Aplicação para o ensino da variação de velocidade de motores de indução
J. Norberto Pires1, R. Correia1, T. Godinho1, P. Ferreira2
1
Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade de Coimbra, Portugal: [email protected]
Departamento de Engenharia Mecânica, Inst. Superior de Engenharia de Coimbra, Portugal: [email protected]
2
Palavras Chave: Controlo de velocidade, variadores de velocidade, software industrial.
Resumo
O motor de indução trifásico é sem dúvida, nos dias de hoje, a solução de tracção eléctrica mais
difundida em ambiente industrial [1]. É um tipo de motor que revela grande robustez, baixo preço e
boa relação tamanho/potência. Apesar destas vantagens, até há uns anos atrás foram relegados para
segundo plano devido à dificuldade de efectuar o controlo de velocidade, de binário, do sentido de
rotação e frenagem. Com o desenvolvimento da electrónica de potência surgiram os variadores [1],
[2], [3] de velocidade v/f e do tipo vectorial, os quais permitiram uma utilização em maior
quantidade deste tipo de motores. A aplicação desenvolvida visa o ensino experimental da temática
da variação de velocidade de motores de indução.
Abstract
The 3-phase induction electrical motor is actually the most popular industrial electrical motor, due
to its robustness, low price and good ratio quality/power. However, they are difficult to control if
compared with DC motors. With the development of power electronics and the association with
modern microprocessors, there was the advent of electronically controlled motor inverters capable
of controlling speed, position and torque with high precision. This paper reports an application
developed for teaching duties of this type of subject.
Introdução
Neste artigo detalha-se uma aplicação que permite assistir tarefas de ensino em áreas relacionadas
com actuação eléctrica, controlo com PLCs, software remoto e comunicações. A aplicação
apresentada está vocacionada para aulas práticas de disciplinas de engenharia nas áreas de actuação
eléctrica, variação de velocidade e controlo com PLCs. Pretende-se permitir ao aluno controlar
completamente um motor eléctrico trifásico a partir de um PC, usando software simples que ele
pode construir. Optou-se por usar um PC comum, utilizando um sistema operativo comum
(Windows 95/98/XP/NT/2000), uma linguagem de programação comum (Visual Basic).
Figura 1 – PLC (Siemens S7-200), Variador de Velocidade (OMRON SYSDRIVE 3G3FV), motor de indução
(ABB MU80A19 de 0,55kW).
O conjunto de equipamento é constituído por um motor de indução trifásico, um variador de
velocidade, um PLC e um PC. O PLC [1] [4] faz a interface entre o PC e o variador de velocidade.
Foi desenvolvida uma aplicação em Visual Basic para demonstrar as várias possibilidades de
controlo de motor. Essa aplicação é ainda um servidor dessas funcionalidades para outras aplicações
clientes existentes na rede. O acesso aos serviços faz-se usando um mecanismo simples baseado em
sockets TCP/IP e suportado por um protocolo desenvolvido para o efeito. O software permite optar
por valores predefinidos da velocidade bem como fazer a variação livre. A partir deste software é
possível também inverter o sentido de rotação bem como comandar a frenagem. Todo o processo de
controlo é monitorizado on-line. Como se trata de uma aplicação multidisciplinar permite também a
leccionação de programação de PLC´s bem como o estudo do protocolo TCP/IP. Neste artigo
detalha-se o desenvolvimento desta aplicação bem como são fornecidos exemplos de utilização.
Os variadores de velocidade podem ser comandados remotamente de duas formas:
1. Usando uma rede de campo (Profibus, Devicenet, CAN, etc.), ou até uma rede Ethernet
(menos comum).
2. Usando uma interface digital/analógico, isto é, sinais IO digitais e analógicos para
seleccionar e definir modos de funcionamento.
Neste trabalho foi decidido usar a segunda opção. As razões são simples:
1. A maioria das aplicações não dispõe de interface para redes de campo, apesar de serem cada
vez mais comuns em equipamentos recentes.
2. Pretendia-se usar um PLC, como forma de introduzir mais um equipamento neste exemplo,
mas também porque normalmente os variadores de velocidade e PLCs aparecem associados
nas aplicações industriais.
3. É possível obter um nível de detalhe superior na realização, o que favorece os objectivos
didácticos.
O variador de velocidade que se utilizou, permite ambas as opções. A interface digital é constituída
por um BUS de 8 bits (sinais 0-24V). A interface analógica é constituída por duas entradas
analógicas (0-10 Volt). Quando colocado em modo remoto, o variador executa os comandos
colocados na interface digital/analógica (Tabela I).
Neste trabalho utiliza-se um PLC (Siemens S7-200) para interface IO com o variador de velocidade,
com comando executado a partir de um computador pessoal ligado ao PLC por canal série RS232C. A opção de meio físico de ligação PC-PLC poderia ter sido outra (Profibus, Ethernet, etc.),
recaindo a escolha sobre a porta série por uma questão de simplicidade.
Tabela I – Códigos de comando de velocidade.
Código (8 bits)
Analógica
Função
XX000000
Valor
Frequência = 50 * valor / 4096
XX000100
X
Referência predefinida 1
XX001000
X
Referência predefinida 2
XX001100
X
Referência predefinida 3
XX010000
X
Referência predefinida 4
XX010100
X
Referência predefinida 5
XX011000
X
Referência predefinida 6
XX011100
X
Referência predefinida 7
Nota: As rampas de aceleração e desaceleração são mantidas constantes.
Software
O software construído para esta aplicação é constituído por três partes: software do PLC, software
de comando no PC, o qual inclui um servidor TCP/IP, e um cliente TCP/IP que permite comandar o
variador de velocidade de qualquer computador colocado na internet. É nesta perspectiva
distribuída que esta é uma aplicação muito interessante do ponto de vista didáctico.
Software do PLC
O software desenvolvido para o PLC permite que este execute as rotinas pedidas, envie
confirmação de execução, e aguarde novo comando. Por essa razão, o PLC é encarado como um
servidor local para interface de baixo nível com o variador de velocidade
A ideia é bem simples, e não muito diferente do que é feito em máquinas mais avançadas, como
robôs industriais. Remotamente acede-se a zonas de memória (Bytes, Words ou Double-Words), e
inclui-se na programação uma comparação com essas zonas usadas para controlo remoto. Assim, só
as sequências pretendidas são executadas, à medida que se vai atribuindo valores às variáveis
controladas remotamente.
A filosofia usada é assim fácil de entender. O programa de PLC responde a comandos remotos. As
mensagens enviadas para o PLC são formatadas, tendo um determinado carácter de início e de fim
de mensagem, podendo ter até 100 bytes de extensão. O primeiro carácter (byte) identifica o
comando que se pretende executar. O programa de PLC deve identificar o comando, de forma a
activar os estados/acções correspondentes. Isto significa, que as equações desses estados devem
conter uma comparação com o primeiro byte da mensagem. Para além disso, todas as mensagens
enviadas têm uma resposta por parte do PLC, que consiste na própria mensagem enviada. Assim, o
programa do PC pode confirmar a correcta recepção da mensagem (chama-se a isto utilizar um
mecanismo ACK-NACK, acknowledge - not acknowledge). Existe uma mensagem especial (código
253) que é usada como mensagem de monitorização (fig. 2). Quando o PLC recebe esta mensagem
deve responder enviando o seu estado actual, isto é, o estado das várias entradas e saídas digitais. A
resposta para o PC contem o mesmo código inicial, de forma que a rotina de interrupção do porto
série pode identificar as respostas de monitorização através do primeiro byte da mensagem recebida.
A mensagem de monitorização é enviada frequentemente, estando associada a um timer realizado
no programa de PC. Nesta aplicação, a mensagem de monitorização é enviada em períodos de 500
ms, isto é, o PC é actualizado a uma frequência de 2kHz mostrando o estado actual de todas as
entradas e saídas digitais do PLC.
PC
Diálogo de
interface
Mensagem de comando
PLC
Resposta
timer
Resposta
Bloco de
serviço ao
porto série
Mensagem de monitorização
Equações
Figura 2 - Mensagens entre PC e PLC.
As mensagens de comando são enviadas por selecção do utilizador, isto é, estão associadas a
botões, entradas de teclado, etc.. As mensagens de monitorização estão associadas a um timer,
como foi referido, pelo que são enviadas sem intervenção do utilizador. Sempre que recebe uma
mensagem o PLC coloca-a num registo que tem início no byte VB90, isto é, se a mensagem tiver n
bytes (com n<=100) o PLC procede da seguinte forma:
Byte VB90 – contém o número total de bytes recebido (neste caso, n bytes)
Byte VB91 – carácter identificador de comando.
Byte VB92 – primeiro parâmetro
...
Byte VB90+n-1 = parâmetro n
Tabela II – Comandos admitidos pelo PLC para esta aplicação.
Comando
Parâmetro 1
Parâmetro 2
Descrição
205
1a7
Selecciona
uma
das
frequências
predefinidas.
205
0
Modo de JOG no qual se usa uma saída
analógica para fornecer a referência de
velocidade.
200
130
Motor no sentido positivo.
200
131
Motor no sentido negativo.
206
0
-
Motor pára.
155
0.0 a 50.0
-
253
-
-
Comanda esta frequência usando uma saída
analógica.
Mensagem de monitorização de estado.
O módulo de serviço ao porto série inicializa o porto no primeiro SCAN (9600 bps, 8 bits, sem
paridade, 1 stop bit, tamanho máximo de 100 bytes, 16#A como carácter terminador de mensagem,
etc). Para além disso está permanentemente em recepção. Quando é recebida uma mensagem, é
iniciado o processo de reenvio da resposta usando interrupções de utilizador.
Os comandos são enviados no primeiro carácter da mensagem de comando, ficando no byte VB91.
Assim, as equações que realizam as acções de comando devem ter uma comparação com o byte
VB91.
Figura 3 – Programa de controlo de velocidade.
Software do PC
Este software, totalmente desenvolvido em Visual Basic (uma linguagem comum e de fácil
aprendizagem), permite realizar comando de velocidade no variador de velocidade a qual é
transmitida ao motor usado. O diálogo de interface com o utilizador (fig. 3) realiza comandos para
todas as opções possíveis: frenagem, sentido de rotação, acesso a velocidades predefinidas pelo
utilizador e guardadas no variador, e controlo livre de velocidade usando um controlo variável.
Para além disso, este programa implementa um servidor TCP/IP, multi-cliente, que permite o acesso
ao variador de velocidade a partir de qualquer computador na internet. Basta que seja estabelecida
uma ligação com o servidor (que escuta pedidos no porto 2001 do computador em que estiver
instalado), e sejam enviados comandos no formato predefinido. Esse formato tem a seguinte
sintaxe:
mx comando par_1 par_2 ... par_n
em que:
mx – especifica o motor (por exemplo, m1). Todos os robôs devem ter um número.
comando – especifica o comando a executar (Tabela III).
par_i – parâmetros relativos ao comando usado.
Tabela III – Comandos do servidor TCP/IP de controlo do motor.
Comando
Parâmetro
Descrição
INFO
-
Mensagem de monitorização de estado do motor.
STND
+ ou -
Especifica o sentido de rotação.
STOP
-
Comando de paragem (frenagem).
REFS
1a7
Comanda frequências predefinidas.
FREQ
0 a 50
Comanda uma determinada frequência.
JOGM
-
Comanda o variador a entrar em modo de comando local, via
controlo variável existente na aplicação da figura 3.
Software de comando remoto
Este software é um simples cliente TCP/IP que permite ligar ao servidor descrito anteriormente, e
enviar os comandos no formato definido. As chamadas podem facilmente ser associadas a botões,
ou escritas numa janela de edição (fig. 4).
Figura 4 – Cliente TCP/IP simples para comando do variador de velocidade.
Utilização
Numa disciplina de automação ou controlo de sistemas, na qual se têm de introduzir actuadores
eléctricos numa perspectiva industrial, a utilização de motores de indução e variadores de
velocidade é fundamental. Os motores de indução são muito usados na indústria, e estão
normalmente associados a variadores de velocidade. Assim, compreender como funcionam e como
podem ser programados e utilizados é muito importante para os futuros engenheiros. Para além
disso, hoje em dia as redes de campo, o software distribuído e o acesso remoto a equipamentos são
tecnologias muito utilizadas, pelo que a familiarização com a sua utilização é também muito
importante. Na realização de trabalhos usando o sistema aqui apresentado, o aluno é obrigado a
perceber em detalhe todas essas componentes pois só dessa forma conseguirá fazer os exercícios
propostos, os quais exigem sempre que o aluno adicione uma nova função, ou altere o modo de
funcionamento. Nesses exercícios, é pedida a intervenção do aluno nos vários elementos do sistema
(PC, PLC e variador) com o objectivo de que ele adquira o máximo de informação sobre os
assuntos envolvidos.
Exemplo de exercício: Numa determinada aplicação é necessário ter várias velocidades de
funcionamento. Essa definição é feita usando três sensores de presença de acordo com a seguinte
lógica:
000 – motor parado
100 – 25 Hz
011 – 40 Hz
101 – 10 Hz
111 – 50 Hz
Adicione ao programa de PC fornecido (fig. 3) a capacidade de colocar o variador a executar de
acordo com esta definição. O utilizador deve sempre poder interromper o processo, e deve ser
informado do modo de funcionamento actual. As funcionalidades actuais do programa de PC devem
ser mantidas. O comando deve poder ser feita com o rato e também remotamente usando um cliente
TCP/IP.
Conclusão
Neste artigo apresentou-se uma aplicação que pode ser usada em tarefas de ensino de actuação
eléctrica e variação de velocidade. Todas as funcionalidades disponibilizadas são programáveis e
podem ser comandadas remotamente. Para isso utilizou-se um PLC industrial e um computador
pessoal. Para além disso, recorreu-se a tecnologias de comunicação comuns na indústria. O
objectivo é expor o aluno a várias técnicas de programação, comando e monitorização que são
indispensáveis nas modernas fábricas industriais.
Referências
[1] J. Norberto Pires, “Automação Industrial”, ETEP-LIDEL, 2002
[2] OMRON 3G3FV Flux Vector Inverter, Programming Manual, July 1996.
[3] OMRON 3G3FV/HV Inventers, Installation Manual, July 1996.
[4] SIEMENS SIMATIC S7-200, Programming Manual, July 1999.