Ficha 01 · Componentes e projecto

Componentes Principais do Quadro:

Alimentação e protecção: - 1× Disjuntor geral 25A tripolar curva D (Schneider iC60H D25). - 1× DR geral 300mA tipo B (devido ao VFD) (Schneider iID 300mA B). - 1× Disjuntor 16A curva D (motor com VFD) (iC60N D16). - 1× Disjuntor 16A curva C (aquecedor). - 1× Disjuntor 10A curva C (comando + sensores). - 1× Disjuntor 6A curva C (PLC + HMI).

Comando: - 1× PLC Siemens S7-1212C DC/DC/DC. - 1× HMI Siemens KTP700 Basic PN. - 1× Fonte 24V CC 3A (Phoenix Contact).

Potência: - 1× VFD Schneider Altivar ATV320U75N4 (7,5 kW). - 1× Contactor LC1D09 (aquecedor 3 kW). - 1× Relé térmico LRD08 (protecção do aquecedor). - 5× Electroválvulas Festo (não no quadro mas comandadas pelo PLC).

Sinalização: - 3× Lâmpadas piloto (verde, amarelo, vermelho) 24V CC. - 1× Botão emergência cogumelo vermelho NC (Schneider XB7-ES). - 1× Botão START verde NO. - 1× Botão STOP vermelho NC.

Comunicação: - 1× Switch industrial 4 portas Profinet (Scalance XB004-1). - Cabos Ethernet Cat6 blindados.

Segurança: - 1× Relé de segurança Pilz PNOZ X3 (categoria 4, PLe).

Réguas de bornes: - Régua bornes potência (Phoenix Contact Push-In). - Régua bornes comando (Wago). - Bornes PE (verde-amarelo). - Bornes N (azul).

Caixa: - 1× Caixa Rittal AE 600×800×250 mm, IP66. - Trilhos DIN. - Calhas internas (canaletas). - Placa de montagem.

Acessórios: - Etiquetas identificação. - Cabos H07V-K várias secções. - Cabos blindados VFD → motor. - Filtros EMC se aplicável.

Custo estimado: - Componentes eléctricos: 1500 €. - PLC + HMI: 700 €. - VFD: 700 €. - Caixa Rittal + acessórios: 400 €. - Mão-de-obra (40h × 50 €): 2000 €. - Total: ~5500-6500 €.

a) Perdas totais:

10 + 250 + 20 + 30 + 10 = 320 W.

b) Análise:

Caixa dissipa 100 W naturalmente. Perdas geradas: 320 W. Excesso: 220 W → quadro vai aquecer muito acima do ambiente.

Estimativa de temperatura interna: - Se ambiente 30 °C → interior pode chegar a 60-70 °C. - Componentes começam a sofrer (limites típicos 50-55 °C).

c) Soluções:

Opção A — Ventilação forçada: - Ventilador + filtro no quadro. - Activado por termostato a 35 °C interior. - Adiciona ~150-200W de capacidade de dissipação. - Custo: ~80-150 € (ventilador + filtro). - Manutenção: substituir filtro periodicamente (não entupir).

Opção B — Aumentar tamanho da caixa: - 800×1000×300 mm dissipa ~150-200 W naturalmente. - Mas perdas continuam altas. - Solução parcial.

Opção C — Climatizador (cooler): - Para ambientes muito quentes ou exterior. - Custo: 800-3000 €. - Mantém temperatura controlada (~25 °C). - Para ambientes críticos.

Opção D — Reduzir perdas: - VFD mais eficiente (ABB, Siemens premium): ~150 W de perdas em vez de 250. - Fonte com maior eficiência. - Difícil reduzir > 30%.

Recomendação prática: - Opção A (ventilação forçada) é mais económica e eficaz. - Quadro Rittal AE 600×800×250 + ventilador 150 m³/h + filtro. - Custo adicional: ~100 €. - Temperatura interior estabiliza em ~40 °C (suportável).

Cálculo final: - Capacidade total dissipação: 100 (natural) + 150 (ventilação) = 250 W. - Perdas: 320 W → ainda excesso ~70 W.

Solução adicional: VFD montado fora do quadro ou em dissipador externo (cooling fin para fora). Reduz perdas internas significativamente.

Outras práticas: - Componentes com mais perdas (VFD) na parte inferior (calor sobe). - Ventilador na parte superior insufla ar fresco. - Saída de ar quente em cima.

Esquema Unifilar — Quadro de Máquina:

Rede 3F 400V/N/PE
       │
       │ Cabo 6mm² + PE
       │
   [Disjuntor geral QF1: iC60H D25 3P]
   (calibre 25A, Icc 10kA, bloqueável)
       │
       ├── Borne PE ──→ Régua PE (verde-amarelo)
       │
       ├── Borne N ──→ Régua N (azul)
       │
       │ Fases L1, L2, L3
       │
   [DR geral RC1: iID 300mA tipo B]
   (protege contra fugas, tipo B para VFD)
       │
       ├──── (3 linhas + N + PE)
       │
       ▼
   ┌──────────────────────────────────────┐
   │ Distribuição Secundária              │
   │                                      │
   │  [QF2 16A D]   [QF3 16A C]   [QF4 10A C]  [QF5 6A C] │
   │   Motor 7.5kW   Aquecedor    Comando 24V   PLC/HMI 24V│
   │                  3kW          + sensores               │
   │     │              │              │            │     │
   │     ▼              ▼              ▼            ▼     │
   │   [VFD]         [Cont.]      [Fonte 24V    [Cabo Cat6]│
   │   ATV320        LC1D09       3A Phoenix    ── PLC     │
   │   7.5kW          │            │            ── HMI     │
   │     │            │            ▼                       │
   │     ▼            ▼          [Bornes 24V]              │
   │   Motor       Aquecedor      │                        │
   │   3F+PE        3kW           ├── Sensores            │
   │                              ├── Electroválvulas      │
   │                              └── Sinalização          │
   │                                                       │
   └──────────────────────────────────────────────────────┘

Cabos:
- L1: castanho
- L2: preto
- L3: cinzento
- N: azul-claro
- PE: verde-amarelo
- 24V CC +: vermelho
- 24V CC -: azul-escuro

Comunicação:
PLC ↔ HMI: Profinet (cabo Ethernet directo ou via switch)
PLC ↔ VFD: Profinet (parametrização e diagnóstico)

Segurança:
Botão emergência → Relé de segurança Pilz PNOZ → corta enable do VFD
                                                  → corta enable do Cont.

Notas técnicas:

1. Disjuntor geral com bloqueio para LOTO.
2. DR tipo B porque há VFD (CC e harmónicas).
3. Curva D para circuito do motor (mesmo com VFD, há pico de inrush no rectificador).
4. Cabo VFD → motor blindado para EMC.
5. PLC + HMI num circuito separado do comando para isolamento.
6. Fonte 24V CC comum para sensores + electroválvulas + PLC.
7. Botão emergência físico independente do PLC (Cat. 4 PLe).

Numa folha A3 ou A4, com símbolos IEC, este esquema seria desenhado em EPLAN ou AutoCAD Electrical com mais detalhes: - Numeração de cada componente. - Referências comerciais. - Indicação de página onde o circuito continua. - Tabela de contactos auxiliares. - Lista de potências.

Pontos Críticos da EN 60204-1 para Quadro de Máquina:

1. Seccionador / Disjuntor principal: - Posição OFF visível (verificável de fora). - Indicação de estado (LED ou bandeira). - Bloqueável com cadeado para LOTO. - Acessível sem ferramenta especial. - Identificação clara.

2. Botão de emergência: - Vermelho cogumelo em fundo amarelo. - Múltiplos em zonas grandes (cada 6m). - Categoria 0 ou 1 conforme aplicação: - Cat. 0: corte imediato de energia (mais seguro). - Cat. 1: paragem controlada + corte. - Reset manual obrigatório (não auto-reset).

3. Tensões: - Comando preferencialmente 24V CC (SELV). - Identificação clara das tensões em bornes.

4. Aterramento: - Cabo PE robusto (mínimo igual à secção das fases). - Continuidade ≤ 0,1 Ω para qualquer parte metálica acessível. - Símbolo de terra ⏚ em todos os pontos.

5. Identificação: - Cada componente etiquetado (texto + ref do esquema). - Cada cabo identificado (etiqueta de identificação ou cor). - Bornes numerados.

6. Esquemas dentro do quadro: - Esquema unifilar plastificado dentro. - Lista de componentes. - Lista de I/Os se PLC. - Contactos de emergência se aplicável.

7. Protecções: - Disjuntores para cada circuito. - DR para protecção pessoal. - Relés térmicos em motores. - Sobretensão se necessário.

8. Cores e identificação:

Cores RTIEBT + EN 60204-1: - Fases: castanho/preto/cinzento. - Neutro: azul-claro. - PE: verde-amarelo. - Comando CA: vermelho. - Comando CC +: vermelho. - Comando CC -: azul-escuro. - Circuitos de emergência laranja (não cortados pelo seccionador principal).

9. Sinalização: - Lâmpadas piloto com cores standard (verde, amarelo, vermelho, azul). - Botões identificados com função.

10. Cablagem interna: - Calhas separadas para potência e comando. - Curvas com raio mínimo respeitado. - Fixação segura. - Sem tensão exposta acessível.

11. Protecção contra contacto directo: - Tampas em zonas com tensão. - IP adequado (mínimo IP2X para acesso normal).

12. Documentação obrigatória: - Esquemas completos. - Manual da máquina em português. - Declaração CE assinada.

13. Categoria de paragem: - Definida por análise de risco. - Documentada. - Funcional (testes confirmam).

14. Robustez mecânica do quadro: - Porta robusta com fechadura. - Caixa sem deformações. - IP adequado ao ambiente.

15. Refrigeração: - Cálculo térmico documentado. - Ventilação adequada. - Componentes operam dentro dos limites térmicos.

Inspecção / Ensaios EN 60204-1: - Continuidade do PE. - Resistência de isolamento (megger 500V). - Tensão suportada (dieléctrico em fábrica). - Testes funcionais. - Testes de segurança (emergência, interbloqueios).

Marcação do quadro: - Placa com: - Identificação do fabricante. - Modelo. - Número de série. - Tensão, corrente, Icc. - Ano de fabrico. - Marcação CE. - Norma aplicada (EN 60204-1).

Conformidade: integrador (fabricante da máquina) é responsável por garantir e documentar.

Layout Interno do Quadro — Vista Frontal

┌─────────────────────────────────────────────────┐
│                                                 │
│  TOPO (entrada cabos por cima)                  │
│  ┌─────────────────────────────────────────┐   │
│  │ Bornes entrada principal               │   │
│  │ (L1, L2, L3, N, PE)                     │   │
│  └─────────────────────────────────────────┘   │
│                                                 │
│  ┌─────────────────────────────────────────┐   │
│  │ [QF1: Disjuntor Geral 25A]             │   │
│  │  + indicador bloqueio                   │   │
│  └─────────────────────────────────────────┘   │
│                                                 │
│  ┌─────────────────────────────────────────┐   │
│  │ [RC1: DR Geral 300mA tipo B]           │   │
│  │  + botão TEST                           │   │
│  └─────────────────────────────────────────┘   │
│                                                 │
│  ┌─────┬─────┬─────┬─────┬─────┐                │
│  │ QF2 │ QF3 │ QF4 │ QF5 │     │                │
│  │ 16A │ 16A │ 10A │  6A │     │                │
│  │  D  │  C  │  C  │  C  │     │                │
│  └─────┴─────┴─────┴─────┴─────┘                │
│                                                 │
│  ┌─────────────────────────────────────────┐   │
│  │  Fonte 24V CC 3A (Phoenix Contact)     │   │
│  └─────────────────────────────────────────┘   │
│                                                 │
│  ┌─────────────────────────────────────────┐   │
│  │  Relé Pilz PNOZ X3 (segurança)         │   │
│  └─────────────────────────────────────────┘   │
│                                                 │
│  ┌─────┬─────────────────────────────────┐    │
│  │ KM1 │ Contactor LC1D09 (Aquecedor)    │    │
│  │     │                                   │    │
│  │ FT1 │ Relé térmico LRD08              │    │
│  └─────┴─────────────────────────────────┘    │
│                                                 │
│  ┌─────────────────────────────────────────┐   │
│  │                                         │   │
│  │  VFD Schneider Altivar ATV320U75N4     │   │
│  │  (centro do quadro, fluxo de ar)        │   │
│  │                                         │   │
│  └─────────────────────────────────────────┘   │
│                                                 │
│  ┌──────────────────┬──────────────────────┐  │
│  │ PLC S7-1212C     │  HMI KTP700 (atrás   │  │
│  │ DC/DC/DC         │   da porta — montado │  │
│  │                  │   na frente)         │  │
│  └──────────────────┴──────────────────────┘  │
│                                                 │
│  ┌─────────────────────────────────────────┐   │
│  │ Switch Profinet Scalance XB004         │   │
│  └─────────────────────────────────────────┘   │
│                                                 │
│  ┌─────────────────────────────────────────┐   │
│  │ Calha vertical (cabos comando + sensores)│  │
│  │ Calha horizontal (cabos potência)        │   │
│  └─────────────────────────────────────────┘   │
│                                                 │
│  ┌─────┬─────────────────────────────────┐    │
│  │ Régua PE (verde-amarelo)             │    │
│  ├─────┼─────────────────────────────────┤    │
│  │ Régua N (azul)                       │    │
│  ├─────┼─────────────────────────────────┤    │
│  │ Régua 24V CC + (vermelho)            │    │
│  ├─────┼─────────────────────────────────┤    │
│  │ Régua 24V CC - (azul-escuro)         │    │
│  ├─────┼─────────────────────────────────┤    │
│  │ Régua bornes saída (numerados 1-32)  │    │
│  └─────────────────────────────────────────┘   │
│                                                 │
│  FUNDO (saída cabos por baixo)                  │
│                                                 │
└─────────────────────────────────────────────────┘

Caixa Rittal AE 600×800×250 mm

Frente da porta:
- HMI 7" touch (KTP700).
- Lâmpadas piloto: Verde (ON), Amarelo (Standby), Vermelho (Alarme).
- Botão START (verde).
- Botão STOP (vermelho).
- Botão EMERGÊNCIA (vermelho cogumelo + fundo amarelo).
- Selector Manual/Auto com chave.
- Etiqueta da máquina + CE.

Ventilação:
- Ventilador 100×100mm na parte superior.
- Filtro de ar entrada na parte inferior.
- Termostato a 35 °C activa ventilador.

Iluminação:
- LED 24V CC interna (acende ao abrir porta).

Princípios do layout:

1. Hierarquia vertical: entrada em cima → distribuição → saída em baixo.

2. Componentes pesados em baixo (VFD, contactores) — centro de gravidade baixo.

3. Componentes que aquecem ao centro/topo — calor sobe e sai.

4. HMI na frente da porta (operador acessível).

5. Réguas de bornes na lateral ou em baixo — facilita ligação dos cabos externos.

6. Espaço para expansão (20% reserva).

7. Calhas verticais e horizontais separam potência de comando.

8. Acesso para manutenção: cada componente acessível sem mover outros.

Distâncias mínimas (entre componentes): - 10-20 mm entre componentes pequenos. - 50 mm entre VFD e outros (dissipação). - 100 mm acima e abaixo do quadro para abertura da porta.

Quadro de Comando — Bomba de Elevação de Água

Especificação: - Bomba centrífuga 10 kW, 400V trifásica. - VFD para controlo de pressão constante. - Sensor pressão 4-20 mA. - Sensor nível mínimo no poço (digital). - Comando à distância via Profinet. - Operação em ambiente externo (IP66). - Marcação CE.

Cálculos: - Corrente nominal motor: I_n = 10 000 / (√3 × 400 × 0,85) ≈ 17 A. - Disjuntor: 1,5 × 17 = 25 A → escolher 25A. - Curva D (motor com VFD). - Cabo: 4 mm² blindado.

BOM:

Esquema simplificado:

Rede 3F 400V
       │
   [Disj geral 25A D]
       │
   [DR 300mA tipo B]
       │
       ▼
   [Filtro EMC + bobina entrada]
       │
       ▼
   [VFD ATV320 10kW]
       │
       ▼
   [Cabo blindado 4mm²]
       │
       ▼
   [Motor bomba 10 kW]

Comando:
- PLC S7-1212C controla VFD via Profinet.
- HMI KTP700 mostra:
  - Pressão actual.
  - Status (ON/OFF/alarme).
  - Setpoint configurável.
  - Trends.
- Sensor pressão (4-20 mA) → entrada analógica PLC.
- Sensor nível (digital) → entrada PLC.
- Função PID no VFD ou PLC: mantém pressão constante variando velocidade.

Segurança:
- Botão emergência físico → relé Pilz → corta VFD.
- Em caso de nível baixo no poço → PLC pára bomba (proteção contra rotação a seco).

Segurança e protecções: - DR tipo B (essencial com VFD). - Cabos blindados. - Aterramento robusto. - IP66 no quadro (chuva). - Termostato no VFD (sobreaquecimento). - Botão emergência acessível. - Modo "manutenção" com chave.

Comando à distância: - PLC integrado em rede via Profinet. - Acesso remoto via VPN. - Comunicação com SCADA central. - Mobile app para gestores.

Marcação CE: - Quadro com declaração CE. - Manual de operação. - Esquemas técnicos.

Manutenção (programa anual): - Termografia. - Limpeza VFD. - Filtro ventilação substituído. - Backup PLC + HMI. - Calibração sensor pressão.

Plano de Manutenção — Quadro Bomba 10 kW

MENSAL (operador, 10 min): - Inspecção visual externa. - Ver HMI: pressão actual, alarmes, contadores. - Sem ruído anormal da bomba ou ventilador do VFD. - Verificar pressão nominal mantida.

TRIMESTRAL (técnico, 1h): - Termografia do quadro em carga. - Limpeza externa (especial atenção ao filtro de ar do VFD). - Teste TEST do DR (premir botão). - Apertar conectores Ethernet.

SEMESTRAL (técnico, 2h): - Apertos de bornes com chave dinamométrica (LOTO). - Limpeza interna profunda. - Substituir filtros de ventilação se aplicável. - Backup do PLC + HMI + parâmetros VFD.

ANUAL (intervenção profunda, 4h): - 5 regras de ouro completas. - Megger 500V isolamento de cada circuito (>100 MΩ). - Continuidade PE (< 0,1 Ω). - Teste DR com instrumento (corrente + tempo). - Verificar capacitância dos condensadores do VFD (via software). - Calibração do sensor de pressão. - Verificar pré-carga dos acumuladores (se aplicável). - Inspecção do interior do motor da bomba. - Termografia detalhada. - Análise de óleo ou massa lubrificante (se manutenção exigir). - Backup completo arquivado.

A CADA 5 ANOS: - Substituição preventiva de ventiladores internos do VFD. - Avaliar estado dos condensadores do VFD (substituir se < 80% capacidade). - Substituir bateria do PLC (se aplicável). - Inspecção legal RTIEBT.

KPIs: - Disponibilidade: > 99%. - Eficiência (pressão mantida com variação < 5%): > 95%. - MTBF: > 8000h.

Custos anuais estimados: - Manutenção interna (16h × 30€): 480 €. - Materiais consumíveis: 100 €. - Termografia anual: 200 €. - Total: ~800 €/ano.

Comparação: - Falha catastrófica (VFD queima + motor queima + paragem 1 semana): 5000-15 000 €. - ROI da manutenção: 5-15× facilmente.

Documentação: - CMMS com cada intervenção registada. - Histórico de medições (tendências de isolamento, etc.). - Backups versionados.

Modernização de Quadro Antigo

Estado actual: - Lógica de relés (50-200 relés interligados). - Sem PLC. - Sem HMI (apenas botoeiras + lâmpadas piloto). - Sem comunicação. - Esquemas antigos (talvez incompletos). - Componentes obsoletos (peças difíceis).

Vantagens da modernização:

1. Flexibilidade: alterar lógica = mudar código (vs re-cablar relés).
2. Diagnóstico: PLC mostra estado de cada I/O em tempo real.
3. Comunicação: integração com SCADA, MES, cloud.
4. HMI: visualização rica + comando intuitivo.
5. Manutenção preditiva: dados disponíveis.
6. Disponibilidade: peças standard modernas vs componentes raros.
7. Operadores: mais fácil de usar e formar.
8. Documentação: programa = documentação viva.

Procedimento:

Fase 1 — Análise do existente (1-2 semanas):

• Documentar lógica actual:
• Esquemas (ou reconstruí-los).
• Lista de I/Os (entradas e saídas físicas).
• Sequências de operação.
• Tempos.

• Estados (modos auto/manual).

• Identificar componentes:

• Motores e suas características.
• Sensores e actuadores existentes.

• Pode-se manter ou tudo a substituir?

• Definir requisitos novos:

• HMI: ecrãs, alarmes, trends, receitas.
• Comunicação com PLC central (se houver).
• Funcionalidades adicionais (ex: monitorização energética, telegestão).

Fase 2 — Projecto (2-4 semanas):

• PLC seleccionado: Siemens S7-1200 ou S7-1500 (depende dimensão).
• HMI: KTP700 ou KTP1200 conforme necessidade.
• I/Os: dimensionar com 30% reserva.
• Esquema novo em EPLAN.
• Programa PLC começa a ser desenvolvido (ladder ou SCL).
• HMI desenhada (5-10 ecrãs).

Fase 3 — Aquisição (2-4 semanas):

• Comprar componentes:
• PLC + módulos I/O.
• HMI.
• Fonte 24V.
• Cabos.
• Caixa (se quadro existente não cabe ou não está em estado).
• Acessórios.

Fase 4 — Construção em paralelo (4-8 semanas):

• Montar quadro novo numa bancada ou nova caixa.
• Cablagem interna.
• Programar PLC.
• Configurar HMI.
• Testar em bancada com simuladores de I/Os.

Fase 5 — Comissionamento (1 semana + paragem programada):

• Janela de paragem da máquina (ideal final-de-semana).
• LOTO completo.
• Substituir quadro (ou re-cablar tudo se aproveitar caixa antiga).
• Conectar todos os I/Os.
• Testes funcionais progressivos:
• Verificar cada entrada (sensor activa correctamente?).
• Testar cada saída em modo manual.
• Testar sequência completa.
• Documentar mudanças.

Fase 6 — Operação assistida (1-2 semanas):

• Programador disponível para resolver problemas.
• Operadores formados.
• Ajustes finais.

Investimento estimado (quadro médio):

Benefícios:

1. Disponibilidade aumentada: -50% paragens não programadas.
2. Tempo de diagnóstico: -70% (PLC online vs investigar cabos).
3. Vida útil estendida dos restantes componentes (sem desgaste de relés).
4. Conformidade actualizada (EN 60204-1 mais recente).
5. Integração futura facilitada.

Payback típico: 1-3 anos conforme criticidade da máquina.

Riscos: - Paragem prolongada se algo correr mal. - Curva de aprendizagem dos operadores e técnicos. - Custo inicial significativo. - Resistência cultural à mudança.

Mitigação: - Paralelo: quadro novo pronto antes de desligar antigo. - Plano B: se novo falhar, voltar ao antigo (manter como backup). - Formação intensiva antes. - Suporte do fornecedor / integrador.

Documentação final: - Esquemas novos (EPLAN). - Programa PLC + HMI. - Manual operador. - Manual técnico. - Lista de peças. - Backups.