Arquitetura do sistema de controlo PLC para pontes rolantes: Práticas de engenharia de controlo de movimento e lógica de segurança do S7-1500
O sistema de controlo PLC da ponte rolante é o ”sistema nervoso central” do seu funcionamento automatizado — aciona os variadores de frequência e os sensores através da PROFINET IO e, a montante, integra-se com o sistema de planeamento e a plataforma MES através da OPC UA, ao mesmo tempo que executa de forma independente a lógica de segurança SIL3 para garantir a segurança do equipamento e do pessoal. Um sistema de controlo PLC para pontes rolantes bem concebido deve alcançar um equilíbrio entre tempo de resposta, fiabilidade, segurança e facilidade de manutenção. Com base em muitos anos de experiência em integração de sistemas com os PLC da série S7-1500 da Siemens, a Krued Heavy Industry desenvolveu uma arquitetura de controlo padronizada para pontes rolantes, que abrange a seleção de hardware, blocos funcionais de controlo de movimento, sequências de travagem, lógica de segurança e processos de depuração. Este artigo expõe detalhadamente esta prática de engenharia do ponto de vista da arquitetura do sistema.
I. Seleção da plataforma de hardware e configuração do sistema
O sistema de controlo PLC das pontes rolantes tem como núcleo a série S7-1500 da Siemens, sendo que o modelo específico da CPU é selecionado em função da capacidade em toneladas da ponte rolante e da complexidade do controlo. Para pontes rolantes leves com capacidade inferior a 20 toneladas, é utilizada a CPU 1511-1 PN, que integra 48 KB de memória de programa e 32 KB de memória de dados, sendo adequada para cenários com um único variador de frequência e controlo de E/S básico. Para pontes rolantes de média capacidade, entre 20 e 50 toneladas, é utilizada a CPU 1513-1 PN, com a memória de programa aumentada para 128 KB, que suporta controlo de movimento multieixos e a funcionalidade de servidor OPC UA, sendo este o modelo mais utilizado pela Krued Heavy Industry nos seus projetos de pontes rolantes padronizadas. Para pontes rolantes pesadas com mais de 50 toneladas, deve ser utilizada a CPU 1516-3 PN/DP, que suporta controlo de movimento em três ou mais eixos, comunicação multiprotocolo e lógicas de segurança mais complexas.
| Modelo da CPU | Tonelagem aplicável | Memória de programa | Características |
|---|---|---|---|
| 1511-1 PN | ≤20 t | 48 KB | Frequência única + E/S básica |
| 1513-1 PN | 20 a 50 t | 128 KB | Multieixos + OPC UA★ |
| 1516-3 PN/DP | ≥50 t | 256 KB | Três eixos + vários protocolos |
| 1515F-2 PN | 20 a 50 t | 128 KB | Tipo de segurança SIL3 |
Para cenários que requerem segurança funcional SIL 3, deve optar-se pelas CPUs de segurança da série F (como a CPU 1515F-2 PN ou a CPU 1517F-3 PN/DP), que integram o controlo padrão e o controlo de segurança numa única CPU através do protocolo PROFIsafe, dispensando a necessidade de um PLC de segurança independente e reduzindo assim os custos de hardware e a complexidade da cablagem.
No que diz respeito aos módulos de expansão, cada ponte rolante vem equipada de série com um módulo de entradas digitais DI 32×24 V CC (para recolher sinais de interruptores de fim de curso, botões de comando e sinais de comando manual), um módulo de saída digital DO 32×24 V CC/0,5 A (para controlar contactores, luzes indicadoras e campainhas) e dois módulos de entrada analógica AI 8×U/I (para recolher sinais de sensores de carga, telémetro a laser e temperatura). No que diz respeito às E/S relacionadas com a segurança, foram selecionados os módulos de segurança F-DI 16×24 V CC e F-DQ 8×24 V CC/2 A. Do lado do variador de frequência, está equipada de série uma unidade de controlo G120 CU250S-2 DP com duas interfaces PROFINET, que acionam, respetivamente, o motor de elevação e os motores do carro principal e do carro secundário.
A topologia de rede do sistema utiliza a rede Ethernet industrial PROFINET RT, cumprindo os requisitos de tempo de resposta em tempo real estrito, com um ciclo de comunicação na camada de controlo inferior a 10 ms. O PLC funciona como controlador PROFINET IO, enquanto o variador G120, a estação de E/S remota ET200SP e o módulo de interface do codificador atuam como dispositivos de E/S. Todos os dispositivos estão ligados através de um comutador de nível industrial (Siemens SCALANCE XC216 ou modelo equivalente), formando uma rede em anel MRP, com um tempo de recuperação da rede inferior a 200 ms.
II. Estrutura do projeto no TIA Portal e atribuição dos blocos organizacionais OB
A Krude Heavy Industry adota uma estrutura de programa padronizada no projeto TIA Portal do PLC da ponte rolante. O ciclo principal OB1 executa o controlo de movimento, as decisões lógicas e a troca de dados de comunicação, com um período definido para 10 ms, de modo a corresponder à taxa de atualização do anel de velocidade do variador de frequência. A interrupção do ciclo OB30 (com intervalo definido de 50 ms) executa a atualização do circuito fechado de posição e do algoritmo anti-oscilação, enquanto a interrupção do ciclo OB32 (200 ms) executa a recolha de estado e o diagnóstico de avarias.
O PLC inicia o sistema de execução OB100 para a inicialização, incluindo a limpeza da memória de falhas, a verificação da posição zero do codificador e o reinício do estado de paragem de emergência. A interrupção temporizada OB10 é executada uma vez a cada 24 horas para acumular o tempo de funcionamento e avaliar o ciclo de manutenção. A interrupção de hardware OB40 responde ao sinal de calibração do ponto zero do pulso Z do codificador de alta velocidade.
Bloco funcional de controlo principal
Circuito fechado de posição
Controlo anti-oscilação
Controlo do travão de braço
Lógica de segurança
Diagnóstico de avarias
III. Concepção do conjunto de blocos funcionais de controlo de movimento
A lógica central de controlo de movimento do sistema de controlo da grua está incorporada nos dois blocos funcionais FB_Control e FB_Position. O FB_Control adota um design de máquina de estados finitos, incluindo seis estados: IDLE (estado de inatividade, em espera de tarefas), ACCEL (estado de aceleração, acelerando segundo uma curva em S até à velocidade alvo), CRUISE (estado de velocidade constante, mantendo a velocidade alvo), DECEL (estado de desaceleração, desacelerando segundo uma curva em S até perto da posição alvo), POSITION — estado de posicionamento de precisão (ajuste fino a baixa velocidade até à posição alvo com uma tolerância de ±3 mm) e STOP — estado de paragem (execução do fecho do travão e desativação do inversor).
O controlo de aceleração em curva S é implementado através do planeamento de velocidade em cinco fases no FB_Control: na fase de aceleração inicial (OA), a aceleração aumenta de zero até ao valor máximo a uma taxa linear; na fase de manutenção (AB), a aceleração mantém-se constante; na fase de transição (BC), a aceleração diminui até zero a uma taxa linear, entrando assim na velocidade constante. O segmento de desaceleração é simétrico e inverso. A aceleração por unidade de tempo predefinida é de 0,5 m/s³, com uma aceleração máxima de 0,3 m/s², o que reduz o coeficiente de impacto na arrancada do veículo para um valor inferior a 1,1 (o coeficiente de impacto na arrancada e paragem tradicional de dois segmentos situa-se entre 1,5 e 1,8, aproximadamente).
No que diz respeito ao controlo de posição em circuito fechado, o FB_Position integra os sinais de três fontes de posição: a posição incremental do codificador (atualização a 100 Hz, resolução de 0,1 mm), a posição absoluta da telemetria a laser (atualização a 50 Hz, precisão de ±1 mm) e os pontos de referência da fita com código Gray. Utiliza-se um filtro complementar (frequência de corte de 0,5 Hz) para integrar a localização absoluta por laser a baixa velocidade com a localização incremental do codificador a alta velocidade, produzindo uma estimativa de posição ótima resultante dessa integração. Os parâmetros PI do circuito de posição são calibrados durante a depuração através da função Trace do TIA Portal: ganho proporcional Kp = 8,0, tempo de integração Ti = 200 ms.
IV. Sequência de controlo do travão de braço e gancho antideslizamento
O controlo dos travões do mecanismo de elevação das pontes rolantes é um elemento fundamental que afeta a segurança e a vida útil do equipamento; a sequência de abertura e fecho dos travões determina se existe ou não o risco de deslizamento da gancha. A Krud Heavy Industry concebeu uma sequência de controlo do freio de cinco fases, implementada através da comunicação PROFIsafe entre o variador de frequência G120 e o PLC S7-1500.
A sequência de arranque divide-se em três fases: na primeira fase, o PLC envia um comando de ”pré-excitação” ao G120 através do PROFIsafe, e o variador de frequência estabelece a corrente de excitação do motor (com duração de 300 ms); Na segunda fase, o variador de frequência estabelece o binário de arranque (110% do binário alvo), sendo o sinal de confirmação do binário retransmitido ao PLC através do PROFIsafe (duração de 200 ms); Fase 3: Após o PLC confirmar que o binário foi estabelecido, o PLC emite o comando de abertura do travão, o eletroímã do travão é energizado (tempo de resposta de 150 ms) e, após a abertura total do travão, o PLC envia o comando ”ativar funcionamento”.
A sequência de fecho divide-se em duas fases: na primeira fase, o PLC envia o comando ”Parar” e o variador de frequência reduz a velocidade até à velocidade zero, de acordo com a inclinação de desaceleração (tempo de manutenção da velocidade zero: 200 ms); Na segunda fase, o PLC envia o comando de fecho do travão de segurança, o qual se fecha mecanicamente (tempo de resposta de 100 ms), e o variador de frequência desliga a alimentação após confirmar a velocidade zero. O ciclo total de controlo do travão de segurança (desde o envio do comando de paragem até ao fecho completo do travão) não excede os 850 ms.
| fase | Ação | Cronologia | Comunicações |
|---|---|---|---|
| Pré-magnetização | G120: Estabelecimento da corrente de excitação | 300 ms | PROFIsafe |
| Estabelecimento do binário | Torque de 110% – confirmação de receção | 200 ms | PROFIsafe |
| O travão de braço está aberto | O eletroímã é energizado + a pastilha de travão é libertada | 150 ms | Saída DO |
| Arranque progressivo até à paragem | Reduzir a velocidade para zero + manter a velocidade em zero | 200 ms | PROFIsafe |
| O travão de braço está fechado | Desligamento do eletroímã + desativação do G120 | 100 ms | DO+PROFIsafe |
No que diz respeito à compensação do desgaste dos travões de braço, o sistema regista, em cada ciclo de funcionamento do travão, o tempo real de abertura desde o ”comando de abertura do travão” até ao ”feedback de ativação do íman do travão”; após comparação com o valor nominal inicial (150 ms), o tempo do comando de abertura é antecipado gradualmente de acordo com o grau de desgaste das pastilhas de fricção, garantindo que o momento real de abertura se mantenha sempre estável dentro do intervalo pretendido.
V. Conceção da lógica de segurança e implementação do SIL3
As funções de segurança do sistema de controlo das pontes rolantes cumprem as normas IEC 61508 e GB/T 16855.1, tendo como objetivo o nível de integridade de segurança SIL 3. As funções de segurança são implementadas através da CPU de segurança da série S7-1500F e do protocolo de comunicação de segurança PROFIsafe, sendo que as E/S relacionadas com a segurança são ligadas através dos módulos F-DI e F-DQ.
As principais funções de segurança incluem: Desligamento de Torque de Segurança (STO) — ao ser acionado um paragem de emergência ou um interruptor de fim de curso, a ativação por impulsos do variador é desligada diretamente através do PROFIsafe, com um tempo de resposta inferior a 20 ms; Limitação de velocidade de segurança (SLS) — ao aproximar-se do fim de curso, a ponte aéreia desacelera para 10% da velocidade nominal a 200 mm do fim de curso, com um tempo de resposta inferior a 50 ms; Controlo de travagem de segurança (SBC) — quando o STO é acionado, o travão de segurança é automaticamente acionado, impedindo que o gancho deslize; Monitorização da direção de segurança (SDI) — impede que os mecanismos do carro principal e do carro secundário entrem em ação indevidamente antes de receberem um comando de inversão de direção.
O circuito de paragem de emergência adota um design redundante de dois canais: o canal A capta os contactos normalmente fechados do botão de paragem de emergência através do módulo F-DI, enquanto o canal B se liga diretamente ao circuito de controlo da bobina do contactor principal através de uma ligação em série dos contactos auxiliares do botão de paragem de emergência. Se qualquer um dos canais acionar a paragem de emergência, poderá cortar de forma independente a alimentação de potência. A frequência do impulso de teste das E/S de segurança é de 1 Hz; o PLC executa uma vez, em cada ciclo de varredura de segurança (20 ms), a lógica de segurança programada no F-LAD e atualiza as saídas de segurança.
VI. Processo de afinação e ajuste de parâmetros
A colocação em funcionamento do sistema de controlo PLC da ponte rolante divide-se em seis etapas padrão. Primeira etapa: configuração e diagnóstico da rede — utilizar o software PRONETA para analisar todos os dispositivos na rede PROFINET, verificar se os nomes dos dispositivos e os endereços IP correspondem à configuração do projeto no TIA Portal e confirmar se todos os dispositivos de E/S estão online.
Segundo passo: configuração dos parâmetros do variador de frequência — descarregar o conjunto de parâmetros G120 através do software STARTER ou Startdrive; conjunto de parâmetros do mecanismo de elevação P1300=20 (controlo vetorial sem sensor de velocidade) , P1120=2,0 s (tempo de aceleração), P1121=2,0 s (tempo de desaceleração), P1240=3 (ativação do controlador Vdc_max). Mecanismo de deslocamento do carro: P1120=4,0 s, P1121=4,0 s.
Terceiro passo: identificação estática dos dados do motor — execute P1910=1 (identificação estática) e defina o valor como 1 (identificação total); o processo de identificação mede automaticamente parâmetros como a resistência do estator, a resistência do rotor, a indutância de fuga e a indutância mútua do motor. Durante o processo de identificação, não é permitido que o motor tenha qualquer carga mecânica ligada.
Quarto passo: calibração de posição — através do painel de controlo do TIA Portal, controlar manualmente o movimento da ponte rolante até às posições extremas em ambos os lados, registar o desvio entre os valores de contagem do codificador e do telémetro a laser e definir o desvio do ponto zero do codificador e os valores dos limites positivo e negativo.
5.º Passo: Confirmação da sequência de funcionamento do travão de emergência — Verificar, em condições de carga nula e de carga nominal, respetivamente, a sequência de estabelecimento do binário de abertura do travão de emergência e a sequência de manutenção da velocidade nula durante o fecho do mesmo; capturar as curvas de binário e velocidade através da função «Trace» e confirmar se os parâmetros da sequência de funcionamento do travão de emergência cumprem os requisitos de controlo em cinco fases.
6.º passo: Verificação da comunicação OPC UA — Utilizar o UA Expert para estabelecer ligação ao servidor OPC UA do PLC da ponte rolante, ler os tipos de dados e os intervalos de valores de cada nó, verificar os endereços e as permissões de acesso dos 26 nós de dados publicados e confirmar que o sistema de planeamento e a plataforma MES conseguem ler e escrever normalmente.
