proposta de sistema de controle para máquina de fio diamantado ...

UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPÍRITO SANTOCENTRO TECNOLÓGICODEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICAPROJETO DE GRADUAÇÃOPROPOSTA DE SISTEMA DE CONTROLE PARA MÁQUINADE FIO DIAMANTADO COM PLC + INVERSOR DEFREQUÊNCIALUCIENE BAZONI GOTARDOVITÓRIA – ESMAIO/2008

LUCIENE BAZONI GOTARDOPROPOSTA DE SISTEMA DE CONTROLE PARA MÁQUINADE FIO DIAMANTADO COM PLC + INVERSOR DEFREQUÊNCIAParte manuscrita do Projeto de Graduaçãoda aluna Luciene Bazoni Gotardo,apresentado ao Departamento deEngenharia Elétrica do CentroTecnológico da Universidade Federal doEspírito Santo, para obtenção do grau deEngenheira Eletricista.VITÓRIA – ESMAIO/2008

LUCIENE BAZONI GOTARDOPROPOSTA DE SISTEMA DE CONTROLE PARA MÁQUINADE FIO DIAMANTADO COM PLC + INVERSOR DEFREQUÊNCIACOMISSÃO EXAMINADORA:___________________________________Prof. D. Sc. José Denti FilhoUniversidade Federal do Espírito SantoOrientador___________________________________Prof. D. Sc. Jussara Farias FardinUniversidade Federal do Espírito SantoExaminador___________________________________Prof. D. Sc. Alessandro MattediUniversidade Federal do Espírito SantoExaminadorVitória - ES, , Maio, 2008

DEDICATÓRIADedico este trabalho aos meus pais: Maria Luiza e Geraldo Gotardo.i

LISTA DE FIGURASFigura 1 – Mármores...................................................................................................... 8Figura 2 – Granitos......................................................................................................... 8Figura 3 – Máquina de Fio Diamantado......................................................................... 9Figura 4 - Simulação de Corte com Máquina de Fio Diamantado................................. 9Figura 5 – Fios Diamantados........................................................................................ 10Figura 6 – Montagem da Máquina de Fio Diamantado................................................ 11Figura 7 – Modelos de Inversores de Freqüência (WEG)............................................ 13Figura 8 – Gráfico Tensão x Freqüência...................................................................... 16Figura 9 – Gráfico Torque x Freqüência...................................................................... 17Figura 10 – Gráfico Potência x Freqüência.................................................................. 17Figura 11 – Obtenção da Tensão e Freqüência desejadas por meio de Inversores...... 18Figura 12 – Inversores de Freqüência CFW09 da WEG.............................................. 19Figura 13 - Inversores de Freqüência CFW08Plus da WEG........................................ 22Figura 14 – Polia e Fio Diamantado............................................................................. 24Figura 15 – Possibilidade de Malha de Automação da Máquina de Fio Diamantado. 26Figura 16 – Diagrama de Blocos.................................................................................. 31Figura 17 – Limites de Referência de Freqüência........................................................ 31Figura 18 – PID Acadêmico......................................................................................... 36Figura 19 - Nova possibilidade de Malha de Automação da Máquina de FioDiamantado..... 39ii

LISTA DE TABELATabela 1 – Relação entre as possíveis grandezas monitoradas.....................................12Tabela 2 - Análise da Variação de Velocidade............................................................ 15Tabela 3 – Principais recursos internos do Inversor CFW09....................................... 20Tabela 4 – Características técnicas do Inversor CFW09.............................................. 21Tabela 5 - Cartões de Expansão de Funções................................................................ 21Tabela 6 – Características técnicas do Inversor CFW08Plus....................................... 23Tabela 7 – Principais recursos internos do Inversor CFW08Plus................................ 23Tabela 8 – Entradas e Saídas Analógicas dos Inversores............................................. 26Tabela 9 - Análise do SPVavan.................................................................................... 27Tabela 10 – Entradas e Saídas Analógicas dos Inversores CFW08Plus e CFW09...... 30Tabela 11 – Relação dos Parâmetros P221 e P222....................................................... 30Tabela 12 - Análise da Proposta com PLC................................................................... 39iii

SUMÁRIODEDICATÓRIA ........................................................................................................... ILISTA DE FIGURAS ................................................................................................ IILISTA DE TABELA ................................................................................................ IIISUMÁRIO ................................................................................................................. IVRESUMO ................................................................................................................... VI1 MÁQUINAS DE FIO DIAMANTADO .......................................................... 71.1 O Corte de Rochas no Campo ............................................................................. 71.1.1 Mármore e Granito .................................................................................... 81.2 A Máquina de Fio Diamantado Básica ............................................................... 91.2.1 O Fio Diamantado ................................................................................... 101.3 Configuração Eletromecânica da Máquina de Fio Diamantado ....................... 101.4 Variáveis Envolvidas ........................................................................................ 112 INVERSORES DE FREQÜÊNCIA ............................................................. 132.1 Acionamentos do Motor de Indução ................................................................. 132.2 Inversores de Freqüência .................................................................................. 142.3 Inversor WEG CFW09 ..................................................................................... 192.3.1 Recursos Internos .................................................................................... 192.3.2 Ligação Elétrica ....................................................................................... 202.3.3 Recursos Acessórios ................................................................................ 212.4 Inversor WEG CFW08PLUS ............................................................................ 222.4.1 Ligação Elétrica ....................................................................................... 222.4.2 Recursos Internos .................................................................................... 233 CONTROLE AUTOMÁTICO DA MÁQUINA DE FIO DIAMANTADO243.1 Malha de Controle Automático Básica ............................................................. 263.2 Outras Malhas Propostas ................................................................................... 273.2.1 Controle do Avanço da Máquina pela Corrente de Torque do Motor .... 283.2.2 Controle do Avanço da Máquina pelo Torque do Motor ........................ 283.2.3 Análise da Máquina de Fio Diamantado ................................................. 293.2.3.1 Equipamento Disponível ............................................................ 29iv

3.2.3.2 Grandezas Importantes ............................................................... 293.2.3.3 Observações sobre os Inversores CFW08Plus e CFW09 .......... 303.2.3.4 Seleção da Referência de Velocidade: Pelas EntradasAnalógicas .............................................................................................. 303.2.3.5 Parametrização ........................................................................... 313.2.3.6 Entradas Analógicas ................................................................... 323.2.3.7 Controle PID – Variável de Processo ......................................... 323.2.3.8 Roteiro para Aplicação de Controlador PID .............................. 343.2.3.9 Parâmetros de Ajuste do PID ..................................................... 343.2.3.10 Bloco Diagrama da Função Regulador PID Acadêmico ......... 353.3 Proposta de Malha com o Acessório Placa PLC ............................................... 373.4 Comentários ...................................................................................................... 40REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ..................................................................... 41v

RESUMOO trabalho tem por objetivo apresentar uma Proposta de controle de umamáquina de Fio Diamantado para corte de Pedras (Mármores e Granitos) utilizandoInversores de Freqüência para comando dos motores do sistema do Fio Diamantado edo avanço da Máquina. O sistema deverá controlar o avanço da máquina, quedetermina a velocidade de corte (em m²/h) e o Tensionamento e a Velocidade do FioDiamantado. Esses fatores são determinantes no desempenho do corte e na vida útil doFio Diamantado. O Fio Diamantado passa pelo interior da pedra, previamentecolocado com a confecção de furos convenientemente dispostos, e apoiado em poliasauxiliares também dispostas convenientemente dependendo da geografia da situaçãode corte. É acionado a uma dada velocidade, sob determinada tensão, por uma poliamotora da máquina de corte (Polia do Fio) e pela máquina desloca-se horizontalmentecom uma velocidade de avanço, com definições de grandezas por conhecimentos semiempíricos,dados, de acordo com o tipo de rocha sob corte. O acionamento dosmotores da Polia do Fio e das rodas tratoras do sistema de Avanço é feito porInversores de Freqüência. Os movimentos devem ser coordenados sendo verificada atensão no fio diamantado para que se tenha bom desempenho do corte e previna-se orompimento do fio. Será apresentado nesse trabalho uma opção digital de painel deentrada de dados e esquema de controle do processo baseado em Inversores defreqüência procurando-se explorar as opções de fechamento de malhas de controlecom os próprios inversores - com a opção Variável de Processo, normalmente possívelnesse tipo de equipamento.vi

71 MÁQUINAS DE FIO DIAMANTADO1.1 O Corte de Rochas no CampoO Espírito Santo tem pelo menos 500 jazidas de rochas ornamentais comomármore, granito e quartzito em operação. Algumas dessas pedreiras, no Norte e noSul do Estado, são calculadas em milhões de dólares. A importância econômica dessesetor vem se tornando cada vez mais expressiva. Nesse setor, a tecnologia de corte derochas baseada em fio diamantado está sendo amplamente utilizada na lavra, nobeneficiamento e na produção de peças para consumidores finais.O estado do Espírito Santo com suas principais jazidas de mármorelocalizadas na região sul, e de granito na região norte, destaca-se no panoramanacional, como principal produtor de mármore e similares e segundo produtor degranitos e similares.O setor de rochas ornamentais no estado (mármore e granito) é formado pordois núcleos centrais onde estão localizadas a maioria das empresas extratoras ebeneficiadoras. O primeiro localiza-se em torno do município de Cachoeiro deItapemirim, na região sul do estado, e o segundo, em torno do município de NovaVenécia, no norte do estado.A crescente demanda por rochas ornamentais também vem acompanhada danecessidade de máquinas e equipamentos cada vez mais sofisticados e automatizados.As máquinas comumente utilizadas para o corte de rochas ornamentais são asmáquinas de fio diamantado, as máquinas de lâminas diamantadas e as máquinas dedisco diamantado. Utiliza-se cada uma delas conforme a aplicação, a capacidade deinvestimento e o local de instalação.Encontram-se discos diamantados, serras diamantadas e os fios diamantadosde diferentes modelos para melhor se adequar à capacidade de investimento, ao tipo derocha, ao rendimento desejado e à necessidade de refrigeração.

81.1.1 Mármore e GranitoMármores e Granitos são rochas de composição e dureza diferentes quetornam necessárias ferramentas com especificações diferentes para o seu corte.• Mármore:Rocha metamórfica de composição calcária. Recristalizada, dura e compacta,possui veios e cores variadas. Exemplos de mármores na Figura 1.Figura 1 - Mármores• Granito:Rocha magmática formada de feldspato, quartzo e mica. Com cores tambémvariadas, é mais duro que o mármore e não possui tantos veios. Ambas podem receberpolimento ou outros acabamentos. Exemplos de granitos na Figura 2.Figura 2 - Granitos

91.2 A Máquina de Fio Diamantado BásicaAs máquinas de fio diamantado possuem diversas vantagens como apossibilidade de realizar cortes em grandes dimensões (mais de 200 m²), rápidamontagem para o corte, mão de obra reduzida, baixo investimento, alta qualidade docorte (o que evita perdas de material) e níveis sonoros reduzidos.Figura 3 – Máquina de Fio DiamantadoDevido ao perigo de rompimento dos cabos, esse tipo de máquina deve serutilizado em áreas abertas e espaçosas.As aplicações para a máquina de fio diamantado são:• Abertura de bancos;• Extração de blocos através de cortes verticais, horizontais ou oblíquos;• Esquadramento de blocos;• Cortes diretos ou periféricos.Figura 4 – Simulação de Corte com Máquina de Fio Diamantado

101.2.1 O Fio DiamantadoO fio diamantado é constituído por um cabo de aço com anéis de corte(pérolas ou diamantes) regularmente espaçados separados por segmentos de plásticosespeciais ou molas.Esses fios são acionados por máquinas que fazem com que o mesmo se atritecom a rocha e ao mesmo tempo seja tracionado no sentido do corte desejado,produzindo o corte. O movimento do fio é feito pela polia maior e o tracionamento dofio é feito pela translação da máquina sobre trilhos por um outro sistema deacionamento que não o do fio.Para evitar rompimentos e possíveis acidentes, aumentar a durabilidade e aprodutividade do corte é interessante conhecer as relações entre as variáveis do sistemapara então controlar a tensão no fio, mantendo-a constante.Figura 5 – Fios Diamantados1.3 Configuração Eletromecânica da Máquina de Fio DiamantadoO processo de corte de uma rocha inicia-se com a furação da rocha e apassagem do fio diamantado. Depois o fio é esticado e a máquina é ligada provocandoo atrito das pérolas diamantadas com a rocha, realizando assim o corte.Em um processo real, o processo de corte nas quinas da rocha é mais intenso ea geometria de corte vai se tornando semicircular. Mais freqüentemente no caso decorte de granito, o fio diamantado encontra regiões de material mais abrasivo fazendocom que modifique um pouco a geometria de corte.

A máquina de fio diamantado possui dois motores elétricos. Um de rotação dapolia motriz e outro de translação do conjunto sobre trilhos.11Figura 6 – Montagem da Máquina de Fio DiamantadoOs dois motores transferem energia para o fio diamantado. Assim, a força detensionamento do fio é composta de duas parcelas. Uma parcela se deve ao movimentode giro da polia motriz e a outra ao movimento de translação da máquina de fiodiamantado. É considerado que a polia motriz gira com velocidade constante. Desejasesaber qual deve ser a velocidade de avanço da máquina para manter a tensão no fioconstante.1.4 Variáveis EnvolvidasExistem dois sistemas bem definidos que devem ser controlados na máquinade corte com fio diamantado, que são:• Força no Fio Diamantado pela Velocidade de Avanço;• Velocidade do Fio Diamantado pelo giro do Motor.A proposta do presente trabalho é o controle automático do avanço do corte damáquina de acordo com o esforço de tensionamento no fio diamantado.

12Esforço no Fio Diamantado: o esforço no fio diamantado pode ser monitorado(ou instrumentado) de maneiras básicas, de acordo com os equipamentos deacionamento mais comumente encontrados, que são:Grandeza MonitoradaCorrente Total do MotorCorrente de Torque doMotorTorque do MotorCélula de CargaObservaçõesPermite uma avaliação do torque desenvolvido pelo motor.Permite uma avaliação melhor do torque desenvolvido pelomotor.Semelhante à Corrente de Torque do Motor.Permite uma avaliação mais real do tensionamento do fio.Tabela 1 – Relação entre as possíveis grandezas monitoradas.Avanço do Corte: o avanço deve se dar a uma velocidade variável de acordocom a instrumentação do esforço no fio diamantado, como:Vavan: a velocidade de avanço;Tfio: o esforço no fio diamantado.TfioAumentandoDiminuindoVavanDiminuirAumentarValor-Alvo (Set-Point) de Vavan (SPVavan): é determinado por fatoresexternos, como por exemplo a velocidade de corte (em m²/h) ou ainda as diferentesqualidades de rochas que podem vir a ser trabalhadas.

132 INVERSORES DE FREQÜÊNCIA2.1 Acionamentos do Motor de InduçãoDurante muitos anos, as aplicações industriais de velocidade variável, foramditadas pelos requisitos dos processos e limitadas pela tecnologia, pelo custo, pelaeficiência e pelos requisitos de manutenção dos componentes empregados. Os sistemasmais utilizados para variação de velocidade foram, por muito tempo, implementadoscom motores de indução de velocidade fixa como primeiro dispositivo de conversão deenergia elétrica para energia mecânica.Para obtenção de velocidade variável o sistema necessitava de um segundodispositivo de conversão de energia que utilizava componentes mecânicos, hidráulicosou elétricos. Com a disponibilidade no mercado dos semicondutores a partir dos anos60 este quadro mudou completamente, mas foi mesmo na década de 80 que, com odesenvolvimento de semicondutores de potência com excelentes características dedesempenho e confiabilidade, foi possível a implementação de sistemas de variação develocidade eletrônicos. O dispositivo de conversão de energia elétrica para mecânicacontinuou sendo o motor de indução, mas agora sem a utilização de dispositivossecundários mecânicos, hidráulicos ou elétricos. Em muitos casos a eficiência dasinstalações equipadas com esses novos dispositivos chegou a ser duplicada quandocomparada com os sistemas antigos. Esses novos dispositivos eletrônicos paravariação de velocidade de motores de indução são conhecidos como inversores defreqüência.Figura 7 – Modelos de Inversores de Freqüência (WEG)

142.2 Inversores de FreqüênciaOs inversores de freqüência proporcionam, entre outras, as seguintesvantagens:• Economia de energia;• Melhoramento do desempenho de máquinas e equipamentos devido àadaptação da velocidade aos requisitos do processo;• Elimina o pico de corrente na partida do motor;• Reduz a freqüência de manutenção dos equipamentos.Antes do surgimento dos inversores, variava-se a velocidade dos motores deindução eletricamente através de técnicas como a inserção de resistência no rotor e avariação da tensão de estator. Em aplicações onde eram requeridos grande precisão econtrole de torque, utilizavam-se motores de corrente contínua, como por exemplo, noacionamento de laminadores de tira a quente.Devido a enorme robustez dos motores de indução em relação aos motores decorrente contínua e o surgimento dos inversores de freqüência, hoje grande parte dosmotores utilizados na indústria são motores de indução. Utilizados em larga escala emdiversas aplicações como bombas, acionamento de ventiladores, esteirastransportadoras, pontes rolantes, entre outras.A relação entre a rotação, a freqüência de alimentação, o número de pólos e oescorregamento de um motor de indução obedece à seguinte equação:Onde:n: velocidade de rotação mecânica (rpm);f1: freqüência fundamental da tensão de alimentação (Hz);p: número de pólos;s: escorregamento.

15A análise da fórmula mostra que se pode atuar em três parâmetros, no intuitode variar a velocidade de um motor desse tipo, conforme mostra a tabela abaixo. ATabela 2 apresenta também as características de cada opção.Variação de VelocidadeNúmero de pólosEscorregamentoFreqüência da rede• Variação discreta• Sobredimensionamento da carcaça• Variação contínua• Perdas rotóricas• Faixas de variação pequena• Variação contínua• Uso de inversores de freqüênciaTabela 2 – Análise da Variação da VelocidadeA utilização de Inversores de Freqüência atualmente compreende o métodomais eficiente para controlar a velocidade dos motores de indução. Os inversorestransformam a tensão da rede, de amplitude e freqüência constantes, em uma tensão deamplitude e freqüência variáveis. Variando-se a freqüência da tensão de alimentação,varia-se também a velocidade do campo girante e consequentemente a velocidademecânica de rotação da máquina.E o seu fluxo magnetizante, desprezando-se a queda de tensão ocasionada pelaresistência e pela reatância dos enrolamentos estatóricos, vale:

16Onde:T: torque ou conjugado disponível na ponta de eixo (N.m);Φm : fluxo de magnetização (Wb);I2: corrente rotórica (A) depende da carga;V1: tensão estatórica (V);k1 e k2 : constantes que dependem do material e do projeto da máquina.Admitindo-se que a corrente depende da carga e que essa é constante(portanto, corrente praticamente constante), nota-se, que variando proporcionalmente aamplitude e a freqüência da tensão da rede, o fluxo, e assim, o torque permanecemconstantes.O motor fornece assim um ajuste de velocidade e conjugado à carga. Asperdas podem ser minimizadas de acordo com as condições da carga, mantendo-seconstante o escorregamento da máquina em qualquer velocidade, para a mesma carga.A partir das equações acima, obtêm-se os gráficos abaixo.Figura 8 – Gráfico Tensão x FreqüênciaA variação da relação V1/f1 é feita até a freqüência base (nominal) do motor.Acima dessa, a tensão é máxima (igual à nominal) e permanece constante, havendoentão, apenas a variação da freqüência aplicada ao enrolamento estatórico do motor,conforme representado na Figura 8.

17Figura 9 – Gráfico Torque x FreqüênciaAssim, acima da freqüência base caracteriza-se a chamada região deenfraquecimento de campo, pois ali o fluxo decresce com o aumento da freqüência,provocando também a diminuição de torque. A curva característica torque xvelocidade do motor acionado por conversor de freqüência, está representada naFigura 9.Figura 10 – Gráfico Potência x FreqüênciaNota-se, portanto, que o torque permanece constante até a freqüência base edecresce gradativamente acima desta. Como Potência = Torque x Rotação, a potênciaútil do motor cresce linearmente até a freqüência base e permanece constante acimadesta, conforme pode ser observado na Figura 10.

18O processo de obtenção da tensão e freqüência desejadas por meio dosinversores é dividido em três partes:• Ponte de diodos para retificação da tensão de alimentação;• Filtro ou Link DC, que diminui o ripple de tensão com armazenamentode energia por meio de um banco de capacitores;• Transistores IGBT, que convertem a tensão contínua proveniente doDC link em um sinal alternado, com tensão e freqüência variáveis.Esse processo é ilustrado na Figura 11:Figura 11 – Obtenção da Tensão e Freqüência desejadas por meio de InversoresDentre as várias aplicações dos inversores de freqüência temos sistemas debombeamento, principalmente nos casos onde precisa ser controlada alguma variáveldo processo (pressão, vazão, nível, etc.).Nos sistemas de bombeamento de água para residências, os inversores defreqüência auxiliam na redução do consumo de energia, pois o controle de pressão emuma determinada localidade mais alta não precisa ser feito através do estrangulamentopela válvula, basta reduzir a rotação do motor, e conseqüentemente a sua potência.Outra aplicação é no controle da vazão de ventiladores, principalmenteaqueles que participam da queima de fornos industriais. Com os inversores, a vazão é

19controlada reduzindo a rotação do motor, sem a necessidade de se ter um dumper,gerando economia de energia e aumento na qualidade do processo do produto final.Em máquinas de fio diamantado (que é objeto do presente trabalho), pode-seter um inversor acionando os motores, que comandado por um PLC, poderá fornecermaterial a uma parte do processo de acordo com a necessidade do mesmo, aumentandoa qualidade do produto e possibilitando condições de diversificação à planta.2.3 Inversor WEG CFW09Os inversores de freqüência WEG, da série CFW09, incorporam a maisatualizada e avançada tecnologia disponível a nível mundial para controle de motoresde indução trifásicos.Dessa forma, a WEG amplia sua família de drives para variação de velocidadecom um produto dotado de uma gama repleta de recursos, possibilitando sua adaptaçãoe uso nas mais diversas aplicações de todos os segmentos industriais, independente dograu de complexidade.Figura 12 – Inversores de Freqüência CFW09 da WEG2.3.1 Recursos InternosTabela 3.Os principais recursos internos do inversor CFW09 estão representados na

20CFW09EntradasSaídasControleAnalógicasDigitaisEncoder IncrementalAnalógicasReléTransistorEncoder2 entradas diferenciais programáveis (10 bits): 0... 10V, 0... 20 mA ou 4...20 mA / 1 entrada programávelbipolar (14 bits): -10...+10 V, 0...20 mA ou 4...20 mA/1 entrada programável isolada (10 bits): 0...10 V, 0...20mA ou 4...20 mA.6 entradas programáveis isoladas: 24 Vcc/ 1 entradaprogramável isolada: 24 Vcc/ 1 entrada programávelisolada: 24 Vcc (para termistor PTC do motor).1 entrada diferencial, com fonte interna isolada 12 Vcc.2 saídas programáveis (11 bits): 0... 10 V/ 2 saídasprogramáveis bipolares (14 bits): -10... +10 V/ 2 saídasprogramáveis isoladas (11 bits): 0... 20 mA ou 4...20mA.2 saídas programáveis, contatos NA/ NF (NO/NC): 240Vca, 1 A/ 1 saída programável, contato NA (NO): 240Vca, 1 A.2 saídas programáveis isoladas OC: 24 Vcc, 50 mA.1 saída diferencial isolada de sinal de e Encoder:alimentação externa 5...15 Vcc.Variação de Freqüência 0... 204 Hz (para rede em 60 Hz) / 0... 170 Hz (pararede em 50 Hz).Rendimento Maior que 97%.Tabela 3 – Principais recursos internos do Inversor CFW092.3.2 Ligação ElétricaTabela 4.As características técnicas do inversor CFW09 encontram-se representadas na

21AlimentaçãoTensãoFreqüênciaDesbalanceamentoentre fasesCos φ (fator dedeslocamento)CFW09Trifásica: 220 - 230 V; 220/ 230 V e 380 - 400 V:380/ 400/ 415/ 440/ 460/ 480 V (+10%, - 15%)50 / 60 Hz +/ - 2 Hz (48... 62 Hz)Menor que 3%Maior que 0,98Tabela 4 – Características técnicas do Inversor CFW092.3.3 Recursos Acessórios• Cartões de Expansão de FunçõesOs cartões de expansão de funções ampliam as funções do cartão de controleCC9. Existem 3 cartões de expansão disponíveis e a escolha dos mesmos depende daaplicação e das funções desejadas. Os 3 cartões não podem ser utilizadossimultaneamente. A diferença entre os cartões opcionais EBA e EBB está nasentradas/saídas analógicas. O cartão EBC é para conexão de encoder, mas não temfonte própria como os cartões EBA/EBB. Segue uma tabela acerca de cada cartão.ConfiguraçãoEBAEBBFunções 1 2 3 1 2 3Entrada de Encoder x x xSaída de Encoder x xSerial RS-485 x x xA/D de 14 bits x xD/A's de 14 bits x xEntrada Isolada x xSaídas Isoladas x xEntradas e Saídas digitais + termistor x x x x x xTabela 5 - Cartões de Expansão de Funções

222.4 Inversor WEG CFW08PLUSDestinados ao controle e variação da velocidade de motores elétricos deindução trifásicos, os inversores da linha CFW08 reúnem projeto moderno comtecnologia, onde se destacam o alto grau de compactação e o elenco de funçõesespeciais disponíveis.De fácil instalação e operação, este produto dispõe de recursos já otimizadosem software, facilmente parametrizáveis através de interface homem-máquina simples,de fácil uso, que o habilitam para utilização em controle de processos e máquinasindustriais. Além disto, utilizando técnicas de compensação de distorção de tempomorto, o CFW08Plus evita instabilidade no motor e possibilita o aumento de torqueem baixas velocidades.Figura 13 - Inversores de Freqüência CFW08Plus da WEG2.4.1 Ligação ElétricaAs características técnicas do CFW08Plus estão representadas na Tabela 6.

AlimentaçãoTensãoMonofásicaTrifásicaFreqüênciaCos φ (fator dedeslocamento)CFW08Plus200 - 240 V: 200/ 220/ 230/ 240 V (+10%, -15%)200 - 240 V: 200/ 220/ 230/ 240 V (+10%, -15%)380 - 480 V: 380/ 400/ 415/ 440/ 460/ 480 V(+10%, 15%)50/ 60 Hz +/ - 2 Hz (48... 62 Hz)Maior que 0,9823Tabela 6 - Características técnicas do Inversor CFW08Plus.2.4.2 Recursos InternosOs principais recursos internos estão representados na Tabela 7.EntradasSaídasControleAnalógicasDigitaisCFW08Plus1 entrada isolada 0... 10 V, 0... 20 mA ou 4 ... 20mA / 2 entradas isoladas: 0 ...10 V, 0 ... 20 mA ou4 ... 20 mA4 entradas isoladas programáveisRelé1 saída programável, 1 contato reversível (NA/NF) / 2 saídas programáveis, 1 NA e 1 NF.Analógica - / 1 saída analógica isolada 0 - 10 V (8 bits)Variação de Freqüência Faixa: 0... 300 HzRendimento Maior que 95%Tabela 7 - Principais recursos internos do Inversor CFW08Plus

3 CONTROLE AUTOMÁTICO DA MÁQUINA DE FIODIAMANTADO24As grandezas Tensão no Fio e Torque Motor podem ser relacionadas atravésde relações da mecânica. Essas relações podem ser aproximadas como mostrado aseguir.Considere a Figura 14.Figura 14 – Polia e Fio DiamantadoOnde:MMTR = Torque do Motor;ω = Velocidade Angular do Motor;R = Raio da polia do Fio Diamantado;D = Diâmetro da polia do Fio Diamantado;α = Ângulo de contato do Fio Diamantado com a polia;FAP = resultante aproximada das Forças de Flexão no eixo da polia;PMTR = Potência do Motor;PFIO = Potência do Fio Diamantado.Sabemos que:PMTR = MMTR . ω e que PFIO = FC . PMTR

Sendo FC o fator de correção, FFIO a força de distensão no fio e vFIO avelocidade periférica da polia do fio, tem-se:25PFIO = FFIO . vFIO = FFIO . ω . R = 0,5 . FFIO . ω . DDaí tem-se que:Ou ainda:Assim, pode-se admitir que uma informação da tensão no fio, dada pelaavaliação da força no fio, pode ser feita pela monitoração da potência do motorjuntamente com a velocidade angular do motor. Ou, ainda, pela monitoração do torquedo motor independentemente da velocidade angular do motor. A última opção semostra mais atrativa.Sob o aspecto prático, ou da aplicação de uma ou outra solução, tem-se queconsiderar inicialmente o hardware disponível.

263.1 Malha de Controle Automático BásicaFigura 15 – Possibilidade de Malha de Automação da Máquina de Fio DiamantadoA Máquina de Corte com Fio Diamantado tem seus dois subsistemas: deAcionamento do Fio e de Avanço, movidos por motores de indução acionados por doisinversores de freqüência CFW09 e CFW08Plus, respectivamente.Informações do Fio Diamantado devem ser passadas ao sistema de avançopara manter o processo de corte nas condições estacionárias desejadas. Isto significacomunicação de dados do CFW09 para o CFW08Plus.As disponibilidades e ocupações das entradas e saídas analógicas dosinversores de freqüência, no sistema apresentado anteriormente, são:CFW09CFW08PlusDisponíveis Ocupadas Disponíveis OcupadasEntradas Analógicas 2 1 2 2Saídas Analógicas 2 2 1 1Tabela 8 – Entradas e Saídas Analógicas dos Inversores

27Assim, tem-se o CFW08Plus congestionado, ou seja, nenhuma entrada ousaída analógica está disponível.Nessa malha apresentada, a definição da velocidade de avanço é definida peloacionamento do Motor de Fio Diamantado. Esse é um sistema comum e não serianecessário nenhum acréscimo de hardware à malha. A definição da velocidade deavanço pode ser determinada pela indicação da célula de carga (CCrg). Essaconfiguração não é um sistema comum e seria necessário o acréscimo de hardware dacélula de carga à malha.SPVavanPelo acionamento do Motor deFioSistema comum;Sensibilidade aceitável;Nenhum acréscimo de hardware.SPVavanPela indicação da Célula deCargaNão é um sistema comum;Melhor sensibilidade;Acréscimo do hardware da célula de carga;Mantém-se o acionamento com nova parametrizaçãodos inversores.Tabela 9 – Análise do SPVavan3.2 Outras Malhas PropostasO sistema apresentado no item 3.1, está funcionando com a transferência dainformação da Corrente do Motor para comandar o avanço da máquina. Isso se dá noajuste do parâmetro 251 do Inversor CFW08Plus (Parâmetro P251 = 5), quecorresponde à corrente de saída.

28Qualquer nova proposta de controle não poderia coexistir com o estabelecidoanteriormente, pois seria necessário o descongestionamento do CFW08Plus, ou seja,liberação de entradas e saídas analógicas, ou adoção de recursos adicionais dehardware que aumentem essas disponibilidades.3.2.1 Controle do Avanço da Máquina pela Corrente de Torque do MotorO controle do avanço da máquina de corte de fio diamantado pela corrente detorque do motor, aparece como mais uma opção sob os aspectos de implementaçãopara o sistema.Para que o controle seja feito pela corrente de torque, bastaria modificar umparâmetro do Inversor CFW08Plus: o Parâmetro P251 de 5 (corrente de saída) para 4(corrente de torque).É de se esperar que alguns ajustes no ganho da saída se façam necessários, oque consistirá também em simples ajuste de um outro parâmetro (correspondente àsaída usada) de acordo com o manual.Nesse caso, estamos considerando as máquinas com acionamento com oInversor CFW09 e software 1.9X 0899.4482 P/5, que não disponibiliza outrasinformações mais adequadas sobre o torque que não a corrente de torque.3.2.2 Controle do Avanço da Máquina pelo Torque do MotorO controle do avanço da máquina pelo torque do motor é uma opção melhordo que a apresentada no item anterior, entretanto necessitaria de computo do torque emprocessador adicional e alteração do fluxo de informações entre os inversores defreqüência e o processador adicional.Entretanto, se o software do inversor CFW09 for da versão 2.4X 0899.4658P/6 ou 2.6X 0899.4781 P/7, o problema se resumirá apenas à modificação do

29parâmetro P251 para 11 que disponibiliza a informação de torque na saída analógicaAO1. Não seria necessária, nesse caso, nenhuma alteração de hardware, nem a adoçãode hardware adicional.3.2.3 Análise da Máquina de Fio Diamantado3.2.3.1 Equipamento DisponívelCFW08Plus – 2 entradas analógicas + 1 saída analógica;CFW09 – 2 entradas analógicas + 2 saídas analógicas;CG – célula de carga com módulo de conformação de sinal.3.2.3.2 Grandezas ImportantesFio Diamantado: a) velocidade do fiob) tensão no fio: b.1) célula de carga;b.2) corrente do motor;Avanço do Corte: velocidade de avanço.Situação Comum:CFW08PlusCFW09AI1 Potência de Tração Manual Velocidade do Motor do FioAI2 Potência de Tração Automática Não é usadaAO1Referência para Tração AutomáticaAO2 Não há Velocidade do Motor do FioTabela 10 – Entradas e Saídas Analógicas dos Inversores CFW08Plus e CFW09

303.2.3.3 Observações sobre os Inversores CFW08Plus e CFW09Parâmetros:Categorias QuantidadeCFW08Plus 22 98CFW09 29 233Conector de I/O:CFW08Plus → 12 pinosCFW09 → 28 pinosSoftware Considerado:CFW08Plus → 3.8 X08999.4562 P/5;CFW09 → 2.6 X08999.4781 P/7.3.2.3.4 Seleção da Referência de Velocidade: Pelas Entradas AnalógicasP221 → Local;P222 → Remoto.P221 P222 Parâmetros CorrelatosEntrada AI1 1 1 P234, P235 e P236Entrada AI2 2 / 3 2 / 3 P238, P239 e P240Soma AI1 + AI2 ≥ 0 7 7Soma AI1 + AI2 8 8Tabela 11 – Relação dos Parâmetros P221 e P222

31Figura 16 – Diagrama de Blocos3.2.3.5 ParametrizaçãoLimites de Referência de Freqüência:Figura 17 – Limites de Referência de Freqüência0 a 10 V → P235/ P239 = 00 a 20 mA → P235/ P239 = 04 mA a 20 mA → P235/ P239 = 1

323.2.3.6 Entradas AnalógicasP248 – Constante de Tempo do Filtro das AI: 0 a 200 ms[200 ms](Resposta estável em 3T, onde T é a constante de tempo escolhida)Sinal dado por P235/ P239:0 a 10 V → AI’x = (AIx/10 + OFFSET/100) . GANHO0 a 20 mA → AI’x = (AIx/20 + OFFSET/100) . GANHO4 a 20 mA → AI’x = ((AIx – 4) /16 + OFFSET/100) . GANHOFiltro Constante de Tempo:P248 → 0 a 200 ms (FPB)3.2.3.7 Controle PID – Variável de ProcessoSet Point: Via Teclas P525Via AI2

33a) Via Teclas: P221 = 0 ou P222 = 0 0,00 ≤ P525 ≤ 100 %b) Via AI2:• SP = Set Point (UP) . P234 x 100 %Fundo de Escala do Sensor utilizado (UP)• UP = Unidade de Processo;• Cálculo do SP via AI2: P238, P239 e P240;• Valor da Realimentação: PV → indicado por P240;escala selecionada em P528;P528 = Fundo de Escala do Sensor UtilizadoP234• Habilitação do PID: P203 = 1• Automaticamente → P265 = 15 => DI3 Manual/Automático• DI3 Aberta → Operação em Manual: malha aberta;• DI3 Fechada → Operação Automático: malha fechada.• P221 e P222: 0 ou 2 conforme a necessidade;

343.2.3.8 Roteiro para Aplicação de Controlador PIDa) Selecionar o tipo de ação de acordo com o processoDIRETA: P527 = 0; INVERSA: P527 = 1.b) Estabelecer a realimentação: via AI1Tipo de sinal: P235S1/1 e/ou S1/2 em ON para sinais de corrente.c) Ajustar P234 e P236 de acordo com a faixa de variação do sinal;d) Ajuste da indicação do display: P040 através de P528;e) Fonte de SP Referência: LOCAL/REMOTO;f) Limites de velocidade: indicando SP com P251 = 9PV com P251 = 63.2.3.9 Parâmetros de Ajuste do PIDa) Ganho Proporcional: 0,000 ≤ P520 ≤ 7,999b) Saída do PI varie de 0 até P134 t = 16 .P251 . P525c) com: P040 = P520 = 0DI3 em automático

35d) Ganho Integral: 0,000 ≤ P521 ≤ 9,999e) Ganho Diferencial: 0,000 ≤ P522 ≤ 9,999f) Filtro da Variável de Processo (PV): 0,010 ≤ P526 ≤ 10,000 sg) Ação PID: Direta → P527 = 0;Inversa → P527 = 13.2.3.10 Bloco Diagrama da Função Regulador PID Acadêmico

Figura 18 – PID Acadêmico36

373.3 Proposta de Malha com o Acessório Placa PLCOutra possibilidade de Malha de Automação da Máquina de Fio Diamantado éa utilização do PLC. Este dispositivo permite a adoção de técnicas mais elaboradas nocontrole automático, como executar controles seqüenciais e aquisição de dados.O cartão PLC agrega ao inversor CFW09 funções importantes de CLP(Controlador Lógico Programável), possibilitando a execução de complexosprogramas de intertravamento, que utilizam as entradas e saídas digitais do cartão, bemcomo as entradas e saídas digitais e analógicas do próprio inversor, que podem seracessadas pelo programa do usuário.Dentre as várias funções disponíveis, podemos destacar desde simplescontatos e bobinas até funções utilizando ponto flutuante, como soma, subtração,multiplicação, divisão, funções trigonométricas, raiz quadrada, etc.Outras funções importantes são blocos PID, filtros passa - alta e passa - baixa,saturação, comparação, todos em ponto flutuante. Além das funções citadas acima, aplaca PLC oferece blocos para controle de posição e velocidade do motor, que sãoposicionamentos com perfil trapezoidal, posicionamentos com perfil S, geração dereferência de velocidade com rampa de aceleração trapezoidal, etc. (obs.: paraposicionamento, é imperativo o uso de um encoder acoplado ao motor).Todas as funções podem interagir com o usuário, através dos 100 parâmetrosprogramáveis, que podem ser acessados diretamente pela HMI do inversor e, atravésdo WLP, podem ser customizados com textos e unidades do usuário.O cartão da PLC2 possui as seguintes características de hardware:• 9 entradas digitais isoladas, bidirecionais, 24 Vcc;• 1 entrada para PTC do motor;• 3 saídas digitais a relé 250 V x 3A;• 3 saídas digitais optoacopladas, bidirecionais, 24 Vcc x 500 mA;• 1 entrada analógica diferencial (-10 a +10) Vcc ou (-20 a +20) mA,14bits;

38• 2 saídas analógicas (-10 a +10) Vcc ou (0 a +20) mA, 12bits;• 2 entradas de encoder isoladas, com alimentação externa de 5Vcc ou (8a 24) Vcc;• 1 interface de comunicação serial – RS-232C (Protocolo padrão:MODBUS-RTU);• Compatível com todas as mecânicas do CFW-09;• Permite o uso das entradas e saídas digitais e analógicas do CFW-09, oque totaliza 15 entradas digitais, 9 saídas digitais,• 3 entradas analógicas e 4 saídas analógicas, acessadas via ladder;• Rede CANopenMaster/Slave e DeviceNet Slave;• Opcional para rede Profibus DP Slave;• Opcional para rede DeviceNet Slave.O software da placa PLC2 apresenta as seguintes características:• 150 parâmetros numa faixa que vai de 750 a 899, sendo os 50 primeirospré-definidos pelo sistema ou reservados e os 100 restantes para usogeral do usuário na programação, podendo ser utilizados em funçõescomo contatores, timers, referência de velocidade, aceleração, posição,etc.;• Marcadores do tipo BIT, WORD e FLOAT voláteis (inicializados emzero) e retentivos;• A programação da placa é feita através do software WLP, utilizando alinguagem Ladder, com blocos específicos para posicionamento efunções de PLC;• Capacidade de memória para o programa do usuário: 64kB (65536bytes);• Monitoração On-line.

39Figura 19 – Nova possibilidade de Malha de Automação da Máquina de Fio Diamantado.Velocidade do Fio DiamantadoVfioTensão no Fio => Velocidade de CorteTfio => Vavana) Partir Vfio/partida com a mínima parao tipo de rocha dado ou para o limiteinferior;b) Aumentar Vfio e comparar com aVavan, não deixando Vfio superar umlimite superior.a) Aumentar Vavan e verificar ocrescimento Tfio. Se Tfio aumentarsignificamente, aumentar Vfio;b) Se o aumento de Vavan provocarcrescimento excessivo de Tfio, retornarcom Vfio para um valor mais baixo e semesmo assim Vfio se mantiver excessivaou diminuir pouco, então reduzir Vavan.Tabela 12 – Análise da Proposta com PLC

403.4 ComentáriosO presente trabalho apresentou uma Proposta de controle de uma máquina deFio Diamantado para corte de Pedras (Mármores e Granitos) utilizando PLC paraexecutar os controles seqüenciais e aquisição de dados e Inversores de Freqüência paracomando dos motores do sistema do Fio Diamantado e do avanço da Máquina.Foi apresentado nesse trabalho uma opção digital de painel de entrada dedados e esquema de controle do processo baseado em PLC e Inversores de freqüênciaprocurando-se explorar as opções de fechamento de malhas de controle com ospróprios inversores - com a opção Variável de Processo, normalmente possível nessetipo de equipamento.Os valores alvo (set-points) das grandezas devem ser introduzidos via painelde operação, devido às diferentes qualidades de rochas que podem vir a sertrabalhadas.

41REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS[1] KUO, BENJAMIN C.. Sistemas de Controle Automático. Prentice Hall doBrasil. 4. ed., 1985.[2] SINDIROCHAS: Dados estatísticos de exportação. Disponível em: Acesso em: 14 de fevereiro de 2008.[3] UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO. Biblioteca Central.Normalização e apresentação de trabalhos científicos e acadêmicos: guia paraalunos, professores e pesquisadores da UFES. 2. ed. Vitória, 1997.[4] UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO. Biblioteca Central. Guiapara normalização de referências bibliográficas: NBR 6023. 2. ed. Vitória,1997.[5] GUIA DE APLICAÇÃO DE INVERSORES DE FREQÜÊNCIA. WEG.Disponível em: