6- Comutação Rápida De Eletroválvulas Em Aplicadores Hotmelt

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6- Comutação Rápida de Eletroválvulas em Aplicadores Hotmelt 1. Introdução: Um Coleiro é um equipamento industrial destinado várias aplicações, como por exemplo: • • • • • • • Fechamento de cartuchos revestidos; Fechamento de caixas de papelão; Rotulagem; Paletização; Encadernação em lombada quadrada; Fixação de peças de madeira; Fixação de peças de materiais poliméricos. Principalmente, as aplicações em sistemas de fechamento de embalagens e fixação de peças, geram a necessidade de se integrar, em um único processo, dois equipamentos distintos: • • Um Coleiro (que processa e aplica o adesivo) e; Uma Esteira de Transporte (que movimenta o substrato que receberá a aplicação do adesivo). No caso deste exemplo, trata-se de um coleiro que utiliza um adesivo do tipo hot-melt, que deve ser previamente aquecido a uma dada temperatura controlada, antes de ser aplicado. O Coleiro é dotado uma cuba metálica, que é o recipiente aonde uma certa quantidade de blocos ou de fragmentos de adesivo seco é, manualmente, depositada, para, posteriormente, ser aquecida até que o adesivo atinja um certo ponto adequado de derretimento; A energia térmica necessária para realizar o derretimento do adesivo é provida por um conjunto de resistências elétricas associadas, que, para uma melhor distribuição da energia térmica produzida, se encontram alojadas, estrategicamente distribuídas, ao derredor do corpo da cuba metálica do coleiro. A temperatura do adesivo contido na cuba é monitorada por um Detector de Temperatura Resistivo (em inglês Resistance Temperature Detectors or RTDs) do tipo Pt100. Os RTDs são, normalmente, fornecidos encapsulados em sondas para detecção e medição de temperatura. A sonda de detecção de temperatura da cuba se encontra alojada, estrategicamente, no corpo da cuba metálicas de modo a ter contato físico com o adesivo já derretido, em um ponto adequado. O Coleiro é dotado também de uma Bomba: que se encontra instalada na parte inferior da cuba e que produz a pressão que suga o adesivo, já derretido, para fora da cuba, impelindo-o a circular, através de duas mangueiras termoelétricas, em direção aos respectivos dispositivos Aplicadores do Adesivo, instalados nas extremidades vazantes de ambas mangueiras. Neste sistema, a temperatura atual é monitorada em seis diferentes zonas de controle do equipamento, por onde circulará um fluido que deverá ser aquecido ao derretimento e movimentado sob temperatura controlada. No caso deste exemplo, o fluído trata-se de um adesivo termofundível do tipo hot-melt. As zonas de controle de temperatura do equipamento e suas respectivas funções são as seguintes: 1. O Coleiro: que é o recipiente metálico (cuba), aonde os blocos ou de fragmentos de André Luis Lenz 1 adesivo seco serão aquecidos até atingir um ponto adequado de derretimento; 2. A bomba: instalada na parte inferior da cuba, ela produz a pressão que suga o adesivo, já derretido, para fora da cuba, impelindo-o a circular, através de duas mangueiras termoelétricas, em direção aos respectivos aos aplicadores do adesivo; 3. A Mangueira 1: que serve de meio condutor do fluxo do adesivo, derretido e pressurizado, desde o duto de saída da Bomba, mantendo-o adequadamente aquecido, ao longo de todo o percurso, até que ele alcance o Aplicador 1, instalado na extremidade vazante; 4. O Bico Aplicador 1: Que acondiciona, aquecendo, dando forma, controlando a vazão de saída do fluxo do adesivo, formando o filete de adesivo a ser aplicado no substrato, que tem comprimento variável controlado, definido pelo operador. O corte preciso do filete da aplicação e feito por meio de uma válvula solenóide de alto desempenho; 5. A Mangueira 2: atua de modo semelhante a Mangueira 1; 6. O Bico Aplicador: atua de modo semelhante ao Bico Aplicador 1. Os plásticos mesmo os termoplásticos, não são bons condutores de calor, de modo que o aquecimento ocorre muito mais por radiação do que por condução. Dai a necessidade da uma boa distribuição das fontes térmicas (as resistências de aquecimento) ao longo de todo o percurso de transporte (pelas mangueiras termoelétricas) e em outros pontos diferentes (como no bloco dos bicos aplicadores), por onde o fluído do Hot Melt circula e poderá ficar estanque, solidificando-se, depois que o equipamento é desligado. Dependendo da necessidade de operação e do leiaute da planta, as mangueiras termoelétricas poderão ter comprimento de 1 a 10m e deverão manter uma temperatura de aquecimento estável, ao longo de todo o percurso do adesivo, pelo seu tubo interno, que segue em direção aos dispositivos aplicadores. Deste modo as mangueiras são dotadas de resistência de aquecimento e sensor de temperatura.. Após ligado o aquecimento e atingida uma temperatura superior a de amolecimento do adesivo, a bomba pode entrar em funcionamento e com todas as temperaturas atingidas e estabilizadas, a operação de aplicação pode ser realizada. A bomba, em funcionamento continuo, com velocidade controlada automaticamente, exerce a pressão que força o adesivo derretido a circular através das mangueiras em direção aos dispositivos aplicadores. Os Aplicadores por sua vez, estão instalados nas terminações de blocos metálicos que possuem canais por onde o adesivo, após sair da terminação da mangueira, fluirá. Ao passar por tais canais o adesivo tem a sua temperatura reajustada, à maior, para o ponto ideal de aplicação, de modo que os tais blocos possuem, também, resistências de aquecimento alojadas em si e sensor para o controle da temperatura. Os Aplicador de Hot Melt proporcionam, por meio de extrusão, uma aplicação de precisa adesivo, mesmo em altas velocidades de linha de aplicação. Na atuação do controle da aplicação, temos válvulas pneumáticas comandadas por solenóides, que agem sobre a agulha obturadora do canal de extrusão. Dispositivos Aplicadores de HOT MELT: André Luis Lenz 2 Estes dispositivos são empregados quando se deseja uma extrusão precisa, formando traços filiformes (filetes) bem definidos. Uma ampla escolha de cabeçotes eletrotérmicos extrusores de adesivos e de bicos valvulados fornecem uma grande flexibilidade no formato padrão do adesivo aplicado. Além disso, os dispositivos aplicadores integram-se, facilmente no maquinário principal. Mesmo aplicando-se pontos ou grânulos de adesivo, equidistantes a curta distâncias e em movimentos rápidos, as eletroválvulas, especialmente desenvolvidas para aplicações de Hot-Melt, fornecem um corte limpo, preciso e repetível, do padrão de aplicação do adesivo. O aplicadores Hot Melt são caracterizados por um tamanho pequeno e uma aplicação rápida. Eles estão disponíveis em diferentes modelos (com uma ou mais diferentes distâncias e bicos, com um ou dois solenóides), a fim de atender as exigências específicas da aplicação. Os aplicadores de adesivo Hot Melt modernos oferecem, tipicamente, tempo de ciclo iguais ou inferiores a 15ms (em certos casos de até 5 ms). Para alcançar essa performance, as válvulas solenóides utilizadas são projetadas, especificamente, para emprego nos aplicadores de adesivos Hot Melt pneumáticos. Estas válvulas pilotadas, de 3 ou 4 vias, balanceadas, oferecem força de deslocamento máxima, em ambos os sentidos e proporcionam deslocamentos curtos e sem resistências, confiabilidade aumentada e tempos de resposta mais consistentes, provendo aplicação do adesivo, com fluxos de ar de 1,0 a 1,5 Cv (em comparação com 0,18 Cv para válvulas similar), resultando em um corte bastante melhorado. Essas válvulas atingem tempos de resposta da ordem de 2 ms. A vida útil da válvula é alta e a manutenção reduzida. Vedações e componentes suportam temperaturas superiores a 200 ° F (93 ° C). Alguns atributos mínimos desejáveis dessas eletroválvulas são: • • • • • • • • Assento balanceado, imune às variações de pressão; Curso curto com alta vazão; De 3 a 8 ms de tempo de resposta na energização; De 2 a 7 ms de tempo de resposta na denergização; solenóide desenvolve altas forças de mudança; Mola de retorno poderosa; Comando de operação manual na válvula; solenóide a prova de queima (em serviço de C.A.). A vedação hidráulica, por sua vez, a tanto estática quanto a dinâmica, propiciada pela haste André Luis Lenz 3 de vedação (para bloquear ou separar o fluido em aplicações de movimento alternativo), é fundamental converter a pressão sobre o fluído em um movimento linear. Solenoides de Válvulas : Com respeito ao solenóide das eletroválvulas, existem uma gama variada de opções de tensão de alimentação e de potência. Os principais valores de tensão de alimentação para serviço em C.C. são 12VCC, 24VCC (menos comumente, 6VCC e 48VCC) com potências nominal de 1,8W, 5,4W e 12,7W e, para serviço em C.A., 120VCA, 220VCA (menos comumente, 24 VCA). Os solenóides também são muito importantes no desempenho da válvula, principalmente no seu aspecto construtivo. Um solenóide é um dispositivo eletromecânico, que normalmente converte a energia elétrica em energia cinética (movimento linear), de modo que, quando se necessita de um puxão ou um empurrão numa parte mecânica de algum dispositivo, o solenóide se mostra ideal para esta tarefa. Os solenóides são compostos por uma bobina eletromagnética indutiva (indutor), enrolada em carretel possuindo em seu miolo um tarugo de aço ou ferro doce, chamado de armadura. Ao ser percorrida por uma corrente a bobina cria um campo magnético que é mais intenso no seu interior, no miolo do carretel, denominado núcleo . A intensidade deste campo, ou fluxo magnético, depende de diversos fatores como: • • • Número de espiras da bobina; Intensidade da corrente; A permeabilidade magnética inerente ao material contido no miolo do carretel (o material do qual é composto o núcleo, que pode ser ferromagnético ou não); A indutância é a principal característica elétrica deste elemento é a indutância, dai o nome indutor. Indutância é a característica de um circuito elétrico que se opõe as variações da corrente elétrica que circula por indutor. Toda variação de corrente por um indutor devera refletir na variação da intensidade do campo magnético que o indutor está produzindo, variando a quantidade total de linhas de força e, portando, também, a densidade com que estas linhas de força se concentram ao passar pelo núcleo ferroso. Um indutor que esteja produzindo um campo magnético, André Luis Lenz 4 possui uma determinada quantidade de energia armazenada em si. Qualquer variação na corrente, incidirá em uma correspondente variação na intensidade do campo, o que significa que o indutor deverá ganhar o perder energia. Algo que é comum a todos os elementos armazenadores de energia conhecidos é que para que este elemento adquira ou perca uma certa quantidade de energia, isto é um processo que, na prática, via de regra, sempre demanda um determinado tempo. Deste modo, nós não conseguiríamos fazer com que a corrente, que circula por um indutor, varie bruscamente. Mesmo que a tensão de alimentação aplicada sobre este indutor salte de valor instantaneamente, seja para mais como para menos, a correspondente variação que se reflete sobre a corrente que circula no indutor, será suavizadas, com ela variando gradualmente (de modo logarítmico), ao longo de um certo intervalo de tempo, até, por fim, estabilizar-se em um novo valor final. Num solenoide, o elemento nuclear (a armadura), não é fixo, mas sim dotada de um certo grau de liberdade de movimento dentro do miolo do carretel da bobina. Observe ainda que o tarugo que compõe a armadura, em um certo ponto da sua extensão, se estreita abruptamente e se torna uma haste de diâmetro bem menor. Quando a bobina está desligada, a força provida pela mola da válvula determina o posicionamento da armadura e mantém uma boa do material ferroso da armadura lançado para fora do núcleo da bobina do solenóide, enquanto que uma boa parte da haste está para dentro do núcleo da bobina do solenóide. Ao ligarmos a alimentação à bobina, a corrente crescerá e o fluxo do campo magnético estará passando pelo núcleo. As linhas de força do campo passarão em meio ao material da armadura, porque elas se concentram com mais facilidade em materiais ferromagnéticos. Mas o fluxo encontrará uma forte oposição por causa do estreitamento da seção transversal, no ponto onde a armadura se torna haste. As linhas de força do campo magnético são obrigadas a se adensar ainda mais para passar da armadura para haste, ou ficam menos adensadas ao passar da haste para armadura. Na haste, então, ocorre uma saturação magnética do material, que é um adensamento excessivo das linhas de força do campo, devido a haste ser muito estreita. Com a saturação, as linhas de força em excesso tenderão a passar pelo espaço que contem ar no interior do núcleo, ao redor da haste, ao invés de passar pelo material ferroso que está saturado. Todavia a permeabilidade magnética do ar é muito inferior à do material ferroso. Assim, o fluxo magnético causa a força de movimento que atua sobre núcleo, que é móvel, de modo que, independente do sentido das linhas de força e da polaridade do campo magnético formado, a força de movimento produzida sempre deslocará a armadura de tal forma a colocar o máximo de material ferroso para dentro do miolo do carretel, ou seja, forçando melhor a condição da permeabilidade magnética do núcleo. É fácil perceber, observando a figura do solenóide já atuado ao lado, que o solenóide só pode realizar esse esforço mecânico num percurso relativamente pequeno (que é a distância que a armadura pode percorrer ao ser puxada). No entanto, uma André Luis Lenz 5 vez atingido o fim de curso do movimento da armadura, enquanto a corrente elétrica pelo indutor continuar a circular, a força mecânica é mantida, exercendo, agora, não movimento, mas sim, uma pressão sobre a retenção e comprimindo fortemente a mola da válvula. Repare ainda que, do ponto de vista elétrico, o deslocamento da armadura, mesmo que curto, ocorreu no sentido de colocar mais material ferroso para dentro do núcleo, portanto, a armadura ao se deslocar afetou o valor da indutância da própria bobina do solenoide. Deste modo, a força mecânica produzida não tem a mesma intensidade durante o percurso realizado pela armadura, pois a força aumenta, de modo proporcional à medida que a armadura penetra mais e mais no núcleo da bobina e a indutância cresce junto. Um outro fato a ser considerado, é que independente da indutância, a bobina de um solenoide apresenta, também, uma parcela de resistência Ôhmica, que precisa ser considerada. Um solenoide que funciona ativado por tensão nominal de 24V e que demanda potência nominal de 5,4W, por exemplo, apresentará uma resistência ôhmica de 107Ω, o que significa que, após energizarmos a bobina, a corrente crescerá gradualmente, até atingir o valor máxima de 225 mA. Ao cortarmos o suprimento de energia elétrica ao solenoide, a energia previamente armazenada nele, procurará um meio de se descarregar, de modo que a corrente corrente circulante, bem como o campo magnético formado, decresçam gradualmente, desde o seu valor máximo atingido anteriormente, até se extinguir. Enquanto a força mecânica resultante estiver em colapso, a força da mola da válvula, que se contrapõem, vai fazendo a armadura retornar à sua posição de origem. Ao procurar um caminho para se descarregar, a energia previamente armazenada em um indutor, provoca centelhamento elétrico, no caso da comutação ser realizada por chaves do tipo mecânica, ou provoca picos de sobretensão sobre elementos semicondutores (transistores), se a comutação for realizada por esse tipo de elemento. Assim, podemos afirmar que, as múltiplas interações entre os vários parâmetros funcionais de um solenóide, são bastante complexas e, nós, não queremos aqui chegar a muitos números, apenas o que for essencial para exemplificar será relacionado ou calculado. O que importa, de fato, até aqui é que a armadura é usada para, ao mover-se, fornecer uma força mecânica a algum mecanismo (como é o caso do controle de uma válvula pneumática) e que essa força aplicada à armadura é proporcional à mudança na indutância da bobina e que essa, por sua vez, varia em relação à posição da armadura, e também em relação a corrente que flui através da bobina e que essa corrente também vária, por um certo tempo, a partir do momento que ligamos (ou desligamos) a fonte de energia elétrica que alimentá a bobina do solenóide. Transitório de Ligamento (Carga) da Bobina de um Solenóide: Bobinas de solenóides são chamados indutores, justamente por possuir a propriedade da indutância. têm propriedades de armazenador de energia elétrica. Assim como um capacitor armazena energia em um campo elétrico, um indutor armazena energia, só que em um campo magnético. A energia armazenada em um indutor é dada por: ϖ= L ⋅ i2 2 onde: ϖ L I André Luis Lenz Energia (em Joules); Indutância (em Henrys); Corrente (em Amperes). 6 Algo que é comum a todos os elementos armazenadores de energia conhecidos é que para que este elemento adquira uma certa quantidade de energia, isto é um processo que, na prática, via de regra, sempre demanda um determinado tempo. Deste modo, dado um circuito RL (resistor e indutor) em série, conforme figura ao lado, estando este circuito num estado inicial denergizado. Se alimentarmos tal circuito com uma fonte de tensão contínua (V) através do acionamento de uma chave (CH1), estaremos comutando o circuito, por aplicar a sua entrada um degrau de tensão, cujo valor varia, instantaneamente, do valor Vi = 0 para o valor Vi = V. Esta comutação dá início a um transitório, que chamamos de transitório de carga do indutor, no qual a tensão do resistor (VR) e a tensão do indutor (VL) terão o comportamento que é mostrado nas figuras a seguir: A indutância do indutor faz com que ele reaja à variação brusca de corrente, a qual então se eleva gradualmente, ao longo de um certo tempo. De fato, enquanto a corrente esta se elevando gradualmente é porque o indutor está, pouco a pouco, adquirindo energia. Durante a decorrência do transitório de carga, o indutor comporta-se como um elemento que possui uma impedância dinâmica. O valor desta impedância instantânea oferecida pelo indutor em oposição a corrente é proporcional à taxa de variação da própria corrente (lei de Faraday-Lenz). Isso quer dizer que quanto mais rápido tentamos fazer a corrente variar, mais o indutor resistirá a essa variação. A corrente se eleva gradativamente até que no final do transitório atinge um valor máximo que equivale ao valor que ela teria com apenas o resistor no circuito (isto é verdade se pudermos considerar o indutor como ideal, ou seja, puramente indutivo, sem resistência ôhmica), pois o indutor não oferece mais nenhuma impedância. ( ) A taxa de crescimento da corrente é caracterizada pela constante de tempo L R . Isto significa que se mantermos o mesmo indutor, porém dobrarmos o valor do resistor do circuito o tempo total de carga do indutor será reduzido à metade. Para melhor compreender isso, leve em consideração que o valor final máximo com que a corrente se estabilizará nesta situação é a metade do valor da corrente final da situação anterior. Observe a figura ao lado que faz a comparação entre as duas situações. André Luis Lenz 7 A Função de Queda Exponencial: Devido a isso, durante o transitório de carga do indutor, a tensão do indutor (VL) inicia em um valor máximo, ou seja, VL = Vi, mas com o decorrer do tempo o seu valor vai caindo exponencialmente, tendendo a zero, enquanto que a tensão do resistor (VR) inicia em zero e com o decorrer do mesmo tempo vai se elevando, tendendo ao valor de Vi, como mostrado nas figuras ao lado. A forma de onda da tensão do indutor (VL) é devido ao seu comportamento instantâneo, estar associado à função de queda exponencial, a qual é baseada na constante logarítmica neperiana (ou natural), simbolizado por e (número de Euler). e onde: t T Sendo que: T= L (Constante de tempo) R − t T é o instante para o qual se deseja determinar; é a constante de tempo; e1 ≅ 2,7182 (número de Euler) Durante o transitório de carga a tensão instantânea do indutor (VL) é dada por: VL = Vi ⋅ e − t T onde: Vi Tensão total resultante da associação RL série. Por sua vez, a tensão instantânea sobre o resistor (VR), é dada pela lei das tensões de Kirchhoff para circuito série: VR = Vi − Vi ⋅ e − t T A corrente que flui pela associação RL serie durante o transitório tem o mesmo V comportamento da tensão VR, uma vez que: iR = R e R é constante. R Como a corrente é única ( i L = iR ) , concluímos que, durante o transitório, enquanto a queda de tensão do indutor (VL) diminui, a corrente por ele (iL) aumenta. No instante determinado por 5 ⋅ T , por convenção, consideramos o transitório de carga do indutor como extinto, pois neste momento a corrente pelo indutor já atingiu um valor correspondente a 99,3% do valor máximo possível, pois: VR = Vi − Vi ⋅ e −5 = Vi − 0,0067 ⋅ Vi = 0,993 ⋅ Vi André Luis Lenz 8 A partir daí a corrente no indutor permanecerá praticamente estável neste valor máximo, por tempo indefinido. Do mesmo modo como se comporta a corrente, durante o transitório de carga do indutor, a energia armazenada no indutor cresce a partir de zero tendendo a um valor máximo. Como a corrente está limitada a um valor máximo, por conseguinte a energia armazenada também. Ao final do transitório de carga o indutor está com a máxima energia armazenada e daí em diante permanecerá estável neste valor enquanto a corrente fornecida pela fonte continuar fluindo. Transitório de Desligamento (descarga) da Bobina de um Solenoide: O que acontece então se repentinamente abrirmos a chave CH1 e simultaneamente fecharmos a chave CH2? √ Por abrir CH1 deixamos de fornecer corrente ao indutor, no entanto o indutor está com energia previamente armazenada – assim ele é agora uma fonte de energia assumindo a função de fonte de tensão! √ Por fecharmos CH2 estamos provendo um caminho para que o indutor descarregue a sua energia armazenada. A tensão que se apresenta nos terminais do indutor dá-se o nome de Força Contra Eletromotriz (FCEM). A FCEM tem três propriedades importantes: 1) A de fazer com que a corrente pelo indutor continue circulando pelo indutor com o mesmo sentido em que ela estava circulando antes, quando ela era fornecida pela fonte de alimentação (V); 2) A de prover uma corrente que tem um valor inicial com o mesmo valor da corrente que antes era provida pela fonte; 3) Com a corrente circulando o indutor irá se descarregar e a FCEM se extinguirá com o decorrer do tempo. Devido a primeira propriedade, a tensão sobre o indutor (VL), que se origina da FCEM assumirá instantaneamente um valor negativo, ou seja, de polaridade contrária, mas com o mesmo valor de módulo da fonte de alimentação (V), conforme a figura a seguir: A chave CH2 por estar fechada garante que a soma da tensão do resistor (VR) e da tensão do indutor (VL) resulta nula. Neste ponto estamos iniciando um novo transitório que chamamos de transitório de descarga do indutor. As figuras apresentadas a seguir completam as figuras anteriormente mostradas, representando os dois transitórios (de carga e de descarga), observe o comportamento da tensão do indutor (VL) e da tensão do resistor (VR), durante o transitório de descarga. Durante o transitório de descarga, a FCEM (VL), que surge repentinamente no exato instante da comutação das chaves, inicia com um valor máximo negativo e, com o decorrer do tempo, enquanto o indutor se descarrega, a FCEM vai retornando a zero. A queda de tensão do resistor André Luis Lenz 9 (VR) tem comportamento similar, diferindo apenas pela sua polaridade que é inversa à da FCEM. Por sua vez, a corrente que flui pela associação RL tem comportamento diretamente proporcional ao da queda de tensão VR, de modo que, tanto esta corrente, quanto, por conseguinte, a energia que se encontra armazenada no indutor, terão ambas valor zero ao final do transitório. Aqui também a taxa de decrescimento da corrente é caracterizada pela constante de tempo L R . Transitório de Descarga Observando estes comportamentos podemos tirar algumas conclusões: Transitório de Carga √ Quando um indutor (L) tem uma corrente (i) que flui por ele, o indutor apresenta um campo magnético que armazena energia. Esta energia é armazenada no campo magnético gerado pela corrente que flui pelo indutor. √ A energia armazenada em um indutor é proporcional ao quadrado da corrente que por ele flui, assim: • • • • • A corrente por um indutor não pode variar de modo brusco e a indutância é tipificada pelo comportamento de um enrolamento de fio condutor, que é o de resistir a qualquer variação da corrente elétrica pelo enrolamento. A velocidade com que a corrente cresce ou decresce em um indutor depende da constante de tempo L R . Se a corrente está aumentando, o indutor está adquirindo energia (o indutor se comporta como carga); Se a corrente está diminuindo, o indutor está liberando energia que foi previamente armazenada (o indutor se comporta como fonte de tensão fornecendo FCEM). O fluxo de corrente por um indutor é um processo reversível. A energia armazenada retorna ao circuito quando a corrente pelo indutor for removida provocando o colapso do campo magnético. Aspectos Construtivos da Bobina de uma Válvula Solenoide: O que se deseja é construir solenoides que apresentem o melhor desempenho nos atributos: • Elevada força de atuação (nos dois sentidos de movimento, ataque e retorno); • • André Luis Lenz Força de atuação no deslocamento; Força de atuação na retenção; 10 Elevada velocidade de comutação (também em ambos os sentidos); • É fácil perceber que as bobinas dos solenóides são enroladas em múltiplas camadas de enrolamentos, multiplicando-se o número de espiras obtido em uma camada, por n camadas. Quanto mais camadas são usadas para formar uma bobina, maior é o efeito que o campo magnético tem sobre o condutor. Enrolando-se uma bobina em camadas aumenta-se, consideravelmente, a sua indutância. No entanto, uma indutância elevada, apesar de significar maior força mecânica, significa também uma maior constante de tempo elétrica (L/R), o que resulta numa indesejável velocidade de comutação menor. Então temos um aqui um conflito, que exigirá a “escolha” de uma indução com critérios que satisfaçam um balanceamento entre os dois atributos exigências: força e velocidade de atuação. Com respeito a velocidade, um curso substancialmente curto de deslocamento da armadura, garante um tempo de transitório de atuação bastante curto. Ainda com respeito a velocidade de atuação, o circuito acionador da bobina do solenóide que será utilizado (e estudo mais adiante), será dotado de uma estratégia funcional que reduzirá consideravelmente o atraso na atuação devido ao efeito da constante de tempo elétrica L/R. Na denergização do solenóide, a força e a velocidade da desatuação depende essencialmente das características da mola de retorno, todavia, mesmo aqui, os aspectos elétricos do circuito atuador tem influencia pois, o campo magnético precisa se extinguir e a corrente elétrica precisa continuar circulando, provendo a descarga da energia do indutor. Depois de todas essas considerações, podemos perceber que encontraremos situações conflitantes para se atingir a meta força X velocidade. Por exemplo, solenoides com elevada força de atuação na energização, precisariam ter, simultaneamente: Uma elevada indutância estável final; Uma elevada corrente estável final; • • No entanto, uma vez que as dimensões do carretel estejam definidas e limitadas ao espaço que existe para acondicioná-lo, não podendo-se, assim, dispor de um carretel maior e também que as dimensões mecânicas da armadura estejam definidas, só nos resta, então, uma única alternativa para maximizar a indutância: • Elevar a indutância requer, um número de maior de espiras; Todavia, um numero maior de espiras só é possível se que conseguirmos obter um enrolamento mais compacto, o que implica: • Uso de um fio de seção transversal redonda menor. Entretanto é bem aqui que temos o primeiro conflito: o uso de um fio de seção transversal menor ira limitar a corrente máxima a um valor mais baixo, pois, sendo menor a seção do fio, e consequentemente também maior o comprimento total do mesmo, a resistência ôhmica da bobina sera maior. • Uso de um fio de seção transversal quadrada equivalente (de mesma área); http://www.66pacific.com/calculators/coil_calc.aspx André Luis Lenz 11 Na figura ao lado podemos observar a comparação da compacticidade entre dois enrolamentos, ambos com um total de 32 espiras, divididas em 4 camadas (P) de 8 espiras (N) por camada. O enrolamento da esquerda, feito com fio de seção quadrada é mais compacto do que o da direita, feito com fio de seção redonda, tanto em comprimento do enrolamento (0,886 vezes menor), quanto em diâmetro do enrolamento. Os fios tem área da seção transversal (A) equivalentes, sendo A= 0,785.d (mm2 ). Muito embora tenhamos conseguido compactar o enrolamento com o emprego de fio de seção quadrada, para conseguirmos, efetivamente, uma indutância maior, continuamos precisando de um maior numero de espiras. Isso, inevitavelmente, exigirá um comprimento de fio maior, implicando em maior resistência ôhmica e menor corrente, ou seja, o conflito continua. De fato, o emprego do fio de seção quadrada na confecção de bobinas de solenoides é mais interessante para a obtenção, ou de solenoides de dimensões físicas ainda mais reduzidas (miniatizização), ou de bobinas de solenoide com resistência ôhmica menor, por poder empregar fio de seção ligeiramente maior, sem precisar diminuir o número de espiras. Assim obtemos uma resistência ôhmica menor, consequentemente uma corrente maior, resultando assim num incremento da força de atuação, sem alterar a característica da indutância. Uma outra alternativa para se aumentar a indutância e utilizar um carretel de enrolamento adequado ao emprego de um núcleo de formato ovalizado, ao invés do tradicional formato redondo. Note que a ovalização propostas tem o mesmo efeito de se aumentar o diâmetro do do carretel de enrolamento de uma bobina de armadura redonda. A indutância aumenta em proporção André Luis Lenz 12 direta ao aumento da área da secção transversal da enrolamento da bobina, e ovalizando, pode-se aumentar essa área. Ovalizar a armadura pode parecer apenas um artifício, mas a questão é que, um formato substancialmente ovalizado da armadura do solenoide se adéqua, de maneira muito melhor ajustada, aos atributos físicos requeridos do conjunto válvula-solenóide. Por isso, atualmente, os melhores fabricantes apresentam a tendência construir solenóide constituído de uma armadura de formato de seção oval, ao invés do antigo e tradicional formato redondo. O emprego de armadura do solenoide ovalizada maximiza a força de deslocamento no ataque do solenoide, se comparado com as típicas armadura de solenóides redondas, não apenas por aumentar a área da seção transversal do enrolamento, mas também por permitir um volume maior de ferro no núcleo; Além disso, a ovalização permite também um considerável aumento do número de espiras, se optarmos por usar a estratégia de, ao mesmo tempo em que esticamos o diâmetro maior, vamos encurtando, concomitantemente, o diâmetro menor, da área da secção transversal do núcleo, como é o caso que está proposto na figura anterior. Mas, lembrando, mais uma vez: isso deverá fazer aumentar a resistência ôhmica da bobina. Portanto, elevar a corrente e a indutância, simultaneamente, ao máximo, dentro de condições físicas limitadas, exige um compromisso, um ponto de balanceamento, equilibrando a corrente e a indutância, mais elevadas o possível. Desse compromisso deve resultar, não apenas uma maior força de atuação mas, também, uma velocidade de deslocamento mais rápida, garantindo uma constante de tempo R/L (constante de tempo elétrica) adequada. Todavia, do ponto de vista mecânico, o fator preponderante para garantir uma tempo de deslocamento total curto, é mesmo o curso de ataque bem curto que a válvula solenóide apresenta. Descrição das Características do Controle: Nesta dissertação focalizaremos estudar as características do controle preciso de posicionamento em dois canais independentes de aplicação do adesivo, inclusive no que diz respeito ao Controlador Programável utilizado e ao seu respectivo programa e também das características do acionamento do solenoide da válvula do aplicador. Todavia, convém ressaltar que, o emprego do Controlador Programável possibilitará realizar com um único controlador, tanto as funções de controle preciso de posicionamento em dois canais independentes de aplicação do adesivo, como também as funções pertinentes ao controle temperatura nas múltiplas zonas do equipamento, bem como a função de comando e controle do acionamento do motor bamba do coleiro. Estes assuntos são todos tratados em outras literaturas, a André Luis Lenz 13 parte, pertinentes a esta mesma série. Deste modo, a especificação do Controlador Programável, se torna bastante complexa. É um grande desafio para um único equipamento compacto, apresentar uma ótima relação custobenefício, realizando as performances desejada, pelas necessidades dessas múltiplas tarefas: • • • Controle preciso de temperatura em seis diferentes zonas de controle da máquina; Controle preciso de posicionamento em dois canais independentes de aplicação do adesivo; Comando e controle do acionamento de motor da bomba do coleiro em velocidade variável. Para isso foi necessário a seleção de um Controlador Programável capas de realizar, concomitantemente, funções de comandos e controles discretos, bem como funções de controle de processos contínuos. Assim, foi necessário o emprego de um Controlador Programável dotado das seguintes características: • Controle Analógico Otimizado integrado, capaz de executar programas com funções e instruções convenientes, para realizar o controle de temperatura em múltiplas zonas; • Função de Contador Rápido integrada, para controle de posicionamento na aplicação do adesivo, com a medição de distâncias, pela contagem de pulsos provenientes de um encoder incremental, usando contador rápido com duas entradas individuais, compatível com pulsos de frequência de até 20KHz. • Função de Comunicação integrada, capaz de suportar a incorporação de uma IHM (Interface Humano - Máquina) gráfica. É desejável também que as características da função de comunicação, em interação com as ferramentas, facilitem um rápido desenvolvimento, de modo concorrente, tanto do programa do controlador, quanto das telas da IHM gráfica; • Boa capacidade de memória integrada, sem a necessidade da incorporação de módulos de memória extras; O controlador bastante compacto é composto de apenas dois módulos: unidade central (CLP1) e unidade conversora Analógica/Digital (Exp1). Esta configuração com o aspecto físico mostrado a seguir: A unidade central (CLP1) é o módulo principal do controlador em si. Ela é dotada de função E/S discreta, apresentando 32 pontos de E/S, sendo 16 pontos de entra e 16 pontos de saída. A unidade central incorpora também a função de comunicação, compatível com múltiplos protocolos. Já o módulo de expansão (EXP1) prove 8 canais para entrada de sinais analógicos padronizados, que são, internamente, convertidos para valores numéricos digitais (conversor A/D). O Controlador é fabricado pela NAIS-Panasonic, da linha FP-Sigma, modelo FPG-C32T. André Luis Lenz 14 A unidade conversora A/D é do mesmo fabricante, sendo da linha FP-0, modelo FP0A80. A ferramenta (software) utilizada no desenvolvimento do programa de controle é o Control FPWIN Pro 5.3. A IHM utilizada é gráfica, monocromática, com recurso de acessibilidade de tela sensível ao toque (touchscreen), fabricada, também, pela NAIS-Panasonic, modelo GT11 e para o desenvolvimento da telas da IHM foi utilizada a ferramenta GTWin 2.94. Os dispositivos aplicadores são montados, fixados em um suporte, que se encontra instalado, normalmente, sobre uma Esteira de Transporte, que movimentará o produto cuja superfície plana receberá a aplicação do adesivo. Para produzir o sinal que servirá como referência de posicionamento para a aplicação do adesivo, o controlador deverá monitorar os pulos gerados por um Encoder Incremental, que deve ser instalado, adaptado de forma adequada, ao mecanismo tracionador da esteira. É importante notar que, no projeto deste equipamento, a principal função que demanda o emprego do encoder incremental para detectar o movimento da esteira, é mesmos a função de medição de distâncias, pela contagem de pulsos provenientes do encoder, usando a instrução de Contador Rápido, disponível no controlador. Tal medição se faz necessária para o correto posicionamento da aplicação do adesivo sobre superfície do produto, que é transportado pela esteira. No entanto, uma vez que o emprego do encoder é exigido pela função de posicionamento na aplicação do adesivo, ao utilizarmos, também, a contagem dos seus pulsos para produzir a informação de referência de velocidade (velocidade desejada) para controle da velocidade de movimento da bomba do coleiro, assim estaremos fazendo uma maximização do aproveitamento deste recurso. André Luis Lenz 15 O movimento da esteira também é dotado de velocidade variável, ajustável pelo operador, desde de zero até uma dada velocidade máxima. É importante que, quando a aplicação do adesivo estiver sendo realizada, a velocidade do motor da bomba do coleiro seja mantida, adequadamente, sincronizada com a velocidade do movimento esteira de modo que, qualquer variação de velocidade da esteira, seja compensada com uma proporcional variação da velocidade da bomba do coleiro. O sinal de pulsos fornecido pela saída do encoder da esteira é enviado para a entrada digital X0 do controlador. A entrada X0 corresponde ao Canal CH0 de entrada da instrução de contador rápido do controlador. Circuito de Acionamento da Bobina das Válvulas Solenóides: Para efeito deste estudo, as eletroválvulas selecionadas para utilização nos aplicadores serão dotadas de bobinas que funcionarão ativadas por uma tensão nominal de 24V CC e que demandam potência nominal de 5,4W. Os pulsos para a comutação do solenoide serão fornecidos por um Controlador Programável, a partir do processamento de uma malha de controle de posição que envolve a contagem de pulsos de um encoder. Muito embora a corrente máxima demandada pela bobina do solenóide em seu acionamento não seja alta (< 250mA) e poderia, facilmente, ser fornecida diretamente por saídas a transistor convencionais de um controlador programável qualquer, não faremos assim, mas utilizaremos uma circuito de interface adequado (circuito acionador da bobina do solenóide) que nos permitirá desenvolver uma maior velocidade de comutação do solenóide. O circuito acionador dos solenóides recebe em suas entradas os dois sinais de excitações, que são gerados para comandar os dois canais de aplicação de adesivo. Estes sinais são provenientes de duas saídas digitais do controlador programável, são processados por um circuito de acionamento desenhado especialmente para obter a máxima velocidade e o máximo torque na atuação do solenoide. O principal acionador transistor do circuito é do tipo André Luis Lenz 16 Darlington (BC879), selecionado pela sua capacidade de conduzir a corrente para a bobina do solenoide (iC = 1A MAX) e pela sua capacidade de bloquear tensão (VCES = 80V). Um diodo Schottky (SR106) é acrescido ao circuito, como diodo roda livre (free-wheeling) para descarregar da energia armazenada no indutor. Também um transistor bipolar de baixa potência (BC547C) é acrescido, para realizar a função de limitação da corrente na saída. A indutância da bobina opõe-se à variação de corrente e isso impõem um limite na taxa de pulso do acionamento. Para uma maior taxa de pulsos e também para maior força de atuação, é necessário a utilização de uma fonte de tensão mais elevada e de limitação de corrente como é mostrado. Deste modo, a tensão nominal das bobinas dos solenóides é 24VCC, no entanto, a fonte de alimentação CC utilizada apresenta uma tensão de saída nominal de 48VCC, o dobro portanto. Para proteger o solenoide contra sobreaquecimento e danos, o acionador é dotado de limitação de corrente. Isso é fundamental pois, com o dobro da tensão, a corrente seria dobrada também e consequentemente a potência seria quadruplicada, o que provocaria a queima do solenoide. A atuação do limitador de corrente faz com que, mesmo se utilizando uma tensão de 48VCC, a corrente máxima que efetivamente fluirá pelo solenoide em regime estável, não será maior do que aquela que circularia se o solenóide fosse alimentado com a tensão nominal de 24VCC. A razão para se aumentar a tensão da fonte é, no transitório de ligamento da bobina, superar a indutância e fazer a corrente crescer mais rapidamente e atingir seu valor estável máximo num tempo bem menor, comparativamente àquele que ocorreria se a alimentação fosse a nominal normal. Fazendo isso, melhora-se o tempo de resposta do solenoide, reduzindo o tempo de atuação e aumenta a taxa pulsos para acionamento. A atuação conjunta da tensão de alimentação dobrada e da limitação de corrente resulta num comportamento da corrente da bobina do solenóide, durante o transitório de ligamento da bobina, como mostrado na figura ao lado: Os solenoide utilizados são para serem operados com uma tensão nominal de 24VCC e demandam uma potência nominal de 5,4W cada um, todavia o acionador de solenóides opera com uma tensão de alimentação dobrada, de 48VCC, mas respeita o limite de potência do solenóide por limitar a corrente na saída. No gráfico apresentado, a curva em que a corrente cresce de zero até 0,25A (vermelha) é a curva relativa ao emprego de uma tensão de alimentação normal, de 24VCC. A corrente cresce gradualmente, de forma logarítmica, até estabilizar no seu valor máximo, após um tempo equivalente 5.T = 5.L/R. Com a fonte de 48VCC (o dobro), a corrente cresceria no mesmo tempo, 5.T (curva cinza), só que ela atingiria o valor máximo estável de 0,5A (também o dobro). No entanto, devido a ação do limitador de corrente, o crescimento da corrente que flui pela bobina será detido no valor de André Luis Lenz 17 0,25A e ela atingirá esse valor num tempo relativo bem menor, de apenas 0,69.T O circuito do acionador apresentado é para suportar dois canais de aplicação de adesivo independentes e caso se deseje, pode-se utilizar dois, ou apenas um solenóide por canal. Se for utilizado apenas um solenóide de 24V e 5,4W por canal, usa-se apenas um resistor de 2,4Ω na base do limitador de corrente, e a corrente do solenóide fica limitada assim a 0,250A. No entanto, se forem utilizados dois solenóides de 24V e 5,4W por canal, devem ser dois os resistores de 2,4Ω na base do limitador de corrente, limitando a, assim, em 0,5A. De fato, o circuito acionador do solenoides foi desenhado para suportar trabalhar com qualquer tensão de alimentação desde 12VCC até 48VCC, sem necessitar de alteração de outros dos seus componentes, a não ser o resistor de base limitador de corrente que deve ser ajustado. Deste modo, abre-se a interessante possibilidade de possibilidade de se trabalhar com solenóides de tensão nominal de 12VCC, alimentando-se o circuito acionador de solenoides com 24VCC (sempre o dobro da tensão nominal do solenóide), de modo que a fonte extra de 48VCC possa ser descartada do projeto. Seja como for, na selação do resistor de base do limitador de corrente, deve-se atentar, apenas, para que a corrente de saída de cada canal não exceda o limite suportado pelo transistor principal (darlington) que é de 1A por canal. Para fornecer correntes maiores que 1A, o transistor principal deve ser alterado. O transistor darlington principal é dotado de um diodo interno de proteção e o circuito é dotado, ainda, de um diodo extra (SR106) para a função de roda livre. O diodo roda livre tem a finalidade de redirecionar a voltagem / corrente da bobina, de volta para si mesma de modo que a energia armazenada no campo magnético é dissipada na própria porção resistiva que a bobina possui. Um diodos Schottky pode atender a isso, pois precisaremos da característica de recuperação rápida dese tipo de diodo. Um diodo de recuperação suave genérico, neste caso, pode não resolver, mas realmente isso depende de quão rápido é necessário comutar ao desligamento bobina do solenoide. O movimento de retorno do solenóide em questão é por efeito da mola da valvula, mas o circuito acionador pode, e deve, colaborar para uma rápida denergização da bobina do solenóide. O diodo roda livre é usado para eliminar o pico de tensão (flyback), observado quando uma carga indutiva tem a sua tensão de alimentação subitamente reduzida ou removida e a bobina passa a produzir uma tensão (FCEM), para manter a corrente fluindo enquanto o campo magnético está decaindo gradualmente. A ação do diodo acelera a descarga da energia armazenada no indutor, ao mesmo tempo tempo em que protege o transistor com respeito a uma eventual sobretensão em seu coletor. Em série com o diodo roda livre, adicionamos, ainda, um resistor. Ao se adicionar a resistência série, diminui-se a constante de tempo L/R, permitindo que uma variação da corrente elétrica mais rapidamente na bobina. Diagrama do Acionamento da Aplicação de Adesivo: O diagrama a seguir mostra as conexões entre os Elementos de Entrada e o Controlador Programável. Os elementos de entrada são um Encoder Incremental e dois Sensores Fotoelétricos Retroreflexivos. O encoder fornece os pulsos que possibilitarão o controle de posicionamento preciso da aplicação do adesivo, enquanto que cada sensor detecta a posição de referência na passagem do substrato que receberá a aplicação, para cada um dos dois canais de aplicação de André Luis Lenz 18 adesivo. São usados dois sensores para obter-se dois canais de aplicação totalmente independes independentes em termos de posicionamento do substrato, mas cujas esteiras de transporte se movimentem a partir de uma mesma fonte de rotação: O encoder incremental gera 200 pulsos/rotação e será instalado um esteiras produzidas por terceiros fornecedores, de modo que no start-up do equipamento, o técnico instalador precisará informar o controlador, via um menu de parametrização da IHM, sobre alguns parâmetros para o funcionamento do “timer” de aplicação, tais como: • • • Fator de conversão (em pulsos/mm): quantidade de pulsos gerados pelo encoder para cada mm de movimento linear da esteira. Isso pode ser obtido por meio de um ensaio com um movimento manual da esteira assistido pelo software editor do programa do controlador; Retardo (em mm): a distância entre o exato ponto em que o substrato é detectado pelo sensor fotoelétrico e o centro da posição do bico aplicador sobre a esteira; Aplicação (em mm): o comprimento do filete de adesivo a ser aplicado. André Luis Lenz 19 As entradas do controlador que receberão os pulsos do encoder (X0 e X3) têm tempos de resposta à comutação de 5µS ou menos tanto para transitórios de subida quanto de descida dos pulsos, e como eles são canais independentes, pulsos com frequências de até 50kHz são aceitos sem perdas. O equipamento dispõe, ainda, de uma chave (S5) que permite ao operador autorizar ou não a função de aplicação de cola de cola do equipamento. Este comando manual é feito por intermédio de uma chave de ação retentiva e ela comanda também a lâmpada de sinalização H 2 que avisa se a aplicação de cola esta ou não habilitada pelo operador. Complementando o esquema do acionamento da aplicação do adesivo, o diagrama ao lado apresenta as conexões dos elementos de saída. O acionador de solenóide para dois canais, conforme foi apresentado anteriormente, recebe os dois sinais de excitação de aplicação de adesivo originários, respectivamente, das saídas Y1 e Y2 do Controlador Programável. Estes sinais chegam ao acionador de solenóides através de acopladores óticos (AC2 e AC3). Os solenoide são para serem operados com uma tensão nominal de 24VCC e demandam uma potência nominal de 5,4W cada um, todavia o acionador de solenóides opera com uma tensão de alimentação dobrada, de 48VCC, mas respeita o limite de potência. Solenoides operando em tensão de 24VCC existem numa maior diversidade de escolha de modelos, porém, se for possível escolher solenoides que operem em 12VCC isso traria uma grande vantagem pois, a tensão dobrada seria de 24VCC e assim a fonte de 48VCC se tornaria desnecessária. Note que a fonte de 48VCC esta sendo usada neste equipamento tão somente para alimentar o acionamento dos solenoides de aplicação de adesivo. Já, a fonte de 24VCC se faz necessária para alimentar uma série de outros elementos do sistema. De fato, o circuito acionador do solenoides foi desenhado para suportar operar com tensão de alimentação desde 12VCC até 48VCC, sem necessitar de alteração de seus componentes, a não ser o resistor de base limitador de corrente, que deve ser ajustado, desde que respeitada a capacidade de fornecimento na saída de corrente máxima, que é de 1A. O Programa do controlador: André Luis Lenz 20 O sinal de pulsos fornecido pela saída do encoder da esteira é enviado para a entrada digital X0 do controlador. A entrada X0 corresponde ao Canal CH0 de entrada da instrução de contador rápido do controlador. Por uma questão de organização, o Programa do Controlador é elaborado particionado em módulos (denominados POUs - Program Organisation Unit), de modo que há módulos (POUs) específicos, para comandar ou controlar determinadas funções, também específicas, do equipamento. No Projeto em questão, a instrução de contagem rápida dos pulsos do encoder será implementada na POU que é destinado a controlar o posicionamento na aplicação do adesivo, entretanto, essa informação será passada, como variável global, para ser utilizada, também, no POU que controlará a velocidade da bomba do coleiro. A função do controle da velocidade da bomba do coleiro não é o foco desta dissertação, de modo que, a POU do projeto relativo a essa função não será apresentado aqui. Todavia a POU que trata do controle do posicionamento na aplicação do adesivo será, sim, apresentado e estudada. Como vimos, o programa do controlador programável, de acordo com demanda da sua complexidade, convém ser composto n partes (também chamados módulos do programa ou simplesmente de Tarefas ou Rotinas). No contexto dos controladores da NAIS-Panasonic (Matsushita), estas partes são, ainda, denominadas pela sigla POU (Program Organization Unit.). O Programa de Controle Automático Completo (Projeto) do equipamento em questão é composto por um total de 8 POUs (ou 8 tarefas rotineiras), a saber: Existem várias linguagens padronizadas pela norma IEC 61131-3, as quais podemos utilizar para escrever programas para controladores programáveis, mas até hoje, ainda, a que melhor se apresenta para o programador que tenha sua origem na tradição dos comandos eleletroeletrônicos (como é o meu caso), é a linguagem LADDER. O termo LADDER significa, em inglês, escada (escada de mão) e significa também progressão gradual (passo a passo, encadeamento). É assim que um programa de controlador programável é executado: passo a passo, degrau por degrau. Assim, cada POU é composta por uma série passos ou degraus, dispostos e executados em cadeia (em inglês NETWORKS ou rungs). Os pulsos do encoder são contados pelo programa do controlador, por executarmos instruções especificas da função Contador Rápido (ou Contador de Alta-Velocidade) do Controlador Programável. As instruções que realizam essa contagem se encontra na tarefa do programa (POU) denominada “APLIC_COLA”. Existe duas tarefas “APLIC_COLA” e elas são idênticas, porém, são André Luis Lenz 21 também independentes, com cada uma comandando, especificamente, um dos dois Canais de Aplicação do Adesivo do equipamento. A função Contador de Alta Velocidade conta os pulsos do encoder que chegam a entrada X0, e quando a contagem atinge o valor alvo, liga ou desliga a saída desejada. Para ativar ou desativar uma saída quando o valor-alvo é correspondido (atingido), usamos uma das duas instruções disponíveis: • • instrução F166 (HC1S) para ligar a saída; instrução F167 (HC1R) desligar a saída. Se desejável, esta saída pode ser predefinida, para o estado ligado ou desligado, com o uso de instruções simples SET / RET. Entenda que, de fato, serão duas, e apenas duas, as instruções de contagens de pulso em uma cada rotina APLIC_COLA: • • uma delas é responsável pela contagem de pulsos do encoder durante o intervalo de tempo em que a esteira de transporte está ligada mas o bico aplicador não está acionado; a outra é conta os pulsos do encoder durante o intervalo de tempo em que a esteira de transporte está ligada e o bico aplicador está acionado, aplicando cola. Essas duas instruções estão arranjadas para operar de modo encadeado alternado, em outras palavras, os pulsos são contados o tempo todo, nenhum pulso é perdido. Performance do Contador de Alta Velocidade: As instruções envolvidas na contagem dos pulso do encoder, respectivamente, durante os intervalos de tempo de corte e de aplicação do adesivo, são mostradas a seguir. Na POU APLIC_COLA: Para iniciar a aplicação: Para cortar a aplicação: Na POU APLIC_COLA2: Para iniciar a aplicação: Para cortar a aplicação: André Luis Lenz 22 Observe que em ambas as POUs as instruções são as mesmas, F166_HC1S para ligar o solenoide e F167_HC1R para desligar o solenoide. Antes de prosseguirmos, é bom que atentemos para alguns detalhes: A organização da programa em partes (POUs) faz com que, algumas das variáveis processadas pelo programa tenham validade apenas local (apenas são consideradas no âmbito de uma determinada POU): estas são denominadas Variáveis Locais. Já, outras variáveis, tenham validade global, ou seja, são compartilhadas para serem processadas em duas ou mais POUs. Outro detalhe é que, nem todas as variáveis tratadas precisam aparecer em um diagrama ladder de alguma POU, seja para receberem valores atribuídos a elas ou mesmo seja para serem processadas. Por exemplo, se a uma determinada variável é atribuído um valor constante, tal atribuição pode ser feita no próprio cabeçalho de definição de variáveis, seja no cabeçalho de variáveis locais ou no cabeçalho de variáveis globais. Estes são os casos das variáveis denominadas Canal e Canal2 que entram nas instruções apresentadas F166_HC1S e F167_HC1R, apresentadas anteriormente. Estas variáveis tem suas origens diretamente dos cabeçalhos de variáveis locais das POUs respectivas, APLIC_COLA e APLIC_COLA2. Deste modo, apresenta-se a seguir o cabeçalho de definição de variáveis da POU APLIC_COLA: Observe que a variável Canal está definida neste cabeçalho como sendo uma Constante do tipo DINT (Double Integer) e o seu valor inicial é 0. De modo análogo, encontraremos no cabeçalho de definição de variáveis da POU APLIC_COLA2 a variável Canal2, também Contante e DINT, só que com o valor 2 atribuído a ela. Outro caso exemplar relevante é a variável denominada Cont_Control. Esta variável Cont_Control está associada a uma informação de controle que define e modifica a forma como Contador de Alta Velocidade deverá operar. Existe uma grande diversidade de modos de operação do Contador de Alta Velocidade, mas nós utilizaremos uma só, que não mudará em qualquer parte do programa. Deste modo, a Cont_Control está definida no cabeçalho de variáveis globais, que é parcialmente mostrado a seguir. A variável global Cont_Control é do tipo WORD e seu valor é zero (constante). André Luis Lenz 23 A princípio, existem quatro canais para o contador de alta velocidade. O número de canal atribuído para o contador de alta velocidade irá mudar dependendo da função que está sendo usado. A faixa de contagem do contador de alta velocidade vai de -2.147.483.648 até 2.147.483.647 (codificado binário 32 bit). O contador de alta velocidade é um contador em anel. Consequentemente, se o valor contado excede o valor máximo, automaticamente, retorna para o valor mínimo e continua a contagem a partir dai. Do mesmo modo, se o valor contado cai abaixo do valor mínimo, volta para o valor máximo e continua a contagem a partir daí. Com a variável Cont_Control estando definida com valor zero, o Contador Rápido de 4 canais original, irá operar como sendo, na verdade, dois Contadores Rápidos independentes. Além do mais, como será demonstrado mais adiante, o contador de alta velocidade irá operar, efetivamente, apenas na porção negativa de sua faixa, ou seja, de -2.147.483.648 até zero. E essa faixa reduzida é, estupidamente, mais do que o suficiente. Todavia para que o contador rápido funcione assim, alguns registradores especiais do sistema precisam, ainda, também ser definidos. Um grande número de registradores especiais do sistema definem o funcionamento de todas as funções especiais suportadas pelo controlador: a função Contador Rápido é apenas uma delas. Umas série de registradores especiais do sistema são estão envolvidos na definição das modalidades de funcionamento da função de Contador Rápido, porém, a seguir, apresenta-se apenas as que interessam: Caso desejássemos, poderíamos usar a entrada X2 do controlador para reposicionar (reset) o primeiro contador rápido, e, a entrada X5 para reposicionar o segundo contador rápido, mas, devido a estratégia empregada no algoritmo das rotinas de APLIC_COLA e APLIC_COLA2 reposicionamentos não serão necessários, de modo algum. Precisamos, mesmo, apenas das entradas X0 e X3 para fazer entrar os pulsos do encoder para serem contados nas rotinas APLIC_COLA e APLIC_COLA2, as quais, operarão de forma tão independentes uma em relação a outra, que elas podem até mesmo, sem empecilho algum, contar pulsos de dois encoders distintos, instalados em esteiras totalmente independentes e comandar os dois canais de aplicação de adesivo de forma absolutamente independente. André Luis Lenz 24 Bem, creio que nesse pondo podemos contemplar a POU da rotina APLIC_COLA na sua íntegra e fazermos um breve discorrimento da sua sequencia funcional e as considerações pertinentes. Tenha em mente que o funcionamento da POU APLIC_COLA2 é idêntico ao do funcionamento da APLIC_COLA. Repare que essa tarefa tem um total de 15 rungs (15 degraus) com instruções em em linguagem ladder. A numeração das rungs pode ser observada a esquerda no campo alaranjado (a rung de número 16 está vazia, veja o diagrama na figura a seguir). Logo no primeiro degrau (rung), encontramos uma instrução de salto, no caso um salto condicional: a condição é o estado da entrada X5. Se a entrada X5 estiver desligada o salto será realizado. A entrada X5 recebe o sinal da chave com a qual o operador habilita ou não o funcionamento da aplicação de cola, por manobrar manualmente esta chave (reveja o diagrama na pag. 19). Se a aplicação de cola não estiver habilitada, o salto sera realizado e a rotina APLIC_COLA simplesmente se encerrara pois o salto é direcionado para o fim dessa rotina (rótulo END, que fica na rung de número 15). Assim, antes de encerrar, a única operação feita pela rotina APLIC_COLA é a manutenção da bobina Solenoide_1, desligada. Veja na lista de declaração das variáveis globais que a variável Solenoide_1 é uma delas e que é do tipo Bool (Booleana) e repare que ela está associada a saída Y1 do controlador, ou seja, é por ai que sairão os pulsos de liga / desliga para o acionamento do solenoide da válvula do aplicador de adesivo. Em resumo, enquanto o operador não autorizar, manualmente, pela chave S5 o funcionamento da função aplicação de cola, o solenoide do aplicador permanece garantidamente, desligado e não se perde tempo processando as instruções das tarefas APLIC_COLA e APLIC_COLA1. Por outro lado, se a chave S5 está ligada e a entrada X5 estiver alta, a aplicação de adesivo estará habilitada e o salto no começo da tarefa não será realizado. O fluxo do programa segue, e a ideia agora é esperar pelo sinal do sensor que detectará a entrada na esteira de um substrato que receberá a aplicação do produto. Assim, a rung de número apresenta um arranjo lógico combinatório que determina as condições nas quais um pulso de detecção de substrato possa ser aceito, que são três: André Luis Lenz 25 • A saída Solenoide_1 tem que estar previamente desligada, ou seja tem que terminar uma aplicação de cola antes de detectar um novo substrato entrando pela esteira. Isso torna necessário que a distância entre o ponto de sensoriamento do substrato e o ponto central do bico de aplicação seja inferior ao distanciamento com que substratos consequentes entram na esteira; Essa condição é absolutamente necessária pois não conseguiríamos iniciar a contagem de um intervalo pré aplicação de um substrato que entra pela esteira, enquanto ainda estamos fazendo, ou ainda vamos fazer, a contagem de um intervalo de aplicação do substrato anterior. Se uma instrução relacionada com o Contador de Alta Velocidade, como a F166_HC1S e a F167_HC1R, é executada, as flags de controle (relés internos André Luis Lenz 26 especiais: R903A, R903B, R903C e R903D), que correspondem, respectivamente, a cada um dos canais do Contador de Alta Velocidade que estão sendo utilizados naquela instrução, são ligados. Enquanto a flag de controle, relativa a um determinado canal do Contador de Alta Velocidade estiver ativada, outra instrução usando esse mesmo canal NÃO poderá ser executada. Uma alternativa para minimizar esse problema, seria usar todas as 4 entradas X0, X1, X3 e X4 para entrar com pulsos de contagem, assim poderíamos iniciar a contagem de pulsos em um intervalo de pré aplicação de adesivo, com pulsos entrando em X0, mesmo enquanto ainda estamos a contar também, pulsos que entram pela entrada X1, por exemplo, que correspondam a um intervalo de aplicação de adesivo. Todavia, para a aplicação de filetes de adesivo mais curtos, isso pode não valer a pena, pois, o intervalo de pré aplicação >> intervalo de aplicação de adesivo. • A entrada X9 recebe uma informação vinda do inversor de frequência que aciona o motor da bomba do coleiro. Esta informação alerta quando a frequência de acionamento do inversor, vem abaixo de um limite mínimo para manter a pressão sobre o fluído que possibilite uma boa aplicação: a bomba entrando em subvelocidade precisa ocorrer o bloqueio da aplicação; • Já, o relé R1A, que é acionado, diretamente, por um comando emitido pelo operador via uma tela de IHM, por meio de um botão na tela (Desab.). Todas as três condições mencionadas podem inibir os pulsos de detecção de substratos que cheguem a entrada XA do controlador, fazendo o programa ignorar eventuais substratos que venham a adentrar pela estera. Como resultado a função de aplicação de adesivo fica bloqueada, mesmo que a esteira permaneça-se movimentando e transportando substratos. No entanto, se as três condições forem favoráveis, o relê R6 é ligado e a função de aplicação de cola começa a ser executada na seguinte sequencia, a partir do degrau (rung) de número 5: • A instrução F1_DMV, que é uma instrução de carga ou de transferência para dados de 32 BITS, ou seja, pela composição de dois registradores de 16 bits consecutivos. A variável Duracao_Pre na entrada da instrução F1_DMV, é uma variável global do tipo DINT. Ela é passada para a POU APLIC_COLA tendo como origem outra POU denominada CONVERS_mm_PULSOS. Esta variável informa sobre a quantidade de pulsos do encoder necessárias a serem contadas para que o substrato, ao atingir o sensor detector, seja movimentado até atingir o ponto central do bico aplicador. A esse intervalo de distância chamamos de pré-aplicação. Essa informação tem origem na informação que o operador parametrizou via IHM para o “RETARDO”, só que o operador a especificou em “mm” mas aqui nós a estamos recebendo já em “número de pulsos”. A POU CONVERS_mm_PULSOS é a responsável por essa prévia conversão. A ideia aqui é muito simples, a variável global Duracao_Pre precisa ser preservada, pois André Luis Lenz 27 ela é usada em outras partes do programa ainda, e, como precisaremos manipular o valor contido nela, precisamos transferi-lo para uma outra variável, que tenha validade apenas local. Essa nova variável local foi denominada Dura_Pre e ela preserva o tipo DINT original do dado; • A instrução instrução F86_DNEG faz o “Complemento de 2” daquilo que está contido na variável local Dura_Pre. Fazer o complemento de dois é algo simples, em dois passos: primeiro, inverte-se todos os bits do registrador em questão (0's binários viram 1's e 1's binários viram 0's) e em seguida, soma-se 1. Essa operação tem a propriedade de “trocar o sinal” do valor processado, ou seja, se o valor era, originalmente positivo, ele passará a ser negativo, e vice versa, mas sem alterar módulo o valor em sí, apenas o sinal. Agora o dado contido em Dura_Pre já foi manipulado e modificado: trocou de sinal; • Na varredura seguinte, outra instrução, a instrução F1_DMV transfere o conteúdo da variável Dura_Pre para a variável Cont_Atual. A variável Cont_Atual é uma variável global e é a denominação atribuída ao registrador DT90044, o qual faz parte do contador rápido e é o registro que indica o valor da contagem atual. Como, de fato, o contador ainda não contou nada, o que estamos fazendo, na verdade, é pré posicionando o contador. Note que a variável Dura_Pre, quando diferente de zero, apresentará um número negativo e é com esse numero negativo que estaremos pré posicionando o contador rápido. Talvez você se pergunte: Por que foi necessário carregar o contador rápido com um valor negativo? Um primeiro motivo é que o “nosso” contador rápido contará pulsos apenas progressivamente: ele não tem a habilidade de contar regressivo (pois, para contar regressivo, outra configuração tanto de hardware (exigindo mais entradas para pulsos de contagem), quanto de software precisariam ter sido feitas. Minimizar o uso de entradas do controlador, sempre que possível, é alvo de qualquer projeto envolvendo contadores rápidos. Além do mais, com o uso de um menor número de entradas, o contador rápido é ainda mais rápido. Outro motivo é que o estado natural inicial da contagem atual do contador é zero e, partindo-se de zero, em contagem progressiva, atingiríamos, por fim, a contagem de um valor alvo, positivo. O que nos obrigaria a reposicionar o contador novamente para zero a cada novo ciclo de execução da instrução. A ideia é: começar a contagem em um número negativo e ir incrementando para terminá-la em zero! • A instrução F166_HC1S, é, enfim, a instrução na qual o contador rápido está efetivamente trabalhando, contando. No caso específico, o contador estará contando os pulsos que entrarem pelo Canal 0 do contador (entrada X0 do controlador) e comparando o valor da contagem atual com o valor 0 (zero). A contagem atual parte com o valor carregado na instrução anterior (valor negativo) e sera incrementada, a cada pulso do encoder, até chegar a zero. Enquanto está contando, a saída Solenoide_1 permanece como estava, ou seja, desligada. Quando a contagem alvo for atingida, a saída Solenoide_1 comuta para ligada. É exatamente quando a contagem alvo é atingida e a saída Solenoide_1 é ligada que estaremos energizando o solenoide da válvula do aplicador de adesivo, abrindo a passagem do fluído (HOT MELT) pressurizado e iniciando a deposição do filete sobre o substrato. • Enquanto estava contando, o contador rápido ativou a variável de apenas 1 bit denominada Cont_Flag, porém quando a contagem alvo é atingida, imediatamente, o contador rápido derruba essa variável (isso é inerente ao funcionamento interno do contador rápido) e havendo uma efetiva ativação da saída Solenoide_1, derrubamos o relé R6 e armamos o rele R9, causando, no degrau de número 9, a ativação da saída Inicio (inicio da aplicação do André Luis Lenz 28 adesivo). • Agora precisaremos contar os pulsos, não mais do intervalo de distância da pré aplicação (que teve a sua duração definida pelo valor contido na variável Duracao_Pre), mas, sim, do intervalo de distância da aplicação de adesivo (que terá a sua duração definida pelo valor contido na variável Duracao_Aplic). Assim como a variável Duracao_Pre, a variável Duracao_Aplic tem origem na parametrização via IHM que o operador faz para “APLICAÇÃO” e é também convertida de mm para pulsos na POU CONVERS_mm_PULSOS. • Assim, agora, basta que recorramos a uma sequencia de instruções idêntica àquela que já tínhamos feito antes: Carregamos o valor da Duracao_Aplic para uma variável local, tornamo-lo negativo e o carregamos para dentro do contador rápido e pomos este contador em movimento, mais uma vez, contando a partir de um valor que é negativo, incrementando-o, até chegar a zero, que é o alvo. A diferença é que estaremos, agora, contando os pulsos durante o intervalo de aplicação do adesivo. Quando o alvo (valor zero) for atingido, deligamos a saída Solenoide_1, cortando assim filete de aplicação de adesivo. A conversão mm em Pulsos: A POU CONVERS_mm_PULSOS é a responsável por esse tipo de conversão. A partir de quatro parâmetros definidos pelo operador via IHM, ela opera, continuamente, a conversão desses parâmetros, entregando em sua saída quatro variáveis: • • • • Duracao_Pre (RETARDO 1, na IHM); Duracao_Aplic (APLICAÇÃO 1, na IHM); Duracao_Pre2 (RETARDO 2, na IHM); Duracao_Apli2 (APLICAÇÃO 2, na IHM). Esta rotina foi, também, responsabilizada por estabelecer um valor mínimo de comprimento de filete de aplicação de adesivo, bem como, também, do intervalo pré aplicação, em um valor de 5 mm (apesar de que, limitações de faixa de valores para variáveis introduzidas a partir da IHM, podem ser feitas, também, no próprio programa da IHM, até de uma forma mais simples, porém não tão “amigável” para a operação). As conversões de mm para pulsos, em si, são bastante simples e requerem tão somente que cada uma das variáveis as serem convertidas sejam multiplicadas pela taxa de pulsos por mm, que é, também, um parâmetro previamente fornecido pelo operador e que é, ainda, dependente da relação que existe entre o encoder utilizado e o movimento linear da esteira na qual ele está instalado. 5. Considerações Finais e Agradecimentos: Esta dissertação faz parte de uma série "Eletroeletrônica Industrial em Controle de Automáticos", cuja lista de temas é: 1- Relés de Estado Solido (SSR - Solid State Relays); 2-Acionamento de Aquecimento para Termofusão de Polímeros; 3- Acionamento Sincronizado de Máquinas (Coleiro + Esteira); 4- Polímeros Adesivos Termofundíveis (Hot Melt); André Luis Lenz 29 5- Controle de Temperatura de Aquecimento em Multizonas; 6- Comutação Rápida de Eletroválvulas em Aplicadores Hotmelt; Portanto, o assunto aqui abordado (Comutação Rápida de Eletroválvulas em Aplicadores Hotmelt) é complementado nas dissertação subsequentes. Agradecimentos especiais à empresa Priscell Ind. Com. Ltda., que me contratou como projetista e supervisor de montagens eletroeletrônicas, por um certo período nos anos de 2010/2011, me propiciando, assim, o aprimoramento do conhecimento técnico e tecnológico, essencial, que tornou esta dissertação possível. 6. Referências Bibliográficas: • FP Sigma User Manual (2003) – Panasonic-Matsushita; 7. Apêndice: HIGH SPEED COUNTER: n values Description 0 1 2 3 Elapsed value register: DDT90044 DDT90048 DDT90200 DDT90204 Target value register: DDT90046 DDT90050 DDT90202 DDT990206 Used channel: CH0 do Contador 0 CH1 do Contador 0 CH0 do Contador 1 CH1 do Contador 1 ON during execution: R903A R903B R903C R903D s values FP-Sigma 2,147,483,468 or 16#80000000 ... -2,147,483,647 or 16#7FFFFFFF d values value output 0 Y0 André Luis Lenz 30 ... ... 7 Y7 As variáveis desta função deverão ser dos seguintes tipos: Variable Data type Function n DINT, DWORD O número do canal do Contador que corresponde a faixa de 0 – 3 (n: 0 to 3). For the FP-X: n: 16#0 to 16#B s DINT, DWORD the high-speed counter target value data or the starting address of the area that contains the data d BOOL the output coil that is turned on when the values match (Yn, n: 0 to 7). For the FP-X: Yn, n: 0 to 29F Se desejarmos declarar as variáveis desta função em uma lista de variáveis globais, devemos atribuir endereços às seguintes a´reas de memória: For Relay n - s DWX DWY DWR - d - André Luis Lenz T/C - Y - - - - - Register - - - dec. or hex. DSV DEV DDT - - - - - - - - - Constant - 31 FP Address IEC Address Name Description Read- Writing ing DT90044 High-speed For The elapsed value (32-bit data) for the high- A %MW5.90044 counter elapsed CH0 speed counter is stored here. The value can be value read and written by executing the F1 (DMV) instruction. A DT90045 High-speed For The elapsed value (32-bit data) for the high- A %MW5.90045 counter elapsed CH0 speed counter is stored here. The value can be value read and written by executing the F1 (DMV) instruction. A DT90046 High-speed %MW5.90046 counter target value A N/A A N/A For The target value (32-bit data) of the highCH0 speed counter specified by the high-speed counter instruction is stored here. Target values have been preset for the various instructions to be used when the high-speed counter related instruction F166, F167, F171, F172, F174, F175 or F176 is executed. The value can be read by executing the F1_DMV instruction. DT90047 High-speed %MW5.90047 counter target value For The target value (32-bit data) of the highCH0 speed counter specified by the high-speed counter instruction is stored here. Target values have been preset for the various instructions to be used when the high-speed counter related instruction F166, F167, F171, F172, F174, F175 or F176 is executed. The value can be read by executing the F1_DMV instruction. André Luis Lenz 32 FP Address IEC Address Name Description Read- Writing ing DT90048 High-speed For The elapsed value (32-bit data) for the high- A %MW5.90048 counter elapsed CH1 speed counter is stored here. The value can be value area read and written by executing the F1(DMV)instruction. A DT90049 High-speed For The elapsed value (32-bit data) for the high- A %MW5.90049 counter elapsed CH1 speed counter is stored here. The value can be value area read and written by executing the F1(DMV)instruction. A DT90050 High-speed %MW5.90050 counter target value area For The target value (32-bit data) of the highA CH1 speed counter specified by the high-speed counter instruction is stored here. Target values have been preset for the various instructions to be used when the high-speed counter related instruction F166 or F167 is executed. The value can be read by executing the F1_DMV instruction. N/A DT90051 High-speed %MW5.90051 counter target value area For The target value (32-bit data) of the highA CH1 speed counter specified by the high-speed counter instruction is stored here. Target values have been preset for the various instructions to be used when the high-speed counter related instruction F166 or F167 is executed. The value can be read by executing the F1_DMV instruction. N/A André Luis Lenz 33 FP Address IEC Address Name DT90052 High-speed counter %MW5.90052 and pulse output control flag Description Read- Writing ing A value can be written with the F0_MV instruction to reset the high-speed counter, disable counting, continue or clear the highspeed counter instruction. N/A A Control code setting: André Luis Lenz 34 André Luis Lenz 35