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Tive o prazer de bater um papo com Gerson Felipe, técnico em eletrotécnica e informática e coordenador de engenharia elétrica, instrumentação e automação. Conversamos sobre a sua trajetória profissional e as suas experiências trabalhando no setor de manutenção industrial em diversos setores, mas especialmente em açúcar e etanol.
Gerson teve seu primeiro contato com eletrônica quando era adolescente, consertando eletrodomésticos como TVs, rádios e aparelhos DVD, na sua pequena cidade do interior do Pernambuco, no nordeste do Brasil. Ele ganhou experiência realizando reparos, como, por exemplo, reparando fontes de alimentação e placas de aparelhos eletrônicos diversos, entre outras atividades, e progressivamente montou a sua primeira bancada de reparos com os equipamentos necessários. Pouco tempo depois, ele teve sua primeira experiência profissional trabalhando como auxiliar de manutenção, e mais tarde foi promovido a eletricista, em uma empresa local de calçados de segurança e de equipamentos de proteção individual.
As máquinas dessa fábrica eram principalmente prensas de cortes de tecidos, injetoras de poliuretano, máquinas de costura e outras máquinas específicas para manufatura de calçados. O ponto comum entre elas era que necessitavam de frequentes manutenções corretivas de natureza eletrônica. Eram constantes as intervenções nos circuitos eletrônicos de controle de motores de corrente contínua (CC) para as máquinas de costura. As placas de controle com microcontroladores, as quais eram destinadas ao controle de máquinas específicas, como, por exemplo, as máquinas usadas no laboratório de couro, também precisavam de frequentes manutenções.
Durante os mais de cinco anos nessa empresa, Gerson aprendeu não somente conhecimentos técnicos, mas também de liderança de pessoas, quando se tornou supervisor da equipe de manutenção. Além disso, Gerson foi convidado para dar suporte a uma empresa que pertencia ao mesmo grupo em uma atividade completamente diferente: a produção de gesso. Nessa missão, seu foco principal era dar suporte em automação industrial. Dentre os projetos realizados, destaca-se um projeto de migração de um Controlador Lógico Programável (CLP) estrangeiro e obsoleto.
Esse projeto de automação teve que ser re-escrito no novo CLP nacional e uma das partes mais críticas foi programar e comissionar o controle de temperatura em malha fechada de um forno à lenha. Nesse caso, foi utilizado uma malha de controle do tipo Proporcional-Integral (PI), cujo ponto de ajuste de temperatura era definido conforme a receita, e a média da temperatura do forno era calculada com base nos valores dos sensores instalados em diferentes pontos do forno. A combustão era controlada por um exaustor que variava a sua velocidade segundo o sinal de saída do bloco PI, de modo a controlar a temperatura do sistema. Um dos maiores desafios foi afinar os parâmetros do bloco PI para identificar a dinâmica do processo considerando as suas grandes inércias térmicas.
Após essas experiências, Gerson encarou um novo desafio no setor de destilaria de etanol, trabalhando como instrumentista. No início, ele foi intimidado pela complexidade e dimensões das máquinas, tais como moendas e caldeiras, e pelo novo processo de fabricação com seu alto número de instrumentação. Os ambientes agressivos onde estão operando esses equipamentos contribuem para uma aceleração significativa da fadiga e usura dos mesmos. Falhas em virtude da oxidação, umidade e corrosão são muito comuns nessas aplicações. Por isso, a instrumentação requer um alto grau de proteção contra ingresso, como o IP69, além do material aço inoxidável e o uso obrigatório de prensa-cabos. Danos nos componentes dos quadros elétricos são comuns e afetam dispositivos como CLPs, cartões de entradas e saídas, inversores de frequência, bornes e terminais.
Fábricas desse tipo fazem paradas gerais de manutenção entre as safras, e até mesmo durante a safra, de modo a realizar manutenções corretivas e preventivas nas máquinas críticas. Em um evento durante o início de operação, após uma dessas paradas gerais, uma parte da linha de produção estava bloqueada devido a um motor em falha que não partia. Circuitos de acionamento eletrônico como esse são umas das especialidades do entrevistado. Após uma rápida análise do circuito de potência da soft-starter, responsável pelo acionamento desse motor, Gerson identificou, utilizando um multímetro, componentes em curto-circuito. Em seguida, ele realizou a troca do tiristor do módulo, resolvendo o problema emergencial.
É comum nas maiores fábricas de açúcar e etanol haver um robô de solda de chapisco para os rolos das moendas. Essa operação serve principalmente para reconstruir, de forma automatizada, as superfícies lisas entre os frisos da moenda com a rugosidade ideal para melhorar a eficiência de extração do caldo da cana. Nota-se que esta operação é efetuada durante a produção, ou seja, enquanto o rolo da moenda está em movimento e a cana está sendo moída. Esse tipo de robô requer uma manutenção regular, a qual, até por questões geográficas, é muito custosa. Por isso as empresas têm interesse em internalizar esse processo. Gerson, por suas habilidades em eletrônica e acionamentos, foi designado como a pessoa responsável por internalizar a manutenção desses robôs e se tornou um especialista no assunto.
Para dar uma ordem de grandeza, o rolo da moenda tem um diâmetro de aproximadamente um metro e funciona a uma velocidade de seis rotações por minuto. Ele é composto por uma série de frisos, espaçados de uma polegada e meia a duas polegadas e meia. Esse robô possui dois graus de liberdade. O primeiro é para o movimento de translação paralelo ao eixo de rotação do rolo da moenda, chamado de eixo “X”. O segundo é perpendicular a esse eixo, chamado de eixo “Y”, e é o eixo de penetração do arame de solda. Ambos movimentos são feitos por motores de passo com encoders incrementais. Quando os motores são devidamente referenciados, a precisão dos movimentos é de um centésimo de milímetro. A tocha do robô é o elemento mais crítico, sendo composta por duas pontas por onde saem os arames de solda MIG. Elas são conectadas eletricamente a uma ou duas máquinas de solda MIG de mil amperes.
Após quase dois anos e meio nessa posição, Gerson aceitou um novo desafio. Ele teve a oportunidade de trabalhar como técnico eletroeletrônico no comissionamento de uma nova fábrica de cimento, altamente automatizada e de grande porte. Nesse projeto, o entrevistado teve contato com uma nova marca de CLP e sistema supervisório. Além disso, ele conheceu um novo processo de fabricação composto, entre outras etapas, por trituradores de matéria-prima, fornos, moinhos e longos sistemas de transporte. Gerson ressalta que o trabalho durante o comissionamento é bem diferente do que manter uma fábrica funcionando durante a operação. São necessários realizar vários testes, como, por exemplo, estáticos, dinâmicos e de processo, alinhados com diferentes equipes, e requer constante adaptação e a capacidade de executar muitas tarefas contemporaneamente, às vezes enquanto os equipamentos estão sendo instalados.
Embora o ambiente seja menos agressivo para os componentes eletrônicos, comparado ao setor sucroalcooleiro, as fábricas de cimento tendem a acumular poeiras que irão entrar nos quadros elétricos. Essa poeira pode danificar os componentes eletrônicos e aumentar o risco de curtos circuitos. Por isso, são normalmente utilizados filtros nos quadros elétricos com ventilação forçada ou ar-condicionado. Além disso, atividades de manutenção e limpeza são realizadas regularmente. Depois de quase três anos nessa função e de ter acompanhado a rampa de produção, realizando plantão elétrico, Gerson aceitou uma oportunidade e decidiu voltar ao setor sucroalcooleiro.
Diante das inúmeras tarefas de gestão, trabalhando como coordenador de engenharia de uma equipe de quase vinte pessoas, Gerson encontrou um espaço para aplicar os conhecimentos técnicos obtidos conforme as prioridades do momento. Uma das primeiras atividades foi internalizar as atividades de reparo dos inversores de frequência da fábrica. Uma fábrica desse tipo pode ter mais de uma centena de inversores de frequência, os quais são primordiais para a produção. Gerson focou em criar bons métodos para diagnosticar falhas em circuitos danificados. É importante ter um cartão de controle de um inversor ou soft-starter reserva e em boas condições dedicado para a realização dos testes. Fazer testes com um módulo deteriorado, aumentará os riscos de danificar o circuito de potência ou fonte do dispositivo em reparação, em virtude de eventuais curto-circuitos no link CC do inversor ao ocorrer os disparos dos módulos Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBT).
Para evitar esse inconveniente, além de comprar cartões novos dedicados aos testes, Gerson desenvolveu métodos e testes preliminares, usando multímetro e a giga de testes, para identificar defeitos nos sinais de disparo, frequência de chaveamento, tensão de controle e outros sinais importantes. Uma diagnóstica assertiva facilita o processo de reparação e substituição dos circuitos danificados. Essas práticas e procedimentos estandardizados, permitem melhorar a confiabilidade e a segurança do equipamento e dos técnicos responsáveis pelo reparo.
Além disso, existem outros benefícios que a internalização trouxe: as paradas da produção por causa desses dispositivos diminuíram, o número de equipamentos alugados diminuiu e a capacitação e motivação da equipe aumentou significativamente. Gerson explicou que durante o reparo ou manutenção preventiva de um inversor, são normalmente trocadas as pastas térmicas e aplicado um verniz de proteção contra umidade. Também é feita a limpeza das placas eletrônicas e a substituição dos componentes danificados, como capacitores, diodos, amplificadores operacionais, e driver gate IGBT. Gerson desenvolveu uma giga de testes capaz de gerar sinais similares aos do cartão de controle do inversor e de ler os sinais do mesmo, podendo simular condições de testes com tensões seguras inferiores as de operação. Dessa forma é possível testar seguramente os módulos IGBTs, cartões de controle, disparo e fontes. Após a manutenção ou reparo, testes dinâmicos com carga são realizados. Para isso, os ventiladores do inversor são desligados, para provocar um aquecimento intencional, e são feitos testes de tensão no circuito intermediário (link CC). A corrente e frequência de chaveamento das saídas são muito importantes para uma boa confiabilidade no equipamento reparado. Elas dependem de cada motor, porém são da ordem de poucos kHz. Elas são verificadas com o uso de um osciloscópio.
As otimizações dos parâmetros do inversor são igualmente importantes. Parâmetros como as rampas de aceleração e desaceleração devem ser verificados, pois alguns dos inversores fazem frenagem regenerativa, ou seja, eles irão injetar energia de volta na rede elétrica durante a frenagem e desaceleração. Além disso, os limites de corrente do inversor devem ser ajustados conforme o fator de serviço do motor, como, por exemplo, cento e quinze por cento do valor da corrente nominal do motor. O valor da frequência de chaveamento deve ser devidamente inserido conforme a ficha técnica do motor obtida e seguindo as recomendações do fabricante. Essas são algumas das maneiras de prevenir que o motor opere em sobre-corrente e se usure prematuramente. É fundamental realizar corretamente o procedimento de reconhecimento, chamado adaptação automática do motor, que ajusta os parâmetros do motor, visando otimizar a configuração considerando os efeitos da instalação. O modo de controle utilizado deve também ser verificado e é normalmente escolhido o modo de controle vetorial para aplicações com dosadores, bombas dosadoras ou esteiras, as quais requerem maior precisão. O modo U/f é normalmente usado para aplicações de exaustores e ventiladores.
Além de eletrônica, Gerson também tem interesse pela Tecnologia da Informação (TI), e, em particular, pela interseção entre TI e a Tecnologia de Operação (TO). Um exemplo de aplicação que ele participou foi um projeto de implementação de uma rede industrial com base RS485. Nesse caso, foram implementados os protocolos de comunicação Modbus RTU e Profibus DP para efetuar a comunicação entre os CLPs e os inversores de frequência. Desse modo, foi possível substituir a troca de dados das entradas e saídas analógicas, como, por exemplo, os valores da corrente e velocidade atuais e o ponto de ajuste da velocidade. Anteriormente conectados por cabos elétricos, os sinais 4-20mA foram trocados por simples cabos de rede.
Outro exemplo de projeto na área de TI e TO que Gerson realizou, foi a melhoria da infra-estrutura da rede de automação de toda a usina, a qual é composta por um servidor do sistema supervisório, com sete estações client, comunicando com dez CLPs em Ethernet. O protocolo utilizado foi o Modbus TCP/IP para quase todos os CLPs, e o protocolo OPC DA para um CLP. Foi implementada a topologia de rede em anel, com cabos de fibra ótica, de modo a aumentar a redundância do sistema, e utilizados switches gerenciáveis que permitem várias configurações de serviços, tais como o DHCP, para a atribuição automática de endereços IP, e o VPN, para acessos remotos de forma segura.
Outros projetos de desenvolvimento de software que Gerson conduziu, foram projetos de visualização de dados de uma planta industrial. Dados críticos de processo são coletados a partir de sensores e enviados ao sistema supervisório, o qual faz a publicação dos mesmos em uma nuvem por meio do protocolo MQTT. Por meio de um aplicativo de celular Android, desenvolvido pelo entrevistado, os usuários podem ler em tempo real esses dados usando dispositivos móveis, como tablets ou celulares.
Esses três projetos de TI e TO, são exemplos de conceitos da Indústria 4.0 (I4.0) aplicados na prática. Eles mostram como é possível agregar valor e trazer mais informações e serviços, de modo robusto e seguro, para auxiliar as equipes nas tomadas de decisões.
Uma planta sucroalcooleira possui diversas malhas de controle em funcionamento. Essas malhas de controle são críticas para o processo de fabricação e devem ser robustas para responder corretamente às mudanças dos pontos de ajustes, bem como resilientes a perturbações. Em alguns casos, as malhas de controle podem interagir entre elas e a grande dificuldade é comissionar a usina completa de modo a otimizar esses comportamentos. Em destilaria de etanol, por exemplo, Gerson acompanhou um projeto de otimização do controle do nível de vinho em uma coluna de destilação. A temperatura é bem crítica para uma destilação eficiente e o nível de vinho influencia diretamente na mesma. O nível é medido por sensores de pressão que determinam a altura da coluna de vinho, na unidade metro de coluna d’água (mca). Duas malhas de controle independentes, do tipo Proporcional-Integral (PI), controlam válvulas borboleta com vedação metálica a montante e a jusante da coluna de destilação. Desse modo, é possível controlar o nível através da quantidade de vinho entrando na coluna e da velocidade de evaporação saindo da coluna.
Ao sintonizar um controle desses, Gerson notou serem necessários muitos cálculos para determinar a dinâmica do processo, de modo a configurar corretamente os parâmetros dos blocos PID, além de tempo de operação e comissionamento, podendo chegar a meses de acompanhamento e ajustes constantes. Uma das maiores dificuldades, nesse caso, foi considerar as influências da temperatura e da pressão durante o processo de destilação, pois variações nelas irão disturbar o controle do nível de destilação. Normalmente um aumento na temperatura ou diminuição na pressão fazem o nível aumentar e uma diminuição na temperatura ou aumento na pressão fazem o nível abaixar. Por isso, a temperatura e a pressão são criticas e devem ser estáveis e bem monitoradas.
Nossa conversa se conclui abordando um dos últimos e mais recentes projetos do Gerson: o retrofit do robô de chapisco. Durante esse projeto, Gerson trabalhou em diversos pontos de melhoria no robô de chapisco de sua moenda. Esse projeto o levou a migrar o controlador do robô para um microcontrolador ESP32, programado na linguagem C++ e instalado em uma placa de circuito impresso projetada por ele mesmo. Além disso, Gerson adicionou um cartão Wi-Fi, para comunicação sem fio por meio dos protocolos HTTP e Web sockets, uma memória EEPROM, que armazena o programa e as configurações do microcontrolador, entre outros elementos. Gerson desenvolveu um aplicativo Android que serve como uma Interface-Homem-Máquina (IHM) para enviar comandos e visualizar estados e valores do sistema.
O sistema consiste em posicionar o robô com um joystick por meio da IHM, e gravar as posições desejadas. Nota-se que esse trabalho é feito por um soldador que se tornou operador do robô. Em seguida, a operação é iniciada de forma simples e com poucos cliques: os movimentos dos motores iniciam, bem como a aplicação da solda no momento correto. O robô está em operação há mais de dois anos. Diversas otimizações foram implementadas ao longo do tempo, em virtude das demandas e ocorrências de manutenção. Gerson ressalta que esse projeto aumentou a segurança do operador, trouxe ganhos financeiros para a empresa, e que muitas vezes sistemas semelhantes são desativados em outras fábricas, por requererem mão de obra especializada de alto custo, especialmente quando são necessárias intervenções externas.
Vale a pena conferir o canal YouTube onde Gerson compartilha vídeos de projetos e inovações sobre eletrônica de potência, robótica, Android, entre outros tópicos. Gerson também comercializa o exemplo mostrado do aplicativo Android móvel para visualização de dados para outras indústrias. Caso queira ver em funcionamento uma demonstração, basta entrar em contato diretamente com ele.
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I had the pleasure of chatting with Gerson Felipe, an electrical and computer technician and coordinator of electrical engineering, instrumentation, and automation. We talked about his professional trajectory and his experiences working in industrial maintenance in several sectors, but especially in sugar and ethanol.
Gerson had his first contact with electronics when he was a teenager, repairing household appliances such as TVs, radios, and DVD players, in his small town in the interior of Pernambuco, in northeastern Brazil. He gained experience performing repairs, such as repairing power supplies and boards of various electronic appliances, among other activities, and progressively set up his first repair bench with the necessary equipment. Shortly after this he had his first professional experience working as a maintenance assistant, and was later promoted to electrician, at a local safety footwear and personal protective equipment company.
The machines in this factory were mainly fabric cutting presses, polyurethane injection molding machines, sewing machines, and other machines specific to footwear manufacturing. The common point among them was that they demand frequent corrective maintenance of an electronic nature. There were constant interventions in the electronic control circuits of the DC motors for the sewing machines. The control boards with microcontrollers, which were in charge of the control of specific machines such as the machines used in the leather laboratory, also demanded frequent maintenance.
During more than five years in this company, Gerson learned not only technical skills, but also people leadership, when he became supervisor of the maintenance team. In addition, Gerson was invited to support a company that belonged to the same group in a completely different activity: the production of gypsum. In this mission, his main focus was to give support in industrial automation. Among the projects carried out, a migration project of a foreign and obsolete Programmable Logic Controller (PLC) stands out.
This automation project had to be rewritten in the new Brazilian PLC, and one of the most critical parts was to program and commission the closed loop temperature control of a wood oven. In this case a Proportional-Integral (PI) control loop was used, whose temperature set-point was set according to the recipe, and the oven temperature was averaged based on the values of sensors installed in different points of the oven. The combustion was controlled by an exhaust fan that varied its speed according to the PI block output signal, in order to control the system temperature. One of the biggest challenges was to tune the PI block parameters to identify the process dynamics considering its large thermal inertia.
After these experiences, Gerson took on a new challenge in the ethanol distillery industry, working as an instrumentation technician. At first, he was intimidated by the complexity and dimensions of the machines, such as mills and boilers, and by the new manufacturing process with its high number of instrumentation devices. The harsh environments in which these equipments operate contribute to a significant acceleration of their fatigue and wear. Failures due to oxidation, humidity, and corrosion are very common in these applications. Therefore, the instrumentation requires a high degree of ingress protection, such as IP69, as well as stainless steel material and the mandatory use of cable glands. Damage to components in electrical panels is common and affects devices such as PLCs, input and output cards, variable frequency drives, terminal blocks, and terminals.
Such plants make general maintenance shutdowns between harvests, and even during the harvest, in order to perform corrective and preventive maintenance on critical machinery. In one event during start-up, after one of these shutdowns, a part of the production line was blocked due to a failed motor that would not start. Electronic drive circuits like this are one of the interviewee's specialties. After a quick analysis of the soft-starter power circuit, responsible for driving this motor, Gerson identified, using a multimeter, shorted circuited components. He then replaced the thyristor in the module, solving the urgent problem.
It is common in the largest sugar and ethanol factories to have a roughcast-welding robot for the mill rolls. This operation mainly serves to reconstruct, in an automated way, the smooth surfaces between the mill rollers with the ideal roughness to improve the efficiency of the sugarcane juice extraction. Note that this operation is carried out during production, i.e., while the mill roller is in motion and the cane is being crushed. This type of robot requires regular maintenance, which, even for geographical reasons, is very costly. This is why companies are interested in internalizing this process. Gerson, because of his skills in electronics and drives, was designated as the person responsible internalizing the maintenance of these robots and has become a subject-matter expert in this field.
To give an order of magnitude, the mill roller has a diameter of approximately one meter and runs at a speed of six revolutions per minute. It consists of a series of friezes, spaced from one and a half to two and a half inches apart. This robot has two degrees of freedom. The first is for translation movement parallel to the mill roll's rotation axis, called the “X” axis. The second is perpendicular to this axis, called the “Y” axis, which is the welding wire penetration axis. Both movements are done by stepper motors with incremental encoders. When the motors are properly referenced, the accuracy of the movements is one hundredth of a millimeter. The robot torch is the most critical element, and consists of two tips from which the MIG welding wires come out. These are electrically connected to one or two, a thousand amp, MIG welding machines.
After almost two and a half years in this position, Gerson accepted a new challenge. He had the opportunity to work as an electrical and electronics technician in the commissioning of a large and highly automated new cement plant. In this project, the interviewee had contact with a new brand of PLC and SCADA system. In addition, he got to know a new manufacturing process composed, among other steps, by raw material crushers, kilns, mills, and long transportation systems. Gerson points out that the work during commissioning is quite different from keeping a plant running during operation. Several tests must be carried out, such as static, dynamic, and process tests, aligned with different teams, and the job requires constant adaptation and the ability to perform many tasks simultaneously, sometimes while the equipments are being installed.
Although the environment is less aggressive for electronic components compared to the sugar and ethanol sector, cement factories tend to accumulate dust that will enter the electrical cabinets. This dust can damage the electronic components and increase the risk of short circuits. For this reason, filters are normally used in electrical cabinets with forced ventilation or air conditioning. In addition, maintenance and cleaning activities are carried out regularly. After almost three years in this position and having followed the production ramp-up, performing on-call electrical support, Gerson accepted an opportunity and decided to return to the sugar-ethanol sector.
Faced with numerous management tasks, working as engineering coordinator of a team of almost twenty people, Gerson found a space to apply the technical knowledge obtained according to the priorities of the moment. One of the first activities was to internalize the repair activities of the plant's variable frequency drives. Such a plant can have more than a hundred of these devices, which are critical to production. Gerson focused on creating good methods for diagnosing faults in damaged circuits. It is important to have a dedicated spare drive or soft-starter control card for testing. Performing tests with a deteriorated module will increase the risk of damaging the power circuit or supply of the device under repair, due to possible short circuits on the DC link when switching on the IGBT modules.
To avoid this inconvenience, in addition to using new controllers dedicated to testing, Gerson has developed preliminary test methods using a multimeter and test jig to identify defects in the firing signals, switching frequency, control voltage, and other critical signals. Assertive diagnosis facilitates the process of repairing and replacing damaged circuits. These standardized practices and procedures improve the reliability and safety of both the equipment and the repair technicians.
In addition, there are other benefits that the internalization has brought: production stoppages due to these devices have decreased, the number of rented equipment has decreased, and staff training and motivation have increased significantly. Gerson explained that during the repair or preventive maintenance of an inverter, the thermal pastes are usually changed, and a protective varnish is applied against humidity. The electronic boards are also cleaned and damaged components are replaced, such as capacitors, diodes, operational amplifiers, and driver gate Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBT). Gerson developed a test jig that is capable of generating signals similar to those of the inverter control card and reading its signals. This enables the possibility to simulate conditions with safe voltages, lower than the operating voltages, and thus being able to test the IGBTs modules, control cards, trip and power supplies. After maintenance or repair, dynamic tests with load are performed. To do this, the inverter fans are switched off, to cause an intentional warm-up, and voltage tests on the intermediate circuit (DC link) are performed. The current and switching frequency of the outputs are very important for good reliability in the repaired equipment. They depend on each motor, but are on the order of a few kHz. They are checked using an oscilloscope.
Optimizations of the variable frequency drive parameters are equally important. Parameters such as the acceleration and deceleration ramps should be checked, as some drives do regenerative braking, i.e., they will inject power back into the grid during braking and deceleration. In addition, the inverter current limits should be set according to the motor's service factor, such as one hundred and fifteen percent of the motor's rated current value. The switching frequency should be properly entered according to the motor's data sheet and following the manufacturer's recommendations. These are some ways to prevent the motor from over-current operation and premature wear. It is essential to carry out a tuning procedure, named automatic motor adaptation, that enables the drive to adjust the motor parameters in order to optimize the configuration, considering the effects of the installation. The control mode used should also be checked, and vector control mode is usually chosen for applications with dosing, dosing pumps, or conveyors, which require higher accuracy. U/f mode is normally used for applications with exhaust fans and ventilators.
In addition to electronics, Gerson also has an interest in Information Technology (IT), and in particular the intersection between IT and Operation Technology (OT). One example of an application he participated in was a project to implement an RS485-based industrial network. In this case, the communication protocols Modbus RTU and Profibus DP were implemented for the communication between the PLCs and the variable frequency drives. In this way, it was possible to replace the analog input and output data, such as the instantaneous motor current and speed values, as well as the motor speed set-point. Previously connected by electrical cables, the 4-20mA signals were replaced by simpler network cables.
Another example of a project in the IT and OT area that Gerson did, was the improvement of the automation network infrastructure of the entire plant. This architecture, is made of an SCADA server, with seven client stations, communicating with ten PLCs over Ethernet. The protocol used was Modbus TCP/IP for almost all the PLCs, and the OPC DA protocol for one PLC. A ring network topology was implemented, with fiber optic cables, in order to increase the redundancy of the system, and installed manageable switches that allow various configurations of services, such as DHCP, for the automatic assignment of IP addresses, and VPN, for secure remote access.
Other software development projects that Gerson carried out were data visualization projects for an industrial plant. Critical process data are collected from sensors and sent to the SCADA system, which publishes it in a cloud through the MQTT protocol. Through an Android mobile application, developed by the interviewee, users can read this data in real time using mobile devices such as tablets or cell phones.
These three IT and OT projects are examples of Industry 4.0 (I4.0) concepts applied in practice. They show how it is possible to add value and bring more information and services, in a robust and secure way, to assist teams in decision-making.
A sugar and ethanol plant has several control loops in operation. These control loops are critical to the manufacturing process and must be robust to respond correctly to changes in set points, as well as resilient to disturbances. In some cases, control loops can interact with each other, and the great difficulty is to commission the complete plant in a way that optimizes these behaviors. In an ethanol distillery, for example, Gerson followed a project to optimize the control of the wine level in a distillation column. The temperature is very critical for an efficient distillation, and the wine level directly influences it. The level is measured by pressure sensors that determine the height of the wine column, in the unit water column meter (mH2O). Two independent Proportional-Integral (PI) control loops control metal-sealed butterfly valves upstream and downstream of the distillation column. In this way, it is possible to control the level by the amount of wine entering the column and the rate of evaporation leaving the column.
When tuning such a control, Gerson noticed that many calculations are needed to determine the dynamics of the process, in order to correctly configure the parameters of the PID blocks, as well as operation and commissioning time, which can reach months of constant monitoring and adjustments. One of the greatest difficulties in this case was to consider the influences of temperature and pressure during the distillation process, as variations in these will disturb the control of the distillation level. Normally, an increase in temperature or decrease in pressure will raise the level, and a decrease in temperature or increase in pressure will lower the level. Therefore, temperature and pressure are critical and must be stable and well monitored.
Our conversation concludes with one of Gerson's latest and most recent projects: the retrofit of the roughcast-welding robot. During this project, Gerson worked on several improvements to his mill's robot. This project led him to migrate the robot controller to an ESP32 microcontroller, programmed in C++ language and installed on a PCB designed by himself. In addition, Gerson added a Wi-Fi card for wireless communication via HTTP and Web sockets, an EEPROM memory that stores the microcontroller's program and settings, among other elements. Gerson developed an Android application that serves as a Human-Machine Interface (HMI) for sending commands and viewing system states and values.
The system consists of positioning the robot with a joystick via the HMI, and recording the desired positions. Note that this work is done by a welder who became a robot operator. Then the operation is started simply and with a few clicks: the movements of the motors start, as well as the application of the weld at the correct moment. The robot has been in operation for more than two years. Several optimizations have been implemented over time, due to maintenance demands and events. Gerson points out that this project has increased operator safety, brought financial gains for the company, and that similar systems are often deactivated in other plants because they require specialized and costly labor, especially when external interventions are required.
It is worth checking out this YouTube channel where Gerson shares videos of projects and innovations on power electronics, robotics, Android, among others topics. Gerson also markets the shown example of the mobile Android application for data visualization to other industries, if you want to see a working demo, feel free to contact him directly.
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