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Trabalho para a UC de Instrumentação e Medidas
Paulo Lima, Luis Pais, Fernando Almeida e Rui Peixoto
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Desenvolvimento de elevador remoto instrumentado

  1. 1. Instituto Politécnico do Cávado e do Ave 2012 Engenharia Eletrotécnica e Computadores - Instrumentação e Medidas 2 A imagem da capa representa um elevador comercial instalado num edifício e foi retirada do Website www.oilusorio.blogspot.com Curso: Engenharia Eletrotécnica e Computadores (Pós-Laboral) Unidade Curricular: Instrumentação e Medidas Trabalho: Desenvolvimento de elevador remoto instrumentado Docente: António Moreira Alunos: Paulo Jorge Costa Lima, nº 6522 Luís Miguel Oliveira Pais, nº6633 Rui Miguel Cruz Peixoto, nº 6175 Fernando Jorge Gomes de Almeida, nº 6527 Data: 13 de Julho de 2012
  2. 2. Instituto Politécnico do Cávado e do Ave 2012 Engenharia Eletrotécnica e Computadores - Instrumentação e Medidas 3 Apresentação e introdução ao trabalho 1- Nota introdutória. Uma possível utilização para sensores e atuadores é o controlo e monitorização do estado e movimentação de um elevador. Estes sistemas são baseados em transdutores de força, posição, além de outros, bem como atuadores tais como relés e sinalizadores. O controlo destes sistemas é normalmente local, podendo ser monitorizados à distância. 2- Objetivo. Pretende‐se o desenvolvimento de um elevador simples com 3 pisos controlado através do Software LabView, utilizando para o efeito os transdutores referidos durante as aulas. 3- Requisitos do sistema.  Deverá ser utilizado um motor para movimentar a cabine do elevador ao longo dos 3 pisos verticais.  Em cada piso deverão existir sensores que determinem se a cabine está no local.  Deverá ser determinada a posição vertical absoluta da cabine em toda a extensão de funcionamento desta.  A cabine deverá possuir um sensor que indique o fecho/abertura da porta e um sensor de carga para alertar o possível excesso de peso.  O excesso de peso deverá atuar um alarme indicando a situação referida.  Todas as situações descritas anteriormente deverão ser acompanha dos por sinalização adequada, na forma de LED.  O sistema deverá ser controlado através da placa de aquisição NI6008 conjuntamente com o Software LabView.  O Software LabView deverá permitir o controlo e monitorização remota do sistema através da internet.  O sistema deverá ser capaz de responder a situações inesperadas (problemas/avarias). 4- Breve história do elevador. Um elevador é um aparelho utilizado para mover pessoas ou objetos verticalmente, mas que pode excecionalmente ser utilizado na diagonal. Foi inventado por Vitrúvio, um engenheiro romano do século I antes de Cristo, ao contrário do que uma grande parte das pessoas pensa, atribuindo esta invenção ao americano Elisha Gravis Otis. Obviamente que Otis aplicou novos conceitos ao desenho do elevador, nomeadamente ao nível de segurança, ao acrescentar dispositivos que protegem a cabine em caso de quebra dos cabos que suportam o elevador. Pode-se considerar que passaram cerca de 2000 anos entre a invenção de Vitrúvio e a inovação de Otis em 1853. Mais tarde em 1880, Werner won Siemens cria o primeiro elevador acionado por energia elétrica, sendo que até esta data, a elevação vertical era provida através da força humana, força animal ou por água.
  3. 3. Instituto Politécnico do Cávado e do Ave 2012 Engenharia Eletrotécnica e Computadores - Instrumentação e Medidas 4 5- Constituição de um elevador. Um elevador é composto por várias partes: casa das máquinas, cabina, contrapeso, caixa, patamar e poço. Resumidamente, na casa das máquinas é onde ficam alojados os quadros elétricos e os motores que exercem a tração na cabine. A cabine é o local onde são transportadas as pessoas e/ou os objetos. O contrapeso é um elemento que ajuda no movimento da cabine, permitindo poupar energia no deslocamento. A caixa é o trajeto por onde a cabine se desloca. Os patamares serão os locais de acesso para as pessoas e os objetos. 6- Trabalho proposto O trabalho desenvolvido nesta maquete foi realizado utilizando na sua maioria material reciclado. O corpo da maquete do elevador foi montado através da estrutura de uma impressora jato de tinta HP Photosmart avariada que foi montado na vertical num acrílico reciclado. Foi aproveitado também da impressora, o seu motor e sistema de movimentação da cabeça de impressão, onde se aplicou a “cabine” do elevador. Na “cabine” foi aplicado o sensor de peso e o sensor de infravermelhos para deteção de piso também reciclado da impressora. O painel de controlo da maquete do elevador foi reciclado do painel de controlo da impressora, todos os LEDs e interruptores foram aproveitados e adaptados. Os relés, os switchs de fim de curso, o buzzer e os demais componentes eletrónicos foram reciclados de equipamentos obsoletos. O encoder, o transdutor de deformação, e a barreira foto-elétrica foram-nos emprestados para realização deste trabalho. A fonte de alimentação utilizada foi reciclada de um computador obsoleto. A presente maquete foi desenvolvida no contexto de um protótipo de um elevador onde se aplicou os requisitos pedidos pelo professor, na qual se realizou o interface do Hardware com o Software LabView através da placa de aquisição NI 6008 USB. Material utilizado e descrição dos componentes Qtd Descrição Qtd Descrição 3 Resistência 2,2KΩ 1 Resistência 330Ω 3 Resistência 10KΩ 1 Resistência 680Ω 3 Transístor BC547 9 LED 3 Relés 1 CI 7805 1 CI 7808 3 Botão de pressão 1 Interruptor 2 Switch 1 Sensor de infravermelhos 1 Encoder 1 Buzzer 1 Modulo excitação buzzer 1 Barreira fotoelétrica 1 Célula de carga 1 Motor 1 Placa NI 6008 USB 1 Fonte de alimentação 1 Placa perfurada Acrílico reciclado Fio elétrico Tabela 1 – Lista de material utilizado
  4. 4. Instituto Politécnico do Cávado e do Ave 2012 Engenharia Eletrotécnica e Computadores - Instrumentação e Medidas 5  As resistências de 2,2KΩ foram utilizadas como resistências de Pulldown tanto na ligação do Encoder como na ligação do Sensor de infravermelhos.  Uma resistência de 330Ω e uma de 2,2KΩ foram utilizadas para polarização do sensor de infravermelhos.  Uma resistência de 680Ω/3W foi utilizada para limitar a corrente nos LED.  As resistências de 10KΩ foram utilizadas nas bases dos transístores.  Os transístores BC547 controlam e ativam a corrente que ativa o relé.  Os relés ativam o motor e o buzzer de excesso de peso.  Os LED foram utilizados como sinalizadores.  O integrado CI 7505 foi utilizado como regulador para a tensão de 5V.  O integrado CI 7508 foi utilizado como regulador para a tensão de 8V.  Os botões de pressão foram utilizados para dar ordem de chamada entre os pisos.  O interruptor on/off foi utilizado para acionar e desligar todo o circuito do elevador.  Os switch foram utilizados como fins-de-curso e aplicados nos pisos 0 e 2.  O sensor de infravermelhos foi utilizado para detetar o piso 1.  O encoder foi utilizado para contabilizar o número de pulsos enquanto o elevador sobe e desce.  O buzzer foi utilizado para dar sinal de alarme sempre que o elevador estiver com excesso de carga.  O módulo de excitação do buzzer foi retirado de um brinquedo previamente desmontado.  A barreira fotoelétrica foi utilizada para impedir o fecho das portas do elevador sempre que fosse detetado movimento entre estas.  A célula de carga foi utilizada como sensor de excesso de peso, para detetar e dar ordem aos sinalizadores, sempre que houver excesso de carga dentro da cabine.  O motor que faz movimentar a cabine entre os pisos, é o motor retirado de uma impressora jacto de tinta.  A placa NI 6008 USB faz a aquisição dos sinais provenientes dos sensores presentes no elevador e dá também as saídas correspondentes ao seu funcionamento, fazendo assim o interface físico entre o elevador e o Software LabView.  A fonte de alimentação que é responsável por alimentar o sistema foi retirada dum computador, estando por isso equipada de origem com vários níveis de tensão.
  5. 5. Instituto Politécnico do Cávado e do Ave 2012 Engenharia Eletrotécnica e Computadores - Instrumentação e Medidas 6  A placa perfurada foi utilizada para montar os componentes elétricos da montagem.  Foi utilizado fio elétrico para efetuar as diversas ligações, e a estrutura da maquete foi feita em acrílico reciclado. Diagrama de blocos do sistema Figura 1 - Diagrama de blocos do sistema. DESCRIÇÃO: Este protótipo foi montado na estrutura da impressora conforme já mencionado. Foi aproveitado o sistema mecânico de movimento da impressora onde se aplicou a cabine na cabeça móvel de impressão. Na cabine foi aplicado o sensor de peso e o sensor de IR detetor de posição do piso. Foram colocadas umas barreiras a identificar os 3 pisos que fazem ativar o sensor de IR, no qual indicam a posição do piso. A alimentação original do motor da impressora era de 24V, mas com esta voltagem a velocidade de deslocamento era demasiado elevada. A forma que encontramos para reduzir a velocidade de deslocamento da cabine foi reduzir a voltagem de alimentação ao motor. Assim no movimento de descida aplicamos 3,3V à ponte H e no movimento de subida como os 5V não eram suficientes para chegar ao cimo do elevador e 12V dariam velocidade excessiva, colocamos um regulador de tensão CI LM7808 para regular a tensão de subida na ponte em 8V. Foi aplicado um peso para contrariar o movimento de subida, logo baixar a velocidade, e ao mesmo tempo ajudar na descida com o aumento de velocidade.
  6. 6. Instituto Politécnico do Cávado e do Ave 2012 Engenharia Eletrotécnica e Computadores - Instrumentação e Medidas 7 De igual forma o encoder tem uma tensão de saída de 10V. Da mesma forma utilizamos um CI LM7805 para regular a tensão de saída máxima do encoder de 10 para 5V, pois o DAC só aceita como limite máximo de tensão nas suas entradas 5V. Para que os relés pudessem ser ativados pelas saídas do DAC tivemos de aplicar um transístor para amplificar o sinal de modo que os relés tivessem sinal suficiente de excitação. Relativamente ao buzzer foi utilizado um retirado de um computador obsoleto e para a sua excitação foi utilizado um módulo retirado de um brinquedo comercial. Esquema elétrico de acionamento do motor do sistema Figura 2 - Diagrama do circuito “ponte H” para inversão do motor Descrição dos transdutores utilizados Sensor de infravermelhos: este sensor é do tipo ativo, uma vez que necessita de uma fonte de alimentação externa, e é analógico pois emite uma saída em tensão. É composto por um emissor ótico e um detetor com amplificador, normalmente de saída analógica. O emissor utiliza feixes simples para projetar luz no detetor, sendo ambos os elementos posicionados de forma a haver uma abertura fixa entre eles. O caminho entre o emissor e o detetor deve estar desobstruído. Quando esse caminho é bloqueado por algum objeto os comutadores da saída dão sinal de presença, alterando o sinal analógico que por sua vez estará ligado a outro sistema de informação. Encoder: este transdutor é do tipo ativo necessitando de alimentação externa, e digital uma vez que a sua saída é binária. Especificamente neste trabalho, o encoder foi utilizado para dar a informação sobre a localização da cabine do elevador, por forma a ter um maior controlo sobre a deslocalização da cabine e o seu correto posicionamento. O encoder é um dispositivo que efetua uma contagem mediante a posição do seu eixo rotacional. Diferentes encoders têm diferentes características, como a contagem em ambos os sentidos ou num único sentido. A sua saída é uma onda quadrada que, se o encoder efetuar contagem em ambos os sentidos terá duas ondas ligeiramente desfasadas para que seja possível identificar o sentido em que estava o seu eixo a rodar. O atraso, ou não num ponto específico de uma onda em relação à outra, permite a análise do sentido rotacional.
  7. 7. Instituto Politécnico do Cávado e do Ave 2012 Engenharia Eletrotécnica e Computadores - Instrumentação e Medidas 8 Barreira fotoelétrica: este sensor tem um comportamento muito similar ao sensor de infravermelhos, no entanto só é constituído por um emissor, e o alcance da deteção é limitado, conforme as características de cada barreira utilizada. Neste caso o feixe emitido é devolvido mediante um refletor e quando o feixe é interrompido o sensor ativa ou desativa o seu relé interno, mediante a sua configuração. Célula de carga: este sensor é do tipo ativo necessitando de alimentação externa e analógico uma vez que a sua saída é dada em tensão. Para este trabalho a célula de carga foi utilizada como sensor de excesso de peso no interior da cabine do elevador. A célula de carga utilizada no trabalho é funcionalmente composta por 4 extensómetros estrategicamente colocados para que a variação da resistência destes seja proporcional ao peso do interior da cabine do elevador e também sofra pouca influência com variações de temperatura. Esta célula já tem na sua constituição por uma ponte de Wheatstone e por esse motivo tem que ser alimentada. A célula utilizada já estava previamente construída sendo utilizada após correta parametrização e calibração, que fosse de encontro ao pretendido pelo grupo de trabalho e pelos objetivos propostos no mesmo. Etapas e fotos da montagem Figura 3 - Etapas da montagem do elevador.
  8. 8. Instituto Politécnico do Cávado e do Ave 2012 Engenharia Eletrotécnica e Computadores - Instrumentação e Medidas 9 Figura 4 - Etapas da montagem do elevador. Figura 5 - Etapas da montagem do elevador.
  9. 9. Instituto Politécnico do Cávado e do Ave 2012 Engenharia Eletrotécnica e Computadores - Instrumentação e Medidas 10 Figura 6 - Etapas da montagem do elevador. Figura 7 - Etapas da montagem do elevador.
  10. 10. Instituto Politécnico do Cávado e do Ave 2012 Engenharia Eletrotécnica e Computadores - Instrumentação e Medidas 11 Figura 8 - Etapas da montagem do elevador. Figura 9 - Etapas da montagem do elevador.
  11. 11. Instituto Politécnico do Cávado e do Ave 2012 Engenharia Eletrotécnica e Computadores - Instrumentação e Medidas 12 Figura 10 - Etapas da montagem do elevador. Conforme se pode verificar na sequência de fotografias, a montagem física da estrutura necessitou de um grande envolvimento para que o Hardware estivesse em sintonia com o Software. Na parte retirada da impressora, não haveria muito a modificar, uma vez que atritos desnecessários, ou encravamentos aleatórios estariam á partida eliminados. O mesmo não se poderá dizer em relação a tudo o resto, uma vez que o correto posicionamento dos diferentes sensores e respetivas cablagens, fossem eles de fim de curso, ou de piso, comprometeriam o trabalho se não fossem colocados nos sítios corretos com as devidas tolerâncias de erro admissíveis. Obviamente o movimento da cabine do elevador tinha que estar de acordo com o posicionamento desses mesmos sensores. Caso um dos sensores fosse mal colocado, poderia implicar o não acionamento do mesmo e consequente elaboração de nova maquete que iria implicar mais custos, ou mesmo a inutilização do sensor afetado devido á probabilidade de as características intrínsecas a esse mesmo sensor pudessem ter sido alteradas com um contacto indesejado…No fundo a um nível menos comprometedor, mas de todo ligado ao projeto de algo que é pedido a um Eng.º tendo em consciência os custos e o quanto os erros possam ficar caros. Neste sentido, a parte didática do trabalho é associada ao mercado de trabalho e ao correto planeamento e organização de um projeto, sendo ele mais ou menos complexo.
  12. 12. Instituto Politécnico do Cávado e do Ave 2012 Engenharia Eletrotécnica e Computadores - Instrumentação e Medidas 13 Sistema de aquisição em LabView Figura 11 – Programação do sistema de aquisição. Figura 12 – Programação do sistema de aquisição.
  13. 13. Instituto Politécnico do Cávado e do Ave 2012 Engenharia Eletrotécnica e Computadores - Instrumentação e Medidas 14 Figura 13 – Programação do sistema de aquisição. Figura 14 – Programação do sistema de aquisição.
  14. 14. Instituto Politécnico do Cávado e do Ave 2012 Engenharia Eletrotécnica e Computadores - Instrumentação e Medidas 15 Figura 15 – Programação do sistema de aquisição.
  15. 15. Instituto Politécnico do Cávado e do Ave 2012 Engenharia Eletrotécnica e Computadores - Instrumentação e Medidas 16 Figura 16 – Programação do sistema de aquisição. Figura 17 – Programação do sistema de aquisição.
  16. 16. Instituto Politécnico do Cávado e do Ave 2012 Engenharia Eletrotécnica e Computadores - Instrumentação e Medidas 17 Figura 18 – Programação do sistema de aquisição. Figura 19 – Programação do sistema de aquisição.
  17. 17. Instituto Politécnico do Cávado e do Ave 2012 Engenharia Eletrotécnica e Computadores - Instrumentação e Medidas 18 Figura 20 – Programação do sistema de aquisição. Resultado final e conclusões Figura 21 – Resultado final para o interface gráfico. Neste trabalho foram postas em prática ideias e conhecimentos adquiridos ao longo de um semestre na cadeira de Instrumentação e medidas. Exigiu muita pesquisa e uma componente critica acentuada devido às diferentes abordagens e soluções existentes. Foi implementada a solução mais simples possível, pois desta forma seriam de prever menos erros e consequente encontro desses mesmos erros.
  18. 18. Instituto Politécnico do Cávado e do Ave 2012 Engenharia Eletrotécnica e Computadores - Instrumentação e Medidas 19 Figura 22 - Resultado final da montagem. Figura 23 - Resultado final da montagem.
  19. 19. Instituto Politécnico do Cávado e do Ave 2012 Engenharia Eletrotécnica e Computadores - Instrumentação e Medidas 20 Figura 24 - Resultado final da montagem.

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