desenvolvimento de uma interface eletrônica para

Congresso de Inovação, Ciência e Tecnologia do IFSP - 2016
DESENVOLVIMENTO DE UMA INTERFACE ELETRÔNICA PARA CONVERSÃO DE
SINAL PWM PARA SINAL DE “4 A 20mA” PARA O USO COM PLATAFORMA ARDUINO
EM SISTEMAS DE AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
GUILHERME HENRIQUE ROSSIGNOLI1, MATEUS GASPAROTTI ROSSINI2, AFONSO CELSO
TURCATO3, RODRIGO PALUCCI PANTONI4
1
Aluno do curso Técnico em Eletrônica, Bolsista ITI-B (CNPq), Câmpus Sertãozinho, [email protected]
Técnico em Eletrônica, Câmpus Sertãozinho, Colaborador, [email protected]
3
Professor do Câmpus Sertãozinho, Orientador de IC, [email protected]
4
Professor do Câmpus Sertãozinho, Coordenador do Projeto, [email protected]
2
Área de conhecimento (Tabela CNPq): Instrumentação Eletrônica– 3.04.02.04-2
Apresentado no
7° Congresso de Iniciação Científica e Tecnológica do IFSP
29 de novembro a 02 de dezembro de 2016 - Matão-SP, Brasil
RESUMO: Este trabalho faz parte de um projeto de pesquisa chamado de “Separador sólido-líquido
para remoção de particulados aplicado a indústria sucroalcooleira”. O funcionamento do separador
desenvolvido depende do controle de dispositivos e para isso, um Controlador Lógico Programável foi
desenvolvido utilizando a plataforma Arduino. Neste contexto, o objetivo deste trabalho consiste na
pesquisa e especificação de um circuito eletrônico que torne compatível o sinal PWM (Pulse-Width
Modulation) gerado pelo Arduino para ser utilizado em conjunto com um inversor de frequência cuja
referência de velocidade é dada por meio de um sinal de corrente 4-20mA (através de sua entrada de
sinal analógico). Como resultado, este trabalho define os componentes eletrônicos e suas interligações
necessárias para a construção de uma interface eletrônica com a finalidade de converter o sinal PWM
para um sinal de corrente 4 a 20mA.
PALAVRAS-CHAVE: interface eletrônica; PWM, 4-20mA, Arduino.
DEVELOPMENT OF AN ELECTRONIC INTERFACE FOR SIGNAL CONVERSION FOR
PWM SIGNAL TO "4-20mA" FOR INTEGRATION WITH ARDUINO PLATFORM IN
INDUSTRIAL AUTOMATION SYSTEMS
ABSTRACT: This work is part of a research project called “Solid-liquid separator to remove
particulate applied to sugarcane industry". The process operation depends on the developed control
devices and, therefore, a programmable logic controller was developed using the Arduino platform. In
this context, the aim of this study is to search and specification of an electronic circuit as the PWM
(Pulse Width Modulation) becomes compatible generated Arduino to be used in conjunction with a
reference frequency converter, whose speed is determined by a 4-20 mA current signal (via its analog
input signal) . As a result, this document defines the electronic components and their interconnections
necessary for the construction of an electronic interface in order to convert the PWM signal to a
current signal 4 to 20 mA.
KEYWORDS: eletronic interface; PWM, 4-20mA, Arduino.
INTRODUÇÃO
Este trabalho faz parte do projeto de pesquisa chamado de “Separador sólido-líquido para
remoção de particulados aplicado a indústria sucroalcooleira”, que está sendo desenvolvido pelo
Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de São Paulo (IFSP) Câmpus Sertãozinho em
parceria com a empresa Inselli Engenharia & Ciência Aplicada, tendo apoio da empresa Cobra
Equipamentos Industriais e da Universidade Federal de São Carlos (UFSCar).
O objetivo do projeto é o estudo, desenvolvimento e ensaio experimental de um protótipo
(piloto) de um separador sólido-líquido para remoção de particulados do caldo de cana, visando
suprimir a etapa de lavagem da cana (que precede a moagem). Tal processo visa reduzir o consumo de
recursos hídricos e a redução do desgaste dos equipamentos por abrasão e consequente redução da
necessidade e custo de manutenção de válvulas, bombas e demais acessórios das tubulações.
Mais especificamente, o objetivo deste trabalho é o desenvolvimento de uma interface
eletrônica (circuito eletrônico) com a finalidade de converter um sinal PWM (Pulse-Width
Modulation) para um sinal de corrente 4 a 20mA (padrão da indústria), a fim de interligar um
controlador da plataforma Arduino (ARDUINO UNO, 2016) com um inversor de frequência (modelo
WEG CFW10) utilizado no acionamento e controle de velocidade de um motor de indução trifásico,
que por sua vez, está acoplado a uma bomba de água que é a responsável por bombear o líquido a ser
processado no separador.
MATERIAL E MÉTODOS
A metodologia adotada foi de pesquisar o sinal PWM e o sinal 4 a 20mA inicialmente. Em
seguida, foi utilizado o software Protheus (PROTHEUS TOTVS, 2016) juntamente com as extensões
ISIS e ARES. Protheus é uma suíte de software que agrega o ambiente de simulação de circuitos
eletrônicos ISIS e o programa para desenho de circuito impresso Ares professional.
Após isso, foi desenvolvido um protótipo para testes utilizando protoboard (matriz de
contatos). Com os testes finalizados e concluídos com sucesso, a interligação dos componentes
eletrônicos foi realizada através do uso de uma placa PCB (Printed Circuit Board), conforme Figura 1.
FIGURA 1. Protótipo montado para testes utilizando protoboard.
Loops de corrente analógica são usados sempre que for necessário monitorar ou controlar
remotamente um dispositivo através de um par de condutores. Em qualquer momento, apenas um nível
de corrente pode estar presente. O "loop de corrente de 4 a 20 mA", ou 4-20 mA, é um padrão de
transmissão elétrica analógica para instrumentação e comunicação industriais. O sinal é um loop de
corrente, onde 04 mA representa "zero por cento" e 20 mA representa "100 por cento” (BOLTON,
2004).
Em relação ao PWM, o método utilizado é a modulação por largura de pulso múltipla. Ao
invés de reduzir a largura do pulso a fim de controlar a tensão, a saída pode ser rapidamente chaveada
sendo desligada e ligada inúmeras vezes, durante cada semiciclo, para prover um trem de pulsos de
amplitude constante. A forma de onda de tensão de saída consiste em m pulsos para cada semiciclo da
tensão de saída requerida (ASHMED, 2000).
O processo de conversão do sinal PWM em um sinal de corrente 4-20 mA requer ao menos
três etapas:
- 1ª etapa: converter o sinal “pulsante” do PWM em um sinal de tensão “contínuo” com
amplitude proporcional a largura do sinal pulsante;
- 2ª etapa: ajustar o offset (deslocamento) do sinal gerado, uma vez que este não inicia em
zero;
- 3ª etapa: converter o sinal de tensão gerado para sinal de corrente na faixa de 4 a 20mA.
A partida das etapas principais citadas, o circuito eletrônico pode então ser construído e
dividido em cinco partes principais: comissionamento do sinal de entrada; casador de impedância;
integrador; filtro e conversor de tensão-corrente. O comissionamento é importante para adequar os
níveis de tensão à faixa do projeto. Já o casamento de impedância deve ser realizado para que sejam
equalizadas as impedâncias entre os circuitos. O integrador realiza a principal tarefa do circuito, que é
a conversão dos pulsos em um sinal de tensão contínuo que posteriormente é filtrado para a
eliminação/atenuação de ruídos de alta-frequência. Adicionalmente, foram adicionados dois relés e
seus respectivos circuitos de acionamentos. Esses relés são os responsáveis pelo acionamento do
motor da bomba de líquido e do agitador do reservatório.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
A Figura 2 ilustra o esquemático do circuito final projetado.
FIGURA 2. Esquemático criado no software Protheus.
A Figura 3 apresenta o protótipo desenvolvido em placa PCB.
FIGURA 3. Protótipo desenvolvido em placa PCB.
A Tabela 1 apresenta os componentes utilizados assim como os símbolos adotados e o valor
ou tipo.
TABELA 1.
Componentes utilizados no circuito.
Símbolos
Componente
R1
Resistor
R2
Resistor
R3
Resistor
R4
Resistor
R5
Resistor
R6/R7
Resistor
R8/R9
Resistor
RV1/RV2
Potenciômetro
C1/C4
Capacitor
C2
Capacitor
C3
Capacitor
C5
Capacitor
C6
Capacitor
C7
Capacitor
D1/D4/D6
Diodo
D2/D5/D7
LED
Q1
Transistor
Q2
Transistor
RL1/RL2
Relé
U1/U2/U3
Amp-Op
U4
Regulador de Tensão
Valor/Tipo
10K Ω
30K Ω
180 Ω
22K Ω
130 Ω
1,5K Ω
330 Ω
10K Ω
100 nF
330 nF
10 nF
470 pF
100 uF
470 uF
1N4148
Verde/Amarelo
BC546
BC548
24 V
LM324
LM7812
CONCLUSÕES
Este trabalho consistiu no desenvolvimento de uma interface eletrônica (circuito eletrônico)
com a finalidade de converter um sinal PWM (Pulse-Width Modulation) para um sinal de corrente 4 a
20mA (padrão da indústria), a fim de interligar um controlador da plataforma Arduino com um
inversor de frequência (modelo WEG CFW10) utilizado no acionamento e controle de velocidade de
um motor de indução trifásico, que por sua vez, está acoplado a uma bomba de água que é a
responsável por bombear o líquido a ser processado no separador.
Em testes preliminares constatou-se que o sistema funcionou corretamente, sendo possível o
ajuste da velocidade de rotação do motor através de valores enviados pelo controlador Arduino. No
entanto, notou-se certa não linearidade entre os valores ajustados no sinal PWM com os valores do
sinal de corrente gerado pelo circuito projetado. Assim, trabalhos futuros serão realizados no sentido
de atenuar/eliminar essa não linearidade por meio de alterações no circuito ou então, compensá-la
através de ajustes no código (firmware) implementado no Arduino.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico
(CNPq), que está financiando o projeto de título “Separador sólido-líquido para remoção de
particulados aplicado a indústria sucroalcooleira para redução de consumo de recursos hídricos”
(processo 468373/2014-4) e as bolsas de iniciação científica.
REFERÊNCIAS
ARDUINO UNO. Disponível em: <https://www.arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardUno>.
Acesso em: 28 maio 2016.
ASHMED, A. Inversores. In: ASHEMED, A. Eletrônica de potência. São Paulo: Pearson
Prentice Hall, 2000. p. 366-371.
BOLTON, W. Instrumentation and Control Systems. Elsevier, 2004.
PROTHEUS TOTVS. Disponível em: <www.totvs.com/Protheus>. Acesso em: 06 de jun
2016.