Fundamentos da automaçao

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<p>SENAI Iniciativa da CNI Confederação Nacional da Indústria SÉRIE ELETROELETRÔNICA FUNDAMENTOS DE AUTOMAÇÃO</p><p>SENAI Iniciativa da CNI - Confederação Nacional da Indústria SÉRIE ELETROELETRÔNICA FUNDAMENTOS DE AUTOMAÇÃO</p><p>Iniciativa da CNI - Confederação Nacional da Indústria SÉRIE FUNDAMENTOS DE AUTOMAÇÃO</p><p>2016. SENAI - Departamento Nacional 2016. SENAI - Departamento Regional de Santa Catarina A reprodução total ou parcial desta publicação por quaisquer meios, seja eletrônico, mecânico, fotocópia, de gravação ou outros, somente será permitida com prévia autorização, por escrito, do Esta publicação foi elaborada pela equipe da Gerência de Educação e Tecnologia do SENAI de Santa Catarina, com a coordenação do SENAI Departamento Nacional, para ser utilizada por todos os Departamentos Regionais do SENAI nos cursos presenciais e a SENAI Departamento Nacional Unidade de Educação Profissional e Tecnológica - UNIEP SENAI Departamento Regional de Santa Catarina Gerência de Educação e Tecnologia - GEDUT FICHA CATALOGRÁFICA S491f Serviço Nacional de Aprendizagem Departamento Nacional Fundamentos de automação / Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial. Departamento Serviço Nacional de Aprendizagem Departamento Regional de Santa Catarina. : 2016. 192 p. il. : 30 cm. - (Série Inclui e bibliografia ISBN 9 788550 501925 1. Automação 2. Controladores Serviço Nacional de Aprendizagem Departamento Regional de Santa Catarina II. III. Série. CDU: SENAI Sede Serviço Nacional de Setor Bancário Norte Quadra 1 Bloco C . Edifício Roberto Aprendizagem Industrial Simonsen 70040-903 Brasília - DF Tel.: (0xx61) 3317-9001 Departamento Nacional Fax: (0xx61) 3317-9190 http://www.senai.br</p><p>Lista de ilustrações Figura 1 Botão de acionamento manual 22 Figura 2 - Chave de segurança fim de curso 23 Figura 3 - Sensores NPN e PNP 25 Figura 4 Sensores PNP e NPN com resistor de definição de sinal para alta impedância 26 Figura 5 - Gráfico da curva de sensores PTC e NTC (genéricos) 28 Figura 6 Sonda com termopar 31 Figura 7 Curvas de termopares entre temperatura e tensão gerada em milivolts 31 Figura 8 - Piezoresistor utilizado como elemento detector de pressão 33 Figura 9 - Tubulação contendo um ponto de estrangulamento 35 Figura 10 Representação de um sensor tipo pitot 35 Figura 11 - Rotâmetro 36 Figura 12 - Representação do componente LDR e sua simbologia 38 Figura 13 Sensor ultravioleta 38 Figura 14 - Sensores de proximidade 39 Figura 15 Sensor de presença tipo emissor/receptor 40 Figura 16 Encoder 41 Figura 17 Atuadores de ação simples e respectiva simbologia 44 Figura 18 Cilindro de dupla ação 45 Figura 19 - Princípio de funcionamento e curva de desempenho de motor pneumático 46 Figura 20 - Simbologia da válvula direcional 5/3 vias e identificação conforme norma ISO 1219 47 Figura 21 - Válvula de controle proporcional de pressão/vazão 48 Figura 22 Vista explodida dos componentes do motor monofásico 52 Figura 23 - Vista explodida dos componentes do motor trifásico 56 Figura 24 Motor trifásico 57 Figura 25 Enrolamento do motor trifásico 58 Figura 26 Resistências industriais de aquecimento 61 Figura 27 Funcionamento básico de um solenoide e simbologia 63 Figura 28 Elementos construtivos do contator 64 Figura 29 Simbologia do contator (bobina e contatos principais) 65 Figura 30 Identificação de terminais dos contatos auxiliares 65 Figura 31 - Controlador programável 74 Figura 32 = Elementos da unidade central de processamento do CLP 75 Figura 33 Exemplo de processador 76 Figura 34 - Fonte de alimentação (1) incorporada ao CLP (2), seus módulos de entradas/saídas e de comunicação (3) 79 Figura 35 Estruturação das variáveis de entradas e saídas dos controladores programáveis 80 Figura 36 - Programa do usuário contendo uma lógica de programação Ladder 83 Figura 37 - Ciclo de varredura do controlador programável 84 Figura 38 - Interface do controlador programável 85</p><p>Figura 39 - Etapas constituintes do ciclo de scan 86 Figura 40 - Circuito para acionamento de sinalização 88 Figura 41 - Representação do diagrama Ladder para acionamento da sinalização 89 Figura 42 - Blocos de funções lógicas AND (a), OR (b) e NOT (c) e sua tabela-verdade 90 Figura 43 - Diagrama sequencial para acionamento da sinalização 92 Figura 44 - Linguagem em texto estruturado 94 Figura 45 - Estrutura funcional de um CLP 98 Figura 46 - Unidade CPU de um CLP de médio e grande porte 100 Figura 47 Entrada da rede de energia na fonte e saída para o CLP 101 Figura 48 - Fonte de alimentação acoplada a rack de CLP 102 Figura 49 Cartão de entrada de CLP 104 Figura 50 - Sensor de presença sem contato 106 Figura 51 - 107 Figura 52 - Sensor de pressão/vazão 109 Figura 53 Interface homem máquina (IHM) 111 Figura 54 - Sensor de temperatura tipo sonda 112 Figura 55 - Cartão de saída de CLP modular 114 Figura 56 - Lâmpadas de sinalização em um painel elétrico 116 Figura 57 - Contator de acionamento elétrico 116 Figura 58 - solenoide 117 Figura 59 Inversor de frequência 119 Figura 60 - Sinal de controle PWM 120 Figura 61 - Identificação do cabeamento de entradas e saídas em borneira de painel elétrico 122 Figura 62 Sinalização luminosa de CLP 123 Figura 63 - Instalação adequada e completa de um CLP 124 Figura 64 Exemplo de janela de trabalho do software de programação WEG Programming Suite v2.30 129 Figura 65 - Paleta de componentes e elementos Ladder do software de programação WEG Programming Suite v2.30 130 Figura 66 - Exemplo de ambiente de edição do software de programação WEG Programming Suite 131 Figura 67 - Metodologia de estruturação da linguagem Ladder 133 Figura 68 Caminhos de continuidade possíveis para o exemplo de lógica Ladder 134 Figura 69 - Configuração para comunicação entre CLP e computador 135 Figura 70 - Exemplo de compilação de programa Ladder no software de programação WEG Programming Suite v2.30 136 Figura 71 - Alguns cabos de comunicação do tipo USB A-B e RJ45 137 Figura 72 - Exemplo de monitoração on-line e escrita de variáveis em lógicas no software WEG Programming Suite v2.30 137 Figura 73 - Simulador de entradas 138 Figura 74 - Botão de emergência associado ao painel de comando e monitoração de equipamentos 139</p><p>Figura 75 - Conexão elétrica para circuito de acionamento de motor 140 Figura 76 Lógica de intertravamento para acionamento do motor em linguagem Ladder 142 Figura 77 Variáveis de um bloco temporizador genérico 143 Figura 78 Diagrama de tempo para o temporizador TON 145 Figura 79 Diagrama de tempo para temporizador TOF 145 Figura 80 Diagrama de tempo para o temporizador TONR 146 Figura 81 - Exemplo de acionamento de motor com temporizador TON 147 Figura 82 Representação dos blocos contadores crescente, decrescente e bidirecional 148 Figura 83 Exemplo de utilização de bloco contador crescente 150 Figura 84 Exemplo de aplicação com bloco comparador maior que ou igual a 152 Figura 85 Representação dos blocos de funções aritméticas de adição (a), subtração (b), multiplicação (c) e divisão (d) 153 Figura 86 Fluxograma de funcionamento de máquina automática de seleção de parafusos 157 Figura 87 Sinalização intermitente 165 Figura 88 Sequência de etapas para desenvolvimento de ensaios 165 Figura 89 Fluxograma de funcionamento para o ensaio relacionado as sinalizações intermitentes 167 Figura 90 Linhas 1 e 2: programação em Ladder para sinalização intermitente 168 Figura 91 - Linha 3: programação em Ladder para sinalização intermitente 169 Figura 92 Linha 4: programação em Ladder para sinalização intermitente 169 Figura 93 Sinalização indicativa de funcionamento e operação de equipamentos 170 Figura 94 Semáforo utilizado para controle de tráfego de veículos e pedestres 171 Figura 95 Funcionamento de semáforos para duas avenidas 172 Figura 96 Fluxograma de funcionamento para ensaio de sinalização semafórica 174 Figura 97 Linha 1: programação em Ladder para controle de tráfego 175 Figura 98 Linha 2 e 3: programação em Ladder para controle de tráfego 176 Figura 99 Linha 4: programação em Ladder para controle de tráfego 177 Figura 100 Linha 5: programação em Ladder para controle de tráfego 177 Figura 101 - Linha 6 e 7: programação em Ladder para controle de tráfego 178 Figura 102 Aplicação de esteira transportadora em aeroportos e em processos industriais 179 Figura 103 Funcionamento de esteiras transportadoras de chapas metálicas 179 Figura 104 Fluxograma de funcionamento do ensaio relacionado à automatização de esteiras transportadoras 181 Figura 105 Linha 1 e 2: programação em Ladder para acionamento de esteiras 182 Figura 106 Linha 3 e 4: programação em Ladder para acionamento de esteiras 183 Figura 107 Linha 5: programação em Ladder para acionamento de esteiras 183 Figura 108 Sistemas de envasamento automático de bebidas para diferentes aplicações 184 Figura 109 - Fluxograma de funcionamento para o ensaio de envasamento de bebidas 186 Figura 110 Linha 1 e 2: programação em Ladder para sistema de envasamento de bebidas 187 Figura 111 Linha 3 e 4: programação em Ladder para sistema de envasamento de bebidas 188</p><p>Quadro 1 - Tipos e características de termopares 30 Quadro 2 - Referência de cores para cabos de extensão e compensação 32 Quadro 3 - Vantagens e desvantagens dos sistemas pneumáticos 43 Quadro 4 - Vantagens e desvantagens dos sistemas hidráulicos 49 Quadro 5 - Categorias de emprego de contatores conforme IEC 947-4 67 Quadro 6 - Características e benefícios do controlador lógico programável 74 Quadro 7 - Principais tipos de memórias e suas características 78 Quadro 8 - Diferença ente controladores programáveis 81 Quadro 9 - Cinco linguagens de CLP especificadas pelo padrão IEC61131-3 87 Quadro 10 - Símbolos Ladder para representação de contatos abertos e fechados 89 Quadro 11 - Lógica das variáveis dos principais blocos de função 91 Quadro 12 - Principais comandos com operadores da lista de instrução 93 Quadro 13 - Representação dos recursos presentes no ambiente de edição de lógicas de programação 132 Quadro 14 - Especificação dos elementos de entrada e saída conectados no CLP 141 Quadro 15 - Bloco comparador 151 Quadro 16 - Exemplo de bloco para movimentação de dados 154 Quadro 17 - Representação e simbologia dos principais elementos de fluxogramas 155 Quadro 18 - Etapas para construção do fluxograma 159 Quadro 19 - Endereçamento das variáveis para ensaio da sinalização intermitente 166 Quadro 20 - Endereçamento das variáveis para ensaio de controle de semáforo 173 Quadro 21 - Endereçamento das variáveis para ensaio de esteira transportadora 180 Quadro 22 - Endereçamento das variáveis para ensaio de envasamento de bebidas 185 Tabela 1 - Velocidade do rotor em 50 Hz e 60 Hz 56 Tabela 2 - Resolução dos blocos temporizadores 147</p><p>Sumário 1 Introdução 15 2 Elementos de automação 19 2.1 Interfaces de entrada 21 2.1.1 Botoeiras e chaves de fim de curso 22 2.1.2 Sensores 24 2.2 Interfaces de saída 41 2.2.1 Atuadores 43 3 Controladores programáveis 71 3.1 Fundamentos, características e evolução 72 3.2 Estrutura e características 74 3.2.1 Processador 76 3.2.2 Sistema de memórias 77 3.2.3 Fontes de alimentação 79 3.2.4 Módulos de entrada e saída 80 3.2.5 Diferença entre controladores programáveis 81 3.2.6 Especificação e seleção de controladores programáveis 82 3.3 Princípios de funcionamento e operação de controladores programáveis 82 3.3.1 Programa do usuário 83 3.3.2 Ciclo de varredura 84 3.3.3 Tempo de varredura 85 3.4 Linguagem de programação 86 3.4.1 Norma IEC 61131 e normalização 87 3.4.2 Classificação, tipos e características da linguagem de programação 88 4 Configuração de hardware 97 4.1 CPU 98 4.1.1 Modelo e características 99 4.2 Fonte de alimentação 101 4.2.1 Sinalizações e proteções 102 4.3 Módulos de entrada 103 4.3.1 Entradas digitais 105 4.3.2 Entradas analógicas 107 4.3.3 Entradas especiais 110 4.4 Módulos de saída 114 4.4.1 Saídas digitais 115 4.4.2 Saídas analógicas 118 4.4.3 Saídas especiais 120 4.5 Instalação física de CLPs 121</p><p>5 Software aplicativo de programação 127 5.1 Configuração 128 5.1.1 Janela de trabalho e pasta de projeto 128 5.1.2 Barra de ferramentas 130 5.2 Comandos operacionais 131 5.2.1 Edição de uma lógica 131 5.2.2 Conexão com o controlador programável 135 5.2.3 Instalação e testes de funcionalidade 135 5.2.4 Monitoração do programa 137 5.3 Condições de segurança 138 5.3.1 Emergência e Intertravamento (externo) 140 5.4 Conjunto de instruções e funções de operações com bits 142 5.4.1 Temporizadores 143 5.4.2 Contadores 148 5.4.3 Comparadores 151 5.4.4 Funções aritméticas 152 5.4.5 Funções de movimentação de dados 154 5.5 Fluxograma e listas de tarefas 155 5.6 Uso da interface de programação 160 6 Ensaios 163 6.1 Sinalização intermitente (pisca-pisca) 165 6.2 Controle de tráfego (semáforo) 171 6.3 Automatização de esteira transportadora de peças 178 Automatização de sistema de envasamento de bebidas 184 Referências Minicurrículo dos autores Índice</p><p>Introdução 1 Prezado aluno! Este livro traz conhecimentos sobre os Fundamentos de Automação, no qual serão abordados os conhecimentos necessários para o desenvolvimento das capacidades técnicas referentes à identificação de sensores, atuadores e circuitos eletropneumáticos, funcionamento, montagem e validação de sistemas, bem como capacidades sociais, organizativas e metodológicas, de acordo com a atuação do técnico no mundo do trabalho. Em uma indústria cada dia mais automatizada, é imprescindível que o profissional esteja apto a lidar com as diferentes tecnologias empregadas nos mais diversos processos, sendo capaz de atuar como instalador e mantenedor destes sistemas automatizados de forma excelente. Para isso, uma série de conhecimentos foram selecionados para propiciar seu desenvolvimento intelectual e comportamental, situações em que você deverá demonstrar postura ética em todas as ações desenvolvidas e no relacionamento interpessoal e profissional, interagir nas situações de conflito, buscando a integração entre os membros da equipe e apresentar dados e informações técnicas de forma clara e organizada. Durante os estudos deste livro, você deverá participar com ideias e ações, de grupos de trabalho, demonstrando autocontrole, postura crítica e cooperativo, aplicar os fundamentos da qualidade nas situações propostas, analisar alternativas propostas, integrar as suas práticas às orientações recebidas quanto aos procedimentos técnicos, de saúde e segurança no ambiente de trabalho, como também utilizar as ferramentas e instrumentos colocados à sua disposição de acordo com as recomendações recebidas e procedimentos técnicos. Desenvolvendo estes conhecimentos, você poderá propor possíveis melhorias na organização do ambiente de trabalho, tendo em vista a prevenção de acidentes, assim como demonstrar iniciativa no desenvolvimento das atividades sob a sua responsabilidade. Você iniciará seus estudos com os Elementos de Automação, aprendendo a identificar os tipos de sensores e atuadores, seus princípios de funcionamento e formas de utilização. Serão apresentados os elementos mais comuns utilizados na indústria, como os atuadores hidráulicos e pneumáticos, motores, sensores de temperatura, pressão e proximidade e outros mais específicos, como sensor ultravioleta, utilizado principalmente em aplicações de óleo e gás.</p><p>16 FUNDAMENTOS DE AUTOMAÇÃO Na sequência, você conhecerá os Controladores Programáveis e a Configuração do Hardware, habilitando-o a identificar e a especificar tipos de controladores e também hardwares No recurso Saiba Mais, você encontrará dicas de pesquisa sobre a evolução dos CLPS e, em Curiosidades, terá informações significativas sobre a velocidade dos processadores do CLP. A partir deste momento, você já será capaz de desenvolver circuitos eletrônicos, seguindo normas técnicas, ambientais, de qualidade, de saúde e segurança no trabalho, além de montar circuitos de comandos elétricos, circuitos eletropneumáticos e circuitos de automação com CLPs. Em Software Aplicativo de Programação, você conhecerá as características de configuração de softwares utilizados para programação dos CLPs, a utilização de seus comandos operacionais e como programar as condições de segurança, cuja importância será exemplificada em Casos e Relatos. Você estudará o conjunto de instruções e sua aplicação em fluxogramas e listas de tarefas, ferramentas que devem ser aplicadas antes de elaborar o programa que poderá ser desenvolvido ao abordar o uso da interface de programação. Após aprender como realizar a instalação e testes de funcionalidade, você poderá especificar software de controladores e simular circuitos de comandos elétricos e circuitos eletropneumáticos por meio de softwares. A utilização de softwares aplicativos de programação, alinhada aos contextos anteriormente apresentados, proporcionaram a você a capacidade de montar sistemas eletrônicos, seguindo normas técnicas, ambientais, de qualidade, de saúde e segurança no trabalho. Finalizando, em Ensaios, você conhecerá aplicações do conhecimento adquirido nos capítulos anteriores através da execução de pequenos projetos de automação com CLPs e um Fique Alerta sobre os elementos de segurança. o passo a passo lhe permitirá, ao final, programar e compilar programas, realizar comunicação em controladores, testar e instalar sistema com controladores e, principalmente, comissionar sistemas de automação, além de proporcionar a você a capacidade de realizar a manutenção de circuitos e sistemas eletrônicos. Para desfrutar de tudo o que foi descrito, seu maior desafio será estudar com vontade e, principalmente, dedicação. Está pronto? Bons estudos!</p><p>Elementos de Automação 2 Você sabia que uma planta automatizada, além de operar com um controlador lógico programável no gerenciamento e controle do processo, utiliza uma série de outros elementos em conjunto que solidificam os modernos sistemas automatizados? Atualmente, os processos automatizados operam com a integração de equipamentos, dispositivos e máquinas, e sua atuação em conjunto oferece ao processo maior grau de flexibilidade, produção e confiabilidade. A indústria moderna está cada vez mais competitiva, buscando cada vez mais um melhor desempenho para seus processos por meio de sistemas eletrônicos e automação, que, por sua vez, é intrínseca aos controladores programáveis. Assim, neste capítulo serão estudados os principais elementos de interface de entrada e aplicados nos processos industriais, seus princípios de funcionamento, detalhes técnicos de conexão elétrica, principais características construtivas, recomendações e restrições de aplicação. De forma detalhada, serão estudadas as principais características e variações dos motores elétricos, cilindros pneumáticos e hidráulicos e válvulas direcionais, bem como os diversos tipos e características de funcionamento e aplicabilidade dos sensores, todos os limites dos dispositivos de entrada e saída, garantindo que seja retirado o melhor e maior desempenho sem que sejam danificados ou tenham a vida útil reduzida. Tais equipamentos e dispositivos são utilizados no comissionamento de sistemas de automação, sendo importante você conhecê- -los. Ao final deste capítulo, você será capaz de: a) identificar os tipos de sensores; b) identificar o princípio de funcionamento de sensores; c) identificar as formas de utilização de sensores; d) identificar os tipos de atuadores; e) identificar o princípio de funcionamento de atuadores; f) identificar as formas de utilização de atuadores; g) montar circuitos de comandos elétricos; h) montar circuitos eletropneumáticos;</p><p>2 ELEMENTOS DE AUTOMAÇÃO 21 2.1 INTERFACES DE ENTRADA Basicamente as interfaces ou módulos de entrada se dividem em dois tipos: as entradas analógicas e as entradas digitais. São circuitos com a função de adequar eletricamente os níveis de tensão e corrente dos sinais para que possam ser processados pelo circuito de controle, em que geralmente são empregados Controladores Lógicos Programáveis - CLPs. Entradas Digitais: como o próprio nome informa, as entradas digitais fornecem apenas dois níveis de sinal ou seja, nível alto ligado, ou nível baixo - desligado. Pelo fato de construtivas bem mais simples que módulos analógicos, geralmente possuem um custo menor. A seguir, são apresentadas algumas das possíveis entradas digitais: a) botoeiras; b) chave fim de curso; c) chaves comutadoras (Knobs); d) sensores: temperatura (termostatos); pressão (pressostatos); vazão; fotoelétrico; proximidade; posição (encoders'); nível (boia). Para que possam atender as diversas aplicações de diferentes necessidades de níveis de tensão, as entradas digitais podem ser construídas para operar em corrente alternada ou corrente contínua. Em corrente contínua, podem ser ainda do tipo P (PNP) ou N Caso seja optado por utilizar o sistema P, será necessário fornecer o potencial positivo ao borne de entrada do CLP e realizar a conexão do terminal comum (COM) do CLP ao terminal negativo da fonte. Na configuração NPN, será necessário fornecer potencial negativo ao borne de entrada do CLP e realizar a conexão do terminal comum (COM) do CLP ao terminal positivo da fonte. Algumas aplicações específicas podem demandar a utilização de entrada digital do tipo rápida, com capacidade de operação em frequências maiores, que podem atingir até a casa do KHz, fortemente aplicados em encoders e sensores de velocidade. Porém, é recomendável consultar a folha de dados antes de qualquer aplicação em frequências elevadas e verificar as caraterísticas, capacidades e limites do equipamento em uso. 1 É um sensor com a propriedade de converter um deslocamento em um trem de pulsos, cujo deslocamento pode ser tanto linear como</p><p>22 FUNDAMENTOS DE AUTOMAÇÃO Entradas Analógicas: são entradas com características construtivas especiais, que possibilitam o reconhecimento de sinais variáveis de tensão ou corrente para um controle de processo preciso e interversões pontuais. Os sinais analógicos podem ser associados de várias formas e ainda armazenados, se necessário. Assim como as entradas digitais rápidas, é recomendável observar na folha de dados do equipamento as características e limitações das entradas analógicas. 2.1.1 BOTOEIRAS E CHAVES DE FIM DE CURSO Os botões de comando, também conhecidos por botoeiras, são dispositivos mecânicos com contatos internos que se movimentam quando acionados. A seguir, você conhecerá exemplos de alguns deles, como no caso da próxima figura, que apresenta um botão pulsador. Ele dispõe tanto de contatos elétricos Normalmente Aberto (NA), circunstância de não acionamento do botão, em que a eletricidade não passa de um terminal para outro, bem como contatos Normalmente Fechado (NF), em que passa eletricidade de um terminal para outro na condição de não acionamento. Pulsador tipo cogumelo Contato NF Bornes Condutor Contato NA Mola de reposição Figura 1 Botão de acionamento manual Fonte: SENAI (2016) Observando a figura anterior, se este botão for acionado, o conjunto de contatos de cima, que se encontravam fechados, ou seja em NF, passam a ficar em aberto, interrompendo assim a passagem de corrente elétrica do borne da esquerda para o borne a direita. A mesma situação ocorre, mas com os contatos de baixo, que estão abertos, ou seja, sem circulação de corrente entre bornes, e passam a ser fechados, permitindo a passagem de eletricidade.</p><p>2 ELEMENTOS DE AUTOMAÇÃO 23 Semelhante aos botões de comando, mas acionadas através de movimentos realizados pelo equipamento durante seu funcionamento, a próxima figura representa um tipo de chave fim de curso. Neste caso, trata-se de uma chave de segurança aplicada em portas e obstáculos/anteparas móveis. Figura 2 Chave de segurança fim de curso Fonte: SENAI (2016) Uma das características exigidas pela NR12 (BRASIL, 2016) é: 12.36 - Os componentes de partida, parada, acionamento e controles que compõem a interface de operação das máquinas e equipamentos fabricados a partir de março de 2012 devem: a) possibilitar a instalação e funcionamento do sistema de parada de emergência, quando aplicável, conforme itens e subitens do capítulo sobre dispositivos de parada de emergência, desta norma; e b) operar em extra baixa tensão de até 25 VCA (vinte e cinco Volts em corrente alternada) ou até 60 VCC (sessenta volts em corrente contínua), ou ser adotada outra medida de proteção contra choques elétricos, conforme Normas Técnicas oficiais vigentes. Como a maioria dos CLPs já trabalham com tensões de 12 ou 24 VCC, esta condição de aplicação de tensão de segurança é atendida automaticamente pelo sistema. No ANEXO IV - GLOSSÁRIO desta mesma Norma Regulamentadora, consta Chave de segurança: componente associado a uma proteção utilizada para interromper o movimento de perigo e manter a máquina parada enquanto a proteção ou porta estiver aberta, com contato mecânico como as eletromecânicas, ou sem contato, como as ópticas e magnéticas. Deve ter ruptura positiva, duplo canal, contatos normalmente fechados e ser monitorada por interface de segurança. A chave de segurança não deve permitir sua manipulação burla por meio simples, como chaves de fenda, pregos, fitas, etc. (BRASIL, 2016).</p><p>24 FUNDAMENTOS DE AUTOMAÇÃO Para atendimento deste quesito, a chave de segurança deve dispor sempre de dois contatos internos energizados e que estes sejam sempre do tipo Estes dois itens são para permitir acionar, sempre que necessário, a chave de segurança. Em caso de falha de um dos contatos, o outro consiga transmitir a informação de que a chave foi acionada e que a ação de abertura desta gere sempre um rompimento físico de contatos elétricos. o que foi descrito para o caso da chave de segurança, também vale para o caso da aplicação de um botão de emergência. Mas, tanto os botões como as chaves fim de curso necessitam sempre de uma ação mecânica, podendo ela ser originada por ação de uma pessoa, bem como por parte de um contato físico de um dispositivo mecânico. 2.1.2 SENSORES Os sensores são elementos transdutores com capacidade de transformar estímulos mensuráveis em sinais elétricos, com aplicação nos mais diversos tipos de equipamentos e etapas dos processos. Dentre os diversos tipos e funções, os sensores são utilizados para informar e coletar dados que podem servir para correções e ajustes imediatos no processo, definição de etapas do processo e/ou até para gerar histórico das Você sabia que grande parte dos sensores empregados nas indústrias atualmente foram inspirados, de alguma forma, nos sentidos dos seres vivos, como o tato, a visão, o olfato e a audição? Além disso, muitos sensores têm capacidades que só os animais ? CURIOSI possuem. Para você ter uma ideia, alguns seres vivos reconhecem outros organismos DADES a sua volta por meio de vibrações eletromagnéticas e pelos seus sentidos de olfato. Desta forma, o princípio de funcionamento de sensores industriais do tipo indutivo segue o mesmo raciocínio, porém, voltado a captação do campo magnético. No universo dos sensores, as funções e capacidades se diferenciam fornecendo informação de extrema importância para o sistema de tomada de A seleção do tipo e tecnologia empregada no sensor para uma determinada medida deve sempre levar em consideração alguns fatores, ou seja, conhecer a grandeza a ser medida, o ponto de medição, informações técnicas do sensor (robustez, tipo de sinal gerado, sensibilidade, resolução, tempo de resposta, precisão e SENSORES DIGITAIS Basicamente, os sensores digitais são utilizados para informar a ocorrência de um evento ou não por meio de um sinal ligado ou desligado. Com construção relativamente simples e aplicação direta em lógicas de circuitos, após detectada a grandeza monitorada, o sensor transfere o sinal elétrico para a saída conectada ao circuito de tomada de</p><p>2 ELEMENTOS DE AUTOMAÇÃO 25 Os sensores digitais convencionais são divididos em quatro tipos de saída: a) sensor digital com contato normalmente aberto (NA): b) sensor digital com contato normalmente fechado (NF); c) sensor digital NPN (sinal negativo); d) sensor digital PNP (sinal positivo). Em sensores digitais com contato normalmente aberto, devem existir, no mínimo, dois terminais de conexão ao circuito atuando como uma chave aberta, ou seja, o contato se fecha, possibilitando a passagem de corrente elétrica ao detectar a ocorrência de algum evento. Já os sensores digitais com contato normalmente fechado têm seu princípio de funcionamento exatamente igual aos de contato NA, porém a única diferença é que o contato NF permitirá a passagem de corrente elétrica até detectar a ocorrência de algum evento que abrirá a chave, interrompendo a passagem de Nestes dois casos apresentados, não existe a necessidade de alimentação para o funcionamento. Porém, existem alguns modelos que se utilizam de filtros e circuitos eletrônicos e ainda necessitam de alimentação para seu funcionamento. Para estes casos, deverá ser observado o nível de tensão, corrente e a polarização correta do sensor para evitar possíveis danos ao mesmo. Com as tecnologias atuais, a maioria dos sensores não utilizam contatos mecânicos e boa parte dos modelos disponíveis no mercado fazem seu acionamento por meio de semicondutores, que geralmente são transistores bipolares. Seguindo a lógica do transistor, os sensores com saídas deste tipo apresentam características diferentes, com comportamento NPN (Sinal Negativo) ou PNP (Sinal Positivo), conforme os diferentes modelos da figura, a + + NPN NA PNP NA + + NPN NF PNP NE + + NPN NA+NE PNP Figura 3 Sensores NPN e PNP Fonte: adaptado de Fargo</p><p>26 FUNDAMENTOS DE AUTOMAÇÃO Na figura anterior, é possível observar que, indiferente dos sensores NPN ou PNP, é necessário alimentar os terminais (+) positivo na cor marrom, (-) negativo na azul e o terminal preto, que geralmente fornece o sinal de saída. Diferentemente, para sensores de dois condutores de saída, há um preto e um vermelho, conectados em série com o contato NA e Embora existam normas a serem seguidas para as cores dos condutores dos sensores, nem todos os fabricantes seguem estas recomendações. Desta forma, torna-se imprescindível observar as recomendações do manual técnico do sensor de cada fabricante. Em aplicações industriais, geralmente os sensores recebem alimentação 24 V em corrente sempre garantindo que o nível de tensão esteja dentro dos limites máximos e mínimos, para evitar danos irreversíveis ao sensor. Sempre que houver uma ocorrência em que o sensor for desenvolvido para detectar automaticamente, este irá alterar seu estado de saída, o que é comum para os diversos tipos de sensores. No caso do sensor PNP, ao detectar a ocorrência, passará a fornecer um sinal alto em seu terminal de saída (geralmente 24V). Assim que o sensor detectar a interrupção da ocorrência, retornará à condição inicial do terminal de saída com impedância elevada, comportando-se como uma chave aberta. Já no sensor com configuração ao detectar a ocorrência, será fornecida uma tensão de nível baixo (GND). Interrompida a detecção, o sensor volta à condição inicial com alta impedância de saída, também se comportando como uma chave aberta, o que pode representar um sinal não definido e corrente pouco significativa. Caso seja necessário definir melhor o nível de tensão dos sensores, é possível utilizar um resistor de PULL-UP, no caso de sensores NPN, para elevar a tensão, ou um resistor de PULL-DOWN em sensores PNP, para reduzir a Na figura, a seguir, é possível observar a conexão dos sensores, assim como dos resistores de definição do nível de Carga Carga Sem detecção Com detecção Sinal Sinal alta SENSOR NPN Carga Carga Sem detecção Com detecção Sinal + Sinal alta impedância SENSOR PNP Figura 4 Sensores PNP e NPN com resistor de definição de sinal para alta Fonte: adaptado de SENAI (2012a)</p><p>2 ELEMENTOS DE AUTOMAÇÃO 27 É comum instalar resistores de PULL-UP (NPN) ou PULL- DOWN (PNP) com valores de 10 MO para definição do nível de tensão quando o sensor estiver em estado de detecção. Porém, é importante sempre consultar a folha de dados de cada sensor, pois alguns modelos já possuem este recurso instalado em seu circuito interno, sendo que, para as aplicações que seguem os padrões industriais, este resistor se torna desnecessário. Embora a finalidade principal dos sensores digitais seja fornecer informações de ocorrências ou não por meio de suas saídas digitais, eles podem disponibilizar também informações mais complexas por meio de sua saída de dados. Este é um recurso muito utilizado em sistemas industriais equipados de sensores com capacidade de integrar sistemas de controle em redes digitais de dados. SENSORES ANALÓGICOS Muito diferente dos sensores digitais, que são caracterizados pela presença ou não de um sinal de saída, os sensores analógicos fornecem informações que variam uniformemente dentro de uma faixa específica de valor, de acordo com a grandeza a ser medida, que pode ser traduzida em sinal variável de corrente ou tensão, ou ainda, sensores que podem representar variações de frequência ou Este tipo de sensor é muito utilizado para medir grandezas, como temperatura, pressão, vazão, luminosidade, distância, posição, velocidade, força, umidade, aceleração, dentre outras. No meio industrial, é muito comum encontrar sensores analógicos com diferentes tipos de saídas, conforme é apresentado a seguir. Sensores analógicos com saída de tensão de a 10 V: são facilmente implantados em sistemas automatizados que utilizam Controladores Lógicos Programáveis (CLPs). É também a faixa mais comum em sensores com em sinal de tensão, embora seja possível encontrar dispositivos com outras faixas de saída. Sensores analógicos com saída de corrente de a 20 miliamperes: apresentam uma melhor intensidade de sinal em relação aos sinais analógicos de tensão. Porém, uma desvantagem presente em sensores com esta faixa de sinal de saída está relacionada a uma ocorrência de rompimento do condutor do sinal de saída, em que este é interpretado como um sinal zero gerado pela saída do sensor. Sensores analógicos com saída de corrente de 4 a 20 miliamperes: com vasta aplicação industrial, este tipo de transmissão de dados é muito utilizado por apresentar excelente sinal. Além disso, permite a detecção de rompimento do condutor de sinal de saída com a falta de corrente ou um curto-circuito, apresentando corrente infinita. Ainda, possibilita a detecção de anomalia por malha de controle. Como grande parte dos sensores analógicos geram respostas de saídas não lineares, conforme a grandeza a ser medida, podem apresentar grandes variações de sinal. Desta forma, dependendo do tipo e característica de saída, sensores com curvas mais complexas utilizam circuitos de processamento para que a malha de controle faça a intepretação e conversão dos sinais de maneira adequada.</p><p>28 FUNDAMENTOS DE AUTOMAÇÃO Além dos sensores analógicos padrões já apresentados, embora não tenham ampla aplicação industrial, outros padrões de variações estão disponíveis no mercado, como 0 a 5 V, 0 a +/-5 V e -10 a 10V. SENSORES DE TEMPERATURA Dentre as diversas formas de energia, o calor é uma delas, permitindo ser transformada ou transferida por condução, convecção e irradiação. o calor tem a capacidade de realizar o processamento e a transformação de materiais, alterando propriedades mecânicas, químicas e elétricas. Controlar a temperatura de um ambiente, de um processo ou de um equipamento sempre é um fator crítico e precisa ser constantemente monitorado a fim de garantir o funcionamento do sistema que está sendo controlado. A variação de temperatura também irá representar uma variação de resistência em elementos condutivos. Em grande parte dos componentes eletrônicos, é uma propriedade indesejável, obrigando a implantação de circuitos de compensação para os casos extremos de precisão e estabilidade. No entanto, para os casos dos sensores de temperatura que necessitam de grande sensibilidade, passa a ser uma propriedade extremamente útil. E, os elementos resistivos que possuem maior sensibilidade à variação de temperatura são os mais aplicados em Alguns tipos de termistores apresentam uma resposta proporcional à variação de temperatura, ou seja, quanto maior a temperatura, maior o valor de resistência, como no caso do PTC (Positive Temperature Coefficient Coeficiente Positivo de Temperatura). Já em termistores do tipo NTC (Negative Temperature Coefficient - Coeficiente Negativo de Temperatura), a resposta é inversamente proporcional ao valor de temperatura. Conforme a temperatura vai se elevando, a resistência do componente Observe o gráfico a seguir. Termistor PTC Alta Média Baixa Termistor NTC 0 Baixa Média Alta Temperatura Figura 5 Gráfico da curva de sensores PTC e NTC (Genéricos) Fonte: adaptado de Patsko (2006)</p><p>2 ELEMENTOS DE AUTOMAÇÃO 29 Como visto, os dois tipos de termistores (PTC e NTC) são classificados conforme a resposta em função da temperatura. Ao selecionar um termistor, é conhecer sua faixa de medição e os valores máximos e mínimos de resistência desta faixa. Caso sejam submetidos a condições de trabalho fora da faixa adequada, poderão apresentar comportamento indesejável. Além disto, os termistores são componentes relativamente baratos que são associados a circuitos de controle mais complexos para corrigir sua não linearidade. Em alguns casos, possuem até função de proteção do circuito eletrônico, substituindo os tradicionais Além dos termistores, existem também os termopares, que são elementos com capacidade de transformar energia térmica em energia elétrica por meio da união de dois metais diferentes. A junção destes dois metais, quando aquecida, acaba gerando uma pequena tensão proporcional ao calor que a junção foi exposta. Embora seja possível construir termopares a partir da combinação de quaisquer dois metais, a junção fica restrita em combinações já normatizadas, em função de já se conhecer os valores previsíveis de tensão que suportam a gama enorme de temperaturas. Toda combinação dos termopares é constituída por um par metálico, com um elemento positivo (gera lacunas) e o outro elemento negativo (gera elétrons). Desta forma, quando esta junção é submetida a uma variação de temperatura, surgirá uma corrente entre eles. Os termopares são componentes que não toleram trabalhar em temperaturas abaixo ou acima da faixa que foram projetados, podendo até causar danos irreversíveis e permanentes se utilizados fora da especificação técnica. Diante dos diversos tipos de termopares que serão vistos na sequência, vários são os fatores que poderão influenciar na escolha, desde o tipo de liga, a construção física do termopar, ou seja, para cada processo, é necessário uma construção física específica, sendo que, em alguns processos, o material utilizado na construção do termopar poderá sofrer agressões que o deteriorem. Além da construção física e do tipo de liga utilizado, é preciso levar em consideração a gama de temperatura suportada, a exatidão, a confiabilidade das leituras e etc. o quadro, a seguir, apresenta os modelos comerciais de termopares mais utilizados e suas TIPO COMPOSIÇÃO FAIXA DE UTILIZAÇÃO CARACTERÍSTICA K Niquel-cromo/Niquel- -270 até 1.200 C° É um termopar de uso genérico, baixo custo, que, aluminio devido à sua popularidade, encontra-se disponível em várias sondas e apresenta sensibilidade de E -270 até 1.000 Com uma sensibilidade elevada, de 68 o que torna este tipo de termopar adequado para baixas</p><p>30 FUNDAMENTOS DE AUTOMAÇÃO TIPO COMPOSIÇÃO FAIXA DE UTILIZAÇÃO CARACTERÍSTICA J Ferro/Cobre Níquel -40 °C a 760 °C Com uma gama restrita, entre -40 °C a possui menor popularidade em comparação ao tipo K. Caso utilizado em temperaturas superiores a sofre uma transformação magnética abrupta, danificando sua calibração. N Níquel Cromo -270 °C a 1300 °C Desenvolvido como uma evolução do tipo K o (+) termopar tipo N é adequado para medições de Níquel temperaturas elevadas, devido à sua elevada (-) resistência à oxidação e à estabilidade em altas temperaturas, sem necessidade de recorrer aos modelos que utilizam platina em sua composição. Além disso, apresenta um custo mais B Platina 30% Ródio/Platina 0 °C a São termopares muito estáveis, mas com 6% Ródio sensibilidade baixa na ordem de 10 Embora seja adequado para altas temperaturas, de até em função de apresentar a mesma tensão de de 0 a 42 fica impossibilitado de ser aplicado abaixo dos Com custo elevado, geralmente é utilizado para medir temperaturas a partir dos R Platina 13% Ródio/Platina a 1768 °C Com custo elevado e reduzida sensibilidade, na ordem de 10 pode ser utilizado para medir temperaturas de até 1768 S Platina 10% Ródio/Platina a 1768 Muito semelhante às caracteristicas do termopar do tipo R o termopar tipo S é adequado para medir temperaturas de até 1768 Possui sensibilidade baixa na ordem de 10 elevada estabilidade e alto custo. T Cobre/Cobre -270 o termopar tipo T é um dos mais indicados para (+)/(-) realizar medições na gama dos -270 °C a 370 Quadro 1 Tipos características de termopares Fonte: adaptado de SENAI (2012a) É importante observar as técnicas entre a escolha do termopar e o equipamento de medida para que não se limite a faixa de temperatura que será medida. A grande maioria dos termopares disponíveis no mercado são encapsulados em sondas, hastes metálicas, com características construtivas capazes de operar em ambientes que possam ser hostis. Este encapsulamento, conforme pode ser visto na figura, a seguir, proporciona robustez ao componente, além de facilitar a instalação e a manutenção do mesmo.</p><p>2 ELEMENTOS DE AUTOMAÇÃO 31 Figura 6 Sonda com termopar Um dos principais motivos da utilização em larga escala dos termopares em processos industriais é o comportamento linear em determinadas faixas de temperatura, conforme é possível observar no gráfico, a seguir, que demonstra as caraterísticas de temperatura em relação a tensão gerada para cada tipo de termopar. 70 E 60 K 50 Tipo B N Tipo N 40 Tipo R Tipo S 30 Tipo K Tipo E 20 T R Tipo J S Tipo T 10 B -0 -10 -200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Temperatura Figura 7 - Curvas de termopares entre temperatura e tensão gerada em adaptado de SENAI (2012a) Assim como todos os tipos de sensoriamento, os sensores de temperatura são parte integrante de um sistema de controle robusto e extremamente necessário no controle de processos industriais nos dias atuais, busca-se cada vez mais reduzir desperdícios por meio de sistemas automatizados.</p><p>32 FUNDAMENTOS DE AUTOMAÇÃO Outro fator de extrema importância que precisa ser levado em consideração ao instalar termopares é o cabo de compensação e extensão para conectar o sensor ao equipamento de medição. Assim como os sensores. estes cabos devem seguir normas específicas que servem de referência para instalação da malha de medição. No quadro de referência, a seguir, são apresentadas as cores dos cabos, conforme as normas ANSI, IEC, DIN e JIS. Condutores Normas Tipo Internacional Condutor Condutor ANSIMC 96 1 DIN 43710 JIS C1610-1981 IEC 584-3 Ferro (Fe) Constantan J (Magnético) (Cu-Ni) Níquel-Alum Ni- K (Ni-Cr) Al (magnético) Constantan T Cobre (Cu) (Cu-Ni) Constantan Niquel-Cromo E Cobre-Niquel (Ni-Cr) (Cu-Ni) Nicrosil Nisil N (Ni-Cr-Sil) (Ni-Si-Mg) R Cobre (Cu) LIGA 11 (Cu-Ni) S Cobre (Cu) LIGA 11 (Cu-Ni) B Cobre (Cu) Cobre (Cu) Quadro 2 Referência de cores para cabos de extensão e compensação Fonte: adaptado de Pirométrica No Brasil, os padrões adotados para fabricação de cabos de extensão e compensação seguem as referências da norma internacional IEC Como em qualquer condutor de eletricidade, estes condutores possuem tolerâncias significativas com relação à temperatura de operação. Em média, os cabos apresentados anteriormente possuem range de operação entre -25°C até podendo alguns chegar a 200°C, como o cabo tipo J. É recomendado que nenhum condutor opere sob condições nominais máximas, pois sua isolação pode ser afetada. Desta forma, considerando todos os fatores que podem interferir na aplicação dos termopares, as condições de operações devem ser mantidas dentro dos limites de trabalho e que garantem seu bom</p><p>2 ELEMENTOS DE AUTOMAÇÃO 33 SENSORES DE PRESSÃO A deformação ou deflexão causada em materiais sobre pressão pode ser temporária e, quando alterada, diminuída ou interrompida, o material deverá retornar ao estado original. Como alguns materiais reagem à variação de pressão a que são submetidos, alterando suas propriedades condutivas, os piezoresistores submetidos à pressão geralmente reagem diminuindo sua resistência de forma inversamente proporcional à pressão a que são submetidos. Sensores de pressão mais complexos, com saídas digitais ou analógicas, utilizam piezoresistores em encapsulamentos que tem propriedades de deformação e recebem a pressão positiva ou negativa que será convertida em sinal elétrico, conforme a figura a seguir de um piezoresistor. Figura 8 utilizado como elemento detector de pressão Fonte: SENAI (2016) Conforme a variação de pressão em determinados materiais, grandezas como tensão, corrente, capacitância e resistência podem sofrer variações que, combinadas, são processadas de forma que possam mensurar a variação de pressão. Com isso, tem-se outros exemplos de sensores de pressão, como os capacitivos e ópticos. o sensor óptico é composto de um LED, (em inglês Light Emitting Diode - Diodo Emissor de Luz), neste caso, emissor de luz infravermelha, e dois fotodiodos, em que um deles é utilizado como referência e outro para medição. Quando o sensor é submetido à pressão, uma palheta começa a cobrir o fotodiodo de medição, diminuindo a intensidade da luz recebida. Dessa diferença entre a luz recebida pelos dois fotodiodos resulta o valor da pressão medida. Um dos menos utilizados, o sensor capacitivo funciona através do movimento entre seu diafragma e sua base, semelhante às armaduras de um capacitor variável. Sua capacitância varia quando submetido à pressão, que pode ser medida de acordo com uma referência pré-estabelecida.</p><p>34 FUNDAMENTOS DE AUTOMAÇÃO Com aplicação em sistemas de balanças e até detectores de vibração, os sensores de pressão geralmente são utilizados em sistemas que demandam uma saída em formato analógico, porém podem fazer conversões e fornecer um sinal digital. Este é o caso dos modelos mais comuns, que utilizam contrarresistência, ou seja, força de oposição à pressão controlada por uma mola, que, ao atingir a resistência definida, dispara o contato on/off, informando alcance da pressão. SENSORES DE VAZÃO Embora os sensores de vazão possam ser aplicados em sólidos, como grãos da indústria alimentícia, pó, minérios triturados, polímeros, entre outros materiais, este tipo de sensor tem grande aplicação em líquidos e gases, que geralmente são elementos com facilidade de transporte através de tubulações com fluxos Sensores de vazão são elementos que podem ser aplicados em determinados processos automatizados com a finalidade de medir o fluxo ou quantidade de materiais que circula através daquele ponto em função do tempo. Dependendo de cada aplicação e modelo de sensor, tem capacidade de medir a vazão de volumétricos em unidades de volume por tempo, como litros por segundo (L/s), metros cúbicos por hora galões por minuto (GPM), ou ainda, a vazão de mássicos em unidades de massa por tempo, como quilogramas por hora (Kg/h), toneladas por minuto (Ton/min) e miligramas por minuto (mg/min). Aplicados nos mais diversificados processos, o sensor de vazão pode apresentar inúmeras configurações, dependendo do que se vai medir, o grau de precisão necessário para aquele processo, resolução, vazão mínima e máxima, pressão a ser suportada, etc. Conforme o tipo de material a ser medido, será necessário considerar todos os aspectos que possam interferir na precisão, pois, além das caracteristicas do material, é preciso avaliar, também, o método utilizado. Por exemplo, usado quando é necessário mensurar a quantidade de sólidos transportados por uma esteira, em que a medida de vazão poderá ser realizada por meio de sensores que ficam pesando a esteira continuamente e/ou sensores que medem a altura do material que está sendo transportado pela esteira. Indiferente do método escolhido e dos recursos disponíveis, todos os dados são enviados dos sensores para a central de controle, que faz o processamento e a análise destas informações e posteriormente informa a quantidade de material de acordo a unidade de medida desejada. Em líquidos ou gases, torna-se um pouco mais simples a leitura da vazão, em função do fluxo contínuo do material dentro da tubulação. Neste caso, para este fluido, ganham destaque os sensores de vazão que utilizam turbinas, ou seja, as pás desta turbina que estão inseridas no interior da tubulação são forçadas a girar durante toda a passagem de fluido, as informações geradas pelo giro das pás também são encaminhadas para uma central de processamento destes dados, que, igualmente aos sólidos, processa as informações e fornecem um valor, neste caso, com uma precisão muito maior. Outro método utilizado para medir vazão é baseado na diferença de pressão existente entre a leitura realizada antes de um ponto de estrangulamento e após este ponto. Assim, a diferença de pressão entre os dois pontos será utilizada para determinar a vazão com boa aproximação.</p><p>2 ELEMENTOS DE AUTOMAÇÃO 35 Na figura, a seguir, é representada a tubulação contendo um ponto de estrangulamento e os pontos com diferentes pressões. P. P A. Área do buraco Área do cano de seção transversal Figura 9 Tubulação contendo um ponto de estrangulamento Fonte: SENAI (2016) o tubo de pitot, muito utilizado em aviões para calcular a velocidade por meio da vazão de ar, permite, por meio da diferença de pressão estática e dinâmica, determinar a vazão do fluido de forma muito Observe a figura. Pressão de Impacto Pressão estática (velocidade) Figura 10 Representação de um sensor tipo pitot Fonte: SENAI (2016) Na figura anterior, é representado um sensor do tipo pitot, em que é possível observar que a diferença entre a pressão de impacto e a pressão estática será diretamente proporcional à vazão do Existem ainda os rotâmetros, que são sensores de vazão utilizados apenas com líquidos e gases. Neste caso, fluido deve circular por uma passagem cônica com um elemento bloqueador. Devido à ação da gravidade, este elemento bloqueador tende a se deslocar para baixo, bloqueando o orifício de entrada do fluido. Quando o elemento bloqueador sofrer a força do fluido no sentido contrário em seu interior, o bloqueador tende a se movimentar para cima, até atingir o limite.</p><p>36 FUNDAMENTOS DE AUTOMAÇÃO Assim, o índice de passagem de fluido no interior do rotâmetro é dado quando os níveis de vazão forem suficientemente capazes de manter suspenso o bloqueador, de modo que o sistema entrará em equilíbrio e a altura do flutuador irá indicar os níveis de fluxo. conforme pode ser visto na próxima figura. Saída Limitador do bloqueador Níveis máximos Tubo afunilado de vidro Elemento bloqueador Níveis mínimos Limitador do bloqueador Entrada Figura 11 Fonte: SENAL (2016) E possível medir vazão nas mais variadas formas, como deslocamento de um fluido levemente condutor, que pode ser determinado através do campo magnético com sensores magnéticos indutivos ou ainda com um sensor óptico, utilizado na indústria automotiva para medição da vazão de combustível, que funciona através da contagem do número de pulsos recebidos por um fototransmissor ao receber o feixe da luz emitida por um LED e refletida pelas paletas da turbina. A diferença entre a geração e a captação de ondas sonoras propagadas na tubulação podem ser utilizadas por sensores de ultrassom para estimar a vazão de um fluido, que é obtida conforme a velocidade e o sentido de deslocamento da substância, associado a informações dimensionais da tubulação.</p><p>2 ELEMENTOS DE AUTOMAÇÃO 37 SENSORES ÓPTICOS OU FOTOELÉTRICOS Os sensores fotoelétricos aplicados na automação industrial baseiam-se na emissão e recepção do feixe de luz gerado pelo emissor, em que o feixe luminoso, ao atingir o receptor, precisa ser suficientemente intenso para que tenha capacidade para comutar a saída. São sensores constituídos de quatro partes: a) emissor de luz; b) receptor de luz; c) estágio de processamento; d) estágio de Além disso, são divididos em três categorias de funcionamento dependendo da aplicação. Acompanhe. a) Sistema de barreira: necessita de dois elementos associados, ou seja, um atua como responsável pela emissão do feixe de infravermelho ou visível (emissor) e outro elemento atua detectando o feixe emitido pelo emissor (receptor). Obrigatoriamente, emissor e receptor precisam ser dispostos alinhados frente a frente. Caso o feixe seja de alguma forma obstruído, isto será imediatamente detectado pelo receptor, que irá comutar o sinal de saída. b) Sistema reflexivo: é assim caracterizado quando o elemento de emissão e recepção está em um único invólucro. Neste caso, o feixe emitido pelo emissor será refletido por meio de um refletor que está a sua frente e remete a luz para receptor. Da mesma forma que o sistema de barreiras, caso o feixe seja obstruído de alguma forma, o receptor irá perceber e comutar sinal de c) Sistema difuso: este tipo de sistema utiliza apenas um elemento com emissor e receptor em único Porém, neste sistema, o feixe emitido pelo emissor é refletido para o receptor é o objeto detectado, isto é, diferente dos outros sistemas, que avaliam a interrupção do feixe de luz. Em outras palavras, este sistema avalia a luz que será refletida pelo objeto. Ainda sobre sensores pode-se citar os dispositivos utilizados para o acionamento da iluminação pública, que são popularmente conhecidos como fotocélula. São dispositivos que reagem à luz natural e, conforme a luminosidade pré-definida no sensor fotoelétrico atinge o nível mínimo, seu contato de saída é acionado. Embora nem todos os sensores fotoelétricos utilizem a mesma tecnologia, grande parte destes equipamentos trabalha com LDR (Ligth Dependent Resitor Resistor Dependente de Luz), que nada mais é do que um dispositivo que tem a sensibilidade de variar seu valor de resistência interna conforme a mudança de luminosidade ambiente.</p><p>40 FUNDAMENTOS DE AUTOMAÇÃO Observe a figura, a seguir, que mostra um exemplo de sensor de presença. Figura 15 Sensor de presença tipo Quando separados, estes sensores apresentam a seguinte característica: um dos sensores emite um sinal, e o outro componente é responsável por captar este sinal. o princípio de funcionamento deste tipo de sensor consiste no elemento receptor receber continuamente o sinal transmitido pelo emissor via camada de ar que se encontra no local. Se um obstáculo/objeto passar na frente destes dois elementos sensores, o sinal captado no elemento receptor será interrompido, computando-se esta alteração de status na entrada digital do CLP, seguido das intervenções que sejam programadas no sistema. Os dispositivos que mais utilizam este processo de emissor/receptor são os sensores ópticos e ultrassônicos. Este processo de emissor/receptor pode ser constituído em um único elemento, em que o sinal emitido reflete no objeto e retorna ao ponto de partida, sendo captado pelo próprio emissor. A aplicação dos sensores ópticos e ultrassônicos não é recomendada em ambientes que possuam muito pó em suspenção ou vapor de líquidos, pois estes elementos que se encontram no ar podem se acumular na frente do emissor ou do receptor, interrompendo assim a transmissão do sinal e fazendo com que o sistema atue SENSORES DE POSIÇÃO Um encoder, como já descrito antes, é um sensor de posição que utiliza uma combinação de processos mecânicos, ópticos e eletrônicos para converter um movimento rotacional ou linear em um sinal elétrico. Este sinal pode ser do tipo pulso simples ou um conjunto de números binários, conforme o tipo de encoder aplicado.</p><p>2 ELEMENTOS DE AUTOMAÇÃO 41 Podem ser construídos em forma conforme figura apresentada a seguir, bem como sob a forma linear, como de uma régua. A utilização de uma ou de outra dependerá da aplicação. Figura 16 Encoder Classificados como incremental e absoluto, os encoders são bastante utilizados quando se necessita de precisão de movimentos. No tipo incremental, como o próprio nome sugere, seu processo de medição é por meio de incrementos constantes de pulsos simples (zeros e uns). Ele é muito utilizado em processos de medição de velocidade ou deslocamento, bem como de direção (está avançando para frente ou para trás). Seu custo de aquisição é consideravelmente menor do que do tipo absoluto, pois seu sistema construtivo eletromecânico é bem mais simples. No caso de uma medição de velocidade, o número de pulsos gerados por segundo representa uma determinada velocidade. É necessário, quando no processo de programação se registra a relação que existe entre o deslocamento físico real para cada pulso gerado, para que seja computado corretamente a velocidade lida. o mesmo se refere à medição de deslocamento, no qual, neste caso, intervalo de tempo não é contabilizado. Somente deve ser computada a quantidade de pulsos e o valor proporcional físico real de cada pulso. No caso do encoder absoluto, este é preferencialmente utilizado para medição de posição, pois cada pulso encaminhado para a entrada especial do CLP é composto por um número digital de alguns bits. Quanto maior for o número de bits, maior a precisão do encoder. Na próxima seção, você estudará as interfaces de saída. Acompanhe. 2.2 INTERFACES DE SAÍDA Assim como as interfaces de entrada, geralmente as saídas também necessitam ser adequadas para os níveis de tensão e corrente dos circuitos de potência. Desta forma, as interfaces ou módulos de saída têm a função de adequar eletricamente os sinais fornecidos pelos controladores para os circuitos controlados. Basicamente, as interfaces de saída se dividem em dois subgrupos: as digitais e as analógicas.</p><p>42 FUNDAMENTOS DE AUTOMAÇÃO Saídas digitais funcionam exatamente iguais a uma chave liga e desliga. Com esse tipo de controle, é possível controlar uma diversidade de equipamentos. A seguir, acompanhe exemplos de alguns dos possíveis dispositivos: a) relés; b) relés de estado-sólido; c) contatores; d) válvulas direcionais; e) solenoides; f) inversores de frequência; g) soft starter. Atualmente, é possível encontrar saídas digitais construídas de três formas diferentes: saída a relé, saída digital de 24 V em corrente contínua e saída digital a TRIAC (Triode for Alternating Current Triodo para Corrente Alternada). Indiferente da configuração de saída, geralmente é utilizado um circuito de isolamento galvânico normalmente optoacoplado. Saídas analógicas - com uma aplicação mais sofisticada, os módulos ou interfaces de saída analógica fazem a conversão de valores numéricos em sinais variáveis de corrente ou tensão. A seleção por controle de tensão ou corrente dos dispositivos atuadores que operam com sinais analógicos pode variar de acordo com o fabricante do dispositivo e sua aplicação. De maneira geral, é mais comum encontrar dispositivos que operam com sinais de corrente elétrica. A seguir, serão apresentados alguns dispositivos atuadores que emitem sinais de corrente ou tensão variáveis ao longo do tempo: a) servomotores; b) motor de passo; c) inversores de frequência; d) válvulas proporcionais; e) posicionadores rotativos e lineares. Por meio das interfaces de saída, os dispositivos atuadores em campo recebem os sinais digitais ou analógicos oriundos da unidade de processamento de um controlador programável. Essa característica só é possível devido à alta flexibilidade de dispositivos atuadores, sensores e outros elementos, que enviam e recebem sinais de tensão e corrente elétrica. Conheça, a seguir, os principais atuadores aplicados em sistemas comissionados de automação.</p><p>2 ELEMENTOS DE AUTOMAÇÃO 45 b) Cilindros pneumáticos de dupla ação Geralmente é o tipo de atuador mais utilizado, cuja característica principal é a possibilidade de realizar trabalho nos dois sentidos do movimento, sendo que possui dois orifícios para entrada e saída do ar comprimido, um de cada lado do êmbolo. Uma consideração importante a ser feita ao selecionar o cilindro de dupla ação é que, em função da área ser diferente dos dois lados do êmbolo, a pressão exercida sobre ele no lado da haste que irá ocasionar o retorno será menor, fornecendo uma força inferior à força de avanço da haste. Localizados nos cabeçotes do cilindro, os orifícios de entrada e saída do ar comprimido irão permitir movimento da haste. Veja a representação do cilindro de dupla ação na figura, a seguir. Cilindro de dupla Ação Simbologia Figura 18 Cilindro de dupla ação Fonte: adaptado de Parker (2000) Conforme representado na figura anterior, quando a haste estiver se movimentando no sentido de retorno (cilindro superior), a câmara em vermelho está recebendo o ar comprimido e a outra câmara, em azul, atrás do êmbolo, vai conduzir o ar até a válvula, que faz o direcionamento do ar para o cilindro e expulsar o para a atmosfera. Para o avanço da haste do cilindro, a válvula fará a inversão da condução do comprimido e irá fazer com que a haste do cilindro inicie o movimento de avanço (cilindro inferior), a câmara, em vermelho, estará recebendo o ar comprimido e a outra, em azul, a frente do êmbolo, fará o processo de expulsão também através da válvula. c) Atuador rotativo - motor pneumático Um motor pneumático tem condições de atender os mais variados tipos de cargas. Se os motores básicos forem associados com engrenagens planetárias, dentadas ou sem fim, ampliam significativamente o momento torsor e o regime de revolução.</p><p>46 FUNDAMENTOS DE AUTOMAÇÃO Com estrutura robusta, foi desenvolvido para suportar calor excessivo, umidade, vibrações, entre outras hostilidades, permitindo operar em condições extremas. Um motor pneumático pode ser submetido a uma sobrecarga, chegando até a parar o rotor, sem que seja ocasionado qualquer dano. Em geral, todos os motores pneumáticos possuem duplo sentido de giro. Se comparado ao motor elétrico de mesma potência, o motor pneumático tem um peso muitas vezes Na figura, a seguir, observe o princípio de funcionamento e curva de desempenho de motor pneumático. 1 Cilindro do Motor 1 2 2 Rotor 3 Palhetas 5 4 Molas 5 Tampa M - Momento de Torção (Nm) P Potência A 16,0 2800 M 12,0 2400 2000 8,0 1600 3 4 1200 4,0 400 Entrada do Ar Entrada 400 Esquerda Remanescente Direita 1 1500 3000 4500 6000 7500 2 Número de Revoluções (rpm) Area de Trabalho do Motor Curva de desempenho genérico 4 3 Figura 19 Principio de funcionamento e curva de desempenho de motor pneumático Fonte: adaptado de Parker (2000) Cada motor pneumático tem uma curva de desempenho diferente, na qual geralmente é informado o momento torsor e a potência em função do número de revoluções. Na maioria dos casos, a potência máxima é desempenhada quando eixo está girando próximo a 50% da velocidade máxima Na figura anterior, foi possível visualizar basicamente o princípio de funcionamento e a curva de desempenho genérico de motor pneumático. Além dos atuadores já apresentados neste livro didático, existem ainda outros tipos de atuadores que possuem características construtivas e aplicações mais específicas, como os cilindros de dupla haste, cilindros sem haste, cilindros tandem, e músculos pneumáticos. d) Válvulas pneumáticas direcionais</p><p>2 ELEMENTOS DE AUTOMAÇÃO 47 São elementos de comando que têm a importante função de controlar a direção do fluxo de ar, para ocasionar o movimento dos atuadores no sentido correto. Ao utilizar válvulas direcionais, é de extrema importância ter conhecimento de algumas características técnicas: a) número de posições; b) número de c) acionamento (comando); d) tipo de e) vazão; f) posição As válvulas direcionais mais utilizadas são os modelos 5/2 vias, 3/2 vias, 2/2 vias e 4/2 vias. Neste caso, o primeiro algarismo informa a quantidade de vias, e o segundo, informa a quantidade de manobras distintas que uma válvula direcional pode realizar quando sofre ação do comando. Simbolicamente, a válvula direcional é representada por um retângulo divido em quadrados em que a quantidade de quadrados representa a quantidade de posições que a válvula pode Já o número de conexões de trabalho que uma válvula possui serão as vias. São consideradas como vias a conexão de entrada de pressão, conexões dos atuadores e/ou utilização e escape. Na próxima figura, você poderá conhecer a simbologia da válvula direcional 5/3 vias e a identificação conforme a Norma ISO 1219. 4 2 NORMA ISO 1219 Conexões Pressão 1 2 4 6 14 12 Escape 3 5 7 Piloto 10 12 14 5 1 3 = Passagem = 02 vias T = Bloqueio 01 vias Figura 20 Simbologia da válvula 5/3 vias e identificação conforme Norma ISO 1219 Fonte: adaptado de Parker (2000) Conforme representado na figura anterior, as conexões de uma válvula direcional são identificadas seguindo normas, que, neste caso, está representada uma válvula direcional de 5/3 vias de acordo com a NormalSO 1219. Observe que, quando utilizado o símbolo de representação de passagem, são consideradas duas vias e, ao utilizar a simbologia de bloqueio, apenas uma via, ou seja, a quantidade de vezes que os símbolos internos tocam as extremidades do quadrado central é exatamente a quantidade de vias.</p><p>48 FUNDAMENTOS DE AUTOMAÇÃO SAIBA Além da Norma ISO 1219 (descontinuada), há uma norma brasileira equivalente MAIS que estabelece a simbologia a ser utilizada nos diagramas de sistemas hidráulicos e pneumáticos. Para saber mais, consulte a NBR 8897, da ABNT. o acionamento e comando das válvulas pode ser realizado das mais variadas formas: manual, mecânico, pneumático, elétrico e combinada. A pilotagem, que foi representada na simbologia e identificada pelos números 12 e 14, ocorre por meio de acionamento pneumático com retorno por molas. Outra opção de controle sobre atuadores é pelo meio representado na figura, a seguir, que é uma válvula de controle proporcional de pressão ou vazão. Figura 21 de controle proporcional de pressão/vazão Este tipo de válvula é muito aplicado em sistemas pneumáticos e hidráulicos para o controle efetivo de vazão ou pressão das redes de distribuição de fluidos hidráulicos ou do comprimido. ATUADORES HIDRÁULICOS Basicamente a única diferença entre os atuadores hidráulicos e pneumáticos é o fluido que circula no sistema. Em sistemas hidráulicos, é utilizado o óleo, e em sistemas pneumáticos, utiliza-se o comprimido, com funcionamento igual para os dois Os atuadores hidráulicos se dividem em dois tipos: lineares e Embora as características construtivas dos atuadores hidráulicos demandem uma robustez maior, a função do cilindro hidráulico é converter energia hidráulica em energia mecânica linear ou rotativa, conforme o tipo construtivo de cada atuador.</p><p>2 ELEMENTOS DE AUTOMAÇÃO 49 No quadro, a seguir, serão apresentadas algumas vantagens e desvantagens dos sistemas hidráulicos. Acompanhe. SISTEMAS HIDRÁULICOS VANTAGENS DESVANTAGENS Controle e ajuste preciso de velocidade e força. Custo inicial elevado, se comparado a sistemas Devido à excelente condutividade térmica do óleo, a troca de calor acaba ocorrendo no próprio reservatório, eliminando a Elevado custo do fluido (óleo mineral ou necessidade de instalação de trocadores de Dificuldade de transporte do óleo através da tubulação em Elementos do sistema de elevada confiabilidade e função da viscosidade, velocidade limitada e ainda a necessidade de retorno ao tanque. Sensibilidade do óleo a variações de temperatura, com risco de Sistema auto lubrificado. incêndio ou até caso ultrapasse o limite máximo de temperatura. Excelente relação Peso Dimensões x Potência, se comparado a hidráulico não pode ser jogado diretamente na natureza, outros sistemas. pois é poluente. Elementos de construção complexa e demanda extrema precisão. Inversão de movimento rápido e suave em função da baixa inércia Perdas por atrito e vazamento internos em do sistema. Obrigatoriedade de dispositivo limitador de pressão máxima de trabalho, para garantir a segurança contra sobrecarga. Quadro 4 Vantagens e desvantagens dos sistemas hidráulicos Fonte: SENAI (2016) Devido aos custos consideravelmente elevados, os atuadores hidráulicos são aplicados geralmente em sistemas comissionados que necessitam de elevada dinâmica de operação, isto é, aplicações relacionadas à força demasiada do sistema hidráulico para converterem energia hidráulica em energia mecânica, como a utilização de prensas hidráulicas para moldar peças metálicas. a) Cilindro hidráulico de simples ação Entre os diversos tipos de atuadores hidráulicos encontrados na indústria, existem os cilindros de simples ação, em que o avanço é realizado por meio do fluido e o retorno é realizado por ação de uma mola ou por gravidade. o dimensionamento e características destes mecanismos são definidos a partir da aplicação, em que é selecionado o diâmetro de tubo e haste definido de acordo com a força a ser realizada, assim como o tipo de ação e o tipo de haste.</p><p>50 FUNDAMENTOS DE AUTOMAÇÃO Dentre as inúmeras possibilidades de fixação dos cilindros, de maneira geral, é recomendável a fixação das duas extremidades do cilindro, mesmo que a forma de fixação selecionada varia de acordo com a aplicação e das características da máquina e dos acessórios utilizados. b) Cilindro hidráulico de dupla ação Assim como nos atuadores pneumáticos, o cilindro hidráulico de dupla ação é o atuador hidráulico mais utilizado, com infinitas possibilidades de aplicação, como em prensas, fixadores, entre outras aplicações. Para evitar problemas de o curso da haste não deverá ser muito longo. Com objetivo de conservar o cilindro e as partes internas contra impactos excessivos, em alguns casos, são instalados dispositivos de amortecimento. Este mecanismo pode ser instalado em ambos os lados do cilindro, sendo que o dispositivo de amortecimento faz com que o movimento do cilindro seja reduzido antes que o êmbolo atinja o final do curso. Para cilindros com cursos completos em baixa velocidade, na maioria das vezes, não é necessária a aplicação de dispositivo de amortecimento. Já para as aplicações que demandem a instalação desse dispositivo, é possível ainda selecionar entre amortecimento fixo, amortecimento ajustável e amortecimento magnético. Os cilindros hidráulicos de dupla ação possuem algumas variações de construção, como: a) cilindro de dupla ação com haste dupla; b) cilindro tandem; c) cilindro duplex germinado; d) cilindro de impacto; e) cilindro de tração por c) Cilindro hidráulico telescópico. É um atuador composto por várias hastes montadas uma dentro da outra. Geralmente, este tipo cilindro é construído na forma de simples ação. Embora pouco utilizado, também pode ser encontrado com dupla ação, ou ainda uma de simples ação ou dupla ação em diferentes hastes do cilindro. o grande diferencial deste tipo de atuador é o pequeno comprimento ocupado pelo cilindro recuado em relação ao longo alcance da haste avançada. comumente empregado em caminhões equipados com implementos do tipo caçamba basculante ou guindastes. 3 Flambagem é o resultado de uma carga de compressão grande o suficiente para provocar uma deflexão ou oscilação lateral em um determinado elemento fino e alongado.</p><p>2 ELEMENTOS DE AUTOMAÇÃO 51 d) Atuador hidráulico rotativo Como visto nos atuadores lineares, o movimento da haste do cilindro é de movimento de translação. Já os atuadores hidráulicos rotativos basicamente têm a função de converter a energia hidráulica em movimento rotativo. Outro sistema de atuador hidráulico rotativo são os osciladores hidráulicos que transformam a energia hidráulica em torque, embora com um ângulo de giro limitado. Aplicações com ângulo de giro de até 280° permitem a utilização do tipo palhetas e, para ângulos maiores, o do tipo pinhão-cremalheira. e) Válvulas hidráulicas direcionais As válvulas direcionais utilizadas em sistemas hidráulicos são praticamente iguais às válvulas direcionais utilizadas em sistemas pneumáticos, pois têm o mesmo funcionamento. Com apenas algumas características construtivas diferenciadas em função da válvula direcional aplicada em sistemas hidráulicos trabalhar em níveis de pressão bem maiores, em torno de 150 bar, consequentemente apresentam-se maiores e mais robustas. Em sistemas hidráulicos que trabalham com válvulas de três posições, geralmente se utiliza apenas quatro vias, ao invés de cinco vias, como em válvulas pneumáticas, pois o fluido em circuitos hidráulicos trabalha em circuito fechado e necessita de um retorno para o tanque, bem diferente dos sistemas pneumáticos que têm escape para a atmosfera. ATUADORES ELÉTRICOS A categoria de atuadores elétricos inclui, principalmente, os diversos tipos de motores elétricos, motores de passo e solenoides e possuem deslocamentos de saída tanto linear como rotacional. Confira seus detalhes a seguir. a) Motores elétricos Atualmente, o motor elétrico está presente em praticamente todos os lares, comércios e indústrias, nas mais diversas aplicações e potências. Dentre os diversos tipos e tamanhos dos motores, todos têm algo em comum: necessitam de energia elétrica para produzir trabalho. Recentemente a Associação Brasileira de Manutenção (ABRAMAN) divulgou que a SAIBA idade média dos equipamentos nas Indústrias Brasileiras é de 17 anos, o dobro da MAIS idade média dos países desenvolvidos, em que mais de 62% da energia consumida na indústria é demandada por motores elétricos. Visite www.abraman.org.br e saiba mais.</p><p>52 FUNDAMENTOS DE AUTOMAÇÃO Motores de corrente alternada monofásicos: com maior aplicação em residências, escritórios, salas comerciais e meio rural, é uma alternativa geralmente empregada e viável em baixas potencias (1 a 2 kW), sendo que, na maioria das vezes, não está disponível uma rede trifásica. A seguir, serão apresentadas em vista explodida todas as partes que compõem um motor monofásico. Tampa traseira Capacitor Centrifugo Carcaça Rotor Ventilador Rolamento Tampa dianteira Platinado Rolamento Estator bobinado Figura 22 Vista explodida dos componentes do motor Fonte: SENAI (2016) Os motores monofásicos com rotor tipo gaiola ganham destaque entre os diversos tipos e características, pois sua manutenção é relativamente simples. São máquinas de fabricação extremamente fácil e robusta, em função de possuírem apenas uma fase de alimentação. Em seu funcionamento, há apenas um campo magnético pulsante. Assim, motores monofásicos tem como característica o baixo nível de torque, diferentemente dos motores trifásicos, em que existe a formação de um campo Motores de corrente alternada trifásicos: na maioria dos casos, aconselha-se utilizar motor trifásico em situações em que a potência necessária seja maior que 2 Em potências inferiores, mesmo que o desempenho do motor não seja tão bom quanto o dos trifásicos, aplica-se os monofásicos. Com ainda mais simplicidade de fabricação, se comparados aos motores monofásicos, os motores trifásicos têm larga aplicação nas indústrias e até em residências, considerando-se que é cada vez mais comum haver residências com ramais de entrada trifásicos. Uma das vantagens do motor trifásico em relação ao monofásico é partir com mais facilidade, ruído reduzido, baixo custo em potências superiores a 2 kW. Dependendo das características construtivas do motor, há a possibilidade de conexão em diferentes níveis de tensão, conforme sistema trifásico disponibilizado pela concessionária daquela região.</p><p>2 ELEMENTOS DE AUTOMAÇÃO 55 No caso de motores é possível calcular a rotação do rotor, utilizando a expressão a seguir: onde: n = Rotação (rpm); f = frequência (Hz); = Número de polos do motor; escorregamento. Considerando as características do motor utilizado no cálculo do item anterior, com um escorregamento de 3% e para os mesmos valores de frequência, veja o cálculo da diferença de velocidade entre o campo girante e o rotor. 60 Hz n = 1746rpm 50 Hz 1455 rpm 1500rpm - 1455 rpm = 45rpm</p><p>56 FUNDAMENTOS DE AUTOMAÇÃO Replicando os cálculos para 2, 4, 6, 8 10 polos, serão encontrados os valores expressos na tabela, a seguir. 50 Hz de Polos 2 4 6 8 10 Velocidade do rotor 2910 1455 970 727,5 582 Diferença de velocidade entre o rotor e campo girante 90 45 30 22,5 18 60 Hz de Polos 2 4 6 8 10 Velocidade do rotor 3492 1746 1164 873 698,4 Diferença de velocidade entre o rotor e campo girante 108 54 36 27 21,6 Tabela 1 Velocidade do rotor em 50 60 Fonte: SENAI (2016) Avaliando os valores da tabela anterior, é possível observar que, quanto maior o número de polos, menor será a diferença de velocidade entre os motores síncronos e Isto também confirma que força e velocidade são inversamente proporcionais, ou seja, quanto mais polos, maior a força e menor será a velocidade do motor. Esta afirmação é válida para motores síncronos e Partes de um motor de indução trifásico: um motor elétrico de indução trifásico é composto basicamente por dois conjuntos de partes: rotor e estator. o espaço entre estas duas partes é denominado de Na figura, a seguir, é apresentada uma vista explodida contendo todas as partes que compõem os dois conjuntos do motor trifásico. Tampa dianteira Rotor Carcaça Estator Tampa traseira Ventilador Tampa defletora Figura 23 Vista explodida dos componentes do motor o rotor, que é a parte girante da máquina, é composto de um eixo em aço inserido em um núcleo de chapas finas de aço magnético tratado termicamente, que, de frente, têm formato de anel e alojam os enrolamentos longitudinalmente. o material empregado no eixo do motor é tratado termicamente, evitando assim problemas de fadiga ou empenamento.</p><p>2 ELEMENTOS DE AUTOMAÇÃO 57 Como mencionado anteriormente, os motores podem ter dois tipos de rotores: rotor tipo gaiola de esquilo, que é composto de barras de material condutor localizadas em volta do conjunto de chapas do rotor, curto-circuitadas nas extremidades por anéis metálicos; e rotor bobinado, que é constituído de bobinas distribuídas em torno do conjunto de chapas do rotor e necessitam de anéis coletores com escovas de carvão para ter acesso aos terminais das bobinas do rotor. SAIBA Pesquise mais detalhes sobre o processo de fabricação e montagem de motores MAIS elétricos no Museu WEG de ciência e tecnologia WEG (http://museuweg.net/). o estator é o outro conjunto de partes do motor, composto da carcaça, núcleo de chapas e o enrolamento trifásico. A carcaça é a estrutura que basicamente tem o papel de unir todas as outras partes do motor e, na grande maioria das aplicações, fixá-lo à base de apoio onde o motor será instalado. Dependendo do tamanho, que varia de acordo com as características da carga, podem ser fabricadas em ferro fundido, chapa de aço ou até mesmo em alumínio, podendo ser com aletas ou não. A figura, a seguir, apresenta um motor com estator em carcaça aletada de ferro fundido, muito comum em aplicações industriais. Figura 24 Motor trifásico o núcleo de chapas é laminado e está inserido na carcaça, onde fica disposto o enrolamento trifásico. Geralmente, é constituído de chapas de aço silício tratadas termicamente e/ou com superfície isolada para reduzir as perdas no ferro ao mínimo. As perdas no ferro são conhecidas como correntes parasitas de Foucault, uma corrente elétrica que é induzida no interior de materiais condutores quando submetidos à variação do campo magnético. Outro fator que pode acarretar em perdas é conhecido como histerese, cujo efeito é caracterizado por materiais condutores absorverem, de forma permanente, uma magnetização remanescente dada pela intensidade do campo magnético.</p><p>58 FUNDAMENTOS DE AUTOMAÇÃO Já o enrolamento trifásico inserido no núcleo de chapas é composto por três conjuntos de bobinas exatamente iguais e posicionadas fisicamente a 120° umas das outras, conforme apresentado na figura, a seguir. 120 Figura 25 Enrolamento do motor SENAI (2016) Dependendo da aplicação do motor e do ambiente onde irá operar, as características técnicas e componentes podem variar, mas, na sua grande maioria, os motores elétricos possuem caixa de ligação, terminais de conexão com isolador, rolamentos, tampas, ventilador e tampa defletora. Você sabia que os últimos estudos técnicos divulgados em publicações especializadas revelam que a cada rebobinagem o motor elétrico pode perder de 1 a 5 pontos ? CURIOSI percentuais de seu rendimento? Reutilizar motores muito antigos afeta diretamente DADES o meio ambiente, pois tem um elevado consumo de energia e ainda baixo fator de potência, se comparado a motores novos de melhor rendimento. Em alguns casos, os motores novos chegam a consumir 35% menos energia elétrica. Princípio de funcionamento de um motor de indução trifásico: o enrolamento trifásico, já apresentado na figura anterior, irá constituir dois polos: um norte e um sul em cada uma das fases, onde seus efeitos se somam e formam o campo magnético H. fluxo magnético guiado através do núcleo de chapas do estator atravessa o rotor entre esses dois polos.</p><p>2 ELEMENTOS DE AUTOMAÇÃO 59 Para o caso de corrente alternada, o campo magnético H também terá a mesma característica, invertendo o sentido do ciclo a cada meio ciclo. Como sua intensidade varia diretamente com a proporção de corrente, o campo magnético H será pulsante. Como cada enrolamento trifásico será alimentado por um sistema trifásico, em que cada fase é defasada em 120° uma das outras, assim como a defasagem das fases e dos enrolamentos fisicamente, os campos magnéticos estarão defasados também em 120° entre si, sendo que o campo magnético H total será a soma dos campos naquele instante. Identificação dos terminais e funcionamento: todos os componentes e elementos de um sistema elétrico, mesmo que projetados para realizar funções exatamente iguais, poderão apresentar características técnicas totalmente diferentes em função do modelo e do fabricante. Desta forma, é recomendado que seja consultada a folha de dados ou o manual técnico para identificação dos terminais de conexão, configurações e princípio de funcionamento. ! FIQUE Geralmente, as características de tensão e corrente são fatores limitantes em função de que operar em condições acima dos limites definidos pelo fabricante poderá ALERTA ocasionar danos irreversíveis em partes ou na totalidade do componente. Com os avanços tecnológicos e a facilidade de informação, além dos manuais e outros documentos que acompanham os produtos, grande parte dos fabricantes já disponibiliza todas as informações técnicas e dicas importantes em seus portais na internet. São arquivos que podem ser adquiridos para utilização off-line, aplicativos e softwares, tudo isso com objetivo de explorar o que componente tem de melhor. CASOS E RELATOS Redução de custos Uma das maiores empresas no segmento alimentício, com operações em vários países da América Latina, Estados Unidos e Europa, também foi fortemente afetada pela queda de vendas imposta pelas barreiras internacionais de exportação, sentindo necessidade de reduzir os custos de produção.</p><p>60 FUNDAMENTOS DE AUTOMAÇÃO Desta forma, foi reunida toda a equipe de diretores e lideranças para uma tempestade de ideias para levantar as possibilidades de redução de custos. Porém, a ordem do presidente da empresa foi que a busca pela diminuição de custos não deveria passar pela demissão de pessoas, somente como alternativa, até porque recentemente já haviam realizado uma redução de 30% do quadro de Como resultado deste trabalho, foi constatado que as maiores contas eram a folha de pagamento, matéria-prima, despesas com embalagens dos produtos e energia elétrica. Algumas contas seriam reduzidas somente em casos extremos, e, portanto, ficou definido como prioridade a redução de conta de energia elétrica. Definido o foco a equipe, iniciou-se os trabalhos para identificação dos pontos críticos, sendo que foi observado neste levantamento o baixo desempenho de diversos motores elétricos e processos com nível de automação baixo ou inexistente. Foram realizados todos os levantamentos de oportunidades de melhorias juntamente com os investimentos necessários em equipamentos, adequações de segurança obrigatórias pelas normas NR-10 e NR12, e ainda treinamento dos operadores. o plano foi apresentado à diretoria e aprovado por unanimidade. Assim, foi definido que algumas máquinas receberiam um com motores de alto rendimento, equipamentos que consomem menos energia elétrica e Quanto aos operadores das máquinas, seria realizado, em parceria com o SENAI, uma qualificação para que possam operar os sistemas automatizados e diagnosticar pequenos problemas e realizar ajustes de da máquina. Dentre os diversos atuadores apresentados até aqui, fica evidente que os motores elétricos são usualmente encontrados na grande maioria em sistemas automatizados nas indústrias, com o objetivo de transformar energia elétrica em energia mecânica. A seguir, você irá conhecer outro elemento atuador utilizado para geração de energia térmica, como em sistemas de aquecimento. 4 Termo da inglesa que significa tempestade de ideias, é um método desenvolvido em 1948 pelo publicitário norte- -americano Alex Osborn e muito utilizado para testar e explorar a capacidade criativa de individuos ou grupos. 5 Termo comumente utilizado para designar o processo de modernização e atualização de algum equipamento considerado ultrapassado. 6 Procedimento realizado pelo operador em máquinas com elevado nível de automação, o setup é uma atividade de ajustes de na preparação da máquina, antes de entrar em operação.</p><p>2 ELEMENTOS DE AUTOMAÇÃO 61 RESISTÊNCIAS Quando uma diferença de potencial é aplicada a um condutor metálico e o mesmo se à passagem de corrente elétrica, essa propriedade é denominada de resistência elétrica. A resistência elétrica, quando percorrida por uma corrente, aquece em função do choque dos elétrons contra os átomos do condutor. Isso é chamado de efeito Joule, processo em que a energia elétrica se transforma em energia térmica. Todo esse calor produzido pela corrente que atravessa a resistência pode ser utilizado em diversos processos industriais, seja para o aquecimento direto ou indireto de ou líquidos, como água, soluções químicas. Geralmente as resistências elétricas utilizadas para fins industriais são fixadas em de diversos tamanhos, potências e formatos (reta, tubular de imersão, tubular aletada, tubular sobre borda, tubular flexível e conforme pode ser visto na figura, a seguir, que apresenta alguns dos tipos disponíveis no mercado. Figura 26 Resistências industriais de aquecimento Fonte: SENAI (2016) Para que o sistema tenha um bom desempenho, é recomendável que, por toda a extensão da tubulação, assim como o reservatório do líquido aquecido, tenha uma isolação térmica adequada, com o intuito de evitar perdas térmicas. 7 Peça com rosca externa em uma ou nas duas extremidades, cuja função é unir tubos, tubo e válvula e também realizar a fixação de acessórios</p><p>62 FUNDAMENTOS DE AUTOMAÇÃO b) Eletropneumática e eletro-hidráulica Sistemas eletropneumáticos ou eletro-hidráulicos basicamente apresentam as mesmas características que sistemas pneumáticos ou hidráulicos puros, sendo que a única diferença é que o controle de acionamento das válvulas direcionais terá pilotos comandados por solenoides, somada a elementos elétricos, como botoeiras, contatores, relé de tempo, sensores, fins de curso, controladores lógicos programáveis CLP, entre outros. Um fator determinante para a utilização de acionamento elétrico, muitas vezes, é a velocidade dos sinais de comando, que apresenta excelente velocidade de resposta em circuitos mais complexos ou em longas distâncias entre o emissor e o receptor. A tensão de alimentação recomendável em sistemas eletropneumáticos e eletro-hidráulicos é de 24 ao invés de utilizar tensões 127 V ou 220 V, que podem apresentar perigos e riscos elétricos aos usuários. Você verá, no capítulo seguinte, que os CLPs dispõem deste nível de Pressostato: Em sistemas eletropneumáticos e eletro-hidráulicos, além dos componentes e elementos com aplicação geral, são agregados elementos dedicados ao segmento, como é o caso do pressostato, que basicamente tem a função de proteger a integridade dos equipamentos do sistema. pressostato, ou sensor de pressão, tem a capacidade de converter as variações de pressão do sistema em sinal elétrico, pois tem um contato elétrico comandado por um piloto pneumático ou hidráulico, sendo que a movimentação dos contatos acontece toda vez que a pressão do fluido ultrapassar o valor ajustado na mola de reposição. Geralmente montados em linhas de pressão, porém, esses sensores permitem a aplicação em praticamente todos os pontos do sistema e detectam tanto sobrepressão como subpressão. Solenoide: é a denominação dada para uma bobina que normalmente utiliza fio de cobre enrolado em forma de espiras, com capacidade de criar um campo magnético uniforme, que terá capacidade de realizar ações de comando em válvulas direcionais com comando elétrico. Você sabia que em um solenoide a força de atração não tem a mesma intensidade no ? CURIOSI percurso percorrido pelo êmbolo? Ela aumenta à medida que o êmbolo magnético DADES é inserido no interior da bobina, atingindo o ponto de força máxima ao final do percurso. As aplicações de solenoides não se restringem apenas ao meio industrial, tendo um campo de aplicação muito vasto, como em eletrodomésticos ou ainda aplicações automotivas, náutica e aviação. Sem corrente elétrica circulando pelo solenoide, a mola mantém o êmbolo de material magnético na posição inicial de repouso. Dentre as diversas formas de converter energia elétrica em energia mecânica, o efeito do campo magnético gerado pela bobina do solenoide, ao ser percorrido por uma corrente elétrica, tem capacidade de movimentar o êmbolo que faz o comando da válvula</p><p>2 ELEMENTOS DE AUTOMAÇÃO 63 Observe, na próxima figura, o funcionamento básico de um solenoide e sua simbologia Sem alimentação Com alimentação 1B 1A 2B 2A 3A Simbologia P A P A Figura 27 Funcionamento básico de um solenoide e simbologia Fonte: SENAI (2012b) Com base na figura anterior, acompanhe, a seguir, o funcionamento básico de um solenoide. 1A - Solenoide sem alimentação, ou seja, está desligado. 2A - Mola exercendo pressão para que o êmbolo se mantenha na posição de repouso. 3A - Fluxo de fluido de P para A, interrompido pelo êmbolo e junta de vedação. 1B - Solenoide com alimentação, ou seja, está ligada. 2B - o campo magnético originado pela bobina atrai o êmbolo e comprime a mola. 3B - Liberada a passagem de fluxo de fluido de P para A. Contator: com aplicação em praticamente todas as máquinas industriais, o contator é um dispositivo que funciona como uma chave mecânica, não manual, eletromecânica, com uma única posição de repouso, desenvolvido com objetivo de conduzir e interromper correntes em condições normais do circuito e até eventuais sobrecargas do sistema. São capazes de enfrentar uma frequência elevada de manobras. Dentre os diversos tipos, modelos e fabricantes, basicamente os contatores se dividem em dois grupos: contatores de potência, que possuem os contatos responsáveis para fazer a conexão en- tre a rede e a carga, conduzindo corrente ao circuito principal, que realizará trabalho propriamente dito. São dimensionados para o acionamento de motores, cargas resistivas, capacitivas, entre outras.</p>