetros:

    o Ganho proporcional; o Ganho integral; o Ganho derivativo estabelecido como zero por no ser

    adequado ao controlador; Perodo de amostragem - esta varivel exige que o tempo de ciclo do

    autmato seja peridico, ou seja, tenha um valor fixo; Sada analgica a esta sada foi atribuda uma varivel do tipo word,

    para que depois lhe fosse adicionada o valor correspondente zona morta da vlvula proporcional. O valor efetivo de comando , ento, enviado para a sada analgica que est conectada eletrovlvula proporcional, limitadora de presso.

    Os parmetros relativos ao proporcional e ao integral so as variveis

    que requerem maior ateno no momento de implementar um controlador deste tipo.

    A ao proporcional utilizada para alterar o tempo de resposta do processo.

    Quanto maior o ganho, mais rpida a resposta, e menor o erro esttico (em

    proporo direta), no entanto a estabilidade do sistema pode vir diminuda. Assim,

    necessrio encontrar um ajuste adequado entre tempo de resposta e estabilidade.

    A ao integral utilizada para anular o erro esttico (desvio entre o valor

    medido e o valor de referncia). Quanto maior for a ao integral (Ti menor), mais

  • Automao de Banca Didtica de leo-hidrulica

    33 Exerccios de demonstrao didtica

    rpida a resposta mas tambm mais rapidamente se compromete a estabilidade, da

    que de modo anlogo ao anterior, necessrio encontrar uma boa soluo de

    compromisso entre velocidade e estabilidade.

    A sua modelao matemtica delicada devido, nomeadamente, elasticidade

    associada a diferentes mangueiras hidrulicas utilizadas, pelo que se optou por chegar a

    estes valores por via experimental.

    A programao do autmato baseia-se no GRAFCET apresentado na fig.3.5.

    Figura 3.5 - GRAFCET referente ao exerccio 1 atravs do uso de cilindro.

  • Automao de Banca Didtica de leo-hidrulica

    34 Exerccios de demonstrao didtica

    3.2.1.1.Anlise do exerccio

    Para a realizao deste exerccio, o utilizador dever ter em conta que o caudal

    medido pelo autmato corresponde ao valor mdio de caudal que passa pelo

    estrangulador ao longo dos trs movimentos de avano do cilindro. Assim, antes de

    iniciar o exerccio deve ser decidido o ajuste do estrangulador e, durante a execuo do

    mesmo, no deve ser alterado pois levar a um resultado desvirtuado do caudal mdio

    efetivo em cada movimento.

    Este exerccio foi implementado para possibilitar a medio de caudais muito

    pequenos, pelo que caudais superiores podem levar a que o valor calculado no

    corresponda ao valor real. Isto acontece devido queda repentina da presso, quando a

    vlvula direcional atuada e, portanto, passa a existir um fluxo pela vlvula diminuindo

    instantaneamente o caudal que passa pela vlvula proporcional de presso. Quando

    realizado o exerccio com o controlo de queda de presso ativo, o utilizador pode

    observar na interface a queda de presso, e o aumento progressivo da mesma at atingir

    o valor estipulado. Se o estrangulador for ajustado para uma posio que corresponda a

    um caudal elevado, o utilizador observa que o tempo de resposta do autmato ao

    distrbio de queda de presso no suficiente, para que o mesmo leve a presso ao

    valor desejado antes do autmato iniciar a contagem do tempo de medio do caudal.

    Quando o cilindro est a fazer a inverso de movimento para voltar posio

    mais recuada, e atinge o fim de curso de recuado, observa-se um aumento repentino da

    presso, causado pelo fim do movimento. Assim, antes de reiniciar o movimento de

    avano o autmato aguarda que a presso seja levada ao valor estipulado pelo utilizador

    e, um segundo depois desta se estabilizar, o autmato d ordem para reiniciar o

    movimento de avano.

    Na figura seguinte apresenta-se o resultado da realizao do exerccio para

    vrias posies da vlvula reguladora de caudal e para vrias condies de presso com

    controlo ativo.

  • Automao de Banca Didtica de leo-hidrulica

    35 Exerccios de demonstrao didtica

    Figura 3.6 Caraterstica da vlvula reguladora de caudal para baixos caudais (primeiro ensaio).

    Para minimizar o efeito da variao da temperatura durante o exerccio de

    demonstrao da caraterstica da vlvula reguladora de caudal, os exerccios foram

    realizados com cerca de 10 minutos de intervalo entre cada medio.

    Como possvel observar atravs da fig.3.6, o resultado obtido muito

    semelhante ao que era esperado antes do exerccio ser realizado. de notar que abaixo

    de 10 bar no foram realizados ensaios, isto porque se conhece que a vlvula abaixo

    deste valor no assegura a sua funo e ainda porque a presso mnima disponvel na

    banca hidrulica encontra-se entre 8 e 10 bar. Tambm deve ser referido que o ajuste da

    vlvula reguladora de caudal realizado manualmente e da que ensaios consecutivos

    podem no corresponder a valores iguais de caudal.

    Uma vez que, em princpio, um estudante no ter disponibilidade para

    aguardar cerca de 10 minutos entre dois ensaios a fim de suavizar o efeito da

    temperatura, foi realizado o mesmo ensaio em modo sequencial, ou seja, sem aguardar

    um intervalo de tempo referido anteriormente de modo a representar o ensaio que ser

    obtido pelo estudante. O resultado obtido encontra-se ilustrado na fig.3.7.

  • Automao de Banca Didtica de leo-hidrulica

    36 Exerccios de demonstrao didtica

    Figura 3.7 - Caraterstica da vlvula reguladora de caudal para baixos caudais (segundo ensaio).

    Atravs da fig3.7 possvel apreciar uma ligeira subida do caudal com o

    aumento da presso que, numa primeira interpretao, pode levar o estudante a criar

    uma relao direta entre a presso e o caudal. No entanto, esta ligeira subida de caudal

    tem que ver com o aumento progressivo da temperatura do sistema ao longo da

    realizao dos ensaios visto que estes foram realizados desde a posio mais baixa da

    vlvula reguladora de caudal e no sentido ascendente de condio de presso.

    Uma comparao entre as figuras 3.6 e 3.7 revela, igualmente que, em funo

    da temperatura, as curvas para cada posio de ajuste da vlvula revelam igualmente um

    desvio vertical significativo.

    Para caudais superiores aos apresentados (superiores a 2 lpm) o controlador

    no tem tempo suficiente para atingir a referncia pedida sem comprometer a

    estabilidade do sistema.

    3.2.2.Determinao de caraterstica de vlvula fluxomtrica,

    para caudais mais elevados

    Quando a caraterstica de uma vlvula envolver caudais mais elevados, a

    utilizao de um cilindro hidrulico como elemento de medio revela menor rigor, pois

    os tempos medidos passam a ser muito curtos.

  • Automao de Banca Didtica de leo-hidrulica

    37 Exerccios de demonstrao didtica

    Assim, nestes casos, o caudal mdio que passa pela vlvula reguladora de

    caudal medido usando o motor hidrulico que se encontra instalado na banca. O

    mtodo de realizao desta medio consiste na medio da velocidade de rotao do

    motor, atravs da contagem, por unidade de tempo, do nmero de dentes da roda

    dentada acoplada ao veio do motor, utilizando o detetor que se encontra junto da

    mesma. Este valor registado pelo autmato e, posteriormente, usa estes dados para

    calcular o caudal mdio que passou pela vlvula reguladora de caudal. Para o clculo

    referido so usadas as seguintes equaes.

    [

    ]

    [

    ]

    [ ]

    Em que:

    Cp a cilindrada parcial, que diz respeito ao volume de leo correspondente passagem de um dente pelo sensor;

    Cm a cilindrada do motor, que corresponde ao volume de leo que passa pelo motor, por cada volta completa do veio.

    [ ] [

    ] [ ]

    [ ]

    Em que:

    Q o caudal mdio que passa pela vlvula, em litros por minuto.

    Neste exerccio, semelhana do anterior, a medio do caudal mdio pode ser

    efetuada com ou sem controlo de queda de presso. O controlador usado o mesmo que

    foi referido e caraterizado no exerccio anterior.

    O SETUP da banca hidrulica para executar este exerccio apresentado na

    fig.3.8.

  • Automao de Banca Didtica de leo-hidrulica

    38 Exerccios de demonstrao didtica

    Figura 3.8 Circuito hidrulico para medio de caudal atravs de motor trocoidal.

    Os componentes principais a serem usados e suas particularidades so os que

    se descrevem de seguida:

    Central hidrulica com bomba de cilindrada fixa, a escolher pelo utilizador, entre as disponveis;

    Motor hidrulico trocoidal do tipo: o Gerolor:

    Cilindrada - 8,2 [cm3/rot] Roda dentada com 12 dentes;

    Eletrovlvula de centro em Y, com A e B ligados a T: o Solenide A movimento de rotao no sentido horrio no veio

    do motor (conexo sada digital EV3); Vlvula reguladora de caudal compensada com reteno integrada:

    o Orifcio A ligado sada A2 da eletrovlvula e orifcio B ligado entrada B do motor hidrulico;

    Vlvula em ensaio

  • Automao de Banca Didtica de leo-hidrulica

    39 Exerccios de demonstrao didtica

    o Regulao na posio 0 da escala graduada totalmente fechada;

    o Regulao na posio 5 da escala graduada totalmente aberta; Transdutor de presso (conexo entrada analgica EA1); Vlvula limitadora de presso de comando proporcional (conexo

    eltrica sada analgica VP).

    O procedimento para a realizao do exerccio para caudais maiores

    semelhante ao que se apresenta de seguida.

    Menu VRC para realizar este exerccio o utilizador deve premir o boto correspondente a caudais maiores sendo o utilizador levado para o painel seguinte que corresponde configurao hidrulica da consola que deve ser verificada para realizar o exerccio.

    Verificar ligaes hidrulicas - Os botes disponveis neste painel so semelhantes aos disponveis para a primeira fase do exerccio, nomeadamente:

    Voltar ao painel anterior; Voltar ao painel inicial; Informao ( i ) e; Ok.

    A diferena est no esquema hidrulico representado sendo, neste caso, o elemento de medio um motor hidrulico.

    Verificar ligaes eltricas Neste painel o utilizador deve certificar-se de que as conexes de comando digital das vlvulas direcionais esto corretamente configuradas. Se o utilizador j tiver realizado a primeira fase do exerccio no precisa efetuar qualquer alterao a nvel de conexes eltricas. Os botes disponveis so semelhantes aos apresentados na primeira fase do exerccio.

  • Automao de Banca Didtica de leo-hidrulica

    40 Exerccios de demonstrao didtica

    Painel de execuo do exerccio este o painel disponibilizado aps validao da configurao eltrica. O utilizador tem acesso aos botes:

    Voltar ao painel inicial; Voltar ao painel anterior; Ligar central; Informao; Stop emergncia; Ativar controlo de presso; Inicia medio; Desativar controlo de presso (quando este

    se encontra ativo). Desligar central depois de ligar a central.

    Em maior detalhe so descritas algumas das funcionalidades dos botes,

    nomeadamente:

    Stop de emergncia em caso de emergncia existe um boto pressor STOP que, quando premido, desativa todas as etapas ativas e desliga a central se esta estiver ligada e, faz aparecer uma janela a informar de uma emergncia. Por sua vez, esta avisa que vai voltar ao menu principal. Depois de pressionar a janela, esta desaparece e apresenta-se o menu principal;

    Iniciar medio Encontrando-se no painel de realizao do exerccio, o utilizador pode dar ordem de incio medio do caudal. A contagem do tempo s se d depois do nmero de dentes contados ser superior a 20, para evitar a fase de acelerao do motor. A partir deste ponto feita a leitura do tempo decorrido at que o nmero de dentes contados seja superior a 320. Este valor foi estipulado tendo sido considerado 300 dentes (25 rotaes do veio, isto 205cm de fluido) um valor razovel para efetuar a medio em causa. Nesta altura, o autmato regista o nmero de dentes e o tempo decorrido, enviando de seguida os valores correspondentes para a interface. Esta, por sua vez, faz o clculo necessrio para disponibilizar ao utilizador o valor do caudal mdio correspondente;

    Ativar controlo de presso/ desativar controlo de presso semelhana do que foi referido no ensaio anterior, tambm no painel referente medio do caudal atravs do motor hidrulico, esto disponveis dois botes pressores, que servem para ativar o controlador de queda de presso. No caso em que seja da vontade do utilizador ter o controlo de queda de presso ativo, existem dois botes disponveis para este definir o valor manomtrico da presso em P. Este valor pode ser ajustado numa gama entre 8 e 40 bar, com uma resoluo de 0,5 bar.

  • Automao de Banca Didtica de leo-hidrulica

    41 Exerccios de demonstrao didtica

    A programao do autmato baseia-se no GRAFCET que se apresenta na fig.3.9.

    Figura 3.9 GRAFCET referente ao exerccio 1 atravs do uso de um motor hidrulico.

    3.2.2.1.Anlise do exerccio

    A implementao desta segunda fase do exerccio vem dar uma soluo para a

    impossibilidade do uso do cilindro assimtrico na medio de caudais mais elevados.

    No entanto, este no substitui o anterior pelo facto de, em medies de caudais mais

    pequenos, os resultados obtidos por este mtodo poderem ter erros associados devido a

    fugas internas do motor.

    Quando se pretende realizar o exerccio com o controlo de queda de presso

    ativo aconselhado que o ajuste do estrangulador para a posio desejada, seja

    realizado de um modo suave para no por em causa a estabilidade do sistema. Neste

    caso no surgem problemas de queda repentina de presso, pelo facto de no haver

    inverses de movimento, tal como acontece no exerccio anterior. Deste modo, observa-

    se uma maior estabilidade do sistema durante a realizao do exerccio.

  • Automao de Banca Didtica de leo-hidrulica

    42 Exerccios de demonstrao didtica

    O ensaio da caraterstica da vlvula reguladora de caudal que pretende apreciar

    a relao entre a posio de ajuste da vlvula reguladora e o caudal que a atravessa foi

    realizado a uma presso de 15 bar e com controlo de presso ativo. Os resultados

    obtidos foram os que se apresentam na figura seguinte.

    Figura 3.10 Caraterstica de vlvula reguladora de caudal (Variao de caudal com ajuste manual).

    3.2.3.Efeito da temperatura na medio de caudal

    Ao realizar o exerccio de medio de caudal com o controlo de presso ativo,

    de realar que o controlador vai, permanentemente, variar a vlvula proporcional

    limitadora de presso, de modo a manter a presso em P constante. Assim, medies

    consecutivas nas mesmas condies de presso e posio da vlvula reguladora de

    caudal, podem no corresponder a valores de caudal idnticos.

    A fig.3.11 mostra os valores de medio de caudal obtidos com a vlvula

    reguladora de caudal na posio 0,8 e com o controlador de presso ativo para uma

    presso de 15 bar.

  • Automao de Banca Didtica de leo-hidrulica

    43 Exerccios de demonstrao didtica

    Figura 3.11 Efeito da temperatura na medio do caudal

    Foram efetuadas uma srie de medies consecutivas, para realizar este ensaio.

    No incio da medio, a temperatura do fluido no reservatrio era de aproximadamente

    24C. Como se pode observar ao longo do exerccio, o caudal medido vai aumentando

    tendendo para uma estabilizao. A temperatura no reservatrio aumenta desde 24C e

    ascende a 40C, no ultrapassando 44C. A temperatura na vlvula direcional, na

    vlvula reguladora de caudal e na vlvula proporcional limitadora de presso no foi

    medida. No entanto, atravs do tato, pareceu estar bem acima de 44C.

    Assim, quando se queira realizar um ensaio mais rigoroso, aconselhvel, com

    base nos resultados obtidos, deixar a central ligada durante algum tempo at que atinja

    uma temperatura de estabilizao trmica, de modo a que o efeito da temperatura no

    influencie significativamente o resultado esperado do ensaio.

    3.3.Exerccio de demonstrao 2 Ajuste de pressostatos

    Com o objetivo de aumentar a flexibilidade da banca em termos de exerccios

    didticos, foram instalados em cada banca dois pressostatos, que podem ser ligados a

    diferentes mini tomadas rpidas de presso.

    Na fig.3.12 apresenta-se um pressostato e na fig.3.13 ilustrado o esquema

    eltrico correspondente. No que diz respeito ao esquema eltrico, o contacto 1-3

  • Automao de Banca Didtica de leo-hidrulica

    44 Exerccios de demonstrao didtica

    corresponde a um contacto normalmente aberto (NA) e o contacto 1-2 ilustra um

    contacto normalmente fechado (NF).

    Figura 3.12 Pressostato.

    Figura 3.13 - Esquema eltrico simplificado do pressostato

    Pressostatos, podem tambm ser denominados interruptores hidrulicos de

    pisto que so acionados por presso hidrulica de modo a ativar um interrutor eltrico

    quando uma presso hidrulica, pr-ajustada, atingida. Em cada pressostato existe um

    parafuso, que serve para ajustar o seu setpoint. Este ajuste pode ser realizado atravs de

    uma chave sextavada (tipo Unbrako). A presso a ser monitorada age sobre o pisto

    que, por sua vez, atua sobre a mola atravs da sua base. Em oposio ao movimento do

    pisto encontra-se a fora da mola, ajustvel pelo utilizador. Quando a fora exercida no

    pisto, devido presso hidrulica, ultrapassa a fora da mola pr-ajustada, o interrutor

    eltrico ativa-se e envia um sinal eltrico, neste caso, para o autmato.

    A implementao deste exerccio vem disponibilizar uma forma simples de

    ajuste dos pressostatos sem que seja necessrio, por parte do utilizador, fazer variar a

    presso do circuito, j que este se faz automaticamente atravs do autmato.

    Para tal, utilizada a vlvula proporcional limitadora de presso que se

    encontra instalada na banca didtica, sendo que esta controlada atravs do PLC. A

    conexo entre os dois elementos realizada atravs de uma das sadas analgicas

    existentes num dos mdulos do autmato, j referido5 anteriormente. Pretende-se que o

    5 Captulo 2 Estudo da banca didtica 2.2.3.1.2. Mdulos.

  • Automao de Banca Didtica de leo-hidrulica

    45 Exerccios de demonstrao didtica

    utilizador interaja com a banca, definindo a presso de ajuste de cada pressostato e, de

    forma iterativa, faa o ajuste e posterior verificao.

    O circuito hidrulico correspondente encontra-se ilustrado na fig.3.14.

    Figura 3.14 Circuito hidrulico para ajuste de pressostatos.

    Os elementos principais a serem usados e suas particularidades so os que se

    descrevem de seguida:

    Central hidrulica com bomba de cilindrada fixa a escolher pelo utilizador, entre as disponveis;

    Vlvula de controlo de fluxo do tipo modular: o Ambos os sentidos totalmente abertos;

    Eletrovlvula de centro em Y, com A e B ligados a T: o Solenide A conexo sada digital EV3; o Solenide B - conexo sada digital EV4;

    Transdutor de presso conexo entrada analgica EA1 Vlvula limitadora de presso de comando proporcional (conexo

    eltrica sada analgica VP); Pressostatos:

    o Pressostato 1 ligado hidraulicamente a A2, eletricamente ligado a ED.5-6;

    Pressostatos e