Softwares para FluidPower Systems Simulation
Descubra quais são os principais softwares para simular os sistemas hidráulicos ou pneumáticos
Por Gustavo Marinho, CFPHS | 12 de Dezembro de 2020
Ao longo dos últimos anos, diversos softwares vêm sendo desenvolvidos para otimizar as análises de comportamento estacionário e transiente de componentes hidráulicos e pneumáticos enquanto limita a prototipagem física ao estritamente necessário.
Grande parte dos softwares disponíveis no mercado oferecem uma ampla escolha de componentes, recursos e ferramentas orientadas para a aplicação, que permitem modelar os sistemas para uma significativa variedade de aplicações, como sistemas de atuação hidráulica móvel, sistemas de potência, controle ou combustível (aeronaves) e sistemas de controle ambiental.
Sumário
Tipos de Softwares
Durante o desenvolvimento do projeto de um equipamento hidráulico uma das etapas mais importantes é a de predição de performance através da simulação do sistema sendo projetado. Na figura abaixo podemos ver uma imagem detalhando um fluxograma que entendo ser a sistemática passo-a-passo mais praticada por especialistas em design.
Porém, quando falamos de utilização de softwares para predição e análise de performance de sistemas complexos como sistemas hidrodinâmicos de estado estacionário ou estado dinâmico, que tipo de software exatamente devo considerar a utilização e porquê?
Uma abordagem interessante para tal seria separá-los de acordo com sua capacidade de processamento de variáveis complexas e suas respetivas aplicações em sistemas de engenharia. A metodologia de categorização que vou adotar neste artigo é muito utilizada para categorização de “Metodologia de Teste de Softwares”, no entanto, essa mesma metodologia também se aplica perfeitamente para categorização de acordo com a complexidade e tratamento dos sistemas do ponto de vista de capacidade de modelagem matemática e reprodução dos fenômenos físicos envolvidos no mesmo conforme veremos a seguir.
No momento em que o software ou aplicativo é desenvolvido, é essencial que alguns tipos de testes sejam projetados, para garantir que o produto seja concluído, seguro e eficaz. Para fazer esses testes, algumas estratégias são acessíveis: Porém, cada tipo de software possuirá um determinado tipo de teste relacionado a capacidade máxima ou aplicação de teste.
Cada um desses testes ou softwares oferece resultados concebíveis e específicos, que iremos detalhar a seguir nesse artigo, explicando a diferença entre softwares de caixa cinza, caixa branca e de caixa preta. De acordo com essa mesma categorização também podemos softwares para aplicações de sistemas de engenharia e mais especificamente em nossa área de interesse, softwares específicos para aplicações em sistemas de “FluidPower”.
Softwares Caixa Branca (White Box Software)
Uma característica comum desse tipo de software é a de possuir em sua programação primária um nível de detalhamento bem complexo acerca dos fenômenos físicos relacionados ao sistema em análise e modelagem. Esse tipo de software requer um nível avançado não somente de conhecimentos de engenharia de modelagem, mas, também de “Physical Phenomena”, visto que esse tipo de software visa analisar de forma completa e complexa todos os tipos de interferências de regime estático e permanente relacionados ao sistema sendo projetado.
Os testes de software caixa branca analisam as estruturas internas, as estruturas de dados usadas, o design interno, as estruturas de código e o funcionamento do sistema (as), em vez de apenas a funcionalidade básica do mesmo (software caixa preta). Seus testes de prototipagem são também chamados de testes de caixa de vidro ou teste de caixa transparente ou teste estrutural.
Segue alguns exemplos de software “White box” disponíveis no mercado para FluidPower Systems:
· Simscape Fluids
· Simulation X
· Easy5 MSC Software
Simscape Fluids
O Simscape ™ Fluids ™ fornece bibliotecas de componentes para modelar e simular sistemas de fluidpower. Inclui modelos de bombas hidráulicas, válvulas, atuadores, tubulação e trocadores de calor. Você pode usar esses componentes para desenvolver sistemas hidráulicos e pneumáticos, como carregadeira frontal, direção hidráulica e sistemas de atuação do trem de pouso.
O Simscape Fluids também permite que você desenvolva sistemas de refrigeração do motor, lubrificação da caixa de câmbio e abastecimento de combustível. Você pode integrar sistemas mecânicos, elétricos, térmicos e outros sistemas físicos em seu modelo usando componentes da família de produtos Simscape. O Simscape Fluids ajuda a desenvolver sistemas de controle e testar o desempenho em nível de sistema. Você pode criar modelos de componentes customizados com a linguagem Simscape baseada em MATLAB®, que permite a autoria baseada em texto de componentes de modelagem física, domínios e bibliotecas. Você pode parametrizar seus modelos usando variáveis e expressões MATLAB e sistemas de controle de projeto para seu sistema hidráulico no Simulink®. Para implantar modelos em outros ambientes de simulação, incluindo sistemas hardware-in-the-loop (HIL), o Simscape Fluids oferece suporte à geração de código C.
Link para informações sobre o software: Simscape Fluids – MATLAB & Simulink (mathworks.com)
Simulation X
Baseado no padrão “Open Modelica”, o software de simulação Simulation X oferece uma plataforma de modelagem que pode ser facilmente customizada para suas necessidades e tarefas de desenvolvimento. Você está livre para usar elementos das bibliotecas de modelos ESI ITI, derivar novos desenvolvimentos deles ou criar elementos de modelo completamente novos do zero para salvá-los e gerenciá-los em suas próprias bibliotecas. Você obtém uma ferramenta totalmente personalizável para modelagem e simulação de sistema que pode ser estendida a qualquer momento. Interfaces específicas com várias ferramentas CAx e aplicativos de pós-processamento, bem como padrões de interface aberta, como FMI, garantem uma integração perfeita do SimulationX em sua cadeia de desenvolvimento de produto.
Esse software é especialmente interessante quando utilizado para aplicações de modelagem de sistemas submarinos, pois em sua biblioteca, possui vários módulos pré-projetados como SCMs, Topside Hydraulic Power Units – HPUs, Subsea Control Module e Subsea Umbilicals.
Sistema subsea pré-modelado com Simulation X.
Link para informações sobre o software: SimulationX: Simulation Software for Modeling | ESI ITI
Easy5 MSC Software
Software projetado para análises de aviões de engenharia, veículos, equipamentos agrícolas e outros sistemas complexos que requerem uma abordagem de engenharia de sistemas em que não apenas os componentes e subsistemas, mas todo o sistema como um todo seja testado. As metodologias tradicionais de construção e teste são demoradas e caras; e agora, mais do que nunca, cada setor tem o desafio de atender aos requisitos conflitantes de aumentar a inovação e, ao mesmo tempo, reduzir o custo e o tempo de lançamento no mercado.
Os sistemas dinâmicos (aqueles sistemas cujo comportamento em função do tempo é importante) são normalmente definidos por meio de equações diferenciais ou diferenciais de primeira ordem. Easy5 simplifica a construção e análise de tais sistemas com um aplicativo gráfico e esquemático. Um conjunto abrangente de componentes pré-embalados, armazenados em bibliotecas específicas de aplicativos, simplifica a montagem de um modelo representativo e facilita a simulação de sistema rápida e precisa.
Os engenheiros trabalham dentro de um paradigma de desenho esquemático familiar para adicionar e especificar conexões de dados entre componentes em um ambiente de modelagem hierárquica de vários níveis intuitivo, simples de usar. Easy5 foi desenvolvido e projetado por engenheiros para resolver com eficiência problemas industriais do mundo real. Por mais de quarenta anos, através da melhoria contínua, Easy5 permaneceu a ferramenta de simulação de escolha para muitos sistemas complexos e difíceis.
Link para informações sobre o software: Easy5 – Advanced Controls & Systems Simulation (mscsoftware.com)
Softwares Caixa Cinza (Gray Box Software)
Softwares de caixa cinza ou “Gray Box” são softwares que possuem uma combinação da técnica de teste de caixa preta e caixa branca. Em softwares caixa preta, o testador é desconhecido para a estrutura interna do item/ módulo/ característica sendo testada e em softwares caixa branca a estrutura interna é conhecida pelo testador, visto que tem por objetivo a modelagem matemática de todos/quase todos os fenômenos físicos relacionados ao sistema. A estrutura interna é parcialmente conhecida em Gray Box Softwares. Isso inclui acesso a algoritmos e estruturas de dados internos para o propósito de projetar os casos de teste. Software e sistemas de caixa cinza recebem esse nome porque o programa do software é como uma caixa semitransparente ou cinza dentro, da qual o testador pode ver parcialmente as variáveis e projeções de predição dos sistemas. Geralmente esse tipo de sistema concentra-se em erros específicos de contexto relacionados a sistemas da web. Segue abaixo alguns exemplos de software para simulação de sistemas hidráulicos e pneumáticos que em minha análise estariam categorizados como “Caixa Cinza”.
· Automation Studio
· FluidSIM Festo
· AMESIM Siemens
· Control Simulator – CS8
Automation Studio
Automation Studio é um software de design de circuito, simulação e documentação de projeto para sistemas hidráulicos & pneumáticos e projetos elétricos. Desenvolvido pela empresa Famic Technologies Inc ., é usado para CAD, manutenção e fins de treinamento. Usado principalmente por engenheiros, instrutores e pessoal de serviço e manutenção. O Automation Studio pode ser aplicado no projeto, treinamento e solução de problemas de sistemas hidráulicos, pneumáticos, IHM e sistemas de controle elétrico. Existem duas versões do software: Automation Studio Professional Estúdio de Automação Educacional A versão educacional do Automation Studio é uma versão mais leve usada por escolas técnicas e de engenharia para treinar futuros engenheiros e técnicos. O software foi desenvolvido para escolas que ensinam disciplinas técnicas como tecnologias industriais, mecatrônica, tecnologias eletromecânicas, elétrica e eletrônica, automação e manutenção. Modelagem e simulação são utilizadas para ilustrar aspectos teóricos.
Link para informações sobre o software: Automation Studio™ – Hydraulic, Pneumatic, Electrical and PLC simulation (famictech.com)
FluidSIM Festo
FluidSIM é um software bastante completo, pensada para a design, simulação, instrução e estudo de sistemas hidráulicos e pneumáticos, incluindo circuito eletro hidráulicos, eletropneumáticos e circuitos digitais. Com o FluidSIM vai poder criar circuitos facilmente, arrastando elementos. Só tem de posicionar os itens no circuito e ir construindo intuitivamente. É simples e eficaz.
O FluidSIM oferece-lhe um editor de diagramas de circuitos com descrições detalhadas de todos os componentes, vista animada de segmentos, fotografias de componentes e sequências de vídeo. Assim, o FluidSIM torna-se perfeito para usar em aulas ou como programa de estudo.
Para concluir, o FluidSIM oferece uma boa gama de possibilidades de comunicação com outros programas, através de DDE e OPC; e graças ao suporte para Festo EasyPorts, a conexão a hardware real é também possível.
O FluidSIM é um software que qualquer interessado em “FluidPower” irá certamente apreciar.
AMESIM Siemens
O Simcenter Amesim permite que os engenheiros de sistema avaliem e otimizem virtualmente o desempenho dos sistemas mecatrônicos. Isso aumentará a produtividade geral de engenharia de sistemas desde os primeiros estágios de desenvolvimento até a validação de desempenho final e a calibração dos controles.
O Simcenter Amesim contém bibliotecas multifísicas prontas para uso com soluções orientadas a aplicativo e setor que contam com o suporte de recursos de plataforma poderosos, para permitir que você rapidamente crie modelos e realize análise com precisão. É um ambiente aberto que pode ser integrado aos seus processos empresariais. Você pode facilmente vincular o software aos principais pacotes de software de controles, engenharia auxiliada por computador (CAE) e projeto auxiliado por computador (CAD), interoperá-lo com a Interface de Simulação Funcional (FMI), Modelica® e conectá-lo a outras soluções do Simcenter, do Teamcenter e ao Excel.
Link para informações sobre o software: Simcenter Amesim 16 | Siemens Digital Industries Software
Control Simulator – CS8
Simule a operação de sistemas de controle que possuem linhas de abastecimento ou de controle hidráulico muito longas como umbilicais subsea por exemplo. CS8 permite definir unidades de potência hidráulica; longas linhas de umbilicais, tubos ou mangueiras; e circuitos de controle submarinos que consistem em válvulas, acumuladores, restrições de fluidos locais e outros componentes. Ele é projetado para simular a resposta de sistemas típicos de perfuração e produção comumente usados em O&G Deep Water.
O CS8 simula a resposta em tempo real do sistema de controle, incluindo pressões, posições de válvula, taxas de fluxo e fluxos totalizados. Use-o para examinar a sensibilidade do sistema às propriedades do fluido, tamanho da tubulação, volume do operador da válvula, resposta do acumulador em profundidade e outros parâmetros importantes. Outras questões comuns facilmente examinadas incluem tempo de resposta da válvula, tempo para carregar acumuladores, fluido totalizado para dimensionamento do reservatório e taxa permitida de atuação da válvula.
Pontos de interesse:
– Unidade de energia hidráulica com acumuladores e várias bombas
– Unidade de energia hidráulica pode lidar com vários umbilicais principais
– Lidar com longas extensões de tubulação e / ou mangueira
– As linhas de abastecimento podem ser ramificadas para lidar com casos de produção complexos
– Modelo de acumulador de alta precisão usando nitrogênio ou hélio
– Lidar com os efeitos de linhas enroladas e enroladas helicoidalmente
– Ferramentas de plotagem convenientes e poderosas integradas para saída gráfica
– Construir uma biblioteca de componentes
– Misture unidades inglesas e métricas à vontade
Link para informações sobre o software: Deep Water Accumulator Performance (mcadamsengineering.com)
Softwares Caixa Preta (Black Box Software)
Essa categoria de software é a que concentra a maior parte dos softwares de desenho e documentação de projetos, pois, esse tipo de software embora possua a complexidade de programação de simbologia e as vezes conexões integradas de “part list” ou detalhes do projeto, o mesmo não possui capacidade de processamento de dados e fenômenos físicos associados ao sistema sendo desenhado.
Para esse tipo de software, o teste de caixa preta (às vezes chamado de “teste comportamental”) exige que o testador entenda o que o programa deve fazer, mas não como funciona – eles são incapazes de “ver dentro” do programa. Um testador de caixa branca geralmente é um desenvolvedor, pois é necessário algum grau de experiência em programação. Em contraste, pode ser útil para os testadores de caixa preta não possuírem tal perspectiva técnica, já que sua experiência com o software deve ser muito semelhante à de um usuário final.
Segue abaixo alguns exemplos de softwares “Caixa Preta” disponíveis no mercado:
· Eplan Fluid
· AutoCAD Electrical
· i-Design 5 (Hydraforce)
· Comatrol Easyvalve
· SUN QuickDesign SmartConnect
· HyDraw CAD
Eplan Fluid
EPLAN Fluid é um software especialmente desenvolvido para projetar e documentar automaticamente esquemas para sistemas de “FluidPower”, incluindo hidráulica, pneumática, refrigeração e lubrificação. O software oferece suporte a uma ampla gama de métodos de engenharia, desde a criação manual até o trabalho padronizado e baseado em modelos. Uma vez inseridos nos esquemas, os dados do projeto formam a base para o preenchimento automático da documentação da máquina e do sistema da planta. Resumindo, o EPLAN Fluid oferece muito mais do que “apenas” esquemas de desenho.
Link para informações sobre o software: EPLAN Fluid (eplan-software.com)
AutoCAD Electrical
A Autodesk, empresa que comercializa e desenvolve o AutoCAD, desenvolveu
o AutoCAD Electrical para ajudar na produtividade e agilidade na criação de projetos elétricos. A revolução foi
tamanha que estudos da área apontam que o rendimento com a ferramenta
Electrical aumentou em 95%. Com ela, é possível inovar e simplificar processos
elétricos.
E em decorrência disso, vários benefícios são colhidos ao apostar no
Autocad Electrical:
- Diminuição de erros
- Diminuição do
retrabalho
- Ganho de tempo
- Praticidade e
segurança no compartilhamento
de informação
Link para informações sobre o software: AutoCAD Electrical Toolset | Electrical Design Software | Autodesk
i-Design 5 (Hydraforce)
O software i-Design da Hydraforce possui tudo o que você precisa para projetar um esquema hidráulico, com mais de 1000 componentes hidráulicos configuráveis, incluindo válvulas de cartucho, bombas, motores e cilindros.
Benefícios:
· Possui mecanismo de funcionamento similar ao Automation Studio. Símbolos e conexões funcionam perfeitamente;
· Design muito intuitivo e simples;
· Além do esquemático, você também consegue obter o pacote completo para desenvolvimento de manifolds.
Desvantagens:
· Este software é utilizado para projetar manifolds hidráulicos usando somente componentes HydraForce;
· Biblioteca muito limitada: você pode usar apenas componentes HydraForce e não pode adicionar / criar novos símbolos. Para isso, você precisa usar o software Automation Studio.
Link para informações sobre o software: i-Design™ (hydraforce.com)
Comatrol Easyvalve
A interface de usuário do EasyValve é bastante intuitiva e permite que você crie seu esquemático hidráulico simplesmente arrastando e soltando da biblioteca digital de válvulas de cartucho, válvulas Cetop e acessórios da Comatrol.
Benefícios:
· Baseado no mecanismo do Automation Studio. Símbolos e conexões funcionam perfeitamente;
· Design muito intuitivo e simples;
Desvantagens:
· Igual ao HydraForce i-Design, este software tem uma biblioteca de símbolos muito limitada: você pode usar somente componentes do Comatrol e não pode adicionar / criar novos símbolos. Para isso, você precisa usar o software Automation Studio;
· Ao contrário do software da Hydraforce, este não possui ferramentas para desenvolvimento de manifolds.
Link para informações sobre o software: https://comatrol.com/easyvalve/
SUN QuickDesign SmartConnect
O QuickDesign é o primeiro e único software gratuito de design de pacote integrado baseado em web. E agora inclui o SmartConnect, uma ferramenta de desenho de esquemático que permite que você leve sua ideia da especificação do produto para o design usando ferramentas de arrastar e soltar, apontar e clicar.
Benefícios:
· Arrastar e soltar para fácil criação de conexões hidráulicas;
· Campo de trabalho parece com o AutoCAD;
· Design muito intuitivo e simples;
· Fácil de projetar manifolds.
Desvantagens:
· Biblioteca de símbolos muito limitada: você pode usar apenas componentes do SUN Hydraulics e não pode adicionar / criar novos símbolos;
· Somente o template da Sun Hydraulics pode ser utilizado no software.
Link para informações sobre o software: QuickDesign with SmartConnect Offers Drag-and-Drop Schematic Tool | Sun Hydraulics
HyDraw CAD
Na minha opinião um dos melhores softwares tipo CAD desenvolvidos para FluidPower, com este software você usar símbolos ISO precisos com inteligência de recursos, vincular dados do modelo, acessórios, documentos e arquivos CAD.
É um software com sistema “component base” em design e seleção de pórtico, past list e interconexões automáticas de componentes. Possui interface CAD 2D / 3D familiar e controle de linha de comando HyDraw CAD desenvolvido por Autodesk® AutoCAD OEM.
Link para informações sobre o software: Circuit Design software with self contained 2D CAD engine, HyDraw CAD from VEST, Inc. (vestusa.com)
Considerações e Aplicações
Com base no conteúdo apresentado, embora muito desses softwares possuam sobreposição de recursos, tais como, um único software capaz de ao mesmo tempo que projetar, simular e documentar todo o projeto, minha experiência com os mesmos me mostrou que dificilmente um único desses softwares consiga realizar todas essas etapas de forma eficaz. Dito isto a correlação abaixo é o que normalmente eu utilizo e entendo como melhor forma de aplicação dos mesmos.
Referências:
Software Testing, UFT Certification, ISTQB Certification, RPA, Big Data (softwaretestinggenius.com)
GeeksforGeeks | A computer science portal for geeks
Automation Studio™ – Hydraulic, Pneumatic, Electrical and PLC simulation (famictech.com)
EPLAN Fluid (eplan-software.com)
Modeling and Simulation of Fluid Power Systems using Easy5 (mscsoftware.com)
Fluid System Simulation | Siemens Digital Industries Software
Simulation of Fluid Power Components and Systems | ESI ITI (simulationx.com)
Circuit Design software with self contained 2D CAD engine, HyDraw CAD from VEST, Inc. (vestusa.com)
fluidpower.it – IT for the Fluid Power Industry
Interlink Systems (mcadamsengineering.com)
Deep Water Accumulator Performance (mcadamsengineering.com)
Adams – The Multibody Dynamics Simulation Solution (mscsoftware.com)
ESI Group: Empowering Industrial Players to Commit to Outcomes (esi-group.com)
Fluid Power Engineering – MATLAB & Simulink Books (mathworks.com)
QuickDesign with SmartConnect Offers Drag-and-Drop Schematic Tool | Sun Hydraulics
