MEDIDOR DE ENERGIA ELÉTRICA PARA INJETORA USANDO ARDUINO

E se sua empresa tivesse mais controle sobre Eficiência Energética? E se houvessem soluções mais viáveis para controlar e melhorar seus processos, você as utilizaria?

Foram questionamentos como esses que me motivaram a definir o tema do meu trabalho de conclusão do curso de Engenharia Mecânica – MEDIDOR DE ENERGIA PARA INJETORA USANDO ARDUINO.

Vou antecipar parte do resultado final, veja como ficou…

O trabalho visou determinar a energia elétrica consumida por uma injetora usando Arduino para estudo de melhorias na Avaliação do Ciclo de Vida. Contemplou o estudo da instrumentação adequada, execução de protótipo e desenvolvimento de software para armazenamento das informações.

As máquinas de grande porte, como injetoras, de onde foram retirados os dados para estudo do trabalho, geram um grande consumo de energia das mais variadas formas. Mesmo em dias atuais, ainda não se tem facilidade para obtenção dos dados energéticos da máquina. Sendo assim, o trabalho objetivou responder o seguinte questionamento: como pode ser desenvolvido um medidor e como o projeto do mesmo pode ser implementado?

Atualmente ocorre uma limitação para que empresas obtenham a informação do consumo total de energia de uma máquina injetora porque, praticamente, somente é descoberto por meio de um cálculo utilizando a potência total instalada, que consta na placa de identificação da máquina. Cada movimento da máquina, independente de qual seja, gera algum consumo de energia na máquina porque precisa realizar trabalho mecânico para determinada função. Entre os principais movimentos está o fechamento e abertura das placas, avanço e recuo do extrator, avanço e recuo da unidade de injeção, injeção e retorno da rosca. A fim de definir um escopo menor para o trabalho e para que isso sirva de base para estudos maiores, as regiões da máquina injetora estudadas foram o motor elétrico e uma zona das resistências elétricas.

O Motor Elétrico da Máquina Injetora

O motor elétrico, gerador de energia mais importante de uma máquina injetora, é responsável por impulsionar a bomba hidráulica, que tem como função o fornecimento de energia para deslocar partes como placas, roscas e para alimentar o sistema de resistências elétricas e de aquecimento da máquina de uma forma geral.

O Arduino, tecnologia utilizada no medidor, faz parte de um novo conceito que foi denominado Open-Source, que é a tradução de código aberto e diz respeito ao código-fonte de um software que pode ser conhecido e adaptado para diversos fins.

Um dos pontos que popularizou o Arduino é o seu ambiente de programação, pois para escrever um programa em Arduino é muito simples, sendo necessário apenas que o Arduino seja conectado ao computador por um cabo USB. O ambiente de programação é chamado IDE (Integrated Development Environment). A existência de módulos e programas prontos permite que usuários leigos possam procurar na internet e obter códigos de programação para a finalidade que necessitam, pois precisam apenas mudar as variáveis e fazer pequenos ajustes.

Metodologia do Trabalho

A metodologia que orientou o trabalho foi dividida em sete etapas e a mesma foi elaborada de forma que o trabalho tivesse um desenvolvimento linear e que pudesse ser avaliado constantemente.

1 – Seleção da máquina: injetora ROMI 150

2 – Seleção dos pontos a serem medidos: motor elétrico e uma zona das resistências de aquecimento. Os locais de medição selecionados, identificados como 1 e 2 na imagem abaixo, são os mais relevantes e impactantes quando se trata de geração de energia elétrica. Apesar de existirem diversos outros componentes que consomem energia elétrica na máquina, os mesmos correspondem a uma parcela insignificante da energia total consumida, por isso foram desconsiderados neste estudo.

3 – Seleção dos sensores: sensor de corrente elétrica do tipo não invasivo, modelo SCT013.

4 – Desenvolvimento do software: pesquisa de diversos códigos e criação de base de conhecimento para customização do programa.

5 – Definição dos resultados: utilizou 10 (dez) amostras e para demonstração das variações dos resultados.

6 – Desenvolvimento do protótipo físico: projeto e execução do medidor de energia.

7 – Validação final: validação final de todas funcionalidades.

Sobre os resultados encontrados com o Medidor de Energia Elétrica

Uma vez que os sensores foram conectados nos pontos de medição, ligou-se a máquina injetora e, logo depois, o medidor foi acionado. As leituras das medições mostradas no display foram, também, mostradas e armazenadas no Monitor Serial. As informações de medições podem ser utilizadas para as mais diversas finalidades de eficiência energética, pois os dados podem ser tratados em qualquer programa que importe dados de texto, como, por exemplo, Excel e Minitab.

Resultado das medições na resistência de aquecimento

O gráfico abaixo mostra que os resultados obtidos nas resistências são constantemente inferiores à corrente nominal da resistência e resultaram em desvio padrão de 4,74W.

Importante salientar que sempre que a injetora é ligada as resistências têm a temperatura elevada gradualmente até que se atinja a temperatura máxima, foi neste momento que as medições foram realizadas.

Ainda, veja no gráfico acima, que a média da potência encontrada (1.894,14W) está com perfil inferior em comparação à potência elétrica nominal da máquina (1.914,00W). Esta diferença se dá porque, provavelmente, o projeto elétrico da injetora foi realizado para plena carga. Portanto, é normal a potência de um projeto ser maior que a potência em regime de operação nominal.

Outra constatação sobre variação da potência, que é inerente a qualquer processo, é que deve existir oscilações na rede elétrica, gerando alternância no valor da potência elétrica. Da mesma forma, é de extrema relevância para o entendimento da variação dos resultados, mesmo que em conformidade, é que esta máquina e outras do fabricante ROMI utilizam o método PID (proporcional, integral e derivativo) para o controle de variáveis.

Uma das características de um controlador PID é que se pode controlar a temperatura com precisão de 0,6% em relação ao valor programado, independentemente se está sendo controlado um processo de aquecimento ou resfriamento. Portanto, no momento em que a medição foi realizada e estabilizada no máximo, a variação potência foi mínima ao longo do tempo porque as resistência não desligam, somente oscilam conforme a programação.

Resultado das medições no motor elétrico

O gráfico abaixo apresenta os resultados da medição de corrente elétrica do motor elétrico e, também, são apresentados os resultados da potência em cada momento da medição. Potência esta que foi calculada utilizando tensão de 380V.

Nota-se que a potência elétrica do motor elétrico está acima da nominal e, comumente, motores elétricos que utilizam componentes mecânicos (engrenagens, polias e outros) estão propensos ao desgaste ao longo do tempo e consomem mais energia. Como solução, existem motores de alta performance que realizam o mesmo trabalho com um consumo energético menor. Até mesmo a substituição por um novo motor elétrico de características idênticas certamente reduziria a potência encontrada.

Considerações Finais do Medidor de Energia Elétrica

Sistemas de gerenciamento de consumo energético normalmente possuem um custo de implantação considerável e este trabalho conseguiu um custo/benefício muito interessante para que uma empresa possa ter ciência do consumo energético de uma ou mais injetoras. Sabe-se que todos componentes, como motor elétrico e resistências de aquecimento perdem performance ao longo do tempo e isso pode acarretar em falhas ou perda de eficiência no processo. Agora, utilizando sensores não invasivos, que sem dúvida estão entre as melhores soluções para acesso à quadros elétricos ou regiões eletrificadas, pode-se rapidamente acoplar o sensor de forma bastante simples e em instantes se obtém o relatório no Monitor Serial, criando um histórico para análise.

O sucesso na validação do medidor de energia e a confiabilidade encontrada nos resultados, motivou a considerá-lo um ponto de partida de projeto de IoT (Internet of Things), que é um avanço tecnológico utilizado para atender os preceitos da Indústria 4.0, reduzindo o tempo de resposta para manutenções e paradas de máquina para substituição de componentes. Outro exemplo real e aplicável que este trabalho pode contribuir é na tomada de decisão da troca do motor elétrico da injetora, sabendo-se que ao longo do tempo perde-se performance, e, baseado no consumo pode-se estudar a colocação de um novo motor de alta eficiência e que gere menor consumo energético.

A impressão dos resultados em tempo real no display permitiu que o medidor mesmo não estando conectado a nenhum outro dispositivo pudesse mostrar os resultados. Sabendo-se, ainda, que para estudos mais detalhados e para que um determinado número de informações sejam analisadas, é necessário ter o medidor de energia conectado à outro dispositivo para que os dados sejam coletados e exportados.

Software Supervisório do Medidor de Energia Elétrica

A inclusão de um software supervisório (usando uma interface gráfica) específico para injetoras pode criar ainda mais valor agregado à solução e facilitar a demonstração dos resultados mesmo para quem não é especialista em processo. Ainda, se o medidor de energia elétrica puder trabalhar e trocar informações via wireless terá uma abrangência muito maior porque pessoas em qualquer local podem ter acesso aos dados da máquina.

Uma recomendação de trabalho futuro é a inclusão de um sensor para cada zona de resistências e de um sensor para cada fase do motor elétrico. Dessa forma, a precisão dos resultados seriam ainda mais confiáveis e, além do que, poderia ser identificado variações indesejadas na tensão da rede e na máquina com as mais variadas condições de operação.

Certamente você já pensou em concretizar algum projeto e por motivos, como talvez, custo ou falta de conhecimento de eletrônica, você não avançou. A boa notícia que tenho para você é que agora você poderá tirar suas ideias do papel com o Arduino mesmo sendo um leigo. Por isso recomendo o Curso Online Automação Profissional com Arduino, no qual você terá acesso vitalício e poderá assistir o curso quantas vezes quiser e quando quiser.

Autor: Robson Camargo – Diretor Técnico da DELCON Soluções Industriais