Painelpemm2015 apres diego

Automação: soluções para pesquisas da
engenharia metalúrgica e de materiais
Eng. Diego Pereira Dias, M.Sc.
diego.dias@lndc.com.br
Laboratório de Ensaios Não–Destrutivos, Corrosão e Soldagem –
COPPE/UFRJ – Brasil
1a Semana Metalmat & Painel PEMM 2015
28/09/2015 a 02/10/2015

Sumário
1 Introdução
2 Motivação
3 Automação/Controle/Instrumentação
4 Sistema de Medição
5 Estudo de Casos
6 Conclusão
Dias, D.P. (LNDC/COPPE/UFRJ) Automação/PEMM2015 (28/09/15) 1 / 52

Sumário da Seção
1 Introdução
2 Motivação
5 Estudo de Casos
6 Conclusão

Automação & Pesquisas em metalúrgica
“Para ser bem-sucedido, um engenheiro de materiais deve ter um
bom conhecimento das relacionamentos das relações entre
estruturas e propriedades.”
— Robert E. Reed-Hill, Princípios da Metalurgia Física

Automação & Pesquisas em metalúrgica
Fonte: CAECA/DAS/UFSC

Introdução: Quem somos ?
Idealização
O LNDC nasceu de uma proposta inicial realizada em 2001 para a
Petrobras onde foi idealizada a construção de um laboratório dedicado
à área de petróleo e gás.
Missão
Atuar de forma interdisciplinar propondo soluções aos desaﬁos atuais
e futuros das indústrias de óleo e gás
Diferencial
Junção das áreas de Soldagem, Ensaios Não Destrutivos, Corrosão e
Mecânica da Fratura num único local formando um novo prédio onde
todos pudessem trabalhar em conjunto.

Laboratório de Ensaios Não-Destrutivos, Corrosão & Soldagem
(LNDC)
Fonte: LNDC/COPPE/UFRJ (2015)

Equipe
A equipe do LNDC/COPPE/UFRJ é formada por profissionais
altamente qualificados com doutores, mestres, engenheiros e corpo
técnico, juntamente com alunos de iniciação científica, mestrando e
doutorando, somando cerca de 80 pessoas.

Nossas Empresas Aliadas
Petrobras, Wellstream International, FMC Technologies, Vallourec & Mannesmann, USIMINAS, NALCO, Tenaris
Confab, Apolo Tubos ,Prymian, Vale Soluções em Energia, Marinha do Brasil, dentre outras.

Sumário da Seção
1 Introdução
2 Motivação
BTD
Ensaio Corrosão-Fadiga
Medição Propagação Trinca
5 Estudo de Casos
6 Conclusão

Estudo de casos: LNDC/CAEIS
Controle, Automação, Eletrônica, Instrumentação & Software
Baixa Taxa de Deformação (BTD);
Máquinas de Ensaios Corrosão-Fadiga;
Sistema de aquisição/monitoramento de propagação de trinca de
fadiga
Queda de potencial (DCPD);
Back-face Strain (BFS);
Medição Temperatura critica de pite;
Integração Robô comercial com correntes parasitas (Ensaio
Não-destrutivo);

Ensaio de Tração à Baixa Taxa de Deformação (BTD)
Taxa Velocidade
Três efeitos principais na conformação:
1 A tensão de escoamento do metal aumenta com a taxa de
deformação;
2 A temperatura do material aumenta devido ao aquecimento
adiabático;
3 Existe melhor lubrificação na interface metal - ferramenta, desde
que o filme do lubrificante possa ser mantido.
Por que ?
A sensibilidade à taxa de deformação é um bom indicador das
mudanças do comportamento da deformação e as medidas fornecem
um elo de ligação entre os conceitos de discordâncias na deformação
plástica e as medidas macroscópicas feitas num ensaio de tração.

Ensaio de Tração à Baixa Taxa de Deformação (BTD)
Como?
Estrutura (Main frame);
Sistema de Atuação;
Sistema de Controle;
Instrumentação;
Vaso de pressão;

Máquinas para Ensaio de Corrosão-Fadiga
Por que se realiza ensaio mecânico ? Ensaio de fadiga ?
Componentes mecânicos podem falhar
A falha ocorre devido as mudanças nas microestruturas do
material
Falha mecânica devido a fadiga tem sido estudado por mais de
150 anos
Falha mecânica
80% das falhas ocorrem por fadiga mecânica.

Figura: Rompimento da Tubulação Usina Nuclear Reator: Mihama (Japão)

Figura: Rachadura: Petroleiro liberiano Rena

Figura: Boeing da Aloha: Corrosão e Fadiga

Desenvolver uma infraestrutura para ensaios de corrosão-fadiga
Projeto de Engenharia
Máquinas de Ensaio Corrosão-Fadiga
Formaêdeêonda
Controller
PC
Motor
Frame
Celulaê
deêcarga
Garrras
Corpoêdeê
Prova
Sensores
(3)
Sensor
deêposição
Atuador
HMI
Sistemaêdeê
Potência

Medição de propagação de trinca
Instron com EPD Matelect (Comercial)

Eletromecânica com EDP/LNDC

Esquema de Circuito Elétrico da Norma

Por que investir em automação para pesquisa ?

Sumário da Seção
1 Introdução
2 Motivação
Breve Histórico
Conceitos Básicos
Níveis Hierárquicos da Automação
5 Estudo de Casos
6 Conclusão

Conceitos: Automação/Controle/Instrumentação
Breve Histórico
Grécia Antiga (1-300 AC)
Regulação do ﬂuxo de água, lâmpadas automáticas de óleo, etc.
Cornellis Drebbel (Século 17)
Controle de temperatura;
James Watt (Século 18)
Governador centrífugo (Flyball governor)
A partir do século 20
Controle moderno (controle PID, controle discreto, controle
adaptativo, etc.).

"Fly-by-wire"& Auto-navegação

Robótica

Sistema
Interconexão de elementos e dispositivos para desempenhar um
objetivo.
Sistema de controle
Interconexão de componentes que forma um sistema que
desempenharam uma resposta desejada.
Processo
Dispositivo, planta ou sistema controlado. A relação entre entrada e
saída pode ser representando por uma relação causa/efeito.

Conceitos: Tipos de Sistemas de Instrumentados na
Indústria/Pesquisa
Sistemas de Malha Aberta
Utiliza um controlador ou um atuador controlado para obter uma
resposta desejada;
Sistemas de Aquisição de dados (DAQ)
Sistemas de Malha Fechada
Utiliza a informação da realimentação para comparar a saída atual
com a resposta de saída desejada.
Sistemas de Supervisão & Controle;
Sistemas de segurança & inter-travamento;

Conceitos: Tipos de Sistemas de Instrumentados na
Indústria/Pesquisa

Sistemas de Malha Aberta

Sistemas de Controle Manual

Máquina de Fadiga Hidráulica

Classiﬁcação dos sistemas

O que visa um engenheiro do controle & automação conseguir ?
Compreensão do sistema com um todo para saber qual é a
técnica mais apropriada de controle deve ser usado;
Iteração com eng. materiais e metalúrgicos é fundamental;
Um bom sistema de controle é o sistema que tem resposta
rápida sem oscilação (bom transitório);
Erro de regime reduzido (bom regime permanente);
sistema não oscila ou daniﬁca-se (estabilidade);

Níveis Hierárquicos

Nível 1
Comando de máquinas, sequências e movimento através de
comandos numéricos, Controladores Lógicos Programáveis
(CLPs) e controle de processos;
Nível 2
Coordenação múltiplas de máquinas e operação através de
sistema de supervisão. Controle com função de supervisionar e
controlar as atividades produtivas e serviços que dão suporte a
produção.

Nível 3
Supervisão e Controle da Produção, dos Recursos e Otimização
de Processo através de sistemas como MES (Manufacturing
Execution System), LIMS (Laboratory Information Management
System), PIMS (PlantInformation Management System), AM
(Asset Management) com a função de coordenar a produção,
suportar as atividades produtivas e cuidar da obtenção e
alocação de recursos para as atividades produtivas.
Nível 4
Planejamento da Produção Global da Empresa através de
sistemas corporativos de gerenciamento da produção com a
função de planejar e programar a produção total;

Nível 5
Gerenciamento Corporativo através de sistemas como ERP
(Enterprise Resource Planning) com a função de missão da
empresa e gerenciamento de corporação

Sumário da Seção
1 Introdução
2 Motivação
Instrumentação
Transdutores/Sensores
Classiﬁcação dos Sensores
Forma dos Sinais
Principais Características
Condicionamento de Sinais
Conversão Analógico/Digital
Software

Instrumentação: Elemento Fundamental

Instrumentação: Elemento Fundamental
Ditado mais aceito em controle:
“Se você pode medir algo, você pode controlá-lo.”

Sistema de Medição
Sensor:
Converte um fenômeno físico em um sinal elétrico mensurável.

Sistema de Medição
Componentes de um Sistema de Medição

Transdutor X Transmissor (sensor)

Transdutor X Transmissor (sensor)
Transdutores
Representar (converter) a variável a ser medina numa outra
variável (elétrica) que possa ser processada;
Sensores
Pode possuir um ou mais transdutores;
Representa (converte) o sinal do transdutor num formato padrão
de sinal analógico ou digital;
Tem capabilidade de enviar o sinal a uma certa distância;

Classiﬁcação de Sensores
Passivos
Não precisam de uma fonte adicional de energia diretamente
converte a energia de entrada de estímulo num sinal de saída.
Ativos
Precisam uma fonte externa para sua operação (sinal de
excitação)

Absolutos
Quando detectam um estimulo com referencia a uma escala
física absoluta que independe da condições de medição;
Relativos
Produzem um sinal relacionado com alguns casos especiais

Outra forma: considerar as propriedades
Exemplo: um acelerômetro superﬁcial acústico
Estímulo Aceleração;
Especiﬁcação Sensibilidade em shift de frequência por grama de
aceleração;
Estabilidade em curto e longo termo em Hz por unidade
de tempo
Tipo de Detecção Mecânica;
Tipo de Conversão Elasto-elétrica;
Material Isolador inorgânico;
Aplicação Automóveis, navios, aeroespacial, máquina de ensaios.

Exemplos de Sensores

Especiﬁcações
Sensibilidade Estabilidade
Acurárcia Velocidade de Resposta
Condições Ambientais Faixa de estímulo
Resolução Seletividade
Overload Histereses
Vida útil Custo, tamanho, peso
Zona morta Formato de saída

Material
Orgânico Inorgânico
isolador condutor
liquido, gás, plasma semicondutor
Substâncias biológicas
Forma de Detecção
Biológico Químico
Elétrico Magnético
Calor Deslocamento
Radioatividade Radiação

Fenômeno de conversão
Termo-elétrico Foto-elétrico
Foto-magnético magneto-elétrico
Espectroscópico Termo-elástico
Transformação química transformação físicas
Eletro-elástico Termo-magnético
Aplicaçoes
Agricultura Automotiva
Comércio, Finanças Ambiental
Meteorologia Manufatura
Jogos, entretenimento Militar
Aeroespacial Metalurgia

Sinais Digitais
Os sinais digitais têm dois estados: alto e baixo;
As linhas digitais em um dispositivo de aquisição de dados
aceitam e geram sinais compatíveis com a família TTL;

Sinais Analógicos
Os sinais analógicos são sinais contínuos que podem ser qualquer
valor em relação ao tempo;

Terminologia Analógicos

Principais Características dos Sensores
Sensibilidade
A sensibilidade representa a relação entre a saída lida do instrumento
ou sensor e a grandeza física de entrada medida, em condições
estáticas.
Transdutor de pressão
Trabalha com sinal de entrada de -14 a 236 psi, e saída de 375 a
875mV
S =
∆saída
∆entrada
=
500
250
= 2mV/psi

Faixa de trabalho (Range)
Valor máximo detectado da grandeza física menos o valor mínimo
detectado.
Relação sinal/ruído (SNR)
Máxima relação garantida entre o sinal de saída total e o sinal de
saída para um valor da grandeza física sendo medida igual a zero.
SNR:=
s
n
[dB] = 20 log
s[V ]
n[V ]
Cuidado ao aplicar uma ampliﬁcação no sinal.

Função de Transferência: idealmente linear y = ax + b

Acurácia
É uma característica muito importante de um sensor. Mede a
deviação máxima de um valor representado pelo sensor em relação ao
valor verdadeiro.

Histerese

Repetibilidade

Zona-Morta

Objetivo
O condicionamento de sinais melhora o sinal, facilitando a
medição com o seu dispositivo de aquisição de dados.
Nem sempre é necessário.

Exemplos de Tipos Comuns de Condicionamento de Sinais

Ampliﬁcação
Usado com sinais com nível baixo;
Maximiza o uso da faixa do conversor analógico-digital (ADC) e
aumenta a precisão;
Aumenta a relação sinal/ruído (SNR).

Atenuação
Diminui a amplitude do sinal de entrada para se adaptar à faixa
do dispositivo de aquisição de dados.
Necessário quando as tensões do sinal de entrada estão além da
faixa do dispositivo de aquisição de dados.

Filtragem
Os ﬁltros removem o ruído indesejado de um sinal medido e
bloqueiam as frequências indesejadas.

Três Rs da aquisição de dados: Resolução

Três Rs da aquisição de dados: Range

Três Rs da aquisição de dados: Rate

Atenção: Aliasing
Taxa de amostragem: a frequência na qual ocorre uma conversão
A/D.
Alias: distorção de um sinal.

Software
Por que o software é importante ?

Sumário da Seção
1 Introdução
2 Motivação
5 Estudo de Casos
6 Conclusão

Estudo de casos: Visita técnica
Controle, Automação, Eletrônica, Instrumentação & Software
Baixa Taxa de Deformação (BTD);
Máquinas de Ensaios Corrosão-Fadiga;
Sistema de aquisição/monitoramento de propagação de trinca de
fadiga
Queda de potencial (DCPD);
Back-face Strain (BFS);
Medição Temperatura critica de pite;

Sumário da Seção
1 Introdução
2 Motivação
5 Estudo de Casos
6 Conclusão

Conclusões
1 Iteração entre Eng. Metalúrgicos/Materiais & Eng. Controle e
Automação é necessária.
2 Foi apresentado alguns trabalhos realizados no
LNDC/COPPE/UFRJ.
3 A solução

Obrigado!
Automação: soluções para pesquisas da engenharia metalúrgica
e de materiais
Mini-curso
1a Semana Metalmat & Painel PEMM
2015
Diego Pereira Dias
diego.dias@lndc.com.br

Referências Bibliográﬁcas I
CAECA/DAS/UFSC. Centro acadêmico da engenharia de controle e automação, 2015. URL
http://www.metalmat.ufrj.br/lndc/english/about.htm. Disponível em: <http://caeca.ufsc.br/>. Acesso
em: 20 set. 2015.
LNDC/COPPE/UFRJ. Laboratório de ensaios não destrutivos, corrosão e soldagem, 2015. URL
http://www.metalmat.ufrj.br/lndc/english/about.htm. Disponível em: <http://lndc.com.br>. Acesso em:
20 set. 2015.
R. E. Reed-Hill. Princípios de Metarlurgia Física. Editora Guanabara Dois S.A, 2 edition, 1982.

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