Mecatrônica Atual 50

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Mecatrônica Atual 50

conectividade

Março/Abril 2011 :: Mecatrônica Atual

17


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Editora Saber Ltda

Diretor

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Editor e Diretor Responsável

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Denis F. Ramos

Eduardo Pinheiro

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Octavian Postolache

Paulo Antonio dos Santos

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Pedro Girão

PARA ANUNCIAR: (11) 2095-5339

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estoque), solicite pelo site ou pelo tel. 2095-5330,

ao preço da última edição em banca.

Mecatrônica Atual é uma publicação da

Editora Saber Ltda, ISSN 1676-0972. Redação,

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03087-020, São Paulo, SP, tel./fax (11) 2095-5333

Associação Nacional

das Editoras de Publicações Técnicas,

Dirigidas e Especializadas

Editorial

Nesta edição tratamos, entre outros artigos, sobre

a “Medição de Vazão – 3ª Grandeza mais Medida

nos Processos Industriais”. Avança em nosso país a

implantação das indústrias que podem utilizar muito

a medição de vazão, seja em estações de tratamento

de água em residências, indústria alimentícia de refri-

gerantes, cervejas, sucos, leite até a medição de gases

industriais e combustíveis.

A tendência nos próximos anos é crescer muito a

produção de álcool, e com o pré-sal os combustíveis

de origem fóssil. Assim, este artigo mostra um pouco desta área, contando rapida-

mente a história, sua importância na automação, controle de processos e os avanços

tecnológicos.

Estamos em alerta para apresentarmos matérias em todas essas áreas, que podem

auxiliar os nossos leitores nos desafios do dia a dia. Para tanto, pesquisamos o merca-

do frequentando feiras e eventos menores onde possamos encontrar novos produtos,

softwares e serviços.

Em nossa página de notícias desta edição, mostramos as novas instalações da Jomafer

em Guarulhos - São Paulo (www.jomafer.com.br), onde temos a prestação de serviços

de corte a laser e a água. Pode parecer que o corte a água não tem muito mistério,

mas muitas peças em aço precisam ser cortadas em chapas com até 300 milímetros

de espessura e a precisão, rapidez e qualidade, só esta máquina pode fazer o serviço

desejado, devido aqui no Brasil.

Não deixe de acompanhar a série de artigos sobre o primeiro e-Kart totalmente

movido a eletricidade com KERS e controle de tração eletrônico, na revista Saber

Eletrônica (www.sabereletronica.com.br).

É o mesmo sistema utilizado pelas montadoras, nos carros híbridos que já estão

circulando em nossas ruas. Este sistema da Infineon é uma família com várias capa-

cidades, servindo para controlar robôs, talhas, empilhadeiras, automóveis, carrinhos

elétricos de transporte, próteses humanas de pé, perna, braço, etc... Ah! O projeto é

totalmente aberto com software open source.

Hélio Fittipaldi

Submissões de Artigos

Artigos de nossos leitores, parceiros e especialistas do setor, serão bem-vindos em nossa revista. Vamos

analisar cada apresentação e determinar a sua aptidão para a publicação na Revista Saber Eletrônica. Iremos

trabalhar com afinco em cada etapa do processo de submissão para assegurar um fluxo de trabalho flexível

e a melhor apresentação dos artigos aceitos em versão impressa e online.

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.


índice

20

44

13

18

20

28

34

40

44

Editorial

Eventos

Notícias

Medição de Tensões Mecânicas

por Métodos Não Destrutivos

O que é a Tecnologia

de Tempo Real?

Medição de Vazão - a 3ª

Grandeza Mais Medida nos

Processos Industriais

Entendendo as Reflexões

em Sinais Profibus

Controladores de

temperatura PID

Modulação PWM nos

Inversores de Frequência

Identificação de Sistemas na

Otimização do Controle de

Nivel em Regime Não Linear

03

06

08


literatura

eventos

Junho

Norma IEC 61131-3 para

Programação de Controladores

Organizador: ISA – Distrito 4 (América

do Sul)

Data: 07 e 08

Local: Hotel Mercure Times Square – Av.

Jamaris, 100 - Moema – São Paulo/SP

www.isadistrito4.org.br

Autocom 2011

Organizador: Maxprint

Data: 07, 08 e 09

Local: Expo Center Norte, Rua José

Bernardo Pinto, 333 - Pavilhão Verde - São

Paulo/SP

www.ciab.org.br

Expedition 2011: Brasil, o clique da

vez. Você está pronto?

Organizador: Agis Distribuição

Data: 09

Local: Plazza Mayor – Rua Coronel

Fernando Prestes, 278 - Santo André/SP

www.agisexpedition.com.br

Este livro tem o propósito de servir de livro-texto básico para diversos tipos

de cursos na área de Eletrônica Digital, seja no contexto de graduação, licenciatura,

tecnologia ou em cursos de pós-graduação. A estrutura dos assuntos

em dez capítulos e dois apêndices procurou seguir a natural organização

de uma nova técnica de ensino de Lógica Programável, que, em relação ao

ensino da tradicional Eletrônica Digital, não se alterou com o tempo. Somente

foram introduzidos novos conceitos de projeto, simulação e teste de circuitos

digitais com a linguagem VHDL, parecendo ser, por isso, uma metodologia

apropriada, inclusive, permitindo ainda que o livro possa ser utilizado até

mesmo para estudos individuais por principiantes.

Esta obra apresenta de forma didática os conceitos necessários para o leitor

aprender como projetar e configurar sistemas digitais simples ou complexos

como processamento de sinais DSP com dispositivos PLDs (FPGA e CPLD),

aplicando lógica programável com VHDL.

Elementos de Lógica Programável com VHDL e DSP

Autores: Cesar da Costa, Leonardo Mesquita e

Eduardo Pinheiro

Preço: R$ 112,00

Onde comprar: www.novasaber.com.br

Pavilhões Internancionais tem

destaque na Brasil OffShore 2011

Organizador: Brasil OffShore

Data: 14 a 17

Local: Centro de Exposições Jornalista

Roberto Marinho - Rod. Amaral Peixoto,

km 170 – São José do Barreto - Macaé/RJ

www.brasiloffshore.com

Conferência Intenancional da Brasil

Offshore 2011

Abertura dia 14 de junho, horário 16

horas.

Data: 15 a 17

Local: Centro de Exposições Jornalista

Roberto Marinho - Rod. Amaral Peixoto,

km 170 – São José do Barreto - Macaé/RJ

www.brasiloffshore.com

XXI CIAB - Congresso e Exposição

de Tecnologia da Informação das

Instituições Financeiras

Organizador: Federação Brasileira de

Bancos

Data 15, 16 e 17

Local: São Paulo/SP

Informações: www.ciab.org.br ou

www.febraban.org.br

EFD (PIS/CONFINS Novo X

DACON Mensal ( versão 2.4)

Organizador: edukaBRASIL

Data: 20

Local: Espaço T&D Paulista – Alameda

Santos, 1893 - 1º andar – São Paulo/SP

www.anaabreu.com.br

Sintonia de Malha de Controle

(PID)

Organizador: ISA – Distrito 4

Data: 20 a 22

Local: Hotel Mercure Times Square – Av.

Jamaris, 100 - Moema – São Paulo/SP

www.isadistrito4.org.br

Entelco Telecon

Organizador: Mikro Tik MTCNA I

Data: 27 e 28

Local: Hotel Manibu – Recife/PE


notícias

JOMAFER inaugura nova sede e novo

serviço de corte a laser de tubos

Neste ano em que completa 33 anos de fundação, a Jomafer

inaugura nova sede em Guarulhos – São Paulo. A reportagem

da revista Mecatrônica Atual foi especialmente convidada pelo

seu diretor José Mário para registrar este novo marco da vida

da empresa.

Atendendo os segmentos de máquinas e equipamentos em

geral, implementos agrícolas, rodoviários, informática, construção

civil, concreto pré-moldado, arquitetura, comunicação

visual e design, a Jomafer vem investindo, ao longo desses anos,

em tecnologia avançada e mão de obra selecionada.

Em 1978 foram iniciadas as atividades da empresa com os

serviços de corte e dobra de perfis especiais. Nos anos seguintes

os investimentos foram direcionados para oferecer ao mercado,

serviços com soluções em cortes de chapas.

O programa de modernização em 1995 foi concentrado na

importação de dobradeiras e guilhotinas CNC. Nos últimos

13 anos a Jomafer teve a certificação ISO 9000 renovada periodicamente,

e no novo século entrou em atividade o serviço

com Puncionadeira CNC, onde começou a produzir peças com

furações e detalhes geométricos.

Em 2001, passou a oferecer serviço de corte com jato de água

de alta pressão, sendo a única empresa da América do Sul com

a máquina que corta chapas de aço de 300 milímetros, materiais

compostos e não metálicos. Possui também as máquinas para

corte a LASER para peças com geometrias complexas e bom

acabamento.

Com a nova planta inaugurada agora, entra também um

novo serviço à disposição dos clientes que é o corte a LASER

de tubos, seguido nos próximos meses também ao serviço de

curvamento dos mesmos. Assim, a empresa vem acompanhando

a evolução do mercado brasileiro e sempre com a utilização de

equipamentos de última geração para ter o melhor TCO. Saiba

mais em www.jomafer.com.br

2011 :: Mecatrônica Atual


notícias

Acionamentos de alto desempenho

para instalações portuárias

Diante de um fluxo incessante de cargas com várias toneladas,

os acionamentos das pontes rolantes portuárias estão sob

constante pressão. Os usuários necessitam e exigem soluções

confiáveis que proporcionem uma dinâmica excelente, precisão

de posicionamento, e uma eficiente relação custo/benefício. Deste

modo, os motores da ponte rolante e dos trolleys utilizados em

gruas de estaleiro ou terminais de contentores requerem sistemas

mecânico e eletrônico especializados e adequados a esta

exigente área de aplicação.

As pontes rolantes desempenham um trabalho simples: elas

transportam uma carga de um local específico para outro. A fim

de realizar de forma confiável e garantir um nível de precisão

suficiente durante a operação, elas dependem de um acionamento

que foi idealmente adaptado para esta tarefa. “As pontes rolantes

são equipadas com motorredutores com freios integrados. Estes

são combinados com inversores de frequência para um perfil de

controle de aceleração e velocidade centralizado”, explica João

de Souza Moreira, Diretor Geral da Nord Drivesystems Brasil.

Uma vez que as pontes rolantes portuárias manuseiam cargas

extremamente grandes, seus motorredutores são desenvolvidos

para suportar elevadas forças radiais e axiais. Elas também disponibilizam

um conjunto de funções especiais: permitem uma partida

suave com alto torque de partida, garantem movimentações

virtualmente sem choques, facilitam a sincronização de diversos

acionamentos, oferecem funções poderosas de elevação, e permitem

eficiente frenagem regenerativa via rampas parametrizáveis.

Depois que um fabricante decide por uma pré-seleção de acionamentos,

nós sugerimos faixas de potência de acordo com as

especificações do cliente, refere João de Souza Moreira.

Produtos

UMC3000: Sensor com superfície em

metal para sensoriamento direto

O sensor à prova de água cumpre os requisitos IP68/69k

O novo UMC3000 eleva o desempenho do sensor ultrassônico

em ambientes rigorosos para um nível completamente novo.

A caixa sem soldagem, em 100% aço inoxidável e o sistema de

cabos com resistência química permitem a monitorização e o

controle ultrassônicos em áreas anteriormente consideradas

impossíveis de solucionar. Dois conceitos de caixas solucionam

uma variedade de aplicações.

Um tubo com design sem soldas, próprio para produtos alimentares,

cumpre as rigorosas normas do setor alimentar e das

bebidas, enquanto um modelo roscado, com 30 mm de diâmetro

é particularmente adequado para máquinas agrícolas e outras

instalações exteriores. A indicação LED para presença de alvo e

alimentação é equipamento de série em todos os modelos.

Mecatrônica Atual :: 2011

Motorredutores sob cargas extremas

Para este propósito, a NORD pode especificar e fornecer

motorredutores com eixo helicoidal e inversores de frequência

produzidos pela própria empresa. Os motorredutores

para pontes rolantes e trolleys aplicam-se em faixas de

desempenho de até 160 kW com uma grande variedade de

relações de transmissão.

Disponível em designs de duas ou três fases com eixo

vazado ou sólido, os usuários podem escolher entre modelos

com uma base de suporte, modelos com flange e modelos

montados no eixo. Todos os modelos são equipados com o

mesmo corpo, com economia de espaço que permite uma fácil

integração. Motores utilizados em pontes rolantes e trolleys

costumam operar ininterruptamente em portos muito ocupados.

No entanto, se o volume de negócios diminui devido

às condições de mercado, algumas instalações de carga podem

ficar paradas por longos períodos de tempo. A norma de

construção dos motores deve, obviamente, assegurar que a

operação normal pode ser diretamente retomada após cada

paralisação prolongada. Além desses fatores de carga em constante

alteração, as recorrentes condições climáticas rigorosas

e as temperaturas extremas, bem como a água salgada em

ambientes marítimos, requerem um material anti corrosão

adequado a longo prazo. Se necessário, os motorredutores da

NORD estão disponíveis com proteção IP55 ou IP66. Todos

os modelos também estão disponíveis nas versões ATEX.

Resumo das principais características:

• Design completamente selado cumpre as normas IP 68/69K;

• Superfície e cano sensores em aço inoxidável (Grau: 1.4404

(V4A, AISI 316L);

• Amplitude do sensor totalmente ajustável de 200 a 3000 mm;

• Modelos de saída analógicos e de parâmetros configuráveis;

• Cumpre as diretrizes da EHEDG* «Hygienic Design».

*EHEDG: European Hygienic Engineering & Design Group

(Grupo europeu de engenharia e design higiênicos)

Portugal

Sales Department

tel: +349 4 4535020

fax: +349 4 4535180

sov@es.pepperlfuchs.com

Alemanha

SCHMITT Irmtraud

tel: +49 621 776-1215

fax: +49 621 776-2505

ischmitt@de.pepperlfuchs.com


Entrevista:

João de Souza Moreira, da

NORD Drivesystems

A NORD Drivesystems persegue um objetivo

ambicioso: “Gostaríamos de ver, pelo menos, uma

ponte rolante em cada um dos principais portos

mundiais equipada com as nossas soluções de

acionamento”, refere-se João de Souza Moreira

(CEO).

Pergunta: Quais são os desafios especiais

enfrentados na seleção do sistema

mecânico e eletrônico dos motores para

pontes rolantes instaladas em estaleiros

ou terminais de contentores?

João de Souza Moreira: Os sistemas de

acionamentos utilizados nas pontes rolantes e

nos trolleys têm de incluir um design robusto,

serem resistentes ao desgaste e possuir características,

tais como excelente dinâmica e movimentos

precisos. Simultaneamente, os usuários

procuram também um custo total econômico.

Para os construtores e operadores de pontes rolantes, obter

soluções completas de fornecedores especializados é o

caminho mais fácil para satisfazer estas exigências.

As pontes rolantes são comparáveis com máquinas

de série ou máquinas para fins especiais?

JSM: Na medida em que se possa fazer essa comparação,

existem apenas alguns fabricantes de pontes rolantes que

constroem uma ponte rolante gigante ship-to-shore por dia.

Logo, a construção de pontes rolantes pode ser comparada

a fabricação de máquinas modulares com finalidades especiais

- e as nossas soluções de acionamentos são uma ótima correspondência

para estas aplicações.

A NORD é um fornecedor especializado em sistemas

de acionamento para pontes rolantes. Em que

consistem estes pacotes completos?

JSM: Fornecemos uma tecnologia de acionamento

confiável e com eficiente relação custo/benefício para todos

os tipos e tamanhos de pontes rolantes e trolleys. A nossa

vasta gama de produtos mecânicos, elétricos e eletrônicos

nos permite criar soluções de acionamentos a partir de uma

única fonte. Os produtos com proteção IP55 e IP66, bem

como as versões protegidas contra corrosão e pó com um

revestimento especial, garantem uma elevada proteção e um

maior tempo de vida útil mesmo sob condições ambientais

rigorosas e durante longos períodos de parada, como acontece

no funcionamento sazonal.

//notícias

Pontes rolantes em estaleiros, containers e outras instalações portuárias exigem

sistemas de acionamentos mecânico e eletrônico altamente confiáveis.

Estão disponíveis vários modelos de inversores de frequência

com um desempenho de até 160 kW que possibilitam funções como

partida suave, frenagem regenerativa, o funcionamento sincronizado

e a elevada precisão de posicionamento. Além disso: criamos um

novo microsite dedicado a soluções de acionamento para aplicações

de pontes rolantes em www.cranes.nord.com.

Além dos terminais de containers, quais são as aplicações

típicas para pontes rolantes equipadas com acionamentos

NORD?

JSM: As pontes rolantes industriais são utilizadas, por exemplo,

em fundições, em fábricas de construções em aço, na construção

de navios, centrais elétricas e engenharia pesada. Os tipos menores

também são utilizados em oficinas. Atulamente, existem aproximadamente

700 construtores de máquinas que fabricam pontes

rolantes. Desses, cerca de 15 constroem pontes rolantes portuárias

gigantes.

2011 :: Mecatrônica Atual


notícias

Investimentos no Brasil são

prejudicados pelos custos

da energia elétrica

Os altos custos da energia elétrica no Brasil atrapalham

as indústrias de alumínio que reduziram em 10% a capacidade

produtiva no país nos últimos seis anos. “Fábricas de

outros setores de uso intensivo de energia também estão

fechando as portas”, afirma o coordenador da Comissão

de Energia da Associação Brasileira da Indústria de Alumínio

(Abal), Eduardo Spalding, que participou do seminário

Energia Elétrica: Fator de Competitividade da Indústria,

realizado em março pela Confederação Nacional da Indústria

(CNI) em parceria com a Associação dos Grandes

Consumidores Industriais de Energia e de Consumidores

Livres (Abrace).

De acordo com Spalding, os custos da energia praticamente

dobraram nos últimos seis anos e hoje o Brasil tem

a terceira tarifa mais cara do mundo. “Isso inibe investimentos

e, se nada for feito, nos próximos dez anos haverá um

aumento de mais de 20% no custo da energia industrial”,

informou. Ele destacou que o custo de produção de uma

tonelada de alumínio alcançava US$ 1.069 em 2003, e a

conta de energia representava 33% desse total. Em 2008,

o custo de produção saltou para US$ 1.991 a tonelada, em

que 44% representavam os gastos com energia. “O preço

da energia condena de forma inexorável a indústria”, diz

Spalding, que também integra o Conselho Temático de

Infraestrutura da CNI.

Segundo o presidente da Abrace, Paulo Pedrosa, além

de contribuir para o fechamento de empresas no país,

os elevados custos da energia elétrica comprometem o

emprego e a renda dos brasileiros. Também pressionam a

inflação e prejudicam as exportações. “Todas essas variáveis

têm uma correlação muito grande com o preço de

energia”, completou Pedrosa.

Para o presidente, o primeiro passo para a redução

da tarifa é retirar a carga tributária e os encargos, que

representam mais de 50% dos valores cobrados dos

consumidores de energia. O presidente da Abrace acrescentou

que os custos dos programas sociais não devem ser

repassados às contas de luz, mas absorvidos pelo orçamento da

União. “Isso seria benéfico para o próprio governo, que poderia

aumentar a arrecadação a partir de um crescimento do Produto

Interno Bruto (PIB).”

Considerada pela CNI como um dos pilares da competitividade,

a desoneração tributária e de encargos das tarifas de energia

é a principal proposta do estudo Efeitos do Preço da Energia no

Desenvolvimento Econômico – Cenários até 2020, feito pela

Fundação Getúlio Vargas (FGV) em parceria com a Abrace. De

acordo com o coordenador do Projeto Energia Competitiva da

FGV, Fernando Garcia, com a desoneração das tarifas, o Brasil

10 Mecatrônica Atual :: 2011

Estudo confirma que a desoneração das tarifas melhora a competitividade

da indústria e aumenta o ritmo de crescimento da economia

pode crescer mais e acrescentar R$ 695 bilhões ao PIB até 2020.

“Isso representa economia do tamanho da África do Sul e três

vezes a do Chile”, informou Garcia.

Segundo ele, o custo de energia no Brasil cresceu mais

rapidamente do que no resto do mundo e isso trouxe graves

consequências à balança comercial. “De exportador de alguns

produtos, como material de construção, passamos a ser importadores,

e hoje acumulamos um déficit de US$ 3 bilhões.

Para conviver com uma taxa de câmbio valorizada, precisamos

tomar outras providências para reduzir os custos e aumentar a

competitividade.” conclui.


Nova geração de computadores

industriais embedded com

processadores Intel ® Atom D525/

D425 e interface de display integrado

A Advantech (2395.TW) tem a satisfação de anunciar o

sistema ARK-1503, um IPC embutido, compacto, sem ventilação

forçada, equipado com o processador Intel ® Atom

D525/D425, com suporte DDR3 e interface com display integrado.

Ele permite uma maior economia de energia, enquanto

proporciona alto desempenho e uma grande capacidade de

E/S (I/O). Oferece duas opções de conexão do monitor de

toque, dependendo da aplicação em particular: I-Panel link ou

Golden Finger. Uma tecnologia com design inteiramente novo

simplifica as suas integrações de aplicação, através de soluções

fáceis – ideais para aplicações no controle de automação de

máquinas, em fábricas e quiosques.

Equipado com os mais recentes processadores single core

(D425) e dual core Intel ® Atom (D525), com memória DD3

de até 2 GB (D425), e 4 GB (D525). Com controladores de

memória e gráficos integrados, estes processadores proporcionam

velocidades de renderização de núcleo de gráficos de

200 a 400 MHz, enquanto mantêm uma excelente eficiência

energética.

Além de velocidades mais altas e de um menor consumo de

energia, o ARK-1503 também apresenta um design low profile

//notícias

(230,6 x 133,0 x 44,4 mm), e proporciona grandes recursos de

I/O. Possui portas seriais 1 x RS-232, 1 x RS-232/422/485, com

controle de auto fluxo, 4 x hi-speed USB 2.0, 2 x Giga-LANs, DIO,

line-out e LVDS. E o slot de expansão do módulo de comunicação

1 x Mini PCIe embutido suporta um soquete CF externo e um

HDD SATA 2,5”. O ARK-1503 também suporta uma ampla

temperatura de operação de -20 ºC a 60 ºC.

Design de Interface com Display Integrado:

I-Panel Link e Golden Finger

O ARK-1503 com interface de enlace I-Panel integra LVDS,

USB, sinais de tx/rx, áudio e de corrente CC, através de um

conector SCSI DB36, de forma que um único cabo suporta um

painel de toque com energia, vídeo, áudio e info de toque. E a

opção alternada golden finger , com 164 pinos, transporta tudo

incluindo alimentação, vídeo (LVDS HDMI), áudio, USB, COM e

sinalização em painel de toque; suporta um monitor de toque

ITM através de acoplamento direto via golden finger, sem absolutamente

nenhum cabo, embora o sistema e o monitor possam

ser atualizados de forma independente, para maior flexibilidade,

melhor estabilidade e fácil instalação.

O ARK-1503 estará disponível no final de abril; por favor entrar

em contato com o seu representante de vendas local. Para

maiores informações sobre o produto, visite o nosso site na Web:

www.advantech.com/applied-computing-systems/embedded-computer/default.aspx

2011 :: Mecatrônica Atual

11


notícias

ABB fortalece sua presença junto

ao mercado Naval no Brasil

A ABB, grupo líder em tecnologias de potência e automação,

planeja fortalecer seus negócios na área Naval no Brasil com o

objetivo de atender de forma mais eficaz ao crescente mercado

da América Latina.

A América Latina tornou-se rapidamente um mercado

estratégico para a área de negócios Marine (Naval) da ABB.

Planos futuros incluem o estabelecimento de uma nova fábrica

de unidades de propulsores do tipo Azipod ® C - Compacto,

um centro de serviços marítimos e um centro especializado

em unidades Azipod ® , que vão auxiliar a ABB a servir ao rápido

crescimento da indústria de construção naval do Brasil, cumprindo

os requisitos de conteúdo local.

“As soluções inovadoras e os produtos de qualidade da ABB

conquistaram nossa posição de liderança nos segmentos de

navio de alto valor agregado, como navios-sonda, plataformas

de perfuração semi-submersíveis, navios de apoio offshore e

navios-tanque”, disse André Luiz Silva - Gerente da unidade

de negócios Marine & Cranes no Brasil. “Nosso portfólio se

encaixa bem nos planos e desenvolvimento da indústria naval

brasileira, e os investimentos previstos pela ABB demonstram

nosso compromisso e confiança no mercado local. Acreditamos

que isso irá nos proporcionar um posicionamento preferencial

no fornecimento de propulsores para as 28 unidades de naviossonda

da Petrobras”, comenta André.

Várias regiões foram avaliadas para sediar a nova fábrica

do Azipod ® , incluindo Pernambuco, Santos e Rio de Janeiro,

mas a decisão final ainda está pendente. A fábrica planejada

terá capacidade de produção anual de mais de 30 unidades

do Azipod ® . O cronograma das obras permitirá a entrega dos

propulsores, em tempo hábil, para as unidades de perfuração

da Petrobras no Brasil.

Um centro de serviços no Brasil também faz parte dos

planos para 2014. Terá profissionais dedicados e especializados

em serviços para as unidades do Azipod ® , além de uma oficina

com ferramentas especiais para os serviços de manutenção e

reformas. Esse centro de serviços também fornecerá peças

sobressalentes ao mercado local.

A ABB (www.abb.com) é líder em tecnologias de potência

e de automação que proporcionam aos seus clientes

dos setores industriais e de concessionárias a melhoria de sua

performance enquanto reduzem seus impactos ambientais. O

grupo ABB opera em cerca de 100 países e emprega em torno

de 124.000 funcionários.

Para obter mais informações, contate a ABB:

Iracema Carvalho - iracema.carvalho@cl-a.com

tel.: (11) 3082-3977 – ramal 30

Paulo Pires - paulo.pires@cl-a.com

tel.: (11) 3082-3977 – ramal 28

12 Mecatrônica Atual :: 2011

Redução Sistemática de

Custo de Energia

Como um fornecedor completo, a Endress+Hauser oferece

não só um sistema de monitoramento eficiente de energia em

conformidade com EMAS, ISO 1400 e EN16001, mas também o

respectivo hardware e software e apoio a projetos profissionais.

Equipes reúnem know-how muldialmente em áreas como gerenciamento

de energia e dados operacionais, eficiência energética,

comunicação e sistemas de barramento, bem como engenharia

de automação.

A Endress+Hauser possui um dos maiores portfólios de produtos

e serviços em tecnologia de medição industrial, mas, seu

valor só pode ser acessado por meio da visualização e análise dos

dados de energia obtidos. A Endress+Hauser oferece às empresas

a possibilidade de implementar um sistema de monitoramento

automático de energia que permite uma visão clara do consumo.

Assim, o usuário pode:

• Monitorar o consumo de energia;

• Reduzir custos;

• Otimizar a operação da planta.

O monitoramento de energia, portanto, constitui o núcleo

de um processo de melhoria contínua que, de acordo com em

16001, resulta em um uso mais eficiente da energia.

Veja algumas vantagens:

• Otimização de picos de carga;

• Geração automática de relatórios individuais de energia;

• Detecção precoce da deterioração do desempenho;

• Análise e controle automático dos principais dados referentes

ao consumo de energia;

• Controle contínuo do plano anual de energia;

• Faturamento de energia por centros de custo;

• Geração de previsões de demanda de energia para diferentes

zonas de produção;

• Melhoria dos processos mensais de análises de comunicações;

• Documentação automática das emissões de CO 2 ;

• Tendências de desvios (objetivos/comparação real).

Um conceito modular

A base para a redução de custos de energia é uma medição

confiável de energia. Para registros de vapor, ar comprimido,

calor, frio, eletricidade, gás e óleo, uma medida muito exata é

um pré-requisito. Informativos dos resultados das medições

são relacionados aos parâmetros de avaliação, quais sensores

e normas de cálculo são utilizados. A escolha incorreta de

um instrumento de medição ou a rejeição de uma apropriada

compensação de pressão e temperatura, tanto em aplicações

de gás como de vapor de água, pode levar a graves falhas de

medição. Sistemas abertos e modulares de monitoramento de

energia garantem combinações sem problemas de diferentes

pontos de medições, eletricidade e gás, registradores de dados,

sistemas de energia computadorizados ou de instrumentos de

registro. A transmissão de dados é realizada via Ethernet, OPC

e sistemas de barramento de campo.


instrumentação

Medição de Tensões

Mecânicas por Métodos

Não Destrutivos

Este artigo apresenta dois dos principais métodos não destrutivos

para medição de tensões, um baseado em acustoelasticidade e

o outro em interferometria laser por padrão de speckles (ESPI). É

apresentada a teoria envolvida, exemplos de aplicação e os requisitos

para a aplicação em campo. O tema sob análise representa

uma das muitas interfaces nas Engenharias que corroboram a

necessidade de conhecimentos multidisciplinares, característica

fundamental da Mecatrônica.

saiba mais

Andrino, M. H. Aplicação de ondas

longitudinais criticamente refratadas

para a medição de tensões

em dutos. Tese de Doutoramento.

Universidade Estadual de Campinas.

Campinas, 2007.

ASME [American Society of Mechanical

Engineers]. Who owns mechatronics?

Disponível em: .

Acessado em 10 de maio de 2011.

Gabor, D. A new microscopic principle.

Nature. v.161, (4098), pp.777-

778, 1948.

Prof.º Auteliano Antunes dos Santos Júnior

T

ensões Mecânicas estão entre as principais

causas de falha em componentes de máquinas.

São compostas por uma parcela elástica, que

vem dos carregamentos que os componentes

sofrem, e uma porção residual, pré-existente,

que é provocada pelo processo de fabricação,

por solicitações prévias e outras causas. A

maior parte dos métodos de medição de

tensões atuais é destrutiva, isto é, requer que

o componente sob inspeção seja inutilizado.

Medir tensões mantendo o sistema ou

componente mecânico em funcionamento

implica em um ganho significativo em

tempo e recursos.

A Mecatrônica “é um campo emergente

da Engenharia que integra as áreas de elétrica,

mecânica, controle, ciência da computação e

tecnologia da informação” (ASME, 2011). Tal

integração requer conhecimentos específicos

de cada uma dessas áreas e a capacidade de

utilizá-los em conjunto para a solução dos

problemas usuais de Engenharia. Com o

avanço da tecnologia, nem sempre é necessário

ou desejável que um especialista em cada

um dos tópicos listados esteja disponível

para a análise requerida. De fato, em muitos

casos, profissionais com forte embasamento

teórico nas diversas áreas que compõem a

Mecatrônica podem atuar de forma rápida

e eficiente. Talvez o que mais caracterize a

formação mecatrônica seja a flexibilidade

com que tais engenheiros transitam entre os

diversos campos do conhecimento abordados

em sua formação, permitindo a criação de

soluções inovadoras e multidisciplinares.

Uma das áreas de interface do conhecimento

é a de sensoriamento. Conhecer

características do que está sendo medido,

ao mesmo tempo em que tem pleno domínio

sobre a forma de medir, faz com que o

Engenheiro desempenhe sua função com

eficiência e presteza. Quando tais sensores

são empregados para medir uma variável

tipicamente mecânica, como a tensão, o

processo é enriquecido pela atuação do

Engenheiro Mecatrônico, ou mesmo do

Engenheiro de Controle e Automação com

base Mecânica.

2011 :: Mecatrônica Atual

13


instrumentação

Este trabalho tem como objetivo apresentar

duas novas técnicas de medição de

tensões mecânicas, baseadas em acustoelasticidade

e em interferometria, que requerem

conhecimentos avançados, tanto da área de

sensoriamento como da área de análise de

tensões. É o primeiro texto de um série sob

responsabilidade da empresa júnior Mecatron,

do curso de Engenharia de Controle

e Automação da Faculdade de Engenharia

Mecânica da Unicamp. Esse curso tem forte

base nas Engenharias Mecânica, Elétrica e

de Computação, e requer de seus alunos

pleno conhecimento dos conceitos necessários

para abordar os aspectos científicos

tratados nesse artigo.

Tensões mecânicas são basicamente de

dois tipos: elásticas ou residuais. A primeira

se refere à tensão que está sendo aplicada por

uma solicitação externa (força, temperatura,

etc.). As tensões elásticas desaparecem quando

a solicitação que a causou é retirada. De forma

diferente, as tensões residuais continuam no

corpo e independem de que, haja atuação

de qualquer fonte externa.

As tensões residuais podem ser de três

tipos, que dependem da ampliação com a

qual se deseja realizar a análise: macrotensões,

microtensões tipo II e microtensões

tipo III. Todas podem estar presentes em

um componente a qualquer momento. As

macrotensões residuais, que são designadas

como tensões residuais do tipo I, variam

dentro do corpo de um componente em

uma escala maior que o tamanho de grão.

As microtensões residuais resultam das

diferenças dentro da microestrutura de

um material. As tensões residuais do tipo

II operam no nível do tamanho de grão. O

tipo III é atua em nível atômico.

A importância do conhecimento dos tipos

de tensão está ligada ao processo de medição.

O que realmente é medido pelos métodos

atualmente empregados, sejam destrutivo,

ou não, é a tensão de tipo I, ou seja, a macro

tensão. Isso porque os métodos atuais não

têm resolução para medir em níveis menores,

mas principalmente porque a falha, tal como

é estudada hoje, está relacionada a essas

tensões, e não às microtensões. A forma de

relacionar as tensões com as cargas aplicadas

é chamada de critério de falha, e descreve

como o componente se comporta quando

solicitado com aquele nível de tensão. Todos

os critérios atuais relacionam a tensão tipo I

com a capacidade de resistir a aplicação de

14 Mecatrônica Atual :: 2011

F1. Geração de ondas longitudinais criticamente refratadas.

tensões, obtida em ensaios normalizados e

denominada resistência mecânica.

As tensões elásticas (aplicadas) normalmente

podem ser calculadas através de

métodos numéricos e analíticos. No entanto,

dependendo do estado interno das tensões,

os resultados podem ser muito diferentes.

Assim, é importante também conhecer as

tensões residuais, como forma de garantir

que as tensões totais estão abaixo do limite

definido pela resistência mecânica.

Os métodos capazes de medir tensões

residuais mais utilizados são destrutivos.

Baseiam-se na medição da relaxação da tensão

atuante, através de um corte, um furo ou

outra forma de remoção de material. Com

os dados da deformação final, constrói-se

o estado de deformações inicial e calcula-se

a tensão que atuava naquele ponto. Mesmo

que seja pouco destrutivo, com esses métodos

só será possível medir a tensão que foi

aliviada. Assim, as tensões deixam de estar

presentes e não há mais razão para obtê-las,

a não ser se estas forem usadas em controle

estatístico de qualidade. Após a medição, os

componentes não podem mais ser utilizados

para as mesmas funções, ou o risco de falha

aumenta. A forma de medir a deformação

após o alívio pode ser por roseta óptica,

extensômetro ou outras.

Fibras óticas, raios X e difração de

nêutrons têm despontado como alternativas

para emprego na medição de tensões,

os dois últimos com capacidade de medir

tensões residuais. Cada um destes possui

características que dificultam sua aplicação

em campo, embora seus resultados em laboratório

sejam adequados. Questões técnicas,

como a necessidade de um reator nuclear

para a difração de nêutrons, dificultam a

disseminação das técnicas.

Acustoelasticidade (Ondas L cr )

O termo Acustoelasticidade vem da

junção de dois ramos da mecânica: a acústica

e a elasticidade. Refere-se à propagação

de ondas (acústica) e sua relação com as

propriedades dos materiais (elasticidade).

Segundo a teoria acustoelástica, a velocidade

de propagação de ondas ultrassônicas tem

uma relação direta com a tensão existente

no material sob inspeção.

O desenvolvimento de sistemas de aquisição

de dados de elevada taxa de aquisição,

aliado a uma sensível redução nos custos,

simplicidade de aplicação e resolução adequada,

fazem do método ultrassônico a

principal alternativa atual para a medição

de tensões em componentes mecânicos em

serviço. Várias técnicas podem ser empregadas

para o mesmo fim, destacando-se a da

birrefringência e a de ondas longitudinais

criticamente refratadas (Lcr), cada uma

necessitando de sensores especiais dedicados

e com vantagens para determinadas

aplicações. As ondas longitudinais têm a

mais alta sensibilidade à tensão entre as

ondas ultrassônicas e uma forma particular

dessa, as ondas Lcr, trafega próxima à

superfície, onde as tensões que levam às

falhas normalmente se concentram, sendo

por isso empregada neste trabalho.

Ondas Lcr são ondas de volume, que

se propagam paralelamente à superfície do

material. São ondas longitudinais (frontais),

ou seja, sua oscilação é na mesma direção da

propagação. A figura 1 mostra tais ondas e o

processo de geração. As ondas longitudinais

incidindo próximo ao primeiro ângulo crítico

(θcr) na interface entre dois meios geram uma

componente longitudinal paralela à superfície.

A geração pode ser feita com um transdutor

de ondas longitudinais e uma cunha para que


tal onda atinja a interface no ângulo desejado.

Essa cunha deve ser de um material de baixa

impedância acústica quando acoplado ao aço,

como o acrílico. A recepção, a uma distância

adequada, pode ser feita como o mesmo tipo

de aparato. A determinação da velocidade

é realizada através da divisão da distância

entre o emissor e o receptor pelo tempo de

percurso no material sob análise, lido pelo

sistema de aquisição de dados.

A equação que relaciona a velocidade

ou o tempo de percurso para distâncias

iguais é dada por:

dσ = E(dV ij /V ij ) = E dt

L 11 L 11 * t 0

Nessa equação, E é o módulo de elasticidade,

L 11 é uma propriedade chamada

constante acustoelástica, V ij é a velocidade

de propagação, t 0 é o tempo de percurso

de referência (sem tensão), dt é a diferença

de tempo, dV é a diferença de velocidades

e dσ é a diferença de tensão que se deseja

medir. Os índices i e j referem-se às direções

de propagação e oscilação da onda,

respectivamente. Assim, i = j = 1 significa

uma onda longitudinal.

Interferometria Eletrônica por

Padrão de Speckles - ESPI

A origem da interferometria eletrônica por

padrões de speckles está na holografia, cuja

técnica permite que uma onda seja gravada

e reconstruída posteriormente, mantendo

exatamente as mesmas características da onda

original. Em outras palavras, uma imagem

tridimensional reproduz exatamente o objeto

gravado anteriormente. Embora o princípio

da holografia tenha sido proposto em 1948

(Gabor), a técnica se tornou prática somente

com o advento do laser. A interferometria

holográfica remete-se aos anos 60 e é embasada

no princípio da reconstrução de

ondas. A interferometria de speckles deriva

desse princípio.

O efeito speckle é uma interferência

aleatória característica da reflexão de um

feixe de luz coerente ao incidir em uma

superfície opticamente rugosa, quando sua

variação de altura é da ordem ou maior que

o comprimento de onda da luz do feixe de

iluminação. A característica do laser como

feixe coerente e monocromático permitiu

utilizar o efeito speckle como princípio de

aplicação do método em problemas práticos

através da formação de padrões de

instrumentação

F2. Resultado da Medição de Tensões em oito pontos no mesmo raio em uma roda ferroviária.

F3. Resultado da Medição de Tensões Duto Petrolífero.

franjas. Através destas, é possível calcular

os deslocamentos e as tensões em superfícies

submetidas a cargas. Esses padrões de

franjas foram inicialmente gerados através

do processamento fotográfico das imagens,

mas hoje, com o processamento digital de

imagens, processadores de alta velocidade

e alta capacidade de armazenamento de

dados, é possível obter os padrões de franjas

através do processamento por vídeo dos

perfis de superfícies iluminadas por feixes

de laser, gerando franjas de correlação por

padrões de speckles. Por isso o método é

conhecido como Electronic Speckle Pattern

Interferometry (ESPI).

Aplicações das Técnicas de

Medição por Acustoelasticidade

A figura 2 ilustra a aplicação da técnica de

ondas L cr para a medição de tensões em rodas

ferroviárias. O que está sendo mostrado é a

variação da tensão em oito pontos ao longo

do aro de uma roda específica. O esperado é

que os valores sejam iguais ou próximos. No

entanto, as pesquisas feitas revelaram que

tal variação é perfeitamente possível. Como

pode ser visto, as tensões estão entre 276 e

294 MPa. Dado que cada ponto foi medido

três vezes, a dispersão pode ser calculada e

está indicada nas barras que mostram um

desvio padrão do valor médio.

O resultado apresentado refere-se a

apenas uma roda, mas a mesma variação

e dispersão foram encontradas em outras

oito rodas do mesmo tipo medidas durante

a pesquisa. Isso permitiu a criação de um

novo dispositivo de medição de tensões,

patenteado pela Unicamp, que está sendo

desenvolvido para aplicação em campo. Tal

sistema levará, à redução sensível do risco

de acidentes e perdas econômicas e de vidas,

uma vez que permitirá que a inspeção seja

feita e ações preventivas sejam adotadas.

A figura 3 exibe a comparação entre as

tensões medidas por extensômetros (teórica)

e as tensões medidas utilizando ondas L cr

2011 :: Mecatrônica Atual

15


instrumentação

a) b)

F4. Resultado da Medição de Tensões em Chapa com Rasgo.

a) b)

F5. Resultado da Medição de Tensões em Chapa com Rasgo.

em dutos petrolíferos. Conforme pode ser

visto, o coeficiente da curva de ajuste, cujo

valor esperado é 1 (um), tem valor 1,03,

o que comprova a validade do método. O

ajuste medido pelo coeficiente de correlação

(0,999) é uma confirmação da estabilidade

do método em diversos níveis de tensão. O

experimento foi realizado em laboratório com

um duto especialmente montado, com os

parâmetros de influência controlados.

16 Mecatrônica Atual :: 2011

Aplicações das Técnicas

de Medição por ESPI

A figura 4 mostra o resultado para a

medição de tensão equivalente (Von Mises)

em um componente mecânico utilizando

ESPI. Em (a) é vista a tensão medida e em

(b) é mostrada a simulação numérica feita.

Conforme pode ser observada, os resultados

se assemelham em termos da distribuição

das tensões. Embora seja difícil visualizar na

figura à esquerda, devido a baixa resolução

das imagens geradas com o programa de

aquisição do ESPI, os resultados numéricos

também se assemelham significativamente

aos medidos, levando a uma diferença em

torno de 10% para todas as medições.

Uma segunda aplicação do método foi

testada em uma placa com orifício. A figura

5 expõe os resultados. Também neste caso,

em (a) é mostrada a tensão medida e em


F6. Tela de aquisição do programa L-stress v. 2.0.

(b) é exibida a simulação numérica feita.

Agora, a diferença entre o medido por ESPI

e o calculado utilizando elementos finitos

foi ainda menor, da ordem de 5%.

A técnica ESPI também foi usada para

a medição de tensões em eixos e bielas automotivas.

A Unicamp possui um convênio

com a empresa Thyssenkrupp Metalúrgica

Campo Limpo, que permite o uso de seu

sistema ESPI para pesquisas sobre o assunto.

Os resultados preliminares demonstram

uma correlação adequada entre os resultados

medidos e esperados, mas ainda há a

necessidade de aprimorar os controles sobre

as variáveis de influência para minimizar a

dispersão encontrada.

Estratégias de Controle

Aplicadas

Com ambas as técnicas foi necessário

adotar estratégias de minimização do erro

empregando tanto técnicas de filtragem

quanto de controle das variáveis de influência.

Em especial com acustoelasticidade, foi

desenvolvido um programa computacional

específico para o tratamento e aquisição

dos sinais. O programa L-stress v. 2.0

(Andrino, 2007) foi desenvolvido para

esta finalidade. Ele controla totalmente o

processo de aquisição, que inclui o uso de

um dispositivo de acionamento pneumático

para a aplicação dos sensores sobre a peça e

o tratamento posterior dos sinais adquiridos,

utilizando correlação cruzada e transformada

de Hilbert. A figura 6 apresenta uma das

telas do programa.

Para a técnica ESPI, o programa que faz a

aquisição e o tratamento é parte de um pacote

comercial fornecido com o sistema Dantec

3D ESPI – Q300, usado no trabalho.

Conclusões

A medição de tensões com técnicas não

destrutivas pode ser feita utilizando acustoelasticidade

ou interferometria eletrônica por

padrão de speckles. Os resultados apresentados

mostram que as técnicas possuem grande

potencial de aplicação. O seu emprego em

campo certamente permitirá uma sensível

redução nos custos de inspeção, uma vez que

não irá requerer a destruição ou inutilização

dos componentes testados.

O sensoriamento é uma das atividades

ligadas à Mecatrônica, já que requer conhecimentos

de áreas distintas, envolvidas na

formação desse Engenheiro, como o uso de

ferramentas computacionais, o emprego de

conhecimentos na área de mecânica, a utilização

de sensores eletrônicos e outros. Só pode ser

realizado por profissionais que tenham uma

formação ampla, ou terá que envolver vários

profissionais de áreas diferentes. MA

*Auteliano Antunes dos Santos Júnior é Professor

e Coordenador do Curso de Engenharia

de Controle e Automação na Unicamp e possui

pós-doutorado na Texas A&M University (EUA).

Tem desenvolvido projetos tecnológicos para

empresas como: Vale do Rio Doce, Petrobrás,

Thyssenkrup Metalúrgica Campo Limpo e outras.

instrumentação

2011 :: Mecatrônica Atual

17


instrumentação

O que é a

Tecnologia

de Tempo Real?

Vários testes, controles e aplicações de projeto

exigem desempenho em tempo real. Este tutorial

da National Instruments analisa os conceitos

básicos de sistemas de tempo real.

Introdução aos Sistemas

de Tempo Real

Os sistemas operacionais de tempo real

foram projetados para resposta a eventos

e sistemas de controle de malha fechada.

Aplicações de resposta a eventos, como um

sistema de airbag automotivo, necessitam

de uma resposta a um estímulo em um

determinado espaço de tempo. Sistemas

de controle de malha fechada, como um

sistema de controle de velocidade automotiva,

processam continuamente o feedback

do sistema para ajustar uma saída. Ambos

os sistemas exigem a realização de uma

operação dentro de um tempo determinado.

Esse tipo de desempenho é chamado de

determinístico.

Sistemas de tempo real podem ser

classificados como “soft” ou “hard”. Para

sistemas de tempo real do tipo soft, a utilidade

de um sistema geralmente é inversamente

proporcional ao tempo de resposta após um

determinado prazo ter sido perdido. Por

exemplo, quando pressionamos um botão

do telefone para atender uma chamada, a

conexão deve ser estabelecida logo após o

botão ter sido apertado. Contudo, o prazo

não é tão crítico e pequenos atrasos podem

18 Mecatrônica Atual :: Março/Abril 2011

ser tolerados. Sistemas de tempo real do tipo

“hard” são aqueles em que a utilidade do

sistema torna-se zero em caso de perda do

prazo. Uma unidade de controle de motores

automotivos (ECU - automotive engine

control unit) deve processar sinais de entrada

e calcular a temporização da faísca da vela

dentro de um prazo. Se houver perda desse

prazo, o motor não irá operar corretamente.

A utilidade de uma tarefa após a perda de

prazo depende se o sistema de tempo real

é do tipo “soft” ou do tipo “hard”, como

mostrado na figura 1.

Sistemas operacionais como o Microsoft

Windows e o MAC OS fornecem uma

excelente plataforma para desenvolvimento

e execução de aplicações não críticas de

medição e controle. Contudo, por serem

sistemas operacionais projetados para um

propósito geral, eles não são ideais para

executar aplicações que necessitem de um

desempenho determinístico ou de um maior

tempo sem falhas.

Sistemas operacionais de propósito geral

são otimizados para executar uma variedade

de aplicações simultaneamente, assegurando

que todas as aplicações recebam um tempo

de processamento. Esses sistemas operacionais

também devem responder a interrupções

de periféricos como mouse e teclado. O

usuário tem controle limitado sobre o

modo como essas tarefas são manipuladas

pelo processador. Como resultado, tarefas

de alta prioridade podem ser interrompidas

para que tarefas de baixa prioridade sejam

executadas, fazendo com que seja impossível

garantir um tempo de resposta constante

para suas aplicações críticas.

Em contraste, sistemas operacionais de

tempo real proporcionam a capacidade de

priorizar tarefas, para que as tarefas mais

críticas possam sempre ter controle do

processador quando necessário. Essa propriedade

possibilita a criação de aplicações

com resultados que podem ser previstos.

Sistemas operacionais de tempo real

são necessários quando o processador está

envolvido em operações como controle de

malha fechada e tomada de decisão em

tempo crítico. Essas aplicações requerem

que decisões temporizadas sejam feitas baseadas

em dados recebidos. Por exemplo, um

equipamento de entradas e saídas amostra

um sinal de entrada e o envia diretamente

para a memória. Então, o processador deve

analisar o sinal e enviar a resposta adequada

ao equipamento de entradas e saídas. Nessa

aplicação, o software deve estar envolvido na

malha; portanto, você precisa de um sistema

operacional de tempo real para garantir resposta

dentro de um espaço de tempo fixo.

Além disso, aplicações que necessitam de

tempo de execução estendido ou operações

autônomas são geralmente implementadas

com sistemas operacionais de tempo real.


Desempenho em Tempo Real

O equívoco mais comum associado ao

desempenho em tempo real é dizer que ele

aumenta a velocidade de execução do programa.

Apesar de ser verdade em alguns casos,

a aplicação é melhorada proporcionando

temporização precisa e previsível. Com essas

melhorias, você pode determinar o tempo

exato quando certo evento ocorrerá.

Controle em Tempo Real

Com controle em tempo real, é possível

monitorar e simular continuamente um sistema

físico. Aplicações de controle em tempo real

executam repetidamente uma tarefa definida

pelo usuário com um intervalo de tempo

específico entre cada execução. A maioria dos

sistemas de controle em tempo real monitora

um sistema físico, comparam o estado atual

com o estado desejado e então simulam o

sistema físico baseando-se nessa comparação.

O tempo que leva para que essa malha execute

é considerado o tempo de ciclo da malha. O

tempo de ciclo da malha de controle varia,

baseado na complexidade do sistema.

O determinismo mede a consistência

do intervalo de tempo especificado entre

os eventos. Muitos algoritmos de controle,

como o PID, requerem um comportamento

muito determinístico. Por exemplo, um

elevador move-se gradualmente para o

andar correto por causa do comportamento

determinístico da malha de controle. Sem

o determinismo, o evelador chega ao andar

correto, porém sem estabilidade.

Em todos os sistemas de tempo real há

uma quantidade de erro chamada jitter. O

jitter é outra maneira de medir o determinismo

de um sistema de tempo real. Você

pode calculá-lo como a diferença máxima

entre qualquer atraso individual de tempo e

o atraso de tempo desejado em um sistema,

veja na figura 2.

Resposta a eventos

em Tempo Real

Com resposta a eventos em tempo real, é

possível responder a um simples evento dentro

de um dado espaço de tempo. O sistema de

tempo real garante algum tempo máximo

de resposta a um evento único. O evento

pode ser tanto periódico quanto aleatório.

Um exemplo de uma aplicação de resposta

a um evento em tempo real é um sistema de

monitoração de segurança. Se uma planta

entra em um estado de perigo, o sistema de

tempo real deve responder a este evento dentro

de um espaço de tempo garantido.

A latência é usada para descrever o tempo

que leva para se responder a um evento. É

similar ao determinismo em aplicações de

controle em tempo real. Com resposta a

eventos em tempo real, é garantido o pior

caso de latência.

Tecnologia de Tempo Real

da National Instruments

Os módulos LabVIEW Real-Time e

LabWindows /CVI Real-Time são usados

para se alcançar execução determinística

confiável em hardware dedicado. Caso haja

necessidade de um determinismo maior,

o módulo LabVIEW FPGA, combinado

instrumentação

com um hardware que inclua tecnologia

de entradas e saídas reconfiguráveis (RIO

– Reconfigurable I/O) oferece resposta de hardware

em nanossegundos. Use o conjunto de

software da National Instruments para:

• Desenvolver rapidamente aplicações

determinísticas com programação

gráfica ou ANSI C;

• Criar facilmente controles distribuídos

e sistemas de monitoração;


Eliminar o tempo gasto, integrando

diversas entradas e saídas.

A National Instruments oferece uma

variedade de hardwares de tempo real que

contém um processador embarcado, executando

um sistema operacional de tempo real

para máxima confiabilidade e desempenho

determinístico. É possível integrar uma vasta

gama de entradas e saídas com hardware modular

que possa ser expandido para atender a

um grande número de canais para aquisição

de dados e controle, condicionamento de

sinais industriais e isolação segura. MA

F1. Diferença entre tecnologia de tempo

real Hard e Soft. F2. Um Exemplo de Diagrama de Jitter.

F3. A Tecnologia de Tempo Real da National Instruments.

Março/Abril 2011 :: Mecatrônica Atual

19


instrumentação

Medição de Vazão:

a 3ª Grandeza

Mais Medida

nos Processos

Industriais

Apresentação de alguns aspectos

mercadológicos atuais

sobre a medição da vazão

dos fluídos na Automação

e Controle dos Processos

Industriais

A

saiba mais

Manuais de Operação e

Treinamento dos transmissores

de pressão Smar: LD301, LD302,

LD303 e LD400

Apresentações Transmissores de

Pressão. César Cassiolato, Evaristo

O. Alves, 2001-2011.

Medição de Vazão

Mecatrônica Atual 26

Artigos técnicos – César Cassiolato

www.smar.com/brasil2/

artigostecnicos/

Site do fabricante:

www.smar.com.br

20 Mecatrônica Atual :: 2011

vazão é a terceira grandeza mais medida

nos processos industriais. As aplicações são

amplas, desde aplicações simples como a

medição de vazão de água em estações de

tratamento e residências, até medição de

gases industriais e combustíveis, passando

por medições mais complexas. A escolha

correta de um determinado instrumento

para medição de vazão depende de vários

fatores. Dentre estes, pode-se destacar:

• exatidão desejada para a medição;

• tipo de fluido: líquido ou gás, limpo

ou sujo, número de fases;

• condutividade elétrica, transparência;

• condições termodinâmicas: por exemplo,

níveis de pressão e temperatura

nos quais o medidor deve atuar;

• espaço físico disponível;

• custo, etc.

Atualmente os medidores de fluidos

(líquidos, gases e vapores) são de grande

importância em um processo, pois são usados

Engº César Cassiolato

cesarcass@smar.com.br

Engº Evaristo O. Alves

evaristo@smar.com.br

para determinar as quantidades de produtos

vendidos, comprados e transferidos entre

fabricantes, transportadores e consumidores

finais. Veja a figura 1.

A medição de vazão de fluidos sempre

esteve presente em nosso dia a dia.Por

exemplo, o hidrômetro de uma residência,

o marcador de uma bomba de combustível

nos veículos, etc.

Na História, grandes nomes marcaram

suas contribuições. Em 1502 Leonardo da

Vinci observou que a quantidade de água por

unidade de tempo que escoava em um rio era

a mesma em qualquer parte, independente

da largura, profundidade, inclinação e outros.

Mas o desenvolvimento de dispositivos

práticos só foi possível com o surgimento da

era industrial e o trabalho de pesquisadores

como Bernoulli, Pitot e outros.

Vejamos, inicialmente, alguns conceitos

para entendermos melhor a medição

de vazão.


Como podemos definir vazão?

Vazão pode ser definida como sendo

a quantidade volumétrica ou mássica de

um fluido que escoa através de uma seção

de uma tubulação ou canal por unidade

de tempo.

Vazão Volumétrica

É definida como sendo a quantidade em

volume que escoa através de certa secção

em um intervalo de tempo considerado. As

unidades volumétricas mais comuns são:

m3/s, m3/h, l/h, l/min, GPM (galões por

minuto), Nm3/h (normal metro cúbico por

hora), SCFH (normal pé cúbico por hora),

entre outras.

Q = V

t

onde:

V = volume;

t = tempo;

Q = vazão volumétrica.

Vazão mássica

É definida como sendo a quantidade

em massa de um fluido que escoa através

de certa secção em um intervalo de tempo

considerado. As unidades de vazão mássica

mais utilizadas são: kg/s, kg/h, t/h, lb/h.

Q m = m

t

onde:

m = massa;

t = tempo;

Qm = vazão mássica.

Conceitos físicos para

medição de vazão

Para medição de vazão se faz necessário

rever alguns conceitos relativos a fluidos, pois

os mesmos influenciam na vazão de modo

geral. A seguir, os principais deles:

Calor Específico

Define-se calor específico como o quociente

da quantidade infinitesimal de calor

fornecido a uma unidade de massa de uma

substância pela variação infinitesimal de temperatura

resultante deste aquecimento.

Na prática, temos: A quantidade de calor

necessária para mudar a temperatura de 1

grama de uma substância em 1ºC.

F1. Variáveis de Processo.

F2. Perfil de Velocidades em regime laminar.

Viscosidade

É definida como sendo a resistência

ao escoamento de um fluido em um duto

qualquer. Esta resistência provocará uma

perda de carga adicional que deverá ser

considerada na medição de vazão.

Número de Reynolds

Número adimensional utilizado para

determinar se o escoamento se processa

em regime laminar ou turbulento. Sua determinação

é importante como parâmetro

modificador do coeficiente de descarga.

onde:

v = velocidade (m/s);

D = diâmetro do duto (m);

υ = viscosidade cinemática (m2 Re =

/s).

vD

υ

instrumentação

Observações: Na prática, se Re > 2.320,

o fluxo é turbulento, caso contrário é sempre

laminar.

Nas medições de vazão na indústria,

o regime de escoamento é na maioria dos

casos turbulento com Re > 5.000.

Distribuição de Velocidade

em um Duto

Em regime de escoamento no interior

de um duto, a velocidade não será a mesma

em todos os pontos. Será máxima no

ponto central do duto e mínima na parede

do duto.

Regime Laminar

É caracterizado por um perfil de velocidade

mais acentuado, onde as diferenças

de velocidades são maiores. Observe a

figura 2.

2011 :: Mecatrônica Atual

21


instrumentação

Regime Turbulento

É caracterizado por um perfil de velocidade

mais uniforme que o perfil laminar.

Suas diferenças de velocidade são menores.

Atente para a figura 3.

Tipos dos Medidores de Vazão

Resumidamente, podemos classificar os

medidores de vazão, segundo a tabela 1.

F3. Perfil de Velocidade em regime turbulento.

Tipos de medidores

1 Medidores indiretos utilizando

fenômenos intimamente

relacionados à quantidade de

fluído passante

2 Medidores diretos de volume

do fluido passante

3 Medidores especiais

T1. Classificação dos medidores de vazão.

T2. Comparação entre vários medidores de fluidos.

22 Mecatrônica Atual :: 2011

Características

I Perda de carga variável

(área constante)

II Área variável (perda de

carga constante)

I Deslocamento positivo

do fluído

II Velocidade pelo impacto

do fluído

Eletromagnetismo

Vórtex

Ultrassônico

Calhas Parshall

Coriolis

Equações para o

Cálculo da Vazão

As equações para o cálculo da vazão

podem ser obtidas genericamente para os três

tipos de medidores apresentados. Aplica-se

a Equação da Conservação da Massa, bem

como a Equação da Conservação da Energia,

sendo esta última na sua forma simplificada,

que é a Equação de Bernoulli. Assim para o

Exemplos

Tubo Pilot; Tubo de Venturi; Annubar;

Tubo de Dali; Placa de orifício

Rotâmentro

Disco Nutante; Pistão Flutuante;

Rodas ovais; Roots

Tipo Hélice; Tipo Turbina

escoamento através de uma redução de área,

considerando-o ideal e tomando uma linha

de corrente entre os pontos 1 e 2, conforme

a figura 4.

A equação de Bernoulli aplicada ao

escomento ideal, entre os pontos 1 e 2 da

figura, resulta na equação seguinte:

V 1 + P 1 + gz1 = v 2 + P 2 + gz2

2 ρ 2 ρ

onde o primeiro termo representa a

energia cinética, o segundo a energia de

pressão, proveniente do trabalho de escoamento,

enquanto o terceiro termo representa

a energia potencial.

Idênticas parcelas existem do lado direito,

para o ponto 2. Esta igualdade significa que

a soma das três parcelas é uma constante

ao longo de uma linha de corrente, não havendo

perdas por atrito. Para o escoamento

na posição horizontal, não há variação de

energia potencial, sendo z1 = z2.

Usando a equação da conservação da

massa entre as seções 1 e 2, para o escoamento

incompressível, tem-se que:

V 1 A 1 = V 2 A 2

sendo A a área da seção transversal e β

a razão entre os diâmetros do medidor e da

tubulação, β = D2/D1 (ou d/D, conforme

a notação), pode-se isolar uma das velocidades

na equação de Bernoulli, obtendo-se

a equação seguinte:

V = 2 2 P1 – P A 2 1 – 2

ρ A2 2 -1


A vazão pode ser então obtida, multiplicando-se

esta velocidade pela respectiva

área, equação. A vazão no caso é uma vazão

ideal, pois foi obtida através da equação de

Bernoulli, para o escoamento ideal.

Q 1 = V 2 A 2

Tomando-se o caso mais extremo, em

que o ponto 2 está situado sobre a vena

contracta, pode-se definir um coeficiente

de contração da veia principal, que é a razão

entre a área da vena contracta A 2 , e a área de

passagem do medidor, A m . Assim:

C 1 = A 2

A m

A vazão real pode ser obtida multiplicando-se

a vazão ideal por um coeficiente

de correção C v . Este coeficiente inclui as

correções relativas à perda de energia entre

os pontos 1 e 2, entre os quais se obtém o

diferencial de pressão. Parte deste diferencial

é decorrente da aceleração do escoamento

e parte provém da perda de carga. Esta

última age sempre no sentido de aumentar

o diferencial, razão pela qual o valor de C v

é sempre inferior à unidade. Assim, tendo

em conta estas correções e a área do medidor

Am, a equação para a vazão é dada por:

Q = 1 Cv Cc Am

2 4 1 - C β c

O coeficiente C c difere da unidade apenas

na placa de orifício, quando as tomadas de

pressão não são as de canto (corner taps). No

caso deste tipo de tomada a vena contracta

existe, mas a pressão está sendo lida junto

à placa, de forma que a área A 2 pode ser

considerada como a área do orifício Am. Em

função da dificuldade de se determinar todos

os coeficientes da equação, prefere-se ignorar

o próprio C c e introduzir os coeficientes C

e K, de modo que esta equação assuma as

seguintes formas:

Q r = CQ 1 = C A m

1 - β 4

= KA m

Medidores de Diferencial

de Pressão

O princípio de funcionamento baseiase

no uso de uma mudança de área de

F4. Escoamento com estrangulamento.

F5. Tipos de medidores de vazão mais utilizados.

escoamento, através de uma redução de

diâmetro ou de um obstáculo, ou ainda

através de uma mudança na direção do

escoamento. Estas mudanças de área ou de

direção provocam uma aceleração local do

escoamento, alterando a velocidade e, em

conseqüência, a pressão local. A variação

de pressão é proporcional ao quadrado da

vazão. São medidores já bastante conhecidos,

normalizados e de baixo custo. Estima-se

que abranjam 50% de utilização na medição

de vazão de líquidos.

São compostos de um elemento primário

e um elemento secundário. O elemento

primário está associado à própria tubulação,

interferindo com o escoamento e fornecendo o

diferencial de pressão. O elemento secundário

é o responsável pela leitura deste diferencial

e pode ser um simples manômetro de coluna

líquida, em suas diferentes versões, ou até

mesmo um transdutor mais complexo, com

aquisição e tratamento eletrônico do valor

de pressão lido.

Tecnologias para medição

de vazão no mercado

Existem inúmeras tecnologias para medição

de vazão no mercado, mas sem dúvida,

o “medidor com placa de orifício” ainda é o

instrumentação

mais usado pelo seu baixo custo associado ao

grande conhecimento acumulado de décadas

de aplicação. Isso significa, entre outras coisas,

que todo profissional de automação ligado ao

Controle de Processos pode eventualmente se

deparar com um medidor desse tipo. É então

conveniente conhecer seus princípios básicos

de funcionamento. Além disso, ao longo de

várias décadas o medidor com placa de orifício

vem sendo aperfeiçoado para melhorar seu

range, precisão e robustez. Diversos trabalhos

práticos e acadêmicos estão disponíveis para

auxiliar os profissionais que quiserem aplicar

esse tipo de medidor. Veja a figura 5 e a tabela

2 onde se tem a comparação entre diferentes

tipos de medidores.

Transmissor de Pressão

Diferencial

LD400 – Princípio de

Funcionamento

A Série LD400 de Transmissores Smar

é baseada em sensores capacitivos, onde a

pressão aplicada a diafragmas sensores faz com

que se tenha uma variação da capacitância

entre os mesmos e um diafragma central.

Esta variação de capacitância é usada para

variar a frequência de um oscilador que é

2011 :: Mecatrônica Atual

23


instrumentação

medida diretamente pela CPU e convertida

em Pressão. Não existe conversão A/D o que

contribui na exatidão e eliminação de drifts

embutidos nas conversões analógicas/digitais.

A Smar possui a leitura digital desde

a década de 80.

Os sensores capacitivos são sensores

muito confiáveis, com respostas lineares

e praticamente insensíveis a variações de

temperatura, sendo indicados em instrumentação

e controle de processos, já que possuem

excelentes performance em temperatura e

pressão estática.

Na figura 6, temos o diagrama funcional

do transmissor de pressão diferencial.

LD400 – Características e

Benefícios

A linha LD400 tem 2 Classes de exatidão:

• Modelo Standard: Exatidão de

0,06%;

• Modelo Alta Performance: Exatidão

de 0,045%;

• Ideal para aplicações em medição de

vazão;

• Minimiza o Erro Total Provável e

consequentemente a variabilidade do

processo;

• Ideal para aplicações em sistemas de

segurança SIL2 e SIL3;

• Por sua resposta linear, permite alta

rangeabilidade com exatidão;

• Rangeabilidade de 200:1;

• Tempo de resposta de 35 ms (o transmissore

digital mais rápidos do mercado);

• Garantia de estabilidade de ± 0,2% do

URL por 12 anos (modelo alta performance);

• Supressor de transiente e anti-surge

embutido;

• Totalização bidirecional com persistência;

• Alimentação sem polaridade (12 a

50 Vcc) – previne erros de conexão e

curto-circuito;

• Display multifuncional;

• CPU de 16 bits, garantindo alta performance;

• Coprocessador matemático de alta

performance, o que garante alto desempenho

do transmissor;

• Carcaça com as entradas das conexões

elétricas na parte inferior e borneira

resinada – protege contra corrosão e

baixa isolação;

24 Mecatrônica Atual :: 2011

• Lacre de carcaça para transferência de

custódia e fiscal;

• Ajuste local via sensor HALL;

• Árvore de ajuste local simplificada;

• Jumper de proteção de escrita;

• Possibilidade de atualização de firmware

via memória flash;

• Limite de pressão de ruptura de 10000

psi;

• Diagnósticos avançados: indicação

de sensor em curto e aberto, falha do

sensor em qualquer câmara, sensor

desconectado, sobrepressão além do

limite de aquisição, indicação de alguns

diagnósticos no display, máxima e mínima

temperatura, desvio de zero etc.

Os transmissores de pressão microprocessados

possuem a grande vantagem de

permitirem uma melhor interação com o

usuário, com interfaces amigáveis. Além disso,

possuem características de auto-diagnose

que facilitam a identificação de problemas.

Com o advento das redes fieldbuses, podese

agora extrair ao máximo os benefícios

da tecnologia digital. Estes transmissores

possuem melhor exatidão, uma estabilidade

eletrônica superior aos modelos analógicos,

além de facilitarem ajustes e calibrações.

A tecnologia digital também permite que

poderosos algoritmos possam ser implementados

a favor da melhoria de performance e

exatidão da medição e a monitoração online

da vida do equipamento.

Como especificar

Transmissores de Pressão?

Especificações incompletas ou mesmo

com dados inconsistentes são bastante

comuns na documentação para compra de

transmissores de pressão. À primeira vista,

parecem ítens simples de projeto, porém são

muitos os detalhes que, se não corretamente

especificados, poderão gerar um prejuízo

na hora da montagem ou mesmo durante

a operação, podendo este ser maior que os

valores dos equipamentos envolvidos.

Este tópico procura esclarecer algumas

questões fundamentais no processo de especificação

de transmissores de pressão. Vale

lembrar que é importante ter os seguintes

conhecimentos:

• princípios físicos da medição de pressão;

• tipos de pressão que podem ser medidas;

• sensores e seu funcionamento;

• instrumentação industrial;

• instalação e cuidados na operação e

manutenção;

• principais aplicações.

O que se pretende medir?

Em geral mede-se:

• Pressão manométrica;

• Pressão absoluta;

• Pressão diferencial;

• Outras grandezas inferidas a partir

de medições de pressão (vazão, nível,

volume, força, densidade, etc).

Vale ressaltar que as medições de pressões

abaixo da atmosférica não necessariamente

requerem transmissores de pressão absoluta.

Os transmissores de pressão absoluta são

recomendados apenas quando se quer evitar

as influências das variações da pressão

atmosférica. Essa influência só será crítica

quando se mede pressões muito próximas

(acima ou abaixo) da pressão atmosférica.

Nos demais casos pode-se usar sem problemas

transmissores de pressão manométrica.

Para que medir pressão?

Em geral mede-se pressão para:

• Controle ou monitoração de processos;

• Proteção (segurança);

• Controle de qualidade;

• Transações comerciais de fluidos

(transferências de custódia, medição

fiscal);

• Estudos e pesquisas;


Balanços de massa e energia.

Esses objetivos devem ser considerados

na escolha dos equipamentos. Quesitos

mais rigorosos de desempenho tais como:

exatidão, limites de sobre pressão e pressão

estática, estabilidade e outros podem encarecer

desnecessariamente o projeto. Todos os

fabricantes em geral oferecem ao mercado

mais de uma versão de transmissores com

características técnicas distintas e obviamente

com preços também distintos.

Qual é o fluido do processo?

O fornecedor deverá ser informado das

características do fluido. Em geral o fabricante

poderá recomendar materiais ou conexões

especiais. Vale lembrar que a decisão final

será sempre do usuário ou da empresa de

engenharia envolvida.

Alguns dados do fluido de processo são

fundamentais na escolha do transmissor:


• Estado (líquido, gás, vapor): Define

a posição da válvula de dreno/vent;

• Pressão máxima do processo: Importante

para a avaliação dos limites

de sobre pressão e pressão estática do

transmissor;

• Temperatura máxima do processo:

Poderá ser determinante para o uso

de selos remotos ou apenas manter

uma distância mínima na linha de

impulso (tubing).

Opcionais?

Alguns opcionais podem ser incluídos

no fornecimento dos transmissores:

Indicador local - Esse item não

tem um custo muito alto e é muito

útil, pois não só permite a leitura da

variável em unidades de engenharia

(kgf/cm2 •

, bar, mmH2O, Pa, psi, etc)

como também facilita a configuração

do transmissor quando não se dispõe

de um configurador;

• Manifold - A compra casada (transmissor

+ manifold) traz vantagens

comerciais e evita qualquer incompatibilidade

técnica na montagem;

• Suporte para tubo de 2” - Esse item

é quase obrigatório. Alguns suportes

permitem também a montagem em

superfícies planas. Recomenda-se

especificar o suporte com pelo menos

os parafusos e porcas em aço inox ,

garantindo-se uma melhor resistência

à atmosferas corrosivas;

• Prensa-cabos - Esse item pode ser

encomendado junto com o transmissor.

Recomenda-se porém, incluí-lo

na compra do material de montagem,

garantindo a compatibilidade com a

bitola do cabo a ser utilizado.

Protocolo de comunicação?

Os protocolos de comunicação mais

comuns são:

• 4-20 mA+HART;

• Foundation Fieldbus;

• Profibus PA.

Alguns fabricantes oferecem ao mercado,

transmissores que com a simples substituição

da placa de circuito eletrônico ou apenas do

firmware, o transmissor muda sua versão de

protocolo, podendo ser usado em sistemas

distintos.

Os fabricantes também fornecem junto

com os transmissores, CD’s com todos os

F6. LD400 – Diagrama Funcional.

arquivos (DD’s e DTM’s) de seus transmissores,

garantindo a comunicação e

interoperabilidade com os diversos sistemas

de controle do mercado.

Ferramentas especiais?

Para os transmissores com protocolo

Foundation Fieldbus ou Profibus PA não

serão necessários configuradores portáteis,

uma vez que a própria ferramenta de configuração

das redes, geralmente instalada nos

computadores de supervisão ou em alguma

estação de engenharia, é também capaz de

acessar e configurar os instrumentos. Para os

projetos convencionais (4-20mA+HART),

recomenda-se a aquisição de um configurador

portátil (hand held). Em alguns

transmissores, a configuração poderá ser

feita diretamente nos instrumentos, com

uso de recursos como chave magnética ou

botoeiras locais.

Pré-configurações?

Nos transmissores convencionais (4-

20mA+HART) é possível solicitar ao fabricante,

em geral sem custos adicionais,

algumas pré-configurações:

Extração de raiz quadrada;

Faixa calibrada;

Indicação no display em unidades

de engenharia (pressão);

Indicação no display em unidades

especiais, por exemplo: m3/h , l/h,

m3 •




. Nesse caso deve-se informar

previamente a unidade e a escala.

Certificações?

É comum o usuário solicitar ao fabricante

certificados de calibração emitidos por laboratório

rastreado pela RBC. Os fabricantes

sempre fornecem certificados padronizados

que são gerados e emitidos durante a fase

de fabricação dos instrumentos. Outros

certificados de calibração, quando emitidos

por laboratório de metrologia rastreado pela

instrumentação

RBC, podem demandar em maior prazo

de entrega e em geral resultam em custos

adicionais.

Outra certificação importante deve ser

observada quando se usa transmissores em

área classificadas. Os projetos de instrumentação

para esses casos adotam normas

atendendo: prova de explosão, segurança

aumentada ou segurança intrínseca. Os

certificados são distintos e é responsabilidade

do usuário sua correta utilização.

O mesmo vale para SIS, Sistemas Instrumentados

de Segurança. Um transmissor

de pressão especificado para áreas críticas,

isto é, para a função de segurança, é um

equipamento projetado com probabilidades

de falhas baixas e alta confiabilidade

de operação. No mercado existem dois

conceitos.Um que é o baseado no “Prove

in Use” e outro baseado na certificação

da IEC 61508. Tem-se visto na prática

em muitas aplicações a especificação de

equipamentos com certificação SIL para

serem utilizados em sistemas de controle,

e sem função de segurança. Acredita-se

também que haja no mercado desinformação,

levando a compra de equipamentos

mais caros, desenvolvidos para funções de

segurança, onde na prática serão aplicados

em funções de controle de processo, onde

a certifição SIL não traz os benefícios esperados,

dificultando inclusive a utilização

e operação dos equipamentos.

Os Sistemas Instrumentados de Segurança

(SIS) são os sistemas responsáveis

pela segurança operacional e que garantem

a parada de emergência dentro dos limites

considerados seguros, sempre que a operação

ultrapassa estes limites.O objetivo principal

é se evitar acidentes dentro e fora das fábricas,

como incêndios, explosões, danos aos

equipamentos, proteção da produção e da

propriedade e mais do que isto, evitar riscos

de vidas ou danos à saúde pessoal e impactos

catastróficos para a comunidade.

2011 :: Mecatrônica Atual

25


instrumentação

Nenhum equipamento é totalmente imune

a falhas e sempre deve proporcionar mesmo

em caso de falha, uma condição segura.

Os transmissores certificados de acordo

com a IEC 61508 devem tratar basicamente

3 tipos de falhas: falhas de hardware

randômicas, falhas sistemáticas, falhas de

causas comuns.

O que o usuário deve saber sobre

Transmissores com certificação

SIL e por que eles não são a melhor

opção para controle e monitoração?

Nenhuma mudança de configuração,

simulação, multidrop ou teste de loop pode

ser feita com o equipamento em operação

normal (isto é, exigindo segurança). Nestas

condições a saída não está em condição

de ser avaliada seguramente. Ou seja, um

equipamento HART/4-20mA com certificação

SIL2, não estará com nível SIL caso

a comunicação HART esteja habilitada e

possibilitando escritas.

Na condição segura deve estar com a

proteção de escrita desabilitada.

Nenhum ajuste local pode ser realizado

(Ajuste local deve ser desabilitado).

Nada é totalmente seguro. O que se

busca é reduzir a probabilidade de ocorrência

de falhas.

Em caso de falha , esta deve ser segura,

isto é, ela pode ser identificada e permitir

ações corretivas.

Conexões especiais?

Em aplicações com fluidos agressivos,

temperatura ou viscosidade alta, sólidos em

suspensão, recomenda-se o uso de transmissores

com selos remotos ou integrais

(os transmissores com selos integrais são

chamados de transmissores de nível). Devese,

sempre que possível, evitar o emprego

de selos, pois estes degradam a exatidão da

medição, aumentam o tempo de resposta

do transmissor e sofrem grande influência

da temperatura ambiente. A calibração de

transmissores com selos remotos requer

cuidados especiais, pois não só a posição

do transmissor, mas a densidade do fluido

de enchimento são fatores a serem considerados.

Os selos com conexões flangeadas deverão

ser compatíveis com os flanges de processo

e respeitar as classes de pressão estabelecidas

nas tabelas de pressão e temperatura das

respectivas normas.

26 Mecatrônica Atual :: 2011

Faixa de pressão/rangeabilidade?

Os fabricantes adotam uma terminologia

padronizada que precisa ser conhecida:

URL Limite superior para a faixa de

calibração;

LRL Limite inferior para a faixa de calibração

(em geral LRL = - URL);

URV valor superior da faixa calibrada

(deverá ser menor ou igual

à URL);

LRV valor inferior da faixa calibrada

(deverá ser maior ou igual à LRL);

SPAN URV – LRV ( deverá ser

maior que o SPAN mínimo do instrumento);

A relação URL / SPAN mínimo define

a rangeabilidade do instrumento.

Os catálogos dos fabricantes em geral

mostram os valores de URL , LRL, e SPAN

mínimo para as diversas faixas dos transmissores.

Pode-se observar que o SPAN

mínimo de uma determinada faixa será

sempre maior que o URL da faixa imediatamente

inferior.

Por exemplo:

Faixa 4 - URL: 25 kgf/cm2 ; Span mínimo:

0,21 kgf/cm2 ; limites de sobrepressão

ou pressão estática: 160 kgf/cm2 ;

Faixa 5 - URL: 250 kgf/cm2 ; Span mínimo:

2,1 kgf/cm2 ; limites de sobrepressão

ou pressão estática: 320 kgf/cm2 .

Para uma aplicação com faixa calibrada:

0 a 20 kgf/cm2 , é possível usar o faixa 4

ou mesmo o faixa 5. Deve-se entretanto

escolher sempre o de faixa inferior. Todas

as especificações de estabilidade, efeito da

temperatura, efeito da pressão estática são

determinados com valores percentuais de

URL. Um exceção para essa escolha se dá

quando os limites de sobrepressão ou pressão

estática podem ser atingidos. No exemplo

acima esse limite é de 160 kgf/cm2 para o

faixa 4 e 320 kgf/cm2 •






para o faixa 5.

Recursos funcionais

Alguns transmissores possuem recursos

funcionais bastante interessantes. Para os

transmissores com protocolo Foundation

Fieldbus, é importante conhecer a biblioteca

de blocos funcionais disponível. O

usuário deve se informar não apenas sobre

a diversidade desses blocos, como também

sobre a política de comercialização desses

recursos. Alguns fabricantes fornecem o

instrumento com alguns blocos básicos e

cobram adicionais para inclusão de blocos

avançados. Importante é também se informar

sobre a quantidade de blocos que podem ser

processados em um único transmissor. Este

limitante pode ser crítico em projetos com

malhas de controle mais complexas.

Para os transmissores convencionais

(4-20 mA+HART) é possível também o

uso de funcionalidades adicionais:

Controle PID

Nessa configuração o transmissor realiza

o algoritmo PID, comparando a variável

do processo com um setpoint pré-ajustado

e gera o sinal de saída de corrente para conexão

direta ao posicionador da válvula de

controle. Esse recurso é válido para malhas

simples de controle e que não necessitam

de intervenções do operador (sempre em

automático com set point constante).

Totalização de vazão

O transmissor de pressão diferencial

quando usado em medições de vazão pode

ser configurado para indicação local da

vazão totalizada, além da instantânea.

Na figura 7 mostramos o D.B. e fun-

ções do transmissor de pressão 4-20

mA+HART.

A performance estática ou exatidão

(muitas vezes confundida com precisão,

onde exatidão está associada à proximidade

do valor verdadeiro e precisão à dispersão dos

valores resultantes de uma série de medidas)

de um transmissor de pressão depende de

quão bem calibrado é o transmissor e quanto

tempo ele pode manter sua calibração.

A calibração de um transmissor de pressão

envolve o ajuste de zero e span.A exatidão

normalmente inclui efeitos de não-lineraridade,

histerese e repetibilidade.

Normalmente a exatidão é dada em %

do span calibrado.

Exemplos de medição de vazão com

transmissor de pressão diferencial são vistos

nas figuras 8 e 9.

Curiosidade: O mercado

mundial de transmissores

de pressão

Hoje nos processos e controles industriais,

somos testemunhas dos avanços tecnológicos

com o advento dos microprocessadores e

componentes eletrônicos, da tecnologia

Fieldbus, o uso da Internet, etc., tudo facilitando

as operações, garantindo otimização

e performance dos processos e segurança


operacional. Este avanço permite hoje que

transmissores de pressão, assim como os

de outras variáveis, possam ser projetados

para garantir alto desempenho em medições

que até então utilizam somente a tecnologia

analógica. Os transmissores usados até

então(analógicos) eram projetados com

componentes discretos, susceptíveis a drifits

devido à temperatura, condições ambientais

e de processo, com ajustes constantes através

de potenciômetros e chaves. Com o advento

da tecnologia digital, a simplicidade de uso

também foi algo que se ganhou.

Os transmissores de pressão são amplamente

utilizados nos processos e aplicações

com inúmeras funcionalidades e recursos.

Como podemos ver na figura 1, a grande

maioria dos processos industriais envolvem

medições de vazão.

Segundo a ARC – Advisory Group, o

mercado mundial de transmissores de pressão

em 2006 foi de 2,38 bilhões de dólares e tem

como previsão, 2,8 bilhões em 2013.

Ainda vale citar os transmissores para

aplicações SIS, Sistema Instrumentado de

Segurança, assim como os transmissores

wireless que começam a ser utitlizados em

algumas aplicações.

A Smar está finalizando o desenvolvimento

de seus transmissores de pressão

WirelessHART e ISA-SP100 e em breve

os disponibilizará ao mercado.

Para aplicações SIS, a Smar disponibiliza

seus transmissores da linha LD400-HART-

SIS. Para mais detalhes, consulte: www.smar.

com/PDFs/catalogues/ld400cp.pdf

Conclusão

Este artigo nos mostrou um pouco da

história da medição de vazão, sua importância

na automação e controle de processos,

peculiaridades e características, aliados aos

avanços tecnológicos nos transmissores de

vazão. Vimos também um pouco sobre o

mercado e sua tendência de crescimento

e os cuidados referentes às instalações, às

especificações e terminologias adotadas

para transmissores.

MA

F7. Diagrama de blocos e funções de transmissor de pressão 4-20mA+HART.

F8. Medição de vazão usando tubo de Pitot.

F9. Medição de vazão usando placa de orifício.

instrumentação

2011 :: Mecatrônica Atual

27


conectividade

Entendendo as

Reflexões em

Sinais Profibus

Apesar de muito simples, a tecnologia do meio físico mais utilizada

no Profibus-DP, a RS-485, ainda vemos alguns detalhes

em campo que poderiam ser evitados e que poderiam diminuir

o tempo de comissionamento e startup e evitar as condições

de intermitências e paradas indesejadas durante a operação.

Trataremos brevemente sobre reflexões de sinais neste artigo.

saiba mais

Minimizando Ruídos em Instalações

PROFIBUS

Mecatrônica Atual 46

Raio de Curvatura Mínima e

Instalações PROFIBUS

Mecatrônica Atual 47

Aterramento, Blindagem,

Ruídos e dicas de instalação

- César Cassiolato

EMI: Interferência

Eletromagnética - César

Cassiolato

Material de Treinamento e

artigos técnicos Profibus - César

Cassiolato

Especificações técnicas e Guias de

Instalações Profibus:

www.smar.com/brasil2/

artigostecnicos/

Site do fabricante:

www.smar.com.br

28 Mecatrônica Atual :: 2011

César Cassiolato

Diretor de Marketing, Qualidade

e Engenharia de Projetos e Seviços

- Smar Equipamentos Industriais

O meio físico RS-485

Neste padrão temos dois canais independentes

conhecidos como A e B, que

transmitem níveis de tensão iguais, porém

com polaridades opostas (V OA e V OB ) ou

simplesmente V A e V B . Por esta razão, é

importante que a rede seja ligada com a

polaridade correta.

Embora os sinais sejam opostos, um não

é o retorno do outro, isto é, não existe um

loop de corrente. Cada sinal tem seu retorno

pela terra ou por um terceiro condutor de

retorno, entretanto, o sinal deve ser lido pelo

receptor de forma diferencial sem referência

ao terra ou ao condutor de retorno.

Quanto ao aterramento neste sistema de

comunicação, esta é a grande vantagem do

sinal diferencial: note, na figura 1a, que o

sinal está trafegando com fases invertidas nos

condutores do cabo enquanto o ruído trafega

com mesma fase. Nos terminais de entrada

do amplificador diferencial, o sinal de comunicação

Profibus chega em modo diferencial

e o ruído em modo comum, rejeitando-o.

Sendo assim, todo ruído que for induzido no

cabo, em geral de origem eletromagnética,

será em sua maioria rejeitado.

Linhas de transmissão diferenciais utilizam

como informação apenas a diferença de

potencial existente entre os dois condutores

do par trançado, independente da diferença

de potencial que eles apresentam em relação

ao referencial de tensão (comum ou terra).

Figura 1b.

O que é reflexão de sinal?

A reflexão do sinal ocorre quando um

sinal é transmitido ao longo de um meio de

transmissão, tal como um cabo de cobre ou


A

B

F1. Sinal Profibus-DP – RS-485 (A) e Rede Profibus-DP – RS-485 (B).

fibra óptica, e parte da energia do sinal pode

ser refletida de volta para sua origem. Isso

pode acontecer por imperfeições no cabo,

mudança de impedância ao longo da linha de

comunicação (splices), falta do terminador,

spur além do permitido, comprimento total

além do permitido, etc.

Os pontos mais prováveis para reflexões

são nas conexões ou junções do cabo, ou

ainda em locais onde se tem violada a curvatura

mínima do cabo. Acompanhe agora

as figuras 2a e 2c.

Observe na figura 2c que, quanto maior

for a taxa de comunicação, maior será a

influência da reflexão, pois o tempo de bit

é menor.

Curvatura mínima

Flexão, alongamento, torções, esmagamentos

durante o processo de instalação do

cabo Profibus podem forçar os condutores,

ou mesmo alterar suas seções transversais.

Isso perturba o eixo comum dos condu-

tores e blindagem, e mostra-se como uma

mudança na impedância no ponto de stress

do cabo. Através da captura de sinais, estes

pontos podem ser facilmente identificados

pelas reflexões nos sinais. Em todos os

casos, o raio mínimo especificado refere-se

à superfície interna do cabo, e não ao eixo

do cabo. Veja a figura 3.

A figura 4 mostra um exemplo de instalação

onde a curvatura mínima foi violada e

com isto o sinal Profibus se comporta como

o da figura 5. Frequentemente, os danos não

são visíveis e a própria isolação e integridade

do cabo podem ficar comprometidas.

A figura 6 apresenta um diagrama de

uma linha básica de transmissão “singleended”.

Uma fonte de tensão (Vs) gera

uma sinal digital com uma impedância Zs.

A linha de transmissão tem a impedância

AC (Z 0 ) em relação ao terra e, no final do

cabo tem-se a impedância (Z T ), casadora

de impedância. No caso do Profibus, temos

o terminador no ínicio e término de cada

conectividade

Atenção:

Sempre que possível, consulte a norma

EN50170 para as regulamentações físicas,

assim como as práticas de segurança de

cada área.

É necessário agir com segurança nas

medições, evitando contatos com terminais

e fiação, pois a alta tensão pode estar presente

e causar choque elétrico. Lembre-se

que cada planta ou sistema tem seus detalhes

de segurança. Informe-se sobre esses

detalhes antes de iniciar o trabalho!

Para minimizar o risco de problemas

potenciais relacionados à segurança, é

preciso seguir as normas de segurança

e de áreas classificadas locais aplicáveis

que regulam a instalação e operação dos

equipamentos. Estas normas variam de área

para área e estão em constante atualização.

É responsabilidade do usuário determinar

quais normas devem ser seguidas em suas

aplicações e garantir que a instalação de

cada equipamento esteja de acordo com as

mesmas.

Uma instalação inadequada ou o uso de um

equipamento em aplicações não recomendadas

podem prejudicar a performance

de um sistema e consequentemente a

do processo, além de representar uma

fonte de perigo e acidentes. Devido a isto,

recomenda-se utilizar somente profissionais

treinados e qualificados para instalação,

operação e manutenção.

segmento, garantindo a melhor condição

de sinais.

O que é um terminador

de rede?

O terminador é uma impedância que se

acrescenta na rede Profibus com a função de

casar a impedância da rede. Quanto maior

for o comprimento da rede, maior poderá

ser a distorção dos sinais. O terminador

elimina erros de comunicação por distorções

de sinais. Vale a pena ainda lembrar que se

não colocarmos o terminador, o cabeamento

funciona como uma antena, facilitando a

distorção de sinais e aumentando a susceptibilidade

a ruídos.

A impedância característica é o valor da

carga, que colocada no final desta linha, não

reflete nenhuma energia. Ou, em outras

palavras, é o valor da carga que proporciona

um coeficiente de reflexão zero, ou

ainda, uma relação de ondas estacionárias

igual a um.

2011 :: Mecatrônica Atual

29


conectividade

A

B

C

F2. Sinal Profibus sem reflexão (à esq.) e com reflexão por falta de terminador (à dir.) em “A”,

Sinal Profibus com reflexão por splices na instalação (à esq.) e sem reflexão (à dir.) em “B“ e

Sinal Profibus com reflexões em diferentes “baud rates” em “C“.

30 Mecatrônica Atual :: 2011

Se não há os terminadores no segmento

Profibus, o sinal resultante na carga é distorcido

no tempo (jitter) e amplitude (oscilações).

Toda vez que a geometria do cabo for alterada

resultará em desequilíbrios de impedância

e haverá reflexões resultantes.

Tanto a rede Profibus-DP quanto a

rede Profibus-PA exigem os terminadores.

É obrigatório o uso dos terminadores de

barramento, onde sua ausência causa o

desbalanceamento, provocando atraso de

propagação, assim como a oscilações ressonantes

amortecidas causando transposição

dos níveis lógicos (thresholds). Além disso,

melhora a margem de ruído estático. No

F3. Raio de Curvatura Mínimo.

F4. Exemplos de Curvaturas Mínimas

Inadequadas e de Cabos Danificados.


Profibus-DP os terminadores são ativos, isto

é, são alimentados. Veja a figura 7.

Há a necessidade da terminação ativa no

barramento, no começo e no fim de cada

segmento, e para manter a integridade do

sinal de comunicação, ambos terminadores

devem ser energizados. Vide figura 8.

No Profibus-PA, deve-se ter terminadores

no barramento (resistor de 100 ohms

e um capacitor de 1 μF em série), um no

início e outro no final. Não se deve ligar a

blindagem ao terminador e sua impedância

deve ser 100 ohms +/-20% entre 7,8 e 39

kHz. Este valor é aproximadamente o valor

médio da impedância característica do cabo

nas frequências de trabalho e é escolhido

para minimizar as reflexões na linha de

transmissão, assim como para converter

o sinal em níveis aceitáveis de 750 a 1000

mV. Preste atenção na figura 9.

Os cuidados necessários

com os terminadores na

rede Profibus-DP

Pelo fato dos terminadores serem ativos,

um erro comum que se comete é colocar

como escravo DP as estações de trabalho

F5. Sinal Profibus com reflexão devido à violação da curvatura mínima do cabo.

onde, em uma queda de energia ou reset do

microcomputador, as linhas de alimentação

balançam, desbalanceando a rede e causando

intermitência e paradas indesejadas.

Conclusão

Como o Profibus e o AS-i são tecnologias

consolidadas em milhares de aplicações em

todo o mundo, é essencial que os projetos de

sistemas de automação que utilizam estas

tecnologias possam contar com profissionais

conectividade

F6. Diagrama de uma linha de transmissão

básica (single-ended).

2011 :: Mecatrônica Atual

31


conectividade

F7. Terminador de barramento Profibus-DP.

F8. Terminador ativo de barramento Profibus-DP.

F9. Forma de onda típica na rede PA e a influência dos terminadores.

32 Mecatrônica Atual :: 2011

altamente capacitados e reconhecidos para

garantir o sucesso do empreendimento.

Assim, a Smar possui a maior equipe do

Brasil capacitada para análise de redes digitais

de automação, configuração, comissionamento,

startup e instalações. São milhares

de pontos Profibus e AS-i certificados e

verificados pela Smar em várias aplicações

e nos mais diversos segmentos industriais,

garantindo, além da conformidade com os

padrões, vantagens como:

• aumento do desempenho e confiabilidade

da rede;

• redução no tempo de comissionamento,

startups e paradas;

• atuação preventiva e preditiva nas

possíveis falhas em instalações e sinais

de comunicação;

• aumento da segurança operacional

com as melhorias sugeridas;

• elevação da performance operacional e

redução dos custos globais de operação

e manutenção, entre outros.

Com a Smar, o cliente tem acesso a relatórios

detalhados das informações e análises

técnicas, mostrando os pontos em desacordo

com os padrões, as correções necessárias e

as sugestões de melhorias.

MA

Nota: Este artigo não substitui os padrões

IEC 61158 e IEC 61784 e nem os perfis e

guias técnicos do PROFIBUS. Em caso de

discrepância ou dúvida, os padrões IEC

61158 e IEC 61784, perfis, guias técnicos e

manuais de fabricantes prevalecem. Sempre

que possível, consulte a EN50170 para as

regulamentações físicas, assim como as

práticas de segurança de cada área.

Para informações sobre certificação

de redes Profibus e AS-i, consulte: www.

smar.com/brasil2/especialistas_profibus.asp

César Cassiolato é Engenheiro Certificado

na Tecnologia PROFIBUS e Instalações

PROFIBUS pela Universidade Metropolitan de

Manchester-UK. cesarcass@smar.com.br


automação

Controladores de

temperatura PID

Neste artigo, cujo foco central são os Controladores de Temperatura

PID - um tipo de controlador contínuo que combina

três modos de controle: proporcional, integral e derivativo

- apresentamos também uma introdução geral ao controle de

processo nas aplicações industriais

saiba mais

Curso de Automação Industrial

– Paulo Oliveira - Edições Técnicas e

Profissionais

Manual de Formação. Eng.º Filipe

Alexandre de Sousa Pereira

Catálogos OMRON

www.omron.pt

34 Mecatrônica Atual :: 2011

Filipe Pereira

filipe.as.pereira@gmail.com

Controle de processos

Para se analisar, de uma forma eficaz,

os elementos de uma linha de produção

industrial é necessário ter uma compreensão

global dos princípios de controle de processos.

A partir daí, pode-se descrever a forma

como cada elemento em particular afeta o

problema do controle global. Este ponto

faz uma introdução geral ao controle de

processos nas aplicações industriais.

Os elementos de um sistema complexo são

mais facilmente compreendidos se primeiro

se considerar a operação do sistema global.

Como é óbvio, seria muito frustrante estudar

todos os elementos de um automóvel sem

saber antes que o resultado é um veículo

de transporte com determinadas características.

Por esta razão, iremos analisar a

malha total de controle de processos, a sua

função e a respectiva descrição das partes

que a constituem.

Algoritmo de controle

de processos

Atualmente existe uma enorme variedade

de equipamentos que, combinados,

constituem cadeias de controle adaptadas

aos inúmeros problemas de controle e a um

grande número de processos.

O controle de sistemas é a regulação

dos parâmetros de um processo para estarem

dentro de uma determinada faixa de

operação, ou para estarem de acordo com

um ponto pré-definido.

O controle é utilizado para monitorar,

analisar e corrigir parâmetros do processo

através da análise das características dinâmicas

dos sistemas.

Variável de processo (PV) é a variável

medida do processo que se deseja estabilizar.

Um exemplo de variável de processo é

a temperatura que se mede de um sistema

através de uma RTD ou termopar.


Setpoint (SP) é o ponto de funcionamento

desejado para o sistema: ele costuma ser um

valor pré-fixado pelo operador. Um exemplo

de setpoint é o valor que um operador

estabelece de temperatura para uma seção

industrial.

Erro (E) é a diferença que existe entre

a variável de processo e o setpoint, ou seja

E = SP-PV.

Variável de controle (CV) é o elemento

que vai ser atuado pelo controlador para

condicionar a variável de processo ao valor

indicado pelo setpoint. Um exemplo de uma

variável de controle é uma resistência que

vai condicionar a temperatura.

Distúrbio ou ruído é o sinal que tende a

afetar de forma adversa o valor da variável

de controle.

Sistema de controle em malha aberta é o

sistema no qual a ação de controle é independente

da saída, ou seja, a saída do controlador

não tem efeito na ação de controle.

Sistema de controle em malha fechada é

aquele no qual a ação do controle depende da

saída. Neste caso, a saída é sempre medida

e comparada com a entrada por forma a

diminuir o erro e manter a saída do sistema

dentro do valor desejado.

Realimentação é uma característica dos

sistemas de controle em malha fechada e

que permite comparar a entrada com a

saída do sistema.

Quando a realimentação se faz com o

objetivo de eliminar o defasamento entre o

valor desejado para o processo e o valor deste,

diz-se que a realimentação é negativa.

Diz-se que um controlador está em ação

direta quando um aumento na variável de

processo, em relação ao setpoint, provoca

um aumento da saída de controle.

Diz-se que um controlador está em ação

inversa quando um aumento na variável de

processo, em relação ao setpoint, provoca

uma diminuição da saída de controle. Veja

a figura 1.

Para ilustrar o funcionamento de um

controle em malha fechada, considere-se

um sistema que utiliza vapor quente para

controlar a temperatura em um depósito.

Observe a figura 2.

A temperatura do depósito deverá ser

mantida em 150ºC (SP). Como a variável

temperatura está condicionada pelo tempo,

é chamada de variável de processo (PV).

A quantidade de vapor que entra no

depósito para controlar a temperatura é

F1. Controle em malha fechada.

F2. Controle.

chamada de variável de controle (CV) e a

válvula que controla a quantidade de vapor,

que entra no depósito para o aquecer, de

elemento de controle.

Se a temperatura lida do processo for

inferior ao setpoint dado pelo operador,

o controlador dará informação à variável

de controle (CV) para abrir a válvula,

permitindo a entrada de mais vapor e,

consequentemente, aumentar a temperatura

dentro do depósito.

Se a temperatura não for para o valor de

setpoint desejado, o controlador repetirá este

processo até que a temperatura do processo

(PV) esteja o mais próximo possível do ponto

desejado pelo operador (SP).

A diferença entre a temperatura do

processo e a temperatura que para ele se

deseja designa-se por erro que, dependendo

do estado da variável de processo, pode ser

negativo ou positivo.

2011 :: Mecatrônica Atual

automação

Assim, se a temperatura do processo

for superior ao valor desejado, o erro (E)

é negativo e vice-versa. Quando o erro é

igual a zero, diz-se que o processo está

regulado.

Um controlador pode ser caracterizado

pelo seu sinal de saída. Desta forma irão

abordar-se dois tipos de controladores:

os discretos e os contínuos. Atente para a

figura 3.

Os controladores discretos têm saídas

do tipo On/Off, ou descontínuas. Nos

controladores contínuos o sinal de saída é

do tipo contínuo.

Devido à natureza do seu sinal, os controladores

discretos produzem no sistema a

controlar uma estabilidade condicionada,

ou seja, o erro do sistema oscilará entre

dois valores pré-determinados, criando,

na estabilidade, uma senoide de amplitude

reduzida.

35


automação

F3. Controle discreto e controle contínuo.

F4. Controle do aquecimento da água num termoacumulador.

F5. Análise do controlador e variável a controlar.

F6. Controlador proporcional.

36 Mecatrônica Atual :: 2011

Este tipo de controlador é o mais básico

de todos os controladores, uma vez que

fornece somente sinais do tipo On/Off ao

elemento de controle.

Estes controladores são utilizados em

sistemas onde o controle não tem de ser

eficaz, por exemplo, na temperatura de uma

habitação, onde através do termostato se insere

um valor desejado para a temperatura (com

um valor superior o aquecedor desliga-se,

e com um valor inferior o aquecedor liga).

Acompanhe a figura 4.

Se o aquecimento tiver uma banda morta,

significa que o termostato não acionará o

aquecedor quando a temperatura descer

imediatamente abaixo do setpoint, mas sim

num valor abaixo.

Se a banda morta do aquecimento for

de 4ºC e o setpoint da temperatura for de

70ºC, o aquecimento só ligará abaixo dos

70ºC-2ºC=68ºC e só se desligará acima

dos 70ºC+2ºC=72ºC.

A ação da banda morta evita essencialmente

o desgaste excessivo (liga/desliga)

do elemento de controle que, neste caso, é

o termostato.

O controlador acima referido tem uma

ação inversa no processo, ou seja, quando a

temperatura desce abaixo do setpoint ,menos

a banda morta, o controlador aumenta

a sua saída para 100% (On) e quando a

temperatura sobe acima do setpoint mais a

banda morta, o controlador diminui a sua

saída 0% (Off). Veja a figura 5.

Nos sistemas, quando se adiciona uma

banda morta, para aumentar o tempo de

vida útil do termostato, o erro do sistema

aumenta.

Se a banda morta do sistema for diminuída,

o erro do sistema também diminuirá

mas tornará o sistema mais oscilatório, uma

vez que o “liga/desliga” do sistema terá uma

frequência maior.

Deverá existir neste tipo de controladores

um compromisso entre o erro provocado

pela banda morta e a frequência de ativação

do elemento de controle neste caso, o

termostato.

Um controlador contínuo envia um

sinal analógico para o elemento a controlar,

para regular a variável de processo. Nos

sistemas com CLPs, o controlador contínuo

terá de ter dispositivos especiais (cartas de

entradas e saídas analógicas) com rotinas

de programação específicas para controlar

o processo.


F7. Aquecimento e Arrefecimento.

Os controladores contínuos podem

controlar os processos de três formas distintas:

• Controle Proporcional (P);

• Controle Integrativo (I);

• Controle Proporcional Integral (PI);

• Controle Derivativo (D);

• Controle Proporcional Integral Derivativo

(PID).

Estes três modos de controle são também

designados de ações de controle, cada uma

delas reagindo de forma distinta ao erro

presente nos sistemas.

O controle proporcional ajusta a variável

de controle de forma proporcional ao erro.

O controle integral ajusta a variável de

controle baseando-se no tempo em que o

erro acontece.

O controle derivativo ajusta a variável

de controle tendo como base a taxa de variação

do erro. A combinação destes tipos

de controle forma o controlador conhecido

na indústria como PID.

Quando o processo se desvia do setpoint,

a variável de controle executa um movimento

brusco de On para Off, provocando uma

oscilação.

Para evitar este tipo de movimento foi

desenvolvido um controlador proporcional ao

desvio entre o setpoint e o valor do processo.

Observe o gráfico na figura 6.

F8. Tipos de controle.

F9. Controle de temperatura em malha fechada.

F10. Controle em malha fechada.

O que é o controle

de temperatura?

Consiste em alterar a temperatura ambiente

para a temperatura desejada através do:

aquecimento ou arrefecimento. Acompanhe

na figura 7. Mantendo, assim, a temperatura

nos valores desejados.

A seguir, apresentamos alguns tipos de

controle na figura 8: de Malha Aberta e de

Malha Fechada.

No primeiro deles, o ajuste da variável

manipulada é feito sem consideração do valor

do processo. Já, no segundo modelo sim,

conforme esclarece o diagrama de blocos

dessa figura.

2011 :: Mecatrônica Atual

automação

Controle de Temperatura

- Malha Fechada

A temperatura é medida através de um

sensor para obter o valor do processo (PV).

O utilizador especifica qual a temperatura

pretendida (SV), ou o Setpoint (SP).

O controlador compara o SV com o PV

e ajusta a saída através de um relé, contator

ou SSR, atuando no processo (figura 9).

Controle em Malha Fechada

Observe a figura 10. Nesse diagrama

básico temos o elo de realimentação da

temperatura real (PV) para a entrada do controlador

através de uma sonda (sensor).

37


automação

F11. Processo a controlar.

F12. Controle do sistema.

Aplicações para o Controle

de Temperatura

Indústria Vidreira;

Indústria de Plásticos;

Padarias;

Estufas Agrícolas;

Indústria Química;

Indústria Cerâmica;

Etiquetagem;

Indústria Automobilística;

Indústria do Papel;

Indústria Alimentar;

Indústria de Bebidas;

Refrigeração.

38 Mecatrônica Atual :: 2011

Controle PID – Descrição

Objetivo: Pretende-se aquecer e controlar

a temperatura em 90 ºC, utilizando o controle

PID do sistema descrito na figura 11.

Para tal pretende-se utilizar o controlador

de temperatura E5CN da OMRON.

Veja a solução esquemática na figura 12,

onde aparecem com destaque o sensor de

temperatura e a saída do controle através

dos contatos NC e NO de um relé.

MA


2011 :: Mecatrônica Atual

automação

39


automação

Modulação PWM

nos Inversores

de Frequência

Este artigo abrange uma descrição da modulação PWM aplicada

ao inversor de frequência, buscando analisar os efeitos

desta técnica sobre a rede elétrica de alimentação do motor. A

abordagem em questão é realizada de maneira simplificada,

visando um entendimento básico sobre o assunto.

O

saiba mais

O que é PWM?

Revista Mecatrônica Fácil 45

CORTIZO, Porfírio C. Fontes de

Alimentação CC-CA. Grupo de

Eletrônica de Potência da UFMG.

Disponível em: http://www.cpdee.

ufmg.br/~porfirio /Fontes CC

CA/ comando igbt.ppt Acesso em

30/04/11

FITZGERALD, A. E.; KINGSLEY

JR, Charles; UMANS, Stephen D.

Máquinas Elétricas com Introdução à

Eletrônica de Potência. 6ª Ed. Porto

Alegre: Bookman, 2006.

POMILIO, José A. Conversores CC-

CA: Inversores Operando em Frequência

Constante. EE833 – Eletrônica de

Potência, Módulo 6, FEEC – UNI-

CAMP. Disponível em: http://www.

dsce.feec.unicamp. br/~antenor/

pdffiles/ee833/Módulo 6.pdf.

Acesso em 30/04/2011.

40 Continua Mecatrônica no fim do artigo... Atual :: 2011

s inversores de frequência constituem-se

como grandes aliados no acionamento de

máquinas elétricas. A evolução tecnológica

deste equipamento contribuiu significativamente

para torná-lo preferível em diversas

aplicações. Uma técnica muito utilizada na

estrutura de funcionamento de um inversor

para a regulagem da frequência de operação é

a modulação tipo PWM, simples e eficiente

para esta necessidade.

Inversor de frequência

É um equipamento destinado a realizar

a conversão de uma rede de corrente contínua

(CC) para uma rede de corrente alternada

(CA), com possibilidade de variação da

frequência do sinal. Esta variação é muito

utilizada para controlar a velocidade de

motores CA, principalmente os motores de

indução (MITs).

O esquema básico de um inversor trifásico

está representado na figura 1. Observa-se a

composição de três estágios de potência:

• O estágio conversor CA-CC, formado

pela ponte retificadora a diodos;

Paulo Antonio dos Santos

e Denis F. Ramos

da Universidade de Taubaté - UNITAU

Francisco José Grandinetti

e Marcio Abud Marcelino

da Universidade de Taubaté - UNITAU

Univ. Estadual Paulista - UNESP/FEG

• O link CC, formado por capacitores

para manter a tensão CC polarizada,

relativamente constante e sem

flutuações;

• O estágio conversor CC-CA, formado

por uma ponte de dispositivos de chaveamento

(representados por chaves

ideais na figura 1), para reproduzir

o sinal CA.

O conversor CC-CA é operado por um

módulo de controle, que determinará a abertura

e o fechamento das chaves para reproduzir

o sinal CA. Neste momento, também é

possível variar a frequência do sinal de saída

para regular a velocidade do MIT.

Na prática, as chaves ideais são substituídas

por semicondutores de potência que exercem

a mesma função de chaveamento, tais como

tiristores, e transistores MOSFET ou BJT. O

dispositivo mais utilizado para o chaveamennto

é o transistor bipolar de porta isolada,

ou IGBT (do inglês Insulated-Gate Bipolar

Transistor), que combina as características

do BJT e do MOSFET. Os semicondutores

comuns estão ilustrados na figura 2.


F1. Esquema básico de um inversor de frequência trifásico.

Os diodos conectados em paralelo com

os dispositivos de chaveamento funcionam

como proteção contra a circulação de

correntes reversas no momento em que o

dispositivo está no estado desligado, direcionando

a passagem das correntes através

dos diodos.

O módulo de controle enviará sinais na

forma de trem de pulsos para comando do

chaveamento dos transistores. Levando-se

em conta que o MIT opera por uma corrente

CA senoidal, a combinação de chaveamento

adequada levará a reprodução desta corrente.

Uma técnica muito utilizada para a geração

dos pulsos de controle é a modulação por

largura de pulso, ou PWM (do inglês Pulse

Width Modulation), descrita a seguir.

Modulação Tipo PWM

A modulação do tipo PWM consiste

na geração de um trem de pulsos de onda

quadrada, porém com largura do pulso

variada. Este tipo de modulação pode ser

obtido através da comparação de um sinal

senoidal e um sinal triangular.

A figura 3 mostra o processo de obtenção

do PWM, utilizando um amplificador

operacional para a comparação dos sinais

comentados. Pode-se notar que a diferença

entre os sinais senoidal e triangular produzirá

valores positivos e negativos ao longo do

tempo. Pela característica de funcionamento

do amplificador operacional, uma diferença

positiva irá levá-lo à saturação no seu limite

de tensão positivo, enquanto que uma diferença

negativa levará à saturação no seu

limite negativo. As diferenças têm duração

limitada pelas intersecções das formas de

onda. Portanto, tem-se como resultado um

F3. Modulação PWM.

trem de pulsos de amplitudes limitadas pela

saturação do amplificador e largura limitada

pela duração das diferenças, formando o

sinal modulado PWM.

Dos conceitos de telecomunicações podese

definir o chamado Índice de Modulação

(M), dado pela razão entre a amplitude

A M do sinal modulante (neste caso, o sinal

senoidal), e a amplitude A P da portadora

(sinal triangular em questão), definido

pela equação 1:

(1) M = A M

A P

O índice de modulação deverá estar

na faixa entre 0 e 1, ou 0 e 100%. Valores

superiores a 1 provocam a perda de amostragem

do sinal, ou seja, a onda triangular

não envolverá toda a região da amplitude

da senoide, gerando um sinal PWM deficiente.

2011 :: Mecatrônica Atual

automação

F2. Semicondutores utilizados em inversores

F4. Sinal PWM com fp=9fM.

Uma condição para a modulação é que a

frequência da portadora f P seja maior que a

da modulante f M . No caso da figura 3, temse

que a portadora tem frequência três vezes

maior que a modulante. Pode-se melhorar a

taxa de amostragem do sinal senoidal aumentando

ainda mais a frequência da portadora,

obtendo uma modulação mais eficiente. A

figura 4 apresenta um sinal PWM em que

a frequência da portadora é de nove vezes

a frequência da modulante. Observa-se a

melhora na taxa de amostragem.

41


automação

F5. Representação de uma fase de um

estágio conversor CC-CA com BJTs.

Controle PWM do Inversor

Cada dispositivo de chaveamento no

conversor CC-CA do inversor receberá

um trem de pulsos PWM, seja na forma de

tensão ou corrente, dependendo do tipo de

dispositivo de chaveamento. Para o IGBT,

por exemplo, necessita-se de uma tensão

aplicada ao terminal de porta (gate) para

que haja o chaveamento.

Como exemplo, será mostrado o controle

PWM em um ramo do estágio conversor

CC-CA, ou seja, em uma fase da alimentação

do motor. Será utilizado como elemento de

chaveamento o transistor BJT (do inglês Bipolar

Junction Transistor). A montagem deste

circuito está mostrada na figura 5, com os

transistores representados por Q 1 e Q 4 .

De acordo com o funcionamento do BJT,

na ausência de pulsos, o transistor se comporta

como uma chave aberta. A injeção de uma

corrente no terminal de base (B), com tensão

tipicamente superior a 0,7 volts, faz com que o

dispositivo conduza uma corrente do terminal

coletor (C) ao emissor (E). Com uma corrente

de base elevada ocorre a saturação do BJT,

fazendo a tensão entre os terminais coletor

e emissor chegar a valores próximos a zero,

e, neste caso, o dispositivo funciona como

uma chave fechada. A resistência R presente

na base serve para controlar a intensidade

da corrente injetada.

A aplicação do sinal PWM sobre o

transistor fará com que ele opere abrindo

e fechando alternadamente, com tempo de

operação limitado pela largura de cada pulso.

Como os dois transistores estão ligados em

série, a condição fundamental para operação

é manter Q 1 aberto enquanto Q 4 estiver

fechado, e vice-versa. Se os dois transistores

estiverem fechados ao mesmo tempo, haverá

uma ligação direta entre as tensões +V CC e

42 Mecatrônica Atual :: 2011

F6. Funcionamento de uma fase do conversor. Observa-se que os pulsos de Q4 são invertidos

em relação a Q1 para evitar a condução simultânea dos transistores.

–V CC do link CC, provocando uma corrente

de sobrecarga no circuito e danificando os

dispositivos.

A figura 6 ilustra o funcionamento de

um ramo conversor, mediante a injeção de

sinal modulado nos transistores Q 1 e Q 4 .

Aplica-se o trem de pulsos modulado em

Q 1 e o mesmo sinal comentado é invertido e

aplicado a Q 4 , de modo a manter a condição

de funcionamento alternado dos transistores.

Nota-se que, quando Q 1 é excitado pelo

nível positivo do pulso, comporta-se como

chave fechada e deixa a saída do ramo igual

à +V CC , enquanto Q 4 permanece aberto.

Analogamente, quando excitado positivamente,

Q 4 entra no estado fechado, gerando

–V CC na saída, com Q 1 aberto. Vale observar

que a forma de onda da tensão de saída é

modulada, com níveis positivos devido a

Q 1 e níveis negativos devido aQ 4 .

Para os demais ramos do estágio conversor

CC-CA, valem as mesmas características

de funcionamento, sendo o detalhe de que

devem estar defasadas de um ângulo de

120º, por se tratar de um sistema trifásico.

A saída em cada ramo do sistema corresponde

à tensão de fase. A tensão de linha

da saída corresponde à diferença entre duas

das tensões de fase, exibida pela figura 7.

Observa-se que a forma de onda obtida

fica caracterizada por cada semiciclo da

senoide, ou seja, para o semiciclo positivo os

valores alternam entre 0 e +V CC , enquanto

que para o semiciclo negativo há alternância

entre 0 e –V CC .

Efeito Sobre o MIT

Nesta parte, será analisado o comportamento

da corrente elétrica devida à tensão

modulada sobre uma fase da alimentação

do MIT, considerando-se uma ligação tipo

estrela para os terminais do motor. Este

estudo será auxiliado por computador,

através de simulação do circuito no antigo

software EWB, versão 4.1.

Basicamente, um MIT, ou motor de

indução trifásico, é composto por uma parte

fixa em forma de anel, o estator, que recebe

a alimentação da rede elétrica, e por outra

parte móvel em formato cilíndrico, o rotor,

posicionado interno ao anel do estator.

Quando o estator é alimentado, um campo

magnético girante é gerado e, da mesma forma

que um ímã atrai um material metálico,

o campo girante do estator atrai o rotor,

fazendo-o girar no mesmo sentido.

O modelo elétrico por fase do MIT é

representado por uma impedância estatórica,

com uma resistência R 1 e uma indutância L 1 ,

uma impedância rotórica, com uma resistência

R 2 e uma indutância L 2 , e um ramo magnetizante,

expresso por uma indutância L m . A

figura 8-a destaca este modelo, observando

que R 2 é dividido pela grandeza s, chamada

escorregamento, que expressa o percentual da

diferença entre as velocidades angulares do

estator e rotor. Se for desprezada Lm, pode-se

representar o motor como uma resistência

total R T em série com uma indutância total

L T , ou seja, um circuito R-L série, conforme

a figura 8-b.

Baseado nesta situação, é possível obter a

curva da corrente no motor devida à tensão

modulada, por fase. A figura 9 mostra as

formas de onda de corrente para três tipos de

modulação em tensão. Para todos os casos,

a tensão de pico modulada vale 200 V e o

índice de modulação utilizado no controle

foi M=0,85. A resistência total tem valor

de 10 Ω a indutância 5 mH, valores típicos

de um motor de 7,5 HP. Em 9-a, tem-se

a curva de corrente gerada por uma tensão


F7. Representação da tensão modulada Vab.

As tensões de fase Va e Vb estão defasadas

de 120º, com a tensão Vab = Va-Vb.

modulada com frequência 60 Hz senoidal

e 540 Hz triangular, ou f P =9f M . Para 9-b,

foi aumentada a frequência da portadora

para 1,62 kHz, ou f P =27f M , e para 9-c a

portadora passa a ter 14,6 kHz, ou f P =81f M .

Em todos os casos a corrente teve valor de

pico aproximado de 14,5 A.

Pelas curvas representadas na figura

9, para cada pulso alternado, a corrente é

carregada e descarregada no circuito. Devido

à variação na largura de cada pulso, ora a corrente

carrega mais e ora carrega menos.

O resultado é uma forma de onda com

aparência senoidal, devido à modulação ter

sido feita sobre uma senoide. É notável o fato

de que, quanto mais for elevada a frequência

da portadora, mais a curva de corrente se

aproxima de uma senoide perfeita, porém a

frequência máxima está limitada à capacidade

do dispositivo de chaveamento. Por exemplo,

o limite de frequência para um IGBT está

em torno de 20 kHz. Vale observar, ainda,

que quanto maior a frequência da portadora,

menor será a largura dos pulsos.

Verifica-se, também, que a frequência

da corrente de saída é equivalente à frequência

da modulante, ou seja, igual à do

sinal senoidal. Este fato é comprovado ao

medir-se o tempo de um ciclo completo da

onda de corrente, neste caso em questão o

valor encontrado foi de 16,3 ms, equivalente

a uma frequência de 60 Hz.

Conclusões

A partir do estudo realizado, pode-se

observar que se torna relativamente simples

variar a frequência de alimentação da rede do

motor CA utilizando a técnica de modulação

tipo PWM, variando a frequência do sinal

da modulante.Uma vez ajustada adequadamente

a frequência da portadora, produz-se

F8. Representações de um MIT. Em (a), o modelo típico; em (b), uma

aproximação a um circuito R-L série.

F9. Sinais de corrente de fase gerados no motor pela aplicação da tensão modulada.

(a) fp=9fM. (b) fp = 27fM. (c) fp = 81fM.

um sinal de corrente quase senoidal, porém

deve ser observado o limite da frequência de

chaveamento do dispositivo semicondutor.

Outro inconveniente é o fato de que, tanto

o sinal de tensão modulada como o sinal de

corrente de saída não serem perfeitamente

senoidais, implicando no aparecimento de

harmônicas na rede. Há opções de adquirir

o inversor de frequência com filtro de

harmônicas instalado, para evitar que este

ruído cause mau funcionamento nos demais

equipamentos da mesma rede que alimenta

o inversor. Não há dúvida sobre a enorme

praticidade que os inversores de frequência

trouxeram ao mercado de acionamento de

máquinas CA, consagrando-se como opção

barata e conveniente. MA

...Continuação do Saiba Mais:

2011 :: Mecatrônica Atual

automação

RASHID, Muhammad H. Eletrônica de

Potência: Circuitos, Dispositivos e Aplicações.

São Paulo: Makron Books, 1999.

WEG. Guia de Aplicação de Inversores

de Frequência. 2ª Ed. Disponível em

http://www.mundo eletrico.com/

downloads/Guia_de _Aplicacao_

de_Inversores_de_Frequencia.pdf.

Acesso em 17/01/2011.

43


ferramentas

Identificação de Sistemas

na Otimização do

Controle de Nível

em Regime

Não Linear

Para otimizar o controle de nível em regime não linear podem-se

empregar técnicas, baseadas na teoria de identificação de sistemas,

para buscar o modelo ótimo do regime de funcionamento.

Em um sistema de tanques com transdutores de nível e caudal, e

com válvulas e bombas monitorizáveis e controláveis remotamente,

implementaram-se algoritmos que permitiram obter, com alguns

minutos de gravação, os modelos matemáticos de cada regime

de operação. A otimização de controladores foi também feita e é

perfeitamente implementável em ambientes industriais

E

saiba mais

Aguirre, LA, Introdução à Identificação

de Sistemas: Técnicas

Lineares e Não-Lineares Aplicadas

a Sistemas Reais (2ª Edição),

UFMG.

Ljung, L, System Identification

- Theory for the User (2 nd edition),

PTR Prentice Hall, Upper Saddle

River, EUA.

Continua no fim do artigo...

44 Mecatrônica Atual :: 2011

m aplicações industriais o controle de nível

de reservatórios é frequentemente acumulado

com o controle de outras variáveis de

interesse, como a temperatura ou o caudal.

Os sistemas de controle com melhor desempenho

estão dotados de capacidade para

interpretar e prever os efeitos cruzados entre

variáveis. Esta tarefa complica-se especialmente

em casos onde existem não linearidades

importantes no processo, devendo-se

para tal conseguir adaptar o controlador à

nova situação. Consequentemente, uma

abordagem baseada em controle preditivo,

em vez de puramente reativo, trará ganhos

significativos no controle de um sistema

não linear em que não se podem garantir

condições de funcionamento.

Eduardo Pinheiro

Octavian Postolache

Pedro Girão

Cesar da Costa

Sistemas não lineares ou de modelação

complexa, ou mesmo impossível, são frequentemente

sujeitos a técnicas de identificação

(Aguirre). Encontram-se exemplos de aplicação

de algoritmos a sistemas variados desde

aviões (Narendra), a reatores (Gregorcic),

até medidores de pressão arterial (Pinheiro).

Para otimizar o controle de nível em regime

não linear sem sobrecarregar os sistemas

de controle, podem-se empregar técnicas

baseadas na teoria de identificação de sistemas,

para buscar o modelo que melhor

representa o regime de funcionamento do

processo (Nelles).

Partindo de um sistema de tanques com

transdutores de nível e caudal, e com válvulas e

bombas monitorizáveis e controláveis remota-


Nome

Box-Jenkins

Diagrama

polos e zeros podem ser totalmente distintos dos de G(z).

ARMAX

A sigla ARMAX resume os conceitos mais importantes deste modelo,

auto regression (pois os polos discretos tornam a saída presente

dependente das saídas em instantes anteriores), moving average

(se não existirem zeros temos um filtro de média móvel), extra input

(entradas u(k) e e(k))

B(z) e C(z) são polinomios, o que faz com que o ruído e a entrada

estejam sujeitos à mesma dinâmica, portanto, este modelo é um caso

particular do de Box-Jenkins em que o ruído e a variável controlada

têm os mesmos pólos.

ARX

O ARX é uma simplificação do ARMAX considerando que o efeito do

polinomio associado ao ruído não é importante, ou seja, temos ruído

aleatório aplicado directamente à dinâmica do sistema.

OE

OE significa output error, sendo o significado deste nome bastante perceptível,

visto este modelo, ainda mais simples que o ARX, considerar

que o ruído aleatório está aplicado diretamente à saída do sistema.

T1. Estrutura e características dos modelos mais estudados na identificação do sistema de tanques.

mente, procedeu-se à identificação do modelo

que melhor representa o processo por injeção

de ruído branco. Em seguida percorreu-se um

largo espectro de regimes de funcionamento,

bem como de perturbações, para estimular

as várias não linearidades existentes, aplicando-se,

para todos estes casos também,

métodos de identificação dinâmica de sistemas.

Para a aplicação das técnicas de identificação

de sistemas foi desenvolvido software

próprio, comunicando em tempo real com

os equipamentos por meio de uma placa

(NI USB-6008, com 8 entradas analógicas

de escala de tensão programável e 2 saídas

analógicas em tensão) ligada a um computador

por USB. As entradas e saídas foram

conectadas a hardware de condicionamento

de sinal, permitindo a implementação dos

algoritmos conhecidos. Um período de dez

minutos de gravação foi suficiente para se

obterem os modelos matemáticos CRA e

temporais de estrutura OE, ARX, ARMAX,

BJ, de diferentes parâmetros, correspondentes

a todos os regimes de operação, pelo que a

optimização de controladores industriais por

este método pode igualmente ser conseguida

em pouco tempo.

Nas seguintes seções deste artigo mostraremos

o sistema, discutindo as técnicas

implementadas, os resultados obtidos, as

principais conclusões e a forma de traduzir

em benefício para a indústria a aplicação da

abordagem proposta.

Descrição

É o modelo mais genérico possível, onde se consideram funções de

transferência independentes para o ruído, e(k), e a entrada, u(k).

Estas funções de transferência, são da forma:

num processo com atraso k unidades temporais.

Identificação de Sistemas

A identificação de um sistema real pode

ser um processo interativo, onde se parte de

alguns pressupostos para determinar um

modelo do sistema, que pode ou não cumprir

com os critérios de validação, devendo-se

então modificar os parâmetros ou a estrutura

do modelo, ou mesmo voltar à fase de testes

para obter novos dados experimentais, que

permitam recuperar eventuais falhas.

É fundamental para a correta identificação

do sistema obter um conjunto de

dados válido, portanto com uma frequência

de amostragem que respeite o teorema de

Nyquist e com um número de amostras

suficientemente elevado para ser representativo

da resposta global do sistema. Com

estes pontos cumpridos, será determinante a

obtenção de um modelo com uma estrutura

razoável, em termos de número de polos e

zeros, face à modelação previamente feita,

e que verifique os critérios de validação da

estimativa.

Aquisição dos dados e préprocessamento

Os dados obtidos devem ter o máximo

poder de descrição do processo, para tal é

usual colocar-se na entrada ruído branco,

para excitar todas as frequências do sistema.

O procedimento mais comum consiste

em forçar a entrada a assumir um de dois

valores, consoante o valor do ruído branco

2011 :: Mecatrônica Atual

ferramentas

ultrapasse ou não um dado limite. Convém

fazer uma limitação do ritmo de transição

do sinal de entrada, de forma a adequá-lo

às características do processo, e garantir que

a saída será representativa.

Havendo uma estimativa para a frequência

máxima do processo, pode-se sobredimensionar

uma frequência de amostragem

para garantir o cumprimento do critério de

Nyquist. É possível que a normal frequência

de operação do sistema DCS permita uma

identificação correta.

O pré-processamento dos dados refere-se

a um conjunto de operações que podem ser

executadas sobre os dados adquiridos, de

forma a melhorar os resultados obtidos com

a aplicação dos algoritmos para extração do

modelo do sistema. Estas operações incluem

a remoção da média do sinal, filtragem de

componentes ruidosas do espectro, entre

outras.

Obtenção do modelo

Consoante se tenha um modelo feito à

medida ou um modelo genérico, teremos

maior ou menor conhecimento a priori

da relação entrada-saída do sistema. Utilizando

as leis da física, podemos obter

uma primeira aproximação da resposta

do sistema, que nos permitirá conhecer

aproximadamente quais as frequências

próprias do sistema, qual o tempo de

ensaio necessário e quais os parâmetros

mais influentes na resposta.

Genericamente os problemas de identificação

podem ser categorizados como

paramétricos ou não paramétricos (Lyung).

Nos casos em que se está a lidar com

problemas não paramétricos, existem diversos

métodos para adquirir um modelo

do sistema ou de algumas das suas curvas

características, desde os mais simples

como a análise transitória ou a análise em

frequência, até aos mais elaborados como

a análise de correlação (CRA) ou a análise

espectral (SPA).

Nos problemas paramétricos também

existem diversos métodos para extrair um

modelo do sistema. Apresentam-se sucintamente

na tabela 1 os modelos mais usados

durante a experiência, notando-se que o

ARMAX, ARX e OE podem ser vistos

como particularizações do de Box-Jenkins

para casos específicos. Possuindo algoritmos

de cálculo diferentes e substancialmente

mais rápidos.

45


ferramentas

F1. Diagrama do sistema de tanques F2. Fotografia do sistema de tanques ensaiado.

Validação do modelo

Após a obtenção do modelo, segue-se

o processo de validação, através do qual se

procuram descobrir eventuais lacunas ou

limitações, averiguar se há potencial para

eventuais melhorias, ou se existem erros

mais graves, ao nível da desadequação dos

dados obtidos, que obrigam a um maior

retrocesso no plano de projeto. É nesta fase

de comparação que se vão quantificar os

erros de estimação, por exemplo através da

análise de resíduos.

É prática banal a obtenção do modelo

utilizando apenas uma porção dos dados

obtidos, para que a fração restante permita

comparar a resposta do modelo e a do sistema

real, averiguando se estamos próximos da

solução ótima. Esta otimalidade da solução

pode ser definida como a que minimiza o

erro quadrático médio, ou ainda acrescida

de uma penalização em função da sua

dimensão. Estas soluções dizem-se regularizadas,

e uma forma típica é a adição de

um regularizador de Tikhonov, que permite

optar entre a quantidade de erro e o custo,

por exemplo combustível ou comburente,

que a solução acarreta.

Sistema de Tanques

No sistema de tanques mostrado nas

duas figuras seguintes (1 e 2), pretendese

identificar a influência da válvula V7 (a

válvula de controle de caudal entre tanques,

Asco 203) no nível do tanque 2, supondo

que se tenha um abastecimento, medido por

46 Mecatrônica Atual :: 2011

um transmissor Brukert 8032, do tanque 1

de tal forma que o nível deste se pode supor

constante. Contudo, as outras válvulas de

controle, Burkert 6213, vão também atuar

dinamicamente sobre o sistema, e serão

responsáveis pela criação de outros regimes

de funcionamento.

Acresce que a ação da bomba é uma fonte

acrescida de não linearidades, devido ao fato

de o tanque 1 ser fechado, pelo que a sua

pressão interna, registrada por transmissor

Asco 8908, será bastante volátil. Portanto,

o tanque 1 não se poderá considerar um

referencial de estabilidade e as intricadas

relações entre os dois tanques vão ser fonte

de não linearidades fortes.

Modelação do sistema

Neste caso, é possível fazer a modelação,

contudo, empregam-se algumas simplificações

das leis que regem o comportamento

dos fluidos, terá de se supor a idealidade

dos elementos, e ainda assim, haverá que

acertar numerosas constantes (da bomba,

das válvulas, dos tanques, dos fluidos), pelo

que será menos frutífero este trabalho do

que a identificação.

Considerando que o tanque tem capacidade

C e que a resistência que as válvulas

apresentam se reflete diretamente nos caudais,

devido ao efeito integrador de caudal por

parte do tanque, obtém-se uma função de

transferência de primeira ordem:

onde u(k) é o caudal de entrada, q(k) o de

saída, e y(k) a altura da coluna de líquido no

tanque. Aplicando a equação de Bernoulli à

superfície do tanque e à saída tem-se:

logo,

Isto indica que, mesmo para o caso ideal

em que o tanque 1 é assumido de nível

constante, se obtém uma equação diferencial

não linear, que mesmo assim não entra em

conta com várias não idealidades do sistema.

A solução desta equação, e do sistema que se

obtém quando se junta a não estacionaridade

do tanque 1, é pouco prática, e totalmente

impossível de ser extensível com facilidade

aos processos industriais.

De fato, o processo onde se encontra o

sistema de tanques é bastante mais complexo,

como se ilustra na seguinte figura 2, sendo

a sua modelação completa um processo

extremamente trabalhoso e complexo,

em nada comparável ao procedimento de

identificar o sistema.

Procedimento experimental

Os dados podem ser adquiridos durante

o normal funcionamento do processo, ou,

adicionando perturbações em forma de

ruído branco e registrando a saída. Se estiver

estabelecido um protocolo de comunicações


F3. Programa de Simulink para proceder à identificação do sistema parando o processo.

com os aparelhos, será bastante simples

programar os passos necessários para gravar

os dados.

Acrescente-se que os dados podem ser

guardados para análise e processamento offline,

ou pode-se calcular os modelos durante

a aquisição, enquanto a dimensão dos dados

não introduza demoras na computação que

interfiram na cadeia de comando.

Dois softwares foram empregados para

gerar o ruído necessário, sendo igualmente

fácil e viável em ambos. Na figura 3

exemplifica-se com o código composto

em Simulink (Mathworks) para geração e

monitorização dos sinais analógicos, ruído

para a válvula V7 e leitura do transdutor

de pressão.

Dada a grande capacidade dos tanques,

o período de amostragem aplicado foi de

3 segundos. Assim, diminui-se a quantidade

de dados a processar, o que acelera

significativamente alguns algoritmos, e a

quantidade de ruído, embora mantendo a

definição necessária. A identificação foi feita

colocando o processo em torno dos vários

pontos de funcionamento, e iniciando a

gravação em seguida.

Para cada ponto de funcionamento os

dados recolhidos constituíram uma matriz

de 184 valores, que se dividiu em dados de

teste (1 a 93) e dados de validação (94 a

184). Efectuou-se a extração da média como

operação de pré-processamento, para normalizar

os dados obtidos para vários níveis

e identificar-se apenas a dinâmica.

Resultados da Identificação

Procedeu-se primeiro à identificação do

modelo para o caso mais simples, em que o

tanque 1 apresenta um nível constante de

60% e o tanque 2 ronda os 30%, com a

bomba a velocidade constante e equilibrando

o nível do tanque 1. Em seguida, passaram-se

por outros seis regimes de funcionamento,

sujeitos a diferentes especificações de nível

dos dois tanques e de funcionamento da

bomba, para além de diferentes perturbações,

pela diferente e aleatória atuação

das válvulas de purga, criando diferentes

caudais de saída, para estimular as várias

não- linearidades existentes.

Aplicaram-se para todos estes casos

métodos de identificação dinâmica de sistemas,

obtendo-se os modelos matemáticos

correspondentes, de tipo CRA e temporais

de estrutura OE, ARX, ARMAX, BJ, de

diferentes parâmetros de ordem e atraso.

Primeiro ponto de funcionamento

Tendo-se já removido a média dos dados,

efetuou-se a extração do modelo por

correlação (CRA) para obter uma estimativa

do eventual atraso do sistema, através

da resposta transitória ao degrau unitário.

Como ilustrado na figura 4, constatou-se

que nestas condições o sistema apresenta um

atraso de duas unidades de tempo.

Sabendo que o processo apresenta um

atraso de duas unidades de tempo, aproximou-se

o comportamento com modelos de

primeira e segunda ordem com um atraso

2011 :: Mecatrônica Atual

ferramentas

F4. Resposta ao degrau unitário do modelo

por correlação.

de duas unidades de tempo, para todas

as estruturas atrás descritas, Box-Jenkins,

ARMAX, ARX e OE. A adequação dos

modelos, fit, foi estimada de acordo com a

equação (1), uma métrica habitual, onde se

mede a melhoria conseguida por estimar y(k)

com o modelo, , em vez de simplesmente

tomar a média.

Todos os modelos de primeira ordem

apresentaram graus de fit a rondar os

60%, excetuando-se o ARX com um fit

de aproximadamente 47. Os modelos de

segunda ordem (ordem das funções de

transferência que compõem o modelo)

com o mesmo atraso melhoraram muito o

grau de aproximação das curvas aos dados

47


ferramentas

experimentais de validação, tendo todos

os modelos um fit a rondar os 81%. As

estimativas dos modelos face aos dados reais

apresentam-se na figura 5.

Nessa figura verifica-se que os modelos

de segunda ordem seguem muito mais proximamente

a resposta real, de tal forma que é

quase impossível distinguir diferenças entre

eles. Nos modelos de 1ª ordem a diferença

é mais notória.

Efetuando a análise de resíduos, constata-se

também que à melhoria nos resultados

no tempo ao aumentar de 1ª para 2ª

ordem, acresce que não há overfitting. A

componente dos dados que não é explicada

por alguns modelos, nomeadamente o OE

a azul, continua a ser não correlacionado e

passa a ser independente, portanto tem-se

a melhor descrição dos dados possível. A

autocorrelação mostra que os resíduos são

não correlacionados, enquanto a correlação

cruzada mostra que são independentes,

estando-se em ambos os casos totalmente

dentro do intervalo de confiança de 99%

traçado. Veja a figura 6.

Abandonamos por isso a análise dos

modelos de 1ª ordem, notando o fato de

que nos modelos de 3ª e superiores começa

a haver overfitting aos dados, pois apesar de

se melhorar muito pouco o fit, os resíduos

deixam de ser independentes. Isto é, os

modelos de ordem superior começam a ter

polos e zeros que não descrevem a dinâmica

do sistema.

O máximo grau de fit possível foi obtido

por um OE de terceira ordem (81,8%) e

um Box-Jenkins de quinta ordem (82,6%),

ambos de atraso de duas unidades, quando

um OE de segunda ordem apresenta um

fit de 81,6%. Verifica-se portanto que o

fit máximo dos dados ronda os 82, pelo

que, um modelo OE de 2ª ordem com um

fit de 81,6 pode ser encarado como uma

solução bastante boa, visto ser um modelo

bem simples com resultados equiparados

aos mais elaborados.

Os modelos de 2ª ordem apresentam

uma resposta ao degrau unitário bastante

semelhante, bem como o fit, mas a análise

de resíduos revelou que o OE era o mais

simples que respeitava os intervalos de

confiança, pelo que foi este o escolhido

(figura 7).

Recorrendo a um pequeno abuso de

notação, o modelo ótimo identificado apresenta

a seguinte expressão de saída possuidor

48 Mecatrônica Atual :: 2011

F5. Estimativas dos modelos de 1ª e 2ª ordem (esquerda e direita respectivamente)

Ponto

2

3

4

5

6

Descrição

Bomba ao máximo,

tanque 1 80% e tanque

2 a 30% com purga

forte.

Bomba ao máximo,

tanque 1 90% e tanque

2 a 60%, com purga

pequena.

Bomba em reposição,

tanque 1 80% e tanque

2 a 60% com purga

forte

Bomba em velocidade

baixa e irregular,

tanque 1 a 60% e

tanque 2 a 30% com

purga forte

Bomba em velocidade

baixa e irregular,

tanque 1 a 80% e

tanque 2 a 60% com

purga pequena.

Modelo

BJ de 4ª ordem atraso 0

OE de 2ª ordem atraso 2

OE de 4ª ordem atraso 0

OE de 4ª ordem atraso 1

BJ de 4ª ordem atraso 0

T2. Estrutura e resumo das características dos modelos mais estudados

de margem de fase infinita e margem de

ganho de 30,4 dB.

Restantes pontos de funcionamento

Foram identificados os melhores modelos

de cada regime de funcionamento por

intermédio do mesmo procedimento descrito

em detalhe na seção anterior.

Verificou-se uma grande dispersão do

tipo e ordem dos modelos ótimos. Os regimes

de funcionamento analisados foram os que

se apresentam na seguinte tabela 2, onde

também se indica a função de transferência

do modelo identificado para Y(z)/U(z).

Para que se possa constatar a grande

diferença na resposta do sistema de tanques

a estes vários pontos de funcionamento,

mostra-se a resposta ao escalão unitário dos

modelos de quatro regimes (figura 8).

Verifica-se que mesmo em um sistema

simples, as não linearidades presentes influenciam

fortemente o comportamento do

sistema, pelo que, quando existem desvios

significativos do regime de funcionamento

será expectável que todas as variáveis se modifiquem,

pelo que é importante identificar

o modelo ótimo, para que o controlador do

processo possa ser otimizado.

Controle do Sistema

Os dados recolhidos dos modelos identificados

mostram que apenas o regime de


2011 :: Mecatrônica Atual

ferramentas

F6. Análise de resíduos dos modelos de 1ª e 2ª ordem (esquerda e direita). Os resíduos de 2ª ordem são independentes para todos os modelos,

mas apenas o OE apresenta autocorrelação sempre dentro dos limites

funcionamento 1 apresenta boas características

de estabilidade, devido a possuir um

ganho estacionário bastante baixo, de tal

forma que nem existe cruzamento com os

0 dB, sendo a margem de fase infinita e a

de ganho de 35 dB.

Contudo, este caso é uma exceção, a maior

parte dos modelos apresentam margens de

ganho bastante reduzidas, próximas dos 0

dB. Mais ainda, vários modelos requerem

que a ação de controle esteja durante algum

tempo acima dos 100%, o que é impraticável

para a válvula, pelo que idealmente se deveria

atuar também sobre outros elementos do

sistema, como a bomba ou alterar o regime

de funcionamento. Como o sistema tem

estas características, não se podem colocar

ações de controle muito fortes, para não

desestabilizar o sistema, nem criar condições

inalcançáveis da ação de controle.

A colocação de controle integral leva a que

o erro de regime estacionário seja eliminado,

contudo isto é conseguido com uma ação de

controle que envia para a válvula valores de

800%, o que não é possível, devido à saturação

do atuador em 100%. Mesmo no caso mais

favorável, o regime 1, a margem de ganho

reduz-se de 35 para 9,73 dB e a margem de

fase para 42,6º, com uma resposta muito

mais lenta (tempo de pico 24 amostras) e

com uma sobre-elevação de 27%. Reduzindo

o ganho da componente integral de 1 para

0,5 a sobre-elevação diminuir, para 5%, mas

o tempo de pico, que coincide com o tempo

F7. Resposta ao escalão dos modelos de

segunda ordem.

de estabelecimento a 5% é ainda mais lento,

42 amostras, como se ilustra na figura 9.

Com a introdução de controladores com

componentes integral, o sistema fica bastante

lento e também oscilatório, com acções de

controle irrealizáveis em permanência (da

ordem de 700%), pelo que qualquer opção

com integração não é viável. A adição de

componente derivativa é completamente

contraindicada, dada a proximidade de

vários regimes da instabilidade.

A única opção possível é fazer o controle

com controladores proporcionais apenas.

Aumentando o ganho onde a margem

de ganho é grande, como no regime 1, e

diminuindo onde a margem de ganho é

diminuta, como em todos os outros. Com

este controlador consegue-se ter um maior

F8. Resposta ao escalão de quatro modelos

ótimos.

valor final da resposta do regime 1, abdicando

de pouca margem de ganho e mantendo a

característica da resposta. Nos outros regimes,

trata-se sobretudo de atenuação para

garantir uma maior estabilidade sem que

o real valor da ação de controle seja muito

distante do alcançável.

A introdução de um controlador proporcional

de ganho 1,15 no regime 1 não

coloca o sistema em oscilação, apresenta uma

pequena melhoria de desempenho, à custa

de uma redução para 29,2 dB da margem

de ganho e com a introdução de valores da

ordem dos 110% durante alguns momentos,

visível na seguinte figura 10.

Daqui conclui-se que o controle tradicional

de um sistema fortemente não linear e com

regimes de funcionamento tão díspares está

49


ferramentas

severamente limitado. Consequentemente,

uma abordagem baseada em controle preditivo,

em vez de puramente reativo, trará

ganhos significativos no controle de um

sistema não linear em que não se podem

garantir condições de funcionamento.

Em qualquer dos regimes, a implementação

de técnicas de identificação de

sistemas, em menos de dez minutos de

dados, permite determinar um modelo

que representa fielmente o comportamento

do sistema. Portanto, em vez de controle

reativo com uma componente mínima

de inteligência e resultados medíocres no

desempenho do controlador, será bastante

melhor identificar o sistema, o que é rápido

e leve computacionalmente, para depois

implementar uma estratégia de controle

preditivo, seguindo a estrutura apresentada

na seguinte figura 11.

Conclusões

Identificou-se de um sistema de tanques

real estando presentes fortes não linearidades.

Os resultados apresentados ilustram a

dificuldade em controlar um nível num

sistema com diversas fontes de perturbação

e constrangimentos de funcionamento.

Consequentemente, o sistema empregado

emula bastante bem um sistema industrial

real, comprovando que embora o controle

seja difícil, é sempre possível identificar a

dinâmica do sistema para cada regime de

funcionamento.

Após a aquisição de dados, começou-se

por utilizar o algoritmo CRA para verificar

qual o atraso do sistema, analisando-se

depois diversos modelos capazes de o descrever,

Box-Jenkins, ARMAX, ARX e OE.

Selecionou-se o OE na maioria dos casos,

visto ser mais simples que os restantes e

apresentar um grau de aproximação da

mesma ordem de grandeza. A metodologia

subsequente a esta escolha foi analisada

em detalhe, sendo comparados diferentes

modelos segundo a análise de resíduos e

a qualidade da aproximação a dados de

validação também gravados.

Para os vários regimes estudados foram

escolhidos os modelos mais representativos.

Sendo sempre suficiente o período de gravação

de 10 minutos, para um período de

amostragem de 3 segundos. Os modelos com

representação ótima de cada regime são de tipo

e ordem diversa, o que é uma consequência

das não linearidades do sistema.

50 Mecatrônica Atual :: 2011

F9. Resposta ao escalão (azul em baixo) e

ação de controle (verde acima) com controlador

I, resposta muito lenta mesmo com

controle completamente irrealizável.

F10. Resposta ao escalão (azul em baixo) e

ação de controle (verde acima) com controlador

P de ganho 1.15, a ação de controle é

quase totalmente realizável.

F11. Estrutura de controle preditivo onde com a qual a identificação de sistemas permite

otimização do controlador.

A implementação de controladores

do processo é dependente do regime de

funcionamento, pelo que se constatou ser

difícil afinar um controlador para todos os

regimes de funcionamento, sobretudo porque

vários estão nas imediações da instabilidade.

Assim sendo, como os modelos são boas

representações do sistema, a otimização do

controlador passa pela implementação de

uma estrutura de controle preditivo, a qual

pode identificar o modelo do processo em

pouco tempo e assim garantir a melhorias

na resposta do sistema.

Cesar da Costa - cost036@attglobal.net

Instituto Federal de Educação Tecnológica de

São Paulo - IFET-SP

Rua Maria Cristina, 50 - Cubatão - São Paulo

...Continuação do Saiba Mais:

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conectividade

Março/Abril 2011 :: Mecatrônica Atual

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