qual o caminho mais eficiente para re - Mecatrônica Atual

instrumentação
14 Mecatrônica Atual :: Novembro/Dezembro 2008

Associada da:
Editora Saber Ltda
Diretores
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Thereza Mozzato Ciampi Fittipaldi
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Editor e Diretor Responsável
Hélio Fittipaldi
Redação
Fabieli de Paula,
Monique Souza,
Thayna Santos
Produção
Diego Moreno Gomes, Renato Paiotti
Designers
Diego Moreno Gomes
Colaboradores
Alan Liberalesso,
André Ribeiro Lins de Albuquerque,
Antonio Dresch Jr.,
Carlos Reis de Freitas,
Cláudio Adriano Policastro,
Danny R. Efron,
Dieison Grumovski,
Edson Jaime Michalak,
Hamilton Badin Jr.,
Oscar Siqueira,
Paulo Garcia de Souza,
Renato Paiotti,
Roberto Luiz R. Cunha
VENDAS DE PUBLICIDADE
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PARA ANUNCIAR: (11) 2095-5339
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Mecatrônica Atual é uma publicação da
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Associação Nacional
dos Editores de
Revistas
Associação Nacional
das Editoras de Publicações Técnicas,
Dirigidas e Especializadas
Projeções para a
industria de automação
A indústria de automação projeta um crescimento de 30% para 2008, caso
a previsão esteja correta, o faturamento bruto do setor atingirá R$ 3,7 bilhões.
As perspectivas para os próximos dois a três anos estimadas pela ISA Distrito 4
América do Sul, associação dos profissionais de automação e instrumentação, é
bastante otimista.
Nos setores de petróleo e gás, siderurgia, papel e celulose que indicam substanciosos
investimentos, já notamos a forte contratação de pessoal nos últimos
meses.
A percepção do setor é que o Brasil está sintonizado com o que há de mais
avançado em tecnologia da área e cresceu 11% em 2007. Já os outros países vão
manter uma média nos próximos cinco anos de 6,4%.
Em toda a América Latina exitem aproximadamente 2600 afiliados à ISA
Distrito 4. Há 63 anos (abril de 1945), a ISA, foi fundada na Pennsylvania -
USA, congregando em todo o mundo cerca de 30 mil profissionais, estudantes
e acadêmicos, em mais de 110 países.
Seguindo as suas origens, a ISA Distrito 4 está mais voltada para a área de
processo, ficando em segundo plano a área de automação da manufatura que
tende também a crescer muito nos próximos anos.
Neste ano quando as portas da Brasil Automation ISA Show se abrirem,
passará por elas o segundo membro não americano a exercer a presidência da
ISA mundial. O primeiro foi um italiano e o segundo, o engenheiro eletrônico
brasileiro, Nelson Ninin, que assume o cargo de presidente eleito secretário em
2009 e como Presidente Mundial da ISA em 2010.
O seu currículo pesou na decisão, mas o que se destacou foi seu conhecimento
profundo “in loco” do mercado de automação em diversos países da Asia, Europa
e América.
Aproveito para lembrar, de novo, que a partir da edição nº 38 a revista Mecatrônica
Atual não está mais disponível para venda em bancas de jornais, e sim,
somente por assinaturas das edições impressas em papel e o por meio do portal
Mecatrônica Atual (www.mecatronicaatual.com.br).
Hélio Fittipaldi
Atendimento ao Leitor: atendimento@mecatronicaatual.com.br
Os artigos assinados são de exclusiva responsabilidade de seus autores. É vedada a reprodução total ou parcial
dos textos e ilustrações desta Revista, bem como a industrialização e/ou comercialização dos aparelhos ou idéias
oriundas dos textos mencionados, sob pena de sanções legais. As consultas técnicas referentes aos artigos da
Revista deverão ser feitas exclusivamente por cartas, ou e-mail (A/C do Departamento Técnico). São tomados todos
os cuidados razoáveis na preparação do conteúdo desta Revista, mas não assumimos a responsabilidade legal por
eventuais erros, principalmente nas montagens, pois tratam-se de projetos experimentais. Tampouco assumimos a
responsabilidade por danos resultantes de imperícia do montador. Caso haja enganos em texto ou desenho, será
publicada errata na primeira oportunidade. Preços e dados publicados em anúncios são por nós aceitos de boa fé,
como corretos na data do fechamento da edição. Não assumimos a responsabilidade por alterações nos preços e
na disponibilidade dos produtos ocorridas após o fechamento.
1

índice
10
24
28
10
15
20
24
28
31
34
36
44
Editorial
Contato
Notícias
Chão de fábrica
Sistema de controle para
processos de bateladas
Controle de patrimônio
via RFID
Otimização na destilação
de etanol?
Monitoramento online
do desempenho da
planta industrial
Placas de aquisição e
controle NI Single-Board Rio
Aquisição de dados
plataformas Multicore
Trem esmerilhador é implantado
em área industrial da
Companhia Vale
Manutenção preditiva:
análise de vibrações
Alimentação solar para
telefonia rural
01
03
04
47

Sensores de nível d’ agua
Solicito informações de empresas que fornecem
sensores de nível d’agua externo, sem contato
com o líquido.
Dorival Goes
Consultor em Desenv. de Projetos
Paranavaí - PR
Caro leitor, informamos que existem
diversas empresas que fabricam sensores
capacitivos de nível de líquidos e sensores
de fluxo. Indicamos algumas para facilitar
sua busca:
• Brumark
www.brumark.com.br
• Emicol
www.emicol.com
• Gentech
www.gentechinternational.com
• Icos
www.icos.com.br
• IFM
www.ifm-electronic.com
• Morgan Electro Ceramics
www.morganelectroceramics.com
• Sensor Scientific
www.sensorsci.com
OPC
Gostaria de sugerir uma matéria específica
sobre o padrão OPC (OLE for Process Control).
Lucas Azevedo
Autônomo
Salvador – BA
Lucas, sua sugestão já está anotada. Aproveitamos
a oportunidade para indicar a leitura do artigo
“Os CLPs terão uma arquitetura tão aberta quanto
um PC?, edição nº 30 e também a série “Ethernet
Industrial”, publicada nas edições nº 17, 18, 19 e
20. Assim, você poderá conferir algumas informações
sobre o padrão OPC. Não deixe de ler!
Montagens Industriais
A equipe da revista Mecatrônica Atual pode
indicar algum livro que trate sobre montagem
eletromecânica?
José da Costa
São Paulo - SP
Caro José, nossa indicação é o livro:
“Planejamento, Execução e Controle – Montagens
Industriais”, escrito por Paulo S.
Thiago Fernandes. O autor deste livro,
em seus 20 anos de experiência na área de
montagens, procurou escrevê-lo sob a óptica
do montador, não do projetista, fabricante
ou construtor. Dentro dessa orientação, são
abordadas as cinco modalidades básicas que
compõe a montagem: estruturas metálicas,
equipamentos mecânicos, tubulações, elétrica
e instrumentação. Além destas, algumas
técnicas sempre presentes, como o transporte
e levantamento de cargas, a soldagem e a
pintura. Você pode encontra-lo na loja virtual
Nova Saber (www.novasaber.com.br).
contato
Mecatrônica Atual nº 30
Escreva para a
Mecatrônica Atual:
Duvidas, sugestões ou reclamações
sobre o conteúdo de nossas reportagens,
artigos técnicos ou notícias,
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literatura
eventos
Novembro
Brazil Automation - ISA Show 2008
Organizadora: Isa
Dia: 17 a 19
Local: Expo Center Norte - Rua José
Bernardo Pinto, 333 - São Paulo - SP
Mais informações:
www.isashow.com.br
Automation Fair
Organizador: Rockwell Automation
Data: 19 a 20
Local: Gaylord Opryland Comple-
Nashville - Tennessee - USA
Mais informações:
www.rockwellautomation.com/
events/automationfair/
Itajaí Trade Summit 2008
Organizador: Net Marinha
Data: 19 a 21
Local: Auditório Martin Schmelling -
Porto de Itajaí/SC
www.itajaitradesummit.com.br
O livro “Inversores de Freqüência
– Teorias e Aplicações” visa aprimorar o
conhecimento de técnicos, tecnólogos e
engenheiros que atuam nas áreas de automação,
mecatrônica e eletrotécnica,
além de profissionais que desejam
se manter atualizados.
De maneira dinâmica, instrutiva
e objetiva, a obra de Claiton
Moro Franchi, apresenta os
conceitos fundamentais de
inversores de freqüência e
os aspectos relativos à sua
instalação e aplicação.
Também explana os
princípios de funcionamento
dos inversores
de freqüência,
Siemens PLM Connection
Brasil 2008
Organizador: Siemens
Data: 19 a 19
Local: Bourbon Joinville Business Hotel -
Joinville/SC
Mais informações:
work.ugsplm.com.br/mkt/
connection/
Curso - Projeto e Dimensionamento
de Redes de Ar Comprimido
Organizador: Festo Automação Ltda
Data: 24 a 26
Local: Rua Giuseppe Crespi, 76 KM 12,5
da Via Anchieta São Paulo/SP
Mais informações:
www.festo.com.br
controles escalar e vetorial, características
de instalação e aplicações, incluindo uma
descrição detalhada dos parâmetros dos
inversores.
Ao final de cada capítulo, são propostos
exercícios que auxiliam na compreensão e
fixação dos temas estudados. Para complementar
o aprendizado o livro reserva um
apêndice ao estudo dos transdutores de
velocidade, fundamentais para o controle
de velocidade de freqüência.
Inversores de Freqüência –
Teorias e Aplicações
Autor: Claiton Moro Franchi
Preço: R$ 56,00
Onde comprar:
www.novasaber.com.br
Dezembro
Automação com Controladores
Lógicos Programáveis – Siemens S7 300
Organizador: Festo Automação Ltda
Data: 01 a 05
Local: Rua Giuseppe Crespi, 76 KM 12,5
da Via Anchieta São Paulo/SP
Mais informações:
www.festo.com.br
Curso Automação Pneumática
Organizador: Festo Automação Ltda
Data: 01 a 10
Local: Rua Giuseppe Crespi, 76 KM 12,5
da Via Anchieta São Paulo/SP
www.festo.com.br
Comandos Elétricos em
Sistemas Hidráulicos
Organizador: Festo Automação Ltda.
Data: 15 a 17
Local: Rua Giuseppe Crespi, 76 KM 12,5
da Via Anchieta São Paulo/SP
Mais informações:
www.festo.com.br

instrumentação
Novembro/Dezembro 2008 :: Mecatrônica Atual

notícias
Engenheiro brasileiro lança livro
de automação com tecnologia
usada pela Petrobras
O Engenheiro Eletrônico Augusto Passos Pereira, acaba de
lançar mundialmente o livro: “Foundation Fieldbus”. Trata-se de
uma tecnologia de interligação em redes, via protocolo digital,
de equipamentos medidores e controladores de variáveis, tais
como: pressão, temperatura, vazão e nível utilizados nos projetos
de automação das unidades industriais, como refinarias e
plataformas de petróleo. O livro foi escrito em conjunto com
o engenheiro canadense Ian Verhappen.
Pereira, formado na Faculdade de Engenharia Industrial (FEI),
trabalhou durante 18 anos nos Setores de Engenharia e Manu-
tenção da Dow Química do Guarujá e atuou durante seis anos
Augusto Passos Pereira lançará
o livro “Foundation Fieldbus”
no Congresso e Feira Brazil
Automation 2008.
na multinacional brasileira
Smar Equipamentos Industriais.
Depois ingressou
na Emerson Process, e na
Yokogawa América do Sul.
Atualmente, é o Gerente
de Marketing para a América
do Sul da empresa
alemã Pepperl+Fuchs, com
sede continental em São
Bernardo do Campo (SP).
Além disso, ele exerce a
atividade de professor em
diversas Universidades
de cursos de MBA e Pós
Graduação.
Pilz completa 10 anos de Brasil
Neste ano, a empresa Pilz comemora dez anos de atuação
no Brasil. Há 60 anos, na cidade alemã Esslingen a empresa
iniciou suas atividades industriais. Sob o comando de seu fundador,
Hermann Pilz, fabricava instrumentos para laboratórios
técnicos-medicinais.
Hoje, a empresa fabrica dispositivos eletrônicos para segurança
e proteção contra acidentes em máquinas e processos.
Para o diretor Geral da Pilz do Brasil, Aitemar Nunes Fernandes,
estes foram dez anos de muitas transformações. “A empresa
estava dentro de um conceito de fabricante e vendedora de
produtos de segurança e hoje fornece uma solução completa
em automação incluindo serviços de consultoria e engenharia.
Tivemos uma importante evolução”, disse.
Mecatrônica Atual :: Novembro/Dezembro 2008
Produtos
Terminal de válvulas MPA
A Festo traz para o mercado sua alternativa para
redes AS-I: o terminal de válvulas MPA. Modular,
flexível e com diversas opções de configuração é
uma solução para comunicação de chão de fábrica.
Seus beneficios são: baixos custos e facilidade
de instalação; alta flexibilidade e facilidade de expansão;
compatibilidade com outros fabricantes e
fácil integração com o nível de controle (Gateway
para Profibus, DeviceNet e outros).
Eletricamente, o terminal MPA conta com entradas
integradas e diversas opções de conexão
elétrica, além de utilizar um único cabo redondo
que completa as funções de alimentação e
alimentação adicional, 4E/S ou 8E/S como escravo
duplo e 350 mA de potência por entrada. Como
características pneumáticas, o terminal pode
combinar de 2 a 8 posições de válvulas, todas
as funções, separação de zonas de pressão, dois
tamanhos para vazões diferentes. O terminal
dispõe, também, de regulador e manômetro para
ajuste de pressão em cada posição de válvula. Sua
interface AS tem especificação 2.1, com um bit e
um LED de falha para cada escravo, conexão de
rede e alimentação adicional via 2xM12, assim
como diagnóstico por escravo.
Modular e compacto para montagem em espaços
reduzidos, a solução é extremamente indicada
para máquinas especiais ou aplicações com necessidades
de alterações e expansões freqüentes,
podendo reduzir em 40% os custos convencionais
de instalação. O terminal de válvulas MPA FESTO
pode encurta os tempos de ciclo em até 40%
– devido, por exemplo, à utilização de tubos mais
curtos –, consome menos energia e tem seqüências
pneumáticas otimizadas por meio do perfeito
dimensionamento das cadeias de comando. Além
disso, a montagem ideal de pares de 4 válvulas
e 8 entradas com MPA-ASI cria transparência e
diminui o risco de falhas.

Produtos
Inversores para aplicações
sujeitas a jatos
Os inversores CA PowerFlex 40 tipo 4X/12
(IP66/54) com classificação NEMA/UL, e ArmorStart
NEMA 4X são ideiais para ambientes rigorosos,
como farmacêutico, automotivo, alimentos
e bebidas. Eles oferecem as opções de encapsulamento,
protegendo contra poeiras, respingos e
jatos de água aplicados por mangueiras, produtos
químicos cáusticos e corrosão. Disponíveis em
tensões de 240, 480 e 600 volts para aplicações até
3,7 KW (5 HP).
O PowerFlex 40 NEMA 4X é certificado pelo National
Sanitation Foundation (NSF), e proporciona
controle vetorial descentralizado, para aplicações
que demandam controle de baixa velocidade e alto
torque. Já o ArmorStart NEMA 4X oferece diversos
métodos de partida, incluindo partida direta à
plena tensão, reversão, controlador inteligente e
freqüência variável.
Techmei 2008
//notícias
Aconteceu no mês de outubro a Feira Internacional de Tecnologia
em Máquinas e Equipamentos Industriais – Techmei. O
evento estreou no circuito de feiras internacionais, idealizada
pela Associação Brasileira dos Importadores de Máquinas e
Equipamentos Industriais (Abimei) e contou com a participação
de 300 empresas.
Entre elas a GE Fanuc, Siemens, Yaskawa, Deb’Maq. Alguns
expondo seus lançamentos e outros reforçando máquinas que
já foram lançadas. Apesar da adversidade do mercado, a feira
alcançou seus objetivos, com diversas empresas que realizaram
vendas de máquinas, em um total de R$ 80 milhões.
O presidente da Abimei, Thomas Lee afirma “a Techmei já
pode ser considerada um importante fórum de tecnologia e
desenvolvimento do setor. Estamos muito animados já com a
segunda edição do evento em 2010”,diz.
A Gerente de Marketing da Yaskawa, Elisa Grabski fala da
importância de participar da Techmei. “Existem muitos clientes
da nossa empresa aqui no evento. Esta é uma excelente oportunidade
de apoiar e manter o contato com eles. E é sempre
interessante expor nossas novidades”, diz.
Além da exposição das empresas a Techmei contou com
palestras sobre mercado e economia dentro da abordagem: O
desafio do crescimento.
Exposição inédita trouxe máquinas
e equipamentos de alta tecnologia
para modernização do parque
industrial do país, negócios
somaram R$ 80 milhões.
Novembro/Dezembro 2008 :: Mecatrônica Atual

notícias
Weg faz negócios no México
A produtora de açúcar para bebidas não-alcoólicas do
México, usina Tres Valles, fechou com a WEG a aquisição
de um gerador de 40MW e uma casa de força com quadros
elétricos de média e baixa tensão para um sistema de geração
de 50MVA/17,5kV/60Hz, automatizados com equipamentos
fabricados pela empresa. A aquisição, estimada em US$ 1,5
milhões, faz parte de um projeto de geração de energia que
teve início em junho deste ano e tem término previsto para
dezembro de 2009.
O engenho tem capacidade de processar 10 mil toneladas
de cana por dia, provenientes do município de Tres Valles e de
cidades vizinhas, gerando mais de 1200 toneladas de açúcar a
cada 24 horas. Foi propriedade do governo mexicano até o ano
de 1988 e, depois dessa data, passou a fazer parte da PIASA
– Promotora Industrial Azucareira S.A.
Curtas
A Deb’Maq fechou parceria para representar
no Brasil a japonesa Fuji Machine, fabricante de
máquinas-ferramenta e máquinas de montagem de
circuito impresso. O acordo foi fechado durante
o International Manufacturing Technology Show
– IMTS, realizado em Chicago/ EUA. Até então, a
fabricante japonesa não possuía representante no
País. Com a parceria, a Deb’Maq prestará todo
suporte para comercialização das máquinas Fuji, o
que inclui treinamento, assistência técnica e reposição
de peças, oferecendo uma estrutura para
representação da marca no mercado nacional,
fator decisivo para o fechamento da negociação,
iniciada em fevereiro de 2008.
Integradores
Marília - SP
Fundada em 1991 a Solution
Automação Industrial, é voltada
para o fornecimento de
soluções na área de Indústria
e Controle de Processos. A
primeira tarefa da empresa, foi
a criação de um robô de carga
capaz de identificar o produto
e entrega-lo em sua prateleira
correspondente. Este desafio
foi a pedido da empresa
Bandag do Brasil.
Mecatrônica Atual :: Novembro/Dezembro 2008
Produtos
PROFINET/PROFIsafe
Com o sistema I/O descentralizado o PSSuniversal,
pode realizar funções de comando orientadas para a
segurança e/ou standard, de forma descentralizada em
campo. A comunicação com o comando é feita através
do PROFINET/PROFIsafe.
Os usuários do PROFINET podem agora também
usufruir das vantagens do sistema I/O descentralizado
PSSuniversal: alta segurança, automação standard integrada,
livre de interferências entre standard e segurança,
estrutura de sistema modular, rápida colocação
em funcionamento através do PSSuniversal Startup
Software entre outras.
Os benefícios dos novos módulos são: o endereço
PROFIsafe é necessário apenas uma vez por cada
estação descentralizada, isto significa que as definições
de segurança de cada aparelho apenas se realizam num
ponto; Manuseio simples (sem definição e gerenciamento
de endereço para cada módulo I/O); Aproveitamento
ideal dos endereços/quantidade de FS, menos
trabalho de planejamento e administração.
Com mais de 100 projetos
realizados, a Solution Automação
é distribuidora de diversas
marcas entre elas Fenix
Contact e Schneider Eletric.
A empresa também oferece
cursos e treinamentos.
Em uma das realizações a Solution
Automação desenvolveu
dois projetos para a Henkel
Loctite do Brasil, localizada em
Boituva/SP.
O primeiro é o projeto elétrico
e montagem eletromecânica
do painel PLC SLC-500
(Sistema de transferência cascola).
E o segundo é o sistema
de transferência cascola com
SLC-500 e iFix32 com módulo
de receitas.
Contato:
joao.turatti@solution
automacao.com.br

Produtos
Chaves fim de curso
a prova de explosão
A Honeywell possui uma linha de
produtos com projeto de encapsulamento,
o qual cumpre com as
exigências de normas internacionais
e nacionais. O projeto inclui
um encapsulamento a prova de
explosão dotado de um sistema
que mantém e refrigera o faíscamento
dentro do invólucro. Ele
não permite o aquecimento dos
gases externos que cercam a chave
fim de curso. A serie BX possui
encapsulamento em aço inoxidável
resistente a corrosão.
As chaves fim de curso a prova
de explosão da Honeywell são
aplicáveis em: transportadores de
grãos, perfurações para exploração
de petróleo, instalações petroquímicas,
cabines de pintura, posicionadores
de válvulas, equipamentos
para mineração, pulverizadores
de sal, máquinas para o segmento
de papel e celulose, transporte e
manipulações de materiais.
Dentre suas certificações a empresa
destaca: Atex, UL, CSA, IEC Ex.
O grau de selagem inclui padrões
do tipo NEMA 1, 3, 4, 6 e 13 e o
grau de proteção IP67 possibilita
aplicações em locais com sujeira,
água e óleo. Destinados a locais
perigosos como os da Classe I,
Grupo B, C e D e Classe II, Grupo
E, F e G.
reportagem
Novembro/Dezembro 2008 :: Mecatrônica Atual

manufatura
Sistema de
controle para
processos de
bateladas
Há algum tempo os processos de bateladas deixaram
de ser um mistério nas indústrias e no ambiente de
automação. O cenário atual nos apresenta diversas
maneiras de se controlar e monitorar um processo
de bateladas, cada um com suas características,
vantagens e desvantagens. Este artigo visa mostrar
alguns detalhes de quatro maneiras diferentes de
se automatizar um processo de bateladas a partir
de um sistema de controle
saiba mais
Características dos CLP’s vendidos
no Brasil
Mecatrônica Atual 31
Base Automação
www.baseautomacao.com.br
Por Alan Liberalesso*
10 Mecatrônica Atual :: Novembro/Dezembro 2008
Controle a partir de
CLPs e IHMs
Interagir com os equipamentos de
campo, como válvulas, motores, sensores
e outros dispositivos, através de CLPs (ou
PLCs, Programmable Logic Controllers, em
inglês) é o recurso mais comum na maioria
dos processos industriais no mundo, inclusive
no Brasil.
Neste contexto, cabem ao PLC tarefas
como: partida e parada de motores, abertura
e fechamento de válvulas, contagem,
temporização, monitoramento e controle de
variáveis analógicas, seqüenciamentos, entre
muitos outros. Nos processos de bateladas
são utilizados alguns algoritmos de pesagem,
tabelas de dados e procedimentos. O
controle do processo é realizado pelo PLC,
o papel dele é a execução das operações,
sejam estas fixas ao longo de suas rotinas,
sejam parametrizáveis através de alguma
interface de operação.
As IHMs, equipamentos para visualização
e controle de processo, projetadas
para o ambiente industrial e com dezenas
de opções disponíveis no mercado, tem o
papel de apresentar de maneira didática
as informações do processo ao usuário
do sistema. No sentido contrário, recebe
os comandos gerados pelo mesmo e faz a
“entrega” ao PLC por meio de sua interface
de comunicação.

F1. Tela de seleção de receitas.
O controle dos processos de batelada
realizados pelo par PLC-IHM pode ser
realizado de diversas maneiras, dependendo
do hardware empregado, tipo de processo,
número de receitas, entre outros. Assim:
• Processos e aplicações com uma
única receita: neste caso, a IHM
apresenta ícones, textos ou teclas de
função (dependendo do modelo) onde
são solicitadas operações como: iniciar
receita/batelada, pausar, abortar,
entre outros. A IHM pode apresentar
informações como número do passo
em execução, mensagens ao operador,
tempo da batelada, quantidades
adicionadas, etc. O PLC recebe os
comandos e executa as operações
previamente estabelecidas em sua
lógica de controle. É papel do PLC
identificar a execução dos passos e
gerenciar o processo de bateladas.
Dependendo do processo e aplicação,
os parâmetros desta receita podem
ser alterados via IHM (tempos, velocidades,
quantidades, etc.), porém
a ordem de execução das tarefas
(seqüenciamento da bateladas) não
pode ser alterada;
• Em processos onde temos mais
de uma receita: pode-se trabalhar
de maneira semelhante à anterior,
somente acrescendo ferramenta para
seleção da receita via IHM. Também
neste caso existe a opção de se utilizar
valores previamente definidos no
PLC ou alterá-los via IHM.
A maioria das IHMs existentes no
mercado obriga que todos os parâmetros
das receitas sejam armazenados no PLC, em
tabelas de dados que são copiadas para a área
de trabalho após seleção e solicitação feita
F2. Tela de parametrização.
F3. Tela de gerenciamento completo.
pelo usuário do sistema. Alguns modelos
permitem que todos os dados das receitas
fiquem armazenados na própria IHM,
liberando memória no PLC e reduzindo
drasticamente a necessidade de lógicas dedicadas
ao armazenamento e manipulação
destes dados no mesmo.
A utilização do par IHM-PLC não permite
controle de versão, revisão e autoria.
Além disso, limita o número de receitas, o
acesso aos dados das mesmas, e não permite
alterar o seqüenciamento das operações.
Apesar de normalmente vincularmos
processos de bateladas a tanques de produção,
adições de matérias-primas, procedimentos,
etc., existem muitas máquinas e linhas de
produção que apesar atuarem dentro de
processos contínuos ou de controle discreto
utilizam parte do princípio de controle de
batelada para seleção de produtos, peças,
formatos e setup das mesmas. Veja os exemplos
na figura 1, figura 2 e figura 3.
Novembro/Dezembro 2008 :: Mecatrônica Atual
manufatura
Controle com PLCs e SCADA
O princípio de controle é o mesmo. A
diferença é que com a utilização de sistemas
supervisórios tem um grande incremento de
capacidade, funcionalidades e ferramentas
para interagir com o processo. As aplicações
geradas para este tipo de sistema rodam
em microcomputadores, os mundialmente
conhecidos PCs.
Primeiramente, cada equipamento ou
dispositivo do processo que é controlado
pelo PLC pode ser manipulado a partir
do sistema supervisório. Comandos como
abrir/fechar/ligar/desligar, seleção de modo
de operação (manual, automático, manutenção)
são feitos a partir de janelas de
controle individualizadas. A indicação dos
status (ligado/desligado/aberto/fechado/em
alarme/inibido/em manual/em automático)
também é feita de maneira individual e
para todos os equipamentos. Variáveis de
processo (temperatura, pressão, vazão, nível,
11

manufatura
F4. Tela sinótica.
velocidade) são monitoradas e controladas
a partir de computadores, fisicamente posicionados
junto ao processo, em salas de
controle, ou remotamente, a quilômetros de
distância. E o processo de batelada, o que
esta arquitetura pode proporcionar?
Com relação à capacidade de armazenamento
de receitas, milhares podem fazer
parte do sistema; quanto ao gerenciamento
das mesmas através da tela do computador,
pode-se visualizar e selecionar utilizando
filtros como código, versão, família, produto,
receita. Além desses, é possível definir
o tamanho da batelada e a quantidade
de bateladas a produzir. Como controle,
operações como pausar, parar, abortar,
pular passo, alterar parâmetros e tempos,
são operações comuns. Pode-se até montar
uma fila de produção, onde são selecionadas
todas as bateladas para um determinado
período (hora, turno, dia).
As telas de acompanhamento da produção
trazem informações importantes do
processo e da batelada, como a indicação
do passo atual, dos passos executados com
os respectivos registros (quantidade real,
tempo consumido, alarmes, etc.), das bateladas
que estão em execução, do status e
conteúdo dos tanques. Gráficos registram
o comportamento das variáveis e as telas
sinóticas (que apresentam o layout do processo)
trazem em tempo real as informações
do chão-de-fábrica.
12 Mecatrônica Atual :: Novembro/Dezembro 2008
Neste sistema fica restrita a alteração
da ordem de execução dos passos e assim
como na arquitetura anterior, não é possível
repetir um passo já executado, operações
em paralelo, defasagem entre passos, etc.
Exemplos na figura 4 e figura 5.
Controle por PLC, SCADA e
Sistemas MES (Sistemas de
Execução da Manufatura)
Nesta arquitetura o sistema supervisório
mantém a atribuição de monitoramento e
controle do processo, mas o gerenciamento
da batelada cabe a um sistema MES, desenvolvido
através de linguagens de programação
de alto nível. Neste caso, todas as
informações referentes às receitas (códigos,
matérias-primas, passos, procedimentos,
etc.) ficam armazenadas em bancos de dados
do tipo relacional, os quais proporcionam,
entre outras vantagens, maior capacidade de
armazenamento, utilização de ferramentas de
consulta, acesso remoto e por mais de uma
estação de trabalho/operação, rastreabilidade
e trabalho com sistema de armazenamento
aberto e escalonável.
O sistema MES contempla telas e recursos
para cadastro de matérias-primas,
procedimentos, parâmetros e registros, bem
como a montagem da receita com dados de
cabeçalho (código, nome, descrição, data de
criação e revisão, versão, produto, etc.), e com
a composição dos passos com os respectivos
F5. Tela de gerenciamento e
acompanhamento.
procedimentos, sejam estes relacionados aos
processos de dosagem, sejam instruções de
trabalho ou procedimentos de controle (ex.:
agitação, resfriamento, tempo de espera,
etc.). Também é papel deste tipo de sistema
a interface para solicitação de produção
(lotes a produzir, número de bateladas, etc.),
uma ferramenta para acompanhamento da
produção (lotes em andamento, bateladas
concluídas, status, etc.).
O sistema de relatório também faz
parte de um sistema MES, seja ele gerado
dentro do próprio sistema, seja através de
algum software de relatório de mercado ou
mesmo a partir de ferramenta Web (para
consulta através de um navegador como o
Internet Explorer, da Microsoft)
Em uma visão mais ampla, o sistema
MES responde por:
• Cadastros: toda a entrada de dados
que visa alimentar as tabelas do
banco de dados com informações
para futura;
• Solicitação de produção: interface
onde é inserido o plano de produção,
ou seja, a relação de receitas a produzir,
o número de lote ou ordem de
fabricação e o número de bateladas
desejadas de cada uma (figura 6);
• Acompanhamento da produção:
interface para visualização do andamento
da produção, com status das
receitas, bateladas em andamento,
concluídas ou na fila para produção
(figura 7);
• Relatórios: ferramenta de consulta
que permite fazer a rastreabilidade
de um lote ou seqüência específica
e também, na combinação de seus
filtros, a consulta de bateladas produzidas
no passado (figura 8).

Controle via PLC, SCADA
e Softwares de Bateladas
(baseados na norma para
bateladas ISA S88)
Dependendo da característica do processo
e da flexibilidade exigida pelo mesmo, uma
aplicação para batelada deverá ser muito
mais que um seqüenciador de passos combinado
com procedimentos específicos como
adição de matérias-primas, aquecimento,
agitação, tempos de espera, etc. Operações
como paralelismo, defasagem de passos,
transições baseadas em eventos, loops,
etc., podem ser exigidas para a execução
da receita (produção da batelada).
E aí que entram a norma ISA S88 e os
softwares de bateladas. Resumidamente,
a S88:
• Define um modelo para controle de
bateladas o qual é usado como um
padrão por muitas indústrias;
• Fornece uma terminologia comum
para o controle de bateladas, permitindo
que usuários diferentes possam
expressar suas idéias sobre uma
base comum e esta base comum de
terminologias e modelos permitem
aos usuários integrarem soluções de
diferentes fornecedores;
• A norma especifica que o código do
controlador deve ser dividido em pequenas
partes (módulos de controle),
e o fato de termos pequenos códigos
permite que as receitas sejam modificadas
com maior facilidade;
• Se duas plantas/linhas tiverem equipamentos
semelhantes, pequenos
códigos permitem uma implementação
mais fácil com a reutilização
dos códigos;
• Conceitua a separação do controle
do equipamento do controle do
procedimento (receita) que descreve
como fazer o produto final, permitindo
múltiplos produtos, múltiplos
procedimento, múltiplas unidades
de produção.
Os softwares de bateladas de mercado
visam atender à norma ISA S88 e possuem
ferramentas adicionais que permitam a
integração destes com PLCs, por exemplo,
e também ferramentas que agregam valor
aos usuários e que procure diferenciá-lo dos
outros softwares disponíveis.
O modelamento do sistema é dividido
em duas partes:
F6. Tela de cadastro de receitas.
F7. Cadastro de procedimento.
F8. Acompanhamento de bateladas.
Novembro/Dezembro 2008 :: Mecatrônica Atual
manufatura
13

manufatura
1. Modelamento físico do processo
• Célula de processo: onde é definida a
área responsável para a produção das
bateladas (planta/processo/linha);
• Unidades: conjunto de módulos de
controle e de equipamentos responsável
pela execução de uma, algumas ou
todas as etapas do processo (tanques,
reatores, silos, etc.);
• Módulo de equipamento: conjunto
de equipamentos que realizam atividades
do processo, como aquecimento,
dosagem, etc;
• Módulo de controle: dispositivo de
controle, como válvula, motor, sensor,
etc.
2. Modelamento procedural do processo
• Procedimento: estratégia para execução
do processo/batelada;
• Procedimentos da unidade: conjunto
de operações utilizadas para seqüenciamento
dentro da unidade;
• Operações: conjunto de atividades
agrupadas e que visam o atendimento
de necessidades da batelada/processo;
• Fases: realização de tarefas/ações básicas
e simples, como adição de materiais,
agitação, transferência, entre
muitos outros.
O software de bateladas é dividido em
módulos, sendo que a base é definida por:
Equipment Editor (modelamento físico),
Recipe Editor (modelamento procedural),
Server (gerenciamento da batelada e comunicação
do módulo View com o PLC), View
(interface ao operador para visualização e
controle das bateladas), Archiver (geração
dos registros eletrônicos das bateladas) e
Report Editor (criação e customização de
relatórios com os registros eletrônicos).
O sistema supervisório continua com
a atribuição de monitoramento e controle
do processo. Ao PLC cabe toda a interface
com o chão de fábrica, como as tarefas de
partida e parada de motores, abertura e
fechamento de válvulas, monitoramento e
controle de variáveis analógicas. Do modelo
físico definido para o controle da batelada
cabem ao PLC as rotinas com as phases e os
estados das mesmas, cada uma com uma
função especifica como agitação, adição
de materiais, resfriamento, entre outras,
definidas quando do modelamento do
sistema de bateladas. Veja os exemplos na
figura 9, figura 10 e figura 11.
14 Mecatrônica Atual :: Novembro/Dezembro 2008
Conclusões
A solução a ser adotada deverá ser
definida após a análise de uma série de
fatores, como característica do processo,
necessidades do sistema de formulação,
estrutura e número de receitas, parâmetros
e registros necessários, infra-estrutura de
automação existente e/ou requerida, custos
envolvidos, entre outros.
Dependendo das informações acima será
possível afirmar quais soluções atenderão às
necessidades do processo. E quando mais de
F9. Phases (Procedimentos) de uma Unit.
F11. Receita em SFC.
uma solução atender aos propósitos, caberá
uma análise sobre necessidades futuras e
relação custo-benefício para se definir qual
solução será adotada e implementada. MA
Alan Liberalesso é engenheiro de aplicações
da BASE Automação e colaborador do “Batch
Control Comunidade Online”.
F11. Phases e estado no PLC.

Controle de
patrimônio
via RFID
Conheça o desenvolvimento de um sistema eletrônico para o controle
de patrimônio através de uma pesquisa aplicada para identificar
uma solução de automatização, por meio de sistema de Identificação
por Rádio Freqüência (RFID). O foco do artigo foi controlar itens
(tags) que estão em um ambiente pré-estabelecido. Utilizando-se a
metodologia para desenvolvimento de novos produtos, foram testadas
várias configurações para o sistema, produzindo os protótipos
apresentados
saiba mais
Rastreabilidade de pallets via RFID
Saber Eletrônica 429
Tecnologia RFID no armazenamento
de Pallets
Saber Eletrônica 428
Vantagens da Tecnologia RFID
www.acura.com.br/rfid
Tecnologia RFID
www.azuum.com.br/site/
sobre_rfid/sobre_rfid.html
A tecnologia RFID e os benefícios
da etiqueta inteligente para os
negócios
www.unibero.edu.br/download/revistaeletronica/Set04_
Artigos/A%20Tecnologia%20
RFID%20-%20BSI.pdf
Antonio Dresch Jr, Danny R. Efrom e
Dieison Grumovski
Novembro/Dezembro 2008 :: Mecatrônica Atual
automação
As tecnologias de comunicação disponibilizaram
uma nova maneira de se fazer negócios,
e na forma de gerenciar grandes quantidades
de informações. No entanto, apesar desta
contribuição tecnológica, que tornou as
operações logísticas muito mais flexíveis e
dinâmicas, verifica-se que existe ainda um
grande distanciamento entre o mundo virtual
(sistemas) e o real (empresa).
A acuracidade e a rapidez das informações
adquiridas em cada estágio são de
fundamental importância para alimentar
as decisões estratégicas e operacionais que
possibilitem dar sustentabilidade e contribuir
com os negócios empresariais.
15

automação
Houve grandes avanços na questão da
alimentação dos sistemas de informações,
que caminhou desde a simples digitação,
passando pelos códigos de barras e 3D até as
atuais etiquetas eletrônicas de identificação
por rádio-freqüência (tags). Tais tecnologias
proporcionam elevado grau de integração,
na medida em que possibilitam a atualização
das informações em tempo real.
Por sua vez, a necessidade de atender a
uma demanda mais customizada, assim como
de melhor gerenciar operações descentralizadas
em complexas redes logísticas, trouxe
uma série de desafios na forma de lidar com
o vasto fluxo de informações gerenciais.
Somado a esses fatores, a busca por meios de
transmissão de informações, que propiciassem
maior mobilidade aos usuários, possibilitou
o desenvolvimento de maiores aplicações
em sistemas de identificação, baseados na
transmissão por rádio-freqüência.
Esta tecnologia desencadeia uma revolução
que é a base para uma nova realidade
na identificação de produtos, com impacto
direto no controle de patrimônio e nos
processos logísticos de toda a cadeia de
abastecimento, seja na fabricação, no controle
de estoque ou na compra e venda destes.
A flexibilidade de sistemas RFID é o seu
grande fator positivo. Quando comparada
com outros sistemas de identificação, como
o código de barras, o RFID ganha em
confiabilidade (códigos de barras tendem a
apagar com o tempo), facilidade de leitura
(tags podem estar dentro d’água, lama, ou
circundados por metal) e não precisam de
leitor apontando diretamente para ele, ou
seja não necessita de visada. Além disso,
como a captura de dados é feita de forma
automática, existe a redução de falhas
humanas no processo.
Tecnologia RFID
O levantamento de patrimônio possui
uma dinâmica difícil quando se utilizam
os sistemas atuais como numeração para
leitura visual ou códigos de barras, prolongando
o tempo de execução, exigindo uma
equipe de pessoas destacadas para que esta
tarefa seja feita com agilidade, onerando os
recursos da empresa.
Já o controle de patrimônio (controle
de bens móveis) exige uma supervisão
permanente e dependendo do tamanho
e arquitetura da empresa, nem sempre é
possível fazê-la com eficácia.
16 Mecatrônica Atual :: Novembro/Dezembro 2008
Segundo a CSP-CONPAT (2006) os
ativos permanentes de uma empresa, como
equipamentos e mobiliários, sofrem perdas
definitivas com o processo de depreciações
e perdas contábeis recuperáveis em função
do descasamento provocado pela inflação
sobre os valores de aquisição dos bens ou
por mudança de valor de mercado, exigindo
um sistema de controle eficaz na gestão
patrimonial.
Levando em conta estes fatores é que
surgiu a proposta de desenvolver uma solução
de controle de equipamentos e mobiliário
que atenda adequadamente as necessidades,
utilizando tecnologia RFID, trazendo
agilidade e eficácia ao processo.
Vantagens
Tal tecnologia permite a captura automática
de dados, para identificação de objetos
com dispositivos eletrônicos, conhecidos
como tag ou transponder que emitem sinais
de radiofreqüência para leitores ou antenas,
que captam estas informações.
Os benefícios primários de RFID são:
a eliminação de erros de escrita e leitura de
dados, coleção de dados de forma mais rápida
e automática, redução de processamento de
dados e maior segurança.
Quanto às vantagens da RFID em relação
às outras tecnologias de identificação e
coleção de dados, temos: operação segura em
ambiente severo (lugares úmidos, molhados,
sujos, corrosivos, altas temperaturas, baixas
temperaturas, vibração, choques), operação
sem contato e sem necessidade de campo
visual e grande variedade de formatos e
tamanhos.
Mas a principal vantagem do uso de
sistemas RFID é realizar a leitura sem
o contato e sem a necessidade de uma
visualização direta do leitor com o tag.
É possível, por exemplo, colocar a tag
dentro de um produto e realizar a leitura
sem ter que desempacotá-lo, ou, por
exemplo, aplicar o tag em uma superfície
que será posteriormente coberta de tinta
ou graxa.
A tecnologia RFID apresenta características
peculiares que nenhuma outra
oferece. Por exemplo, leitura simultânea de
até 30 itens em um período de um segundo,
utilizando-se de poderosos algoritmos de
anti-colisão. Com isto pode-se realizar
inventários de milhares de itens, utilizando
um leitor de RFID manual.
A incorporação de um leitor RFID a
um coletor portátil de dados (leitor manual)
viabiliza a implementação de soluções voltadas
a rastreamento de ativos e produtos
ao longo de uma planta, com a imediata
captura e transmissão de dados.
A RFID não é simplesmente um substituto
do código de barras, é uma tecnologia
de transformação que pode ajudar a reduzir
desperdício, limitar roubos, gerir inventários,
simplificar a logística e até aumentar
a produtividade.
Muitas empresas, devido ao seu imenso
número de bens ou a constante movimentação
de equipamentos, têm dificuldades
em manter um histórico de confiança e
atualizado do seu patrimônio. A tecnologia
RFID permite que a empresa tenha total
controle até mesmo em tempo real dos bens
da empresa, tanto em termos de quantidade
como de localização.
Middleware RFID
A tecnologia RFID trabalha constantemente
com fluxo de dados, esse fluxo de
dados pode ser grande. Por esse e outros
motivos faz-se à necessidade de um middleware
eficiente.
É importante entender que o middleware
nada mais é do que uma camada de software
que fica responsável por diversas funções,
tais como, gerenciamento da rede de captura
de dados e pelo fluxo dos mesmos.
O middleware não constitui diretamente
aplicações, pois uma de suas funções é o
envio dos dados às aplicações, aos sistemas
de gestão do processo, seja ele de produção,
estoque, logística ou qualquer outro sistema
que necessite desses dados.
A Azuum, Alien, Symbol, IBM, Intermec/
Cagicomp e Sun são exemplos de empresas
que desenvolvem esses middlewares. A tecnologia
RFID não teria sentido ao trabalhar
de forma isolada, sem ter para quem enviar
os dados recebidos, sem ter algum sistema
de organização e processamento de dados.
Sem esses sistemas, os dados captados pela
tecnologia RFID não teriam utilidade, não
gerariam informações para serem analisadas
e interpretadas, seriam apenas dados. Esse
é o principal motivo pelo qual o software
(middleware) se faz tão importante para o
sucesso da tecnologia RFID. Neste trabalho
o middleware ficou responsável em receber
os dados do leitor RFID e associá-los aos
itens existentes nos ambientes.

Desenvolvimento
dos protótipos
Utilizando o recurso de uma metodologia
científica para projetos de desenvolvimento
de novos produtos, foi selecionado o seguinte
fluxograma e as suas fases:
Fase 1 - Planejamento de Linha de Produ-
to: estudo científico do foco do
produto, auxiliado pelas consultorias
e empresas que apóiam o
projeto.
Fase 2 - Geração de idéias/conceitos: utilizando-se
de técnicas existentes
levantaram-se sugestões, opiniões
e necessidades do mercado, para
identificação de referências e estimativas
que contribuíram para
a criação do produto.
Fase 3 - Seleção de idéias/conceitos: estudo,
tabulação e conclusão das etapas
anteriores, definindo o objeto/produto
a ser desenvolvido.
Fase 4 - Desenvolvimento técnico do pro-
duto:
a) Soluções e seleção de equipamentos
e componentes
eletrônicos;
b) Identificação de Fornecedores;
c) Aquisição de materiais;
d) Implementação na aplicação.
Fase 5 - Teste e validação do produto:
e) Análise de Confiabilidade
de leitura e aquisição de
dados;
f) Integridade da comunicação
de dados;
g) Integração das soluções
com softwares embarcados
e de banco de dados.
Fase 6 - Protótipos: Montagem de protó-
tipos.
A partir do fluxograma realizado (figura
1) chegou-se a construção de dois modelos:
um com a opção de possuir leitores manuais
(portáteis), para locais onde existam objetos
de baixo valor, por exemplo, e o outro com
a opção de ter leitores fixos que realizam a
F1. Fluxograma do projeto adaptado
de Wille e Wille (2005).
leitura constante, indicada para a supervisão
de objetos de alto valor agregado, que justificam
a obtenção de leitores dedicados.
Testes e validação do produto
Os quadros ao lado representam os
testes práticos realizados com o intuito de
encontrar a melhor solução para controle
de itens (equipamentos e mobiliários) nos
ambientes. Veja a tabela 1.
Já a tabela 2 mostra detalhadamente os
materiais utilizados e resultados dos testes
realizados na pesquisa.
Após os testes realizados com os diferentes
produtos, verificou-se que o leitor
(L1), as antenas (A1) e as tags (T1, T2, T10)
não atendem o proposto, portanto foram
escolhidos as seguintes configurações para
a montagem dos protótipos apresentados
a seguir.
Protótipo I
Este sistema tem como objetivo atender
como ferramenta para controle e inventário
do patrimônio para itens de baixo valor,
para isto, optou-se por adaptar um Leitor
RFID da Acuprox AP-09 com comunicação
via cabo Serial ao computador embarcado
(figura 2) associado às etiquetas World
Tags. Esta configuração apresenta o melhor
custo-benefício para a aplicação.
O software de demonstração (middleware)
foi desenvolvido na fase 6 do projeto
e está disponível para acesso no computador
embarcado do protótipo.
Novembro/Dezembro 2008 :: Mecatrônica Atual
automação
F2. Protótipo – Controle e inventário
de patrimônio.
T1. Identificação dos componentes.
17

automação
T2. Resultado dos testes realizados com os leitores e tags.
18 Mecatrônica Atual :: Novembro/Dezembro 2008

F3. Controle de patrimônio em
tempo real.
Através do middleware desenvolvido
pode-se realizar a leitura dos itens já associados
aos códigos das etiquetas, bem como sua
localização, obtendo o levantamento (identificação)
e a rastreabilidade (localização)
do patrimônio de forma automática.
O software foi desenvolvido para proporcionar
a visualização dos itens encontrados em
um ambiente escolhido, quando submetido
ao leitor RFID, no caso, laboratório B-17
foi encontrado uma mesa e uma cadeira
estofada. Este software foi montado de forma
a viabilizar futuros testes de integração ao
sistema de banco de dados já existente.
Protótipo II
Para este protótipo foi utilizado o leitor
AcuWave Active Reader L-RX201, associado
às etiquetas AcuWave Tag Asset L-TG800.
Este tem como objetivo atender ao monitoramento
em tempo real dos itens de alto valor,
justificando o custo das tags utilizadas.
O software de demonstração foi adquirido
junto com o Leitor, e está disponível
para acesso no computador embarcado
instalado (figura 3).
Conclusões
Os protótipos atenderam as necessidades
planejadas, inclusive podendo ser utilizado
como ferramenta de testes de trabalho para
as empresas, kit didático (uso educacional)
Novembro/Dezembro 2008 :: Mecatrônica Atual
automação
e para o conhecimento de novas tecnologias.
Para concluir pode-se listar ainda alguns
observações relevantes do RFID:
a) Não necessita de contato físico;
b) Permite ter acesso a dados em tempo
real;
c) Indústrias, organizações e varejo já
estão identificando os benefícios
da tecnologia;
d) RFID e estão começando a adotá-la
em seus ambientes de trabalho. MA
Antonio Dresh Jr. é pós graduado em Mecatrônica
Industrial; sócio-proprietário da empresa
Azuum – Tecnologia Industrial especializada
em RFID e exerce atividade como docente na
Faculdade de tecnologia Senai Joinville, nas
áreas de Automação e Mecatrônica Industrial.
Danny R. Efrom é pós graduado em Mecatrônica
Industrial; sócio-proprietário da empresa
Azuum – Tecnologia Industrial especializada
em RFID e exerce atividade como docente na
Faculdade de tecnologia Senai Joinville, nas
áreas de Eletrônica Industrial e Sistemas de
Controle.
Dieison Grumovski é técnico em Mecatrônica
Industrial e bacharelando no curso de Ciência
da Computação.
19

automação
Otimização
na destilação
de etanol?
saiba mais
Destilação de álcool: Desafio para
a automação
Mecatrônica Atual 36
Usinas de álcool e açúcar: A Automação
de um setor em franco
desenvolvimento
Mecatrônica Atual 33
A
20 Mecatrônica Atual :: Novembro/Dezembro 2008
s colunas de destilação em geral são equipamentos
de separação mais empregados na
indústria química, petroquímica e de biocombustíveis.
A sua importância é devido ao alto
custo energético do processo, que, em muitos
casos, é superior a 70% do custo energético
total em indústrias de transformação. Além
de ser o processo que geralmente impede o
aumento da produção (gargalo).
No caso de usinas de etanol, a destilação
é a última etapa do processo. Por isso,
acaba recebendo as influências - na forma
de distúrbios - de variações oriundas de
processos precedentes, tais como composição
do vinho proveniente do processo de
fermentação e, pressão e capacidade calorífica
do vapor utilizado para aquecer as colunas.
Vapor este que pode ser proveniente do
processo de evaporação no caso de plantas
mistas de açúcar e etanol ou de caldeiras
de vapor utilizadas como fonte de energia
por meio da queima do bagaço (subproduto
da cana de açúcar). Além dos distúrbios,
é necessário lidar também com diferentes
regimes de operação, a interação entre as
malhas, a existência de tempo morto e as
não linearidades intrínsecas do processo.
Para lidar com todas estas peculiaridades, as
colunas de destilação necessitam de sistemas
de controle capazes de manter o processo
mais estável e eficiente possível.
André Ribeiro Lins de Albuquerque
Apesar dos projetos de plantas de destilação
atuais serem capazes de apresentar uma
eficiência na extração de etanol superior a
99%, a energia necessária para a produção
poderia ser melhor aproveitada, utilizando
para tanto, estratégias de controle mais
apropriadas ao processo. Atualmente, os
aparelhos de etanol possuem uma eficiência
energética que gira em torno de 80%. Este
indicador é mensurado por meio de sistemas
comercias que, utilizando modelos matemáticos
robustos para executar o balanço
de massa e energia, calcula-se o consumo
energético ideal para cada condição de
entrada em cada aparelho (concentração
alcoólica e temperatura de entrada do vinho).
A eficiência energética é então obtida pela
razão entre o consumo ideal e consumo
real do aparelho (figura 1).
O principal motivo para não se obter
melhores indicadores de eficiência energética
é a alta flutuação de variáveis controladas
do processo, tais como: pressão nas colunas
e temperatura TB4 (temperatura da bandeja
4 na coluna B, utilizada para inferir
a concentração alcoólica do etanol). Isso
acaba acarretando um gasto desnecessário
de energia para realizar o trabalho de separação
do etanol.
Além do fator energético, outro fator
de desempenho que pode ser aumentado

F1. Figura ilustrativa que apresenta como
o indicador de eficiência energética é obtido
em função da concentração alcoólica
do vinho de entrada.
significativamente é o referente à capacidade
produtiva (figura 2). O motivo
é simples, em muitos momentos de uma
safra de cana-de-açúcar, o “gargalo” deixa
de ser o fornecimento de matéria prima,
passando a ser a capacidade de produção
dos aparelhos de destilação. Portanto,
existe a necessidade de uma tecnologia de
controle que permita que o processo opere
em múltiplas condições. Pode-se citar a
condição de máxima economia de energia
(escassez de matéria prima, por exemplo)
e, as condições de produção máxima que
ocorrem em situações de excesso de material
a ser destilado.
Para tornar as plantas de produção de
etanol mais produtivas, ou seja, produzindo
mais e com menos recurso, algumas usinas
já começaram a aplicar com sucesso
tecnologias de Controle Avançado como,
por exemplo, o Controle Preditivo Baseado
em Modelos (MPC). O objetivo do
MPC é otimizar a operação de destilação
através da predição do comportamento
de variáveis controladas, minimizando os
efeitos de distúrbios, acoplamentos entre
as malhas e tempos mortos do processo.
Existem registros recentes de ganhos de 6
a até 10% na produtividade dos aparelhos
em usinas de álcool que estão começando
a adotar este tipo de tecnologia.
F2. Representação normalizada de faixas de produção utilizando
o controle regulatório convencional e MPC.
Destilação de Etanol:
Breve Descrição
Os aparelhos de destilação em usinas
de etanol têm a configuração básica como
apresentado na figura 3. A entrada do
sistema é o vinho proveniente do processo
antecedente – a fermentação - e a sua composição
alcoólica gira em torno de 7 a 12º
GL2 (unidade de medida para especificar
o teor alcoólico em volume), água (aproximadamente
90%) e os demais componentes
encontrados em menores quantidades tais
como: glicerina, ácidos succínico e acético,
leveduras e bactérias, sais minerais, etc.
Para a obtenção do etanol para uso
como combustível, também conhecido
como álcool hidratado, tem-se duas principais
operações; destilação propriamente
dita (coluna A) e a retificação (coluna B).
Conforme apresentado na figura 4.
A coluna A tem por finalidade esgotar
a maior quantidade possível de etanol do
seu produto de fundo, que é denominado
vinhaça. Esta, retirada em uma proporção
aproximada de 12 litros para cada litro de
álcool produzido, é utilizada na lavoura como
fertilizante, sendo seu calor parcialmente
recuperado pelo vinho no trocador de calor
K. A finalidade da coluna B é concentrar a
flegma a uma graduação de aproximadamente
96º GL (unidade de medida para
Novembro/Dezembro 2008 :: Mecatrônica Atual
automação
F3. Aparelho de destilação de etanol.
21

automação
F4. Diagrama P&ID de um aparelho de destilação de álcool hidratado.
F5. Ilustrações do funcionamento da tecnologia MPC. A imagem a) representa a comunicação
entre os controladores PIDs de vazão com o MPC; a imagem b) representa a arquitetura
conceitual do MPC para o controle de pressão da coluna A.
F6. Faixas de operação utilizando o controle de pressão da coluna A convencional e o MPC.
22 Mecatrônica Atual :: Novembro/Dezembro 2008
especificar o teor alcoólico em volume). A
flegma é alimentada nessa coluna, onde é
concentrada e purificada, sendo retirada sob
a forma de etanol, duas bandejas abaixo do
topo da coluna. Os componentes mais voláteis
retirados no topo da coluna B passam por
uma seqüência de condensadores (E, E1 e
E2), dos quais retornam para o topo da B
sob a forma de condensado (refluxo). Do
fundo da coluna B é retirada uma solução
aquosa chamada flegmaça que tanto pode
ser reciclada no processo ou eliminada.
Controle e Automação na
Destilação de Etanol
A automação utilizada nos aparelhos
de destilação de etanol combustível (álcool
hidratado) se propõe controlar diversas
variáveis do processo, conforme apresentado
na figura 4. Alguns destes controles
são realizados na forma mestre-escravo
(cascata) e regulatória convencional (PID).
Somente o controle de pressão nas colunas
e da temperatura da bandeja B4 que devem
ser realizados de forma preditiva, utilizando
para tanto, o controle MPC.
A alimentação do vinho no aparelho deve
ser realizada preferencialmente de forma
direta, ou seja, um controle regulatório de
vazão convencional. Durante muitos anos,
controlou-se a temperatura da bandeja A16
pela variação da alimentação de vinho num
formato de controle em cascata, porém, este
tipo de arquitetura favorece ao aumento de
transientes no aparelho, em outras palavras,
deixa o sistema mais instável. Caso necessita-se
aumentar a produção do aparelho, o
setpoint de vazão de vinho deve ser alterado
obedecendo a uma rampa suave.
Todas as outras vazões de entrada e
saída do aparelho de destilação devem ser
controladas como malhas internas dentro
de uma arquitetura de controle em cascata.
Este tipo de abordagem além de permitir o
controle mestre mais efetivo das variáveis como
temperaturas no topo e níveis nas bases das
colunas favorecem também o fechamento do
balanço de massa e energia da destilaria.
A aplicação de técnicas de controle
preditivo baseado em modelo (MPC), para
controlar variáveis de pressão nos aparelhos
e temperatura da bandeja B4 (Figura 4), esta
última, utilizada para inferir a concentração
alcoólica do etanol de saída, favorece a estabilidade
do processo e, conseqüentemente, a
economia de energia e aumento da capacidade

F7. Faixas de operação utilizando o controle da temperatura da B4 convencional e o MPC.
produtiva dos aparelhos. O MPC, na prática,
funciona como um controle mestre (figura
5a e 5b), definindo os melhores setpoints de
vazão para cada regime operacional.
A técnica de controle MPC é uma
estratégia de controle multivariável bastante
difundida na indústria de processos.
O MPC, basicamente utiliza um modelo
dinâmico do processo para predizer o seu
comportamento futuro (figura 5b). Esta
predição é atualizada, ou corrigida, a cada
iteração, com a medição das variáveis do
processo. As ações de controle são calculadas
de modo a minimizar a diferença entre a
predição e a trajetória de referência.
Entretanto, a utilização de um modelo
linear na síntese do controlador não é suficiente
para garantir um bom desempenho
do controle para processos não lineares,
como é o caso de aparelhos de destilação
de etanol. Isto devido a não consideração
de certos comportamentos dinâmicos no
modelo, ou mesmo variações dos parâmetros
em diferentes condições operacionais.
Nas figuras 6 e 7, são apresentados o
controle da pressão na coluna A e a temperatura
da bandeja B4 de uma usina no
interior de São Paulo, aplicando o controle
regulatório convencional e depois de um
período adotando o MPC. Com a diminuição
das flutuações do processo com o
uso do MPC, contatou-se um aumento
na eficiência energética do aparelho de
8%. Isso significa, para este aparelho em
questão, uma economia de 3,2 toneladas
de vapor de escape por hora.
Para manter os ganhos atingidos após
a aplicação do MPC, deve-se manter uma
rotina de gerenciamento do desempenho
das malhas de controle, seja para sintonizar
os controles regulatórios (PIDs), ou mesmo
atualizar o modelo preditivo. Isso porque,
após a obtenção do modelo preditivo e ajustes
das malhas, o desempenho da mesma tende
a se deteriorar lentamente com o tempo, já
que as condições do processo não são sempre
as mesmas e os hardwares sofrem desgastes
naturais. Desta forma, uma vez detectada uma
perda de desempenho, pode-se diagnosticar
a causa raiz do problema, podendo-se fazer
uma manutenção preventiva na automação
em destilarias de álcool.
É certo que com a implantação de técnicas
de controle avançado, como o MPC, obtém
- se um salto no rendimento dos aparelhos,
refletindo-se em aumentos de rentabilidade
em curto prazo para as destilarias de etanol,
porém, ainda existem margens de ganhos
significativas que podem ser obtidas em
longo prazo, o maior deles é sem dúvida
o aumento da concentração alcoólica no
processo fermentativo, pois, quanto mais
enriquecido chegar o vinho na destilaria
menor será seu custo energético.
Outro ganho que se pode obter é por
meio de ferramentas de otimização de toda a
destilaria, levando-se em consideração desde
o preparo do mosto, passando pelo processo
fermentativo, centrifugação, destilação até
chegar ao armazenamento do etanol. Com
este tipo de ferramenta, as melhores condições
operacionais para cada necessidade de
produção e recurso energético será obtida por
meio de modelos matemáticos e algoritmos
sofisticados que buscarão sempre a maior
rentabilidade possível dada as condições de
demanda e oferta de etanol e energia. MA
André Ribeiro Lins é PhD em Mecatrônica e
Diretor de Negócios da Pentagro Soluções
Tecnológicas.
Novembro/Dezembro 2008 :: Mecatrônica Atual
automação
23

automação
Monitoramento
online do
desempenho da
planta industrial
Este artigo descreve os conceitos básicos desde
a automação do processo até a geração e monitoramento
de indicadores de desempenho que
permitem acompanhar em tempo real a “saúde”
dos ativos de uma planta industrial, comparando o
desempenho atual com o ótimo calculado a partir
de modelos rigorosos do processo
saiba mais
Sistema de monitoramento e
estimativa dos tempos de
operação do disjuntor
Mecatrônica Atual 31
Cláudio Adriano Policastro
André Ribeiro Lins de Albuquerque
Paulo Garcia de Souza
24 Mecatrônica Atual :: Novembro/Dezembro 2008
Atualmente, as empresas estão sob intensa
pressão competitiva para promover o aumento
da eficiência em seus processos industriais,
por meio de mão de obra qualificada e pela
otimização de seus ativos.
A necessidade de visualizar em tempo
real os dados de produção, custeio e
condições operacionais, para tomada de
decisões estratégicas e resposta rápida às
mudanças das condições de operação e
mercado, justifica os grandes investimentos
em infra-estrutura e automação.
Entretanto, a automação é necessária
mas não é suficiente. Para maximizar a
eficiência do processo e o retorno do investimento
nos ativos é necessário investir
em treinamento de operadores e aplicar
técnicas de otimização de processos.

Alie se ao fato que, devido à natureza
dinâmica dos processos industriais, existe
a necessidade de se acompanhar em tempo
real o desempenho dos mesmos. Esta
necessidade originou os conceitos que
forma a base do “Monitoramento online
do desempenho”.
O monitoramento online do desempenho
da planta industrial tornou-se uma tarefa
essencial para gerentes e demais tomadores
de decisão que necessitam manter o controle
de seus ativos e buscam a otimização dos
mesmos. Ele pode ser definido como o
processo de medir a utilização de recursos
existentes, compreendendo os desvios entre
o real e o desejado, determinando o impacto
da degradação da utilização ótima destes
recursos em relação aos objetivos estratégicos
de uma organização, por meio, da produção
de indicadores chave de desempenho.
Integração dos Dados
da Planta Industrial
A adoção de uma solução de otimização
online de desempenho se inicia pela integração
dos dados da planta, com o objetivo de
fornecer dados do processo em tempo real
para o sistema de monitoramento.
As plantas industriais geram grande
quantidade de dados que não são utilizados
em todo o seu potencial como fonte de
informação e conhecimento, por estarem
dispersos ou desorganizados. A utilização de
soluções da Tecnologia da Informação (TI)
e Tecnologia da Automação (TA) favorece
a integração da planta industrial, disponibilizando
todos os dados para o negócio e
para a tomada de decisão, tornando a planta
industrial mais transparente.
A integração efetiva da planta industrial
e a disponibilização de seus dados para os
níveis superiores da empresa (Engenharia
de Processo, Gerência Industrial, etc) passa
pela integração elementos e sistemas em
diversas camadas ou níveis, como apresentado
na figura 1.
A integração dos dados da planta industrial
começa pela implantação e integração
de elementos básicos da Tecnologia da
Automação (Atuadores e Sensores), capazes
intervir no processo e detectar o estado
de operação do mesmo. Nesta camada,
encontram-se elementos, como sensores
de nível, de pressão, de temperatura, de
fim de curso, válvulas, inversores, motores,
bombas, entre outros.
Em uma camada superior (Controladores),
a integração dos dados da planta é
realizada por meio de sistemas de controle
(e.q SDCD ou CLPs) . Toda planta industrial
precisa de algum tipo de controlador
para garantir uma operação segura, estável
e economicamente viável.
Os controladores monitoram o estado
real do processo, recebendo sinais dos
sensores físicos presentes em pontos estratégicos.
As grandezas físicas (e.q. pressão,
temperatura e vazão) são transformados
em sinais discretos (ligado ou desligado)
ou contínuos (pressão, nível, vazão, entre
outros).
Estas grandezas são então empregadas
em lógicas de controle que permitem ao
controlador calcular o seu estado de saída
(ação de controle), considerando diversas
especificações (como por exemplo: o set
point de uma temperatura ou pressão).
Então, esta ação de controle calculada pelo
controlador é convertida em um sinal que
é enviado para um atuador (e.q válvula,
motor, bomba) que modifica o estado do
processo, mantendo o mesmo em uma condição
de operação específica e corrigindo
eventuais desvios.
Em uma camada mais alta (Supervisores),
encontram-se os sistemas supervisórios
(SCADA ou Supervisory Control and Data
Acquisition). Estes sistemas se comunicam
diretamente com os Controladores e são
responsáveis por adquirir os dados dos
sensores e atuadores existentes na planta e
apresentá-los aos operadores por meio de
uma representação gráfica do processo, em
telas de computadores (PC) dedicados para
a operação de supervisão.
Estes sistemas são capazes de apresentar
os dados reais do processo na forma de
números, gráficos de barras, gráficos de
tendências e outros elementos, informando
os operadores sobre todos os eventos
importantes ocorridos na planta. Estes
sistemas também permitem aos operadores
atuar no processo, alterando as condições
de operação (set point) na qual os CLPs
devem manter um processo.
Nesta camada de integração de dados,
os sistemas supervisórios freqüentemente
formam ilhas de automação, controlando
partes isoladas do processo (por exemplo,
destilação, fábrica de açúcar, fermentação,
etc.) sem considerar a integração das informações
de toda a planta.
Novembro/Dezembro 2008 :: Mecatrônica Atual
automação
F1. Pirâmide de integração dos dados
da planta industrial.
25

automação
Nos últimos
anos, surgiram
também soluções
que permitem a
tomada de
decisões baseadas
em dados
instantâneos
do processo.
”
Para a integração efetiva dos dados,
deve-se adotar, em uma camada superior
da pirâmide de integração (SGP ou Sistemas
de Gerenciamento da Produção), os
denominados sistemas de gerenciamento
de informações da planta (PIMS ou Plant
Information Management System).
Um sistema PIMS adquire periodicamente
dados de processo da planta industrial
de diversas fontes, como os sistemas
supervisório e sistemas de laboratório e,
assim, os reúne e armazena em um banco
de dados históricos.
Dessa forma, o PIMS permite a disponibilização
dos dados de toda a planta
industrial para utilização por sistemas de
gerenciamento e engenharia de processo, além
de outros sistemas localizados nos níveis mais
altos de uma empresa, como por exemplo, os
sistemas de execução da produção (MES ou
Manufacturing Execution Systems).
Sistemas MES são sistemas de gestão
que possibilitam o integrar os níveis administrativos
com a produção, normalmente
gerando e acompanhando um plano de
produção que visa atender aos compromissos
de vendas e as condições de disponibilidade
de estoque e ativos. Idealmente, estes dois
sistemas podem trabalhar em conjunto em
uma arquitetura na qual um sistema PIMS
adquire e integra todos os dados da planta
e disponibiliza para o sistema MES tratar
estas informações para os níveis mais altos
da empresa.
26 Mecatrônica Atual :: Novembro/Dezembro 2008
Entretanto, existe uma grande confusão
entre o papel dos sistemas PIMS e
MES. Atualmente, muitos sistemas PIMS
incorporam algumas funcionalidades de
sistemas MES, tornando estes sistemas
mais versáteis. Por outro lado, os sistemas
MES que foram concebidos originalmente
para o controle de processos de manufatura,
também receberam funcionalidades de
integração e armazenamento de dados de
processos contínuos e batelada, aumentando
ainda mais a sobreposição de tarefas entre
estes dois sistemas.
Neste ponto, uma maneira simples de
entender o real papel destes dois sistemas
é a seguinte: um sistema PIMS é um deposito
de dados e um sistema MES é um
conjunto de aplicativos que usa os dados
armazenados no PIMS.
É nesta mesma camada de integração
(SGP) que se localizam os sistemas de
monitoramento de desempenho da planta.
Normalmente estes sistemas são módulos
adicionais dos sistemas PIMS ou MES, mas
também podem ser construídos a partir de
soluções de fornecedores independentes.
Em uma arquitetura efetiva de funcionamento,
estes sistemas de monitoramento
extraem dados dos sistemas PIMS, executam
seus cálculos e tratamentos empregando os
dados da planta, e escrevem seus resultados
novamente no sistema PIMS para que estes
estejam disponíveis para o sistema MES ou
para os sistemas localizados nos níveis mais
altos da empresa.
A execução de um sistema de monitoramento
online do processo, da forma
descrita anteriormente, e a disponibilização
dos resultados para as camadas superiores
da empresa. Isso permite a visualização da
planta industrial, conduzindo à otimização
dos ativos de uma organização, o que
possibilita uma operação mais eficiente
dos negócios.
Na camada mais alta da pirâmide de
integração dos dados, encontram-se os
sistemas corporativos de gestão (ERP ou
Enterprise Resource Planning), responsáveis
pela transformação dos dados e informações
da planta em informações de negócio.
Desta forma, pela implementação desta
estrutura de TI e TA, pode-se integrar os
dados de processo aos de negócio, possibilitando
o alinhamento das estratégias
de produção às estratégias de outras áreas
de empresa.
Monitoramento online
do Processo
A integração dos dados industriais deste
o chão de fábrica até níveis corporativos
pode prover as ferramentas necessárias para
um gestor tomar decisões em tempo real e
administrar o negócio com eficiência. Uma
das ferramentas mais importantes para este
processo de gestão é o monitoramento do
processo industrial. Nos últimos anos, o
monitoramento de processo constituiu uma
atividade essencialmente offline e realizada
normalmente com uma periodicidade baixa
(grandes intervalos de tempo), muitas
vezes com o auxílio de simples planilhas
personalizadas. Neste processo de monitoramento,
o tempo necessário para gerar e
analisar estas planilhas é demasiado longo
para permitir uma ação eficaz baseada nos
resultados.
Como conseqüência, pode-se observar
uma deficiência grande na qualidade e na
velocidade das ações para a recuperação
de uma queda de desempenho da planta
industrial.
Nos últimos anos, surgiram também
soluções que permitem a tomada de decisões
baseadas em dados instantâneos do
processo. Isso permite o acompanhamento
do processo a qualquer momento do dia ou
de um período desejado. Entretanto, estas
soluções se limitam a monitorar as faixas de
especificações e comportamentos estatísticos
das variáveis do processo.
Adicionalmente, estas soluções não
permitem a busca pela condição operacional
ótima da planta, uma vez que, não existe
um modelo do processo para ser comparado
com a situação atual do processo real.
Neste contexto, técnicas de monitoramento
online que utilizam modelos
matemáticos do processo e reconciliação de
dados podem superar a estas deficiências,
o que possibilita a tomada de decisão no
momento certo, utilizando informação com
alta qualidade e confiabilidade.
Estas técnicas utilizam o modelo matemático
do processo para comparar os dados
da planta real e determinar os desvios existentes
em termos de operação e utilização
de recursos. Isso permite que estas soluções
apontem sempre a diferença entre o estado
atual da planta industrial e seu ponto ótimo
de operação, podendo resultar em ganhos
aproximados entre 1-4% em eficiência do
processo.

Estas técnicas também utilizam a reconciliação
de dados para melhorar a precisão
das medições, pela redução do efeito dos erros
introduzidos nos dados e pelo processo de
medição (ruídos, má instalação de sensores,
sensores descalibrados, etc).
A principal diferença entre a reconciliação
de dados e outras técnicas de filtragem
é que a reconciliação faz uso explicito de
um modelo matemático do processo que
fornece as restrições e relações entre as
variáveis.
Esta técnica obtém estimativas mais
precisas das variáveis do processo, por meio
de um ajuste das medidas brutas (extraídas
da planta) para satisfazer às restrições e
relações impostas pelo modelo do processo.
Como resultado deste tratamento, esperase
obter medidas mais precisas do que as
medidas brutas extraídas da planta.
O objetivo fundamental de uma solução
baseada nas técnicas de monitoramento
online de desempenho fundamentado em
modelos matemáticos do processo com
reconciliação de dados é a extração de
informação útil e consistente dos dados
brutos do processo para suportar a tomada
de decisão operacional da alta qualidade.
As informações geradas por este tipo de
solução pode conduzir à detecção de falhas
de medição, degradação do desempenho
da planta, necessidade de manutenção dos
equipamentos, entre outros benefícios.
Além disso, estas soluções melhoram
o tempo de tomada de decisão sobre os
processos industriais, pela disponibilização
de indicadores de desempenho estratégicos
para suporte a decisão.
Os indicadores de desempenho medem
o nível de desempenho de um processo,
focando no “como” e indicando quão
bem a utilização dos recursos da empresa
permitem que o objetivo do negócio seja
alcançado. Estes indicadores podem revelar
aspectos importantes e essenciais do
processo, como a eficiência energética ou
a eficiência da operação de transformação
da matéria-prima, entre outros aspectos
que possibilitem a uma empresa alcançar
os seus objetivos estratégicos.
O cálculo destes indicadores estratégicos
é favorecido pela existência do modelo
matemático do processo, uma vez que, o
desempenho atual do processo real pode ser
comparado ao desempenho requerido para
o mesmo, dado pelo modelo matemático
F2. Estrutura de uma solução efetiva de monitoramento on-line de processos.
alimentado pelos dados extraídos da planta,
permitindo a indicação das diferenças entre
a planta real e o ótimo pretendido para a
mesma. Estes indicadores possibilitam aos
tomadores de decisão concentrar sua atenção
somente nas partes mais importantes das
informações sobre o processo, levando à
tomada de decisão de forma mais rápida
e mais precisa.
Desta forma, a adoção desta solução
possibilita a busca contínua pela condição
operacional ótima dos processos, constituindo
o primeiro passo na direção da implantação
de um ciclo contínuo de melhorias dos processos
industriais (controles avançados de
processo e otimizadores operacionais).
Existem diversas camadas de funcionalidades
e integração de dados para uma
solução efetiva de monitoramento online do
desempenho, como ilustrado na figura 2.
Inicialmente, as medidas da planta e
os dados de laboratório são coletados e
armazenadas em um sistema historiador de
dados de processo (1). Então, o sistema de
monitoramento é acionado em intervalos
que podem variar desde minutos até horas
e executa a reconciliação de dados por
balanço de massa e energia, utilizando os
dados extraídos da planta industrial (2).
Novembro/Dezembro 2008 :: Mecatrônica Atual
automação
Como resultado, diversos indicadores
de desempenho do processo e dados de
balanço de massa e energia são gerados e
armazenados no historiador (3). Paralelamente,
regras de monitoramento baseadas
em degradação dos indicadores (níveis de
tolerância) podem alertar os tomadores
de decisão (4) quando está na hora para
examinar o processo e desenvolver novas
estratégias para a melhoria do mesmo.
Ao final do processo de monitoramento,
os resultados ficam disponíveis para os
gerentes e engenheiros de processo para a
tomada de decisões estratégicas (5). Estes
resultados também podem ser enviados aos
níveis mais altos da empresa pela integração
com os sistemas gerenciais localizados em
camadas superiores da pirâmide de integração
dos dados da planta.
MA
Cláudio Adriano Policastro é Ph.D. em Computação
e Diretor de Operações da Pentagro
Soluções Tecnológicas;
André Ribeiro Lins de Albuquerque é Ph.D.em
Mecatrônica e Diretor de Negócios da Pentagro
Soluções Tecnológicas;
Paulo Garcia de Souza é mestre em Física e
Executivo de Negócios da Invensys Process
System do Brasil.
27

instrumentação
Placas de aquisição
e controle NI
Single-Board RIo
O hardware Single-Board RIO (sbRIO), da National
Instruments, consiste em um computador Real-time com
barramentos I/O reconfiguráveis controlados através
de um chip FPGA. O FPGA permite a customização
dos parâmetros de temporização e processamento
de sinais para as linhas de I/O. Toda a programação
da placa é feita através dos módulos LabVIEW FPGA
e LabVIEW Real-Time. As placas sbRIO foram projetadas
para aplicações embedded de alto volume
em controle e aquisição de dados
saiba mais
National Instruments
www.ni.com/singleboard/
www.ni.com/fpga/rio.htm
28 Mecatrônica Atual :: Novembro/Dezembro 2008
Roberto Cunha
os dispositivos single-board RIO são compostos
por um processador industrial, de 32 bits,
Freescale MPC5200 com freqüências de clock
de 266 ou 400 Mhz, sistema operacional
de tempo real (RTOS) VxWorks, da Wind
River e um chip FPGA da família Spartan-3,
da Xilinx. A arquitetura de um dispositivo
sbRIO pode ser vista na figura 1.
Todas as linhas de I/O são conectadas
diretamente ao chip FPGA que permite customização,
em baixo nível, das caracerísticas
de temporização (timing) e processamento de
sinais. O FPGA está conectado ao processador
de tempo real através de um barramento
PCI de alto desempenho. A programação
do dispositivo com o LabVIEW possui
mecanismos que permitem a transferência
de dados das linhas de I/O para o chip
FPGA e do FPGA para o processador para
análises em tempo real, pós-processamento,
data logging ou comunicação com um
computador host em rede.
Como pode ser visto no diagrama de
blocos, cada dispositivo sbRIO possui três
slots de expansão que permitem a conexão
de módulos adicionais de I/O da série C.
A faixa de temperaturas de operação vai
de -20º a +55ºC, alimentação entre 19 e
30Vdc. Apresenta ainda um relógio de tempo
real (RTC) com bateria de backup.
A família de dispositivos sbRIO possui
8 modelos que estão listados na tabela 1.

F1. Diagrama de blocos de
uma placa sbRIO. F2. Circuito de entrada para um canal analógico.
Programação em LabVIEW
Com a utilização do ambiente de desenvolvimento
gráfico LabVIEW, da National
Instruments, pode ser feita toda a
programação do processador de tempo real,
do FPGA e das entradas e saídas de seu
sistema embedded de controle, monitoração,
processamento ou data logging, tudo
dentro do mesmo projeto. A programação
do processador de tempo real deverá ser feita
através do módulo LabVIEW Real-Time
Module e o FPGA através do LabVIEW
FPGA Module.
O módulo LabVIEW Real-Time Module
inclui blocos de funções para controle de
aplicações em ponto flutuante, processamento,
analise, data logging e comunicações.
Além disso possui funções como:
tecnologia LabVIEW shared variable
que permite comunicação em rede de
sistemas embedded real-time;
temporização determinística por
software com resolução na faixa de
microsegundos;
mais de 600 funções para controle
avançado de aplicações em ponto flutuante
e processamento de sinais;
possibilidade de integração de código
já existente em C/C ++ figurável dentro do sistema RIO de modo
a obter aplicações customizadas, controle
de alta velocidade, controle de temporização
de entrada/saída e processamento de
sinais. Esse módulo também apresenta as
seguintes funções:
• component-level IP (CLIP) Node
para a integração de código HDL
já existente;
• FPGA Wizard para a criação de
código de tempo real e FPGA;
• módulo LabVIEW Statechart para
a implementação de controles baseados
em FPGA, máquinas de
estado, etc;
• bapacidade de simulação de sistemas
FPGA para desenvolvimento e
correção de erros;
•
• blocos de funções de ponto fixo,
incluindo, Fast Fourier transform
(FFT), PID multicanal, geradores
•
de sinal, filtro notch, etc.
A fim de reduzir os problemas relacionados
com a criação, correção e validação
•
de drivers para os componentes de hardware
do sistema embedded, são fornecidas funções
como:
•
• funções de interfaceamento entre
.
Entradas/Saídas analógicas, digitais
• ferramentas para replicação do sistema e de comunicação e o FPGA;
permitindo sua distribuição.
• funções de transferência de dados
O módulo LabVIEW FPGA Module para comunicação entre o FPGA e
permite a programação do FPGA recon- o processador;
Modelo Clock do Memória FPGA Linhas DIO Canais AI
processador (DRAM) (gates) (3,3V)
(Mhz)
MB
sbRIO-9601 266
64 1M 110
0
sbRIO-9602 400
128 2M 110
0
sbRIO-9611 266
64 1M 110
32
sbRIO-9612 400
128 2M 110
32
sbRIO-9631 266
64 1M 110
32
sbRIO-9632 400
128 2M 110
32
sbRIO-9641 266
64 1M 110
32
sbRIO-9642 400
128 2M 110
32
T1. Características dos modelos de placas single-board RIO.
Canais AO
0
0
0
0
4
4
4
4
Linhas DIO
(24V)
0
0
0
0
0
0
32/32
32/32
Slots de
expansão
(Série C)
3
3
3
3
3
3
3
3
instrumentação
• métodos para interfaceamento entre
FPGA e/ou processador e a
memória;
• funções de interfaceamento entre
o processador e periféricos (interface
serial RS232 e comunicação
Ethernet);
• drivers multitarefa para sistemas de
alto desempenho.
Características do hardware
As placas sbRIO foram projetadas com
trilhas apresentando uma impedância característica
de 60 ohms. Isso significa que
existirá um descasamento de impedância
com a maioria dos flat cables encontrados,
que apresentam impedância característica
em torno de 110 ohms. Apesar disso, na
maior parte das aplicações esse fato não será
problema, especialmente se boas conexões
de terra dos sinais forem providenciadas.
Caso persistam problemas de integridade
de sinal, deve-se procurar cabos que apresentem
impedância característica mais
próxima de 60 ohms.
Cada entrada analógica apresenta um
circuito que pode ser visto na figura 2, estas
entradas não apresentam isolação.
Este tipo de entrada pode ser utilizado
para medição de sinais balanceados (medição
diferencial) e desbalanceados (medição em
relação ao terra). A utilização de medição
diferencial irá reduzir o número de canais
disponíveis pela metade, mas permite medições
mais precisas e menos sensíveis a ruído.
O circuito de uma saída analógica pode
ser visto na figura 3. Pode se perceber pelo
diagrama que as saídas não apresentam
isolação mas possuem proteção contra
sobretensão e curto circuito.
Todas as saídas analógicas permanecem
sem alimentação até um dado seja enviado. A
partir desse ponto a saída será energizada ao
nível de tensão configurado por software.
Novembro/Dezembro 2008 :: Mecatrônica Atual
29

instrumentação
F3. Circuito de uma saída analógica.
F4. Conexão com uma entrada digital.
F5. Conexão com uma saída digital.
F6. Arranjo de saídas para aumento de capacidade de corrente.
30 Mecatrônica Atual :: Novembro/Dezembro 2008
As entradas digitais de 24V são do tipo
sinking, o que significa que o pino de entrada
fornece um caminho para o terra. O
esquema de conexão com uma entrada digital
pode ser visto na figura 4. Estas entradas
também não apresentam isolação.
As saídas digitais de 24V podem ser
conectadas diretamente a diversos dispositivos
industriais como motores, atuadores,
reles e lampadas. É importante lembrar que
esses dispositivos não podem ultrapassar os
limites de tensão e corrente das saídas. O
esquema de conexão de uma saída digital
pode ser visto na figura 5.
As saídas digitais de 24V requerem
uma alimentação separada com valores
entre 6 e 35Vdc.
É possível aumentar o limite de corrente
de uma saída digital, que é de 250 mA por
padrão.
Para poder fornecer uma corrente de 1
A, por exemplo, é possível se utilizar quatro
saídas conectadas em paralelo, conforme
pode ser visto na figura 6.
Outra maneira de aumentar a capacidade
de corrente de cada saída é adicionar um
dissipador de calor ao transistor responsável
pela saída. O dissipador deve ser escolhido
de forma a manter a temperatura do transistor
abaixo de 65º para uma temperatura
ambiente de 55º C. Neste caso cada canal
poderá manejar correntes de até 1,5 A.
Deve-se respeitar um limite máximo de 20
A para o conjunto de todas as saídas.
Quando cargas indutivas forem acionadas,
deve-se implementar uma proteção
contra picos de tensão reversa.
Conclusão
As placa Single-Board RIO se destinam
ao desenvolvimento de sistemas embedded
de controle e aquisição de dados apresentando
recursos de processamento real-time
e de entrada/saída configuráveis através
de chip FPGA que atendem ao mercado
industrial.
Utilizando-se de componentes de grau
industrial, podem ser integradas a sistemas
de chão de fábrica e mesmo a ambientes
com características mais severas.
Junto com o ambiente de desenvolvimento
LabVIEW formam uma plataforma
versátil e de alto desempenho. MA
Roberto Cunha é Engenheiro Elétrico e compõe
a equipe de redatores da revista.

Aquisição de
dados em
plataformas
Multicore
Problemas relacionados ao custo computacional de aplicações de
aquisição de dados são comumente enfrentados por técnicos e
engenheiros, que muitas vezes não possuem outra alternativa senão
minimizar algumas funções de seus sistemas em prol de outras.
Cabe ao desenvolvedor decidir se o mais importante é adquirir
um maior número de pontos ou manter uma interface gráfica com
recursos estéticos tridimensionais, ou monitoração de intervenções
do usuário, por exemplo. Obviamente, esta decisão deverá ser
tomada com considerações à aplicação, e neste quesito podem se
destacar os melhores profissionais. O equilíbrio entre desempenho
e funcionalidade pode ser o diferencial
saiba mais
Especial - Aquisição de dados
Saber Eletrônica 425
Hamilton Badin Jr.
instrumentação
Nyquist
Segundo o Teorema de Nyquist, a
freqüência de aquisição de um sinal analógico
deve ser igual ou maior ao dobro da
freqüência do sinal estudado.
Wo > = 2W
Ignorar este teorema pode ocasionar
medições erradas. A figura 1 mostra um
sinal senoidal de 5 MHz adquirido a uma
taxa de 6 MS/s. A curva pontilhada demonstra
a aquisição efetuada, gerando o
fenômeno conhecido como “aliasing”, onde
o sinal medido possui uma freqüência de
apenas 1MHz.
Estas considerações nos auxiliam na
especificação do hardware correto. Mas e
quando nosso código não possui processamento
adequado?
Novembro/Dezembro 2008 :: Mecatrônica Atual
31

instrumentação
F1. Sinal com “aliasing”.
Estudo de caso
Imaginemos a seguinte aplicação: uma
máquina com a função de montagem de
duas peças, encaixadas com interferência
mecânica que deverá ser controlada, conforme
ilustra a figura 2.
Uma interferência muito alta pode ocasionar
a má acomodação das peças enquanto
que interferências muito baixas não garantirão
a segurança da montagem final.
Portanto, precisamos controlar algumas
variáveis neste processo. Basicamente, duas
grandezas são suficientes: posição e carga
de inserção.
Possuímos ainda a seguinte condição:
nosso sistema de aquisição deve monitorar
sinais digitais de início e fim de aquisição,
transmitidos por um equipamento externo
que controla o acionamento mecânico para
a montagem das peças.
Temos portanto um sistema em malha
aberta, onde o controlador apenas executa
a montagem e informa ao sistema de aquisição
de dados quando iniciar e quando
finalizar a coleta dos valores vindos dos
transdutores.
Analisemos o algoritmo simplificado
do sistema de aquisição (figura 3).
Note que o sistema apenas coleta os
valores para analisá-los posteriormente. Com
este procedimento priorizamos a aquisição
dos dados, que é o que realmente importa
naquele momento, e a análise é executada
após os acontecimentos controlados, onde
possuímos um tempo muito maior para
efetuar cálculos matemáticos, desenhar
gráficos e monitorar desvios.
Porém uma característica deste modelo
ocasiona perda na taxa de aquisição: a
monitoração do fim da aquisição (pois se
encontra no laço de aquisição).
32 Mecatrônica Atual :: Novembro/Dezembro 2008
F2. Peça montada com interferência
mecânica.
O leitor pode imaginar que esta simples
função não geraria perdas tão graves, mas
vale lembrar que neste momento, o processamento
e o barramento de dados da máquina
serão direcionados para esta função, e em
aplicações de análises determinísticas, este
simples desvio pode ser desastroso.
Processamento multicore
Com a abrangência da nova tecnologia de
processadores multicore (múltiplos núcleos)
abrem-se novas possibilidades para aplicações
em automação industrial que exijam alta
velocidade de processamento.
Algumas linguagens de programação já
disponibilizam o controle de utilização do
processamento com seleção do núcleo em
que o código, ou parte dele, será processado.
Este é o caso do LabVIEW, da National
Instruments, que desde a versão 5 possui
suporte “multithreaded”, porém somente
a partir da versão 8, teve este controle disponibilizado
ao usuário (figura 4).
F3. Fluxograma simplificado de aquisição
de dados de posição e carga.
F4. Processador multicore.
A figura 5 demonstra um código em
LabVIEW 8.5, com dois laços rodando em
paralelo e em núcleos separados. Este código
executa 200 mil iterações em cada núcleo
e finaliza a aplicação. O resultado obtido
em uma máquina com processador Intel
Core 2 Duo T5550, 1,83 GHz, com 2 GB
de RAM pode ser visto na figura 6.
Alterando o código para que ambos os
laços sejam executados somente no núcleo 0,
conforme figura 7, podemos verificar que a
utilização deste núcleo aumentou, porém de
forma superior ao esperado (figura 8).
Este fato é resultado da utilização serial
do mesmo núcleo por dois códigos. Note

F5. Código de exemplo em LabVIEW 8.5 utilizando
dois núcleos do processador.
F6. Histórico de uso dos núcleos.
F8. Histórico de uso do núcleo 0.
que o núcleo 1 permanece em atividade
(gerenciamento do sistema operacional)
e portanto o núcleo 0 é integralmente
utilizado pela aplicação, mas mesmo
assim, com resultado aquém do teste em
paralelo.
F9. Código no núcleo 0.
F10. Código no núcleo 1.
Retomando nosso estudo de caso, podemos
imaginar que utilizando um núcleo
para aquisição dos valores de posição e
carga e outro núcleo para verificação do
fim da aquisição, eliminamos o consumo
de processamento anteriormente citado.
instrumentação
F7. Código de exemplo em LabVIEW 8.5 utilizando um núcleo
do processador (ambos os laços no núcleo 0).
F11. Processador Intel de 80 núcleos.
Nosso algoritmo ficaria da seguinte forma
(figura 9 e figura 10).
De fato, esta prática melhora muito
aplicações de aquisição de dados.
Já podemos vislumbrar em um futuro
não tão distante, aplicações em CPU´s com
um número maior de núcleos e possibilidades
de aplicações muito mais complexas
e eficientes (figura 11).
Conclusão
As tecnologias de multi-processamento
continuam evoluindo. Problemas complexos
são resolvidos cada vez mais rápidos com
métodos computacionais cada vez mais
avançados. Pouco a pouco vamos integrando
estas novidades em nossas atividades
rotineiras melhorando nossos projetos e
criando novos paradigmas a serem quebrados.
Logo poderemos criar aplicações
em processadores com muito mais núcleos
e certamente a automação tende a tomar
novos rumos.
MA
Hamilton Badin Jr. é tecnólogo em mecatrônica
e projetista em automação industrial.
Novembro/Dezembro 2008 :: Mecatrônica Atual
33

case
Trem
esmerilhador é
implantado em
área industrial da
Companhia Vale
Acompanhe o desafio logístico para corrigir
imperfeições e modernizar máquinas
saiba mais
A tecnologia sobre trilhos
que move São Paulo
Mecatrônica Atual 27
GE Fanuc
www.gefanuc.com
34 Mecatrônica Atual :: Novembro/Dezembro 2008
N
o segundo semestre de 2006, a GE Fanuc
Intelligent Platforms, uma unidade da GE
Enterprise Solutions, junto com a empresa
Automation Integração de Sistemas Ltda
implantou o projeto Trem Esmerilhador na
ferrovia Estrada de Ferro Carajás (EFC),
administrada pela gerência de manutenção
industrial e máquinas de vias (Garug) da
Companhia Vale. A EFC liga a Mina de
Carajás no sul do Pará ao Porto de São Luís
no Maranhão.

F1. GE Fanuc junto com a Automation
Integração implantaram o projeto Trem
esmerilhador na ferovia Estrada de
ferro Carajás.
O projeto consistiu em corrigir imperfeições
superficiais da ferrovia com máquinas
de esmerilhamento. Além da modernização
das três máquinas, o objetivo principal foi
permitir que a partir de uma máquina se
controlasse as outras duas. Antes, cada
máquina trabalhava individualmente.
Um bom serviço de esmerilhamento,
utilizando uma única máquina, demandava
que o mesmo trecho fosse percorrido três
vezes. Com isso, a máquina tinha que, após
esmerilhar o trecho uma vez, retornar duas
vezes para novos esmerilhamentos, o que
demandava muito tempo. O trabalho com as
máquinas em conjunto dispensou a necessidade
de retornos, otimizando a produção.
Um desafio logístico precisou ser vencido
durante sua implementação, por tratar-se de
um equipamento móvel que trabalha prestando
manutenção a uma linha férrea com
extensão aproximada de 890 km e com tempos
limitados de parada para manutenção.
Foi necessário substituir todo o sistema
de supervisão e controle da máquina Pandrol
para deixá-lo compatível com as máquinas
Speno, que já utilizavam equipamentos da
GE Fanuc. Para a nova configuração, foi
utilizado um PLC da família 90-30, IHMs
do modelo QuickPanel, um computador
para o supervisório Proficy CIMPLICITY
HMI, telefones fixos, rádios do modelo
Aeronet e telefones WiFi, ambos da Cisco,
dentre outros equipamentos. Os cartões
de IO foram interligados por uma rede
Profibus DP.
O sistema de rádios permite a comunicação
de dados necessária para controlar, a
partir de uma máquina, as outras duas, e
a comunicação entre funcionários através
de voz sobre IP. Para a comunicação entre
os três PLCs, foi utilizada a ferramenta
Ethernet Global Data e para a programação
dos PLCs e IHMs foi utilizado o Proficy
CIMPLICITY Machine Edition.
O supervisório Proficy Cimplicity HMI
de cada máquina comunica-se diretamente
com cada PLC. Caso alguma das máquinas
seja retirada, o operador deverá informar a
nova configuração na tela de montagem da
composição e o sistema automaticamente
desabilita a comunicação com a máquina
ausente. A montagem da composição pelo
operador no sistema de controle é também
necessária para que os motores de rebolo
de toda a composição subam e desçam
no mesmo ponto do trilho, garantindo-se
assim que cada trecho seja esmerilhado
uniformemente por todos os rebolos.
Novembro/Dezembro 2008 :: Mecatrônica Atual
case
Os resultados obtidos foram plenamente
satisfatórios. Com o melhor desempenho da
máquina, a meta de confiabilidade, que era
de 31 km entre falhas superficiais na ferrovia,
foi superada significativamente obtendo-se
o resultado de 53 km entre imperfeições em
2007. O controle de uma máquina sobre
as outras duas permitiu reduzir a mão de
obra operacional e disponibilizar mais
para controle de qualidade e manutenção
e o tempo necessário de esmerilhamento
diminuiu substancialmente em função das
máquinas trabalharem integradas. Com
isso, a meta estabelecida passou de 2850
km/ano em 2006 (2961 realizado) para
4132 km/ano em 2007 (3126 realizado).
Em 2007 a meta não foi atingida devido
ao intenso tráfego na via. É importante
ressaltar que isso reduziu a disponibilidade
para trabalho.
Outras mudanças positivas foram que
o tempo de manutenção corretiva foi
otimizado, a comunicação de voz melhorou
significativamente e como o sistema
permitiu o armazenamento de receitas de
esmerilhamento em banco de dados agora
os operadores não precisam digitar valores
de ângulos para cada um dos 96 rebolos,
basta descarregar as receitas. MA
35

manutenção
Manutenção
preditiva: análise
de vibrações
Casos, aplicações de diagnóstico, dicas e cuidados
no monitoramento e montagem de rolamentos de
super precisão
saiba mais
Como definir custos na
Manutenção Preditiva
Mecatrônica Atual 34
Técnicas alternativas de
Manutenção Preditiva
Mecatrônica Atual 34
Economize dinheiro na
manutenção
Mecatrônica Atual 34
36 Mecatrônica Atual :: Novembro/Dezembro 2008
oobjetivo da manutenção consiste em disponibilizar
os meios produtivos e auxiliares,
na quantidade necessária e em condições
operacionais adequadas, para executar
as missões que lhe são atribuídas, isso se
referindo ao processo.
Para entender com maior facilidade
a manutenção preditiva devemos saber
sobre os tipos de manutenção existentes.
Elas são: corretiva, preventiva e preditiva,
ainda podem-se aplicar a manutenção
sensitiva durante uma inspeção de máquina
usando os sentidos humanos para avaliar
ou somar alguma informação importante
sobre o equipamento, auxiliando assim no
diagnóstico.
A manutenção corretiva, como o próprio
nome sugere está baseada em “apagar
incêndios”, correção de falhas. Esta é uma
modalidade de manutenção pouco indicada
nos dias atuais, porém ainda consideravelmente
usada.
A manutenção preventiva caracteriza-se
por intervenções em intervalos de tempo
regulares, onde são substituídas peças,
realizadas limpezas em componentes,
lubrificação, etc. Tudo dentro de um pla-
Edson Jaime Michalak
nejamento mínimo, porém sem qualquer
noção do estado de desgaste do componente
de máquina a ser substituindo muitas
vezes peças que teriam uma vida útil de
muitas horas ainda onerando o trabalho
realizado. Estas intervenções preventivas
são realizadas sem uma avaliação real dos
componentes de máquinas, não havendo
controle ou mensuração de desgaste dos
componentes trocados.
Já a manutenção preditiva baseia-se na
aquisição de sinais do equipamento que possam
permitir uma análise de sua condição.
Pode-se ter qualquer valor de desgaste emitido
de alguma forma pela máquina, como um
valor mensurável para avaliar sua condição.
Vibração, temperatura, ruído, analise de
óleo e partículas, ultra-som, etc.
É valioso notar que o sucesso desse
programa não depende necessariamente
de grandes investimentos iniciais em equipamentos
sofisticados de análise. Muitos
esquemas de sucesso começam com medidores
e analisadores de vibração analógicos de
baixo custo, de funcionamento simplificado,
capazes de atender a um elevado número de
equipamentos, dos mais diversos tipos.

F1. Moldureira - Máquina de
usinagem de madeira. F2. Exibição do diagrama.
É necessário apenas que os equipamentos
de coleta de dados sejam confiáveis e robustos,
capazes de suportar os rigores do trabalho
diário, em ambientes agressivos.
Uma manutenção centrada em um
planejamento preventivo e preditivo representa
uma diminuição de custos em uma
empresa. Por meio das técnicas de controle de
condição é possível aplicar em paralelo com
manutenção preventiva. Estas aplicações de
manutenção oferecem uma redução de 20 a
40% nos custos de manutenção.
Em algumas situações não há condição
de se empregar somente a preditiva, mas ela
pode em muitos casos servir de parâmetro
e indicador para que a preventiva seja bem
sucedida.
O último século assistiu a uma grande
evolução na sofisticação das máquinas utilizadas
no processo. Sofisticação induzida
pelo aumento da produtividade industrial.
Isto levou os equipamentos a uma evolução
de sistemas puramente mecânicos para
sistemas eletromecânicos, de precisão com
controladores gerenciados via software.
Hoje em dia as máquinas constituem
dispositivos eletromecânicos controlados
por computadores, desenhados para uma
alta carga de trabalho a níveis que a anos
atrás não seriam concebíveis.
Hoje a manutenção moderna tem que
estar a níveis de sofisticação e evolução
equiparados a dos equipamentos de processo.
A manutenção passa a ser fundamental
na confiabilidade e qualidade de processo
industrial moderno. Uma empresa para
permanecer competitiva requer a máxima
disponibilidade dos equipamentos de
seu parque fabril. Essa diferença entre as
manutenções pode estar indiretamente ou
muitas vezes diretamente ligada ao preço do
produto final, por conseqüência ganhando
novos clientes e fazendo a manutenção dos
seus clientes.
A manutenção preditiva é uma filosofia
de manutenção avançada que prioriza os
sistemas fabris em termos da sua capacidade,
obriga ao equilíbrio entre os planos de
manutenção assegurando disponibilidade,
minimizando custos.
Todos com o mínimo de vivência na
área de manutenção já se depararam com
a seguinte situação: um determinado equipamento,
vital para o processo, de repente
apresenta uma pane! O maquinário para
com suas funções abruptamente devido ao
travamento de seus componentes rotativos,
isto porque há uma fadiga natural e até
mesmo outras causas que podem originar
o travamento dos elementos rotativos de
forma inesperada.
Estas situações podem ser evitadas
em praticamente 100% das vezes com
um bom plano de manutenção preditivo
e preventivo, afinal em 98 % dos casos
o componente em estado de degradação
nos emite antecipadamente alguns sinais
de sua condição de falha, basta sabermos
como entender tais sinais. É importante
ressaltar que a interpretação destes sinais é
função da manutenção preditiva. Eles nos
dizem onde esta o problema e o que está
ocorrendo em nosso maquinário.
Nos tempos atuais não há dúvidas sobre
a caracterização de uma manutenção ideal.
Deve-se ter uma equipe de planejamento focada
no controle de condição de maquinário,
utilizando planos preventivos, estatísticos
e preditivos. Tendo um controle quase
total dos equipamentos sempre focando
aumento da disponibilidade de máquina
para o processo.
manutenção
Aplicação: Nível das
vibrações como indicador
da saúde da máquina
Um equipamento de usinagem de molduras
consiste em conjuntos de cabeçotes
superiores, inferiores e laterais acionados por
motores elétricos, com transmissão de força
e de rotação feita através de polias.
A função de uma moldureira (máquina
de usinagem de madeira) é plainar e moldar
a madeira em todos os 4 lados da peças
por toda sua extensão. Uma ferramenta é
fixa no eixo por pressão de graxa, ficando
hidrocentrada no eixo. A qualidade final da
superfície de madeira usinada é determinada
pela velocidade de alimentação e pelas facas
do equipamento. O número de facas no
ferramental influência no acabamento final
da superfície usinada. Veja a figura 1.
Velocidade de avanço:
A seleção da velocidade de avanço está
determinada pela qualidade da superfície
solicitada (longitudinal do passo da faca
fz eff) e depende do RPM da máquina e
do número de dentes. A relação pode ser
vista na figura 2.
Relação entre qualidade
da superfície e o passo
longitudinal da faca:
Diagrama para determinar a velocidade
de avanço vf dependendo do RPM n e da
longitude do passo da faca fz eff para vários
números de dentes Z (figura 3).
Exemplo:
n = 8000 min-1,
fz eff = 3 mm,
Z 4: vf = 24 m min-1
Uma falha nos mancais de rolamento
nesta fase do processo pode significar uma
Novembro/Dezembro 2008 :: Mecatrônica Atual
37

manutenção
F3. Diagrama para determinar a velocidade de avanço vf.
F4. Vibração em consequência da deterioração
grande dor de cabeça, para manutenção e
principalmente para o processo. O produto
necessita de precisão de milésimos no
acabamento final da moldura.
Em uma destas situações ocorreram
estes batimentos que podem ter sido ocasionados
por falha de ajuste de máquina,
sub-dimensionamento do ferramental ou
falha mecânica no maquinário.
O operador refez todo o processo de
ajuste e preparação da máquina por duas
vezes, mas não conseguiu eliminar o tal
batimento. Além dos danos gerados no
produto, a programação da produção fica
em xeque, atrasando e sobrecarregando o
sistema industrial.
Após inúmeras tentativas de correção,
foi acionada a manutenção preditiva, que fez
o monitoramento do conjunto, avaliando a
vibração gerada pelos componentes rotativos
da máquina.
Tendo reconhecido que o aumento do
nível de vibração normalmente indica o
desenvolvimento de uma falha, o técnico
38 Mecatrônica Atual :: Novembro/Dezembro 2008
precisa localizar a falha em um elemento
particular da máquina. Medidas de vibração
de nível global fornece poucas informações
que ajude a identificar as falhas. Entretanto,
somente com o espectro de freqüência será
possível obter o diagnóstico preciso da falha
em desenvolvimento.
Isso implica no estudo inicial das especificações
e desenhos de engenharia para
cada máquina. É necessário fazer um plano
esquemático e registrar nele as características
geométricas e dinâmicas do equipamento,
tais como: o número de pólos do motor, as
velocidades de rotação, número de dentes
das engrenagens, os dados das bolas/rolos
dos mancais de rolamentos, etc.
Por meio de cálculos simples, estes dados
são convertidos nas freqüências características
que compõem o espectro de freqüência
esperado no caso de desenvolvimento de
falhas. Esses dados são fundamentais para um
diagnóstico de vibrações confiáveis por parte
da manutenção preditiva. Foram levantadas
informações como: rotações, rolamentos,
potência e sistema de transmissão. Essas
são informações mínimas e necessárias
para um diagnóstico preciso.
Imaginemos um escamamento na pista
do rolamento deste cabeçote, com rotação
superior a 6 mil rotações por minuto, isso
geraria uma vibração que acabaria sendo
absorvida pela ferramenta causando danos
a peça processada (figura 4).
Após ter a ciência de algumas informações
importantes sobre o equipamento a ser
monitorado, tem-se a importante função
de fazer um setup de monitoramento (figura
5), que possibilite a visualização das
vibrações em freqüências que realmente são
indispensáveis para o diagnóstico. Esse setup
é feito embasado nas informações técnicas
obtidas e quase sempre as encontramos em
manuais do fabricante do equipamento.
Cadastram-se as freqüências de falha
dos rolamentos levantados, de pista
interna (BPFI), pista externa (BPFO),
elementos rolantes (BSF) e gaiola (FTF).
Conhecemos após isso as freqüências de
falha de rolamento que são moduladas
pela freqüência de rotação do eixo ao qual
os rolamentos estão montados. Portanto
nada adianta ter a freqüência de falha de
rolamento se não sabemos a velocidade de
rotação do eixo. Essas freqüências de falha
de rolamento são conhecidas em softwares
ou por formulas.
As freqüências de defeitos gerados por
rolamentos não são harmônicas da rotação
do eixo sobre o qual estão acondicionadas,
as freqüências de defeitos de rolamentos
são harmônicas entre si e modulados pela
freqüência fundamental do eixo.
Os pontos medições são fundamentais
para observação de uma provável falha nos
rolamentos (figura 6). Entende-se que quanto
mais próximo do rolamento e mais rígido
o local de fixação do acelerômetro melhor
e mais confiável é o sinal adquirido.
O plano de medição é fator que pode
ser crucial na análise, pois há determinadas
falhas que geram sinais mais específicos
em planos de medições únicas, pode-se
citar como exemplo: folgas mecânicas nos
mancais, estes sinais seriam múltiplos ou
submúltiplos da rotação do eixo que tem uma
notoriedade maior nos planos verticais de
leitura. Um possível desbalanceamento, por
sua vez, seria melhor visualizado no plano
horizontal. Portanto é relevante o cuidado
nos planos de coleta de dados.

Ajusta-se agora o setup de coleta de dados,
verificando quais filtros passa alto ou passa
baixo utilizar, a resolução e quais freqüências
queremos observar (tabela 1).
F5. Visualização das vibrações em freqüências.
T1. Parâmetros de análise.
Para analisar este caso de uma provável
falha nos rolamentos do cabeçote foi utilizado
filtros passa alto de 500 Hz - 10 KHz em
alta freqüência com envelope de aceleração
manutenção
(figura 7). O filtro passa alto é um filtro que
começa em uma faixa de freqüência de corte
mais baixa e estende-se até uma freqüência
mais alta ou teoricamente infinita.
A resolução é número de linha definida
no espectro dividida pela freqüência:
R = n° linhas / Freqüência Final
Quanto maior a resolução mais demorada
será a coleta de dados, porém terá a
facilidade de uma análise confiável aplicando
zoom, em caso de se observar freqüências
únicas, como a distinção de múltiplos da
rotação ou pico em duas vezes a freqüência
de rede. Uma resolução boa pode evitar um
erro de aliasing.
Para evitar o “aliasing” os sinais são filtrados
em faixas de freqüência de acordo com
o tipo de análise a ser feita (deslocamento,
velocidade ou aceleração(tabela 1).
F6. Pontos de medições.
Novembro/Dezembro 2008 :: Mecatrônica Atual
39

manutenção
Monitoramento do Motor
O motor foi monitorado e não foram
detectadas as vibrações severas em nenhuma
freqüência. Os envelopes com filtros em alta
freqüência não indicaram nenhuma falha nos
rolamentos dos mancais. Não havia múltiplos
da rotação do motor em baixa freqüência e
em alta freqüência, caracterizando as boas
condições dos mancais referindo-se a folgas
entre eixo e tampa do motor, o pico na
freqüência fundamental do motor (59,94
Hz) indicando a sua rotação real também
estava em níveis bons. Um pico elevado em
1x a rotação do motor poderia indicar um
problema de desequilíbrio.
As freqüências de roçamento entre
rotor e estator do motor também não apresentava
sinais de alguma anormalidade
decorrente.
As leituras anteriores do motor formam
um excelente histórico da saúde do motor
também não indicava alterações. Os gráficos
das vibrações induziam a uma condição
F7. Diagrama do sistema de coleta e filtros.
F8. Gráfico de vibrações.
40 Mecatrônica Atual :: Novembro/Dezembro 2008
saudável desta parte do equipamento, o
motor (figura 8).
Monitoramento do
Cabeçote de Usinagem
As medições no cabeçote de usinagem
do equipamento apresentavam um nível
irregular, os gráficos de histórico das vibrações
também estava alterado. Os espectros
de velocidade e os envelopes de aceleração
indicavam falhas em componentes que
geram sinais em altas freqüências.
As leituras verticais apresentam sinais
da existência de harmônicos da rotação do
eixo (102,4 Hz) que estaria caracterizando
folgas no mancal do lado oposto da polia.
Picos múltiplos da rotação do eixo caracterizavam
folgas mecânicas nos mancais do lado
onde era fixada a ferramenta. Nas leituras
horizontais do ponto 4H lado oposto a polia
verificou-se a presença mais predominante
de um pico na componente em 1x a rotação
com 5,6 mm/s (figura 9).
Portanto as leituras neste mancal apresentavam
na vertical, picos harmônicos
da rotação até o 5° múltiplo. Harmônicos
estes notados nas leituras de velocidade e
no envelope de aceleração. Na horizontal
ainda era possível perceber a presença de
harmônico da rotação, porém com menor
intensidade devido a defasagem de 90° na
leitura. Na horizontal era a componente em
1x que tinha maior notação na horizontal
com 5,6 mm/s na horizontal enquanto na
vertical essa freqüência tinha amplitude
de 3,1 mm/s e múltiplos com amplitudes
elevadas e predominantes no espectro.
Medição Mancal 3
lado da polia
No mancal do lado da polia foi verificado
uma elevada vibração em 1x a rotação
na medição horizontal. A freqüência de
102,4 Hz exibia um elevado pico com
amplitude de 12,5 mm/s, característico
de um desbalanceamento. É importante
ressaltar que o desbalanceamento ocorre
quando temos o centro gravitacional da peça
girando fora do seu centro de geométrico,
isto faz com que o acelerômetro registre
um pulso predominante na freqüência
de rotação do eixo, defasado em 180° nas
medições radiais.
Não ocorreram sinais que induzissem
folgas neste mancal. Predominava vibração
em 1x a rotação na radial em velocidade.
No envelope de aceleração, onde se obtém
as vibração em alta freqüência que podem
indicar uma falha de rolamento, estavam
com amplitudes elevadas e picos que coincidiam
com a freqüência de falha de pista
externa do rolamento 7010.

É importante não se confundir os
harmônicos da rotação do eixo com as
freqüências de falha de rolamento. A freqüência
portadora é a rotação do eixo, esta
modula quase todas as demais freqüências
analisadas, algumas destas são múltiplos desta
freqüência outras não, como as freqüências
de falha de rolamento, por exemplo. Essas
freqüências dependem da rotação do eixo,
mas não são harmônicas desta freqüência,
são múltiplos entre si e nunca harmônicos
da rotação.
Diagnóstico dado pela preditiva para
resolução do caso foi:
• Folgas nos mancais do lado oposto
da polia;
• Excentricidade da polia;
• Rolamento do lado da oposto a polia
em estado de deterioração.
Após a intervenção mecânica no maquinário
pode se analisar as causas que
geravam aqueles sinais vibratórios de alta
intensidade e que estavam causando um
retrabalho do processo devido ao elevado
índice de refugo gerado.
A excentricidade e ou desbalanceamento
estavam sendo gerados por folgas na fixação
da polia ao eixo. A polia folgada trabalhava
no conjunto tencionada pelas correias evitando
o batimento da polia no eixo, porém,
as folgas faziam com que a polia girasse
de forma excêntrica no eixo, gerando uma
vibração típica de desbalanceamento.
Folgas de 0,9mm dimensionais entre
eixo e alojamento da polia faziam com
que a vibração da freqüência fundamental
medida no mancal do lado da polia fosse
de 9,95 mm/s.
No mancal do lado da ferramenta foi
notada após medições dimensionais uma
folga no colo do eixo. O conjunto duplex
montado nesta posição do cabeçote com
rolamentos 7011 CTYSULP4 apresentava
sinais de oxidação por contato na face
externa do seu anel interno.
O lubrificante devido ao atrito gerado
pela folga existente e carga do maquinário
estava em princípio de deterioração e perdendo
suas propriedades físico-químicas.
As condições dos rolamentos eram
ruins, estes teriam seu estado de degradação
acelerado pelos fatores a que estavam
expostos como folgas, lubrificante sem
as propriedades protetoras contra atrito e
conseqüentemente teria uma elevação da
temperatura.
F9. Medição Mancal 4 lado oposto a polia.
manutenção
F10. Registro de 22 g’s de amplitude, o que aumentou em 11 vezes o último valor registrado.
O conjunto duplex do lado da polia
estava com escamamento na pista externa.
Esse duplex é montado com um par de
rolamentos 7010 CTYSULP4, disposto
em “O” back-to-back.
Os rolamentos são os componentes mais
importantes em muitos grupos de máquinas.
Neste da moldureira não é diferente, pois a
falha no componente rotativo tem sérios e
drásticos efeitos na máquina e no processo.
A discrepância entre o custo preditivo
e corretivo pode chegar a ser cinco vezes
maior no caso de uma falha abrupta.
Neste conjunto os valores globais das
vibrações em altas freqüências detectados
nos envelopes de aceleração estavam
elevados.
O envelope de aceleração com detector
de envoltória usando filtros passa alto de
500Hz a 10 kHz mostravam picos que
coincidiam com falhas na pista externa do
rolamento “BPFO” e gaiola “FTF”.
O gráfico das vibrações em aceleração
(figura 10) registrou 22 g’s de amplitude,
aumentando 11 vezes o último valor registrado.
Devido ao escamamento e a folgas
existentes na mancalização do cabeçote.
Após a correção da falha a vibração
verificada teve uma melhora diminuindo os
valores globais em alta e média freqüência.
Os espectros não possuíam mais picos com
amplitudes elevadas que indicassem alguma
anormalidade.
Novembro/Dezembro 2008 :: Mecatrônica Atual
41

manutenção
T2. Comparativo rolamento standard x superprecisão.
T3. Precisão de giro P2 / Precisão dimensional P4.
F11. Nomenclatura anel externo rolamentos de super precisão.
42 Mecatrônica Atual :: Novembro/Dezembro 2008
Cuidados necessários e
atenção para montagem
de rolamentos de super
precisão da moldureira
Os rolamentos de super precisão exigem
cuidados mais do que redobrados para o
sucesso da manutenção de um cabeçote de
moldureira. Um rolamento de super precisão
deverá prover grande velocidade de rotação
com pequeno aquecimento, excelente rigidez
e precisão funcional.
As tolerâncias dimensionais dos rolamentos
de superprecisão são mais estreitas
do que para os rolamentos standard, com
isso a precisão funcional (de giro) é superior
(tabela 2).
Exemplo:
Rolamento: 7210
Dimensional: 50 x 90 x 20 mm
Quando estamos realizando a manutenção
de um cabeçote devemos ter total
controle sobre uma série de variáveis: dimensional
de eixo e alojamento, pré-carga,
ângulo de contato, rotação real, material
da gaiola, a disposição (costa a costa, face
a face, etc) e classe de precisão.
A classe de precisão é extremamente
importante para a qualidade de usinagem.
Quanto menor o número maior a precisão
de giro e dimensional. No caso das moldureiras
é mais do que suficiente a adoção
da classe de precisão P5 para os rolamentos
dos cabeçotes (tabela 3).
Tipos de montagem
Ao realizar a substituição dos rolamentos
deve-se prestar atenção na disposição dos
rolamentos: costa a costa e face a face. A
montagem incorreta poderá implicar em
vibração do cabeçote pelo não fechamento
do pacote dos rolamentos (pré-carga) e
conseqüentemente perda da qualidade de
usinagem. Outra conseqüência pode ser a
ausência da compensação da dilatação axial
do eixo o que provoca cargas axiais excessivas,
aquecimento, problemas de usinagem e baixa
vida útil do rolamento (figura 11).
Na montagem costa a costa o objetivo
é maior rigidez. Na face a face: “flexibilidade”
e na tandem maior capacidade de
carga axial.
Outro item importante a ser observado
é o ângulo de contato. Quanto maior o
ângulo de contato menor o nível de rotação
que pode ser atingido e maior a capacidade
de carga axial (figura 12).

Pré-carga
A pré-carga corresponde à uma carga
axial aplicada de maneira permanente
nos rolamentos e é obtida pelo aperto das
faces dos rolamentos de uma associação
ou por sistemas com mola. Através da
aplicação da pré-carga os seguintes pontos
são obtidos:
• Evita deslizamento esferas/pistas;
• Melhora o rolamento entre esferas/pistas;
• Aumenta a rigidez da fuso,portanto a
precisão de usinagem da máquina;
• Reduz o ruído, as vibrações, o desgaste.
Comercialmente os fabricantes disponibilizam
três ou mais classes de pré-carga: extraleve,
leve, média e pesada. É fundamental
a seleção correta no processo de aquisição
dos rolamentos, pois a influência é direta
na rotação máxima permitida do conjunto
e na rigidez. Quanto maior a classe de précarga
é maior a rigidez e menor a rotação.
No caso da rotação ainda há a influência
da disposição dos rolamentos.
Para os rolamentos de super precisão
os ajustes recomendados tanto para eixo e
alojamento seguem especificações muito
mais rigorosas. Tabelas com os objetivos
de interferência ou de folga devem ser seguidas
e os valores medidos sempre devem
ter precisão milesimal.
Exemplo:
Rolamento 7012CTYSULP4
No caso de carga rotativa no anel
interno (main spindle bearing) a interferência
será:
Mínima: 0
Máximo: 0,003 T
Diâmetro eixo de 50 a 80 mm
Ou seja no máximo 3 m de aperto. Para
poder atingir este objetivo na embalagem
do rolamento vem impresso o resultado da
medição do diâmetro interno.
7012 CTYSULP4
D - 2
d - 3
C - 100
Neste caso o rolamento foi fabricado
com diâmetro interno de 59,997 mm (60
- (31000)), ou seja, o eixo deverá ter de
59,997 a 60,000 mm para podermos obter
o ajuste recomendado pelo fabricante.
F12. Quanto maior o ângulo, menor o nível
de rotação.
Caso não sejam obedecidas as especificações
para ajustes de eixo e alojamento as
conseqüências são diretas. Com interferência
excessiva não ocorre a obtenção de pré-carga
da maneira correta e desta forma a rigidez
necessária ao cabeçote. Neste caso, há aquecimento
dos rolamentos, folga e baixa vida
útil dos rolamentos. No caso de interferência
deficiente (folga) normalmente há pré-carga
excessiva e mesmo deslizamento o que provoca
aquecimento, deterioração da graxa e também
baixa vida útil dos rolamentos.
Cuidados adicionais
Verificar a posição dos rolamentos e o
fechamento da tampa para assegurar um
bom bloqueio (figura 13).
A largura dos anéis é o item de maior
variação. Para cada manutenção deve-se
medir a largura do pacote formado pelos
rolamentos e espaçadores e na nova montagem
caso necessário compensar nas tampas
ou nos espaçadores.
Exemplo:
Medidas
(tampa e espaçadores - cuidados)
Largura original: 250,012 mm
Larg. c/ rolamentos novos: 250,002 mm
Neste caso podemos compensar na
tampa (tampa nova) ou nos espaçadores
(novos com largura 0,010mm maior).
O custo de uma manutenção focada
no planejamento e monitoramento de condição
de máquina pode de início parecer
oneroso e pouco viável, mas os resultados
manutenção
F13. Cuidados com as medidas das tampas
e espaçadores.
obtidos com o emprego de técnicas como
análise de vibrações é facilmente verificado
e justificado com o aumento do tempo de
máquina para processo.
Ideal nos tempos de hoje seria que as
empresas tivessem uma sistemática interna
de monitoramento dinâmico, mas o mínimo
que se faz necessário é aquisição de serviços
de terceiros especializados. Levando-se em
conta que quanto mais medições, maior será
a confiabilidade do sistema, imagine que
uma terceirização de uma análise preditiva
possa ser onerosa se forem feitas leituras em
intervalos de tempo menor ou menos eficaz
se julgarmos que para uma diminuição
de custo teríamos que fazer trimestral ou
semestralmente o monitoramento.
Somente planejando é possível atingir os
objetivos e elevar a manutenção como parte
estratégica dos negócios da organização.
A integração entre o planejamento e a
execução da manutenção é o fator crítico
de sucesso de qualquer atividade de manutenção
na planta.
Já o segundo trabalho de inspeção convencional
assumiu um papel de destaque
à medida que aprimoramos habilidades na
equipe que posteriormente será fonte de
informação para o planejamento, pois com
o levantamento das anomalias geram um
histórico mais apurado da manutenção e
conseqüentemente obtém os reflexos positivos
com a aplicação das novas técnicas. MA
Edson Jaime Michalak trabalha no departamento
técnico da Preditec - Engenharia da
manutenção.
Novembro/Dezembro 2008 :: Mecatrônica Atual
43

conectividade
Alimentação solar para
telefonia rural
A partir da análise de um sistema de telefonia rural, onde não
há abastecimento de energia elétrica pela concessionária local,
percebeu-se que a energia solar fotovoltaica consiste na melhor
forma de obtenção de energia. Assim, a migração do sistema analógico
para o digital proporciona um sistema de melhor qualidade,
durabilidade e economicamente viável Carlos Reis de Freitas
saiba mais
Fraidenraich, N. e Lyra, F.J.,
Energia Solar e Tecnologias de
Conservação Heliotermoelétrica
e Fotovoltaica. Editora Universitária
da UFPE, 1995 (ISBN 85-7315-024-6).
Tiba, C., Fraidenraich, N.
e Barbosa, E.M.,
Instalação de Sistemas Fotovoltaicos
para Residências Rurais.
Editora UNIU da UFPE, 1999 (ISBN
85-7315-119-8).
Marco Antônio Galdino
e Jorge H. G. Lima
Prodeem – Programa Nacional
de Eletricidade Rural, baseado
em energia solar fotovoltaica.
Coletânea de arquivos – Energia
Solar e Eólica – Volume 1. Cepel.
P.Ferreira. Sobrinho. Energia Solar
Fotovoltaica – Guia Prático
http://tinyurl.com/solar-vitruvius
http://tinyurl.com/energiasolar
44 Mecatrônica Atual :: Novembro/Dezembro 2008
As aplicações fotovoltaicas baseiam-se na propriedade
eletroquímica de alguns materiais
que transformam a luz em eletricidade. A
sua utilização mais importante é no fornecimento
de energia para lugares isolados e
além disso, o processo de transformação
é limpo e silencioso, não utilizando peças
móveis e com custo operacional praticamente
nulo.
A conversão da luz em eletricidade é
realizada por células fotovoltaicas que são
pequenas lâminas delgadas recobertas por
uma camada de décimos de milímetro
de um material semicondutor, como o
silício. Quando as células são expostas a
uma fonte de luz, no caso o sol, os fótons
(partículas de luz) excitam os elétrons do
semicondutor. Com a energia absorvida, os
elétrons passam para a banda de condução
do átomo e geram corrente elétrica, nesse
caso, as células geradoras de energia são
depois agrupadas para formar os painéis
solares ou placas fotovoltaicas.
A energia solar fotovoltaica tem apresentado
um impulso notável nos últimos
anos, devido principalmente à pesquisa de
novos materiais na fabricação dessas células
e também por ser uma solução eficaz para a
falta de eletrificação convencional, energia
nuclear ou energias derivadas de extração
mineral (óleo diesel e carvão).
Apesar da energia fotovoltaica ainda ser
mais cara do que a proveniente de fontes
tradicionais, ela pode ser utilizada em sistemas
de fornecimento elétrico alternativo
ou de emergência, evitando os apagões
elétricos.
Além disso, a vasta aplicação da energia
solar permite que seus circuitos possam
ser completados por outros sistemas, por
exemplo: energia eólica.
Sistema de Telefonia Rural
Com a utilização do sistema de telefonia
rural é possível fornecer serviços de
voz, fax e internet, sem a necessidade de
quilômetros de fios e postes, reduzindo
significativamente os custos de instalação.
Porém, o bom funcionamento e a segurança
da operação de uma estação fixa dependem,
além de um projeto bem elaborado e cuidadoso,
da qualidade dos equipamentos
utilizados. Assim, o baixo custo do sistema
e a alta confiabilidade agregam valor à
infra-estrutura da propriedade.
Desde 1995 está em funcionamento um
sistema analógico de comunicação telefônica
numa propriedade rural, localizada na
Serra do Mar, no município de Pindamonhangaba,
Vale do Paraíba, interior de São
Paulo. Houve a necessidade de um estudo
para encontrar a melhor alternativa de geração
de energia elétrica necessária para suprir
o funcionamento dos equipamentos, uma
vez que se torna complicado o fornecimento
de energia elétrica pela concessionária local,

devido não apenas à distância mas também
pelo difícil acesso pela mata fechada. Assim,
a solução mais econômica e viável foi a
instalação de um painel solar.
Como a luz solar que chega aos módulos
produz eletricidade em corrente contínua
(DC), a tensão do painel solar é de 12 volts,
o mesmo padrão utilizado nas baterias dos
carros. O sistema funciona armazenando a
energia DC de alimentação nessas baterias,
que acumulam energia quando não existe
consumo.
Esse painel solar supriu a necessidade de
fornecimento de energia elétrica ao equipamento
RURALCEL (Serviço de Telefonia
Rural da Telefônica), disponível apenas
para o Estado de São Paulo e restrito às
áreas não atendidas pelas redes de telefonia
fixa convencionais, tipicamente áreas rurais
ou regiões distantes dos centros urbanos.
Normalmente a bateria e o painel solar
trabalham em conjunto para alimentar a
carga, sendo a função da bateria, em um sistema
fotovoltaico, acumular a energia que
se produz durante as horas de luminosidade
a fim de poder ser utilizada à noite ou durante
períodos prolongados de mau tempo.
Outra função, é prover uma intensidade de
corrente superior àquela que o dispositivo
fotovoltaico pode entregar.
Migração digital do sistema
de telefonia rural
O sistema analógico instalado funcionou
de maneira satisfatória durante
dez anos, necessitando apenas da troca
de quatro baterias de armazenamento de
energia e, poucas vezes, de limpeza do
painel solar e do abrigo onde foram feitas
as instalações.
Vale ressaltar que, na época da instalação,
os equipamentos possuíam circuitos
analógicos, não apresentando na
sua entrada de alimentação tolerância de
variações ou oscilações na tensão entregue
pelo painel solar.
A migração para um sistema digital
permite lidar com tensões e correntes analógicas,
assegurando a tensão de 12 volts
estável para alimentação do equipamento
de telefonia, melhorando o funcionamento
e a segurança da operação da estação de
telefonia rural, mantendo o baixo custo operacional
e a alta confiabilidade. Além disso,
como a alimentação da bateria é proveniente
do painel solar, não existe a possibilidade
de descargas atmosféricas vindas pela rede
elétrica CA (corrente alternada).
Para estabilizar a alimentação na entrada
da bateria foi instalado um equipamento
chamado controlador para painel solar (figura
1). Esse controlador mantém o sistema
em condições ideais de funcionamento,
assegurando longa vida útil e ainda um
fornecimento seguro, sem oscilações para o
equipamento de transmissão e recepção.
Existem diversos tipos de controladores
de carga, porém a concepção mais simples é
aquela que envolve uma só etapa de controle.
O controlador monitora constantemente
a tensão da bateria de acumuladores, e
quando a referida tensão alcança um valor
para o qual a bateria está carregada, o controlador
interrompe o processo de carga.
Isto pode ser conseguido abrindo o circuito
entre o módulo fotovoltaico (controle tipo
série) e a bateria, ou curto-circuitando o
mesmo (controle shunt).
Quando o consumo faz com que a bateria
comece a descarregar-se e, portanto, a
baixar sua tensão, o controlador reconecta
o gerador à bateria e recomeça o ciclo. Este
sistema é conhecido pelas siglas CMT
(Corte por Mínima Tensão) ou LVD (Low
Voltage Disconnection).
Aplicações do sistema
Caso sejam necessárias tensões maiores
do que 12 volts, podem ser combinados
módulos solares em pares para produção
de 24 volts, ou grupos de quatro para 48
volts. Com isso, tem-se a possibilidade de
inserir no sistema elétrico, proveniente da
energia solar, outro equipamento digital:
o inversor.
F1.Sistema Estabilizado de Alimentação da Bateria.
F2. Sistema de Alimentação de Corrente Contínua ou Alternada.
conectividade
As principais aplicações dos
painéis solares são:
1. Eletrificação (residências, escolas,
comércio, fazendas, indústrias, estações
e postos avançados de vigilância e de
radiodifusão);
2. Telecomunicações (telefonia rural,
torres e retransmissores, estações
terrestres, radiotelefonia e radiocomunicação);
3. Sinalização aérea e náutica (faróis
náuticos, sinalização em torre de
transmissão e energia elétrica e de
radiodifusão, sinalização em portos e
aeroportos);
4. Sinalização rodo-ferroviária (painéis
de mensagens, sinais luminosos, e na
iluminação de placas de sinalização e
propaganda);
5. Sistema de aquisição de dados
meteorológicos e climatológicos; equipes
de televigilância (depósitos e silos,
tráfego rodoviário, em rios e matas);
6. Alimentação autônoma de centrais
de alarme e sistemas de segurança.
O inversor converte a alimentação CC
armazenada nas baterias para CA de 110
volts ou 220 volts (figura 2), sendo essas
as mesmas que a rede pública fornece para
luzes, tomadas e dispositivos. Os cabos
curtos, pesados com fusível de potência ou
um disjuntor de circuito levam a energia
das baterias para o inversor.
Depois da conversão para CA, o inversor
ligado ao disjuntor coloca energia da
instalação solar diretamente no circuito
elétrico em vez das linhas de serviço públicas.
Já os inversores domésticos vêm com
potências na ordem dos 50 a 5500 watts.
Novembro/Dezembro 2008 :: Mecatrônica Atual
45

conectividade
F3. Sistema Digital de Abastecimento Energético da Propriedade Rural.
O sistema digital proporciona variedade
na produção da energia elétrica gerada pelo
sistema solar fotovoltaico, aumentando a
capacidade de abastecimento energético
da propriedade, adicionando controle ao
sistema e também fornecendo um sistema
totalmente digital (figura 3).
46 Mecatrônica Atual :: Novembro/Dezembro 2008
Conclusão
A migração do sistema de telefonia
rural analógico para o digital é economicamente
viável, levando em conta que a
concessionária local não atende a propriedade
devido a sua localização geográfica.
Assim, além do processo apresentar baixo
custo de instalação e manutenção, possui
alta confiabilidade. Isso porque quando
introduzido ao processo, o controlador
estabelece os níveis aceitáveis de corrente
e tensão, sem flutuações e oscilações, e
matém a carga na bateria sempre constante,
com fornecimento contínuo de energia
mesmo com a pouca incidência ou ausência
da luz solar.
Com esse controle no processo prolonga-se
ainda mais a vida útil dos equipamentos
do sistema, ou seja, do painel solar, da
bateria e do equipamento de telefonia.
O sistema de alimentação solar poderá
ser implementado com outros equipamentos
digitais que ofereçam praticidade aos
usuários e que mantenham a alta qualidade
do projeto já instalado.
Portanto, o sistema implementado apresenta
baixo custo de instalação e funciona
por muito tempo sem a necessidade de
qualquer manutenção além da preventiva,
que continua sendo simples e barata. Este
artigo apresenta aspectos fundamentais
para o contínuo desenvolvimento de projetos
desse tipo e que obtiveram resultados
satisfatórios como os apresentados. MA

Faça as
perguntas
certas!
m meados da década de 90, quando a
onda dos ERPs – Enterprise Resource
Management ou software de gestão
corporativa – vivia seu apogeu, poucas
pessoas imaginavam que algumas
implementações durariam até a década
seguinte. Raríssimas empresas questionaram
a real necessidade do seu negócio,
já que o mantra do mercado apontava
na direção dos poderosos e abrangentes
sistemas de gestão. A promessa
de integração e controle onipresentes
seduziu o mundo corporativo. Passados
quase 20 anos, uma lição foi aprendida:
antes de adquirir um sistema, faça a
pergunta certa.
A discussão dos fabricantes, em se
tratando da criação de novos produtos,
hoje, diz respeito à gestão de seu ciclo
de vida e parece que o mundo tenta
polarizar o debate entre PLM (Product
Lifecycle Management) ou PDM (Product
Data Management). Qual dos dois
sua empresa deve adotar? A pergunta
certa a ser feita é: qual o caminho mais
eficiente para resolver seus problemas
relacionados ao desenvolvimento de
produto no curto prazo?
Cada organização deve assumir sua
verdade particular e aceitar que a maioria
das empresas não está preparada para
um sistema de PLM por uma razão
simples: muitas indústrias ainda usam
sistemas baseados em papel para controlar
as modificações de produtos em
sua engenharia. Isso significa lentidão
no lançamento de produtos, cópias de
desenhos desatualizadas, circulação lenta
de documentos, excesso de papel, alto
índice de retrabalho, dificuldade de se
obter informações dos produtos, entre
outros problemas.
A realidade de uma empresa que
ainda atua nestes moldes é que existe
um longo caminho a ser percorrido e
não adianta tomar atalhos. O PLM pode
ser comparado a um ERP, acompanha
toda a vida do produto, diz respeito à
“enterprise sharing of released documents”
e seu tempo de implementação pode ser
de meses ou anos. PDM é um subsistema
do PLM, gerencia com eficiência dados
de design do produto em 3D, diz respeito
a desenvolvimento de produtos em andamento
e sua implementação não dura
mais de cinco dias, em geral.
“
chão de fábrica
Oscar Siqueira
Oscar Siqueira é country-manager
da SolidWorks Brasil.
A pergunta certa
a ser feita é: qual
o caminho mais
eficiente para resolver
seus problemas
relacionados
ao desenvolvimento
de produto
no curto prazo?
Novembro/Dezembro 2008 :: Mecatrônica Atual
47

chão de fábrica
Um dado espantoso: segundo a CI-
MData, principal empresa de pesquisa
e abordagem PLM, 61% das indústrias
manufatureiras acreditam que uma implementação
de PLM é igual ou mais complexa
que uma implementação de ERP. Essa é
uma informação que deve ser considerada
seriamente.
A nova afirmação que proponho – e aí
vale a pena debater – é a de que qualquer
empresa que tenha adotado um sistema de
CAD 3D precisa de uma solução de PDM
agora. É fácil defender essa tese. A tecnologia
tridimensional gera mais dados do que a
2D e contém associações, referências e inter-relacionamentos
com outros arquivos,
como peças, desenhos, várias configurações
ou conjuntos que precisam ser gerenciados e
preservados. Tudo isso cria uma necessidade
latente de gerenciamento do maior volume
e complexidade de dados.
O PDM é um item obrigatório para
todos os fabricantes que utilizam uma
ferramenta de desenho de projeto tridimensional
ou CAD 3D. Talvez você esteja
se perguntando: por que não ir direto para
o grande guarda-chuva do PLM? Como
resposta, pergunto: Você está gerenciando
os dados de design de produtos com
eficiência? A empresa é grande o bastante
para se beneficiar do PLM? Os benefícios
em potencial do PLM são maiores que os
custos? Você não se sentiria mais confortável
usando ferramentas PDM para gerenciar
dados de design de produtos em 3D com
eficácia, antes de adotar uma solução de
PLM em larga escala?
48 Mecatrônica Atual :: Novembro/Dezembro 2008
Caso tenha um sistema de CAD 3D, e Um sistema PDM de ponta facilita a
ainda restem dúvidas sobre a necessidade reutilização de projetos ao permitir que
de uma solução de gerenciamento de dados, os fabricantes classifiquem, organizem
pergunte-se:
e agrupem informações de projeto para
• Os engenheiros precisam parar de pesquisa rápida e recuperação. Ele realiza
escrever por cima de arquivos de automaticamente um registro completo
outros engenheiros?
de auditoria, preciso e detalhado de todos
• A empresa carece de um método os produtos, montagens e componentes
melhor para controlar a revisão de desenvolvidos pela empresa. O sistema
documentos?
também ajuda os fabricantes regidos por
• É preciso facilitar o acesso das áreas regulamentos especiais, como os requisitos
de Compras e Manufatura às infor- da ISO (International Standards Orgamações
da engenharia?
nization) e da FDA (US Food and Drug
• Os engenheiros gostariam de ter Administration), a garantir a conformidade
a possibilidade de encontrar, ver e com maior eficiência.
comparar antigas revisões de docu- Os benefícios da boa gestão dos dados
mentos originais?
de projeto são inegáveis para acelerar o
• Os projetistas precisam encontrar, desenvolvimento e lançamento de produtos.
com mais facilidade, peças, os de- É possível que ainda existam aqueles que
senhos e os conjuntos?
acreditam que podem continuar geren-
• A área de engenharia precisa encontrar, ciando sua área de produto como se ainda
mais facilmente, os conjuntos onde as vivesse na época dos “cofres de desenhos”,
peças modificadas são usadas? administrados e operados por um gerente
• A empresa necessita automatizar e ou administrador de documentação. Pode
controlar o processo de Engineering até conseguir, mas estará longe das melhores
Change Order (ECN)?
práticas da produção e de alcançar o time-
Um sistema de PDM, além de resolver to-market ideal.
essas demandas, é capaz de administrar A conclusão é que o abrangente sistema
todos os outros dados de projeto relaciona- PLM continuará a ter seu maior impulso
dos e, ao mesmo tempo, oferecer suporte à nas grandes indústrias, como automotiva
colaboração no mundo inteiro em todas as e aeroespacial, verticais que geralmente são
áreas da empresa. Os desenvolvedores de as mais avançadas tecnologicamente. Por
produtos podem gerenciar, com segurança, os outro lado, adquirir uma solução PDM para
dados de projeto, além de controlar o acesso gerenciar os dados de design de produtos é,
de forma eficaz e praticamente eliminar a no mínimo, um investimento pragmático e
possibilidade de erros e retrabalho ou perda a decisão mais acertada para a maioria das
de dados relacionados ao PDM.
empresas manufatureiras.
MA

instrumentação
Novembro/Dezembro 2008 :: Mecatrônica Atual
15

instrumentação
14 Mecatrônica Atual :: Novembro/Dezembro 2008