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Trabalho de Conclusão de Curso:SISTEMA SUPERVISÓRIO DE PRESSÃO
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CENTRO UNIVERSITÁRIO NOSSA SENHORA DO PATROCÍNIO
FACULDADE DE ENGENHARIA E ARQUITETURA
ENGENHARIA MECATRÔNICA
ANDRÉ ORLANDINI
DIEGO COMPRI
FERNANDO HELLMEISTER
FREDERICO DE OLIVEIRA
SISTEMA SUPERVISÓRIO DE PRESSÃO:
SALA DE GASES PADRÕES DO LABORATÓRIO DE EMISSÕES
Salto, SP
2012
ANDRÉ ORLANDINI
DIEGO COMPRI
FERNANDO HELLMEISTER
FREDERICO DE OLIVEIRA
SISTEMA SUPERVISÓRIO DE PRESSÃO:
SALA DE GASES PADRÕES DO LABORATÓRIO DE EMISSÕES
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao
Curso de Engenharia Mecatrônica da Universidade
Nossa Senhora do Patrocínio como requisito
parcial à obtenção do título de Engenheiro
Mecatrônico.
Professor orientador: Jorge Antônio
Vaz Guerra.
SALTO, SP
2012
ANDRÉ ORLANDINI
DIEGO COMPRI
FERNANDO HELLMEISTER
FREDERICO DE OLIVEIRA
SISTEMA SUPERVISÓRIO DE PRESSÃO:
SALA DE GASES PADRÕES DO LABORATÓRIO DE EMISSÕES
Trabalho de Conclusão do Curso apresentado à
banca examinadora do “Centro Universitário Nossa
Senhora do Patrocínio”, como requisito parcial par
a obtenção do Grau de Bacharel em Engenharia
Mecatrônica.
Professor Cássio Donizete Marques, Jorge Antônio
Vaz Guerra e Carlos Eduardo Hellmeister.
Aprovado em _ _ / _ _ / _ _
BANCA EXAMINADORA
__________________________________________________________
Professor Cássio Donizete Marques – Orientador Metodológico
CENTRO UNIVERSITÁRIO NOSSA SENHORA DO PATRCÍNIO
__________________________________________________________
Professor Jorge Antônio Vaz Guerra – Orientador Temático
CENTRO UNIVERSITÁRIO NOSSA SENHORA DO PATRCÍNIO
__________________________________________________________
Professor Carlos Eduardo Hellmeister – Orientador Temático
CENTRO UNIVERSITÁRIO NOSSA SENHORA DO PATRCÍNIO
Ao Professor Cássio por sanar inúmeras
dúvidas na elaboração deste trabalho, aos
nossos pais e a todos os amigos que
compreenderam a nossa ausência em
inúmeros finais de semana afastados
decorrentes dos estudos.
“O Engenheiro nunca desiste”
Jackson Tsukada
RESUMO
A confiabilidade do sistema aplicado no processo industrial é de suma
importância para a obtenção da qualidade final do produto e na redução de
desperdícios, que estão relacionados conseqüentemente com o custo empregado no
produto final oferecido aos clientes. Assim, este trabalho proposto visa melhorar o
processo no laboratório de emissões de uma empresa automobilistica, no qual
possui uma deficiência de monitoramento em seu processo de gases padrões, no
qual são utilizados para a realização da comparação dos gases emitidos pelos
veículos automotores. Este processo existente exige a atenção dos técnicos, pois
caso falte o gás padrão para a comparação da amostra emitida, os testes são
perdidos causando atrasos nos cronogramas de projetos e obtendo custos
desnecessários decorrentes de retrabalhos.
Tendo como objetivo a redução de falhas humanas no processo e tornar o
sistema mais confiável, propõe-se neste trabalho acadêmico um sistema de
supervisão para monitorar o processo a distância, onde os gases padrões poderão
ser supervisionados dentro da sala de controle pelos operadores que terão
constantemente os níveis de pressão de todos os casos em uma interface dedicada.
Este processo de monitoramento dos gases proposto trará grandes benefícios
ao processo como um todo, comparando com o monitoramento manual, pois além
de torná-lo mais confiável ele eliminará etapas na rotina dos técnicos, os quais, não
mais necessitarão realizar monitoramento contínuo, pois o sistema supervisório
proposto informará o instante exato para a troca do gás, pois monitorará
constantemente a pressão dos cilindros informando com alerta visual na interface
dos operadores. Assim, os técnicos que realizam o monitoramento manual
atualmente poderão aplicar suas habilidades em outras atividades do processo.
Palavras chave: Gases padrões; Sistema de supervisão; Monitoramento; Confiável.
ABSTRACT
The reliability of the system applied in the industrial process is of paramount
importance to obtain the final product quality and reducing waste, which are
consequently related to the appointed cost in the final product offered to customers.
This work aims to improve the process in the laboratory of a company automobilistica
emissions, which has a deficiency in its monitoring process gases patterns, which are
used to perform the comparison of the gases emitted by motor vehicles. This existing
process requires the attention of technicians, because if lacks the standard gas for
the comparison of sample issued, the tests are lost causing delays in the schedules
of projects and getting unnecessary costs deriving from the rework required.
Our objective is to reduce human error in the process and make the system
more reliable, so we are proposing in this academic work a supervision system to
monitor the process of a determined distance, in which the standard gases will can
be supervised inside the control room by the operators who will have, constantly, the
pressure levels of all the cases in a dedicated interface.
This monitoring process of the gases proposed, will bring great benefits to the
process as a whole, compared with the manual monitoring, because besides making
it more reliable, it will eliminate steps in the technicians’ routine who won’t need to do
continuous monitoring, because the proposed supervisory system will inform the
exact instant for gas exchange, because it will be constantly monitoring the pressure
of the cylinders informing with visual alert in the interface of the operators. Therefore,
the technicians who are currently performing manual monitoring, can now to apply
their skills in other activities in the process.
Keywords: standard gases. Supervisory system. Monitoring; Reliable
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 01. Conversor catalítico ................................................................................. 21
Figura 02. Funcionamento do laboratório de emissões ........................................... 23
Figura 03. Degraus gerados pela conversão analógica para digital ........................ 27
Figura 04. Comparação de um conversor de 4 bits e 8 bits ..................................... 28
Figura 05. Demonstração da curva linear ideal ........................................................ 29
Figura 06. Topologia Anel ........................................................................................ 30
Figura 07. Topologia Estrela .................................................................................... 31
Figura 08. Topologia Barramento ………………………………………………….…… 31
Figura 09. Cabo de pares Trançados ....................................................................... 32
Figura 10. Transmissão Half-duplex e Full-duplex ................................................... 32
Figura 11. Transdutor de pressão modelo 3PP6-12 ................................................ 38
Figura 12. Inserindo o chicote ao transdutor de pressão ......................................... 39
Figura 13. Curva de referência do Transdutor de pressão ....................................... 40
Figura 14. Conversor analógico para digital ............................................................. 41
Figura 15: Dimensionamento físico do conversor analógico para digital ................. 42
Figura 16. Funcionamento do módulo 7017 ............................................................ 43
Figura 17. Módulo 7561 - Conversor de sinal RS-485 para USB ............................ 44
Figura 18. Funcionamento do módulo 7561 - conversor RS-485 para USB ............ 44
Figura 19. Fonte modelo IP-24AC alimentando os módulos 7017 e 7561 .............. 45
Figura 20. Fonte de alimentação 5 volts ................................................................. 46
Figura 21. Configuração do sistema supervisório ................................................... 47
Figura 22. Interface digital do Sistema Supervisório ................................................ 47
Figura 23. Visualização de todo processo pelo galvanômetro ................................. 48
Figura 24. Tabela de amostragem das pressões ................................................... 49
Figura 25. Consumo dos gases graficamente .......................................................... 49
Figura 26. Alarmes do sistema supervisório ........................................................... 50
LISTA DE GRÁFICOS
Gráfico 01. Emissão de monóxido de carbono no Brasil .......................................... 19
Gráfico 02. Testes de emissões perdidos ................................................................ 51
LISTA DE TABELAS Tabela 01.Gases na atmosfera ............................................................................... 16
Tabela 02. Limites de emissões .............................................................................. 18
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
A – Área
A – Argônio
A/D – Analógico para digital
AC – Corrente Continua
CH4 – Metano
CHO – Aldeídos
CO2 – Monóxido de carbono
CONAMA – Conselho Nacional do Meio Ambiente
CPU – Unidade central de processamento
F – Força
g/km – gramas por quilometro
H2 – Hidrogênio
He – Hélio
HTML – Linguagem de Marcação de Hipertexto
HTTP – Protocolo de Transferência de Hipertexto
IBAMA – Instituto Brasileiro do Meio Ambiente e dos Recursos Naturais Renováveis
IP – Protocolo de Internet
Kbps – Quilobit por segundo
Kg – Quilograma
Kr – criptônio
Mbps – megabits por segundo
mg/m³ – Miligrama por metro cúbico
MHz – Mega Hertz
MPA – Mega pascal
N2 – Nitrogênio
N2O – Óxido nitroso
Ne – Neônio
O2 – Oxigênio
P – Pressão
Pa – Pascal
PLC – Controlador lógico programável
PPM – Partículas por milhão
PROCONVE – Programa de controle de emissões veiculares
PSI – Libra por polegada quadrada
RS – Recommended Standard
RTU – Remote terminal unit
SCADA – Sistemas de Supervisão e Aquisição de Dados
SI – Sistema internacional
TCP – Protocolo de Controle de Transmissão
USB – Universal Serial Bus
VDC – Tensão contínua
Xe – Xenônio
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ...................................................................................................... 14
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ............................................................................. 16
2.1 Gases na atmosfera ........................................................................................... 16
2.1.1 Emissão de poluentes veiculares .................................................................... 17
2.1.2 Monóxidos de Carbono ................................................................................... 18
2.1.3 Óxidos de Nitrogênio (Nox) ............................................................................. 19
2.1.4 Hidrocarbonetos .............................................................................................. 20
2.2 Conversores catalíticos ...................................................................................... 20
2.3 Laboratório de emissões .................................................................................... 21
2.4 Pressão .............................................................................................................. 23
2.4.1 Pressões dos Gases ....................................................................................... 23
2.4.2 Manômetros ..................................................................................................... 24
2.4.3 Sensores ......................................................................................................... 24
2.4.4 Sensores de pressão ....................................................................................... 25
2.4.5 Transdutores de pressão ................................................................................. 25
2.5 Conversões de sinais analógicos para digitais ................................................... 26
2.5.1 Resolução ........................................................................................................ 27
2.5.2 Velocidade de amostragem ............................................................................. 28
2.5.3 Linearidade ...................................................................................................... 29
2.6 Redes de automação ......................................................................................... 29
2.6.1 Especificações de uma rede de automação .................................................... 30
2.6.2 Protocolos ........................................................................................................ 33
2.6.2.1 Protocolo RS-485 ......................................................................................... 33
2.6.2.2 Protocolo Universal Serial Bus ..................................................................... 34
2.7 Sistemas Supervisorios ...................................................................................... 34
2.7.1 Historia dos Sistemas Supervisorios ............................................................... 35
2.7.2 Componentes Físicos de um Sistema Supervisorio ........................................ 35
2.7.3 Comunicação de um Sistema Supervisorio ..................................................... 36
3 CARACTERÍSTICAS DO PROJETO .................................................................... 38
3.1 Transdutores de pressão ................................................................................... 38
3.2 Módulo conversor de sinal analógico para digital ............................................... 40
3.3 Módulo conversor de protocolo RS-485 para USB ............................................ 43
3.4 Fonte de alimentação dos módulos .................................................................... 44
3.5 Fonte de alimentação dos transdutores de pressão .......................................... 45
3.6 Sistemas supervisorios ....................................................................................... 46
3.7 Custo aplicado no projeto ................................................................................... 50
3.8 Melhorias adquiridas decorrentes da implementação do projeto ....................... 51
CONSIDERAÇÔES FINAIS ..................................................................................... 52
REFERÊNCIAS ........................................................................................................ 53
ANEXOS ................................................................................................................... 54
14
1. INTRODUÇÃO
A Revolução Industrial ocorrida no século XVIII no continente europeu
transpôs diversas conseqüências e evoluções para o mundo, demonstrando os
benefícios tecnológicos dispostos em uma corporação proporciona vantagens
produtivas. Assim a competitividade no mercado através de metas e lucros
superiores a cada ano, é orientada com avanços tecnológicos onde os investimentos
empregados na fabricação do produto são concebidos pelo menor tempo que o
produto é fabricado, pelo processo automatizado em que a repetição da qualidade
do produto é continua e com falhas esporádicas e conseqüentemente a redução de
retrabalhos no processo que é um dos fatores que mais gera desperdício e custos
desnecessários.
O projeto sistema de supervisão de pressão na sala de gases padrões do
laboratório de emissões, será implementado em um laboratório de uma empresa
automobilistica situada em Indaiatuba, com ituito de proporcionar os beneficios de
um processo automatizado, no qual o processo atual de monitoramento de pressão
de gases é efetuado manualmente por técnicos que muitas das vezes tem seu
tempo desperdiçado pelo deslocamento e pela verificação de diversos manômetros
de diferentes tipos de gases padrões.
A automação proposta foi visualizada com a necessidade de melhorar o
processo e transformá-lo mais confiável, evitando falhas humanas na leitura e
interpretação da pressão obtida nos cilindros utilizados como referência para
calibração de analisadores de gases. O projeto propõe também reduzir tempo no
processo, eliminando o tempo gasto atualmente de deslocamento dos técnicos para
a sala de gases padrão e o de analise das pressões nos manômetros,
transformando este processo em uma visualização online de todas as pressões em
uma única “janela” de interface em um computador não dedicado para este fim, já
situado na sala de controle. Contudo o mesmo possibilitará maior capacidade de
testes a serem realizados no laboratório de emissões, assim obtendo mais dados
para desenvolvimento de novos produtos com qualidade.
Neste projeto, observando a situação em nosso mercado competitivo de
extrema concorrência onde o custo final ao consumidor interfere diretamente ao
sucesso do produto ou projeto, assim foi empregado o dimensionamento ideal de
material evitando custos desnecessários, porém de qualidade reconhecida, assim
15
podendo oferecer um projeto de baixo custo e obter grandes benefícios. A
automação proposta reduzirá o tempo do processo de verificação e controle de
pressão dos gases, assim reduzindo o custo no processo e possibilitando maior
tempo disponível para que a empresa e financiadora do projeto execute testes de
desenvolvimento de veículos com qualidade superior com as demais empresas do
seguimento.
16
2. ESTUDO DOS GASES 2.1. Gases na atmosfera
De acordo com Mano, Pacheco e Bonelli (2005), a atmosfera é composta por
uma massa gasosa que envolve o nosso planeta Terra, no qual existem quatro
camadas que a divide, onde as camadas se diferenciam pela temperatura, pressão e
composição química. A camada que esta em contato com a superfície terrestre é a
troposfera, no qualsua espessura varia entre oito a vinte quilômetros dependendo da
localização no globo terrestre. A massa da troposfera constitui cerca de noventa e
dois por cento no volume da atmosfera, onde possuímos dois gases com maior
concentração que são eles nitrogênio e oxigênio que estão na proporção de
aproximadamente setenta e oito por cento o nitrogênios e vinte e um por cento de
oxigênio, conforme mostra tabela 01.
Nome Formula % (porcentagem) PPM
Nitrogênio N2 78.08 -
Oxigênio O2 20.94 -
Argônio A 0.85 -
Dióxido de Carbono CO2 0.03 -
Neônio Ne - 18.18
Hélio He - 5.24
Metano CH4 - 2.00
Criptônio Kr - 1.14
Hidrogênio H2 - 0.50
Oxido de Nitrogênio N2O - 0.50
Xenônio Xe - 0.09
Outros 0.10 2.35
Tabela 01. Gases na atmosfera
Fonte tabela 1: (MANO, PACHECO e BONELLI, 2005, p.27)
17
2.1.1 Emissão de poluentes veiculares
Segundo o PROCONVE1,, a análise do crescimento da frota brasileira de
veículos automotores nas últimas décadas tornou-sedeterminante a elaboração de
um plano para reduzir e controlar os níveis de emissões dos principais poluentes
veiculares, entre eles o monóxido de carbono (CO), óxidos de nitrogênio (Nox),
hidrocarbonetos (HC) e aldeídos (CHO). Tendo em consideração que o gás dióxido
de carbono (CO2) apesar de não ser controlado com normas regulamentadoras
devido à sua baixa toxidade, deve ser levado em consideração, pois compõe
contribui para o efeito estufa.
Com a analise do crescimento da frota brasileira foi elaborado na data 06 de
maio de 1986, a Resolução nº18 do Conselho Nacional do Meio Ambiente
(CONAMA) desenvolveu o Programa de Controle de Poluição do Ar por Veículos
Automotores (PROCONVE), coordenado pelo Instituto Brasileiro do Meio Ambiente e
dos Recursos Naturais Renováveis (IBAMA), onde foi estabelecido os primeiros
limites de emissão para veículos leves. Porém a obrigatoriedade foi estabelecida
apenas na data de 28 de outubro de 1993 com a lei nº 8.723 no intuito de reduzir os
níveis de emissão dos poluentes de origem veicular e induzir o desenvolvimento
tecnológico de motores mais econômicos, tendo base que o consumo do veiculo
esta diretamente relacionado com a emissão de seus poluentes gerado pela queima
do combustível com o ar que entra no motor, realizando a função desejada que seria
a explosão nos cilindros do motor.
As exigências estabelecidas no controle de emissão de poluentes de veículos
automotores são aferidas por meio de ensaios padronizados em dinamômetro com
combustíveis referenciados e percurso previamente determinados e padronizados.
O PROCONVE também requera certificação de veículos protótiposcom
acompanhamento estatístico, até chegarmos nafasede produção, os veículos
encontrados em desconformidade dos veículos não homologados é tem sua
proibição da comercialização.
A homologação de protótipos veiculares é a maior responsabilidade atribuída
ao PROCONVE, no qual impõe que as montadoras ofereçam projetos com baixo
potencial poluidor, com uma taxa previamente determinada de deterioração do
1PROCONVE é a sigla referente ao Programa de Controle de Emissões Veiculares, criado pelo
Conselho Nacional do Meio Ambiente, como objetivo de controlar a qualidade do ar nos centros
urbanos.
18
conversor catalítico que é responsável pela conversão dos gases controlados. A
classificação e limites empregados aos veículos é atribuída pela razão de seu peso,
sendo que a fase caracterizada pela letra "L” são para veículos leves até 1.700kg.
Podemos visualizar na tabela 02 o nível L-5 que corresponde aos limites das
unidades homologadas atualmente e na coluna ao lado valores do nível L-6 que
entrará em vigor no ano de 2014.
POLUENTES (g/km) Limite fase L-5
(Desde1º/1/2009)
Limite fase L-6
(Desde1º/1/2014)
Monóxido de carbono 2,00 1,30
Hidrocarbonetos 0,30(2) 0,30(2)
Não metano 0,05 0,05
Óxidos de nitrogênio 0,12(3)- 0,25(4) 0,08
Material particulado (4) 0,05 0,025
Aldeídos(3) 0,02 0,02
Emissão evaporativa 2,0 1,5(6) - 2,0(5)(6)
Emissão de gás no cárter Nula Nula (1) Em 2014 para todos os novos lançamentos e 2015 para todos os veículos comercializados.
(2) Aplicável somente a veículos movidos a GNV; (3) Aplicável somente a veículos movidos a gasolina ou etanol;
(4) Aplicável somente a veículos movidos a óleo diesel; (5) Aplicável aos ensaios realizados em câmera selada de volume variável
(6) Aplicado a todos os veículos a partir de 1º/1/2012
Tabela 02 – Limites de emissões
Fonte: IBAMA - Instituto Brasileiro do Meio Ambiente e dos Recursos Naturais Renováveis,
2012.
Vale lembrar que para a redução dos limites de emissões apresentados na
tabela 2, são empregadas novas tecnologias em todo o processo assim, podendo
alcançar os limites estabelecidos com o rendimento e potência aceitável pelo
consumidor.
2.1.2 Monóxidos de Carbono
19
O monóxido de carbono é um gás insípido, inodoro, insípido e mais leve que o
ar. As concentrações encontradas no ar que respiramos é 0,01 à 0,23 mg/m³ no qual
a concentração nas áreas urbanas variam de acordo com as condições climáticas e
a circulação da frotadeste poluente denominado primário. A maior quantidade de
emissão de monóxido de carbono na forma antropogenica é dada pelos veículos
automotores, onde as piores condições são na partida onde o conversor catalítico
que os veículos automotores possuem, encontra-se em temperatura baixa e
converte o monóxido de carbono em uma quantidade inferior em relação ao estado
aquecido deste conversor, que tem como objetivo reduzir a concentração dos gases
tóxicos e nocivos. Abaixo podemos verificar o gráfico 01 que nos indica a emissão
do monóxido de carbono como sendo a mais significativa em comparação com
outros fatores geradores do monóxido de carbono (Vieira, 2009).
Gráfico 01. Emissão de monóxido de carbono no Brasil
Fonte: Vieira, Poluição do Ar, 2009, pág. 39.
2.1.3 Óxidos de Nitrogênio
Segundo Vieira (2009), os óxidos de nitrogênio (Nox) é a representação das
combinações de óxido nítrico (NO) e dióxido de nitrogênio (NO2), no qual podem ser
produzidos por fenômenos naturais e por fontes antropogenica, onde os fenômenos
naturais são atribuídos aos relâmpagos, as erupções vulcânicas e a ação bacteriana
no solo, enquanto a emissão realizada por fontes antropogenica é dada pela queima
de combustíveis em motores, unidades de geração de energia térmica, sistemas de
aquecimento domestico e incineradores,tendo que a concentração do oxido nítrico
20
representa noventa por cento desta relação. O oxido nítrico é transformado na
combustão do nitrogênio aplicado em alta temperatura da queima dos combustíveis
de veículos automotores, podendo ser oxidado em oxido de nitrogênio dependendo
da temperatura da câmara de combustão no qual se encontra (Vieira, 2009).
2.1.4 Hidrocarbonetos
Segundo Vieira (2009), os hidrocarbonetos emitidos por veículos
automotoresprovem do combustível não queimado, ou parcialmente queimado,
gerado pela explosão da queima do motor, que se eleva em condições nas quais se
trabalha com mistura rica (com menos ar do que o ideal para queima
estequiométrica) ou muito pobre (excesso de ar para queima estequiométrica) que
comprometem a combustão dos motores. Os hidrocarbonetos reagem na atmosfera,
provocando a formação do “smog” que seria uma camada de poluição na atmosfera.
A emissão dos hidrocarbonetos ocorre com maior concentração quando o
motor se encontra na fase fria e com decorrer do aquecimento natural do motor e do
conversor catalítico temos a diminuição significativa deste elemento poluidor. A
legislação brasileira responsável pelo controle de emissão de poluentes de veículos
automotores estabelece limites de emissões menores a cada ano, com o objetivo de
reduzir ao máximo este elemento poluidor no ar que respiramos emitida por grande
quantidade nos veículos automotores (Vieira, 2009).
2.2. Conversores catalíticos
Segundo Glehn, os catalisadores mais conhecidos como conversores
catalíticos recebem este nome por conseguir reduzir aproximadamente noventa por
cento dos principais gases poluentes decorrentes da queima nos cilindros dos
veículos automotores. Os catalisadores possuem um elemento cerâmico em formato
de colmeias, no qual recebem uma película dos metais paládio, ródio, molibdênio ou
a platina, que tem a função catalítica desejada para a transformação dos poluentes.
Vejamos a representação na Figura 01.
21
Figura 01. Conversor catalítico
Fonte: Jennifer Vargas Fogaça (2012) - http://www.mundoeducacao.com.br/quimica/catalise-
heterogenea.htm
2.3 Laboratório de emissões
Conforme Torres (2008), o laboratório de emissões de poluentes tem como
objetivo desenvolver e certificar veículos automotores, de maneira que possa
oferecer potência, consumo de combustível e emissão de poluentes de acordo com
as exigências do mercado e dos consumidores que se tornam cada vez mais
exigentes devido a grande diversidade de veículos. Por isso os laboratórios de
emissões buscam representar da maneira mais representativa possível as condições
que os clientes encontrariam nas ruas, avenidas e rodovias. Assim, a temperatura do
ambiente onde o veículo é ensaiado, as velocidades do veículo (ou do motor), as
forças (potências) enfrentadas a cada condição de velocidade, os regimes
transitórios e, sobretudo, a porcentagem de permanência em cada conjunto de
condições simultâneas devem ser cuidadosamente simuladas em laboratório para
ser possível uma medição correta e de boa repetitividade, cujos resultados reflitam a
realidade do trânsito na região em estudo, sem o que seria impossível correlacionar
os dados de qualidade do ar com os fatores de emissão dos veículos e,
conseqüentemente, determinar o percentual de redução da emissão necessário ao
controle ambiental.
22
Tal simulação é feita através da colocação do veículo (ou do motor, no caso
de veículos pesados) num dinamômetro que impõe as mesmas condições de força
enfrentadas no movimento em trânsito normal. O operador dirige o veículo (ou opera
o motor) de acordo com um ciclo de condução padronizado que determina as
condições de velocidade. Durante o ensaio, os poluentes emitidos são coletados
através de um sofisticado sistema de amostragem e analisados qualitativa e
quantitativamente.
A amostragem e a análise dos poluentes fazem parte dos itens mais
delicados do ensaio de emissão de um veículo ou de um motor. Desde a coleta, a
transferência, a armazenagem e até a medição do poluente, uma série de cuidados
devem ser tomados para evitar condensações e reações químicas durante o
processo, bem como conhecer e manter a temperatura, a pressão e a umidade dos
gases dentro de certos limites que garantam a repetitividade e permitam a correção
dos resultados para as condições padrão.
Desta forma, as células de ensaio do laboratório serão dotadas de sistemas
de coleta e análise de gases de exaustão concentrados ou diluídos, dinamômetros
de bancada (dinâmico e passivo) e de chassi (leve e de motocicletas), bancadas de
analisadores de gases de emissão, instalações e equipamentos auxiliares, visando a
perfeita simulação das condições que um veículo enfrenta no tráfego urbano, além
de um laboratório químico capaz de realizar análises de poluentes não
convencionais e de combustíveis, dando suporte ao desenvolvimento de limites de
emissão para novos poluentes e para a melhoria da qualidade de combustíveis.
23
Figura 02. Funcionamento do laboratório de emissões
Fonte: Torres, Ampliação do laboratório de emissões, 2008, pag.34.
2.4 Pressão
Conforme Franco (1987), a pressão é definida como sendo a força normal
exercida por unidade de superfície, esta relação pode ser representada pela
equação P=F/A, no qual “P” seria pressão, “F” força e “A” como sendo a área. A
pressão é uma grandeza escalar, e existem diversas unidades de medidas para
pressão, porém a padronizada pelo Sistema Internacional de Unidades (SI) é o
Pascal, representado pela sigla Pa em homenagem ao cientista francês Blaise
Pascal.
2.4.1 Pressões dos Gases
O estudo da cinética dos gases nos permite relacionar as propriedades dos
gases pelo principio de fenômenos de movimento mecânico das moléculas quando
estas são analisadas de forma isolada. Analisando as partículas que se movimentam
independentemente e de forma aleatória, sem qualquer direção no espaço, com uma
determinada velocidade pode se dizer que as mesmas ocupam apenas uma
pequena parte do volume do recipiente, a maioria do seu espaço permanece vazio.
A energia cinética média das moléculas do gás varia de acordo com a variação de
24
temperatura. No choque entre as moléculas geralmente há modificação da
velocidade das partículas.
A força exercida pelo gás sobre a parede de um reservatório que no caso
seria o cilindro de gás a ser verificada sua pressão, a pressão do gás pode ser
atribuída aos choques das moléculas contra as paredes do cilindro, transmitindo
impulso às paredes.
Podemos simplificar os termos de definição e dizer que a pressão de um gás
é a conseqüência macroscópica dos choques moleculares das suas partículas sobre
as paredes de um reservatório onde se encontram. As partículas de um gás
possuem grande liberdade de movimentos e se desloca no espaço em todas as
direções, chocando entre si ou com as superfícies de todos os corpos. Quanto maior
for o número de choques das partículas sobre a superfície, em num determinado
tempo, maior é a pressão exercida pelo gás (Franco, 1987).
2.4.2 Manômetros
A pressão de um gás armazenado num recipiente fechado pode ser
mensurada com um manômetro, instrumento inventado no ano de 1661 pelo físico e
astrônomo holandês Christiaan Huygens. Manômetros são instrumentos utilizados
para aferir pressões de fluidos contidos em recipientes fechados. O manômetro é
classificado como um instrumento simples pelo fato de medir a pressão entre dois
pontos em um fluido
.Então podemos dizer que o manômetro analisa uma grandeza analógica que
seria a pressão, mas esta grandeza em questão pode ser analisada nos dias de hoje
por sensores eletrônicos que transformam a informação analógica em digital para
ser interpretado por interfaces automatizadas e sistemas que possuem um
monitoramento constante da pressão no sistema, transformando um elemento
essencial para automação de diversos sistemas que possuem a pressão de um gás
a ser utilizada como informação no processo de fabricação (Tripler, 1995).
2.4.3 Sensores
Conforme Ribeiro (2001), as informações obtidas para os sistemasde
aquisição de dados geralmente são analógicas, referentes ao valor numéricode
algum parâmetro físico não elétrico, como a pressão, temperatura, vazão, nívelou
25
análise. O sensor tem por objetivo realizar a conversão de um sinal não elétrico para
um sinal elétrico equivalente.
As funções mais comuns de um sensor são: sentir a presença ou o tamanho
de um objeto, verificar o nível de um líquido, captar a corrente de um circuito elétrico
ou a pressão de algum tipo de gás (Moraes e Castrucci, 2007, página 70).
Sensores são dispositivos amplamente utilizados na automação industrial
que transformam variáveis físicas, como posição, velocidade, temperatura,
nível, em variáveis convenientes. A classificação técnica dos sensores
depende de um grande número de parâmetros, cujo conhecimento e correta
interpretação são muito importantes para o desempenho e a confiabilidade
dos sistemas de automação industrial. Afinal, os sensores são os canais de
comunicação dos processos físicos, reais, com os sistemas de controle,
automação e supervisão. São os “olhos e ouvidos” desses sistemas. Na
automação industrial o principal objetivo de um sensor é comandar eventos,
como por exemplo, a chegada de um objeto a uma posição, ou um nível de
um líquido a um determinado valor.
2.4.4 Sensores de Pressão
Segundo Moraes e Castrucci (2007), atualmente os sensores eletrônicos
de pressão são de imensa importância pela necessidade de possuir um sistema
automatizado, onde sua função é enviar sinais elétricos diretamente para
circuitos de controle ou de monitoramento que são muitos empregados em
sistemas supervisórios, onde conhecimento das características dos sensores e
seu funcionamento são de grande importância para compreensão e ideal
utilização.
A pressão por ser uma grandeza analógica, permite infinidades intervalos de
trabalho, no qual cada tipo de sensor converte através das propriedades de
movimento de uma agulha numa escala, em uma tensão elétrica, uma corrente
elétrica, ou em outra grandeza que possa ser observada e interpretada por sistemas
inteligentes que compõem o processo, que trabalha a informação decodificada por
algum tipo de sensor, com a finalidade de informar de modo digital a pressão até
então interpretada de maneira analógica onde o sistema não consegue trabalhar a
informação.
2.4.5 Transdutores de pressão
26
É o nome designado a um dispositivo completo, que contém o sensor,
utilizado para transformar uma grandeza qualquer em outra que pode ser utilizada
nos dispositivos de controle. Um transdutor pode ser considerado uma interface ás
formas de energia do ambiente e o circuito de controle ou ocasionalmente entre o
controle e o atuador.
Os transdutores de pressão convertem uma grandeza física (a pressão) em
um sinal de tensão ou corrente que pode ser prontamente entendido por um sistema
de controle. Deste modo, o transdutor é um dispositivo que transforma uma forma de
energia em outra.
Em muitas ocasiões os termos “sensor” e “transdutor” são usados de forma
confusa; pelo simples fato do sensor ser apenas um componente do transdutor, ou
seja, o transdutor é o instrumento completo, que reúne o sensor e todos os circuitos
de interface apropriados de serem utilizados numa aplicação industrial (Machado,
2012).
2.5 Conversões de sinais analógicos para digitais
Segundo Wakerly (2000), atualmente necessitamos coletar diversas
grandezas físicas como, por exemplo, a temperatura, pressão, velocidade entre
outras no qual estas são grandezas de natureza analógica, que por sua vez
necessitam de sistemas conversores para sinais digitais para que possam ser
interpretadas as informações em codificação de bits denominamos este processo
“Conversão Analógico-Digital”. No qual existem diferentes técnicas de conversão
analógica para digital, que varia em função da precisão desejada e do tempo
máximo aceitável para se realizar esta conversão. A maioria dos sensores que
coletam a informação analógica fornece uma tensão que é proporcional à grandeza
medida e que varia de forma contínua numa faixa de valores.
No qual os equipamentos modernos que fazem a aquisição dos dados dos
sensores trabalham com técnicas digitais para controle de processos ou apenas
mensurar o processo. Com isso o dado analógico, uma grandeza que varia de forma
contínua, necessita ser convertido para a forma digital, conforme mostra a figura 03.
27
Figura 03. Degraus gerados pela conversão analógica para digital
Fonte: Braga, (2012) - http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/instrumentacao/78-artigos-
diversos/1879-ins059.html
Para realizarmos esta conversão necessitamos de circuitos eletrônicos
denominados “conversores analógicos digitais”, que de acordo com as necessidades
de cada projeto podem variar sua metodologia e construção de conversão do sinal.
Por isso veremos na seqüência algumas características dos conversores de sinais
analógicos para digitais.
2.5.1 Resolução
Entre os valores extremos que seria o máximo e o mínimo da escala de
valores analógicos que devem ser convertidos para o sinal digital existem infinitos
valores intermediários, que corresponde a natureza de grandezas analógicas. No
entanto, quando transformamos o valor analógico que corresponde infinitas
possibilidades não podemos representar digitalmente, pois necessitaríamos de
infinitos bits. No qual a quantidade de bits adotado no projeto corresponde a
possibilidades de valores a ser interpretados digitalmente, na figura abaixo temos um
exemplo de conversão de 4 bits que resulta em 16 valores possíveis digitalmente e a
conversão de 8 bits que possibilita a utilização de 256 valores em seu projeto
(Wakerly, 2000).
28
Figura 04. Comparação de um conversor de 4 bits e 8 bits.
Fonte: Braga, (2012) - http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/instrumentacao/78-
artigos-diversos/1879-ins059.html
Um caso pratico que podemos exemplificar seria a variação de tensão de um
sensor qualquer de 0 a 4 volts com a escolha 4 bits, a conversão dos "degraus" da
escada de conversão seria 0,25 volts no qual seria o valor de sua resolução. No
entanto se optarmos por ter uma resolução maior, teríamos que aumentar a
quantidade de bits no projeto exemplificando o aumento com um de 8 bits teríamos
uma resolução aproximada de 0,015 volts por degrau de conversão. Claramente
observamos que quanto maior a precisão que nosso sistema necessita maior será a
quantidade de bits que teremos que utilizar no projeto (Wakerly, 2000).
2.5.2 Velocidade de amostragem
A maioria dos processos de aquisição de dados necessita ser rápidos, no qual
o método de conversão do sinal analógico para digital que optarmos corresponderá
uma velocidade ideal de analise. Um multímetro pode ser utilizado conversores
denominados lentos com taxas ou velocidades de amostragens de até algumas
amostragens por segundo, os multímetros comuns realizam aproximadamente de 1
a 10 amostragens por segundo. Porém, um osciloscópio digital que analisa uma
forma de onde de 10 MHz, para possuir uma definição razoável deve realizar pelo
menos 100 milhões de amostragens por segundo (Wakerly, 2000).
29
2.5.3 Linearidade
Na conversão da grandeza analógica para o sinal digital devemos buscar a
uma curva linear para obtermos uma conversão de qualidade, no qual não devem
existir desvios na correspondência entre o valor analógico e a saída digital ao longo
da escala de valores em que o conversor executa. Porém, na prática na maioria das
vezes surgem alguns desvios, conforme mostra a figura 05.
Figura 05. Demonstração da curva linear ideal.
Fonte: Braga, (2012) - http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/instrumentacao/78-artigos-
diversos/1879-ins059.html
Significando que em determinados intervalos de amostragem a conversão
pode ser menos precisa no qual é de maior gravidade na conversão de maior
definição, pois os desvios podem obter a mesma ordem de grandeza que os
"degraus" da escada de conversão, afetando significativamente a precisão final da
conversão (Wakerly, 2000).
2.6 Redes de Automação
Pode-se dizer que o desejo de controlar os processos industriais acompanha
o homem desde a criação das primeiras máquinas. Até a década de 1940, as
plantas eram operadas manualmente por um grande número de operadores, os
quais se valiam de alguns poucos instrumentos mecânicos elementares que
realizavam controle local.
Atualmente as redes de comunicação estão sendo empregadas em larga
escala, devido ao crescimento da tecnologia. Otimizando o tempo, minimizando os
custos e maximizando a produção, pois apresentam vantagens como diminuição da
fiação, facilidade na manutenção e eliminação de possíveis riscos na produção.
Apresentam protocolo padronizado onde possibilita haver comunicação entre
30
dispositivos e fabricantes distintos. Fazendo com que criássemos um sistema
supervisório de gases utilizando rede de comunicação.
Para a construção desta rede de comunicação consideramos a que melhor
atendeu a aplicação desejada, buscando conhecer detalhes referentes à velocidade
de transmissão, acessibilidade, meios de transmissão, confiabilidade e outros
requisitos importantes (Gutierrez, 2008).
2.6.1 Especificações das redes de automação
Segundo Moraes e Castrucci (2007), são necessárias para a especificação de
uma rede de automação as seguintes variáveis: taxa de transmissão, topologia física
da rede, meio físico de transmissão, tecnologia de comunicação e algoritmo de
acesso ao barramento.
Taxa de transmissão é a quantidade média de dados a serem transmitidos na
rede em um período de tempo. O termo utilizado para esta especificação é
throughput2. A taxa de transmissão de dados é medida em kilobits por segundo
(kbps), que significa 1000 bits por segundo.
Topologia física da rede está relacionada com a disposição construtiva na
qual os dispositivos estão conectados na rede. Exemplos de topologias físicas de
rede: anel, estrela e barramento.
Figura 06. Topologia Anel
Fonte: http://estudoderedes.wordpress.com/2012/04/22/topologia-de-redes/
2Throughput é a quantidade de dados transferidos de um lugar a outro, ou a quantidade de dados
processados em um determinado espaço de tempo.
31
Figura 07. Topologia Estrela
Fonte: http://estudoderedes.wordpress.com/2012/04/22/topologia-de-redes/
Figura 08. Topologia Barramento
Fonte: http://estudoderedes.wordpress.com/2012/04/22/topologia-de-redes/
O meio físico de transmissão estão relacionados ao cabeamento utilizado
para a interconexão dos dispositivos. Existem muitos tipos de meios físicos de
transmissão, e alguns exemplos são: par trançado, cabo coaxial e fibra ótica.
(Moraes; Castrucci, 2007).
Cabo par trançado para conector de rede RS-485 e Universal Serial bus
(USB) é um cabo blindado de dois pares trançados com características necessárias
para transmissão de dados em alta velocidade no ambiente industrial.
32
Figura 09. Cabo de pares Trançados
Fonte: http://www.datalinkcom.net/rs232_converters/DL-21150121.htm
A transmissão Half-Duplex podereceber e enviar dados, porem ora envia
dados e na outra recebe, não consegue realizar o processo simultaneamente. Já
atransmissão Full-duplex consegue enviar e receber dados no mesmo instante
conforme ilustra a figura 10.
Figura 10. Transmissão Half-duplex e Full-duplex
Fonte: http://pbelyea.blogspot.com.br/2010/04/full-vs-half-duplex.html
Tecnologia de comunicação é a forma de gerenciamento entre os pontos de
comunicação (nós) da rede no tocante à comunicação de dados. As tecnologias
típicas de comunicação são mestre/escravo e produto/consumidor (Moraes;
Castrucci, 2007).
Mestre escravo somente a estação chamada de mestre pode agir como
detentora do direito de transmissão. Esse direito de acesso ao meio físico é
distribuído por ela para as estações escravas por um determinado tempo. Tal
configuração deixa o sistema dependente da estação central, mesmo assim é
bastante utilizado em instalações industriais. Este método garante um tempo entre
transmissões consecutivas a qualquer estação da rede, pela realização de um
controle com supervisão centralizada. (Rosario, 2005).
33
2.6.2 Protocolos
Protocolos caracterizam os elementos de maior importância nas redes de
automação industrial, tanto que as redes passam a ser denominadas pelos
protocolos utilizados (Moraes; Castrucci, 2007).
2.6.2.1 Protocolo RS-485
O protocolo RS-485 surgiu em 1983, é capaz de fornecer uma forma bastante
robusta de comunicação multiponto e vem sendo muito utilizado na indústria em
controle de sistemas e comunicação de dados.
A comunicação é half-duplex ou full-duplex, e pode ser utilizado sem
protocolo, desde que a comunicação seja ponto a ponto unidirecional ou bidirecional.
Segue alguns exemplos:
- Mestre enviando sinal para o escravo: Computador e uma impressora ou um
dispositivo controlado;
- Escravo enviando sinal para o mestre: Um coletor de dados que não
necessite a confirmação do mestre.
A comunicação RS-485 é utilizada para as seguintes particularidades:
- Instalações em ambientes industriais hostil, com alto nível de ruído
eletromagnético;
- Ambientes com alto grau de umidade;
- Dutos de passagem que compartilham com outros cabos elétricos;
- Comunicação em ambientes externos, com blindagem e aterramento;
- Quando o cabo apresentar comprimento superior a 100 metros.
As características básicas do RS-485 são:
- Multiponto;
- Até 32 dispositivos em redes;
- Distância máxima de 1200 metros.
Distância de transmissão:
Uma das vantagens da transmissão por par trançado na comunicação RS-485
é a capacidade de anular os ruídos e as interferências, com isso o alcance pode
chegar até 1200 metros.
O alcance é muito elevado, podendo chegar até 1200 metros, porém quanto
maior a distância percorrida dos dados menor será a taxa de transmissão.
34
2.6.2.2 Protocolo Universal Serial Bus
O protocolo universal serial busrepresentado usualmente pela sigla USB é um
tipo de conexão que permite ligar e usar sem a necessidade de desligar os
equipamentos, e é baseada na transferência de pacotes.
Para conseguir altas velocidades para a transferência dos dados o cabo USB
utiliza o procedimento de transar os cabos para anular a interferência
eletromagnética mutuas entre fios. Para a utilização de baixa velocidade não há
necessidade de transar os fios.
Taxa de transmissão: o USB possui três diferentes taxa de transmissão,
sendo elas High-Speed, Full-Speed e Low-Speed. O High-Speed possui taxa de 480
Mbps e é utilizada quando há necessidade de grande transferência e recebimento de
dados. O Full-Speed possui taxa de 12 Mbps e é utilizado quando necessita de
média transferência e recebimento de dados. O Low-Speed possui a menor taxa que
é de 1,5 Mbps. A Vantagem do cabo Low-Speed é possuir o baixo custo, o Full-
Speed é de ter custo baixo e largura da banda garantida e High- Speed é de possuir
banda larga e banda garantida (Moraes; Castrucci, 2007).
2.7 Sistemas supervisorios
De acordo com Lopes (2009), o sistema supervisório é um meio pelo qual
podemos ter acesso a tudo que está ocorrendo em um processo produtivo ou
instalação física, afim de obter um maior desempenho no monitoramento dessas
atividades para garantir mais segurança e confiabilidade para um determinado setor
de trabalho, isso funciona da seguinte forma: uma vez monitoradas e rastreadas as
informações do processo ou instalação física em questão, elas são coletadas
através de equipamentos de aquisição de dados e, em seguida, manipulados,
analisados, armazenados e apresentados ao usuário, este sistema também é
chamado de controle de supervisão e aquisição de dados (SCADA).
Este tipo de sistema fornece uma supervisão remota, utilizando sistemas de
telemetria através de tecnologias sem fio, como celulares, rádios ou satélites, os
quais permitem que o sistema SCADA tenha a capacidade de controlar qualquer
processo industrial, podendo ser utilizado desde os monitoramentos na área da
logística e até mesmo grandes empresas automotivas.
35
2.7.1 História dos sistemas supervisorios
A primeira utilização de um sistema supervisóriofoi no início da década de 80,
mas esse sistema tinha pouca tecnologia empregada, isso porque os computadores
da época não tinham muitos recursos e ocupavam enormes espaços, além deles
serem a tecnologia mais avançada dessa época o que fazia com que o custo fosse
extremamente alto, mas com a demanda dos processos crescendo cada vez mais e
as novas práticas de gestão, as empresas exigiam informações do processo em
intervalos de tempo cada vez mais curtos.Uma grande solução foi a descoberta dos
transistores que teve um enorme papel para a evolução dos computadores, a partir
daí começa-se a desenvolver sistemas supervisórios cada vez mais robustos, até
que em meados da década de 1980 surgem os sistemas SCADA
(SupervisoryControl And Data Aquisition), os quais não só supervisionam o
processo, mas também o controlam.
No final da década de 1980, os sistemas supervisórios estavam cada vez
mais velozes em termos de monitoração do processo e armazenando um número
maior de tags (variáveis do sistema), chegando-se a um ponto em que um único
sistema supervisório (SCADA) monitora mais de 400.000 tags, tudo isso devido à
enorme velocidade com que os computadores estavam avançando na época,
segundo Lopes (2009).
2.7.2 Componentes físicos de um sistema supervisório
Os componentes físicos de um sistema de supervisão são: sensores e
atuadores, rede de comunicação, estações remotas (aquisição/controle) e de
monitoração central (sistema computacional SCADA).
Os sensores são dispositivos no qual, quando conectados aos equipamentos
controlados e monitorados pelos sistemas supervisório, convertem parâmetros
físicos tais como de nosso projeto a pressão para sinais analógicos e digitais,
transformando em sinais de leitura para o controle e monitoramento. Já os atuadores
são especificados para realizar a ação ou simplificando o movimento físico do
sistema. O controle e aquisição dos dados começam nas estações remotas, com a
leitura de valores dos dispositivos que a ele estão programados para cada
determinada função de trabalho.
36
A rede de comunicação é o meio pelo qual as informações são transferidas do
PLC para o sistema supervisório, assim as exigências do sistema e a distância a ser
transferida a informação, podem ser utilizadas por meio de cabos Ethernet, fibras
ópticas, linha dial-up, linhas dedicadas e entre outras.
As estações de monitoração central são as unidades principais dos sistemas
supervisórios, tendo a responsabilidade de coletar as informações adquiridas pelas
estações remotas e atuar de acordo com as necessidades do sistema desenvolvido,
podendo ser centralizadas num único computador, de modo que compartilhe as
informações obtidas.
O processo de controle e aquisição de dados se inicia nas estações remotas,
controladores lógicos programáveis (PLCs) e Remote Terminal Units (RTUs), os
quais são unidades computacionais específicas, utilizadas nas instalações fabris (ou
qualquer outro tipo de instalação que se deseje monitorar) com a função de ler
entradas, realizar cálculos ou controles, e atualizar saídas. A diferença entre os dois
é que os PLCs são mais flexíveis na linguagem de programação na linguagem de
programação e controle de entradas e saídas, já as RTUs têm uma arquitetura mais
distribuída entre sua unidade central de processamento (CPU) e os cartões de
entradas e saídas com uma precisão maior (Lopes, 2009).
2.7.3 Comunicação de um sistema supervisório
A principal funcionalidade dos sistemas supervisórios são as trocas de
informação, que podem ser as seguintes:
- Comunicação com os PLCs;
- Comunicação com outros sistemas supervisórios;
- Comunicação com outros sistemas.
A comunicação com os equipamentos em campo é executada através de um
protocolo, no qual a metodologia pode ser tanto de domínio público ou de acesso
restrito.
A comunicação por denominada como “polling” (Master/Slave) é a
comunicação em que a estação central possui o controle absoluto das
comunicações, efetuando seqüencialmente a escolha dos dados obtidos em cada
estação remota, onde estas estações remotas apenas informam à estação central
após a recepção de um pedido, ou seja, um sistema de comunicação denominado
37
como “half-duplex”. Este processo transpassa simplicidade na coleta de dados,
inexistência de colisões no tráfego da rede. No entanto impossibilita a comunicação
em situações inversas no qual seria à estação central enviar informações e dado
para estações remotas.
A comunicação por interrupção é utilizada quando o PLC monitora os seus
valores de entrada e, ao detectar alterações significativas ou valores que
ultrapassem os limites definidos em sua programação pré definida, envia as
informações para a estação central, evitando informações desnecessárias,
diminuindo o tráfego na rede, e permitindo uma rápida detecção de informação entre
estações remotas. Porém este sistema tem as desvantagens da estação central
apenas conseguir a identificação das falhas na ligação depois de um determinado
período e também porque esta comunicação necessita de outros métodos para obter
os valores atualizados.
A comunicação com outros sistemas supervisorios pode ser realizada através
de um protocolo desenvolvido pelo próprio fabricante do sistema supervisório ou
através de um protocolo conhecido pelo sistema aplicado via TCP/IP.
A Internet pode ser um meio a se utilizar como meio de comunicação para os
sistemas supervisórios, tecnologias relacionadas com a Internet, e padrões como
Ethernet, TCP/IP, HTTP e HTML, é possível distribuir dados entre áreas de campo
até o a camada de supervisão e controle. Com o browser de Internet, é possível
controlar em tempo real, um sistema localizado em qualquer parte do mundo. No
qual o browser comunica com o servidor através do protocolo HTTP, e envia o
pedido referente à operação pretendida, onde recebe uma resposta em HTML, que
seria uma “página” de visualização. As vantagens da utilização da Internet e do
browser como interface de visualização de sistemas supervisórios são o modo
simples de visualização pelo operador e a fácil manutenção do sistema, segundo
Lopes (2009).
38
3. CARACTERISTICAS DO PROJETO
Analisando a situação no processo de verificação de pressão dos gases
padrões que é efetuada manualmente em vinte e quarto cilindros instalados na sala
de gases do laboratório de emissões, foi observado a possiblidade de aplicar um
sistema supervisório para monitorar os cilindros de gases padrões a distância.
O projeto elaborarado possui o intuito de obter os benefícios de um sistema
automatizado, utilizando components simples e com baixo custo, sendo eles o
sistema supervisório, conversor de sinal analógico para digital, conversor de
protocolos ( RS 485 para USB) e transdutores de pressão.
No decorrer deste trabalho, veremos as características dos componentes
utilizados no projeto e também a metodologia aplicada em cada etapa da
automação.
3.1 Transdutores de pressão
A necessidade de interpretar uma grandeza física, no qual é a pressão obtida
nos cilindros padrões e transformar em uma grandeza mensurável logicamente por
um sistema digital foi necessário adquirir transdutores de pressão. Possibilitando
assim, interpretar as diferenças de pressão obtida na utilização dos gases padrões
dos cilindros. Isso pode ser feito, pois os transdutores emitem uma variação de
tensão na sua saída, no qual esta relacionada com a variação de pressão na entrada
do transdutor. Vejamos o transdutor adquirido na figura 11, da empresa SENSATA
com modelo 3PP6-12.
Figura 11. Transdutor de pressão modelo 3PP6-12
39
Este sensor de pressão também conhecido como transdutor de pressão foi
adquirindo juntamente com o chicote elétrico do mesmo fabricante dos transdutores,
assim facilitando a montagem e garantindo qualidade contra ruídos nos sinais. Este
chicote foi inserido na saída do transdutor que emite o sinal em tensão conforme
citamos anteriormente. Em seguida podemos observa a figura 12 que nos possibilita
a visualização do chicote elétrico sendo inserido na saída do transdutor, onde este
nos fornece três fios sendo eles, a alimentação do transdutor em tensão continua de
5 voltsidentificado pela cor do fio vermelho, o ground que seria o terra do sistema
representado pelo fio da cor azul e por fim o fio da cor marrom que é a saída de
tensão do sistema que será encaminhado para a conversão do sinal analógico para
digital.
Figura 12. Inserindo o chicote ao transdutor de pressão
Este transdutor utilizado pode ser dito como o item de maior relevância na
redução de custos do projeto, pois buscamos através de orçamentos um sensor
acessível financeiramente, porém que nos fornecesse um sinal confiável, também
nos atentamos com a precisão em sua curva característica de acordo com as
necessidades do projeto. Onde os transdutores utilizados possuem uma relação de
preço treze vezes menor conforme anexo A e anexo B que nos possibilita visualizar
a diferença entre valores das cotações dos transdutores.
Esta diferença pode ser dada pela precisão oferecida pelo fabricante de cada
transdutor, no qual com analise do nosso projeto verificamos que não havia a
necessidade de uma precisão muito elevada no sistema de supervisão dos gases.
40
Podendo ser aplicado o sensor mencionado com uma precisão de ± 2% linear do
sinal conforme a figura 13 fornecida pelo manual do fabricante.
Figura 13. Curva de referência do Transdutor de pressão
Na figura acima podemos observar uma relação de pressão e tensão
graficamente, gerando uma reta característica seguida de duas retas paralelas que
nos identifica a precisão do transdutor de acordo com a pressão aplicada. Esta
precisão é representada por todo range de trabalho do transdutor que compreende
na grandeza de 0 MPA à 30 MPA, decorrentes da relação de tensão de saída do
sensor que emite 0,5 volts à 4,5 volts. No qual o nível zero de pressão (0 MPA) é
representado pela saída de tensão 0,5 volts e nível Maximo de pressão aplicado no
transdutor é representado por 4,5 volts em sua saída.
3.2 Módulo conversor de sinal analógico para digital
O módulo utilizado no projeto para converter o sinal analógico para digital é o
modelo 7017 da empresa IMPAC, no qual contém oito entradas analógicas que
provém das saídas dos sensores em níveis de tensão. Onde o conversor recebe
estes sinais de tensão em suas entradas e converte em um único sinal digital para
que assim possamos trabalhar ao longo do processo. O protocolo que o modulo
emite em sua saída é o RS 485, que nos possibilita um alcance de mais de um
41
quilometro sem haver percas decorrentes da distancia. Sua alimentação para
funcionamento é de 24 VDC recebido pela fonte de alimentação que será descrita na
seqüência do projeto. A seguir podemos observar a relação das entradas de sinais,
saída do sinal e alimentação do módulo através da figura 14.
Figura 14. Conversor de sinal analógico para digital.
O dimensionamento físico do módulo é encontrado na figura 15, que utiliza a
escala em milímetros como referência para a ilustração.
42
Figura 15: Dimensionamento físico do conversor analógico para digital
O processo de conversão do sinal realizado pelo módulo pode ser observado
superficialmente pela representação da figura 16, no qual exemplifica o processo
utilizado na conversão do sinal analógico ( tensão ) para sinal digital ( protocolo RS
485 ).
43
Figura 16. Funcionamento do módulo 7017
3.3 Módulo conversor de protocolo RS-485 para USB
O módulo responsável pela conversão do sinal recebido do conversor
analógico para digital é o modelo 7561 da empresa IMPAC, este conversor de
protocolo recebe o sinal emitido pelo conversor 7017 via protocolo RS-485 e
transforma o sinal no protocolo “Universal Serial Bus”, mas conhecido pela sigla
USB, possibilitando o envio das informações obtidas no processo para uma interface
configurada para a visualização das pressões dos gases.
44
Figura 17. Módulo 7561 - Conversor de sinal RS-485 para USB
Figura 18. Funcionamento do módulo 7561 - conversor RS-485 para USB
3.4 Fonte de alimentação dos módulos
45
A fonte de alimentação para alimentar os módulos de conversão de sinal
analógico para digital e conversão de sinal 485 para USB é fornecida pela fonte do
modelo IP-24AC que fornece tensão necessária para os módulos, correspondendo a
24 volts de tensão continua. Tendo sua entrada a tensão convencional de 110 volts
de tensão alternada no qual transforma para sinal de 24 volts contínuos. A seguir
podemos observar a figura 19 da fonte alimentando a entrada dos módulos.
Figura 19. Fonte modelo IP-24AC alimentando os módulos 7017 e 7561.
3.5 Fonte de alimentação dos transdutores de pressão
Visando otimizar os custos empregados neste projeto, reutilizamos uma fonte
convencional de computador que no caso não fosse ser inserida neste projeto seria
encaminhada ao lixo, assim reaproveitamos um material em que estava em ótimo
estado para fornecer a energia necessária aos transdutores de pressão sem agregar
valor financeiro no projeto. Esta fonte tem como objetivo transforma a tensão
alternada de 110 volts em 5 volts contínuos, no qual foi distribuído de forma paralela
entre os transdutores de pressão que necessitam ser alimentados entre os valores
de 4,5 volts à 5,5 volts.
46
A seguir podemos observas a figura 20 da fonte reutilizada no projeto e seus
respectivos cabos de energia de entrada e saída.
Figura 20. Fonte de alimentação 5 volts
3.6 Sistemas Supervisório
O sistema supervisório aplicado no projeto, tem como objetivo informar em
tempo real a pressão dos cilindros padrões de gases, podendo ser identificado
quando houver a necessidade de troca dos cilindros, este ocorre quando a pressão
interna do cilindro estiver baixa decorrente do uso necessário para a realização da
comparação dos gases executado pelos analisadores, no qual foi atribuído um limite
da mínima pressão interna que o cilindro deve conter que corresponde a 200 PSI,
tendo em vista a margem de segurança para que não ocorra percas de teste com
ausência dos gases padrões.
A interface configurada conforme figura 21, tem como objetivo a identificação
constante dos gases de forma digital, facilitando ao operador que também executa
testes de emissões, assim podendo visualizar a todo o momento a pressão dos
gases conforme a figura 22, e comunicar aos técnicos o tempo exato de se realizar a
troca dos cilindros.
47
Figura 21. Configuração do sistema supervisório
Figura 22. Interface digital do Sistema Supervisório
O sistema aplicado em nosso projeto também é possível visualizar de forma
analógica, assim podendo observar todo o processo simultaneamente conforme a
figura 23, no qual o galvanômetro nos fornece em tempo real a informação das
pressões dos cilindros.
48
Figura 23. Visualização de todo processo pelo galvanômetro.
A interface escolhida em nossa automação (ImpacLogX) da empresa IMPAC,
possibilita coletar amostragens de pressão em determinados tempos, no qual
podemos optar pelo intervalo desejado para a realização da amostragem conforme
as necessidades decorrentes do consumo. Esta amostragem de pressão é de
grande importância para se obter um relatório diário ou mensal do consumo dos
gases críticos existente no laboratório, possibilitando identificar possíveis
vazamentos na linha caso haja consumo elevado de algum gás especifico, assim
registrando um histórico para o controle do sistema em um arquivo especifico que o
supervisorio cria um arquivo provindo do aplicativo Excel, porém também pode ser
visualizado no próprio supervisório através da opção “tabela” na parte inferiordo
sistema conforme nos mostra a figura 24.
49
.
Figura 24. Tabela de amostragem das pressões
O supervisório aplicado neste projeto, podemos visualizar graficamente o
consumo dos gases, assim analisando com extrema facilidade caso ocorra picos de
consumo e identificar falhas no sistema de emissão de gases, assim evitando
grandes desperdícios de gases que são de custo muito elevado para o laboratório de
emissões. A seguir temos a figura 25 que nos identifica graficamente em tempo real
o consumo dos gases.
Figura 25. Consumo dos gases graficamente
50
No supervisório utilizado é possível registrar os alarmes de mínima pressão
caso atinja o limite inferior de 200 PSI, o sistema informa a data e hora que o cilindro
entrou no limite inferior de pressão, assim registrando na interface do sistema na
opção “alarmes” o histórico dos limites, conforme figura 26.
Figura 26. Alarmes do sistema supervisório
3.7 Custos aplicados no projeto
Os valores de cada componente utilizado no projeto “Sistema de Supervisão
da sala gases padrões do laboratório de emissões”, observado na tabela 03, que nos
identifica um valor financeiro relativamente baixo quando comparados com sistemas
similares existentes.
Equipamento Valor unitário Unidades Valor total
Transdutores de pressão R$ 65,10 24 R$ 1562,40
Conversor A/D R$ 1.200,00 01 R$ 1.200,00
Conversor 485/USB R$ 530,00 01 R$ 530,00
Fonte de Alimentação R$ 100,00 01 R$ 100,00
Supervisório R$ 900,00 01 R$ 900,00
Conexões Diversas R$ 120,00 16 R$ 120,00
Total - - R$ 4.412,40
Tabela 03. Orçamento do projeto.
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3.8 Melhorias adquiridas decorrentes da implementação do projeto
A automação proposta por este projeto além de tornar o processo mais
confiável nós possibilita ganhos econômicosdecorrentes dos retrabalhos evitados, no
qual seria a capacidade de se realizar testes de emissões sem que ocorram falhas
no processo devido à ausência do gás padrão para realizar a comparação emitida
durante a amostragem. O projeto proposto “Sistema supervisório de pressão: Sala
de gases padrões do laboratório de emissões” poderá reduzir significativamente os
testes perdidos tendendo a zerar o numero de falhas, o gráfico 02 nos exemplifica
três meses típicos de teste realizados no laboratório de emissões.
Gráfico 02. Testes de emissões perdidos.
Tendo em base de cálculo que o custo de cada teste no laboratório de
emissões é de aproximadamente dois mil reais segundo dados internos fornecidos
pela supervisão do laboratório, podemos dizer que o custo previsto no projeto de
aproximadamente quatro mil reais abordados no tópico 3.7 deste documento é
irrelevante se comparado com os benefícios econômicos que o projeto fornecerá ao
laboratório que será implementado, tendo seu valor investido recuperado logo nos
primeiros meses que o projeto for aplicado em campo. Conforme o gráfico 02 que
exemplifica um período de três meses, no qual ocorreram cinco testes perdidos
decorrentes à falta de gases padrões na linha de análise, gerando custo
desnecessário de aproximadamente dez mil reais, devido a somatória do valor
agregado de cada teste.
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CONSIDERAÇÔES FINAIS
Pode-se concluir que a automação proposta neste trabalho “Sistema
Supervisorio de Pressão: Sala de gases padrões do laboratório de emissões” vem a
oferecer todos os aspectos de melhorias que possuem os sistemas automatizados,
no qual corresponde ao ganho de produtividade (redução do tempo aplicado na
tarefa), o aumento da confiabilidade no sistema de controle, a uniformidade no
processo de qualidade e o ganho de custo com a redução de retrabalhos.
O projeto aplicado no laboratório de emissões pode contribuir com a
confiabilidade do processo de verificação dos cilindros padrões, no qual os técnicos
que realizam estas atividades reduziram uma etapa no processo de verificação
diária, podendo assim aplicar este tempo ganho em outras atividades que agreguem
valor no processo de maneira que aumente a qualidade dos serviços e produtos.
Assim, a automação aplicada no laboratório de emissões de uma empresa
automobilística pode fornecer uma maior capacidade de testes realizados e com
qualidade superior quando comparados com a realização da tarefa manual.
Contudo, a empresa que custeou os materiais aplicados no projeto, obteve os
benefícios citados acima, podendo se destacar na qualidade de seu processo e
consequentemente do seu produto final, diferenciando no mercado competitivo do
ramo automobilístico.
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REFERÊNCIAS
FRANCO, Sérgio Nobre, Comandos hidráulico. Informações tecnológicas. Apostila SENAI, São Paulo, 1987 GLEHN, Fábio Ribeiro Von, Curso de Injeção eletrônica. Conceitos teóricos e aspectos práticos. 4ed. Goiânia: Ciclo Engenharia, 2001. GUTIERREZ. Complexo Eletrônico. Automação do Controle Industrial - Disponível em: http://br.librosintinta.in/biblioteca/ver-pdf/www.bndes.gov.br/SiteBNDES/export/sites/default/bndes_pt/Galerias/Arquivos/conhecimento/bnset/set2807.pdf.htx. Acessado em 15/09/2012. LOPES, Marco Aurélio Moreira. “A importância dos sistemas supervisórios no controle de processos industriais”. 2009. 39. Trabalho acadêmico – Universidade Federal de Ouro Preto, MG. MANO, Eloisa Biasotto; PACHECO, Élen; BONELLI, Cláudia. Meio ambiente, poluição e reciclagem. São Paulo: Edgard, 2005. MACHADO, Paulo Roberto. Curso de engenharia mecânica da ULBRA. Disponível em: http://www.ebah.com.br/content/ABAAAA5MsAG/sensores-pressao#. Acessado em 25/08/2012. MORAES, Cícero Couto de; CASTRUCCI, Plínio de Lauro. Engenharia de automação industrial. 2ª edição. Rio de janeiro: LTC, 2007. PROCONVE; PROGRAMAS DE CONTROLE DE EMISSÕES VEICULARES. Disponível em: http://www.ibama.gov.br/areas-tematicas-qa/programa-proconve. Acessado em 03/09/12. TORRES, Danilo Antônio. “Ampliação do laboratório de emissões”. 2008. Trabalho acadêmico – Centro Universitário Salesiano de São Paulo, SP. TRIPLER, Paul A.; Física Para Cientistas e Engenheiros. 3ª edição. Rio de janeiro: LTC, 1995. RIBEIRO, Marco Antônio. Automação Industrial. 4ª edição Editora: TEK treinamento & consultoria LTDA, 2001. ROSÁRIO, J.M. Princípios de Mecatrônica. São Paulo: Prentice Hall, 2005. VIEIRA, Neise Ribeiro. Poluição do Ar. Rio de Janeiro: E-papers, 2009. WAKERLY, John F. Digital Design Principles & Practices. 3ª edição. Prentice Hall: Rio de Janeiro, 2000.
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ANEXOS
Anexo A: Orçamento dos transdutores de pressão da empresa “MTS”
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Anexo B: Orçamento dos transdutores de pressão da empresa “HBM”
