Microsoft Word - manual_instruŧŵes_protųtipode Elevação por Sistema Telescópico
Letícia Ecard Cesar Projeto de Graduação apresentado ao Curso de Engenharia Eletrônica e de Computação da Escola Politécnica, Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Engenheiro. Orientador: Carlos José Ribas d’Ávila Rio de Janeiro
Maio de 2021
Escola Politécnica – Departamento de Eletrônica e de Computação
Centro de Tecnologia, bloco H, sala H-217, Cidade Universitária
Rio de Janeiro – RJ CEP 21949-900
Este exemplar é de propriedade da Universidade Federal do Rio de Janeiro, que
poderá incluí-lo em base de dados, armazenar em computador, microfilmar ou adotar
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bibliotecas deste trabalho, sem modificação de seu texto, em qualquer meio que esteja ou
venha a ser fixado, para pesquisa acadêmica, comentários e citações, desde que sem
finalidade comercial e que seja feita a referência bibliográfica completa.
Os conceitos expressos neste trabalho são de responsabilidade do(s) autor(es).
v
“All your dreams can come true if you have the courage to pursue them.”
- Walt Disney
vii
AGRADECIMENTOS
A Deus, primeiramente, por cada conquista e por todos os dias da minha vida.
Aos meus pais, Rogéria e Adilson, e minha irmã Karine, que tornaram tudo isso
possível. Obrigada por me apoiarem sempre!
Ao meu amor Rodrigo, que esteve ao meu lado em todos os momentos desde o
nosso ensino médio no Colégio Pedro II. Você me fez amadurecer e crescer como ser
humano, obrigada.
Ao meu orientador, Carlos José Ribas d'Ávila pelo suporte, dedicação, incentivo
confiança. Além de um excepcional professor e orientador, foi um grande amigo e
conselheiro.
Aos professores Joarez Bastos Monteiro e Heraldo Luís Silveira de Almeida por
participarem da banca desta monografia, e assim participarem da conclusão de um sonho.
Aos professores que tive o prazer de conhecer durante a graduação, em especial,
ao professor Carlos Fernando Teodósio Soares, sempre solícito para qualquer questão e
dono de uma didática única.
Aos amigos que fizeram parte desses longos anos de graduação.
A todos que direta u indiretamente fizeram parte d minha formação, muito
obrigada.
viii
RESUMO
Este trabalho refere-se ao projeto e desenvolvimento de um circuito de
instrumentação que possa ser utilizado em plataformas de elevação por sistema
telescópico como uso substituto da escada para atividades de manutenção na rede elétrica
a fim de prover segurança e diminuição de esforço físico aos profissionais que forem
utilizá-la. A plataforma possui como características isolação para 1.000 Volts, capacidade
máxima de carga de 130 kg e elevação de até 5,5 metros. Nesse sentido, é proposto o
monitoramento da carga e estabilidade do sistema, e ainda, o controle do acionamento dos
motores de deslocamento e elevação por meio dos modos de operação específicos do
conjunto. Após, na primeira etapa da fase de validação, foram realizados ensaios de
bancada dos quatro módulos que constituem o projeto. Por fim, a segunda etapa
compreendeu a construção do protótipo e seus ensaios de campo para garantir seu correto
funcionamento em condições reais
do trabalho, Arduino, programação embarcada, monitoramento, PWM, microcontrolador,
protótipo.
ix
ABSTRACT
This work refers to the project and development of an instrumentation circuit that
can be used on lifting platforms by a telescopic system as a substitute for the ladder for
maintenance activities in the electrical network to provide safety and reduce physical
effort to professionals are going to use it. The platform has insulation for 1,000 Volts, a
maximum load capacity of 130 kg and a maximum elevation to 5.5 meters. This way, it
is proposed to monitor the load and stability of the system, as well as to control the
activation of the displacement and elevation motors by the specific operation modes of
the set. Afterwards, in the first stage of the validation phase, bench tests were carried out
on the four project’s modules. Finally, the second stage comprised the construction of the
prototype and its field tests to ensure its correct operation in real conditions.
Key-words: Instrumentation circuit, lifting platform, work safety, Arduino, embedded
programming, monitoring, microcontroller, prototype.
DC – Direct Current
FS – Full Scale
IP – Índice de Proteção
LASPI – Laboratório de Aplicações para o Setor Produtivo e Industrial
LED – Light-Emitting Diode
NA – Normalmente Aberto
NF – Normalmente Fechado
VCC – Voltage Direct Current
2.1 Princípio de Funcionamento .............................................................................. 7
2.1.1 Diagrama de Estados da Operação ........................................................... 11
2.2 Modos de Operação ......................................................................................... 12
3 HARDWARE E DEFINIÇÃO DOS MÓDULOS .................................................. 14
3.1 Unidade Central de Controle ........................................................................... 15
3.2 Módulo de Alimentação ................................................................................... 17
3.2.1 Placa da Fonte ........................................................................................... 17
3.2.2 Funcionamento dos Motores e Chaves de Controle ................................. 18
3.2.2.1 O Driver dos Motores ....................................................................... 19
3.2.2.2 Comutação e Chaves de Controle ..................................................... 23
3.3 Módulo de Medição ......................................................................................... 27
3.3.1 Monitoramento de Carga da Plataforma ................................................... 27
3.3.1.1 A Célula de Carga ............................................................................. 27
3.3.1.2 Instalação das Células de Carga ........................................................ 30
3.3.1.3 Condicionamento do Sinal das Células de Carga.............................. 33
3.3.2 Monitoramento de Estabilidade da Plataforma ........................................ 35
3.4 Módulo de Operação ........................................................................................ 40
3.4.1 Controles de Acionamento da Plataforma ................................................ 40
xii
3.4.3 Operação em Ambiente Externo .............................................................. 43
4 FIRMWARE E ROTINAS DO MICROCONTROLADOR ................................ 45
4.1 Bloco de Inicialização ...................................................................................... 46
4.2 Bloco dos Modos de Operação ........................................................................ 48
4.3 Bloco dos Motores ........................................................................................... 51
4.4 Bloco de Testes ................................................................................................ 54
5 ENSAIOS E CONTRUÇÃO DO PROTÓTIPO .................................................... 56
5.1 Ensaios de Bancada dos Módulos .................................................................... 56
5.1.1 Ensaios de Medição .................................................................................. 57
5.1.1.1 Inclinômetro ...................................................................................... 57
5.2.2.2 Bloco de Keep Alive .......................................................................... 75
5.2.2.3 Bloco de Testes ................................................................................. 76
5.3 Instalação dos Sensores do Protótipo ............................................................... 78
5.4 Testes de Campo .............................................................................................. 82
6 CONCLUSÃO E APRIMORAMENTOS FUTUROS .......................................... 83
7 BIBLIOGRAFIA ...................................................................................................... 85
8 APÊNDICE ............................................................................................................... 86
8.3 Esquema Elétrico do Circuito do Protótipo ..................................................... 89
xiii
xiv
Figura 2.1 Modelo em 3D do sistema telescópico............................................................ 7
Figura 2.2 Modelo do funcionamento do sistema telescópico por central hidráulica. ..... 9
Figura 2.3 Modelo em 3D da plataforma de elevação com controles de acionamento indicados. ........................................................................................................................ 10
Figura 2.4 Diagrama de estados da operação de elevação do cesto da plataforma acionada pela Botoeira de Elevação. .............................................................................. 11
Figura 2.5 Diagrama de estados da operação de deslocamento da plataforma acionada pela Botoeira de Deslocamento. ..................................................................................... 12
Figura 3.1 Diagrama de blocos da instrumentação e os seus módulos........................... 14
Figura 3.2 Microcontrolador ESP32. .............................................................................. 15
Figura 3.3 (a) Regulador L7805. (b) Regulador L7815. ................................................ 17
Figura 3.4 Diagrama de ligações da placa da fonte. ....................................................... 18
Figura 3.5 Casos com Duty Cycle de 25%, 50% e 75%, respectivamente. .................... 20
Figura 3.6 Resposta do caso de exemplo para cálculo do Duty Cycle. .......................... 20
Figura 3.7 Funcionamento da Ponte H como circuito chaveador do motor. .................. 21
Figura 3.8 Driver Ponte H BTS 7960. ............................................................................ 21
Figura 3.9 Gráfico velocidade versus tempo do acionamento do motor. ....................... 22
Figura 3.10 Circuito interno de um SSR-DC. ................................................................ 23
Figura 3.11 (a) Relé de Estado Sólido SSR-80 DA da DMWD; (b) Relé de Estado Sólido SSR-80 DD da DMWD. ...................................................................................... 24
Figura 3.12 Diagrama do triângulo de funcionamento do driver, chaves de controle e motores. .......................................................................................................................... 25
Figura 3.13 Diagrama do triângulo de funcionamento do driver, chaves de Controle e motores no caso Modo Condução. ................................................................................. 26
xv
Figura 3.14 Diagrama do triângulo de funcionamento do driver, chaves de controle e motores no caso Modo Serviço. ..................................................................................... 26
Figura 3.15 Modelo simplificado de células de carga ligadas conforme Ponte de Wheatstone. .................................................................................................................... 28
Figura 3.16 Ponte de Wheatstone. .................................................................................. 28
Figura 3.17 Tipos de células de carga: (a) Célula de Carga Single Point; (b) Célula de Carga para Compressão; e (c) Célula de Carga tipo Planar Beam ZLS. ...................... 29
Figura 3.18 Desenho da célula de carga Planar Beam ZLS detalhada em CAD. ........... 30
Figura 3.19 Desenho em CAD da base de aço com células de carga instaladas. ........... 30
Figura 3.20 Desenho em CAD da base de aço com piso falso. (a) Visão superior; e (b) Visão lateral, em perspectiva. ......................................................................................... 31
Figura 3.21 Desenho em CAD do piso falso instalado no cesto e a base com as células fixadas logo abaixo. ........................................................................................................ 32
Figura 3.22 Modelo em 3D da plataforma de elevação com a indicação do local para a instalação da base de aço (vermelho) e com o piso falso (verde) instalado dentro do cesto. ............................................................................................................................... 33
Figura 3.23 Modelo de ligação da célula de carga tipo Planar Beam ZLS. ................... 33
Figura 3.24 Condicionador para células de carga HX711. ............................................. 35
Figura 3.25 Inclinômetro série INS 130 da Atek, biaxial e com grau de proteção IP67. 36
Figura 3.26 Modelo mecânico do inclinômetro série INS 130 biaxial (XY). ............... 36
Figura 3.27 Desenho do inclinômetro detalhado em CAD. ........................................... 37
Figura 3.28 Modelo em 3D da plataforma de elevação com os eixos XY do plano horizontal. ....................................................................................................................... 38
Figura 3.29 Desenho do conjunto de fixação do inclinômetro detalhado em CAD. ...... 38
Figura 3.30 Modelo em 3D da plataforma de elevação com a indicação do conjunto de fixação do inclinômetro (azul) e dos eixos XY do plano horizontal. ............................. 40
Figura 3.31 Botoeira de comando BC326-C com grau de proteção IP66 da Schmersal.41
Figura 3.32 Botoeira de comando BC323-C com grau de proteção IP66 da Schmersal.42
Figura 3.33 Modelo do funcionamento e diagrama de ligação de uma Chave de Fim de Curso. .............................................................................................................................. 43
xvi
Figura 3.34 Chave de Fim de Curso PS116 de ação rápida (1 NA / 1 NF) com alavanca basculante da Schmersal. ................................................................................................ 43
Figura 4.1 Código do projeto segmentado em seus quatro blocos: Bloco de Inicialização, Bloco dos Modos de Operação, Bloco dos Motores e Bloco de Testes. .. 46
Figura 4.2 Trecho do código da rotina setup: peso máximo e inclinação máxima. ....... 47
Figura 4.3 Trecho do código da rotina loop. .................................................................. 47
Figura 4.4 Trecho do código da rotina executar. ........................................................... 48
Figura 4.5 Trecho do código da rotina thread_emergencia. .......................................... 49
Figura 4.6 Trecho do código da rotina thread_elevacao................................................ 50
Figura 4.7 Trecho do código da rotina thread_deslocamento. ...................................... 51
Figura 4.8 Trecho do código da rotina motor_left. ........................................................ 52
Figura 4.9 Trecho do código da rotina motor_left_stop. ................................................ 52
Figura 4.10 Trecho do código da rotina motor_right. .................................................... 53
Figura 4.11 Trecho do código da rotina motor_right_stop. ........................................... 53
Figura 4.12 Trecho do código da rotina motor_stop_abrupt. ........................................ 53
Figura 4.13 Trecho do código da rotina teste_carga. ..................................................... 54
Figura 4.14 Trecho do código da rotina teste_inclinacao. ............................................. 54
Figura 4.15 Trecho do código da rotina teste_curso_baixo. .......................................... 55
Figura 5.1 Mapa de ensaios dos Módulos da instrumentação. ....................................... 57
Figura 5.2 Fotos do Ensaio de Medição com o inclinômetro: (a) Montagem do circuito na protoboard para o Ensaio de Medição; (b) Calibragem do inclinômetro com o transferidor de 180º; e (c) Ensaio de Medição com microcontrolador, inclinômetro e alarme. ............................................................................................................................ 58
Figura 5.3 Fotos do Ensaio de Medição com as células de carga: (a) Balança caseira com duas células de carga fixadas e itens de uso domésticos caseiros utilizados para sua calibração; e (b) Ensaio de Medição colocando um item de 7 kg sobre a balança. ....... 59
Figura 5.4 Esquemático dos Ensaios de Operação. ........................................................ 61
Figura 5.5 Foto da bancada montada com todos os componentes para os Ensaios de Operação. ........................................................................................................................ 62
xvii
Figura 5.6 Fotos do Ensaio de Operação, com carga de 10 A: (a) Ensaio do Modo Condução; e (b) Ensaio do Modo Serviço. ..................................................................... 63
Figura 5.7 Fotos dos Ensaios de Operação, com cargas de (a) 10 A, (b) 20 A e (c) 30 A. ........................................................................................................................................ 65
Figura 5.8 Processo da eletrólise .................................................................................... 66
Figura 5.9 Foto do banho eletrolítico usado como carga para o circuito do ensaio. ...... 67
Figura 5.10 Diagrama de blocos do protótipo. ............................................................... 68
Figura 5.11 Caixa de montagem padrão IP65. ............................................................... 69
Figura 5.12 Foto do protótipo desenvolvido, nas vistas superior e lateral. .................... 69
Figura 5.13 Conectores IP65 (a1) modelo de dois pinos fêmea para painel; (a2) modelo de dois pinos macho para cabo; (b1) modelo de seis pinos fêmea para painel; (b2) modelo de seis pinos macho para cabo. .......................................................................... 70
Figura 5.14 Componentes do painel do protótipo (a) Botão ON/OFF; (b) LED Keep Alive; (c) Botão Reset. .................................................................................................... 70
Figura 5.15 Foto do protótipo desenvolvido, visão interna. ........................................... 71
Figura 5.16 Ilustração do circuito do protótipo desenvolvido ........................................ 72
Figura 5.17 Código do protótipo segmentado em seus três blocos: Bloco de Inicialização, Bloco de Keep Alive e Bloco de Testes. ................................................... 73
Figura 5.18 Trecho do código da rotina modem_sleep. ................................................. 75
Figura 5.19 Trecho do código da rotina keep_alive. ...................................................... 75
Figura 5.20 Trecho do código da rotina call_keep_alive. .............................................. 76
Figura 5.21 Trecho do código da rotina loop. ................................................................ 76
Figura 5.22 Trecho do código da rotina loop_carga. ..................................................... 76
Figura 5.23 Trecho do código da rotina teste_carga. ..................................................... 77
Figura 5.24 Trecho do código da rotina loop_inclinacao. ............................................. 77
Figura 5.25 Trecho do código da rotina teste_inclinacao. ............................................. 77
Figura 5.26 Folha de projeto da balança com a montagem das células de carga. .......... 78
Figura 5.27 Folha de projeto da estrutura de montagem do inclinômetro. ..................... 79
xviii
Figura 5.28 Foto de uma célula de carga tipo Planar Beam ZLS com conector IP65. .. 79
Figura 5.29 Foto da base de aço com piso de apoio e as quatro células de carga instaladas. ....................................................................................................................... 80
Figura 5.30 Foto do inclinômetro série INS 130 com conector IP65. ............................ 80
Figura 5.31 Foto do conjunto do protótipo e sensores, finalizado para a montagem na plataforma. ...................................................................................................................... 81
Figura 5.32 Foto da plataforma de elevação construída. ................................................ 81
xix
Tabela 3.1 Mapa de variáveis utilizadas pelo microcontrolador ESP32. ....................... 16
Tabela 3.2 Relação entre o ângulo de inclinação do sensor e o sinal na entrada analógica do ESP32. ....................................................................................................................... 37
Tabela 3.3 Níveis de proteção identificados pelo primeiro e segundo dígito do sistema IPXX. .............................................................................................................................. 44
Tabela 5.1 Tabela verdade do Ensaio de Medição com o inclinômetro. ........................ 58
Tabela 5.2 Tabela verdade do Ensaio de Medição com as células de carga. ................. 60
Tabela 5.3 Comparativo das voltagens e correntes nos ensaios de operação com as cargas. ............................................................................................................................. 66
Tabela 5.4 Comparação de energia consumida, em mA, entre o modo ativo e o modo Modem sleep, no ESP32. ................................................................................................ 74
xx
3.1 Cálculo do Duty Cycle ............................................................................................. 19
3.2 Cálculo da corrente necessária a ser suprida pelo driver ......................................... 22
3.3 Cálculo de fundo de escala ...................................................................................... 35
3.4 Fórmula da Lei de Ohm ........................................................................................... 36
5.1 Fórmula de Potência ................................................................................................ 64
1
1.1 Tema
No Brasil, o mercado de distribuição de energia elétrica é suprido por 64
concessionárias, das quais 3 são do Rio de Janeiro, incluindo a Light Serviços de
Eletricidade [1].
Para realizar os serviços de manutenção da rede elétrica, os funcionários das
concessionárias são expostos, além do evidente risco de natureza elétrica, aos riscos de
acidentes decorrentes do trabalho em altura [2]. Esses funcionários precisam levantar e
transportar cargas com pesos acima dos limites toleráveis, provocando lesões em
músculos e suas articulações [3].
O uso da escada do tipo extensiva de fibra de vidro se faz necessário na rotina
diária de trabalhadores que realizam intervenções nos postes de áreas urbanas e rurais.
Esta escada pesa, aproximadamente 27 kg e possui extensão de 4,2 m fechada e 7,2 m
aberta. Dentre as principais atividades exercidas pelos funcionários das concessionárias
de energia elétrica ao prestar um serviço, citam-se o levantamento da escada do veículo
até o chão, e vice-versa; a condução da escada desde o veículo até o poste junto ao corpo
na altura dos ombros e a colocação e retirada da escada no suporte do veículo [3].
A autora integra uma equipe de desenvolvimento responsável pelo projeto e
construção de uma plataforma de elevação por sistema telescópico com isolamento
elétrico de 1.000 Volts, capacidade de suporte para 130 kg e elevação de 5,5 metros.
Nesse contexto, o objetivo deste trabalho foi projetar e construir um sistema de
instrumentação aplicado à segurança do trabalho para esta plataforma.
2
1.2 Delimitação
Dentro da área de segurança do trabalho, o uso da escada de fibra de vidro por
eletricistas em suas operações de campo é um risco a ser mitigado.
Posto isto, o objetivo do trabalho é o projeto e construção de um sistema de
instrumentação que possa ser utilizado em plataformas de elevação por sistema
telescópico, como uso substituto da escada para atividades de manutenção na rede elétrica.
1.3 Justificativa
A motivação para este trabalho está relacionada à segurança do trabalho, com foco
objetivo na mitigação do uso da escada de fibra de vidro, que se apresenta como um risco
aos eletricistas em operações de campo.
As funções exercidas por eletricistas, majoritariamente, envolvem a manutenção
preventiva e corretiva de estruturas e de linhas aéreas de distribuição. Este trabalho é
caracterizado por elevados riscos à saúde e segurança dos profissionais. As equipes de
redes aéreas de distribuição enfrentam, fundamentalmente, três fatores de risco: trabalho
em altura, trabalho com eletricidade e trabalho nas ruas [4].
Em oposição ao esperado, os danos por exposição à energia elétrica não
configuram o tipo de acidente com maior incidência no setor elétrico. Os impactos e
quedas com diferença de nível são apontados como os acidentes mais comuns na
categoria, como apresentado no Tabela 1.1.
3
TIPOS DE ACIDENTES DE MAIOR INCIDÊNCIA
1 Impacto sofrido por pessoa 2 Queda com diferença de nível 3 Reação do corpo 4 Queda no mesmo nível 5 Ataque de ser vivo 6 Atrito ou abrasão 7 Exposição à energia elétrica 8 Esforço excessivo 9 Aprisionamento em, sob ou entre
10 Outros
Tabela 1.1 Tipos de acidentes de maior incidência [5].
Entre os equipamentos disponíveis no mercado, os modelos de plataformas de
elevação para este fim sequer possuem isolamento elétrico, e são plataformas fixas, que
não possuem especificações práticas para a utilização nas ruas, seja devido ao seu tempo
de montagem ou pela dificuldade de deslocamento.
Dentre os modelos existentes temos a Plataforma Elevatória Pantográfica e a
Plataforma Elevatória de Lança Articulada, Figura 1.1 (a) e Figura 1.1 (b),
respectivamente; a Plataforma Elevatória Telescópica Fixa, Figura 1.1 (c); e a Plataforma
de Lança Telescópica, Figura 1.1 (d).
4
1.4 Objetivos
1.4.1 Objetivos Gerais
O objetivo geral é projetar e construir o sistema de instrumentação que será
utilizado na Plataforma de Elevação por Sistema Telescópico, como parte do trabalho de
pesquisa e desenvolvimento PD103-18, da ANEEL, Equipamento para Redução de
Esforços Físicos e de Impactos a Saúde do Eletricista nos Serviços em BT.
Como objetivos gerais, ainda, podemos citar: a) diminuição de esforço físico aos
que forem utilizá-la; b) aumento da segurança na execução das atividades de campo dos
eletricistas; c) redução no número de afastamento desses profissionais por lesões físicas
em decorrência da utilização constante de escadas de fibra de vidro; d) melhoria na saúde
física do trabalhador, como proposto na política de segurança do trabalho.
5
1.4.2 Objetivos Específicos
Este trabalho propõe o projeto e construção do sistema de instrumentação para uma
plataforma de elevação que possui como características: isolação para 1.000 Volts,
capacidade máxima de carga de 130 kg e elevação de até 5,5 metros.
Portanto, são objetivos específicos: a) o desenvolvimento de uma inteligência local
com microcontrolador; b) construção de sensores, a fim de proporcionar o monitoramento
da carga e estabilidade do sistema e, ainda, c) construção de atuadores para controlar o
acionamento dos motores de deslocamento e elevação, por meio dos modos de operação
específicos do conjunto.
1.4.3 Objetivos Indiretos
Como objetivos indiretos do projeto, é possível citar uma redução do tempo de
atendimento nas atividades executadas pelos eletricistas de campo, e ainda, um ganho de
produtividade nas operações da concessionária, uma vez que o equipamento tem um peso
estimado em 300 kg e pode ser transportado com facilidade por veículos utilitários leves.
1.5 Metodologia
Do ponto de vista do trabalho a ser desenvolvido, a plataforma de elevação possui
variáveis importantes a serem monitoradas como, especificamente carga e estabilidade.
Como metodologia do trabalho serão utilizadas células de carga e um conjunto de
acelerômetros (inclinômetro) para, respectivamente, monitorar a carga máxima que a
plataforma poderá suportar e, ao mesmo tempo, monitorar a inclinação da plataforma.
Posteriormente, será desenvolvida uma inteligência local baseada em um
microcontrolador para que, após o condicionamento e processamento dos sinais gerados
pelas variáveis, seja possível alertar o eletricista, de forma objetiva, através de um sinal
luminoso e sonoro, sobre um risco na operação.
Por fim, é proposto o desenvolvimento de um sistema eletrônico para o controlar
o acionamento dos motores de deslocamento e elevação, nos modos de operação
específicos do conjunto. Este sistema eletrônico é composto por duas botoeiras de
6
acionamento, uma para deslocamento e elevação, e outra para a comutação entre os modos
de operação.
A fase de validação será composta por duas etapas. A primeira abrangerá os
ensaios de bancada dos módulos, nos quais serão verificadas as funcionalidades de cada
módulo do sistema e a segunda etapa compreenderá a construção do protótipo e seus
ensaios de campo.
1.6 Descrição
No Capítulo 2 será apresentada a plataforma de elevação abordada no projeto, bem
como seu princípio de funcionamento e seus modos de operação.
O Capítulo 3 apresenta o hardware e módulos do projeto com suas respectivas
especificações. Cada seção detalha um módulo: Unidade Central de Controle, Módulo de
Alimentação, Módulo de Medição e Módulo de Operação, respectivamente.
O Capítulo 4 tratará de apresentar o firmware e as rotinas desenvolvidas para o
microcontrolador, evidenciando suas particularidades.
O Capítulo 5 apresenta as duas etapas que compõem a fase de validação do projeto.
A primeira abrangendo os ensaios de bancada dos módulos, e a segunda etapa
compreendendo a construção do protótipo e seus ensaios de campo.
Por fim, o Capítulo 6 fará uma breve conclusão do projeto, apresentará seus
objetivos cumpridos e apontará oportunidades de melhorias encontradas durante os
ensaios de campo do protótipo.
7
A Plataforma de Elevação
2.1 Princípio de Funcionamento
O sistema da plataforma de elevação telescópica, apresentado em seu modelo 3D
na Figura 2.1, segue as premissas de estabilidade, facilidade de transporte e segurança
para o operador.
O equipamento é constituído de um sistema telescópico de alcance vertical de até
5,5 metros, cesto em fibra de vidro e carga máxima suportada de até 130 kg. Possui um
sistema hidráulico de suspensão movido por correntes, guias deslizantes e intertravadas e
comandos hidráulicos operados tanto na parte superior quanto inferior, para a elevação e
descida do conjunto.
A Figura 2.1 apresenta um modelo 3D da plataforma de elevação.
Figura 2.1 Modelo em 3D do sistema telescópico.
8
O acionamento dos estágios para a elevação do conjunto será feito por um cilindro
hidráulico, instalado e fixado na parte inferior da estrutura; e um conjunto de polias com
correntes, que se interligam entre os perfis, para mover todos os estágios de uma só vez.
O acionamento elétrico é formado por duas baterias veiculares recarregáveis de
12 Volts ligadas em série, sendo a potência estimada para elevação da carga à altura de
5,5 metros, em 30 segundos, de 800 W.
O conjunto possui dois motores, sendo o primeiro responsável pela elevação do
cesto da plataforma, denominado Motor M1. O segundo motor é responsável pelo
deslocamento horizontal da plataforma, denominado Motor M2. Ambos os motores são
comandados por um driver que possibilita a rotação para esquerda, direita e permite o
controle da velocidade por meio de uma modulação de pulsos. O driver, então, é um
dispositivo que recebe os pulsos gerados pela inteligência local, o microcontrolador, e
realiza o chaveamento necessário dos componentes de potência de modo a fornecer a
corrente necessária para acionar a movimentação dos motores.
A elevação da plataforma é desempenhada pela central hidráulica que compõe o
sistema telescópico, sendo composta pelo driver dos motores, o reservatório de óleo e o
pistão hidráulico, responsável por elevar a plataforma. O microcontrolador é responsável
por enviar os pulsos para o driver dos motores de elevação M1 e deslocamento M2. O
modelo de funcionamento do sistema telescópico por central hidráulica pode ser visto na
Figura 2.2.
Figura 2.2 Modelo do funcionamento do sistema telescópico por central hidráulica.
O funcionamento da central hidráulica baseia-se no Princípio de Pascal. O óleo do
reservatório é o fluído hidráulico que recebe pressão pelo conjunto bomba-motor elétrico.
O cilindro hidráulico, também conhecido como motor hidráulico linear, fica inserido no
pistão, instalado e fixado na parte inferior da estrutura. Seu movimento é determinado pela
entrada e saída de óleo no cilindro.
Ao deslocar o óleo do reservatório através do motor M1, o fluido exerce uma força
que impulsiona o pistão hidráulico para cima. Assim, a pressão hidráulica atua no pistão
para produzir um movimento linear, movendo o sistema telescópico.
O sistema telescópico, por sua vez, é composto por um conjunto de polias com
correntes que se interligam entre os perfis, movendo todos os estágios de uma só vez,
agindo assim como um multiplicador de deslocamentos.
O sistema possui uma velocidade muito baixa de ascensão, em torno de 0,66 km/h
ou 11 m/min (5,5 metros em 30 segundos), podendo ser considerado um sistema estático
10
e permitindo que sejam realizados os cálculos dos esforços solicitantes baseados na
mecânica clássica.
As atividades de manutenção devem ser realizadas, obrigatoriamente, com a
participação de, no mínimo, dois eletricistas. Um profissional fica em solo, enquanto o
outro realiza as operações na rede elétrica, isolado do terreno pelo cesto em fibra de vidro.
O eletricista do solo realiza o acionamento da plataforma através de botoeiras ligadas por
cabos ao hardware de controle. A primeira botoeira, denominada Botoeira de Elevação,
comanda as funções de subida e descida do cesto da plataforma, incluindo uma função de
emergência para a segurança dos eletricistas. A segunda botoeira, denominada Botoeira
de Deslocamento, possui as funções de deslocamento horizontal para frente e ré. Por fim,
há uma botoeira, denominada Botoeira Toggle, para a comutação entre os modos de
operação do conjunto: Modo Serviço e Modo Condução.
A Figura 2.3 apresenta um esboço desses controles.
Figura 2.3 Modelo em 3D da plataforma de elevação com controles de acionamento indicados.
11
2.1.1 Diagrama de Estados da Operação
A instrumentação realiza o monitoramento da carga e estabilidade da plataforma,
cujas operações serão permitidas apenas quando a carga no cesto não ultrapassar o peso
máximo de 130 kg e, ao mesmo tempo, todo o conjunto estiver devidamente nivelado,
com inclinação abaixo de 12 graus. Dentro dos limites estabelecidos para carga e
inclinação, a Botoeira de Elevação estará liberada para o acionamento do motor. No caso
da Botoeira de Deslocamento, o requisito para liberação do acionamento do motor é que
o cesto esteja recolhido ao nível da carreta.
A Figura 2.4 e Figura 2.5 apresentam os diagramas de estados da operação de
elevação do cesto, acionado pela Botoeira de Elevação, e da operação de deslocamento da
plataforma, acionado pela Botoeira de Deslocamento, respectivamente.
Figura 2.4 Diagrama de estados da operação de elevação do cesto da plataforma acionada
pela Botoeira de Elevação.
12
Figura 2.5 Diagrama de estados da operação de deslocamento da plataforma acionada pela
Botoeira de Deslocamento.
2.2 Modos de Operação
Os diagramas de estados das operações de elevação e deslocamento, Figura 2.4 e
Figura 2.5, respectivamente, descrevem a operação em Modo Serviço e Modo Condução,
comutados por meio da Botoeira Toggle.
O Modo Serviço abrange as funções de subida e descida do cesto da plataforma,
incluindo uma função de emergência para a segurança dos eletricistas, todas contidas na
Botoeira de Elevação.
Por sua vez, o Modo Condução abrange as funções de deslocamento para frente e
ré da plataforma contidas na Botoeira de Deslocamento.
O monitoramento de carga e estabilidade ocorre com a plataforma estacionada Em
Modo Serviço. Em suma, após a plataforma ter sido conduzida até o local da atividade
pelo motor de deslocamento, através da operação Modo Condução, o eletricista
selecionará o Modo Serviço e, a partir deste momento, com o cesto recolhido, será
monitorada a carga e estabilidade, enquanto a plataforma permanecer nesse cenário.
13
Para a operação no Modo Condução, a posição do cesto é monitorada para verificar
o recolhimento ao nível da carreta.
14
Hardware e Definição dos Módulos
A instrumentação é composta por quatro módulos: a Unidade Central de Controle,
o Módulo de Alimentação, o Módulo de Medição e o Módulo de Operação.
A Figura 3.1 apresenta o diagrama de blocos do conjunto.
Figura 3.1 Diagrama de blocos da instrumentação e os seus módulos.
O esquema elétrico geral do circuito de instrumentação, com a simbologia da norma técnica, é apresentado no item 8.1 do apêndice.
15
3.1 Unidade Central de Controle
A unidade central de controle é composta por um microcontrolador, responsável
pela aquisição, processamento e registro das informações das variáveis de carga,
estabilidade e curso dos elementos móveis da plataforma. Também é responsável por
receber os comandos das botoeiras de Elevação, Deslocamento e Toggle, bem como gerir
o driver dos motores.
O microcontrolador recebe os sinais dos sensores de carga e inclinação e aciona os
motores, de acordo com os comandos das botoeiras, respeitando os diagramas de estados
de operação estabelecidos para a operação segura da plataforma, apresentados na
Figura 2.4 e Figura 2.5.
O dispositivo escolhido foi o microcontrolador ESP32, sucessor do
microcontrolador ESP8266. Trata-se de um dispositivo com microprocessador de baixa
potência dual core Tensilica Xtensa 32-bit LX6, com suporte embutido à rede wi-fi,
bluetooth v4.2 e memória flash integrada. O microcontrolador possui 30 pinos e a
programação será feita por meio da IDE Arduino na placa programadora presente no
dispositivo.
A Figura 3.2 apresenta o microcontrolador ESP32 adotado no projeto.
Figura 3.2 Microcontrolador ESP32.
A Tabela 3.1 a seguir apresenta o mapa de variáveis do sistema de instrumentação
utilizado pelo microcontrolador ESP32.
Comunica através de 8 bits serial
Estabilidade (Inclinômetro) Entrada Analógico Nível DC
+5V a -5V
Subir (Botoeira de Elevação) Entrada Digital 0 ou 1
Descer (Botoeira de Elevação) Entrada Digital 0 ou 1
Emergência (Botoeira de Elevação) Entrada Digital 0 ou 1
Frente (Botoeira de Deslocamento) Entrada Digital 0 ou 1
Ré (Botoeira de Deslocamento) Entrada Digital 0 ou 1
Serviço/Condução (Botoeira Toggle) Entrada Digital 0 ou 1
Cesto recolhido (Chave Fim de Curso
Baixo) Entrada Digital 0 ou 1
Altura máxima cesto (Chave Fim de Curso Alto) Entrada Digital 0 ou 1
Driver dos Motores Saída Tipo PWM Valores de Duty Cycle
0-100%
Chave de Controle Curso Baixo Saída Digital 0 ou 1
Tabela 3.1 Mapa de variáveis utilizadas pelo microcontrolador ESP32.
17
3.2 Módulo de Alimentação
O módulo é composto pela placa da fonte, que gera as tensões de alimentação de
+15 V, +12 V e +5 V para os circuitos, a partir de uma bateria de +24 VDC, três chaves
de controle para acionamento das bobinas dos contatores, um driver ponte-H para acionar
os motores, e, por fim, os dois motores para operação da plataforma, como apresentado
no diagrama de blocos do projeto, na Figura 3.1.
3.2.1 Placa da Fonte
A placa da fonte usa a voltagem de +24 VDC, fornecida por duas baterias
veiculares de +12 VDC, ligadas em série para gerar as voltagens necessárias para o
projeto. Um regulador L7805 para gerar +5 V e um regulador L7815, em série com quatro
diodos, para gerar +15 V e +12 V, respectivamente. Os reguladores são apresentados na
Figura 3.3.
A Figura 3.4 apresenta o diagrama de ligações da placa da fonte.
Figura 3.3 (a) Regulador L7805. (b) Regulador L7815.
18
Figura 3.4 Diagrama de ligações da placa da fonte.
A voltagem de +15 V é usada para a alimentação do sensor de inclinação, e a
voltagem de +12 V é usada para a alimentação do alarme luminoso/sonoro. Já a voltagem
de +5 V é usada para a alimentação do microcontrolador e dos módulos HX711, e como
tensão lógica para o driver dos motores. Por fim, a voltagem de +24 V fornecida pelas
baterias, além de fornecer a tensão para a placa da fonte, também é usada como tensão de
alimentação para o driver dos motores.
O microcontrolador ESP32 possui saída de +3.3 V que é usada para a alimentação
dos demais dispositivos do projeto, botoeiras e chaves de fim de curso.
O esquema elétrico geral do circuito de instrumentação, com a simbologia da
norma técnica, é apresentado no item 8.1 do apêndice.
3.2.2 Funcionamento dos Motores e Chaves de Controle
A plataforma possui um motor DC escovado de 800 W de potência e corrente de
33 A, para elevação da plataforma, denominado motor M1; e um outro motor de 400 W
de potência e corrente de 17 A, para o deslocamento, denominado motor M2.
O controle da velocidade de elevação do cesto e do deslocamento da plataforma é
realizado por meio de um driver, denominado driver dos motores, mostrado na Figura 3.1
do diagrama de blocos do projeto.
19
3.2.2.1 O Driver dos Motores
Um driver é um dispositivo que recebe os pulsos gerados pelo microcontrolador e
realiza o chaveamento necessário dos componentes de potência de modo a fornecer a
corrente necessária para o acionamento dos motores, permitindo o controle da velocidade
do motor por meio da variação na largura dos pulsos.
Esses pulsos gerados pelo microcontrolador são possíveis pela tecnologia
Modulação por Largura de Pulso, ou PWM. Trata-se da possibilidade de controlar
potência ou velocidade através da largura do pulso de uma onda quadrada. Quanto maior
o tempo em nível lógico alto, maior a potência recebida pela carga. E, quanto menor o
tempo em nível lógico baixo, menor a potência recebida.
Sendo assim, é calculado o Duty Cycle, que corresponde à porcentagem de tempo
em que se encontra em nível lógico alto, através da equação:
[%] = 100 × [ ] í [ ]
(3.1)
A Largura do Pulso se trata do tempo em que o sinal está em nível lógico alto e o
Período é o tempo de um ciclo da onda.
A Figura 3.5 apresenta os casos com Duty Cycle de 25%, 50% e 75%,
respectivamente.
20
Figura 3.5 Casos com Duty Cycle de 25%, 50% e 75%, respectivamente.
Dessa forma, concluímos que, com amplitude de 12 V, ao gerar uma forma de onda
com Duty Cycle de 80% teremos como Tensão Média aplicada a carga 9,6 V. Como
apresenta a Figura 3.6.
Figura 3.6 Resposta do caso de exemplo para cálculo do Duty Cycle.
Neste projeto, usaremos o controle PWM para variar a velocidade dos motores
DC. O sinal PWM é aplicado na entrada do driver Ponte H, que será responsável por
chavear os motores de elevação e deslocamento.
A Ponte H segue a ideia básica de fazer com que dois dos quatro transistores
conduzam de cada vez, invertendo o sentido de circulação da corrente pelo motor, e,
21
consequentemente, o sentido de rotação. A Figura 3.7 apresenta o funcionamento da
Ponte H.
Figura 3.7 Funcionamento da Ponte H como circuito chaveador do motor.
Note que é formado um circuito chaveador, de forma que, quando S2 e S3 abertas
(S1 e S4 fechadas) a corrente passa pelo motor em um sentido, fazendo-o girar em uma
direção. Já quando S1 e S4 abertas (S2 e S4 fechadas) a corrente passa pelo motor no
sentido inverso, fazendo-o girar na direção contrária. É preciso se atentar ao fato de que
caso S1 e S3 abertas o motor não gira, pois não haverá fluxo de corrente por ele.
O circuito é capaz de ligar e desligar a corrente que alimenta os motores DC. O
sentido inverso dos motores se faz necessário para os movimentos antagônicos de subida
e descida do cesto, ou deslocamento para frente e ré da plataforma.
No projeto será usado um driver Ponte H BTS 7960, Figura 3.8, com corrente de
pico máxima de 43 A. Este driver tem controle de velocidade por PWM e tensão de
alimentação de 6 a 27 VDC.
Figura 3.8 Driver Ponte H BTS 7960.
22
O driver comanda o sistema hidráulico controlando a velocidade de elevação do
cesto ou de deslocamento da plataforma. Na voltagem máxima de saída do driver, o motor
trabalhará na velocidade máxima, em plena carga.
O objetivo é ajustar a velocidade dos motores, de modo a obter uma modelagem
em forma de rampa, antes de chegar ao valor nominal, e evitar o acionamento brusco de
partida e parada dos motores.
A Figura 3.9 apresenta um gráfico velocidade versus tempo de um motor, com o
acionamento em modelo de rampa, usando o controle de velocidade do driver por meio
da modulação PWM.
Figura 3.9 Gráfico velocidade versus tempo do acionamento do motor.
Por especificações do projeto mecânico da plataforma, que fogem do escopo desse
projeto, a potência requerida para o motor de elevação da plataforma é de 800 W.
Considerando que a voltagem de alimentação dos motores é de 24 V, então, a corrente
necessária a ser suprida pelo driver é calculada através da equação:
[ ] = ê [ ]
3.2.2.2 Comutação e Chaves de Controle
Dada a existência dos dois motores e um único driver, é necessário algum
dispositivo para realizar a comutação entre o motor M1, de elevação, e o motor M2, de
deslocamento. As operações são excludentes e são selecionadas por uma chave do tipo
toggle. Ou seja, a escolha do Modo Condução desabilita o Modo Serviço e vice-versa.
A fim de realizar essa comutação entre os motores, estudou-se o caso dos relés de
estado sólido, ou Solid State Relay (SSR). Em qualquer hipótese, não é recomendável o
uso de relés mecânicos tradicionais, devido ao desgaste e menor robustez.
No caso do SSR, a bobina, usualmente utilizada nos relés tradicionais, é substituída
por um LED infravermelho e os contatos por foto-transistores ou fotodiodos, acoplados a
um dispositivo de chaveamento de potência, como um tiristor ou um MOSFET. Ao
receber um comando de chaveamento na entrada, é emitido um sinal luminoso pelo LED
e o dispositivo de chaveamento conduz, alimentando a carga.
Para circuitos de corrente contínua (DC) são utilizados SCR ou MOSFET para o
chaveamento.
Figura 3.10 Circuito interno de um SSR-DC.
Outro modelo encontrado no mercado é o SSR-AC. Este dispositivo utiliza um
TRIAC para o chaveamento. Porém, o dispositivo só funciona para chavear uma saída
com cargas alimentadas por fontes alternadas, onde há o zero-crossing da forma de onda.
Nesse funcionamento, a chave é ligada com um sinal de acionamento na entrada e, em um
momento seguinte, desligada quando o sinal de saída cruza o zero. Esse modelo é
adequado para comutação de cargas alimentadas por sinais senoidais e não pode ser usado
para aplicações com tensão contínua, como é o caso deste projeto.
24
Sendo assim, é proposto que o acionamento do motor M1, de elevação, e do motor
M2, de deslocamento, seja realizado por Chaves de Controle, implementadas com relés
de estado sólido de corrente contínua (SSR-DC), ligados no circuito das bobinas dos
contatores que ativam os motores.
Os contatores são dispositivos robustos de comutação, usualmente empregados
para acionamento de motores, e já se encontram incorporados às unidades hidráulicas
existentes na plataforma.
A Figura 3.11 apresenta os relés de estado sólido, o modelo SSR-80 DA (operação
AC) e o modelo SSR-80 DD (operação DC), ambos da DMWD.
Figura 3.11 (a) Relé de Estado Sólido SSR-80 DA da DMWD; (b) Relé de Estado Sólido SSR-80
DD da DMWD.
Cada chave de controle é ligada em série com o driver e com o respectivo motor
que aciona, M1 (elevação) e M2 (deslocamento), sendo controladas por pulsos recebidos
do microcontrolador.
A Figura 3.12 apresenta o diagrama do triângulo de funcionamento: o driver, as
chaves de controle e os motores.
25
Figura 3.12 Diagrama do triângulo de funcionamento do driver, chaves de controle e motores.
No Modo Condução, a carga e estabilidade da plataforma não são monitoradas e,
nessa situação, a Chave de Controle Carga e a Chave de Controle Inclinação são mantidas
desligadas. Se o cesto se encontra recolhido, uma chave de fim de curso informa essa
condição ao microcontrolador e, nessa situação, a Chave de Controle Curso Baixo é
mantida ligada. Esta condição permite que o motor M2, de deslocamento horizontal, seja
acionado pelos botões de frente e ré, da Botoeira de Deslocamento.
No Modo Serviço, a Chave de Controle Curso Baixo é mantida desligada. Nesse
modo, há o monitoramento da carga no cesto, que não deve ultrapassar 130 kg, e da
estabilidade, cuja inclinação do plano horizontal da plataforma, em relação ao eixo da
gravidade, não deve ser superior a 12 graus. Dentro dessas condições, a Chave de Controle
Carga e a Chave de Controle Inclinação são mantidas ligadas. O monitoramento das
variáveis de carga e estabilidade são responsáveis por permitir o acionamento do motor
M1, de elevação, quando ambas as condições são satisfeitas.
A Figura 3.13 e Figura 3.14 apresentam o funcionamento no Modo Condução e no
Modo Serviço, respectivamente.
26
Figura 3.13 Diagrama do triângulo de funcionamento do driver, chaves de Controle e motores
no caso Modo Condução.
Figura 3.14 Diagrama do triângulo de funcionamento do driver, chaves de controle e motores
no caso Modo Serviço.
No Modo Condução, os sensores de carga e inclinação não estão atuando, ou seja,
a Chave de Controle Carga e Chave de Controle Inclinação são mantidas desligadas. Nessa
situação, a saída do driver não tem efeito sobre o motor M1, de elevação, observado no
diagrama da Figura 3.13.
O análogo ocorre no Modo Serviço, no qual a Chave de Controle Curso Baixo é
mantida desligada, não havendo efeito da saída do driver sobre o motor M2, de
deslocamento, observado no diagrama da Figura 3.14.
27
3.3 Módulo de Medição
O módulo de medição é composto por quatro dispositivos HX711, condicionador
e conversor A/D para células de carga; quatro células de carga ZLS da Flintec [6]; um
inclinômetro INS130 da Atek; e um alarme luminoso/sonoro, como apresentado no
diagrama de blocos do projeto na Figura 3.1.
3.3.1 Monitoramento de Carga da Plataforma
A fim de fornecer segurança ao operador em operações de campo e seguir o
diagrama de estados apresentado na Figura 2.4, a carga do cesto não deve exceder 130 kg.
Este monitoramento da variável de carga da plataforma será realizado por meio de células
de carga.
3.3.1.1 A Célula de Carga
A célula de força, ou célula de carga, é um transdutor que converte força em um
sinal elétrico. Sendo assim, o dispositivo é capaz de medir uma deformação ou flexão de
um material e o transformar em uma saída de corrente ou tensão.
O sensor é formado por um conjunto de extensômetros (strain gages) ligados entre
si, eletricamente, em uma configuração de Ponte de Wheatstone, como mostrado na Figura
3.15 e Figura 3.16.
Quando uma carga é aplicada, os extensômetros se deformam sob a ação da força
no material ao qual estão solidários. A deformação causa uma variação na resistência do
sensor, que desequilibra a ponte. Através da medição do desbalanceamento da ponte é
obtido o valor da força aplicada.
28
Figura 3.15 Modelo simplificado de células de carga ligadas conforme Ponte de Wheatstone.
Figura 3.16 Ponte de Wheatstone.
A aplicação de força na célula de carga deve ser realizada na direção desejada,
evitando as chamadas “forças parasitas”, que são caracterizadas como forças atuantes na
célula de carga em direções indesejadas. Para que este efeito não ocorra, é necessário
assegurar uma instalação com o alinhamento correto da célula de carga.
Existem no mercado diversos modelos de células de carga. Dentre as estudadas, as
que mais se adequam ao projeto são a Célula de Carga Single Point, Figura 3.17 (a); Célula
de Carga para Compressão, Figura 3.17 (b); e a Célula de Carga tipo Planar Beam ZLS,
Figura 3.17 (c).
A primeira, geralmente, é utilizada em sistemas de pesagem compactos e de baixa
capacidade, como balanças comerciais e balanças de plataforma, permitindo alta precisão
29
na pesagem. Já a segunda é recomendada para balanças de alta capacidade de pesagem,
tais como balanças rodoviárias e sistemas de pesagem de silos. A última, por sua vez, é
projetada para soluções em que um baixo perfil é necessário. Geralmente, uma célula de
carga do tipo Planar Beam ZLS é usada em um conjunto com três ou quatro células, em
aplicações como balanças de varejo e equipamento de teste e medição.
Figura 3.17 Tipos de células de carga [6]: (a) Célula de Carga Single Point; (b) Célula de
Carga para Compressão; e (c) Célula de Carga tipo Planar Beam ZLS.
Uma vez apresentadas as melhores opções de células de carga, consideramos que
as Células de Carga Tipo Planar Beam ZLS são as que se apresentam mais adequadas
para o projeto, dada sua utilização para perfis baixos e, ainda, a possiblidade de utilização
de quatro células em conjunto, fornecendo uma confiança e estabilidade melhor na
medição – dado que, a utilização de apenas uma célula poderia exprimir erros de medição
devido a extensa área da plataforma.
As células de carga Planar Beam ZLS da Flintec [6] possuem um grau de proteção
IP67, vide Tabela 3.3.
A Figura 3.18 apresenta o desenho de uma célula de carga Planar Beam ZLS
detalhada em CAD.
30
Figura 3.18 Desenho da célula de carga Planar Beam ZLS detalhada em CAD.
3.3.1.2 Instalação das Células de Carga
Para a medição da carga na plataforma de elevação foi projetada uma balança para
a instalação das quatro células Planar Beam ZLS.
Na base, construída na forma de um quadro em aço, foram instaladas as quatro
células de carga dispostas em um arranjo equidistante e que servem de apoio para o cesto
na posição de recolhimento.
A Figura 3.19 apresenta o desenho em CAD da base de aço com três das quatro
células de carga instaladas.
Figura 3.19 Desenho em CAD da base de aço com células de carga instaladas.
31
Para realizar a medição da carga no cesto, uma placa em aço é apoiada em cima
das células atuando como o prato da balança. Esta peça, denominada piso falso, é livre
para se deslocar na vertical e está instalada no assoalho do cesto. A peça possui quatro pés
de contato, alinhados com as células de carga, de forma a transferir o peso exercido sobre
piso falso para as células. Ao pousar os pés de contato sobre as roscas fixadas nas células
de carga, a pressão exercida sobre o piso falso é distribuída para os pés, e
consequentemente, é medida pelas células de carga.
A Figura 3.20 (a)(b) apresenta o desenho em CAD da base de aço com piso falso
em vista superior e lateral, respectivamente.
Figura 3.20 Desenho em CAD da base de aço com piso falso. (a) Visão superior; e (b) Visão
lateral, em perspectiva.
32
Para realizar a medição da carga, o piso falso é instalado dentro do cesto em fibra
de vidro. O cesto possui quatro furos em seu fundo, de modo a permitir que os pés de
contato do piso falso transpassem a estrutura do cesto e encontrem as células de carga logo
abaixo.
A Figura 3.21 apresenta o desenho em CAD do piso falso instalado no cesto em
fibra de vidro e a base de aço com as células de carga fixadas logo abaixo.
Figura 3.21 Desenho em CAD do piso falso instalado no cesto e a base com as células fixadas
logo abaixo.
A opção por esse método construtivo para a medição da carga pode ser justificada.
O cesto em fibra de vidro é solidário ao estágio do sistema telescópico da plataforma.
Desse modo, não é possível isolar o cesto do sistema mecânico de elevação,
comprometendo a medição da carga. Para eliminar o problema, foi concebido um piso
falso elevado, dentro do próprio cesto, pelos seus pés de contato. Logo, no estado de cesto
recolhido, o curso telescópico é ajustado de modo que o piso falso fique suspenso, sem
contato com a estrutura do cesto e apoiado sobre as células de carga. Dessa forma, a
balança pesa apenas a carga que está sobre o piso falso, sem a influência das forças
presentes na estrutura mecânica solidária ao cesto.
A Figura 3.22 apresenta o modelo em 3D da plataforma de elevação, com a
indicação do local para a instalação da base de aço (vermelho) e com o piso falso (verde)
instalado dentro do cesto em fibra de vidro.
33
Figura 3.22 Modelo em 3D da plataforma de elevação com a indicação do local para a
instalação da base de aço (vermelho) e com o piso falso (verde) instalado dentro do cesto.
3.3.1.3 Condicionamento do Sinal das Células de Carga
A célula escolhida apresenta saída nominal de 2 mV/V e seu modelo de ligação é
apresentado na Figura 3.23.
Figura 3.23 Modelo de ligação da célula de carga tipo Planar Beam ZLS.
34
No cálculo da capacidade das células de carga, inicialmente, foi considerada uma
tara de 250 kg para o cesto, que somada à carga máxima de 130 kg, para elevação,
resultava em um peso bruto de 380 kg. Nesse sentido, cada uma das quatro células foi
especificada para uma carga máxima de 100 kg, totalizando uma capacidade de medida
na balança de 400 kg.
Posteriormente, foi constatada a impossibilidade de realizar a medição da carga,
incluindo o cesto. Essa dificuldade levou a um método construtivo para a balança, com
um piso falso no cesto. Nessa condição, a tara do cesto não está incluída na carga a ser
medida pela balança, resultando em um peso máximo de 130 kg para o sistema de medição
de carga. Nesse momento da montagem, as células já estavam compradas e foram
mantidas fornecendo, assim, uma capacidade máxima bem superior ao especificado para
o sistema de instrumentação.
Uma vez que a célula de carga atua convertendo força em um sinal elétrico,
teremos como consequência um sinal de voltagem proporcional ao peso.
A baixa intensidade do sinal de saída das células de carga e a possiblidade da
presença de ruído exigem que o sinal seja condicionado, antes de ser enviado ao
microcontrolador.
Há também a necessidade apresentar uma saída padronizada e amplificada, de 0 a
10 V ou de -5 a 5 V.
Todos esses requisitos exigem um condicionamento dos sinais das células, que
podem incluir amplificação, filtragem, linearização e conversão A/D.
O dispositivo HX711, mostrado na Figura 3.24, realiza a amplificação e conversão
A/D, condicionando os valores de voltagem de saída das células e serializando os dados
para envio ao microcontrolador.
A alimentação do módulo HX711 é derivada da voltagem das baterias, após
filtragem e regulação para o valor requerido de 5 VDC, visto na seção 3.2.1, e é usada
como a tensão de excitação das células.
35
Figura 3.24 Condicionador para células de carga HX711.
Como a célula de carga tem uma sensibilidade 2 mV/V, ou seja, uma saída de 2
mV por Volt da alimentação da ponte, o fundo de escala para uma carga de 100 kg, com
uma alimentação de 5 VDC, é calculado através da equação:
[ ] = é [ ]⁄ × ã çã [ ] (3.3)
= 2 ⁄ × 5 = 10
Considerando um ganho de 128 para o HX711, é possível obter 1,28 V na entrada do conversor A/D, interno do módulo.
3.3.2 Monitoramento de Estabilidade da Plataforma
De modo a garantir a estabilidade da plataforma e seguir o diagrama de estados
apresentado na Figura 2.4, a inclinação da normal ao plano horizontal da plataforma não
deve ultrapassar 12 graus em relação ao eixo da força gravitacional. Este monitoramento
da variável de estabilidade da plataforma será realizado por meio de um inclinômetro.
O tiltmeter é um inclinômetro (ou medidor de inclinação) projetado para medir
variações de ângulo muito pequenas, da ordem de décimos de graus. O dispositivo utiliza
um giroscópio interno para medir a inclinação em relação ao eixo da força da gravidade.
Para o projeto, foi escolhido o inclinômetro série INS 130, da Atek, biaxial e de
saída analógica 4 a 20mA. Este é um inclinômetro eletrônico de alta precisão com acurácia
de ±0,15° e campo de medição de até 90°. Possui um grau de proteção IP67, vide
Tabela 3.3.
36
A Figura 3.25 e Figura 3.26 apresentam o inclinômetro série INS 130 e o modelo
mecânico do dispositivo, respectivamente.
Figura 3.25 Inclinômetro série INS 130 da Atek, biaxial e com grau de proteção IP67.
Figura 3.26 Modelo mecânico do inclinômetro série INS 130 biaxial (XY). Fonte: Datasheet do
inclinômetro série INS 130 da Atek.
A alimentação do sensor é derivada da voltagem das baterias, após filtragem e
regulação para o valor requerido de 15 VDC, visto na seção 3.2.1.
O inclinômetro possui duas saídas analógicas, eixos X e Y, no padrão de 4-20 mA.
Sendo assim, é necessário colocar uma resistência para que a saída seja condicionada em
voltagem, e assim, seja compatível com a entrada analógica do microcontrolador.
Considerando uma resistência de 150 , a voltagem na entrada analógica do
ESP32 é dada segundo a Lei de Ohm:
[ ] = [ ] × [ ] (3.4)
= 150 ×
A relação entre o ângulo de inclinação do sensor e o sinal na entrada analógica do
microcontrolador é apresentada na Tabela 3.2.
37
Tabela 3.2 Relação entre o ângulo de inclinação do sensor e o sinal na entrada analógica do
ESP32.
A Figura 3.27 apresenta o desenho do inclinômetro detalhado em CAD.
Figura 3.27 Desenho do inclinômetro detalhado em CAD.
É proposta uma instalação do inclinômetro da plataforma por meio de um conjunto
de fixação. O aparato possibilita o alinhamento dos sensores de ângulo do inclinômetro,
com relação à horizontalidade do plano XY da plataforma, Figura 3.28.
38
Figura 3.28 Modelo em 3D da plataforma de elevação com os eixos XY do plano horizontal.
A base do aparato é parafusada na parte inferior da plataforma, solidária às peças
do conjunto mecânico e alinhada com os eixos XY do plano horizontal. O inclinômetro é
parafusado em outra base, na parte superior do aparato, que é articulada através de uma
peça em formato de U, com rasgos que permitem um ajuste com dois graus de liberdade,
conforme apresentado na Figura 3.29.
Figura 3.29 Desenho do conjunto de fixação do inclinômetro detalhado em CAD.
39
A calibração é realizada em duas etapas e deve ser conduzida, periodicamente, nas
instalações da concessionária, para assegurar a leitura correta.
Primeiro, a plataforma deve estar estacionada em um piso nivelado. Em seguida,
o nivelamento do piso e do plano horizontal da plataforma devem ser confirmados com o
uso de um instrumento do tipo nível de bolha.
É importante ressaltar que, embora o inclinômetro seja capaz de medir ângulos
com uma acurácia de ±0,15° e o microcontrolador seja capaz de converter o valor
analógico do ângulo para exibição em um display, dispensando o uso de um instrumento
externo com nível de bolha, essa funcionalidade não está implementada nessa versão do
trabalho. O microcontrolador verifica, apenas, se o valor analógico de saída do
inclinômetro é superior ao limite correspondente ao ângulo máximo de 12º, em relação ao
eixo da gravidade, e, nessa situação, habilita a porta que aciona o alarme.
Em segundo lugar, o instrumento com nível de bolha deve ser posicionado na placa
superior, onde está parafusado o inclinômetro, e a peça em U deve ser ajustada e fixada
com porcas, nos dois graus de liberdade, para assegurar a posição (0,0) do plano XY da
plataforma.
A Figura 3.30 apresenta o modelo em 3D da plataforma de elevação, com a
indicação do conjunto de fixação do inclinômetro (azul) e dos eixos XY do plano
horizontal.
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Figura 3.30 Modelo em 3D da plataforma de elevação com a indicação do conjunto de fixação
do inclinômetro (azul) e dos eixos XY do plano horizontal.
3.4 Módulo de Operação
O módulo de operação é composto por uma Botoeira Toggle, uma Botoeira de
Elevação, uma Botoeira de Deslocamento e dois sensores de fim de curso, como
apresentado no diagrama de blocos do projeto na Figura 3.1.
3.4.1 Controles de Acionamento da Plataforma
O sistema proposto é formado por duas botoeiras de acionamento, denominadas
Botoeira de Elevação e Botoeira de Deslocamento, e uma botoeira de comutação entre os
modos de operação do conjunto, denominada Botoeira Toggle.
A Figura 2.3 apresentou um esboço desses controles no modelo em 3D da
plataforma, com controles de acionamento indicados. Os controles ficam localizados na
parte inferior da plataforma, com acionamento manual via cabos.
A Botoeira de Elevação contempla o Modo Serviço, abrangendo as funções de
subida e descida do cesto da plataforma, incluindo uma função de emergência para a
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segurança do eletricista. Este controle de elevação terá os botões de contato momentâneo
com funções “SOBE” e “DESCE”, e o botão com travamento para a função de
“EMERGÊNCIA”. O estado de travamento do botão de “EMERGÊNCIA”, desabilita as
funções “SOBE” e “DESCE” para acionamento do motor M1 e, ainda, aciona os sinais de
emergência luminoso e sonoro da plataforma.
Já a Botoeira de Deslocamento atende o Modo Condução, apresentando as funções
de deslocamento “FRENTE” e “RÉ”, através do acionamento do motor M2.
A escolha de botoeiras separadas para cada um dos modos (elevação e
deslocamento) foi realizada, por requisitos de segurança, a fim de tornar a operação
objetiva e evitar um eventual engano no acionamento da plataforma, possível de ocorrer
em um único painel com muitos botões.
A Figura 3.31 apresenta a botoeira de comando BC326-C, da Schmersal, com dois
botões de contato momentâneo (1 NA / 1 NF), um botão com travamento (2 NF) e grau
de proteção IP66, vide Tabela 3.3. Duas botoeiras deste modelos foram adotadas no
projeto, uma como Botoeira de Elevação e outra como Botoeira de Deslocamento. A
primeira apresenta as funções de “SOBE” e “DESCE” nos dois botões de contato
momentâneo e a função de “EMERGÊNCIA” no botão com travamento. Já a Botoeira de
Elevação apresenta as funções de “FRENTE” e “RÉ” nos dois botões de contato
momentâneo e o botão com travamento é inutilizado.
Figura 3.31 Botoeira de comando BC326-C com grau de proteção IP66 da Schmersal.
Por fim, a Botoeira Toggle é empregada para a seleção do modo de operação,
Condução ou Serviço, da plataforma. Os modos de operação foram apresentados na
seção 2.2 e as operações são excludentes, ou seja, no Modo Condução (0), o Modo Serviço
(1) é desabilitado, e vice-versa.
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A Figura 3.32 apresenta a botoeira de comando BC323-C, da Schmersal, com grau
de proteção IP66 (vide Tabela 3.3), adotada no projeto como Botoeira Toggle. Ela
apresenta um botão (1 NA / 1 NF) podendo ser comutado para 0 ou 1, Modo Condução e
Modo Serviço, respectivamente.
Figura 3.32 Botoeira de comando BC323-C com grau de proteção IP66 da Schmersal.
3.4.2 Sensores de Cesto Recolhido e de Altura Máxima
Por requisitos de segurança na operação da plataforma, é necessário o
monitoramento da posição do cesto para a execução dos comandos relacionados com as
Botoeiras Elevação e Deslocamento. Nesse sentido, são utilizadas duas chaves de fim de
curso, nas posições baixo e alto, para as condições de cesto recolhido e altura máxima do
cesto, respectivamente.
A plataforma só poderá ser deslocada para frente e ré, através dos comandos da
Botoeira de Deslocamento, se o cesto estiver recolhido ao nível da carreta, a fim de
garantir segurança do eletricista durante a execução do serviço, de acordo com o diagrama
de estados apresentado na Figura 2.5. A chave de fim de curso baixo será responsável por
informar ao microcontrolador que o cesto chegou na posição de recolhimento.
O microcontrolador utiliza as informações obtidas das chaves de fim de curso alto
e baixo, respectivamente, “Cesto Suspenso” e “Cesto Recolhido”, para conhecer a posição
do cesto e habilitar ou não os comandos da Botoeira de Elevação, segundo o diagrama de
estados apresentado na Figura 2.4.
A Figura 3.33 apresenta o funcionamento e diagrama de ligação de uma chave de
fim de curso.
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Figura 3.33 Modelo do funcionamento e diagrama de ligação de uma Chave de Fim de Curso.
A Figura 3.34 apresenta a chave de fim de curso PS116, da Schmersal, com grau
de proteção IP67 (vide Tabela 3.3) adotada no projeto.
Figura 3.34 Chave de Fim de Curso PS116 de ação rápida (1 NA / 1 NF) com alavanca
basculante da Schmersal.
3.4.3 Operação em Ambiente Externo
O sistema de instrumentação da plataforma irá operar em campo aberto, exposto
às condições de chuva e sol. Do ponto de vista da temperatura, todos os componentes
eletrônicos utilizados têm uma faixa de operação com valor máximo de 65 ºC. Sob os
aspectos de resíduos, chuva ou umidade, todos os conectores, tampas e saídas de cabos
têm vedação segundo um grau mínimo de proteção IP65. A seguir, é detalhado o padrão
referenciado pela norma IEC60529 [7].
O Índice de Proteção (IP), ou Grau de Proteção, é um sistema de avaliação que
classifica o grau de proteção que o invólucro de um equipamento elétrico oferece em
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relação ao meio ambiente. Seja contra objetos sólidos, como poeira, ou líquidos, como
água e óleo. Este índice deve ser fornecido pelo fabricante e é constituído por um sistema
de dois dígitos, IPXX, sendo o primeiro em relação à proteção contra a entrada sólidos e
o segundo em relação à proteção contra a entrada de líquidos em seu interior [8].
A Tabela 3.3 apresenta os níveis de proteção identificados pelo primeiro e segundo
dígito do sistema IPXX.
PRIMEIRO DÍGITO
SEGUNDO DÍGITO
Tabela 3.3 Níveis de proteção identificados pelo primeiro e segundo dígito do sistema IPXX
[8].
0 Não protegido 1 Protegido contra objetos sólidos maiores que 50mm 2 Protegido contra objetos sólidos maiores que 12mm 3 Protegido contra objetos sólidos maiores que 2,5mm 4 Protegido contra objetos sólidos maiores que 1mm 5 Proteção relativa contra poeira e contato a partes internas ao invócrulo 6 Totalmente protegido contra penetração de poeira e contato a partes
internas do invócrulo
0 Não protegido 1 Protegido contra queda vertical de gotas de água 2 Protegido contra queda de água com inclinação de 15º com a vertical 3 Protegido contra água aspergida 4 Protegido contra projeções de água 5 Protegido contra jatos de água 6 Protegido contra ondas do mar 7 Protegido contra os efeitos de imersão/inundações 8 Protegido contra submersão
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Firmware e Rotinas do Microcontrolador
Dado o funcionamento de hardware apresentado no Capítulo 3, o microcontrolador
deve ser programado com as rotinas de software e instruções de entrada e saída a fim de
exercer os comandos planejados.
Um conjunto de rotinas e instruções que controlam um hardware é chamado de
firmware. E, ao serem carregadas no microcontrolador, as rotinas são lidas e executadas,
não permitindo modificação.
Cada microcontrolador tem sua linguagem de programação específica,
característica do dispositivo. Por se tratar de um firmware, neste caso, a programação do
ESP32 será feita por meio da IDE Arduino com sua linguagem baseada em C/C++.
O mapa de variáveis utilizadas pelo microcontrolador ESP32 foi apresentado na
Tabela 3.1. E, a Figura 2.4 e Figura 2.5 trataram de apresentar os diagramas de estados da
operação de elevação do cesto e da operação de deslocamento da plataforma,
respectivamente.
O código-fonte completo do projeto está disponível em um repositório no Git [9].
O código possui quatro blocos, cada um com suas respectivas rotinas. São eles
Bloco de Inicialização, Bloco dos Modos de Operação, Bloco dos Motores e Bloco de
Testes. A Figura 4.1 apresenta o có