Projeto e implementação de um sistema de controle em malha fechada para transmissão hidrostática usando o sistema Field Point da NI

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"A implementação do sistema SCADA usando Field Point e interface LabVIEW, agrega valor à transmissão hidrostática, já que não é comum a implementação deste tipo de ferramentas em sistemas hidráulicos. "

- Dr. Ing. Max Suell Dutra, Grupo Laboratório de Robótica COPPE - Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ)

The Challenge:
Projetar, construir e integrar um sistema de controle de velocidade em malha fechada para a transmissão hidrostática entre bomba de deslocamento positivo e motor fixo aplicado em máquinas de serviço pesado (máquinas agrícolas, tratores, colheitadeiras, manipuladores industriais, dragas, caminhões de lixo, aviões, entre outros). Desenhar o sistema de controle, monitoração e supervisão (SCADA) utilizando o software Labview aproveitando a potencialidade do sistema no uso de controladores P, PI, PID para regulação da velocidade e implementando como plataforma hardware o Field Point da National Instruments.

The Solution:
Projetar e implementar um sistema de controle de velocidade em malha fechada para uma transmissão hidrostática por meio de um sistema supervisório e aquisição de dados (SCADA). O estudo foi realizado visando implementar uma estratégia que permita manter as velocidades de saída do motor constantes para diferentes condições de operação (com ou sem carga). Foram realizados estudos para a instrumentação do sistema (sensores de pressão e velocidade) e de identificação da função de transferência da transmissão hidrostática a partir da velocidade de saída do motor hidráulico, para então projetar o controlador P, PI e PID de acordo com o critério de Ziegler-Nichols. Após a realização do projeto do controlador, foi desenvolvido o programa de controle usando o toolbox de Labview e a implementação de uma interface de monitoramento e supervisão remota para a transmissão hidrostática. A atividade remota foi realizada através da aplicação de tecnologia Field Point e a interface com o padrão de comunicação RS-232 com o software Labview 7 Express, ambos desenvolvidos pela National Instruments. A possibilidade de pesquisar e trabalhar com as tecnologias e máquinas citadas gera grande impacto tecnológico, pois viabiliza a investigação e desenvolvimento de práticas de soluções para as mesmas.

Author(s):
Dr. Ing. Max Suell Dutra - Grupo Laboratório de Robótica COPPE - Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ)
M.Sc. Omar L. Pérez - Grupo Laboratório de Robótica COPPE - Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ)
M.Sc. Alexandre Silva - Grupo Laboratório de Robótica COPPE - Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ)
Ing. Esp. John F. Archila - Grupo Laboratório de Robótica COPPE - Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ)
Eng. Fabrício Lopes e Silva - Grupo Laboratório de Robótica COPPE - Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ)
Ing. Javier Vega - Grupo Laboratório de Robótica COPPE - Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ)

Introdução

Atualmente, as transmissões hidrostáticas apresentam um papel muito importante no projeto e construção de máquinas de serviço pesado e médio. Neste aspecto, a indústria de máquinas agrícolas tem se destacado devido à sua constante busca por melhorias e avanços tecnológicos em tratores, colheitadeiras, pulverizadoras, debulhadores e fertilizadoras, entre outros. As hidrotransmissões também podem ser encontradas em máquinas para a construção civil, como os guindastes e manipuladores telescópicos, e ainda, de forma cada vez mais expressiva, em manipuladores industriais, dragas, caminhões de lixo e aviões.

Os benefícios da implementação das transmissões hidrostáticas neste tipo de maquinário são vários, alguns destes oferecem hidrotransmissões de velocidade variável; alto torque; rápidas respostas aos comandos do operador; redução do risco de parada do motor, permitindo iniciar ou parar o deslocamento suavemente mesmo no caso de sua sobrecarga; mudança de direção facilmente em espaços reduzidos; controle de velocidade de deslocamento; e baixos custos de operação.

Os sistemas hidráulicos, especificamente as transmissões hidrostáticas em malha fechada, oferecem certas vantagens como a capacidade de frenagem dinâmica, resposta mais rápida que as transmissões mecânicas ou eletromecânicas do mesmo tamanho e proteção contra sobrecargas mecânicas.

Um sistema SCADA permite o controle e supervisão das variáveis de interesse de um sistema. Para o caso da transmissão hidrostática, estas variáveis são os sinais de pressão na saída da bomba e velocidade de saída do motor. O sistema de aquisição de dados permite medir estes sinais para a visualização e programação do sistema de controle.

Caracterização de uma transmissão hidrostática

A operação do sistema de transmissão é descrita do seguinte modo: O sistema tem um motor primário elétrico que provê energia rotativa à bomba de deslocamento variável, a bomba permite mudar a vazão por meio de uma palheta ou pistões. Ao variar o ângulo, muda o deslocamento dos pistões, ocasionando o aumento ou a diminuição do fluxo que alimenta a bomba. Para variar o ângulo se usa um solenóide proporcional, que é acionado por um sinal de corrente. Na Figura 1 é apresentado o esquema do sistema de transmissão.

Figura 1. Diagrama esquemático do sistema de transmissão hidrostática.

O objetivo é o controle da rotação de saída da transmissão hidrostática (No). É introduzido um sinal do tipo degrau, através de uma fonte de tensão, equivalente à velocidade de saída da transmissão. A freqüência de cada pulso gerada pelo sensor indutivo de proximidade é medida por meio de um osciloscópio permitindo calcular a velocidade de saída do motor hidráulico, conforme pode ser observado na Fig. 2.

Figura 2. Esquema para obtenção da resposta transitória.

Observando o gráfico de resposta do sistema (Figura 3), pode-se notar que o comportamento é de um sistema de ordem superior, o que implica em uma função de transferência como a apresentada na Eq. (1).

Figura 3. Resposta transitória para a transmissão

Implementação do controle de velocidade

Para tornar a velocidade na saída da transmissão (rotação do motor hidráulico) constante, isto é, independente da carga, foi desenvolvido um algoritmo de controle usando o toolbox para controle PID do software LABVIEW da National Instruments. O setpoint do sistema é a velocidade necessária para a tarefa a ser realizada e a saída do sistema é a velocidade de rotação do motor hidráulico da transmissão.

O controlador é implementado usando os módulos de aquisição de dados Field Point da National Instruments por meio da comunicação RS-232. Uma fase de amplificação (palheta de potência) foi implementada para cumprir as exigências de alimentação da válvula solenóide da bomba de deslocamento variável, como apresentado na Figura 4.

Figura 4. Diagrama esquemático do sistema de controle da transmissão.

Após a montagem dos elementos do sistema de controle de velocidade, o procedimento para a implementação do controlador é realizado. Para a maioria destes sistemas, são usados controladores PI. Para que a operação do sistema seja ótima, o controlador foi ajustado com os seguintes valores para as constantes: Kp = 0,19 e Ti = 0,02. Na Figura 5 pode ser observada a resposta do sistema ao longo do tempo com o controlador implementado.

Figura 5. Resposta transitória do sistema com controlador PI.

Interface eletrônica de potência

Para a manipulação da transmissão a partir do computador é utilizado o sistema Field Point. Para isto foi realizado o projeto de uma interface de manipulação da transmissão composta por uma fase de conversão do sinal de corrente fornecido pelas saídas analógicas do Field Point para um sinal de tensão e uma segunda fase responsável pela inversão do sinal de voltagem e o suprimento da corrente requerida pelo solenóide proporcional.

Figura 6. Relação entre o deslocamento e a corrente da solenóide.

Figura 7. Esquema da palheta de interface de potência.

Projeto Mecânico

Para conectar o transdutor de pressão e ainda obter uma medição desta variável no ponto de saída da bomba hidráulica foi projetado um bloco manifold em aço inox AISI 314. A utilização deste bloco manifold permitiu a montagem do transdutor de pressão possibilitando que a tomada do sinal seja a mesma tanto por um manômetro analógico quanto pelo próprio transdutor de pressão.

Para verificar a resistência mecânica do bloco proposto foi realizada uma simulação do problema através do Método dos Elementos Finitos, utilizando-se o software ANSYS. A condição de operação esperada para o bloco manifold é o funcionamento do sistema com pressão de óleo hidráulico de, no máximo, 55 bar. Durante o ensaio do elemento mecânico, ou seja, durante a simulação foi aplicada às paredes internas deste elemento uma pressão de 1,22 x 107 Pa. Na Figura 8 é apresentado o resultado gráfico obtido da simulação onde o objetivo era a análise da segurança do sistema.

Figura 8. Resultado gráfico da simulação de deformação total através do ANSYS.

Sistema SCADA

O sistema SCADA em questão foi implementado com o software LABVIEW 7 Express, visando permitir ao usuário a operação manual ou automática da máquina. A primeira possibilidade permite que o usuário manipule a transmissão a partir do computador variando a velocidade de saída através de um botão disponível no programa. A segunda possibilidade é realizada automaticamente, via controlador PID, controlando a velocidade a partir do ajuste do Set Point pelo usuário.

Figura 9. Tela frontal - LabVIEW 7 Express - modo manual.

Figura 10. Tela Frontal - LabVIEW 7 Express - para o modo automático.

Figura 11. Tela diagrama - LabVIEW 7 Express - para o modo manual.

Figura 12. Tela diagrama - LabVIEW 7 Express - para o modo automático.

Conclusões

A implementação do sistema SCADA usando Field Point e interface LabVIEW, agrega valor à transmissão hidrostática, já que não é comum a implementação deste tipo de ferramentas em sistemas hidráulicos. Por outro lado, os sistemas de controle digital são mais flexíveis que os analógicos devido à facilidade da sua reprogramação e reconfiguração.

A implementação do sistema permite a variação de valores do set point, como também realizar as combinações diferentes de controladores P, PD, PI e PID e deste modo observar os efeitos ou as mudanças no comportamento dos sistemas configurados para o controlador.

Referencias Bibliográficas

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Author Information:
Dr. Ing. Max Suell Dutra
Grupo Laboratório de Robótica COPPE - Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ)
Brazil

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