INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E...

INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA FLUMINENSE

FRANCISCO JOSÉ RANGEL RIBEIRO

MARINA DE OLIVEIRA MIELI

SISTEMA DE CONTROLE E MONITORAÇÃO DE CARGA DO MODELO ICÔNICO

DO GUINDASTE STALPRODUKTER

Campos dos Goytacazes

2015

1

FRANCISCO JOSÉ RANGEL RIBEIRO

MARINA DE OLIVEIRA MIELI

SISTEMA DE CONTROLE E MONITORAÇÃO DE CARGA DO MODELO ICÔNICO

DO GUINDASTE STALPRODUKTER

Trabalho de Conclusão de Curso, apresentado ao

Instituto Federal de Educação, Ciência e

Tecnologia Fluminense, como parte dos

requisitos necessários para obtenção do título de

Bacharel em Engenharia de Controle e

Automação.

Orientador: Profº Me. Eugenio Ferreira Naegele da

Silva

Coorientador: Profº Me. Edson Simões dos Santos

Campos dos Goytacazes

2015

2

R484s Ribeiro, Francisco José Rangel.

Sistema de controle e monitoração de carga do modelo icônico do

guindaste Stalprodukter / Francisco José Rangel Ribeiro, Marina de

Oliveira Mieli – 2015.

118 f. il. color.

Orientador: Eugênio Ferreira Naegele da Silva

Monografia (Bacharel em Engenharia de Controle e Automação).

Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia Fluminense

Campus Campos Centro. Campos dos Goytacazes (RJ), 2015.

1. 1. Guindastes, etc. 2. Máquinas para içar. 3. Máquinas elevatórias. I. Mieli, Marina de Oliveira. II. Silva, Eugênio Ferreira Naegele da

Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP)

Biblioteca. Setor de Processos Técnicos (IFF)

4

A João Carlos de Almeida Mieli

M.O.M.

A Deus

F.J.R.R.

5

“Você é o que repetidamente faz. Excelência não é um

evento, é um hábito.”

Aristóteles

6

RESUMO

Guindastes são equipamentos utilizados para a elevação e a movimentação

de cargas e materiais pesados. Na indústria petrolífera offshore, esse trabalho é

realizado através de guindastes hidráulicos, não só dentro dos limites da plataforma,

mas também em operações com embarcações auxiliares. Este trabalho trata,

especificamente, do guindaste hidráulico STALPRODUKTER, presente em algumas

plataformas da PETROBRAS. O mesmo, em sua condição de máquina, está

suscetível a falhas. Para evitar tais problemas, existem sistemas de intertravamento

e segurança. Foi reproduzido no modelo icônico presente no laboratório, o sistema

de controle e monitoração de carga do guindaste, que integra os sistemas de

controle do limite de içamento e do limite de elevação da lança, já encontrados no

modelo, ao sistema indicador de operação sobre a embarcação e sistema de

monitoração de carga. Tendo como objetivo o impedimento de uma operação que

possa causar sobrecargas nos motores e nos cabos dos guinchos.

Palavras-chave: Guindaste hidráulico. Monitoração de carga. Sobrecarga.

7

ABSTRACT

Cranes are equipments used for lifting and moving loads and heavy materials.

In the offshore oil industry, this work is carried out through hydraulic cranes, not only

within the limits of the platform, but also in operations with auxiliary vessels. This

work deals specifically with the STALPRODUKTER hydraulic crane, present in some

of PETROBRAS platforms. Like every machine, it is susceptible to failure. To avoid

such problems, there are interlocking and security systems. The control and load

monitoring system was developed using the iconic model present in the laboratory,

which includes the lifting limit control and boom lifting limit systems which can be

found in the model, the operation on vessel indicator systems and cargo monitoring

system, aiming the prevention of an operation that can cause overloads in the motors

and winches cables.

Keywords: Hydraulic crane. Load monitoring. Overload.

8

LISTA DE FIGURAS

Figura 1: Geometria do guindaste tomado como base para o projeto ....................... 17

Figura 2: Localização das alavancas de controle ...................................................... 18

Figura 3: Guinchos de içamento auxiliar e principal .................................................. 19

Figura 4: Princípio de funcionamento de um circuito hidráulico fechado de forma

simplificada ................................................................................................................ 28

Figura 5: Circuito hidráulico do motor ........................................................................ 29

Figura 6: (a) Motor em torque máximo e velocidade mínima; (b) Motor em torque

mínimo e velocidade máxima .................................................................................... 30

Figura 7: Circuito hidráulico fechado ......................................................................... 31

Figura 8: Motor hidráulico de pistões variáveis ......................................................... 32

Figura 9: Bomba hidráulica auxiliar ........................................................................... 33

Figura 10: (a) Alavanca de controle; (b) Localização da alavanca de controle da

lança e do giro ........................................................................................................... 33

Figura 11: Localização do botão seletor dos guinchos .............................................. 35

Figura 12: Diagrama ladder do sistema seletor de guinchos ..................................... 35

Figura 13: Localização do sensor limite de cabo frouxo ............................................ 36

Figura 14: Foto com a localização do botão para determinação da posição do

gancho e display ....................................................................................................... 36

Figura 15: Localização do encoder nos guinchos auxiliar e principal ........................ 37

Figura 16: Localização das células de carga dos guinchos auxiliar e principal ......... 37

Figura 17: Célula de carga instalada no parafuso de cisalhamento do guincho

auxiliar ....................................................................................................................... 38

Figura 18: Localização dos botões homem morto ..................................................... 39

Figura 19: Válvula direcional com solenoide HY 112 desenergizado ........................ 40

9

Figura 20: Console de controle da cabine do operador ............................................. 41

Figura 21: Modelo icônico do guindaste STALPRODUKTER.................................... 42

Figura 22: Localização dos sensores instalados no modelo icônico ......................... 43

Figura 23: Ponte de Wheatstone ............................................................................... 44

Figura 24 : Célula de carga ....................................................................................... 45

Figura 25: Diagrama ilustrativo do circuito amplificador ............................................ 46

Figura 26: Implementação do circuito amplificador ................................................... 46

Figura 27: Encoder .................................................................................................... 47

Figura 28: Sinais fornecidos por um encoder quadrature. ......................................... 47

Figura 29: (a) ilustração do potenciômetro; (b) diagrama representativo do circuito

interno do potenciômetro ........................................................................................... 49

Figura 30: Potenciômetro .......................................................................................... 50

Figura 31: Fonte de alimentação da célula de carga e do sensor de ângulo da lança

.................................................................................................................................. 50

Figura 32: Placa de aquisição ................................................................................... 51

Figura 33: Diagrama de blocos de uma cadeia de processamento ........................... 51

Figura 34: Sensor de início de curso do cabo de içamento do guincho auxiliar ........ 55

Figura 35: Sensor de fim de curso do cabo de içamento do guincho auxiliar............ 56

Figura 36: Solenoide HY 101/102 da válvula ............................................................ 56

Figura 37: Botão de by-pass para o sistema de içamento do guincho auxiliar .......... 57

Figura 38: Sensor de limite superior da lança ........................................................... 58

Figura 39: Batente amortecedor da lança ................................................................. 58

Figura 40: Sensores de limite inferior da lança ......................................................... 59

Figura 41: Solenoide HY 105 e HY 106 da válvula ................................................... 59

Figura 42: Botão de by-pass para sensor de limite inferior máximo da lança ........... 60

10

Figura 43: (a) Operação sobre a plataforma; (b) operação sobre a embarcação ...... 61

Figura 44: Detalhe do sistema indicador de operação sobre a embarcação no

supervisório ............................................................................................................... 62

Figura 45: Botão de acionamento do freio de içamento do guindaste original .......... 63

Figura 46: Altura relativa e absoluta da carga ........................................................... 64

Figura 47: Diagrama de blocos do sistema implementado no LabVIEW – Sistema de

controle e monitoração de carga ............................................................................... 65

Figura 48: Detalhe do diagrama de blocos com destaque do sistema indicador de

operação sobre a embarcação .................................................................................. 66

Figura 49: Parâmetros do sistema indicador de operação sobre a embarcação na

IHM ............................................................................................................................ 67

Figura 50: Detalhe do botão seletor da altura da onda do guindaste original............ 71

Figura 51: Detalhe do botão virtual seletor da altura da onda do modelo icônico ..... 71

Figura 52: Diagrama de blocos do sistema de controle e monitoração de carga do

modelo....................................................................................................................... 73

Figura 53: Parâmetros do sistema de monitoração de carga na IHM ....................... 74

Figura 54: Movimentação do guindaste em caso de sobrecarga .............................. 75

Figura 55: Representação do sistema hidráulico do modelo ..................................... 76

Figura 56: Representação do circuito elétrico do modelo.......................................... 77

Figura 57: Diagrama de intertravamento do CLP ...................................................... 78

Figura 58: Detalhe do circuito hidráulico com destaque para as válvulas que

representam a alavanca de controle ......................................................................... 79

Figura 59: Circuito hidráulico – Simulação dos movimentos da lança e do guincho –

situação 1 .................................................................................................................. 80

11

Figura 60: Circuito hidráulico – Simulação dos movimentos da lança e do guincho –

situação 2 .................................................................................................................. 81

Figura 61: Detalhe do circuito hidráulico com destaque para a válvula homem morto

.................................................................................................................................. 82

Figura 62: Alavanca de controle com indicação do botão homem morto presentes no

modelo icônico .......................................................................................................... 83

Figura 63: Circuito elétrico – acionamento do botão homem morto .......................... 84

Figura 64: Diagrama do CLP – Acionamento do botão homem morto ...................... 85

Figura 65: Circuito hidráulico - Acionamento do botão homem morto ....................... 85

Figura 66: Circuito hidráulico - Acionamento da alavanca de controle ...................... 86

Figura 67: Circuito elétrico – Acionamento do sensor de limite superior da lança .... 88

Figura 68: Diagrama do CLP – Acionamento do sensor de limite superior da lança . 89

Figura 69: Circuito hidráulico – Acionamento do sensor de limite superior da lança . 89

Figura 70: Circuito elétrico – Acionamento do sensor de fim de curso do cabo do

guincho auxiliar ......................................................................................................... 91

Figura 71: Diagrama do CLP – Acionamento do sensor de fim de curso do cabo do


Figura 72: Circuito hidráulico – Acionamento do sensor de fim de curso do cabo do


Figura 73: Circuito Hidráulico – Acionamento do sensor do limite de fim de curso do

cabo do guincho auxiliar com movimentação simultânea do motor da lança ............ 93

Figura 74: Circuito elétrico – Acionamento do botão de by-pass para o sistema de

movimentação da lança............................................................................................. 95

Figura 75: Diagrama do CLP – Acionamento do botão de by-pass para o sistema de


12

Figura 76: Circuito hidráulico – Acionamento do botão de by-pass para o sistema de


Figura 77: Circuito elétrico – Acionamento do botão de by-pass para o sistema de

movimentação do guincho auxiliar ............................................................................ 98

Figura 78: Diagrama do CLP – Acionamento do botão de by-pass para o sistema de


Figura 79: Circuito hidráulico – Acionamento do botão de by-pass para o sistema de


Figura 80: Representação do sistema hidráulico modificado do modelo ................ 101

Figura 81: Válvula de retenção pilotada 1 ............................................................... 102

Figura 82: Válvula de retenção pilotada 2 ............................................................... 102

Figura 83: Detalhe do solenoide HY 103 da válvula direcional ............................... 103

Figura 84: Representação do sistema elétrico modificado do modelo .................... 104

Figura 85: Diagrama de intertravamento do CLP modificado .................................. 106

Figura 86: Diagrama ilustrativo do circuito amplificador do sinal proveniente do

sistema de monitoração de carga ........................................................................... 107

Figura 87: Circuito amplificador do sinal proveniente do sistema de monitoração de

carga implementado ................................................................................................ 108

Figura 88: Circuito elétrico – Situação de sobrecarga ............................................. 109

Figura 89: Diagrama do CLP – Situação de sobrecarga ......................................... 110

Figura 90: Circuito hidráulico - Situação de sobrecarga .......................................... 110

Figura 91: Circuito hidráulico – situação de sobrecarga – sentido de movimentação

impedido .................................................................................................................. 111

Figura 92: Circuito hidráulico – situação de sobrecarga – sentido de movimentação

permitido.................................................................................................................. 112

13

Figura 93: Circuito elétrico – Acionamento do by-pass do sistema de monitoração de

carga ....................................................................................................................... 114

Figura 94: Diagrama do CLP – Acionamento do by-pass do sistema de monitoração

de carga .................................................................................................................. 115

Figura 95: Circuito hidráulico – Acionamento do by-pass do sistema de monitoração

de carga .................................................................................................................. 115

Figura 96: IHM do sistema de controle e monitoração de carga ............................. 116

Figura 97: IHM do guindaste original ....................................................................... 117

Figura 98: IHM desenvolvida para o modelo icônico ............................................... 117

14

SUMÁRIO

SUMÁRIO .................................................................................................................. 14

1. CONCEITOS ...................................................................................................... 17

1.1. GEOMETRIA DO GUINDASTE .................................................................... 17

1.2. ALAVANCAS DE CONTROLE ..................................................................... 18

1.3. ALTURA DA LANÇA .................................................................................... 18

1.4. ÂNGULO CRÍTICO ...................................................................................... 18

1.5. ÂNGULO DA LANÇA ................................................................................... 18

1.6. GUINCHOS .................................................................................................. 18

1.7. OPERADOR ................................................................................................. 19

1.8. RAIO DE CARGA ......................................................................................... 19

2. INTRODUÇÃO .................................................................................................... 20

2.1. APRESENTAÇÃO ........................................................................................ 20

2.2. JUSTIFICATIVA ........................................................................................... 21

2.3. OBJETIVOS GERAIS ................................................................................... 21

2.4. OBJETIVOS ESPECÍFICOS ........................................................................ 22

3. METODOLOGIA ................................................................................................. 23

4. TIPOS DE GUINDASTES E ASPECTOS GERAIS ............................................ 24

4.1. CONTEXTO HISTÓRICO............................................................................. 24

4.2. GUINDASTE HIDRÁULICO ......................................................................... 25

4.2.1. Sistemas Hidráulicos ............................................................................. 25

4.2.2. Características Dos Sistemas Hidráulicos ............................................. 25

5. O GUINDASTE STALPRODUKTER ................................................................... 27

5.1. SISTEMAS HIDRÁULICOS DO GUINDASTE.............................................. 27

5.1.1. Sistema Hidráulico Da Lança................................................................. 32

5.1.2. Sistema Hidráulico Dos Guinchos ......................................................... 34

5.2. SISTEMAS DE SEGURANÇA E INTERTRAVAMENTO .............................. 38

15

5.2.1. Freios ..................................................................................................... 38

5.2.2. Função Homem Morto ........................................................................... 39

5.2.3. Proteção Contra Sobrecarga ................................................................. 40

5.2.4. Início e Fim De Curso ............................................................................ 40

5.2.5. Alertas e Alarmes .................................................................................. 40

6. COMPONENTES DO PROJETO ....................................................................... 42

6.1. MODELO ...................................................................................................... 42

6.2. SENSORES ................................................................................................. 42

6.2.1. Célula De Carga .................................................................................... 43

6.2.2. Encoder ................................................................................................. 46

6.2.3. Potenciômetro ........................................................................................ 48

6.3. ALIMENTAÇÃO DA CÉLULA DE CARGA E DO SENSOR DE ÂNGULO DA

LANÇA ................................................................................................................... 50

6.4. DISPOSITIVOS DE AQUISIÇÃO DE DADOS.............................................. 51

6.5. SOFTWARE DE AQUISIÇÃO DE DADOS, PROCESSAMENTO E

SUPERVISÓRIO .................................................................................................... 52

7. SISTEMA DE CONTROLE E MONITORAÇÃO DO GUINDASTE ...................... 53

7.1. TABELA DE ALOCAÇÃO ............................................................................. 53

7.2. SISTEMA DE CONTROLE DO LIMITE DE IÇAMENTO .............................. 55

7.3. SISTEMA DE CONTROLE DO LIMITE DE ELEVAÇÃO DA LANÇA ........... 57

7.4. SISTEMA INDICADOR DE OPERAÇÃO SOBRE A EMBARCAÇÃO .......... 60

7.4.1. Descrição ............................................................................................... 60

7.4.2. Atuação.................................................................................................. 62

7.4.3. Implementação ...................................................................................... 63

7.5. SISTEMA DE MONITORAÇÃO DE CARGA ................................................ 68

7.5.1. Descrição ............................................................................................... 68

7.5.2. Atuação.................................................................................................. 69

7.5.3. Implementação ...................................................................................... 70

16

7.6. INTERTRAVAMENTO DO GUINDASTE ..................................................... 76

7.6.1. Implementação No Modelo Icônico ........................................................ 76

7.6.2. Intertravamento Através Do Sistema Homem Morto ............................. 81

7.6.3. Intertravamento Através Dos Sistemas De Controle Do Limite De

Içamento e De Elevação Da Lança .................................................................... 86

7.6.4. Intertravamento Através Do Sistema De Monitoração De Carga......... 100

7.7. INTERFACE HOMEM-MÁQUINA (IHM) .................................................... 116

8. CONCLUSÃO ................................................................................................... 118

9. REFERÊNCIAS ................................................................................................ 119

17

1. CONCEITOS

Para os propósitos deste trabalho, foram adotados os termos e definições a

seguir.

1.1. GEOMETRIA DO GUINDASTE

A geometria do projeto é representada pela Figura 1.

Figura 1: Geometria do guindaste tomado como base para o projeto

Fonte: Autores

18

1.2. ALAVANCAS DE CONTROLE

Alavancas do tipo joystick hidráulico, com funções de acionamento do giro e

abaixamento e elevação da lança e movimento dos cabos de içamento, situadas à

esquerda e à direita do assento do operador, Figura 2.

Figura 2: Localização das alavancas de controle

Fonte: (GUIMARÃES, DA SILVA, CARDOSO, 2013)

1.3. ALTURA DA LANÇA

Altura da ponta da lança em relação ao eixo horizontal da plataforma.

1.4. ÂNGULO CRÍTICO

Mínimo ângulo da lança permitido para operações do guindaste em função da

carga admissível de acordo com as tabelas de carga.

1.5. ÂNGULO DA LANÇA

Ângulo de inclinação da lança em relação ao eixo vertical da lança.

1.6. GUINCHOS

Guinchos de sustentação dos cabos auxiliar, principal e da lança, Figura 3.

19

Figura 3: Guinchos de içamento auxiliar e principal


1.7. OPERADOR

Profissional de movimentação de carga. Engenheiro ou técnico com

treinamento específico reconhecido.

1.8. RAIO DE CARGA

Raio atual de alcance da carga em relação aos guinchos auxiliar e principal.

20

2. INTRODUÇÃO

2.1. APRESENTAÇÃO

Guindastes são equipamentos utilizados para a elevação e a movimentação

de cargas e materiais pesados, usando o princípio da física no qual uma ou mais

máquinas simples transformam algum tipo de energia em energia mecânica para

mover cargas além da capacidade humana. São comumente empregados nas

indústrias, terminais portuários e aeroportuários, onde se exige grande mobilidade

no manuseio de cargas e transporte de uma fonte primária à embarcação, trem ou

elemento de transporte primário, para uma fonte secundária, um veículo de

transportes ou depósito local. Pode descarregar e carregar containeres, organizar

material pesado em grandes depósitos, movimentar cargas pesadas na construção

civil e na indústria petrolífera.

Na indústria petrolífera offshore, os guindastes são de fundamental

importância. As plataformas estão situadas em alto mar, necessitando ser

abastecidas com suprimentos alimentícios, equipamentos, produtos químicos, dentre

outros. A forma mais viável, logística e financeiramente, de fazê-lo, devido à

distância da costa, é por meio de operações com embarcações. As embarcações

que realizam este trabalho, normalmente, não possuem guindaste, portanto, os

guindastes das plataformas são responsáveis pela movimentação dessas cargas.

O equipamento a ser tratado neste trabalho é o Guindaste Hidráulico

STALPRODUKTER, presente em diversas plataformas de produção de petróleo da

PETROBRAS. O guindaste hidráulico, assim como todo equipamento, está

suscetível a falhas, sejam elas de natureza mecânica, por exemplo, o aquecimento

de óleo hidráulico, ou de natureza operacional, como acionamento indevido. Para

evitar tais falhas, existem sistemas de intertravamento e segurança, dentre os quais

podemos citar o sistema de controle do limite de içamento, de elevação da lança,

sistema indicador de operação sobre embarcação e sistema de monitoração de

carga que, juntos, compõe o sistema de controle e monitoração do guindaste, entre

outros sistemas como o de homem morto, de freios, seleção de guinchos e

emergência.

http://pt.wikipedia.org/wiki/Vantagem_mec%C3%A2nica

21

O sistema reproduzido será o de controle e monitoração de carga do

guindaste, composto por quatro subsistemas citados anteriormente, dentre os quais

os sistemas de controle do limite de içamento e do limite de elevação da lança já se

encontram instalados no modelo icônico. Será implementado o sistema de controle e

monitoração do guindaste, que irá integrar os sistemas já encontrados no modelo e

outros dois sistemas desenvolvidos no decorrer deste trabalho, os sistemas

indicador de operação sobre a embarcação e o sistema de monitoração de carga,

com o objetivo de impedir uma operação que possa causar sobrecargas nos

motores e nos cabos dos guinchos, o que poderá ocasionar danos à estrutura do

guindaste.

2.2. JUSTIFICATIVA

Atualmente, para monitoração de carga do guindaste STALPRODUKTER, o

CLP (Controlador Lógico Programável) da empresa Saia Burgess, modelo SAIA

PCD4 com módulos, vem sendo utilizado. Esses módulos, porém, encontram-se

obsoletos, não havendo mais reposição disponível no mercado. Além disto, o

software utilizado para programação apresenta linguagem de baixo nível, o que

dificulta a interpretação do programa.

Unindo a dificuldade de manutenção à dificuldade de interpretação do

programa, houve a necessidade de criar uma segunda alternativa para substituição

do CLP Saia Burgess por um de fabricação nacional, facilitando futuras

manutenções e correções no sistema de controle e monitoração dos guindastes

existentes nas plataformas PETROBRAS.

2.3. OBJETIVOS GERAIS

O objetivo desde trabalho é implementar o sistema de controle e monitoração

no modelo icônico do guindaste STALPRODUKTER presente no laboratório de

Eletro-hidráulica do Instituto Federal Fluminense. Este sistema consiste na

integração de quatro principais subsistemas: o sistema de controle do limite de

içamento, sistema de controle do limite de elevação da lança, sistema indicador de

operação sobre a embarcação e sistema de monitoração de carga, os dois

22

primeiros, porém, já se encontram instalados no modelo e serão integrados aos

outros dois sistemas desenvolvidos.

2.4. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Construir uma interface homem-máquina (IHM) que possibilite ao operador o

acompanhamento das operações;

Determinar o comprimento do cabo do guincho;

Indicar a angulação instantânea da lança;

Indicar o tipo de operação realizada, operação sobre a embarcação ou sobre a

plataforma;

Determinar a carga admissível pelo guindaste;

Intertravar o guindaste, caso a carga ultrapasse os limites permitidos.

23

3. METODOLOGIA

Para o funcionamento dos sistemas de monitoração de carga e indicador de

operação sobre a embarcação, é preciso determinar o comprimento do cabo do

guincho, o ângulo da lança e a carga içada pelo guincho auxiliar. Para tal, serão

instalados sensores de rotação, encoder quadrature e pontenciômetro, e uma célula

de carga.

O encoder e o potenciômetro serão instalados no guincho auxiliar e no eixo

da lança, respectivamente, para leitura do comprimento do cabo e ângulo da lança.

No guincho auxiliar, também será instalada uma célula de carga para que seja

possível calcular a carga içada pelo cabo do guincho auxiliar.

Os sensores de rotação e de carga estarão em comunicação com a Placa

DAQ, cuja função, é enviar esses sinais ao software. A partir da obtenção destes

parâmetros, serão efetuados os ajustes e cálculos necessários, com o auxilio da

ferramenta LabVIEW, que determinarão o tipo de operação realizada, operação

sobre a plataforma ou sobre a embarcação. Com isso, a carga admissível pelo

guindaste será encontrada. A ferramenta, então, enviará um sinal para o Controlador

Lógico Programável (CLP), que fará o intertravamento previamente programado no

mesmo, juntamente com o sistema eletro hidráulico do modelo, impedindo que o

guindaste seja submetido a uma carga acima da permitida pelo sistema.

Para a criação de uma interface homem-máquina (IHM), também será

utilizado o LabVIEW, que possibilitará o acompanhamento das operações a partir

de uma tela, onde estarão sinalizadas: a porcentagem da carga de trabalho, carga

no gancho, raio da carga, carga segura de trabalho para içamento em plataforma ou

em embarcação auxiliar.

24

4. TIPOS DE GUINDASTES E ASPECTOS GERAIS

4.1. CONTEXTO HISTÓRICO

“Guindastes são equipamentos utilizados para movimentação e elevação de

cargas e, desde muito tempo, têm importante papel em grandes construções.”

(RIBEIRO, 2014)

O guindaste com o propósito de mover cargas pesadas, foi criado pelos

gregos antigos, nos idos do século 6 a.C. A primeira vez que este equipamento

apareceu em algum livro, foi na obra Problemas Mecânicos, de Aristóteles. Embora

se conheça, com alguma precisão, a época em que foram inventados, ainda não se

sabe muito bem em que circunstâncias isso ocorreu e também não há registros

específicos de como ou a razão para tal. Especialistas sugerem a hipótese de que o

ambiente intelectual grego daquela época era bastante avançado e propício para os

cálculos matemáticos e estudos da física.

Na Roma antiga houve uma época em que a atividade da construção civil

alcançou patamares não imaginados até então. Segundo Ribeiro (2014), os romanos

adotaram as formas de guindastes gregos para depois aperfeiçoá-las. Foi a época

de ouro do guindaste, que foi registrada em documentos específicos de engenharia

da época. Presume-se que os engenheiros romanos da época foram capazes de

realizar movimentação de cargas de peso extremamente alto.

Na idade média, não só a técnica do guindaste havia se espalhado pela

Europa, mas também o aperfeiçoamento e incorporação de influências por parte de

cada povo. Além disso, começou-se a usar guindastes em navegações e para

movimentações de cargas que não estavam necessariamente ligadas à construção

civil. Na Inglaterra, há registros de uma forma mais avançada do guindaste a partir

de 1331.

Em 1586, na chamada “era moderna”, uma grua similar ao modelo dos

romanos passou a ser usada com ótimos resultados. Tornou-se óbvio que o ato de

puxar a estrutura por meio da coordenação de vários homens, era uma tarefa que

exigia bastante concentração e disciplina. Alguns tipos de guindastes passaram a

ser usados, inclusive, de maneira individual. Com a revolução industrial, os primeiros

guindastes modernos, mais parecidos com os utilizados atualmente, começaram a

25

ser instalados nos principais portos do mundo. O sucesso do guindaste hidráulico

causou uma verdadeira revolução e o sistema passou a ser utilizado também em

pontes.

4.2. GUINDASTE HIDRÁULICO

4.2.1. Sistemas Hidráulicos

De acordo com Linsingen (2003), os sistemas hidráulicos são baseados em

um conceito simples: a transmissão e controle de forças através de um fluido. Assim,

por meio da conversão e condicionamento da energia de entrada, sendo esta

geralmente elétrica ou térmica, obtém-se uma energia mecânica útil na saída.

Parte da energia utilizada em processos hidráulicos é dissipada devido às

características físicas e comportamentais dos componentes e do fluido. Devido a

isso, para melhor desempenho do sistema hidráulico, é necessário que as

características do fluido sejam preservadas. Temperatura e nível de contaminação,

por exemplo, são fatores que devem ser mantidos em seus valores padrões, pois ao

longo do processo essas características podem ser alteradas devido a influências do

meio.

4.2.2. Características Dos Sistemas Hidráulicos

“Os sistemas hidráulicos possuem características que os tornam

especialmente recomendados para uma série de aplicações, No entanto, também

apresentam limitações que devem ser consideradas”. (LINSINGEN, 2003)

Nos guindastes, as principais vantagens da aplicação de sistemas hidráulicos

em relação aos demais são:

Baixa relação peso/potência, ou seja, transmissão de grandes forças e

torques elevados com dimensões relativamente reduzidas;

Resposta rápida à inversão de movimento sob carga, devido aos baixos

momentos de inércia;

Adaptação automática de força ou torque;

Segurança eficaz contra sobrecargas, através do uso de válvulas limitadoras

de pressão;

26

Possível combinação com sistemas mecânicos, elétricos e pneumáticos;

Possibilidade de utilização sob condições ambientais adversas, desde que

tomadas as devidas medidas de segurança.

Apesar de suas vantagens, devem ser tomados alguns cuidados, pois o fluido

hidráulico pode perder potência, devido às perdas de carga nas linhas e nos

componentes, causando vazamentos e alterações na temperatura do fluido, o que

pode comprometer as condições operacionais desses sistemas.

27

5. O GUINDASTE STALPRODUKTER

Recentemente adquirida pela NOV (National-Oilwel Varco), a

STALPRODUKTER foi líder em suprimentos de guindastes em portos Noruegueses

e na indústria de manufatura por quase cinquenta anos.

Inicialmente, seu mercado era voltado para a indústria pesqueira. Desde o

início dos anos 1980, porém, a empresa ganhou posição, tornando-se o principal

fornecedor para a indústria offshore Norueguesa.

Seu primeiro guindaste foi construído em 1975, inicialmente destinado para

uso em plataformas móveis. Desde 1985, a empresa passou a fornecer guindastes

para plataformas fixas na Noruega de forma regular. Posteriormente, em 1988, o

guindaste hidráulico de alta pressão offshore ganhou um rápido crescimento no

mercado.

O equipamento a ser tratado neste trabalho é o Guindaste Hidráulico

STALPRODUKTER, presente em diversas plataformas de produção de petróleo da

PETROBRAS (P-32, P-33, P-35, P-37, P-47).

5.1. SISTEMAS HIDRÁULICOS DO GUINDASTE

De acordo com Guimarães, Da Silva e Cardoso (2013), o sistema hidráulico

do guindaste tema deste trabalho possui quatro circuitos: um circuito auxiliar e três

principais para acionamento dos guinchos, da lança e do giro.

Os circuitos hidráulicos principais do guindaste são do tipo circuito fechado

(transmissão hidrostática). A Figura 4 ilustra o princípio de funcionamento de um

circuito fechado, de forma simplificada.

28

Figura 4: Princípio de funcionamento de um circuito hidráulico fechado de forma simplificada


No circuito apresentado na Figura 4, o fluxo de saída do motor hidráulico (1) é

conduzido diretamente à sucção da bomba hidráulica (2), o sentido de giro do motor

hidráulico é determinado pelo sentido do fluxo da bomba. Através do movimento

axial dos pistões em relação ao eixo central, o fluxo de óleo da bomba é

infinitamente variável. A partir da inclinação do prato que une os pistões (dispositivo

interno à bomba), pode-se modificar a vazão ou reverter o sentido do fluxo. O

deslocamento do prato é controlado por válvulas proporcionais, sendo seu ângulo

levado ao máximo quando a alavanca de controle atinge o máximo de sua deflexão,

com isso, a bomba terá seu ângulo levado ao máximo. Consequentemente, quando

a alavanca de controle se encontra na posição neutra (central), a vazão da bomba

será zero e o motor estará parado. A reversão no sentido do fluxo se dá inclinando-

se o prato com relação à posição central.

“O controle de potência tem a função de ajustar o deslocamento da máquina hidrostática de tal forma que a potência requerida no eixo seja mantida constante, independentemente da pressão de trabalho imposta pelas condições de carregamento do sistema”. (LINSINGEN, 2003)

Como visto na Figura 4, o deslocamento de cada motor é controlado pela

posição da alavanca de comando e pela pressão no sistema. Quando a alavanca

alcança seu máximo curso, a bomba estará sempre em máximo deslocamento. O

deslocamento do motor será mínimo quando a alavanca de comando estiver em seu

máximo curso. Entretanto, o ângulo mínimo do motor é limitado a uma pressão

máxima pré-estabelecida para os sistemas.

29

Quando a pressão atinge o valor limite, o motor limitará o deslocamento para

manter a pressão constante, mantendo, assim, uma potência constante da bomba.

Aumentando-se a carga externa no motor além do ponto em que o motor

necessita seu máximo deslocamento para manter a pressão, a pressão do sistema e

a potência da bomba irão aumentar. Isto ocorrerá normalmente próximo ao máximo

torque do motor.

Todas as transmissões são dotadas de válvulas para limitação da pressão do

óleo a um valor pré-determinado. Se a pressão do sistema exceder um valor limite

pré-estabelecido (pressão de corte do motor), a redução do deslocamento do motor

irá cessar (torque equalizado) e um movimento posterior da alavanca comandará

apenas o deslocamento da bomba.

As velocidades dos motores hidráulicos de cada sistema são determinadas

pelo controle de vazão de suas respectivas bombas, permitindo que os motores

hidráulicos sejam acionados com infinitas velocidades, sendo mantida constante a

rotação do motor elétrico, Figura 5.

Figura 5: Circuito hidráulico do motor


No circuito do motor da lança, por exemplo, o variador (cilindro de dupla ação)

em conjunto com as duas válvulas direcionais, proporcionais com piloto hidráulico,

3/2 vias realizam a regulagem da potência.

30

O deslocamento do motor é determinado pela pressão no sistema e pela

posição da alavanca de controle. Tal deslocamento é automaticamente ajustado

para atender ao torque desejado, Figura 5.

Movendo-se a alavanca de controle da posição neutra até o máximo, o

deslocamento da bomba será aumentado proporcionalmente. A alavanca na posição

máxima significa máxima vazão disponível. Pelo mesmo tipo de movimento da

alavanca, os motores diminuirão seu deslocamento até um mínimo. Figura 6 – (a) e

(b).

Figura 6: (a) Motor em torque máximo e velocidade mínima; (b) Motor em torque mínimo e velocidade

máxima

(a) (b)


Quando a alavanca de controle é movida para fora de sua posição neutra, o

motor hidráulico sempre parte com torque máximo, Figura 6 (a), (máximo

deslocamento e mínima velocidade), e, então, se ajusta para o torque

(deslocamento) necessário para equilibrar a carga. A velocidade é ajustada com o

torque, para manter a potência constante. A velocidade de movimentação da lança

é, portanto realizada pela alavanca de controle do operador, isto é, quando move-se

a mesmo da posição neutra até a máxima, o deslocamento da bomba será

aumentado de forma proporcional. A alavanca na posição máxima significa máxima

vazão disponível na bomba. Pelo mesmo tipo de movimento da alavanca, os

motores diminuirão seu deslocamento até o mínimo (mínimo deslocamento e

máxima velocidade), Figura 6 (b).

“Com esta forma de controle, busca-se evitar que a potência instalada não

seja ultrapassada, protegendo o equipamento”. (LINSINGEN, 2003)

31

O movimento de elevar ou descer a lança é controlado pelo movimento para

frente ou para trás da alavanca de controle – joystick. A velocidade do cabo de

elevação ou descida da lança é proporcional ao movimento do joystick, sendo

limitada pelo sistema hidráulico, de modo a ter-se potência constante. Portanto, a

velocidade máxima do cabo e consequentemente da lança, cairá gradualmente,

conforme aumente a carga no cabo, acima de uma dada carga.

A própria lança irá pressurizar o sistema quanto o freio for liberado. Isso irá

ocorrer cada vez que a alavanca de controle for movida para fora do neutro, após ter

estado nesta posição por alguns segundos. A magnitude da queda irá depender do

ângulo da lança e da carga (queda normal é menor que 5 mm, medidos no flange do

tambor).

É importante notar que o freio estará aplicado somente, e apenas somente,

quando a alavanca de controle (joystick) estiver na posição neutra. A solução mais

segura, se o movimento de elevação da lança parecer fora de controle, é deixar a

alavanca dirigir-se para o neutro.

Além da bomba principal, é também utilizada uma bomba de deslocamento

fixo, também conhecido como bomba auxiliar ou bomba de recalque, que pode ser

observada na Figura 7, que representa a ilustração de um circuito fechado completo.

Figura 7: Circuito hidráulico fechado


32

Observa-se na Figura 7 a bomba de recalque (3), que é responsável por

compensar vazamentos nas válvulas, bombas e motor. Suprido a partir de um

reservatório de óleo hidráulico, o circuito de óleo de recalque, sob pressão, abastece

o sistema de içamento com óleo limpo e resfriado. Se rupturas nas mangueiras

acontecerem, o freio será ativado automaticamente devido à baixa pressão nas

linhas. A proteção contra sobrecarga é proporcionada por válvulas limitadoras de

pressão (4).

5.1.1. Sistema Hidráulico Da Lança

O sistema hidráulico de movimento vertical da lança é realizado através de

um único motor hidráulico de pistões variáveis (A6VM160HD), Figura 8. O

acionamento deste motor é realizado em circuito fechado por uma bomba hidráulica

de pistões axiais com deslocamento variável e reversível, semelhante à do sistema

de giro. O acionamento da bomba é realizado por um variador hidráulico,

comandado por uma alavanca de controle. O circuito é complementado por um bloco

de liberação do freio e por um bloco de emergência, que permite a execução de

todos os movimentos da lança, um por vez, em caso de falha no motor elétrico.

Figura 8: Motor hidráulico de pistões variáveis


A bomba hidráulica auxiliar, Figura 9, é do tipo deslocamento variável com

pistões axiais para circuito aberto, responsável por suprir o circuito principal do giro e

33

da lança, responsável pela reposição de óleo devido a vazamentos das válvulas,

bombas e motores e está acoplada ao eixo da bomba principal do sistema da lança.

Figura 9: Bomba hidráulica auxiliar


A alavanca de controle é do tipo joystick hidráulico e se localiza à esquerda

do assento do operador, Figura 10 – (a) e (b). Possui as funções de acionamento

dos movimentos de abaixamento e elevação da lança e do giro. Ela atua

diretamente num conjunto de válvulas hidráulicas situadas abaixo do assento do

operador, direcionando um sinal hidráulico para o variador, conforme se deseja o

sentido do movimento.

Figura 10: (a) Alavanca de controle; (b) Localização da alavanca de controle da lança e do giro

(a) (b)


34

A elevação ou abaixamento da lança são controlados pelo movimento de

avanço e retorno da alavanca de controle. A velocidade do cabo de elevação ou

descida da lança é proporcional ao movimento da alavanca, sendo limitada pelo

sistema hidráulico, de modo a ter-se potência constante. Portanto, a velocidade

máxima do cabo e, consequentemente, da lança cairá de forma gradual, conforme

aumente a carga no cabo, acima de uma dada carga.

Como visto no tópico 5.1 SISTEMAS HIDRÁULICOS DO GUINDASTE, esta

alavanca também possui um circuito hidráulico de segurança que pressuriza o

sistema e libera o freio somente quando a alavanca de controle é movida para fora

da posição neutra (centro). Portanto, se o movimento de elevação ou abaixamento

da lança parecer fora de controle, a solução mais segura é deixar a alavanca se

dirigir para a posição neutra, pois nesta posição o freio estará acionado e o sistema

despressurizado.

5.1.2. Sistema Hidráulico Dos Guinchos

O guindaste é dotado de um guincho auxiliar e um principal, cujos motores

hidráulicos são de deslocamento variável, pistão axial cônico, eixo articulado para

circuito fechado e deslocamento fixo, pistão axial cônico, eixo articulado para circuito

fechado, respectivamente. A partir da cabine do operador, através de um botão

elétrico, Figura 11, pode-se selecionar o guincho a ser utilizado, auxiliar (bola-peso)

ou principal (moitão). Este botão acionará uma memória auxiliar, que desabilita a

linha do guincho principal (contato normal fechado acionado) e, consequentemente,

habilita a linha do guincho auxiliar (contato normal aberto acionado), Figura 12. A

bomba do circuito hidráulico dos guinchos possui as mesmas características da

bomba do circuito da lança, com pistões axiais e deslocamento variável e reversível.

35

Figura 11: Localização do botão seletor dos guinchos


Figura 12: Diagrama ladder do sistema seletor de guinchos


O içamento é controlado pelo movimento para frente e para trás da alavanca

de controle de içamento, situada à direita do assento do operador, Figura 2. Os

guinchos de carga são equipados com interruptores (sensores) limites de cabo

frouxo, Figura 13.

36

Figura 13: Localização do sensor limite de cabo frouxo


Em caso de uma carga ficar suportada em algum lugar e o operador continuar

liberando o cabo por qualquer motivo o sensor de cabo frouxo será ativado,

bloqueando o funcionamento da alavanca de controle.

A posição do gancho (extremidade do cabo do guincho auxiliar), também

denominado gato, determina o tipo de operação realizada, sobre a plataforma ou

sobre a embarcação. O sistema dos guinchos possui, então, um display que

apresenta, de acordo com o botão seletor, as posições absoluta e relativa do

gancho, o display é o mesmo para o içamento principal e auxiliar e, em ambos os

casos, a altura do gancho é compensada pela inclinação da lança. No destaque da

Figura 14, pode-se observar o display, à esquerda, e o botão seletor, à direita.

Figura 14: Foto com a localização do botão para determinação da posição do gancho e display


37

Para que se possa determinar essa posição, há um encoder montado no eixo

dos guinchos Figura 15. O botão seletor também é responsável pelo reset do

encoder.

Figura 15: Localização do encoder nos guinchos auxiliar e principal


Os guinchos principal e auxiliar, assim como a lança, são providos de

sensores de carga (células de carga) medidores de deformação ultra sensíveis,

instalados nos parafusos de cisalhamento, Figura 16 e Figura 17. Em caso de

excesso de carga o sinal da célula de carga aciona um solenoide que bloqueia o

sinal para a alavanca de controle, impedindo que a carga seja elevada pelo guincho,

além de ativar um alarme sonoro através de uma buzina pneumática.

Figura 16: Localização das células de carga dos guinchos auxiliar e principal


38

Figura 17: Célula de carga instalada no parafuso de cisalhamento do guincho auxiliar


5.2. SISTEMAS DE SEGURANÇA E INTERTRAVAMENTO

“O guindaste é continuamente monitorado por sistemas de segurança e

intertravamento que irão atuar, caso ele seja submetido a falhas de operação ou

esforços extremos, levando sua estrutura a falhar.” (STALPRODUKTER, 1998)

O computador principal do sistema é o Controlador Lógico Programável (CLP)

do guindaste. Todos os sistemas de segurança, unidades de controle, chaves, etc.

são ligados a este CLP, que varre continuamente os sinais de entrada e calcula

informações adicionais baseado nos dados de entrada e naqueles armazenados,

tomando ações a partir deste conjunto, através de seus módulos de saída. Estes

sinais de saída controlam numerosas válvulas, luzes, sinais, etc. e fazem os devidos

intertravamentos do guindaste, impedindo que o mesmo opere fora de suas

condições de segurança (STALPRODUKTER, 1998).

5.2.1. Freios

O mecanismo de elevação da lança possui os dois seguintes sistemas de

freio (STALPRODUKTER, 1998):

Freio Hidráulico: acionado por meio de orifícios calibrados e válvulas de

pressão de segurança na transmissão hidráulica. É importante notar que o freio é

aplicado apenas quando a alavanca de controle está na posição neutra (desde que

esteja ocorrendo uma operação sobre a plataforma). Portanto, a solução mais

segura, se o movimento de içamento parecer fora de controle, é a movimentação da

alavanca para a posição central.

39

Freio Multi-Discos: acionado por molas, montado na redutora do

direcionamento. O freio é automaticamente operado por um sinal da alavanca de

comando. A operação do freio também é afetada pela baixa pressão do sistema

(medida contra o rompimento de mangueiras). Se a linha de pressão hidráulica do

sistema cair abaixo do limite pré-ajustado (indicando dano na mangueira ou similar

tipo de falha), o freio será automaticamente ativado.

5.2.2. Função Homem Morto

A função Homem Morto consiste em um dispositivo de segurança constituído

por dois botões, localizados nas alavancas que controle dos guinchos e da lança,

que devem ser acionados para habilitar as funções principais das mesmas, Figura

18.

Figura 18: Localização dos botões homem morto


Segundo Guimarães, Da Silva e Cardoso (2013), se o acionamento destes

botões for interrompido intencionalmente ou involuntariamente (no caso de um

acionamento inadvertido ou se o operador tiver um mal súbito e recair sobre a

alavanca, daí o nome “Homem Morto”), ocorrerá a desenergização imediata da

válvula solenoide responsável por pressurizar as duas alavancas de controle, HY

112, fazendo com que o fluxo do sistema seja direcionado para o tanque e a linha de

pressão fique bloqueada, interrompendo, assim, seus funcionamentos. A Figura 19

40

traz o detalhe da válvula direcional com o solenoide desenergizado, isto é, com a

linha de pressão bloqueada e o fluxo do sistema direcionado para o tanque.

Figura 19: Válvula direcional com solenoide HY 112 desenergizado


5.2.3. Proteção Contra Sobrecarga

“A válvula de corte fará com que a bomba reduza sua vazão a zero se a

pressão exceder um valor especificado, pré-ajustado, evitando que o guincho

maneje cargas mais pesadas que a de trabalho.” (STALPRODUKTER, 1998)

5.2.4. Início e Fim De Curso

O guindaste é dotado de chaves de início e fim de curso nos guinchos da

lança e de carga e no sistema de giro, de forma a impedir que ele ultrapasse as

barreiras físicas da plataforma, evitando colisões e acidentes.

5.2.5. Alertas e Alarmes

O guindaste é continuamente monitorado pelo Sistema de Monitoração do

Guindaste. Se este descobrir uma falha, o operador será informado via mensagem

na tela de textos, pela iluminação de luzes de alerta e alarme, localizadas no

console de controle da cabine do operador, e por sons (STALPRODUKTER, 1998),

Figura 20.

41

Figura 20: Console de controle da cabine do operador


Algumas falhas são mais importantes que outras. Assim, todas as falhas

monitoradas têm diferentes prioridades.

O sistema faz a diferenciação entre alertas e alarmes da seguinte forma:

Alerta: mensagem relativa a uma condição não critica no momento, e que não

necessita da atenção imediata do operador.

Alarme: indica uma condição que pode ser crítica, e que requer imediata

atenção.

Quando um alerta ou alarme é registrado (por texto, luz ou som), e o operador

nota a mensagem, estes podem ser reconhecidos por meio do botão de ciência.

Após o reconhecimento, a mensagem ainda é mostrada, porém com apresentação

menos evidente (o som irá parar e o texto deixará de piscar). O botão de ciência se

aplica à mais importante mensagem, sendo apenas esta mostrada na tela de texto.

Um alerta ou alarme continuará enquanto a causa estiver presente, cessando

quando a causa for interrompida.

42

6. COMPONENTES DO PROJETO

6.1. MODELO

Foi utilizado o modelo icônico presente no laboratório de hidráulica do Instituto

Federal Fluminense Campus Campos Centro baseado no guindaste

STALPRODUKTER, criado pelos professores Carlos Alberto de Oliveira Guimarães

e Eugenio Ferreira Naegele da Silva.

O modelo compreende sistemas hidráulicos semelhantes aos do sistema

físico real supracitados, como os da lança e guincho auxiliar; além de sistemas

elétricos, como os de fim de curso da lança e do cabo auxiliar e homem morto e

pode ser visto na Figura 21.

Figura 21: Modelo icônico do guindaste STALPRODUKTER

Fonte: Autores

6.2. SENSORES

Foram desenvolvidos dois sistemas de segurança no atual modelo, o Sistema

Indicador de Operação Sobre Embarcação e o Sistema de Monitoração de Carga,

através da instalação de sensores como célula de carga (1), encoder (2) e

potenciômetro (3), observados na Figura 22.

43

Figura 22: Localização dos sensores instalados no modelo icônico

Fonte: Autores

6.2.1. Célula De Carga

A célula de carga é um transdutor que converte força mecânica em sinais

elétricos. A carga é medida através da deformação da estrutura, sendo convertida

em sinais elétricos pelos strain gages, dispositivos cuja resistência elétrica varia

proporcionalmente com a medida de deformação no dispositivo (MEDIÇÕES...,

2013).

Como as variações de deformação e, consequentemente, de resistência são

extremamente pequenas, é preciso usar circuitos adicionais para amplificar os

efeitos dessas variações de resistência. A configuração de circuito mais comum em

uma célula de carga é denominada ponte de Wheatstone, observada na Figura 23.

44

Figura 23: Ponte de Wheatstone

Fonte: (MEDIÇÕES..., 2013)

A partir da Figura 23, pode-se observar que a ponte de Wheatstone é formada

por quatro braços resistivos e uma tensão de excitação, VEX, aplicada na ponte.

As células de carga, tipicamente, usam quatro strain gages em uma

configuração de ponte de Wheatstone, o que significa que todos os braços resistivos

do circuito são ativos. Essa configuração é denominada ponte completa. O uso de

uma configuração de ponte completa aumenta muito a sensibilidade do circuito às

variações de deformação, oferecendo medições mais exatas.

A tensão de saída da célula de carga através da ponte de Wheatstone é

baixa. Na prática, a maior parte das células de carga e transdutores relacionados à

carga colocam em suas saídas menos de 10 mV/V (10 mV de saída por volt de

tensão de excitação). Para uma tensão de excitação de 10 V, o sinal de saída é de

100 mV. Dessa maneira, os condicionadores de sinais de células de carga

normalmente têm amplificadores, que elevam o nível do sinal para aumentar a

resolução da medição e melhorar as relações sinal-ruído.

Foi instalada uma célula de carga do tipo “S” no cabo do guincho auxiliar para

possibilitar a medição da carga içada pelo guindaste, podendo ser observada na

Figura 24. Suas respectivas especificações técnicas podem ser observadas no

Quadro 1.

45

Figura 24 : Célula de carga

Fonte: Autores

Quadro 1: Especificações técnicas da célula de carga instalada no modelo

Tensão de alimentação (Vcc) 10 Vcc

Tensão de Saída (Vcc) 0 mVcc a 100 mVcc

Capacidade (Kg) 0Kg a 50Kg

Configuração dos fios

Amarelo Terra

Branco Saida(-mVcc)

Verde Saida (+mVcc)

Preto Alimentação (-Vcc)

Vermelho Alimentação (+Vcc)

Fonte: Autores

6.2.1.1. Circuito Amplificador

O circuito amplificador tem como função transformar a saída de tensão,

proveniente da Célula de Carga, de um range de 0 mVcc a 100 mVcc para um range

de 0 Vcc a 5 Vcc, valores compatíveis com os valores de saída dos outros sensores,

para que possam ser comparados e tratados de forma semelhante. Na Figura 25,

pode-se observar um diagrama do circuito usado para amplificar o sinal da célula de

carga, e na Figura 26, uma foto do circuito implementado.

46

Figura 25: Diagrama ilustrativo do circuito amplificador

Fonte: Autores

Figura 26: Implementação do circuito amplificador

Fonte: Autores

6.2.2. Encoder

Segundo Turchetti (2007), o encoder é um transdutor que converte um

movimento angular ou linear em uma série de pulsos digitais elétricos. O sistema de

leitura é baseado em um disco, um diodo emissor de luz (LED) e um detector de luz

(fototransistor) no lado oposto do disco. O disco montado no eixo giratório tem uma

série de perfurações regulares que são repetidas continuamente, formando

segmentos opacos e transparentes codificados no disco. À medida que o disco gira,

os segmentos opacos bloqueiam a luz e as janelas transparentes permitem a

47

passagem da luz, gerando, assim, pulsos elétricos que podem ser interpretados em

informação de movimento ou posição.

O encoder utilizado neste trabalho é do tipo incremental, e pode ser visto na

Figura 27. Este tipo de encoder fornece normalmente dois pulsos quadrados,

defasados em 90 graus, chamados de canal A e canal B. A defasagem de 90 graus

entre os sinais, possibilita determinar não apenas os incrementos, mas ainda o

sentido da rotação. A Figura 28 ilustra a defasagem de 90 graus entre os canais A e

B.

Figura 27: Encoder

Fonte: Autores

Figura 28: Sinais fornecidos por um encoder quadrature.

Fonte: (TURCHETTI, 2007)

48

O encoder foi instalado no guincho do cabo auxiliar, para determinar o

comprimento do cabo e, consequentemente, a altura da carga içada. Suas

especificações técnicas são encontradas no Quadro 2.

Quadro 2 : Especificações técnicas do encoder quadrature


Tensão de Saída (Vcc) 0 Vcc e 5 Vcc

Resolução (Pulsos/Rotação) 84 P/R


Amarelo 1 Canal A

Amarelo 2 Canal B

Vermelho 1 Alimentação (+Vcc)

Preto 1 Alimentação (-Vcc)

Vermelho 2 Alimentação (+Vcc)

Preto 2 Alimentação (-Vcc)

Fonte: Autores

6.2.3. Potenciômetro

O potenciômetro é um componente eletrônico que possui sua resistência

elétrica ajustável, sendo a mesma alterada mecanicamente. Ele apresenta uma tira

circular de composição, chamada de pista, sobre o qual se move o contato móvel do

cursor, que é preso ao eixo rotativo, sendo a resistência entre seus dois terminais

extremos fixa em seu valor nominal. Já o valor de resistência entre uma das

extremidades e a derivação central, dependerá do posicionamento do cursor. Cria-

se, então, uma estrutura que pode ser compreendida como dois resistores em série

com uma derivação central (POTENCIÔMETRO, 2005), conforme a Figura 29 (a) e

(b).

http://pt.wikipedia.org/wiki/Eletr%C3%B4nica

http://pt.wikipedia.org/wiki/Resist%C3%AAncia_el%C3%A9trica

http://pt.wikipedia.org/wiki/Resist%C3%AAncia_el%C3%A9trica

49

Figura 29: (a) ilustração do potenciômetro; (b) diagrama representativo do circuito interno do

potenciômetro

(a) (b)

Fonte: (POTENCIÔMETRO, 2005)

O potenciômetro utilizado no presente trabalho possui as características

técnicas presentes no Quadro 3, e foi instalado no eixo da lança, como observado

na Figura 30 para que seja possível determinar o ângulo de inclinação da lança,

visando conhecer o raio da carga e o tipo de operação realizada.

Quadro 3 : Especificações técnicas do potenciômetro


Tensão de Saída (Vcc) 0 Vcc a 5 Vcc


Verde Sinal de Saída

Vermelho Alimentação (+Vcc)

Preto Alimentação (-Vcc)

Fonte: Autores

http://1.bp.blogspot.com/-JVvNZwwrYYk/UaOoOxrMZWI/AAAAAAAAA_s/htaxXS1rOqk/s1600/pote.png

50

Figura 30: Potenciômetro

Fonte: Autores

6.3. ALIMENTAÇÃO DA CÉLULA DE CARGA E DO SENSOR DE ÂNGULO DA

LANÇA

A célula de carga e o sensor de ângulo da lança (potenciômetro) são alimentados

por uma fonte simétrica de 11Vcc, que pode ser vista na Figura 31.

Figura 31: Fonte de alimentação da célula de carga e do sensor de ângulo da lança

Fonte: Autores

51

6.4. DISPOSITIVOS DE AQUISIÇÃO DE DADOS

Para aquisição de dados provenientes dos sensores instalados no modelo do

guindaste, como encoder, célula de carga e potenciômetro, é utilizada a Placa de

Aquisição da National Instruments, Figura 32. Para comunicação via software

LabVIEW, foi instalado o DAQ (NI PCI 6221).

Figura 32: Placa de aquisição

Fonte: Autores

Na Figura 33, tem-se um diagrama de blocos que representa a cadeia de

processamento estabelecida.

Figura 33: Diagrama de blocos de uma cadeia de processamento

Fonte: Autores

Como se pode ver no diagrama da Figura 33, na entrada são obtidos sinais

provenientes dos sensores enviados para o software de processamento e controle

(LabVIEW), sendo a comunicação estabelecida via DAQ. Após o processamento dos

Entrada

(Sensores via

DAQ)

Processamento

(LabVIEW)

Saída

(Atuadores via

CLP)

52

dados, o software enviará sinais de saída para o CLP, que fará os devidos

intertravamentos no guindaste.

6.5. SOFTWARE DE AQUISIÇÃO DE DADOS, PROCESSAMENTO E SUPERVISÓRIO

O software utilizado para aquisição e processamento de dados e

desenvolvimento do supervisório é o LabVIEW.

“Software base da plataforma de projeto da National Instruments, para o desenvolvimento de qualquer sistema de medição ou controle. O LabVIEW é um ambiente de desenvolvimento voltado à resolução de problemas, produtividade acelerada e inovação contínua.” (LABVIEW, 2014)

O LabVIEW é um ambiente de programação flexível, o qual oferece todas as

ferramentas que engenheiros e cientistas necessitam para projetar, criar protótipos e

implementar sistemas, incluindo bibliotecas de processamento de sinais e controles

de interface de usuário desenvolvidos para a visualização dos dados das medições.

Os programas em LabVIEW são chamados de instrumentos virtuais,

compostos pelo painel frontal, que contém a interface, e pelo diagrama de blocos,

que contém o código gráfico do programa.

53

7. SISTEMA DE CONTROLE E MONITORAÇÃO DO GUINDASTE

Os guindastes das plataformas auxiliam no abastecimento de suprimentos

alimentícios, equipamentos, produtos químicos, dentro outros. Além de possuírem

essencial importância para o transporte de grandes cargas dentro da própria

plataforma, como grandes equipamentos, tubos, ferramentas e containeres.

Se o guindaste é usado fora dos limites operacionais, não só a integridade

física do guindaste é ameaçada, como também toda a segurança da plataforma e do

pessoal presente na mesma. Por isso, o sistema de controle e monitoração do

guindaste, junto a todos os outros sistemas de segurança, deve estar em perfeitas

condições operacionais e todo o pessoal envolvido, treinado para operar esses

sistemas e saber como proceder em uma situação de emergência ou falha dos

mesmos.

O sistema de controle e monitoração do guindaste é baseado em subsistemas

integrados, são eles:

Sistema de controle do limite de içamento;

Sistema de controle do limite de elevação da lança;

Sistema indicador de operação sobre embarcação;

Sistemas de monitoração de carga.

Estes subsistemas irão contribuir para a correta utilização do guindaste,

impedindo que o mesmo venha a sofrer danos ou causar acidentes. Para tal, a

integração desses sistemas também consiste no intertravamento do guindaste.

7.1. TABELA DE ALOCAÇÃO

Cada subsistema consiste em um conjunto de chaves limite (sensores),

válvulas e botões, que, em conjunto, são responsáveis pela movimentação da lança,

do cabo do guincho auxiliar e, consequentemente, pelo impedimento de qualquer

movimento de forma a evitar que o guindaste sofra sobrecargas ou até provoque

acidentes. Todos esses componentes foram “tagueados” de acordo com o manual

de operadores do guindaste original, (STALPRODUKTER, 1998), e se encontram na

Tabela 1, Tabela 2 e Tabela 3.

54

Tabela 1: Tags dos sensores

SENSOR TAG

Sensor de início de curso do cabo de içamento ZS214

Sensor de fim de curso do cabo de içamento ZS215

Sensor de limite superior da lança ZS216

Sensor de limite inferior da lança ZS218

Sensor de limite inferior máximo da lança ZS219

Fonte: Autores

Tabela 2: Tags dos botões

BOTÃO TAG

Botão de by-pass para o sistema de içamento do guincho auxiliar

e movimentação da lança

S27

Botão de by-pass para o sensor de limite inferior máximo da lança S28

Botão de ativação do sistema homem morto S35

Botão de acionamento do freio de içamento S29

Fonte: Autores

Nota: O botão de by-pass para o sensor de limite inferior máximo da lança, S28, foi adicionado ao sistema, não estando de acordo com o manual do guindaste e o botão de acionamento do freio de içamento, S29, não foi implementado no modelo icônico do guindaste.

Tabela 3: Tags dos solenoides

SOLENOIDE TAG

Solenoide que impede a movimentação do motor do guincho

auxiliar quando acionado

HY 101/102

Solenoide responsável por impedir a movimentação do motor da

lança quando acionado

HY 105

Solenoide responsável por liberar a movimentação do motor da

lança quando acionado

HY 106

Solenoide do sistema homem morto responsável pela liberação de

fluxo para a alavanca de controle quando acionado

HY 112

Solenoide responsável pela pilotagem das válvulas de retenção do

sistema de monitoração de carga quando acionado

HY 103

Fonte: Autores

Nota: O solenoide HY103 foi adicionado ao sistema, não estando de acordo com o manual do guindaste

55

7.2. SISTEMA DE CONTROLE DO LIMITE DE IÇAMENTO

O movimento do guincho auxiliar possui chaves de início e fim de curso,

limitando a altura do cabo auxiliar e impedindo que o mesmo sofra danos, o sistema

de controle do limite de içamento consiste no intertravamento do guindaste a partir

destas chaves.

No objeto de estudo, este sistema já havia sido implementado pelos

professores Carlos Alberto e Eugenio, criadores do modelo icônico utilizado.

Os sensores de início e fim de curso do cabo de içamento do guincho auxiliar

podem ser observados na Figura 34 e Figura 35 e suas respectivas tags, na Tabela

1.

Figura 34: Sensor de início de curso do cabo de içamento do guincho auxiliar

Fonte: Autores

56

Figura 35: Sensor de fim de curso do cabo de içamento do guincho auxiliar

Fonte: Autores

O sensor mostrado na Figura 34, ZS214, encontra-se instalado próximo ao

eixo do guincho auxiliar, determinando o limite mínimo do cabo auxiliar. Já o sensor

ZS215, Figura 35, foi instalado na extremidade da lança, determinando o limite

máximo do cabo do guincho auxiliar. Quando um dos sensores é acionado, o

solenoide HY 101/102, Figura 36, é acionado, impedindo o movimento de subida ou

descida da carga. Este intertravamento será abordado com mais detalhes no tópico

7.6 INTERTRAVAMENTO DO GUINDASTE.

Figura 36: Solenoide HY 101/102 da válvula

Fonte: Autores

57

No modelo icônico objeto de estudo deste trabalho, o contato com o sensor

de fim de curso ou de início de curso do cabo do guincho auxiliar implica na parada

total da movimentação do motor do guincho auxilair, tanto para o movimento de

içamento ou de descida da carga, pois a alavanca de controle utilizada é a mesma

para ambos os movimentos, sendo necessário o uso do botão de by-pass, S27, para

que as operações sejam prosseguidas e o guindaste movimentado para fora de uma

situação de perigo. A Figura 37 mostra o detalhe deste botão. O intertravamento do

sistema de controle do limite de içamento será abordado com mais detalhes no

tópico 7.6 INTERTRAVAMENTO DO GUINDASTE.

Figura 37: Botão de by-pass para o sistema de içamento do guincho auxiliar

Fonte: Autores

7.3. SISTEMA DE CONTROLE DO LIMITE DE ELEVAÇÃO DA LANÇA

O movimento da lança de forma a diminuir seu ângulo, é limitado para cima

por uma chave limite (sensor de limite superior), Figura 38, e pelo batente

amortecedor da lança, Figura 39.

No objeto de estudo, este sistema também já havia sido implementado.

58

Figura 38: Sensor de limite superior da lança

Fonte: Autores

Figura 39: Batente amortecedor da lança

Fonte: Autores

O movimento descendente da lança também é limitado por dois sensores de

limite inferior, observados na Figura 40.

59

Figura 40: Sensores de limite inferior da lança

Fonte: Autores

O sensor da Figura 38, ZS216, foi instalado de forma a determinar o limite

superior da lança. O contato com este sensor implica na parada do movimento da

lança, antes que ela atinja o batente. Os sensores ZS218 e ZS219, observados na

Figura 40, determinam o limite inferior, sendo o ZS218, um sensor de limite inferior e

o segundo, ZS219, limite inferior máximo.

Quando um destes três sensores é acionado, o movimento da lança é

impedido, a partir do acionamento do solenoide HY 105, que pode ser observado na

Figura 41.

Figura 41: Solenoide HY 105 e HY 106 da válvula

Fonte: Autores

60

No modelo icônico objeto de estudo deste trabalho, o contato com qualquer

sensor limite da lança implica na parada total da movimentação da mesma, tanto no

movimento ascendente, quanto descendente, pois a alavanca de controle utilizada é

a mesma para ambos os movimentos, sendo necessário o uso do botão de by-pass,

S27, comum ao sistema de movimentação do guincho auxiliar, para que as

operações sejam prosseguidas e o guindaste movimentado para fora de uma

situação de perigo.

O botão S28 foi adicionado ao modelo com o objetivo de “by-passar” o sensor

de limite inferior máximo da lança, não estando presente no guindaste original. A

Figura 42 mostra o detalhe deste botão. O intertravamento do sistema de controle do

limite de elevação da lança será abordado com mais detalhes no tópico 7.6

INTERTRAVAMENTO DO GUINDASTE.

Figura 42: Botão de by-pass para sensor de limite inferior máximo da lança

Fonte: Autores

7.4. SISTEMA INDICADOR DE OPERAÇÃO SOBRE A EMBARCAÇÃO

7.4.1. Descrição

Como citado no tópico 2.1 APRESENTAÇÃO, do capítulo 1 INTRODUÇÃO,

devido à distância da costa litorânea, são necessárias operações com embarcações

para que as plataformas sejam abastecidas. Sendo os guindastes das plataformas

61

os responsáveis por transportar esses suprimentos, pois muitas vezes essas

embarcações não possuem guindaste próprio.

Quando o guindaste da plataforma está realizando um içamento de/para o

mar, conhecido também como operação sobre a embarcação, medidas de

segurança devem ser tomadas: o operador deve estar ciente dessa operação e os

freios do cabo do guincho, liberados, para que, em caso de fixação do gancho

(extremidade do cabo do guincho auxiliar) ao barco de apoio, por exemplo, nos

movimentos das ondas do mar, o cabo não possa ser puxado pelo barco, além de

outras medidas de segurança.

Para que seja determinada uma operação sobre a embarcação ou operação

sobre navio, é preciso relacionar a altura do gancho com o ângulo da lança. A Figura

43, ilustra a diferença entre uma operação sobre a plataforma e uma operação sobre

a embarcação.

Figura 43: (a) Operação sobre a plataforma; (b) operação sobre a embarcação

(a) (b)

Fonte: Autores

No modelo icônico, após a calibração de todos os sensores, foi determinado

que um ângulo da lança inferior a 40 graus faz com que a extremidade da lança se

62

encontre fora dos limites da plataforma, porém se o gancho estiver acima da altura

da plataforma, a operação realizada é, ainda, considerada operação sobre a

plataforma, Figura 43 (a). Uma operação sobre a embarcação é caracterizada

apenas quando a extremidade da lança se encontra fora dos limites da plataforma e

o gancho, abaixo do nível da plataforma simultaneamente, Figura 43 (b).

7.4.2. Atuação

“Durante uma operação sobre a embarcação, intertravamentos e medidas de

segurança devem ser tomadas e o operador há de estar ciente do tipo de operação

que está ocorrendo.” (STALPRODUKTER, 1998) Para tanto, um sinal luminoso

amarelo será indicado na tela do supervisório, informando que o gancho está abaixo

do nível da plataforma, como se pode ver na Figura 44.

Figura 44: Detalhe do sistema indicador de operação sobre a embarcação no supervisório

Fonte: Autores

63

A interface do sistema de controle e monitoração de carga também indica não

só a saída do sistema indicador de operação sobre a embarcação, mas também

parâmetros utilizados pelo mesmo, como ângulo da lança, comprimento do cabo e

raio da carga, Figura 44, que serão tratados na sessão 7.4.3 Implementação deste

capítulo.

Apesar de o sistema de freios não estar implementado no modelo incônico, é

importante lembrar que os freios são acionados automaticamente ao se posicionar a

alavanca de controle para a posição neutra, vide tópico 5.1 SISTEMAS

HIDRÁULICOS DO GUINDASTE. Porém, para proteção do guindaste contra

sobrecargas, quando mesmo está realizando uma operação sobre a

embarcação/operação sobre navio, este sistema de freios não será ativado quando

a alavanca de controle estiver na posição neutra. Durante uma operação sobre a

embarcação, o freio só poderá ser aplicado pelo operador acionando-se o botão de

acionamento do freio de içamento, S29, vide Tabela 2 e Figura 45. Isso ocorre para

evitar que, em uma situação de prendimento do cabo na embarcação, o mesmo

corra livremente, evitando possíveis danos ao cabo e/ou ao guindaste.

Figura 45: Botão de acionamento do freio de içamento do guindaste original


7.4.3. Implementação

O sistema foi implementado no software LabVIEW. A aquisição de dados é

feita pela placa da National Instruments, que recebe como entrada o sinal

64

proveniente do potenciômetro, que indica o ângulo de inclinação da lança, e do

encoder, que determina o comprimento do cabo de içamento do guincho auxiliar.

A partir do comprimento do cabo, é possível determinar a altura relativa e

absoluta da carga, Figura 46.

Figura 46: Altura relativa e absoluta da carga

Fonte: Autores

Para fins deste trabalho, foi determinado e pode ser observado na Figura 46,

que a altura relativa da carga é a distância vertical entre a carga e a plataforma,

podendo variar de acordo com o ângulo de inclinação da lança. Sendo a distância

absoluta, a distância vertical entre a ponta da lança e a carga, tratada neste trabalho

como comprimento do cabo. Na tela do supervisório do modelo há a indicação do

comprimento do cabo, parâmetro fundamental para o sistema indicador de operação

sobre a embarcação.

A Figura 47 mostra o diagrama de blocos completo implementado no software

LabVIEW. E, em sequência, na Figura 48, observa-se o detalhe do diagrama de

65

blocos do sistema indicador de operação sobre a embarcação e na Figura 49, os

parâmetros do sistema indicados na IHM.

Figura 47: Diagrama de blocos do sistema implementado no LabVIEW – Sistema de controle e

monitoração de carga

Fonte: Autores

66

Figura 48: Detalhe do diagrama de blocos com destaque do sistema indicador de operação sobre a

embarcação

Fonte: Autores

67

Figura 49: Parâmetros do sistema indicador de operação sobre a embarcação na IHM

Fonte: Autores

Como entrada para este sistema temos o sinal proveniente do potenciômetro

e do encoder, Figura 48 (1) e (3), ordenadamente. A partir destes parâmetros,

podem ser calculados o ângulo da lança Figura 48 (2) e o raio da carga Figura 48

(4).

O ângulo da lança, comprimento do cabo e raio da carga podem ser

observados na IHM, Figura 49 (1), (2), e (3), respectivamente.

O sistema indicador de operação sobre a embarcação possui uma saída

digital, Figura 48 (5). A saída digital indica o tipo de operação que está sendo

realizada, sendo sinal “1” se o guindaste estiver operando sobre uma embarcação

ou “0”, caso esteja operando sobre a plataforma. Esse sinal digital fará com que um

indicador luminoso na cor amarela seja visualizado na IHM de acordo com a

operação realizada, sobre a plataforma ou sobre a embarcação, Figura 49 (4).

68

Observando-se o diagrama da Figura 48, pode-se perceber que a saída digital

desse sistema (5) também é sinal de entrada para outro sistema, o sistema de

monitoração de carga, pois durante uma operação sobre a embarcação, as cargas

permissíveis são reduzidas, de acordo com a altura significativa da onda e do raio da

carga. Este assunto será tratado com mais detalhes no próximo tópico, 7.5

SISTEMA DE MONITORAÇÃO DE CARGA.

7.5. SISTEMA DE MONITORAÇÃO DE CARGA

7.5.1. Descrição

O guindaste possui uma variedade de chaves limites de início e fim de curso

nos guinchos e na lança, de forma a impedir que ele colida com as barreiras físicas

da plataforma, além de alarmes e funções lógicas, prevenindo sobrecargas.

O manual de instruções para operadores destaca:

“O guindaste pode sofrer danos e sua estrutura vir a falhar caso ele seja submetido a esforços extremos, a lança corre o risco de cair abruptamente e o cabo de içamento, romper. Se a carga é aumentada até ocorrer uma falha, o componente mais fraco será o primeiro a falhar, dependendo do tipo e da situação da sobrecarga. Em qualquer caso, cargas causadoras de falhas estão muito acima de qualquer carga segura de trabalho. Geralmente, o cabo de içamento será o primeiro componente a falhar, por ser aquele com mais alta probabilidade de falha, seguido da lança (topo da lança). Esta é a sequência desejada de falha. Se o guindaste for sobrecarregado até que o cabo de içamento se rompa, é provável que algumas das partes estruturais do guindaste sofram deformações permanentes e muitos dos componentes mecânicos sejam danificados.” (STALPRODUKTER, 1998)

Em situações em que a carga está crítica para o raio, a descida e içamento de

carga devem ser bloqueadas, sendo permitido ao operador, apenas a movimentação

da carga para cima a partir da subida da lança e para baixo através da descida do

cabo do guincho, isso faz com que o raio da carga seja diminuído, retirando o

equipamento da situação crítica.

69

7.5.2. Atuação

As cargas permissíveis de içamento variam de acordo com a operação

realizada, sobre a embarcação ou plataforma. Dependem também da altura

significativa da onda e do raio da carga. As cargas seguras de trabalho para as

operações citadas, para diferentes alturas de onda e raios de carga são mostradas

nas cartas (tabelas de carga) disponíveis na cabine do operador e incorporadas ao

sistema de monitoração de carga.

Como referência, neste trabalho, será utilizado o guindaste de 38m e sua

respectiva tabela de carga se encontra a seguir, na Tabela 4.

Tabela 4 : Tabela de carga do guindaste de 38m

Raio da

Carga

(m)

Ângulo

da Lança

(°)

Taxas Dinâmicas de Carga (toneladas)

Sobre

Plataforma

Sobre Embarcação. Alturas Significativas de Onda

(m)

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0

8,3 83,17 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,1 6,3 5,9 5,5

10,0 80,51 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,2 6,4 6 5,6

11,5 78,13 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,2 6,4 6 5,6

13,0 75,73 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,3 6,5 6,1 5,7

14,5 73,30 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,3 6,5 6,1 5,7

16,0 70,84 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,4 6,6 6,2 5,8

17,5 68,32 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 6,6 6,2 5,8

19,0 65,76 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 6,7 6,3 5,9

20,5 63,13 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 6,8 6,3 5,9

22,0 60,44 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 6,8 6,4 6

23,5 57,66 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 6,9 6,4 6

25,0 54,78 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 6,9 6,5 6,1

26,5 51,78 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,0 6,5 6,1

28,0 48,63 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,1 6,6 6,2

29,5 45,31 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,1 6,7 6,3

31,0 41,76 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,2 6,7 6,3

70

32,5 37,91 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,3 6,8 6,4

34,0 33,64 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,4 6,9 6,4

35,5 28,75 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,4 7 6,5

37,0 22,78 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7 6,6

38,0 17,55 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,4 6,9 6,5

Fonte: (STALPRODUKTER, 1998)

As cargas foram calculadas conforme a Especificação API para Guindastes

Offshore – 1995 e se modificam ao longo do raio, devido a alterações na rigidez do

guindaste, constituído de cabos, lança, cavalete e pedestal (STALPRODUKTER,

1998).

7.5.3. Implementação

O sistema foi implementado no software Labview. Como entrada, são

adquiridos sinais do Sistema Indicador de Operação Sobre a Embarcação, que

indica o ângulo de inclinação da lança e o respectivo raio da carga que está sendo

içada, além de parâmetros provenientes da célula de carga (carga içada) e do botão

seletor da altura da onda (altura da onda).

No guindaste original, a altura de onda se dá através de um botão seletor

giratório, que permite a seleção manual da altura da onda, Figura 50. No modelo

icônico, foi implementado um botão seletor virtual, que pode ser observado no

destaque da Figura 51.

71

Figura 50: Detalhe do botão seletor da altura da onda do guindaste original


Figura 51: Detalhe do botão virtual seletor da altura da onda do modelo icônico

Fonte: Autores

Foi implementada a tabela de carga do guindaste de 38m, Tabela 5. Para

criação desta tabela, foi utilizada uma proporção de 1000:1 (quilograma:tonelada)

para a carga permissível. A precisão do modelo icônico para a grandeza angular da

lança será dada a partir de números inteiros e sua faixa de atuação será maior,

72

comparando-se à tabela de carga original do guindaste, Tabela 4, devido à

proporção do modelo em relação ao guindaste original.

Tabela 5: Tabela de carga do modelo icônico

Ângulo

da

Lança

(°)

Taxas Dinâmicas de Carga (quilogramas)

Sobre

Plataforma

Sobre Embarcação. Alturas Significativas de Onda (m)

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0

83 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,1 6,3 5,9 5,5

78 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,2 6,4 6 5,6

68 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 6,6 6,2 5,8

60 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 6,8 6,4 6

54 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 6,9 6,5 6,1

41 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,2 6,7 6,3

33 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,4 6,9 6,4

22 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7 6,6

Fonte: Autores

O objetivo do trabalho é reproduzir o sistema de monitoração de carga do

guindaste original, portanto, não foram levados em consideração fatores como

rigidez do modelo, cabos, lança, cavalete ou pedestal.

Na Figura 52 apresenta-se o diagrama de blocos desenvolvido para atender

às especificações do sistema de monitoração de carga do guindaste original e na

Figura 53, a IHM apresentando os parâmetros utilizados neste sistema.

73

Figura 52: Diagrama de blocos do sistema de controle e monitoração de carga do modelo

Fonte: Autores

74

Figura 53: Parâmetros do sistema de monitoração de carga na IHM

Fonte: Autores

Na Figura 52 tem-se o sistema indicador de operação sobre a embarcação (1)

e o sistema de monitoração de carga (3). A saída do sistema indicador de operação

sobre a embarcação (2) é entrada para o sistema de monitoração de carga, pois,

como visto na sessão 7.5.1 Descrição, a carga admissível pelo guindaste varia, não

só de acordo com a altura da onda, mas também em relação ao tipo de operação

realizada. Portanto, no sistema do modelo icônico, o tipo de operação realizada e a

altura da onda são relacionados ao raio de carga e ao ângulo da lança de acordo

com a Tabela 5: Tabela de carga do modelo icônico, como saída, obtém-se a carga

instantânea admissível, que será imediatamente comparada à carga içada pelo

guindaste.

Todos os parâmetros utilizados no sistema de monitoração de carga são

apresentados na IHM, Figura 53. Os parâmetros de entrada como, altura da onda

(1), carga içada (2) e tipo de operação realizada (3). A carga instantânea admissível

75

pelo guindaste também é apresentada, indicada por SWL-PLF (Safe Working Load),

para içamento em plataforma (4), e SWL-SHIP, para içamento sobre a embarcação

(5). A relação entre a carga instantânea admissível e a carga içada resulta na

porcentagem da carga segura de trabalho, representada por uma escala analógica,

no centro da tela (6).

Semelhante ao sistema indicador de operação sobre a embarcação, o

sistema de monitoração de carga também possui uma saída digital, Figura 52 (4),

indicando “1” se o guindaste estiver operando com uma carga acima da admissível,

de acordo com a tabela de carga, ou “0”, caso esteja operando dentro dos limites de

segurança de carga. O sinal lógico é amplificado e enviado para um solenoide de

uma válvula, que comutará, permitindo a passagem do fluxo em apenas um sentido

em cada motor, motor da lança e motor do guincho auxiliar, limitando a

movimentação do guindaste de forma a impedir que o raio da carga seja aumentado

ou que sua altura relativa seja diminuída. Isto é, a movimentação da lança poderá se

dar apenas de forma ascendente e do cabo do guincho auxiliar apenas de forma

descendente, descendo a carga, Figura 54.

Figura 54: Movimentação do guindaste em caso de sobrecarga

Fonte: Autores

76

O intertravamento do modelo a partir deste sinal lógico será abordado com

mais detalhes a seguir, no tópico 7.6 INTERTRAVAMENTO DO GUINDASTE.

7.6. INTERTRAVAMENTO DO GUINDASTE

7.6.1. Implementação No Modelo Icônico

Os circuitos hidráulicos e elétricos que o modelo já possuía foram

reproduzidos com o auxílio da ferramenta FluidSIM e podem ser observados na

Figura 55 e Figura 56.

Figura 55: Representação do sistema hidráulico do modelo

Fonte: Autores

77

Figura 56: Representação do circuito elétrico do modelo

Fonte: Autores

78

Com o auxilio da ferramenta FST 4.10, foi reproduzido o diagrama na

linguagem LADDER, que complementa o sistema de intertravamento, Figura 57.

Figura 57: Diagrama de intertravamento do CLP

Fonte: Autores

79

Na simulação virtual do circuito, a alavanca de controle é representada por

duas válvulas direcionais do tipo 4/3 vias, centro fechado, de acionamento manual,

observadas no destaque da Figura 58.

Figura 58: Detalhe do circuito hidráulico com destaque para as válvulas que representam a alavanca de controle

Fonte: Autores

No destaque da Figura 58, pode-se observar que a válvula 1 é responsável

pelo comando do movimento do motor da lança, e a válvula 2, pelo motor do guincho

auxiliar, possuindo, portanto, movimentos independentes.

A Figura 59 mostra uma primeira situação em que estão sendo realizados os

movimentos descendente da lança e ascendente do cabo do guincho auxiliar. Na

Figura 60, os movimentos contrários podem ser observados, movimento ascendente

da lança e descendente do cabo do guincho auxiliar.

80

Figura 59: Circuito hidráulico – Simulação dos movimentos da lança e do guincho – situação 1

Fonte: Autores

Foi determinado para a simulação virtual do circuito hidráulico que o

movimento descendente da lança ocorre quando a válvula 1 da alavanca de controle

está na posição esquerda do símbolo, quando a válvula 2 se encontra na posição

esquerda, ocorre o movimento ascendente do cabo do guincho auxiliar. Esta

primeira situação pode ser observada na Figura 59.

Para a movimentação ascendente da lança, a válvula 1 deve ser posicionada

para a direita do símbolo e para que ocorra um movimento descendente do cabo do

guincho auxiliar, a válvula 2 da alavanca de controle deve ser posicionada para a

direita. Esta segunda situação pode ser vista na Figura 60.

81

Figura 60: Circuito hidráulico – Simulação dos movimentos da lança e do guincho – situação 2

Fonte: Autores

7.6.2. Intertravamento Através Do Sistema Homem Morto

O modelo icônico já possuía intertravamento através do sistema homem

morto, na Figura 61, pode-se observar a principal válvula deste sistema.

82

Figura 61: Detalhe do circuito hidráulico com destaque para a válvula homem morto

Fonte: Autores

Na Figura 61, pode-se observar que a válvula direcional em destaque é do

tipo 4/2 vias, com função de 3/2 vias, normalmente fechada, de acionamento por

solenoide e retorno por mola, HY112, e é a principal válvula do sistema homem

morto, responsável por permitir a pressurização dos sistemas do guincho auxiliar e

da lança, quando na posição paralela, ou da esquerda do símbolo.

No modelo icônico o botão homem morto encontra-se sobre a alavanca de

controle, e ambos podem ser vistos na Figura 62.

83

Figura 62: Alavanca de controle com indicação do botão homem morto presentes no modelo icônico

Fonte: Autores

Na Figura 63, Figura 64 e Figura 65 pode-se observar o passo a passo da

operação quando o botão homem morto é acionado.

84

Figura 63: Circuito elétrico – acionamento do botão homem morto

Fonte: Autores

85

Figura 64: Diagrama do CLP – Acionamento do botão homem morto

Fonte: Autores

Figura 65: Circuito hidráulico - Acionamento do botão homem morto

Fonte: Autores

A partir do acionamento do botão homem morto, Figura 63, a entrada I0.0 do

CLP será energizada, acionando-se a saída O0.1, Figura 64, que acionará a

contatora K1, e a mesma energizará o solenoide HY112, Figura 63. A partir do

acionamento do solenoide HY112, a válvula será comutada da posição fechada,

para a posição aberta, Figura 65. O acionamento desta válvula permitirá o

86

fornecimento de fluido hidráulico para o sistema do guincho auxiliar e da lança.

Como exemplo, na Figura 66, após o acionamento do botão homem morto, a

alavanca de controle foi acionada, tanto para a movimentação do motor da lança

(movimento descendente da lança), quanto para a movimentação do motor do

guincho auxiliar (movimento ascendente do cabo do guincho auxiliar).

Figura 66: Circuito hidráulico - Acionamento da alavanca de controle

Fonte: Autores

7.6.3. Intertravamento Através Dos Sistemas De Controle Do Limite De

Içamento e De Elevação Da Lança

De acordo com a Tabela 4, tabela de carga do guindaste original, pode-se

observar que o mesmo opera com uma angulação mínima e máxima da lança de

17,55° e 83,17°, respectivamente, sendo estes os ângulos críticos de operação.

Reduzindo-se o ângulo da lança para valores abaixo do ângulo crítico mínimo de

87

operação até a horizontal, o alcance pode ser aumentado, mas o sistema de

segurança de carga não irá permitir a operação nesta área. Caso o ângulo da lança

atinja esses valores, o sistema de monitoração do guindaste não permitirá a

movimentação da lança, travando o movimento ascendente, caso o ângulo crítico

máximo seja atingido, ou descendente, caso o ângulo crítico mínimo seja alcançado.

O modelo icônico já possuía intertravamento dos sistemas de controle de

limite de içamento e de elevação da lança, também reproduzidos na Figura 55,

Figura 56 e Figura 57.

Analisando-se o circuito da Figura 56, caso um dos sensores de início ou fim

de curso da lança ou do guincho auxiliar seja ativado (ZS214, ZS215, ZS216,

ZS218, ZS219), um sinal de entrada será enviado para o CLP e, de acordo com a

Figura 55, o movimento da lança ou do guincho auxiliar será impossibilitado, através

da ativação das válvulas HY105 e HY101/102, respectivamente, que podem ser

visualizadas na Figura 55.

Na Figura 67, Figura 68 e Figura 69, pode-se acompanhar a sequência de

passos quando um dos sensores de limite da lança é acionado.

88

Figura 67: Circuito elétrico – Acionamento do sensor de limite superior da lança

Fonte: Autores

89

Figura 68: Diagrama do CLP – Acionamento do sensor de limite superior da lança

Fonte: Autores

Figura 69: Circuito hidráulico – Acionamento do sensor de limite superior da lança

Fonte: Autores

Na simulação, o sensor de limite superior da lança foi acionado, ZS216,

energizando a contatora C5, e fechando o contato referente à mesma, Figura 67,

energizando a entrada I0.2 do CLP. Esta entrada, então, energiza a bobina O0.2,

90

Figura 68, que, como consequência, atua acionando a contatora K4, que ativa o

solenoide HY105, Figura 67. Quando o solenoide HY105 é ativado, a válvula

direcional 4/2 vias, normalmente aberta, é comutada para a posição fechada, Figura

69, bloqueando o fluxo de fluido, interrompendo, assim, o movimento da lança, tanto

no sentido ascendente, quanto descendente.

Uma sequência semelhante ocorre quando um dos sensores de fim de curso

do cabo do guincho auxiliar é acionado, observando-se a Figura 70, Figura 71 e

Figura 72, pode-se visualizar o passo a passo da operação.

91

Figura 70: Circuito elétrico – Acionamento do sensor de fim de curso do cabo do guincho auxiliar

Fonte: Autores

92

Figura 71: Diagrama do CLP – Acionamento do sensor de fim de curso do cabo do guincho auxiliar

Fonte: Autores

Figura 72: Circuito hidráulico – Acionamento do sensor de fim de curso do cabo do guincho auxiliar

Fonte: Autores

Na simulação, o sensor de fim de curso do cabo do guincho auxiliar foi

acionado, ZS214, energizando a contatora C2, fechando o contato referente à

93

mesma, Figura 70, energizando a entrada I0.6 do CLP. Esta entrada, então,

energiza a bobina O0.3, Figura 71, que, como consequência, atua acionando a

contatora K2, que ativa o solenoide HY101/102, Figura 70. Quando o solenoide

HY101/102 é ativado, a válvula direcional 4/2 vias, normalmente aberta, do sistema

do guincho auxiliar é comutada para a posição fechada, Figura 72, interrompendo,

assim, o movimento do guincho do cabo auxiliar, tanto no sentido ascendente,

quanto descendente.

Como pode ser observado na Figura 73, por possuírem sistemas hidráulicos

independentes, o bloqueio do acionamento do motor do guincho auxiliar não impede

a movimentação da lança, e vice-versa.

Figura 73: Circuito Hidráulico – Acionamento do sensor de fim de curso do cabo do guincho auxiliar com movimentação simultânea do motor da lança

Fonte: Autores

94

Analisando-se o circuito da Figura 57, caso um dos sensores de início ou fim

de curso da lança ou do guincho auxiliar seja ativado (ZS214, ZS215, ZS216,

ZS218, ZS219), um sinal de entrada será enviado para o CLP e, de acordo com a

Figura 55, qualquer movimento da lança ou do guincho auxiliar será impossibilitado,

através da ativação das válvulas HY105 e HY101/102, respectivamente.

No sistema do guindaste real, quando o sensor de início de curso do cabo do

guincho auxiliar é acionado, por exemplo, a movimentação do cabo é permitida

apenas no sentido descendente, possibilitando a retirada do guindaste da situação

crítica, a partir do movimento ascendente do cabo do guincho. Com a movimentação

da lança, pode-se tomar como exemplo a ativação do sensor de limite superior da

mesma, quando este se encontra ativado, apenas o movimento descendente da

lança é permitido, para que ela possa ser tirada da situação crítica. Isto ocorre, pois,

no sistema do guindaste real, os solenoides HY105 e HY106 (solenoides

responsáveis pelo impedimento ou liberação da movimentação do motor da lança)

são duas válvulas distintas. Portanto, se a o movimento de descida da lança é

interrompido, o movimento de subida permanece liberado, e vice-versa. O mesmo

ocorre para o solenoide HY101/102 (solenoide responsável pelo impedimento da

movimentação do motor do guincho auxiliar). No modelo icônico, porém, os

solenoides HY105 e HY106 se encontram na mesma válvula e o solenoide

HY101/102 também está em uma única válvula. Com isso, após o acionamento de

um destes sensores (sensor limite da lança ou sensores de início e fim de curso do

cabo do guincho auxiliar), a movimentação da lança ou do guincho auxiliar do

modelo será impedida completamente. Para que se possa restaurar estes

movimentos no modelo icônico, de forma a tirá-lo de uma operação de risco, é

preciso “by-passar” os sensores através do botões de by-pass, que foram

incorporados ao sistema, S27 e S28, Figura 37 e Figura 42, para os movimentos do

guincho auxiliar e da lança e para o sensor de limite inferior máximo da lança,

respectivamente.

A seguir, observa-se a sequência de uma operação cujo objetivo é “by-

passar” o sensor de limite superior da lança do modelo, com o intuito de restaurar os

movimentos ascendente e descendente da mesma, Figura 74, Figura 75 e Figura

76.

95

Figura 74: Circuito elétrico – Acionamento do botão de by-pass para o sistema de movimentação da

lança

Fonte: Autores

96

Figura 75: Diagrama do CLP – Acionamento do botão de by-pass para o sistema de movimentação

da lança

Fonte: Autores

Figura 76: Circuito hidráulico – Acionamento do botão de by-pass para o sistema de movimentação

da lança

Fonte: Autores

97

Na Figura 67, Figura 68 e Figura 69, os movimentos da lança se encontram

totalmente interrompidos, pois o sensor de limite superior está ativado. A seguir, é

necessário acionar o botão de by-pass para o sistema de movimentação da lança do

modelo, S27, Figura 42. A partir do acionamento deste botão, a entrada I0.5 do CLP

será energizada, Figura 74. Observando-se a Figura 75, o contato referente ao

botão S27, entrada I0.5, que é normal fechado, ao ser energizado, se abre,

desenergizando a bobina O0.2, consequentemente, desativando o solenoide HY105.

Esta válvula, porém, por não possuir retorno por mola, necessita que o solenoide

HY106 seja ativado, o que acontece simultaneamente à desativação do solenoide

HY105, pois, ao se analisar a Figura 75, nota-se que o contato I0.5 na linha inferior

do diagrama será energizado. Como consequência disto, a energização da bobina

O0.4 ocorrerá. Em sequência, a energização do solenoide HY106 se dará, Figura

74, restaurando a movimentação do motor da lança, como pode ser visto na Figura

76. Nota-se que a desativação do solenoide HY105 e a ativação do solenoide

HY106 não garante a movimentação livre definitiva da lança, visto que esta é uma

situação temporária e ocorre enquanto o botão de by-pass é pressionado. A

movimentação livre definitiva da lança se dará somente quando o sensor limite não

estiver mais ativado.

Se um dos sensores de início ou fim de curso do guincho auxiliar do modelo

for ativado, o solenoide HY 101/102 será energizado, como observado na sequência

da Figura 70, Figura 71 e Figura 72, resultando na parada do movimento normal de

subida ou descida do cabo do guincho auxiliar. Para que estes movimentos possam

ser restaurados, uma sequência de operações semelhante à sequência de by-pass

dos sensores limite da lança deve ser realizada. Neste caso, o botão S27 é acionado

de forma a desenergizar o solenoide HY101/102. A sequência desta operação pode

ser observada nas figuras que seguem, Figura 77, Figura 78 e Figura 79.

98

Figura 77: Circuito elétrico – Acionamento do botão de by-pass para o sistema de movimentação do

guincho auxiliar

Fonte: Autores

99

Figura 78: Diagrama do CLP – Acionamento do botão de by-pass para o sistema de movimentação

do guincho auxiliar

Fonte: Autores

Figura 79: Circuito hidráulico – Acionamento do botão de by-pass para o sistema de movimentação

do guincho auxiliar

Fonte: Autores

100

A partir do acionamento do botão S27, Figura 77 a linha que antes ativava a

bobina O0.3 fica desenergizada, Figura 78. Isso se dá ao fato de que o contato I0.1

é normal fechado e, quando energizado, o mesmo se abre, impedindo a passagem

de tensão para a bobina. Com isso, O solenoide HY101/102 é imediatamente

desativado. Em sequência, a válvula cujo solenoide é HY101/102, volta à sua

posição normal, por ação de mola, restaurando a passagem de fluido para a

movimentação do motor do guincho auxiliar. Este último passo pode ser visto na

Figura 79. Nota-se que a desativação do solenoide HY101/102 a partir do botão de

by-pass é temporária e ocorre somente enquanto o botão é pressionado. A

desativação definitiva e consequente possibilidade de movimentação livre do

guincho auxiliar se dará quando o sensor de fim ou de início de curso não estiver

mais ativado.

É importante lembrar que no guindaste original as operações de by-pass não

se fazem necessárias para que o guindaste seja retirado da situação crítica. Uma

operação cujo intuito é “by-passar” algum sensor limite não é recomendada e deve

ser realizada somente em uma situação de emergência, ou em uma situação que

possa vir a comprometer a integridade física do guindaste ou a segurança do

pessoal presente na plataforma.

7.6.4. Intertravamento Através Do Sistema De Monitoração De Carga

Caso a carga içada pelo guindaste ultrapasse o valor admissível de acordo

com a Tabela 4, tabela de carga para o guindaste original, o sistema não irá permitir

o aumento do raio da carga, isto é, impedirá o movimento descendente da lança, ou

a diminuição do comprimento do cabo auxiliar. Portanto, se, durante uma operação,

a carga admissível pelo guindaste for ultrapassada, a mesma só poderá ser

movimentada para cima, a partir da mudança de angulação da lança, ou para baixo,

a partir do aumento do comprimento do cabo.

No modelo, para possibilitar esse intertravamento, foram feitas modificações

nos circuitos originais. Tais modificações podem ser observadas nos destaques da

Figura 80.

101

Figura 80: Representação do sistema hidráulico modificado do modelo

Fonte: Autores

A partir da Figura 80, nota-se que duas válvulas de retenção pilotada foram

adicionadas ao circuito, além de uma válvula direcional 3/2 vias, solenoide/mola,

normal aberta. O objetivo é impedir o fornecimento de fluido em um dos sentidos de

cada motor, quando as mesmas não estiverem pilotadas pelo solenoide HY103.

Analisando-se o diagrama da Figura 80, percebe-se que a válvula de retenção

pilotada 1, no seu estado normal (não pilotada), impede o fluxo do motor da lança,

no sentido de descida da lança. A válvula de retenção pilotada 2, no seu estado

normal (não pilotada), impede o fluxo do motor do guincho auxiliar no sentido de

subida do cabo do guincho auxiliar. As válvulas de retenção pilotada 1 e 2, e o

detalhe do solenoide HY103 da válvula direcional podem ser vistos na Figura 81,

Figura 82 e Figura 83, respectivamente.

102

Figura 81: Válvula de retenção pilotada 1

Fonte: Autores

Figura 82: Válvula de retenção pilotada 2

Fonte: Autores

103

Figura 83: Detalhe do solenoide HY 103 da válvula direcional

Fonte: Autores

O circuito elétrico do modelo também foi modificado, com o objetivo de

atender às especificações do sistema de monitoração de carga, tais modificações se

encontram em destaque na Figura 84.

104

Figura 84: Representação do sistema elétrico modificado do modelo

Fonte: Autores

105

Na Figura 84 (1), a chave “LabVIEW” representa o sinal proveniente do

sistema de monitoração de carga implementado no software LabVIEW. Esta chave

se encontrará fechada somente quando a carga admissível instantânea for

ultrapassada. Esta carga admissível varia de acordo com o tipo de operação

realizada, operação sobre a plataforma ou operação sobre a embarcação, a altura

da onda e o raio da carga. Os detalhes sobre este tipo de operação são tratados no

tópico 7.5 SISTEMA DE MONITORAÇÃO DE CARGA.

O destaque número 2 da Figura 84, mostra a contatora auxiliar utilizada para

a energização do solenoide HY103, Figura 84 (3), da válvula direcional supracitada,

Figura 80.

O diagrama do CLP também foi complementado e encontra-se na Figura 85.

106

Figura 85: Diagrama de intertravamento do CLP modificado

Fonte: Autores

Como os sistemas de controle do limite de içamento e de elevação da lança,

o sistema de monitoração de carga também permite que uma operação de by-pass

107

seja realizada. Porém, é importante destacar novamente que, por motivos de

segurança e integridade física dos componentes do guindaste, esse by-pass não é

recomendado. No modelo icônico, o botão utilizado para “by-passar” este sistema é

o botão S27, botão de by-pass para o sistema de içamento da lança e do guincho

auxiliar. Isto pode ser visto no diagrama modificado do CLP, Figura 85.

Em caso de sobrecarga, um sinal digital proveniente da placa do LabVIEW

será gerado pelo sistema de monitoração de carga e enviado para o CLP, realizando

o intertravamento do guindaste.

O sinal de saída da placa é de 5 Vcc. Para que possa ser enviado para o

CLP, o mesmo é amplificado para 24 Vcc a partir de um circuito eletrônico ilustrado

na Figura 86. O circuito implementado encontra-se na Figura 87.

Figura 86: Diagrama ilustrativo do circuito amplificador do sinal proveniente do sistema de

monitoração de carga

Fonte: Autores

108

Figura 87: Circuito amplificador do sinal proveniente do sistema de monitoração de carga

implementado

Fonte: Autores

7.6.4.1. Situação De Sobrecarga

Em uma situação de sobrecarga, a movimentação da lança e do cabo do

guincho auxiliar fica limitada. A sequência de passos em uma situação como esta se

encontra detalhada na Figura 88, Figura 89 e Figura 90.

109

Figura 88: Circuito elétrico – Situação de sobrecarga

Fonte: Autores

110

Figura 89: Diagrama do CLP – Situação de sobrecarga

Fonte: Autores

Figura 90: Circuito hidráulico - Situação de sobrecarga

Fonte: Autores

Em uma situação de sobrecarga, o sistema de monitoração de carga enviará

um sinal ao CLP por meio da placa, a chave “LABVIEW”, Figura 88, será

energizada. Esta chave, que corresponde à entrada I1.0 do CLP, irá ativar a bobina

O0.5, Figura 89. De volta à Figura 88, pode-se observar que o sinal de saída O0.5

proveniente do CLP irá energizar uma contatora auxiliar, K5, que enviará um sinal

para o solenoide HY103, da válvula direcional adicionada ao sistema, Figura 90.

Esta válvula irá comutar de forma a interromper a pilotagem das válvulas de

retenção 1 e 2, também adicionadas ao sistema. Com isso, será permitida a

movimentação do motor da lança e do guincho em apenas um sentido, com o

objetivo de limitar a movimentação do guindaste para que o mesmo seja retirado da

111

situação de perigo, apenas abaixando a carga, pela movimentação do guincho

auxiliar, e/ou diminuindo o raio da carga, pela movimentação da lança.

Na Figura 91 observa-se uma situação em que o operador tenta movimentar a

lança de forma descendente e o cabo do guincho auxiliar de forma ascendente, esta

operação, porém, está impedida. Em contrapartida, na situação da Figura 92 o

operador consegue realizar a movimentação da lança de forma ascendente e o cabo

do guincho auxiliar de forma descendente.

Figura 91: Circuito hidráulico – situação de sobrecarga – sentido de movimentação impedido

Fonte: Autores

112

Figura 92: Circuito hidráulico – situação de sobrecarga – sentido de movimentação permitido

Fonte: Autores

É possível observar na Figura 91, que a alavanca de controle está sendo

movimentada, porém os motores da lança e do guincho auxiliar permanecem

estáticos. Na Figura 92 ocorre uma situação semelhante, a alavanca de controle

também está sendo movimentada, porém os motores da lança e do guincho auxiliar,

nesta situação, estão em movimento. Isto se deve ao fato de o sistema de

monitoração de carga, quando acionado, tanto no guindaste original, quanto no

modelo icônico, permitir somente a movimentação da lança em um sentido,

ascendente, e a movimentação do guincho auxiliar no sentido descendente, de

forma a impedir que o raio da carga seja aumentado.

É importante destacar novamente que no guindaste original as operações de

by-pass não se fazem necessárias para que o guindaste seja retirado da situação

crítica. Uma operação cujo intuito é “by-passar” algum sensor limite não é

recomendada. Nos sistemas de controle do limite de içamento e de elevação da

lança do modelo icônico, o by-pass se faz necessário para que a movimentação

normal do motor da lança e do motor do guincho auxiliar possa ser reestabelecida,

pois em uma situação em que um dos sensores limite é acionado, ocorre a parada

113

total do movimento da lança ou do guincho auxiliar. No sistema de monitoração de

carga do modelo, a situação se assemelha ao guindaste original, o by-pass será

utilizado apenas em uma situação de emergência, pois os movimentos descendente

e ascendente da lança e do cabo, respectivamente, serão restaurados

automaticamente quando o guindaste sair da situação de sobrecarga.

Porém, caso o by-pass do sistema de monitoração de carga seja acionado, a

sequência operacional se encontra nas figuras que seguem, Figura 93, Figura 94 e

Figura 95.

114

Figura 93: Circuito elétrico – Acionamento do by-pass do sistema de monitoração de carga

Fonte: Autores

115

Figura 94: Diagrama do CLP – Acionamento do by-pass do sistema de monitoração de carga

Fonte: Autores

Figura 95: Circuito hidráulico – Acionamento do by-pass do sistema de monitoração de carga

Fonte: Autores

Observando a Figura 93, pode-se concluir que, uma vez acionado o botão de

by-pass do sistema de monitoração de carga, S27, qualquer movimento da lança ou

do guincho auxiliar será permitido, pois o mesmo irá desenergizar a saída O0.5,

Figura 94, correspondente ao solenoide HY103, Figura 93. Isto fará com que a

pilotagem das válvulas de retenção 1 e 2 seja reestabelecida, restaurando os

movimentos descendente e ascendente da lança e do cabo do guincho auxiliar,

respectivamente, Figura 95.

116

7.7. INTERFACE HOMEM-MÁQUINA (IHM)

O sistema de controle e monitoração do guindaste implementado no modelo

icônico pode ser acompanhado através de uma IHM, Figura 96, que compreende as

seguintes informações:

1. Carga segura de trabalho para içamento em plataforma (Safe Working Load,

SWL-PLF);

2. Carga segura de trabalho para içamento sobre embarcação (SWL-SHIP);

3. Porcentagem de carga segura de trabalho (escala analógica);

4. Carga no gancho em quilogramas;

5. Raio da carga em metros;

6. Ângulo da lança em graus;

7. Comprimento absoluto do cabo do guincho auxiliar;

8. Selecionador da altura de onda em metros;

9. Tipo de operação realizada.

Figura 96: IHM do sistema de controle e monitoração de carga

Fonte: Autores

117

A interface desenvolvida é semelhante à IHM apresentada no manual para

operadores (STALPRODUKTER, 1998). De forma comparativa, a interface original e

a interface desenvolvida podem ser observadas a seguir, na Figura 97 e Figura 98.

Figura 97: IHM do guindaste original

Fonte: (STALPRODUKTER, 1998)

Figura 98: IHM desenvolvida para o modelo icônico

Fonte: Autores

118

8. CONCLUSÃO

Foi implementado o sistema de controle e monitoração de carga no modelo

icônico do laboratório, constituído por uma IHM que permite o acompanhamento das

operações. Foram instalados no modelo sensores que possibilitaram a aquisição de

parâmetros utilizados como entrada desses sistemas, tais como ângulo da lança,

carga içada, raio da carga, comprimento do cabo do guincho auxiliar e altura da

onda. Após o processamento desses dados, como saída foram obtidos o tipo de

operação realizada, sobre a embarcação ou sobre a plataforma, e a carga

instantânea admissível pelo guindaste. Caso a carga içada ultrapassasse a carga

admissível, os movimentos de abaixamento da lança e elevação da carga através do

cabo do guincho auxiliar seriam bloqueados, impedindo que a carga crítica fosse

aumentada, diminuindo, assim, os riscos de sobrecarga e danos à estrutura do

guindaste.

Sendo este sistema de fundamental importância à utilização e operação dos

guindastes, a partir da criação do modelo icônico, pode-se concluir que o sistema de

controle e monitoração de carga é de fácil instalação e uso, podendo ser adaptado

aos guindastes originais das plataformas. Pode ser considerado como uma

alternativa para a substituição dos sistemas atuais e que se encontram obsoletos,

pois possui linguagem de alto nível e peças facilmente encontradas no mercado

nacional.

Com os resultados obtidos na realização deste trabalho, pode-se sugerir os

seguintes sistemas a serem estudados e implementados no modelo icônico:

Sistema de Alarmes;

Sistema de Giro;

Sistema de Emergência.

119

9. REFERÊNCIAS

GUIMARÃES, Carlos Alberto de Oliveira; DA SILVA, Eugenio Ferreira Naegele; CARDOSO, Leonardo das Dores. Guindaste STALPRODUKTER – Relatório Técnico. 171 p. dezembro 2013

LABVIEW: ambiente gráfico de desenvolvimento de sistemas. Disponível em: <http://www.ni.com/labview/pt/>. Acesso em: 22 outubro 2014.

LINSINGEN, Irlan Von. Fundamentos de Sistemas Hidráulicos. 2 ed. Florianópolis: Universidade Federal de Santa Catarina. 399 p. 2003.

MEDIÇÕES de carga: Guia prático. 22 ago 2013. Disponível em: http://www.ni.com/tutorial/7138/pt/. Acesso em: 22 outubro 2014.

POTENCIÔMETRO, 2005. Disponível em: http://www.if.ufrgs.br/mpef/mef004/20061/Cesar/SENSORES-Potenciometro.html. Acesso em: 22 setembro 2014.

RIBEIRO, Marcus Vinicius. Da Grécia Antiga à Era Tecnológica: conheça o primeiro guindaste da história. Disponível em <www.blogmovicargas.rdstation.com.br/da-grecia-antiga-a-era-tecnologica-conheca-o-primeiro-guindaste-da-historia/>. Acesso em: 10 agosto 2014.

STALPRODUKTER, A/S. Operators Instructions – Technical Description. Project Number P47C097002. 4 ed. 7v. v.1. 163 p. 12 setembro 1998.

TURCHETTI, Victor Adriano. Estudo de Encoders Ópticos Baseados no Efeito Moiré e Projeto de um Kit de Encoder Didático. Trabalho de Graduação. Faculdade de Engenaria Mecatrônica. São Paulo: UNICAMP. Novembro 2007.

http://www.ni.com/tutorial/7138/pt/

http://www.if.ufrgs.br/mpef/mef004/20061/Cesar/SENSORES-Potenciometro.html

http://www.blogmovicargas.rdstation.com.br/da-grecia-antiga-a-era-tecnologica-conheca-o-primeiro-guindaste-da-historia/

http://www.blogmovicargas.rdstation.com.br/da-grecia-antiga-a-era-tecnologica-conheca-o-primeiro-guindaste-da-historia/

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