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Inversores de Frequência Variável (VFDS) com Arduino

COMO O ARDUINO TRANSFORMA O OPEN SOURCE EM EFICIÊNCIA MÁXIMA DE MOTORES

Há uma grande oportunidade de economizar energia otimizando a eficiência dos motores elétricos e dispositivos associados, tanto para reduzir os custos operacionais quanto para diminuir nossa pegada de carbono.

Por um lado, os sistemas de motores elétricos – muitas vezes antigos e ineficientes – representam uma parcela significativa de 70% da demanda por eletricidade em indústrias que dependem de motores e acionamentos. Por outro lado, a Agência Internacional de Energia (IEA) enfatizou que mais de 40% da redução nas emissões de gases de efeito estufa necessária para alinhar-se com o Acordo de Paris até 2040 e alcançar as metas climáticas poderiam ser alcançadas por meio de medidas aprimoradas de eficiência energética. Com centenas de milhões de sistemas acionados por motores atualmente em uso por indústrias em todo o mundo, o impacto de equipamentos de maior eficiência não pode ser ignorado.

VFDs E O FUTURO DA EFICIÊNCIA

Os inversores de frequência variável (VFDs) controlam motores elétricos variando a frequência e a tensão de sua alimentação e se tornaram ativos extremamente comuns no chão de fábrica – em qualquer lugar onde a variação da velocidade do motor seja essencial, como em bombas, ventiladores e sistemas de transporte. Em constante evolução com foco na eficiência energética, esses tipos de controladores estão sendo integrados com algoritmos avançados e recursos para melhorar sua precisão e flexibilidade. A capacidade de monitorar e controlar melhor a velocidade do motor, torque e desempenho geral leva a uma eficiência aprimorada e consumo reduzido, além de menor desgaste ao longo do tempo. Tudo isso contribui para otimizar o desempenho do motor e reduzir os custos operacionais.

Além disso, os VFDs estão desempenhando um papel cada vez mais importante na Internet Industrial das Coisas (IIoT) envolvendo sistemas da Indústria 4.0 e 5.0, que permitem monitoramento remoto, análises em tempo real e manutenção preditiva. Os dados coletados dos VFDs podem, assim, ser usados para aprimorar ainda mais o desempenho e a confiabilidade do sistema como um todo. E embora a cibersegurança seja uma preocupação crítica para qualquer sistema industrial conectado ou inteligente, estratégias como criptografia, protocolos de autenticação e outras medidas estão sendo amplamente implementadas para garantir a integridade e a confidencialidade dos dados trocados entre os VFDs e os sistemas de controle.

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Por fim, a integração de VFDs em sistemas existentes por meio de atualizações ou expansões está se tornando mais fácil à medida que os fabricantes desenvolvem designs modulares e escaláveis de VFDs, adicionando flexibilidade em termos de configuração e tornando mais fácil para grandes e pequenas empresas se adaptarem a requisitos em constante mudança, mesmo no futuro.

5 Tendências no desenvolvimento de VFD

  1. Eficiência energética e sustentabilidade
  2. Integração com IoT, Indústria 4.0 e Indústria 5.0
  3. Algoritmos avançados de controle de motor
  4. Designs modulares e escaláveis
  5. Medidas de segurança cibernética

CONECTANDO VFDs E PLCs PARA MANUTENÇÃO PREDITIVA

Quando VFDs (variadores de frequência) e Controladores Lógicos Programáveis (PLCs) trabalham juntos em sistemas de automação industrial, diversos processos e componentes podem ser monitorados e controlados para alcançar a operação mais eficiente e confiável – aproveitando dados originados de sensores na borda, sinais de controle e loops de feedback para ajustes e otimizações em tempo real. Além disso, os PLCs podem processar dados coletados dos VFDs para identificar possíveis problemas antes que eles resultem em desperdício de recursos e tempo de inatividade não planejado.

Inversores de Frequência Variável

Esse foi exatamente o objetivo que a AROL – um dos principais fabricantes de máquinas de fechamento com sede em Canelli, Itália, com mais de 25.000 equipamentos instalados em todo o mundo – se propôs a alcançar. Com linhas de produção processando até 100.000 garrafas por hora, manter a velocidade de suas máquinas e a confiabilidade contínua é crucial para as operações.

Em outras palavras, qualquer interrupção ou tempo de inatividade não planejado seria prejudicial para atender às metas de produção e representaria um custo significativo para seus clientes. Portanto, sua equipe de P&D decidiu integrar decidiu integrar diagnósticos, prognósticos e recursos de manutenção preditiva  em uma solução inteligente capaz de coletar dados de equipamentos industriais e do ambiente circundante, criando um sistema de monitoramento de máquinas baseado em sensores sem fio remotos que poderiam ser alimentados por bateria ou 24 V.

O projeto enfrentou desafios específicos pelo fato de que os nós dos sensores tinham que ser montados em torres de fechamento rotativas, se encaixando em um espaço pequeno e ainda assim permanecendo sempre conectados a uma unidade de comunicação na base da linha. Além disso, eles tiveram que realizar parte do processamento de dados na borda, a fim de não sobrecarregar o sistema central. E, é claro, a máquina de fechamento atualizada precisava se tornar inteligente sem custar muito mais.

Felizmente, uma solução estava ao alcance: aproveitar o Nicla Sense ME e o Portenta Machine Control do Arduino Pro ajudou a AROL a acelerar os esforços para uma solução funcional – uma que evitava completamente a dependência de fornecedores, enquanto também atualizava seus equipamentos de produção de alta velocidade para permitir monitoramento de dados e resultados de manutenção preditiva.

Nada menos que 15 torres de fechamento foram equipadas com o mesmo número de Nicla Sense MEs, proporcionando detecção de vibração e temperatura graças aos sensores embarcados Bosch Sensortec de última geração – além do poder computacional para processar parte dos dados diretamente no nível dos nós de detecção. Na base da máquina, um Portenta Machine Control foi facilmente montado em trilho DIN para concentrar a comunicação com todos os sensores via Bluetooth®.

O ME da Arduino Pro (onde “ME” significa “Movimento” e “Ambiente”) é um módulo compacto que traz detecção e inteligência na borda com um sensor de movimento inteligente 9DoF e um sensor ambiental 4DoF com recursos de IA. Graças ao seu alto poder computacional, ele reduz a latência e o consumo de energia, oferece mais privacidade e requer menos largura de banda – tudo num espaço físico reduzido.

O Portenta Machine Control da Arduino Pro é uma unidade de controle industrial totalmente centralizada e de baixo consumo de energia, capaz de controlar equipamentos e máquinas – um “cérebro” que pode ser programado usando o framework Arduino ou outras plataformas de desenvolvimento embarcado, para coletar dados em tempo real do chão de fábrica e suportar o controle remoto de equipamentos, até mesmo a partir da nuvem, quando desejado.

No caso da AROL, o Portenta Machine Control foi a melhor escolha devido aos seus 32 I/Os, enquanto sistemas menos articulados podem se beneficiar da flexibilidade aprimorada das novas soluções de micro PLC Opta da Arduino Pro – baseadas no mesmo processador STM32H747XI Dual ARM® Cortex®, e programáveis usando C++ em sketches do Arduino, além de terem a flexibilidade de incorporar qualquer ou todos os 5 idiomas tradicionais de controle de automação definidos pelo padrão IEC 61131-3 (Ladder, Diagrama de Blocos Funcionais, Texto Estruturado, Gráfico de Função Sequencial ou Lista de Instruções).

POR QUE ESCOLHER O CÓDIGO ABERTO PARA OTIMIZAR SEU VFD?

A abordagem de código aberto da Arduino tanto para software quanto para hardware diferencia a empresa de todos os outros players no campo da tecnologia. O que começou como uma posição filosófica se desenvolveu ao longo do tempo em uma fonte de uma ampla gama de benefícios comerciais para clientes profissionais ao redor do mundo.

Em termos de garantir a ausência de dependência de fornecedor, maior interoperabilidade e uma pegada energética reduzida, por exemplo, escolher os produtos da Arduino pode aumentar ainda mais a eficiência das soluções devido ao forte foco da empresa em opções de baixo consumo e pequeno formato. Toda a família Nicla, por exemplo,reúne sensores de nível industrial e poder computacional em apenas 22,86 x 22,86 mm (aproximadamente o tamanho de um polegar!).

Além disso, a oferta da Arduino traz a computação de borda ao alcance de todos. O processamento de dados localmente possibilita o tipo de monitoramento e controle em tempo real que vimos fazer diferença para a eficiência de um sistema; por si só, também ajuda a economizar energia diretamente ao reduzir os dados enviados para a nuvem, diminuindo assim os custos de consumo na nuvem.

Aproveitando o ecossistema Arduino e sua arquitetura aberta, a computação de borda torna-se mais acessível – graças a soluções econômicas que otimizam o custo dos materiais – bem como mais acessível para engenheiros, que podem contar com grande facilidade de uso, extensa documentação e recursos públicos, e a escolha entre uma variedade de linguagens de programação possíveis.

Em geral, os produtos Arduino aderem a padrões industriais amplamente difundidos, promovendo a interoperabilidade entre diferentes dispositivos e sistemas. Isso, por sua vez, garante melhor compatibilidade e evita o bloqueio do fornecedor – tornando uma solução de código aberto preparada para o futuro.

A flexibilidade e oportunidade de personalização das soluções de código aberto podem ser particularmente valiosas ao integrar VFDs (dispositivos de frequência variável) e recursos de CLP (Controlador Lógico Programável) em sistemas complexos de automação, pois permitem o ajuste fino de algoritmos de controle, interfaces e mais – para atender aos requisitos específicos do projeto e se adaptar a processos industriais únicos.

Onde a segurança e a confiabilidade são primordiais, soluções de código aberto podem ser mais transparentes: isso permite que os desenvolvedores identifiquem e corrijam vulnerabilidades mais rapidamente. Os produtos Arduino passam por controles de qualidade rigorosos e são testados conforme os mais altos padrões. O Arduino Pro Opta, por exemplo, recentemente passou por uma avaliação de postura de cibersegurança, resultando em atualizações que o tornam mais confiável do que nunca.

Por último, mas não menos importante, escolher tecnologia de código aberto para soluções de controle de motores significa aproveitar uma comunidade vibrante de especialistas e suporte – mais de 33 milhões de usuários ativos, no caso do Arduino. Isso pode levar a uma resolução mais rápida de problemas, melhoria contínua e disponibilidade de uma riqueza de recursos, incluindo fóruns, documentação e código contribuído.

No geral, seja economizar energia uma estratégia global chave para combater as mudanças climáticas ou uma necessidade para reduzir custos e manter sua própria vantagem competitiva – otimizar a eficiência do motor com VFDs combinados com controladores Arduino abre uma variedade de benefícios que você não pode se dar ao luxo de desperdiçar.

5 Razões para escolher código aberto para controle eficiente de motores:

  1. Desenvolvimento o custo-efetivo
  2. Suporte da comunidade e compartilhamento de conhecimento
  3. Flexibilidade e personalização
  4. Interoperabilidade e conformidade com padrões
  5. Transparência e segurança

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* Texto originalmente publicado no Newark eTECHJournal – Ediçao 8 adaptado pela Equipe Embarcados.

Licença Creative Commons Esta obra está licenciada com uma Licença Creative Commons Atribuição-CompartilhaIgual 4.0 Internacional.
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