Automação Ciaba

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MARINHA DO BRASIL DIRETORIA DE PORTOS E COSTAS ENSINO PROFISSIONAL MARÍTIMO AUTOMAÇÃO (AUT) 1ª edição Belém-PA 2009 © 2009 direitos reservados à Diretoria de Portos e Costas Autor: Carlos Rogério dos Santos Vidal Revisão Pedagógica: Erika Ferreira Pinheiro Guimarães Suzana Revisão Ortográfica: Esmaelino Neves de Farias Digitação/Diagramação: Roberto Ramos Smith CF Maurício Cezar Josino de Castro e Souza Coordenação Geral: ____________ exemplares Diretoria de Portos e Costas Rua Teófilo Otoni, no 4 – Centro Rio de Janeiro, RJ 20090-070 http://www.dpc.mar.mil.br [email protected] Depósito legal na Biblioteca Nacional conforme Decreto no 1825, de 20 de dezembro de 1907 IMPRESSO NO BRASIL / PRINTED IN BRAZIL 2 SUMÁRIO APRESENTAÇÃO .............................................................................................. 6 1 - EVOLUÇÃO DA TECNOLOGIA DE CONTROLE......................................... 12 1.1 ASPECTOS INICIAIS.............................................................................. 13 1.2 EVOLUÇÃO DAS TÉCNICAS INDUSTRIAIS......................................... 14 1.3 ELEMENTOS DA AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL...................................... 17 1.4 O IMPACTO DA AUTOMAÇÃO NA SOCIEDADE.................................. 18 1.5 A AUTOMAÇÃO APLICADA A NAVIOS................................................. 19 Teste de autoavaliação da unidade 1..................................................... 23 Chave de respostas das tarefas e do teste de autoavaliação da unidade 1................................................................................................. 24 2 - FUNDAMENTOS DA AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL...................................... 25 2.1 DEFINIÇÕES.......................................................................................... 26 2.2 ELEMENTOS DO CONTROLE AUTOMÁTICO...................................... 31 2.3 EXEMPLO DE SISTEMA DE CONTROLE............................................. 39 2.4 OPERAÇÃO DE UM SISTEMA DE CONTROLE AUTOMÁTICO........... 41 2.5 TÉCNICAS DE CONTROLE DE PROCESSO INDUSTRIAIS................ 42 Teste de autoavaliação da unidade 2..................................................... 58 Chave de respostas das tarefas e do teste de autoavaliação da unidade 2................................................................................................. 64 3 – INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL.............................................................. 68 3.1 INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL........................................................ 69 3.2 DEFINIÇÕES SOBRE MEDIÇÃO........................................................... 71 3.3 DISPOSITIVOS DE INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL........................ 73 3.4 CARACTERÍSTICAS DOS INSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO................ 76 3.5 SIMBOLOGIA PARA INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL...................... 83 3.6 APLICAÇÕES COM A SIMBOLOGIA ISA.............................................. 87 3.7 TRANSMISSÕES ATRAVÉS DA MALHA DE CONTROLE.................... 89 3.8 REDES INDUSTRIAIS............................................................................ 94 3.9 MODOS DE ACESSO DO OPERADOR ÀS PLANTAS INDUSTRIAIS.. 101 3.10 MEDIÇÃO DE PRESSÃO....................................................................... 106 3 3.11 MEDIÇÃO DE TEMPERATURA............................................................. 122 3.12 MEDIÇÃO DE VAZÃO............................................................................ 139 3.13 MEDIÇÃO DE NÍVEL.............................................................................. 152 Teste de autoavaliação da unidade 3..................................................... 163 Chave de respostas das tarefas e do teste de autoavaliação da unidade 3 168 4 - COMANDOS PNEUMÁTICOS E ELETROPNEUMÁTICOS......................... 173 4.1 DEFINIÇÕES.......................................................................................... 174 4.2 ESTRUTURA DOS SISTEMAS PNEUMÁTICOS................................... 179 4.3 PRODUÇÃO DO AR COMPRIMIDO...................................................... 180 4.4 DISTRIBUIÇÃO DO AR COMPRIMIDO.................................................. 191 4.5 CONDICIONAMENTO DO AR COMPRIMIDO....................................... 195 4.6 VÁLVULAS DE CONTROLE................................................................... 199 4.7 ATUADORES PNEUMÁTICOS LINEARES............................................ 213 4.8 SIMBOLOGIA PARA PNEUMÁTICA...................................................... 217 4.9 CIRCUITOS PNEUMÁTICOS E ELETROPNEUMÁTICOS BÁSICOS... 223 Teste de autoavaliação da unidade 4..................................................... 240 Chave de respostas das tarefas e do teste de autoavaliação da unidade 4................................................................................................. 243 5 - COMANDOS HIDRÁULICOS E ELETROHIDRÁULICOS............................ 250 5.1 DEFINIÇÕES.......................................................................................... 251 5.2 VANTAGENS E DESVANTAGENS DA HIDRÁULICA........................... 254 5.3 ESTRUTURA DOS SISTEMAS HIDRÁULICOS..................................... 256 5.4 GERAÇÃO HIDRÁULICA........................................................................ 257 5.5 DISTRIBUIÇÃO HIDRÁULICA................................................................ 274 5.6 VÁLVULAS DE CONTROLE................................................................... 277 5.7 ATUADORES HIDRÁULICOS................................................................ 284 5.8 SIMBOLOGIA PARA HIDRÁULICA........................................................ 288 5.9 CIRCUITOS HIDRÁULICOS E ELETROHIDRÁULICOS BÁSICOS....... 290 Teste de autoavaliação da unidade 5..................................................... 297 Chave de respostas das tarefas e do teste de autoavaliação da unidade 5................................................................................................. 4 299 6 – CONTROLADORES INDUSTRIAIS.............................................................. 302 6.1 CLASSIFICAÇÃO DOS CONTROLADORES INDUSTRIAIS................. 303 6.2 CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL......................................... 305 Teste de autoavaliação da unidade 6..................................................... 322 Chave de respostas das tarefas e do teste de autoavaliação da unidade 6................................................................................................. 325 REFERÊNCIAS................................................................................................... 328 5 APRESENTAÇÃO Este módulo de ensino à distância ajudará você a conhecer e compreender os princípios de funcionamento automático das plantas e processos presentes a bordo dos navios mercantes da atualidade. Não se pretende descrever cada máquina ou equipamento a bordo dos navios de forma detalhada, pois cada embarcação possui suas próprias características técnicas e operacionais e, portanto, cabe aos responsáveis pela manutenção, instalação e operação do navio buscar conhecê-las através da consulta dos manuais do navio. De acordo com as necessidades e características gerais da automação utilizada a bordo dos navios da atualidade, serão apresentados: os conceitos básicos da automação, as técnicas de controle automático, os componentes (dispositivos e acessórios) e seus respectivos símbolos normalizados, circuitos pneumáticos e hidráulicos básicos e noções sobre controladores lógicos programáveis. Os assuntos abordados nesta unidade de estudo autônomo envolvem, principalmente, fenômenos físicos e químicos, conceitos de informática e eletrônica digital e analógica. Porém, tentou-se produzir este material de forma que qualquer pessoa, mesmo sem conhecimentos profundos nessas áreas, possa compreender os conteúdos apresentados. Portanto, fica a critério do aluno estudar disciplinas que envolvam as áreas citadas. Dessa forma, este estudo dará subsídios suficientes para que você possa: identificar, especificar, operar, instalar e até mesmo reparar os sistemas de automação presentes nos navios da atualidade. BOM ESTUDO! 6 COMO USAR O MÓDULO I – Qual o objetivo deste módulo? Proporcionar ao aluno conhecimentos básicos necessários sobre sistemas automáticos utilizados nos navios mercantes. II – Quais são os objetivos específicos deste módulo?
Descrever os aspectos fundamentais da automação industrial; apresentar o histórico evolutivo, vantagens e desvantagens; discutir os principais impactos na sociedade moderna e apresentar um resumo da utilização da automação industrial a bordo dos navios da atualidade;
apresentar os conceitos fundamentais utilizados em automação industrial; representar os sistemas de automação através de diagramas de blocos; descrever as partes que constituem os diagramas de blocos dos sistemas automáticos; apresentar as principais técnicas de controle utilizadas na indústria em geral e analisar os seus funcionamentos através da observação de gráficos que representam o comportamento dinâmico da grandeza física controlada;
apresentar os conceitos e características dos instrumentos de medição utilizados na automação industrial; apresentar a simbologia normalizada utilizada na instrumentação industrial; caracterizar os ti p o s de transmissões que são de usos mais comuns nos sistemas de automação naval; conceituar redes industriais, protocolos de comunicação e sistemas de supervisão; apresentar os princípios de funcionamento dos principais instrumentos de medição utilizados na industria naval: medidores de pressão, temperatura, vazão e nível;
apresentar as definições necessárias para o estudo dos sistemas de automação pneumática e eletropneumática; apresentar a estrutura geral desses sistemas; descrever o funcionamento e representação (símbolos) dos seus componentes; interpretar circuitos e diagramas pneumáticos e eletropneumáticos básicos;
apresentar as definições necessárias para o estudo dos sistemas de automação hidráulica e eletrohidráulica; apresentar a estrutura geral desses sistemas; descrever o funcionamento e representação (símbolos) dos seus componentes; interpretar circuitos e diagramas hidráulicos e eletrohidráulicos básicos; 7
definir e classificar os controladores industriais; introduzir noções básicas de automação através de controladores lógicos programáveis, descrevendo: o funcionamento, a arquitetura, os tipos de entradas e saídas, o ciclo de operação e as linguagens de programação. III – Como está organizado o módulo? O módulo de Automação foi desenvolvido em seis unidades sequenciais de estudo. Os conteúdos obedecem a uma sequencia lógica e, ao término de cada unidade, é apresentado um teste de autoavaliação e a sua respectiva chave de resposta (gabarito). IV – Como você deve estudar cada unidade? 1. Visão geral da unidade A visão geral do assunto apresenta os objetivos específicos da unidade, mostrando um panorama do assunto a ser desenvolvido. 2. Conteúdos da unidade Leia com atenção o conteúdo, procurando entender e fixar os conceitos por meio dos exercícios propostos. Se você não entender, refaça a leitura e os exercícios. É muito importante que você entenda e domine os conceitos. 3. Questões para reflexão São questões que ressaltam a idéia principal do texto, levando-o a refletir sobre os temas mais importantes deste material. 4. Autoavaliação São testes que o ajudarão a autoavaliar o seu desempenho de aprendizagem e, assim, evidenciando o seu progresso nos estudos. Realize-os à medida que apareçam e, se houver qualquer dúvida, volte ao conteúdo e reestude-o. 5. Tarefa São atividades que dão a oportunidade para que você coloque em prática o que já foi ensinado, testando seu desempenho de aprendizagem. 8 6. Respostas dos testes de autoavaliação Este recurso possibilita que você verifique o seu desempenho, comparando as suas respostas com o gabarito que se encontra no fim da apostila. Vale ressaltar, que há várias questões subjetivas nesta unidade de ensino e, portanto, há mais de uma forma de solucionar uma mesma questão. Nesses casos as respostas apresentadas no gabarito buscam apresentar as soluções mais usuais apresentadas pelos alunos em nossas práticas de ensino presenciais. V – Objetivos das unidades Unidade 1 - EVOLUÇÃO DA TECNOLOGIA DE CONTROLE Esta unidade apresenta noções gerais sobre os sistemas de controle automáticos; apresenta, ainda, sua evolução, suas vantagens e desvantagens, seus impactos na sociedade moderna e descreve suas aplicações a bordo dos navios mercantes. Unidade 2 - FUNDAMENTOS DA AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL Esta unidade apresenta os pilares de sustentação do estudo sobre automação industrial. Neste estudo serão apresentados conceitos, descrições, representações e técnicas de controle utilizadas nos sistemas de automação industrial. A representação desses sistemas será feita através de diagramas de blocos onde cada bloco representa um componente ou mesmo uma etapa de funcionamento do sistema de automação. As técnicas de controle, por sua vez, envolvem cálculos simples e complexos que são realizados atualmente com controladores eletrônicos (microprocessados ou microcontrolados) ou ainda por sistemas informatizados. Neste estudo não serão abordados os rigorismos matemáticos realizados pelo controlador de um processo industrial, porém, serão apresentadas analises de funcionamento das técnicas de controle através da interpretação de gráficos que mostram o comportamento dinâmico da grandeza física controlada. Unidade 3 - INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL Esta unidade apresenta as definições, vantagens, desvantagens, características técnicas, evolução dos instrumentos de medições utilizados na indústria; aborda os meios de transmissão de sinais nos sistemas de automação e suas formas de interligação ou comunicação, que podem ser feitas diretamente entre sensores, controladores e atuadores ou, ainda, distribuídas onde os componentes do sistema de automação são interligados através de um barramento de dados formando assim uma 9 rede de chão-de-fábrica ou rede industrial. Parra compreender melhor o funcionamento destas, são apresentadas as suas definições, a sua evolução, os seus tipos e as suas principais características. Em seguida são apresentadas as definições das formas de interação dos usuários com os sistemas de automação industrial. São estas: painel de instrumentos, interface-homem-máquina e sistema supervisório. Para finalizar esta unidade de ensino são apresentados os princípios de funcionamento dos instrumentos de medição de pressão, temperatura, vazão e nível mais utilizados nas aplicações da indústria naval na atualidade. Unidade 4 – COMANDOS PNEUMÁTICOS E ELETROPNEUMÁTICOS Esta unidade apresenta os conceitos, a estrutura, os componentes e as simbologias utilizadas nos sistemas de automação pneumática e eletropneumática. Também apresenta alguns circuitos pneumáticos e eletropneumáticos básicos que capacitarão a aluno afim de que o mesmo possa interpretar diagramas peneumáticos e eletropneumáticos dos sistemas presentes nos navios atuais. Unidade 5 – COMANDOS HIDRÁULICOS E ELETROHIDRÁULICOS Esta unidade é bastante semelhante à unidade 4 tanto na divisão dos itens de estudo como no funcionamento dos seus sistemas e componentes. Portanto, durante o seu estudo, o aluno conhecerá os conceitos, a estrutura, os componentes, as simbologias utilizadas e conhecerá alguns circuitos hidráulicos e eletrohidráulicos básicos que serão a base de funcionamento dos sistemas hidráulicos presentes nos navios da atualidade. Unidade 6- CONTROLADORES INDUSTRIAIS Esta unidade de ensino apresenta os principais tipos de equipamentos de controle utilizados na indústria. Apresenta sua definição, sua função, sua evolução, seus tipos e classificações. Aborda também a definição, a evolução, a arquitetura, o funcionamento e a programação dos controladores lógicos programáveis. VI – Avaliação do módulo Após estudar todas as Unidades de Estudo Autônomo (UEA) deste módulo, você estará apto a realizar uma avaliação da aprendizagem. 10 VII – Símbolos utilizados Existem alguns símbolos no manual para guiá-lo em seus estudos. Observe o que cada um quer dizer ou significa. Este lhe diz que há uma visão geral da unidade e do que ela trata. Este lhe diz que há, no texto, uma pergunta para você pensar e responder a respeito do assunto. Este lhe diz para anotar ou lembrar-se de um ponto importante. Este lhe diz que há uma tarefa a ser feita por escrito. Este lhe diz que há um exercício resolvido. Este lhe diz que há um teste de autoavaliação para você fazer. Este lhe diz que esta é a chave das respostas para os testes de autoavaliação. 11 1. EVOLUÇÃO DA TECNOLOGIA DE CONTROLE Nesta unidade, você vai  conhecer as principais definições na área de automação industrial;  conhecer como ocorreu a evolução das técnicas utilizadas em automação;  conhecer quais são as vantagens e desvantagens da automação industrial;  conhecer os principais impactos positivos e negativos da automação industrial na sociedade; e  conhecer as principais aplicações da automação industrial a bordo dos navios mercantes. Vamos começar nossa caminhada! Esta unidade de ensino a distância abre as portas do conhecimento da automação industrial. É um capítulo rápido e de fácil compreensão, pois, trata de forma simples e direta os temas abordados. Tenha um ótimo estudo e não se esqueça de realizar o teste de autoavaliação no final desta unidade de ensino. 12 1.1 ASPECTOS INICIAIS A automação faz parte do dia-a-dia do homem moderno. Diariamente nos deparamos com situações simples que envolvem a automação em algum nível. Em casa, por exemplo, pela manhã, o rádio-relógio automaticamente dispara o alarme para acordarmos; nesse mesmo instante, alguém esquenta o pão para o café da manhã numa torradeira elétrica, ajustando o tempo de aquecimento; ao final deste tempo, pode-se saborear uma deliciosa torrada preparada sem a intervenção humana direta. Esses simples fatos evidenciam como a automação faz parte da vida cotidiana. A automação é uma associação de equipamentos eletrônicos e/ou mecânicos que controlam seu próprio funcionamento, quase sempre sem a intervenção humana. Difere da mecanização, pois esta consiste apenas no uso de máquinas para realizar um trabalho substituindo o esforço físico do homem. A automação, por sua vez, possibilita realizar um trabalho por meio de máquinas controladas automaticamente ou capazes de se regularem sozinhas. Foi na pré-história que surgiram as primeiras tentativas humanas para mecanizar atividades manuais. Invenções como a roda, o moinho (movido por vento ou força animal) e as rodas d’água foram as primeiras a demonstrar a criatividade do homem para poupar esforço físico. Mas, somente a partir da segunda metade do século XVIII, a automação ganhou destaque na sociedade quando ocorreu a chamada Revolução Industrial, inicialmente na Inglaterra. Essa revolução veio substituir o sistema de produção agrário e artesanal pelo sistema de produção industrial. A partir de então surgiram dispositivos industriais de operação simples e semiautomáticos e somente no início do século XX surgiram os primeiros sistemas inteiramente automáticos. 13 1.2 EVOLUÇÃO DAS TÉCNICAS INDUSTRIAIS A necessidade de aumentar a produção e a produtividade industrial deu origem ao surgimento de uma série de inovações tecnológicas: máquinas modernas, capazes de produzir com maior precisão e rapidez em relação ao trabalho feito à mão; utilização de fontes alternativas de energia, como o vapor, inicialmente aplicado a máquinas em substituição às energias hidráulica e muscular. Durante o século XX, os computadores, servomecanismos e controladores programáveis passaram a integrar a tecnologia da automação industrial. Então, os computadores passaram a ser os pilares de sustentação de toda a tecnologia da automação contemporânea. A necessidade de automatizar cálculos, evidenciada inicialmente no uso de ábacos pelos babilônios, entre 2000 e 3000 a.C., a invenção da régua de cálculo e, posteriormente, da máquina aritmética, que efetuava somas e subtrações por transmissões de engrenagens foram alguns dos fatores diretamente relacionados com as idéias para criação do computador. De todas as descobertas humanas é a álgebra booleana, desenvolvida por George Boole, que estabelece os princípios aplicados às operações internas dos computadores (princípios binários). Atualmente os computadores têm aplicação em praticamente todas as áreas do conhecimento e atividade humana. Por exemplo, ao entrarmos num banco para retirar um simples extrato somos obrigados a interagir com um computador da seguinte forma: passamos o cartão magnético, informamos nossa senha e em poucos segundos obtemos a movimentação bancária impressa. Esse procedimento cotidiano é ilustrado na figura a seguir. Figura 1.1 Fluxo de operações automáticas para retirada de extrato bancário. A tabela a seguir resume as principais descobertas da humanidade diretamente relacionadas com a evolução tecnológica da automação industrial. 14 Tabela 1.1 Evolução das técnicas de automação industrial. Época 1788 1870 Inovação tecnológica James Watt desenvolveu um mecanismo de regulagem do fluxo de vapor em máquinas. O setor industrial passou a utilizar a energia elétrica. Esse fato trouxe bastante progresso ao setor de transportes ferroviário e naval. Herman Hollerith desenvolveu um novo método, baseado na utilização de cartões perfurados, para automatizar algumas tarefas de tabulação do censo norte-americano. Os 1880 dados foram contabilizados em apenas seis semanas (antes disso, levavam 10 anos). O uso dessa tecnologia foi a base de criação da máquina IBM, bastante parecida com o computador. Foi desenvolvido o primeiro computador de grande porte, completamente eletrônico. O Eniac, como foi chamado, ocupava mais de 180 m² e pesava 30 toneladas. Funcionava 1946 com válvulas e relés que consumiam 150.000 watts de potência para realizar cerca de 5.000 cálculos aritméticos por segundo. Esta invenção caracterizou o que seria a primeira geração de computadores, que utilizava tecnologia de válvulas eletrônicas. John T. Parsons desenvolveu uma máquina-ferramenta com movimento controlado com cartões perfurados. Após a demonstração desse invento, a força aérea americana 1948 patrocinou uma série de projetos de pesquisa, coordenada pelo laboratório de servomecanismos do Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT). Alguns anos mais tarde, o MIT desenvolveu um protótipo de uma fresadora com três eixos dotados de servomecanismos de posição. Nasceu a idéia da computação gráfica interativa (forma de entrada de dados por meio de anos 50 símbolos gráficos com respostas em tempo real). O MIT produziu figuras simples por meio da interface de tubo de raios catódicos (idêntico ao tubo de imagem de um televisor) com um computador. Surgiu a 2ª geração dos computadores, construídos com transistores. Esses componentes 1952 não precisam ser aquecidos para funcionar, consomem menos energia e são mais confiáveis do que as válvulas. Seu tamanho era cem vezes menor que o de uma válvula, permitindo que os computadores ocupassem menores espaços. Um robô programável foi projetado por George Devol, que mais tarde fundou a fábrica de 1954 robôs Unimation. Poucos anos depois, a General Motors Corporation (ou GM) instalou robôs em sua linha de produção para soldagem de carrocerias. 1959 A ou GM começou a utilizar a computação gráfica em seu meio de produção. Começou a ser utilizado o termo CAD (do inglês Computer Aided Design ou “Projeto Auxiliado por Computador”) para indicar os sistemas gráficos orientados para projetos. anos 60 Porém, essa década foi o período mais crítico das pesquisas na área de computação gráfica interativa. Naquela, a grande novidade da pesquisa foi o desenvolvimento do sistema sketchpad, o qual possibilitou a criação de desenhos e alterações de objetos de maneira interativa, num tubo de raios catódicos. 15 Tabela 1.1 Evolução das técnicas de automação industrial (continuação). Época Inovação tecnológica Os primeiros frutos das pesquisas desenvolvidas na década anterior começaram a surgir. anos 70 Setores governamentais e industriais passaram a reconhecer a importância da computação gráfica como forma de aumentar a sua produtividade Surgiram os chamados chips (circuitos integrados em escala muito grande - VLSI). Os mesmos foram utilizados na construção da quarta geração de computadores 1975 (computadores pessoais, de tamanho reduzido e baixo custo de fabricação) capazes de realizar 50 milhões de cálculos por segundo no mesmo tempo em que o Eniac fazia apenas 5 mil cálculos. Deu inicio às pesquisas voltadas à integração e/ou automatização dos diversos elementos de projeto e produção industrial a fim de se desenvolver o ambiente industrial moderno. anos 80 As principais metas das pesquisas nessa época foram: a expansão das aplicações dos sistemas CAD/CAM (Projeto e Manufatura Auxiliados por Computador) e a modelagem geométrica tridimensional com mais aplicações de engenharia (CAE – Engenharia Auxiliada por Computador). O grupo ISA formou o SP50 Fieldbus Committee para desenvolver um padrão de 1990 comunicação para integração dos vários tipos de dispositivos de campo utilizados na automação industrial. dias atuais Atualmente os processos industriais estão interligados a sistemas de supervisão que possibilitam gerenciar e interferir nos mesmos a partir de uma sala de controle. Essa área ainda está em plena expansão. 16 1.3 ELEMENTOS DA AUTOMAÇÃO INDUSTRAL Grande parte dos sistemas automáticos modernos é extremamente complexa e requer muitos ciclos de retroação (realimentação). Independentemente do grau de complexidade, os sistemas de automação compõe-se de cinco elementos: acionamentos, sensoriamentos, controles, comparadores e programas. Os elementos de acionamentos são aqueles que fornecem ao sistema automático energia para atingir determinado objetivo. É o caso dos motores elétricos, pistões hidráulicos etc. Os elementos de sensoriamento medem o desempenho do sistema de automação ou uma propriedade particular de algum de seus componentes ou grandeza física controlada. Como exemplos, têm-se: termopares para medição de temperatura e encoders para medição de velocidade. Os elementos de controle são aqueles que utilizam as informações dos sensores para regular o funcionamento dos elementos de acionamento. Por exemplo: num sistema de controle de nível o controlador é o elemento responsável por abrir e fechar uma válvula para abastecer uma caixa d’água. O elemento comparador também é denominado de elemento de decisão e é aquele responsável por comparar os valores medidos com valores preestabelecidos no processo industrial e informar o elemento de controle a fim de que este tome a decisão de quando atuar no sistema. Como exemplos, podemos citar os termostatos e os programas de computadores; Os programas contêm informações de processo e permitem controlar as interações entre os diversos componentes. Os programas também são denominados de “softwares”, são conjuntos de instruções lógicas, organizadas de maneira sequencial, que indicam ao controlador a função que o mesmo deve desempenhar. Figura 1.2 Ciclo de funcionamento dos sistemas automáticos. 17 1.4 IMPACTO DA AUTOMAÇÃO NA SOCIEDADE A utilização da automação em diversos setores da atividade humana trouxe uma grande quantidade de benefícios à sociedade; por exemplo: • redução de custos de produção; • aumento da produção industrial; e • aumento da segurança dos trabalhadores sujeitos a atividades monótonas, repetitivas ou perigosas. Porém, a automação também trouxe alguns problemas; por exemplo: • aumento do nível de desemprego, principalmente nas áreas em que atuam profissionais de baixo nível de qualificação; • a experiência de um trabalhador torna-se rapidamente obsoleta; • extinção de muitos empregos que eram importantes; e • aumento das ausências no trabalho, falta de coleguismo, alcoolismo ou consumo de drogas, que alteram o comportamento dos indivíduos no ambiente de trabalho. 18 1.5 AUTOMAÇÃO APLICADA A NAVIOS A automação aplicada na indústria naval está presente em dois níveis: a construção e a operação do navio. Tem como objetivos principais: minimizar o esforço humano, aumentar a qualidade, diminuir custos e aumentar a segurança e a comodidade. A automação naval teve seu início na indústria naval japonesa. Em meados da década de 60 (século passado), os construtores de navios do Japão passaram a possuir a maior e mais moderna indústria naval do mundo, porém os fatores econômicos do Japão naquela época (inflação elevada) e os altos salários dos trabalhadores altamente qualificados forçaram a substituição da mão-de-obra por técnicas de fabricação automatizadas. A partir de então, os estaleiros japoneses passaram a construir embarcações em módulos, através do método de construção em blocos, o que permitiu uma redução altamente significativa no tempo de construção de um navio. Com o passar dos anos e o desenvolvimento acelerado dos dispositivos de instrumentação e controle industrial essas técnicas passaram a ser incorporadas também na operação da embarcação. Ao nível da operação dos navios, a automação envolve os seguintes aspectos principais: • sistemas navegação • gestão dos motores • controle e monitoração da carga • gerenciamento de energia e de potência • posicionamento dinâmico Os sistemas de navegação dos navios são sistemas complexos e de alto grau de redundância, possuem estações de trabalho (Workstations) interligadas através de uma rede de transmissão de dados (rede Ethernet, Fieldbus ou Profibus), cujo objetivo é: planejar a navegação, corrigir desvios de rota, prevenir e evitar colisões, informar dados altamente relevantes para navegação, tais como velocidade do vento, velocidade da embarcação, profundidade, posição etc. Para isso, esse sistema possui RADAR, GPS, cartas náuticas, mapas, medidores de velocidade, sistemas de governo etc. 19 Figura 1.3 Exemplo de interligação do sistema de navegação de um navio. O sistema de gestão dos motores de um navio é formado por dispositivos elétricos, hidráulicos e pneumáticos interligados entre si de tal forma que todo o comando dos motores de propulsão é automático. Em outras palavras, o sistema de gestão comanda automaticamente motores, sistemas de ignição, arranque, aceleração, reversão (inversão de marcha) e parada do MCP. O sistema de controle e monitoração da carga de um navio tem a função de automatizar o carregamento e descarregamento de produtos dos tanques e porões dos navios. Para isso, em geral, utiliza a tecnologia de medição de nível por RADAR para medir os níveis de produtos armazenados nos tanques ou porões. Esse sistema de medição de nível é então conectado via rede a uma estação de trabalho (workstation) instalada no passadiço, onde é possível, por exemplo, conhecer o estado atual da estabilidade do navio bem como prever fatores que, potencialmente, possam alterá-la. 20 Figura 1.4 Exemplo de sistema de controle e monitoramento de carga para navios. O sistema de gestão de energia e potência de um navio tem como função principal supervisionar e controlar a operação de geradores elétricos o os gastos de energia elétrica. Para isso, esse sistema é responsável pelo seguinte: controle automático dos níveis de tensão e frequência da energia elétrica produzida, armazenamento de energia para as funções vitais e de segurança do navio e da tripulação, seleção da origem da energia elétrica (energia de terra ou de bordo), controle de temperatura e níveis de óleo dos motores (Safe Engine Shutdown) e geração de alarmes no caso de falhas desses sistemas. O sistema de posicionamento dinâmico (ou sistema DP) controla automaticamente a posição e aproamento de uma embarcação através de uma propulsão ativa. Pode ser operado de forma manual, automática ou por pilotoautomático. É formado por um complexo sistema de controle, composto por sensores (GPS, sonar, anemômetros, giroscópios etc.), atuadores (propulsores e leme) e um processador central responsável pela execução do algoritmo de controle e pela 21 interface com o operador. Também permite a comunicação com satélites para monitoração da embarcação a distância. Este sistema é muito utilizado nas operações “off-shore” da indústria do petróleo para posicionamento de navios-tanque com precisão para trabalhos tais como perfuração de poços, mergulho, construção etc. No Brasil, a Petrobrás é a pioneira na utilização desse tipo de sistema na exploração e produção de petróleo em águas profundas. Figura 1.5 Painel de operação de um sistema de posicionamento dinâmico para navios. FONTE: http://www.nauticexpo.com. Acessado em: 16 jan. 2010. Apesar das inúmeras vantagens proporcionadas pela automação, podemos citar os seguintes problemas ocorridos em navios: • os componentes eletrônicos sofrem corrosão devido à ação do salitre e às infiltrações de água; • vibrações, calor e ruídos excessivos causados pelos motores de grande porte; • fontes de energia limitadas; • baixa repetibilidade na produção de peças, pois cada navio produzido possui suas particularidades. 22 Teste de autoavaliação da unidade 1 1.1 Qual é a diferença entre a mecanização e a automação? ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ 1.2 Como os dispositivos que compõe os sistemas de automação industrial podem ser classificados? ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ 1.3 Quais foram os fatores econômico-financeiros decisivos para a utilização das técnicas de automação na indústria naval? ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ 1.4 Como é classificada a automação na indústria naval? ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ 23 Chave de respostas das tarefas e do teste de autoavaliação da unidade 1 Corrija e veja como foi seu aprendizado! Teste de autoavaliação da unidade 1 1.1 A mecanização é a simples substituição do trabalho humano pelo trabalho de máquinas; porém, na automação, além das máquinas substituírem o homem em suas atividades, elas possuem recursos eletrônicos e/ou mecânicos que regulam ou controlam o seu funcionamento. 1.2 De acordo com a função que desempenham, os dispositivos que formam os sistemas de automação podem ser assim classificados: elementos de acionamento, elementos de sensoriamento, elementos de controle, elementos comparadores e programas ou “softwares”. 1.3 O aumento da frota naval e aumento dos custos de produção devido à alta inflação da época foram os fatores determinantes para a utilização de técnicas de fabricação automatizada na indústria naval. Portanto, pode-se afirmar que a busca pela redução dos custos e tempos de produção dos navios foram os principais fatores para implementação de técnicas de automação na indústria naval. 1.4 A automação naval possui dois níveis de classificação: automação de construção e automação de operação do navio. 24 2. FUNDAMENTOS DA AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL Nesta unidade, você vai  conhecer as principais definições da automação industrial;  conhecer as vantagens e desvantagens da utilização da automação industrial;  conhecer os elementos que compõem um sistema de controle automático;  compreender o funcionamento de um sistema de controle automático a partir da representação por diagrama em blocos;  compreender a técnica de controle de duas posições (on-off);  compreender a técnica de controle proporcional-integral- derivativo;  conhecer técnicas de sintonia do controlador PID; e  conhecer as variações do controlador PID. Muito bem, prezado aluno! Vamos iniciar nossa segunda unidade de estudo. Serão apresentados aqui os pilares de sustentação para o aprendizado e compreensão dos sistemas de automação industrial. Ao final desta unidade, você irá conhecer conceitos importantes e estará apto a interpretar gráficos que mostram o comportamento das grandezas físicas controladas. Tenha um ótimo estudo! 25 2.1 DEFINIÇÕES Vamos iniciar este estudo apresentando conceitos básicos de fundamental importância para os sistemas de automação industrial. 2.1.1 Sistema É o conjunto de elementos dinamicamente relacionados entre si, formando uma atividade para atingir um objetivo, operando com entradas (informações, energia, dinheiro, materiais) e fornecendo saídas processadas (modificadas). 2.1.2 Processo É conjunto sequencial e peculiar de ações que objetivam atingir uma meta. É usado para criar, inventar, projetar, transformar, produzir, controlar, manter e usar produtos ou sistemas. Na indústria em geral, processos são procedimentos envolvendo passos químicos ou mecânicos que fazem parte da manufatura de um ou vários itens, usualmente em grande escala. 2.1.3 Comando É uma etapa num sistema, mediante o qual uma ou mais grandezas de entrada influenciam uma ou mais grandezas de saída, de acordo com as caracteristicas proprias deste sistema. Um comando não prevê meios para as grandezas de saída atuarem nas entradas no sentido de se garantir os valores desejados as mesmas. Dessa forma, perturbações externas ao sistema, como variações de temperatura e forças de trabalho não conseguem ser compensadas ou corrigidas pelos comandos. Quanto ao tipo de comando, podemos ter: comando manual, mecânico, pneumático, hidráulico, elétrico ou uma combinação destes. Dessa forma, num sistema de comando, as grandezas de entrada podem ser externas ou internas ao sistema. As grandezas externas podem ser provenientes de válvulas manuais, botoeiras, interruptores, chaves e sensores diversos. Por sua vez, as grandezas de entradas internas podem ser provenientes de chaves fins de curso e demais sensores do próprio sistema que podem ter seus valores alterados ao longo do processo. Por outro lado, as grandezas de saída de um comando têm como função produzir acionamentos ou 26 outras manifestações externas através de atuadores como cilindros, motores, bombas, lâmpadas, válvulas, posicionadores etc. 2.1.4 Controle É o processo, num sistema, onde o valor de uma grandeza de saída a ser controlada é continuamente comparado com o valor de referência (valor desejado). O resultado dessa comparação atua na entrada do sistema de tal forma que a sua saída apresente o valor desejado na variável controlada. 2.1.5 Servomecanismo É todo mecanismo construído para cumprir sozinho certo programa de ação, executando seu próprio trabalho a partir de ordens que lhe são dadas. Geralmente, um servomecanismo é a associação da mecânica com a eletrônica, portanto, os servomecanismos são sistemas mecânicos controlados eletro-eletrônicamente. 2.1.6 Elementos primários de controle Os elementos primários de controle são responsáveis pela medição das grandezas físicas. Portanto, têm por função medir alguma propriedade do sistema e convertê-la em um sinal que possa ser utilizado para controle. Tipicamente, estão localizados perto do processo, e por isso são denominados "elementos de campo". De acordo com as características de funcionais dos elementos primários, os mesmos podem ser denominados de sensores ou transdutores. Serão denominados sensores quando o sinal gerado for diretamente compatível com o sistema de controle. E serão denominados de transdutores quando o sinal produzido não for diretamente compatível com o sistema de controle. 2.1.7 Transmissores É o elemento que transforma a medida do sensor em um sinal padronizado que pode ser transmitido e interpretado pelo controlador. Muitas vezes o transdutor é denominado de transmissor de sinal e em muitos casos, o próprio transmissor é também o elemento sensor. 2.1.8 Elementos finais de controle Os elementos finais de controle são aqueles dispositivos que desenvolvem um trabalho cujo resultado torna possível modificar o comportamento da grandeza física 27 controlada. São também denominados de atuadores. Estão conectados às saídas dos controladores de processos. Também são dispositivos instalados no campo. 2.1.9 Robótica O termo robótica foi utilizado pela primeira vez na peça de teatro R.U.R. (Rossum's Universal Robots) estreada em janeiro de 1921 na cidade de Praga. Mais tarde teve sua popularização em 1948 através do escritor de ficção cientifica Isaac Asimov, em seu livro "I, Robot" (Eu, Robô). Atualmente a robótica é o ramo da tecnologia que engloba mecânica, eletrônica e computação, que atualmente trata de sistemas compostos por máquinas e partes mecânicas automáticas e controlados por circuitos integrados, tornando sistemas mecânicos motorizados, controlados manualmente ou automaticamente por circuitos elétricos. Esta tecnologia, hoje em dia adotada por muitas fábricas e indústrias em todo o mundo, tem obtido, de um modo geral, êxito em questões levantadas sobre a redução de custos e aumento de produtividade, porém trouxe consigo vários problemas trabalhistas com funcionários e aumento do desemprego. 2.1.10 Cibernética É o ramo da ciência que estuda e desenvolve técnicas de comunicação e controle, sejam do homem e demais seres vivos ou do homem com as máquinas. Sendo a comunicação definida como sendo a troca de informações entre o sistema e o seu meio, e dentro do próprio sistema, então, a cibernética é uma tentativa de compreender a comunicação e o controle de máquinas, seres vivos e grupos sociais através de analogias com as máquinas cibernéticas (servomecanismos). Estas analogias só são possíveis para a cibernética, pois esta estuda o tratamento da informação no interior destes processos através de codificação, decodificação, retroação ou realimentação (feedback), aprendizagem etc. 2.1.11 Diagrama em blocos Através de um diagrama em blocos tem-se uma visão geral de que forma os componentes do sistema estão interagindo entre si. Cada função principal desempenhada pelo sistema é definida como um bloco e é representada por um desenho específico de acordo com a aplicação. A interligação entre cada bloco é representada através de uma linha. 28 Os diagramas em bloco são utilizados para que possamos compreender como um determinado sistema funciona e como estão interligadas as suas ações. Dessa forma, temos uma rápida e geral visão das sequências dessas ações, ou seja, através dos diagramas em blocos podemos compreender os processos presentes num sistema. Na indústria, em geral, o diagrama em blocos é uma ferramenta de auxilio para projetistas, instaladores, equipe de manutenção e operadores dos sistemas. Através desse tipo de representação, é possível conhecer de que forma os diversos automatismos estão conectados e também identificar as sequências das ações desses automatismos. Um exemplo de diagrama em blocos é apresentado na figura 2.1. 2.1.12 Automação e automatização De acordo com as definições anteriores, um sistema de controle é dito automático quando os mecanismos que verificam seu próprio funcionamento efetuam medições e introduzem correções sem a necessidade de interferência humana. É bastante comum confundir os termos automatismo e automação. Automatismo é um simples sistema destinado a produzir a igualdade de esforço físico e mental e um maior volume de trabalho, a automação é a associação organizada dos automatismos para execução dos objetivos do progresso humano. A automação diminui os custos e aumenta a velocidade da produção. Hoje em dia está presente em diferentes ramos de atividades do homem, desde a medicina até a astronomia, ampliando a capacidade de interação com a natureza e os processos. A automação industrial visa, principalmente, a produtividade, qualidade e segurança em um processo. Pode-se afirmar que todo processo pode, de alguma forma, ser automatizado, então, a decisão entre a utilização da automação torna-se uma questão mais de ordem econômico-financeira que propriamente técnica. Ao longo dos anos a automação tem provocado uma série de mudanças no ambiente de trabalho como: • redução no nível de emprego de atividades repetitivas e/ou que requerem pouca qualificação; • desaparecimento de algumas profissões; • aumento da qualidade e padronização de produtos; • redução de custos de produção etc. 29 Tarefa 2.1 Responda às seguintes questões. Que é um sistema de controle automático?? Que significa o vocábulo automação?? Que significa o vocábulo automatismo?? Cite objetivos da automação de processos industriais. 30 2.2 ELEMENTOS DO CONTROLE AUTOMÁTICO Veja o exemplo de sistema de controle de nível representado na figura 2.1. Observe que sempre ocorrerá um escoamento na parte inferior do tanque. Então, suponha que se deseja manter o nível de água em 50% da capacidade do tanque. Para isso, um operador deve monitorar a altura da coluna de água. Caso o nível de água esteja abaixo do valor desejado (50%), o operador deve abrir a válvula de entrada para que o tanque seja abastecido com água. Porém, quando o nível se aproximar (ou se igualar ou ainda ultrapassar) ao valor desejado, o operador deve fechar a válvula de entrada. Dessa forma, o tanque tende a esvaziar e o operador deverá, então, abrir novamente a válvula de entrada. Esse ciclo de operação deverá ser repetido tanto quanto for necessário. Figura 2.1 Exemplo de sistema de controle de nível. Esse sistema de controle de nível pode ser representado através do diagrama em blocos apresentado na figura 2.2. Esse diagrama recebe o nome de diagrama em blocos da malha de controle fechada e mostra os elementos básicos que compõem os sistemas de controle automático. Figura 2.2 Representação do sistema de controle de nível através do diagrama em blocos da malha de controle. 31 2.2.1 Sinais da malha de controle Conforme pode ser observado na figura 2.2, a malha de controle possui 5 (cinco) sinais responsáveis pela operação do sistema de controle automático. São eles: set point, variável de processo, sinal de erro, variável manipulada e sinal de realimentação. A seguir apresentamos as definições dos sinais presentes na malha de controle. a) set point Corresponde ao valor desejado para a grandeza física que se deseja controlar. Também é chamado de sinal de entrada ou sinal de referência ou valor de preset da malha de controle e sempre é aplicado no bloco de comparação que calcula o sinal de erro e pode ser abreviado pelo termo SP. No exemplo das figuras 2.1 e 2.2, o set point corresponde ao nível de água desejado pelo operador, ou seja, SP=50%. b) variável de processo Corresponde ao valor real (medido) da grandeza física controlada. Também recebe o nome de variável controlada ou sinal de saída e pode ser abreviado pelo termo VP. No exemplo das figuras 2.1 e 2.2, a variável de processo corresponde ao nível de água observado pelo operador, ou seja, o nível de água medido visualmente pelo operador. c) sinal de erro Corresponde à diferença entre o valor desejado e o valor real da grandeza física controlada. Ou seja, é a diferença entre o set point e a variável de processo ( E = SP − VP ). Esse sinal evidencia a necessidade de correção da variável de processo e pode ser positivo, negativo ou nulo. O sinal de erro é calculado pelo bloco detector de erro e é aplicado à entrada do bloco controlador. No exemplo das figuras 2.1 e 2.2, o erro corresponde à diferença visual entre o valor do nível de água desejado e o valor do nível de água observado pelo operador. 32 d) variável manipulada Corresponde ao sinal de saída do bloco controlador da malha de controle. Também é denominada de sinal de controle ou sinal de correção ou sinal da lei de controle ou sinal da ação de controle e pode ser abreviada pelo termo VM. A variável manipulada é um sinal de correção que é aplicado no atuador a fim de alterar o valor da variável de processo fazendo com que o valor desta seja igual ou aproximadamente igual ao valor do set point. A variável manipulada sofre influência direta do controlador. Em outras palavras, cada tipo de controlador produz um tipo de sinal para variável manipulada que por sua vez irá corrigir a variável de processo. Essa correção terá maior ou menor precisão e maior ou menor velocidade dependendo dos ajustes feitos no controlador. Maiores detalhes sobre este assunto serão abordados ainda nesta unidade de ensino. e) sinal de realimentação É o sinal proveniente da saída do bloco sensor na malha de controle. Corresponde a uma parte ou a totalidade do sinal de saída da malha de controle, isto é, o valor do sinal de realimentação é igual a uma amostragem do valor da variável de processo ou então corresponde a todo o valor da mesma. Para efeitos de simplificação deste estudo vamos considerar que o valor do sinal de realimentação é igual a valor da variável de processo. Isto pode ser representado matematicamente através da seguinte expressão: 33 Tarefa 2.2 Quais são os sinais encontrados na malha de controle? Que é o set point? Que é variável de processo? Que é sinal de erro? Que é variável manipulada? Que é sinal de realimentação? 34 2.2.2 Hardware da malha de controle O hardware da malha de controle é formado por dispositivos e equipamentos (automatismos) interligados com o objetivo de operar o sistema de controle automático. Conforme mostra a figura 2.2, o hardware da malha de controle possui 6 (seis) elementos. São eles: detector de erro, controlador, atuador, planta ou processo, sensor e linhas de transmissão. Vamos a essas definições! a) detector de erro Este bloco tem a função de calcular o valor do sinal de erro da malha de controle. Também pode ser denominado de bloco comparador ou somador. b) controlador Este bloco tem a função de determinar “tomada de decisões” para corrigir o valor da variável de processo. As “tomadas de decisões” correspondem ao cálculo do sinal da variável manipulada. Em outras palavras, o controlador é o responsável por produzir um sinal que será entregue ao atuador a fim de que este altere o valor da variável de processo de tal forma que ela se iguale ou se aproxime do valor de set point. O controlador é um equipamento que pode ser hidráulico, pneumático ou eletrônico. E, conforme sua ação de controle pode ser: on-off, proporcional, integral, derivativo ou uma combinação dos três últimos. Existe uma grande variedade de controladores no mercado sendo que aqueles que apresentam uma maior eficiência e versatilidade são os controladores lógicos programáveis. Estes, de acordo com seus recursos disponíveis, podem executar, através de um programa usuário, qualquer uma das ações de controle citadas no parágrafo anterior e ainda executar temporizações, contagens, acionamentos sequenciais de motores, operações aritméticas, etc. A figura 2.3 mostra alguns modelos de controladores utilizados na indústria. Figura 2.3 Modelos de controladores industriais. 35 c) atuador Este dispositivo é responsável pela execução da ação de controle calculada pelo controlador. Em outras palavras, o atuador recebe o sinal da variável manipulada, proveniente do controlador, e executa um trabalho que irá causar uma alteração no valor da variável de processo. Também recebe o nome de elemento final de controle (E.F.C.). Os atuadores são dispositivos que podem ser comandados através de sinais pneumáticos, hidráulicos ou eletrônicos. A figura 2.4 mostra alguns tipos de atuadores industriais: bombas, motores, válvulas e pistões. Figura 2.4 Modelos de atuadores industriais. d) planta ou processo Este bloco representa toda estrutura física e toda reação física ou química que influencia no comportamento da variável de processo. No exemplo do sistema de controle de nível das figuras 2.1 e 2.2, a planta é caracterizada diretamente pelas dimensões do tanque e pelos diâmetros das tubulações de abastecimento e de esvaziamento do tanque. Para efeito de simplificação da malha de controle, vamos considerar que a planta ou processo é representado apenas pelo tanque. e) sensor Este dispositivo tem por função realizar a medição do valor da variável de processo e transmitir essa informação (sinal de realimentação) à entrada da malha de controle (bloco detector de erro). Existe uma grande variedade de sensores responsáveis pelas medições de grandezas físicas como pressão, temperatura, vazão, nível, posição etc. A figura 2.5 mostra alguns tipos de sensores industriais. 36 Figura 2.5 Modelos de sensores industriais. f) linhas de transmissão São as ligações entre os blocos da malha de controle as quais indicam a trajetória dos sinais ao longo da mesma. Tarefa 2.3 Responda às seguintes questões. Quais são os componentes que formam o diagrama em blocos da malha de controle? Qual é a função do detector de erro? Qual é a função do controlador? 37 Qual é a função do atuador? Que é planta ou processo? Qual é a função do sensor? Qual é a função das linhas de transmissão? 38 2.3 EXEMPLO DE SISTEMA DE CONTROLE Suponha que um veículo (automóvel) está em movimento e que a grandeza física a ser controlada deve ser a velocidade do mesmo. A figura 2.6 mostra o respectivo diagrama em blocos da malha de controle. Figura 2.6 Malha de controle do sistema de controle de velocidade do veículo. Para manter a velocidade do veículo constante em um determinado valor (por exemplo: 80 km/h), o motorista monitora a velocidade através do velocímetro do veículo e varia a força a com que ele pisa no pedal do acelerador a fim de manter a velocidade igual ao valor desejado. Se a velocidade passar do valor desejado o motorista pode diminuir a força aplicada ao pedal do acelerador (ou então pode pisar no pedal de freio do veículo). Por outro lado, se a velocidade indicada pelo velocímetro diminuir o motorista deve aumentar a força sobre o pedal do acelerador a fim de aumentar a velocidade do veículo. O mesmo tipo de controle pode ser realizado pelo motorista quando o veículo estiver subindo ou descendo uma lombada, por exemplo. Imagine que o mesmo automóvel está sem velocímetro. O que o motorista deverá fazer para controlar a velocidade do veículo? Para manter a velocidade do veículo constante, o motorista deve estimar com qual força ele deverá pisar no pedal do acelerador e manter essa força. Dependendo da experiência do motorista a velocidade final se manterá próxima do valor desejado, porém somente com muita sorte ele conseguirá manter a velocidade real próxima do valor desejado. 39 Esse tipo de controle recebe o nome de controle em malha aberta, pois o valor da variável de processo não pode ser observado (ou medido) pelo operador (ou controlador) e, portanto, não retorna à entrada da malha de controle. 40 2.4 OPERAÇÃO DE UM SISTEMA DE CONTROLE AUTOMÁTICO Todo processo ou sistema de controle automático pode ser modelado através do diagrama em blocos conforme mostra a figura 2.7. Este diagrama em blocos é denominado de malha de controle fechada, pois o sinal de saída (variável de processo, VP) desse diagrama é medido e transferido para a entrada da malha de controle para ser comparado com um valor de referência (set point, SP). O resultado da comparação entre os sinais de referência e de saída da malha de controle produz um sinal de erro (Erro = SP - VP), que pode ser positivo (SP>VP), negativo (SP PY ⇒ PA = PX (pressão mais alta) Se PX < PY ⇒ PA = PY (pressão mais alta) Quando o ar comprimido é aplicado a uma das entradas (via X ou válvula de simultaneidade (elemento E) via Y), o elemento de vedação se desloca fechando a própria entrada que recebeu o sinal de pressão, deixando livre a passagem de ar através da outra entrada (entrada oposta) que, ao receber pressão de alimentação, permite a passagem para a utilização (via A). Se PX = PY = P ⇒ PA = P (2º sinal de pressão) Se PX > PY ⇒ PA = PY (pressão mais baixa) Se PX < PY ⇒ PA = PX (pressão mais baixa) ( a ) retenção ( b ) escape rápido Figura 4.24 Modelos comerciais de válvulas de bloqueio. 208 Tarefa 4.5 Nas questões a seguir, marque a alternativa correta. 1. Na válvula de isolamento (elemento OU) com pressões iguais nas duas entradas, a pressão de saída será igual à/ao: ( a ) valor médio das pressões de entrada. ( b ) pressão da primeira entrada pressurizada. ( c ) soma das pressões das entradas. ( d ) pressão da segunda entrada pressurizada. 2. Na válvula de isolamento (elemento OU) com pressões diferentes nas suas entradas, a pressão de saída será igual à: ( a ) maior pressão de entrada. ( b ) menor pressão de entrada. ( c ) pressão da primeira entrada pressurizada. ( d ) pressão da segunda entrada pressurizada. 3. Na válvula de simultaneidade (elemento E) com pressões iguais nas suas entradas, a pressão de saída será igual à/ao: ( a ) valor médio das pressões de entrada. ( b ) pressão da primeira entrada pressurizada. ( c ) soma das pressões das entradas. ( d ) pressão da segunda entrada pressurizada. 4. Na válvula de simultaneidade (elemento E) com pressões diferentes nas suas entradas, a pressão de saída será igual à: ( a ) maior pressão de entrada. ( b ) menor pressão de entrada. ( c ) pressão da primeira entrada. ( d ) pressão da segunda entrada. 209 4.6.3 Válvulas de controle de fluxo Estas válvulas de controle são utilizadas em situações nos quais ocorre a necessidade de diminuir a quantidade de ar que passa através de uma tubulação. Essa situação é mais frequente quando se necessita regular a velocidade de um cilindro ou formar condições de temporização pneumática. Portanto, esse tipo de válvula é a solução ideal quando se necessita influenciar o fluxo de ar comprimido. As válvulas de controle de fluxo podem ser fixas ou variáveis; e estas podem ser unidirecionais ou bidirecionais. Serão abordados neste estudo os seguintes tipos de válvulas de controle de fluxo: • válvula de controle de fluxo fixa bidirecional; • válvula de controle de fluxo variável bidirecional; e • válvula de controle de fluxo variável unidirecional. Tabela 4.9 Válvulas de controle de fluxo. Válvula Funcionamento fixa bidirecional Essa válvula recebe esse nome porque não permite ajuste, sendo a restrição permanente de mesmo diâmetro, e o fluxo é controlado igualmente em ambas as direções (ou seja, Fluxo 1-2 = Fluxo 2-1). variável bidirecional É utilizada quando se necessita variar a intensidade do fluxo de ar em função de algum ajuste de operação, como, por exemplo, o ajuste de velocidade de um atuador. Essa válvula possui um parafuso cônico regulável que pode aproximar-se ou afastar-se de um assento. Essa regulagem permite a passagem de maior ou menor quantidade de fluido através da válvula. Essa válvula é formada por um dispositivo de controle de fluxo variável unidirecional variável e uma válvula de retenção. No sentido de passagem de ar da via 1 para a via 2 (Figura a), o ar flui livremente através da retenção que se abre. No sentido inverso (Figura b), a válvula de retenção fecha-se, impedindo o fluxo de ar e obrigando que o ar passe pela via em que a restrição é controlada por um parafuso de ajuste. Nessa válvula Fluxo 1-2 > Fluxo 2-1. 210 A figura 4.25 mostra alguns modelos comerciais de válvulas de controle de fluxo. Figura 4.25 Modelos comerciais de válvulas de controle de fluxo. 4.6.4 Válvulas de controle de pressão Essas válvulas têm como função influenciar ou serem influenciadas por determinada intensidade de pressão de um sistema. Portanto, essas válvulas podem limitar a pressão máxima em um reservatório, linha de ar comprimido ou compressor; podem detectar o fim de um movimento sem a presença de um fim de curso apenas pela elevação de pressão, e controlar a “energia” pneumática fornecida a um sistema pneumático. Dentre as válvulas de controle de pressão serão abordadas, neste estudo, a: • válvula de alívio ou limitadora de pressão; • válvula de sequência; e • válvula reguladora de pressão. Tabela 4.10 Válvulas de controle de pressão. Válvula Funcionamento Seu funcionamento consiste em posicionar um êmbolo ou esfera sobre uma sede, através de uma mola que teve sua tensão válvula de alívio ajustada por meio de um parafuso e porca de regulagem. Havendo uma elevação de pressão acima do valor regulado, o êmbolo ou a esfera se desloca da sede, fazendo com que o excesso de ar tenha caminho livre para a atmosfera. Com o equilíbrio de pressão, a mola posiciona o êmbolo ou esfera na sede e a válvula se fecha. 211 Tabela 4.10 Válvulas de controle de pressão (continuação). Válvula Funcionamento Seu funcionamento é basicamente o mesmo da válvula de alívio; válvula de sequência porém, a sua saída de ar é utilizada para comandos ou emissão de sinais a qualquer outro elemento pneumático (válvula ou atuador). Essa válvula está presente na unidade de condicionamento apresentada nesta unidade. O ar comprimido atravessa a válvula apenas se a válvula de reguladora de pressão assento estiver aberta. Se a pressão de saída (via 2) exceder à pressão regulada (ajuste da mola), o diafragma será deslocado para cima (contra a mola de regulagem), abrindo a passagem de ar para atmosfera através da via de escape (via 3). Quando a pressão de saída normalizar, o diafragma volta a sua posição de assento e o ar volta a circular normalmente através da abertura regulável. Figura 4.26 Modelos comerciais de válvulas de controle de pressão. Tarefa 4.6 Na questão a seguir, marque a alternativa correta. 1. Para o regulador de pressão funcionar corretamente, a pressão de entrada deve: ( a ) ser sempre igual à pressão de saída. ( b ) ser sempre menor do que a pressão de saída. ( c ) ser sempre maior do que a pressão de saída. ( d ) não influenciar na pressão de saída. 212 4.7 ATUADORES PNEUMÁTICOS LINEARES Os atuadores pneumáticos são elementos mecânicos que, por meio de movimentos lineares ou rotativos, transformam a energia cinética gerada pelo ar pressurizado e em expansão, em energia mecânica, produzindo trabalho. Serão abordados neste estudo apenas os atuadores pneumáticos de movimento linear, dentre os quais podemos destacar: • cilindros de simples ação ou simples efeito; • cilindros de dupla ação ou duplo efeito; • cilindros de dupla ação ou duplo efeito com amortecimento; e • cilindros de dupla ação ou duplo efeito com êmbolo magnético. 4.7.1 Cilindro de simples ação ou simples efeito Esse tipo de atuador pneumático possui movimento de avanço ou retorno pela ação de uma mola interna ao seu tubo cilíndrico (ou camisa), podendo ainda ter retorno por força externa. As figuras 4.27, 4.28 e 4.29 mostram os funcionamentos dos cilindros de simples ação com avanço por mola, retorno por mola e retorno por ação de força externa, respectivamente. Figura 4.27 Funcionamento do cilindro de simples ação com avanço por mola. 213 Figura 4.28 funcionamento do cilindro de simples ação com retorno por mola. Figura 4.29 Funcionamento do cilindro de simples ação com retorno por ação de força externa. 214 4.7.2 Cilindro de dupla ação ou duplo efeito Esse tipo de atuador pneumático possui tanto o avanço como o retorno comandado através de ar comprimido. A figura 4.19 mostra o funcionamento de um cilindro de dupla ação. Figura 4.30 Funcionamento do cilindro de dupla ação. 4.7.3 Amortecimento e êmbolo magnético A função do amortecimento é absorver a energia cinética excessiva gerada em função das velocidades de avanço e de retorno que o atuador desenvolve durante o seu funcionamento. O amortecimento só entra em ação a partir de uma determinada posição do êmbolo na qual o ar passa através de uma restrição que pode ser fixa ou variável. Dessa forma o amortecimento será responsável pela redução do impacto no fim de curso do atuador. Figura 4.31 Funcionamento amortecimento no retorno de um cilindro. O êmbolo magnético é utilizado como alternativa em aplicações onde se faz necessário detectar o fim de curso do atuador. Para isso é necessário instalar junto ao êmbolo do cilindro um imã permanente e sensores magnéticos na parte externa 215 da camisa do cilindro. A figura 4.21 mostra esse tipo de atuador. Note que o mesmo também possui amortecimento variável para o avanço e para o retorno! Figura 4.32 Cilindro de dupla ação com êmbolo magnético e amortecimento variável no avanço e no retorno. O amortecimento pode ser fixo ou variável e pode ser instalado no cabeçote traseiro ou dianteiro do cilindro, ou em ambos. Dessa forma, podemos ter cilindros com amortecimento no avanço, no retorno ou no avanço e no retorno do curso da haste do cilindro. Tanto os cilindros de simples ação, como os cilindros de dupla ação, podem utilizar o amortecimento e/ou o embolo magnético. Figura 4.33 Modelos comerciais de cilindros pneumáticos. 216 Tarefa 4.7 Responda às seguintes questões. Qual é a função dos atuadores pneumáticos? Qual é a diferença entre cilindros de simples ação e cilindros de dupla ação? 217 4.8 SIMBOLOGIAS DOS COMPONENTES PNEUMÁTICOS Os símbolos apresentados a seguir estão de acordo com a norma DIN/ISSO 1929 de agosto de 1978, ainda em vigor. Tabela 4.11 Símbolos pneumáticos. Denominação compressor Característica Símbolo produz ar comprimido (fluxo em apenas um sentido) fonte de ar comprimido linha de trabalho linha de comando linha para transmissão de energia. linha para transmissão de energia de comando (inclusive ajuste e regulagem). união fixa, por exemplo, soldada, chumbada ou união de linhas parafusada (inclusive conexões e uniões rosqueadas). linhas cruzadas cruzamento de linhas não conectadas. simples, não conectável (escape livre). conexão de descarga rosqueado por conexão (canalizado ou dirigido). resfriador de ar silenciador reservatório de ar manômetro instrumento de medição de pressão 218 Tabela 4.11 Símbolos pneumáticos (continuação) Denominação Característica Símbolo filtro de ar separador com dreno manual. de água (purgador) filtro com dreno automático. com dreno manual. com separador de água (purgador) com dreno automático. unidade lubrificador à qual se adicionam pequenas quantidades de óleo ao ar passante para a lubrificação dos equipamentos. secador utilizado para retirar a umidade do ar comprimido após a sua produção. composto por filtro; regulador; indicador e unidade lubrificador. de condicionamento de ar comprimido símbolo simplificado. VCD com duas vias e duas posições; posição normal fechada (NF). válvulas de controle direcional VCD com duas vias e duas posições; posição normal aberta (NA). (VCD) VCD com três vias e duas posições; posição normal fechada (NF). 219 Tabela 4.11 Símbolos pneumáticos (continuação). Denominação Característica Símbolo VCD com três vias e duas posições; posição normal aberta (NA). VCD com quatro vias e duas posições. VCD com quatro vias e duas posições. VCD com cinco vias e duas posições. VCD com cinco vias e duas posições. válvulas de controle direcional (VCD) VCD com três vias e três posições. Posição intermediária fechada. VCD com quatro vias e três posições. Posição intermediária fechada (centro fechado). VCD com quatro vias e três posições. Posição intermediária com saídas em exaustão (centro aberto negativo). VCD com quatro vias e três posições. Posição intermediária com saídas em pressão (centro aberto positivo). VCD com cinco vias e três posições. Posição intermediária com saídas em pressão (centro fechado). VCD com cinco vias e três posições. Posição intermediária com saídas em exaustão (centro aberto negativo). VCD com cinco vias e três posições. Posição intermediária com saídas em pressão (centro aberto positivo). 220 Tabela 4.11 Símbolos pneumáticos (continuação). Denominação Característica Símbolo válvula de retenção sem mola. válvula de retenção com mola. válvula de escape rápido. válvulas de bloqueio válvula de isolamento (elemento OU). válvula de simultaneidade (elemento E). válvula de controle de fluxo fixa bidirecional. válvulas de controle válvula de controle de fluxo variável bidirecional. de fluxo válvula de controle de fluxo variável unidirecional. válvula de sequência. válvulas de controle válvula de alívio ou válvula de segurança. de pressão válvula reguladora de pressão. 221 Tabela 4.11 Símbolos pneumáticos (continuação). Denominação Característica Símbolo cilindro de simples ação com retorno por mola. cilindros de simples ação ou cilindro de simples ação com avanço por mola. duplo efeito cilindro de simples ação com retorno por força externa. cilindro de dupla ação com haste unilateral. cilindro de dupla ação com haste passante. cilindro de dupla ação com êmbolo magnético. cilindros de dupla ação ou duplo efeito cilindro de dupla ação com amortecimento fixo no avanço. cilindro de dupla ação com amortecimento fixo no recuo. cilindro de dupla ação com amortecimento fixo no avanço e no recuo. cilindro de dupla ação com amortecimento regulável no avanço e no recuo. cilindro de dupla ação com amortecimento regulável no avanço e no recuo e êmbolo magnético. 222 4.9 CIRCUITOS PNEUMÁTICOS E ELETROPNEUMÁTICOS BÁSICOS Com as informações expostas nesta unidade, é possível compreender e realizar montagens de circuitos pneumáticos básicos. Para simplificar este estudo, vamos, inicialmente, apresentar exemplos de circuitos pneumáticos simples e de fácil compreensão. Em seguida, apresentaremos os circuitos eletropneumáticos equivalentes aduzindo-lhes seus respectivos circuitos de comando elétrico. Tenha um bom estudo! 4.9.1 Comandos diretos para cilindro de simples ação Exercício resolvido 4.2 Descreva os funcionamentos dos circuitos pneumáticos a seguir. Circuito pneumático Funcionamento Quando o botão da válvula direcional 1.1 for acionado, a haste do cilindro deve avançar; porém, quando o botão for solto, a haste do cilindro deve retornar devido à ação da mola interna. Os movimentos de avanço e de retorno do atuador ocorrem em alta velocidade e causam um impacto forte quando o êmbolo completa seu movimento. Figura 4.34 Comando direto para CSA sem regulagem de velocidade. 223 Circuito pneumático Funcionamento O funcionamento desse circuito pneumático será semelhante ao caso anterior, ou seja, quando o botão da válvula direcional 1.1 for acionado, a haste do cilindro deve avançar; porém, quando o botão for solto, a haste do cilindro deve retornar devido à ação da mola interna. Porém, entre a válvula 1.1 e o atuador 1.0 existe uma válvula de controle de fluxo variável unidirecional. Esta está montada de maneira que o atuador terá seu movimento de avanço com ajuste de velocidade e o seu movimento de retorno sem ajuste de velocidade. Figura 4.35 Comando direto para CSA com regulagem de velocidade no avanço. Vamos a uma dica! No circuito pneumático, o símbolo da válvula de controle de fluxo variável unidirecional estabelece o sentido de controle de velocidade do movimento do atuador. Isto é, para o circuito pneumático da figura 4.35, a válvula 1.01 aponta para o cilindro; logo, o cilindro terá seu movimento de avanço com velocidade controlada e seu movimento de retorno será rápido. Com duas válvulas de controle de fluxo variável unidirecional, montadas em sentidos opostos, forma-se uma válvula de controle de fluxo variável bidirecional. 224 Tarefa 4.8 Descreva os funcionamentos dos circuitos pneumáticos a seguir. Circuito pneumático Funcionamento Figura 4.36 Comando direto para CSA com regulagem de velocidade no recuo. Circuito pneumático Funcionamento Figura 4.37 Comando direto para CSA com regulagem de velocidade de avanço e recuo. 225 4.9.2 Comandos diretos para cilindro de dupla ação Exercício resolvido 4.3 Descreva os funcionamentos dos circuitos pneumáticos a seguir. Circuito pneumático Funcionamento Acionando-se o botão da VCD 1.1 e estando o botão da VCD 1.2 desacionado, então o cilindro irá avançar em alta velocidade. Acionando-se o botão da VCD 1.2 e estando o botão da VCD 1.1 desacionado, então o cilindro irá recuar em alta velocidade. Figura 4.38 Comando direto para CDA sem regulagem de velocidade. Tanto o avanço como o recuo do cilindro será interrompido sempre que as VCD’s forem desacionadas. Circuito pneumático Funcionamento Este circuito funciona de maneira similar ao circuito anterior, porém tanto o avanço como o retorno podem ter suas velocidades controladas. Acionando-se o botão da VCD 1.1 e estando o botão da VCD 1.2 desacionado, então o cilindro irá avançar com velocidade controlada através da válvula de controle de fluxo variável unidirecional 1.01. Figura 4.39 Comando direto para CDA com regulagem de velocidade Acionando-se o botão da VCD 1.2 e estando o na direção do cilindro. botão da VCD 1.1 desacionado, então o cilindro irá recuar com velocidade controlada através da válvula de controle de fluxo variável unidirecional 1.02. 226 Tarefa 4.9 Descreva os funcionamentos dos circuitos pneumáticos a seguir. Circuito pneumático Funcionamento Figura 4.40 Comando direto para CDA com regulagem de velocidade na direção da VCD. Circuito pneumático Funcionamento Figura 4.41 Comando direto para CDA com regulagem de velocidade nas saídas de escape da VCD. 227 4.9.3 Comandos indiretos para cilindros Exercício resolvido 4.4 Descreva os funcionamentos dos circuitos pneumáticos a seguir. Circuito pneumático Funcionamento Ao se acionar o botão da VCD 1.2, o ar comprimido circula da via 1 para a via 2 e é transferido para o interior da câmara traseira do cilindro através da válvula de isolamento causando, assim, o seu avanço rápido. No momento em que o botão da VCD 1.2 for solto, esta retornará a sua posição inicial pela ação de sua mola interna e o ar que foi utilizado para avançar o cilindro será expulso do mesmo através da passagem de ar entre as vias 2 e 3 da VCD 1.2. então, a mola interna ao cilindro irá causar seu recuo imediato. Caso seja acionada a VCD 1.4, o mesmo efeito descrito para a Figura 4.42 Comando indireto VCD 1.2 será observado. Portanto, se qualquer uma das duas para CSA através da válvula de válvulas for acionada (separadamente ou simultaneamente); isolamento (elemento OU). nesse caso ocorrerá pressurização da câmara traseira do cilindro e o mesmo avançará, porém, no instante em que as duas válvulas forem desacionadas, o cilindro será recuado. Circuito pneumático Funcionamento Ao se acionar o botão da VCD 1.2, o ar comprimido circula da via 1 para a via 2 e seque em direção a via X da válvula de simultaneidade a qual fica autobloqueada pelo ar comprimido. Dessa forma não haverá ar na câmara traseira do cilindro e o mesmo permanecerá recuado. Para que o cilindro avance, é necessário acionar o botão da VCD 1.4; assim o ar comprimido irá circular da via 1 para a via 2 da VCD 1.4 e passará da via Y para a via A da válvula de simultaneidade, pressurizando a câmara traseira do cilindro e causando seu avanço. Se qualquer Figura 4.43 Comando indireto para CSA através da válvula de simultaneidade (elemento E). uma das duas VCD’s for desacionada, então o ar na saída da válvula de simultaneidade será descartado para a atmosfera e o cilindro então recuará devido à ação de sua mola interna. Portanto, neste circuito, o cilindro só será avançado se ambas as VCD’s 1.2 e 1.4 forem acionadas simultaneamente. 228 Circuito pneumático Funcionamento Este circuito pneumático possui duas válvulas de pilotagem da VCD 1.1 para comandar o avanço e o retorno do cilindro de dupla ação. Quando a VCD 1.2 for acionada, a VCD 1.1 irá assumir sua posição do quadrado a esquerda e causará o avanço do cilindro em alta velocidade. Quando a VCD 1.3 for acionada, a VCD 1.1 irá assumir sua posição do quadrado a direita e causará o recuo do cilindro em alta velocidade. Em ambos os casos (avanço ou recuo do cilindro), as vias 12 e 14 Figura 4.44 Comando indireto da VCD 1.1 não necessitam de pressão por longos períodos: para CDA com VCD pilotada. basta somente um pulso na VCD 1.2 ou na VCD 1.3 para que o cilindro execute um movimento o qual não será interrompido pelo desacionamento das VCD’s de pilotagem. 229 Tarefa 4.10 Descreva o funcionamento do circuito pneumático a seguir. Figura 4.45 Circuito pneumático com pilotagem indireta através das válvulas de simultaneidade e de isolamento. 230 4.9.4 Comandos repetitivos para cilindros Exercício resolvido 4.5 Descreva o funcionamento do circuito pneumático a seguir. Circuito pneumático Funcionamento Considerando o cilindro inicialmente recuado, então o rolete 1.2 está inicialmente acionado. Ao ser aplicada pressão no sistema a VCD 1.2 permitirá a passagem de ar para a via 14 da VCD 1.1, e o cilindro avançará. Imediatamente após o cilindro iniciar seu movimento de avanço, a via 14 da VCD 1.1 será despressurizada, porém o cilindro irá prosseguir com seu curso de avanço até que a haste do cilindro acione o rolete 1.3, o qual fará com que a VCD 1.3 libere a passagem de ar para a via 12 Figura 4.46 Comando indireto da VCD 1.1 que, por sua vez, irá manobrar a mesma para a sua repetitivo para CDA. posição cuja passagem de ar permite o recuo do cilindro. Como ocorreu durante o início do movimento de avanço do cilindro, ao se iniciar o movimento de recuo do cilindro, o rolete 1.3 será desacionado, porém a VCD 1.1 irá manter sua posição até que a haste do cilindro acione novamente o rolete 1.2, causando um novo ciclo de avanço e recuo do cilindro. Essa situação irá ocorrer automaticamente enquanto houver ar comprimido no sistema. 231 Tarefa 4.11 No circuito pneumático a seguir, considere inicialmente o cilindro 1.0 e, então descreva o seu funcionamento quando o sistema for alimentado com ar comprimido. 232 4.9.5 Circuitos eletropneumáticos Circuitos eletropneumáticos são os circuitos pneumáticos onde há pelo menos uma válvula de controle direcional comandada eletricamente ou uma servoválvula instalada. Os comandos das VCD’s podem ser simples ou combinados. Nessas válvulas, o sinal de comando elétrico pode ser um sinal digital em tensão contínua (0 ou 24VDC) ou alternada (0 ou 120VAC e 0 ou 220AC) proveniente de um circuito de comando elétrico, circuito eletrônico digital, controlador lógico programável et cetera. Para as servoválvulas, o comando elétrico deve ser variável em corrente elétrica em geral, pode-se comandar as servoválvulas com correntes de 0 a 1 amperes provenientes de controladores com saída analógica em corrente elétrica amplificada. Os circuitos eletropneumáticos possuem as vantagens de minimizar a utilização de válvulas de controle direcional e, assim, reduzir os custos de instalação e manutenção do circuito pneumático, pois apresentam menos pontos sujeitos aos vazamentos de ar comprimido e necessitam de espaços físicos menores para sua instalação. Outra vantagem é que os circuitos eletropneumáticos podem ser operados a longas distâncias e em altas velocidades. Não se deve utilizar um circuito eletropneumático em ares com classificação de risco de incêndio ou de explosão devido à geração de centelhas causadas pelo acionamento do solenoide. Nesses casos, deve-se instalar o circuito eletropneumático dentro de quadros especiais a prova de explosão e, além disso, a fiação elétrica utilizada para comandar o circuito eletropneumático deve ser instalado em tubulação metálica devidamente isolada da área de risco. Para facilitar o entendimento do funcionamento dos circuitos eletropneumáticos, serão apresentados a seguir os circuitos eletropneumáticos equivalentes aos circuitos pneumáticos de comandos diretos, indiretos e repetitivos estudados no tópico anterior desta unidade de estudo. a) circuitos eletropneumáticos equivalentes para comando direto de CSA A figura a seguir mostra um exemplo de circuito pneumático de acionamento direto para cilindro de simples ação com retorno por mola e seu equivalente eletropneumático. O circuito eletropneumático utiliza uma VCD comanda por solenoide a qual é acionada pelo circuito de comando elétrico da figura 4.47-c. 233 ( a ) circuito pneumático ( b ) circuito eletropneumático ( c ) comando elétrico Figura 4.47 Circuito pneumático de acionamento direto para CSA com retorno por mola e seu equivalente eletropneumático. Através da análise do circuito de comando elétrico da figura 4.47-c, pode-se concluir que o circuito eletropneumático da figura 4.47-b funciona da seguinte maneira: Quando a botoeira B0 for acionada, o solenoide V1 será energizado e o cilindro avançará. Quando a botoeira B0 for desacionada, o solenoide V1 será desenergizado, a VCD volta à sua posição inicial e o cilindro recuará imediatamente pela ação de sua mola interna. Neste circuito, tanto o avanço como o retorno do cilindro são feitos em alta velocidade. O mesmo circuito de comando elétrico da figura 4.47-c também pode ser utilizado para comandar os circuitos eletropneumáticos com regulagem de velocidade no avanço, no recuo e no avanço e no recuo do cilindro mostrados nas figuras a seguir. ( a ) controle de velocidades de ( b ) controle de velocidade de ( c ) controle de velocidades de recuo do CSA. avanço do CSA. avanço e de recuo do CSA. Figura 4.48 Circuito pneumático de acionamento direto com controle de velocidade para CSA com retorno por mola e seu equivalente eletropneumático. 234 b) circuitos eletropneumáticos equivalentes para comando indireto de CSA A figura a seguir mostra um exemplo de circuito pneumático de acionamento indireto através de válvula de isolamento para CSA com retorno por mola e seu equivalente eletropneumático. ( a ) circuito pneumático ( b ) circuito eletropneumático ( c ) comando elétrico Figura 4.49 Circuito pneumático de acionamento indireto através de válvula de isolamento para CSA com retorno por mola e seu equivalente eletropneumático. Pela análise do circuito de comando elétrico da figura 4.49-c, pode-se concluir que o circuito eletropneumático da figura 4.49-b funciona da seguinte maneira: Quando a botoeira B0 ou a botoeira B1 for acionada, o solenoide V1 será energizado e o cilindro avançará. Quando ambas as botoeiras B0 e B1 forem desacionadas, o solenoide V1 será desenergizado, a VCD voltará à sua posição inicial, e o cilindro recuará imediatamente pela ação de sua mola interna. A associação em paralelo das botoeiras B0 e B1, vista no circuito de comando elétrico da figura 4.49-c, corresponde à função lógica OU implementada pela válvula de isolamento no circuito pneumático da figura 4.49-a. A figura a seguir mostra um exemplo de circuito pneumático de acionamento indireto através de válvula de simultaneidade para CSA com retorno por mola e seu equivalente eletropneumático. 235 ( a ) circuito pneumático ( b ) circuito eletropneumático ( c ) comando elétrico Figura 4.50 Circuito pneumático de acionamento indireto através de válvula de simultaneidade para CSA com retorno por mola e seu equivalente eletropneumático. A análise do circuito de comando elétrico da figura 4.50-c fornece a seguinte descrição do funcionamento do circuito eletropneumático da figura 4.50-b: Quando as botoeiras B0 e B1 forem acionadas simultaneamente, o solenoide V1 será energizado e o cilindro avançará. Quando a botoeira B0 ou a botoeira B1 for desacionada, o solenoide V1 será desenergizado, a VCD volta à sua posição inicial e o cilindro recuará imediatamente pela ação de sua mola interna. Portanto, para manter o cilindro avançado, é necessário manter as duas botoeiras pressionadas ao mesmo tempo. A associação em série das botoeiras B0 e B1 vista no circuito de comando elétrico da figura 4.50-c corresponde à função lógica. E, implementada pela válvula de simultaneidade no circuito pneumático da figura 4.50-a. 236 c) circuito eletropneumático equivalente para comando direto de CDA A figura a seguir mostra um exemplo de circuito pneumático de acionamento indireto através de válvulas de controle direcional para CDA e seu equivalente eletropneumático. ( a ) circuito pneumático ( b ) circuito eletropneumático ( c ) comando elétrico Figura 4.51 Circuito pneumático de acionamento direto para CDA e seu equivalente eletropneumático. Pelo diagrama de comando elétrico da figura 4.51-c, é possível notar que o circuito eletropneumático da figura 4.51-b funciona da seguinte maneira: Quando a botoeira B0 for acionada, o solenoide V1 será energizado e o cilindro avançará desde que a botoeira B1 não esteja acionada também. Estando o cilindro em movimento e, se a botoeira B0 for desacionada, o solenoide V1 será desenergizado e o cilindro para seu movimento de avanço imediatamente de forma similar; o recuo do cilindro ocorrerá quando a botoeira B1 for acionada. Neste caso, o solenoide V2 será energizado e o cilindro recuará desde que a botoeira B0 não esteja acionada. Se durante o movimento de recuo do cilindro a botoeira B1 for desacionada, o solenoide V2 será desenergizado e o cilindro cessará o seu movimento de recuo imediatamente. Neste exemplo, o cilindro realizará um movimento somente se uma das duas botoeiras for acionada por vez. Para completar o movimento do cilindro é necessário manter a botoeira correspondente ao movimento pressionada até o fim do movimento. 237 d) circuito eletropneumático equivalente para comando indireto de CDA A figura a seguir mostra um exemplo de circuito pneumático de acionamento indireto através de válvula de controle direcional para CDA e seu equivalente eletropneumático. ( a ) circuito pneumático ( b ) circuito eletropneumático ( c ) comando elétrico Figura 4.52 Circuito pneumático de acionamento indireto para CDA e seu equivalente eletropneumático. As análises o diagrama de comando elétrico da figura 4.52-c revelam o seguinte funcionamento do circuito eletropneumático da figura 4.52-b: Quando a botoeira B0 for acionada, o solenoide V1 será energizado e o cilindro avançará. Se, durante o curso de avanço do cilindro, a botoeira B0 for desacionada, o solenoide V1 será desenergizado, porém o cilindro completará o seu movimento de avanço. Por outro lado, quando a botoeira B1 for acionada, o solenoide V2 será energizado e o cilindro recuará. Se, durante o curso de recuo do cilindro, a botoeira B1 for desacionada, o solenoide V2 será desenergizado, porém o cilindro completará o seu movimento de recuo. Também neste exemplo, o cilindro só iniciará um movimento se uma das duas botoeiras for acionada por vez. Porém, para completar o movimento do cilindro não é necessário manter a botoeira correspondente ao movimento pressionada até o fim do mesmo. 238 e) circuito eletropneumático equivalente para comando repetitivo de CDA A figura a seguir mostra um exemplo de circuito pneumático de comando repetitivo através de válvulas de controle direcional para CDA e seu equivalente eletropneumático. Esse circuito terá seu movimento automático iniciado assim que o sistema for pressurizado. Os detalhes a respeito do funcionamento do circuito eletropneumático apresentado na figura 4.x-b deverão ser fornecidas pelo aluno na próxima tarefa. ( a ) circuito pneumático ( b ) circuito eletropneumático ( c ) comando elétrico Figura 4.53 Circuito pneumático de comando repetitivo para CDA e seu equivalente eletropneumático. Tarefa 4.12 Descreva o funcionamento do circuito eletropneumático da figura 4.53-b, de acordo com a análise do diagrama de comandos elétricos da figura 4.53-c. Considere o cilindro inicialmente recuado. 239 Teste de autoavaliação da unidade 4 Teste seus conhecimentos! 4.1 Complete os circuitos pneumáticos a seguir para que a haste do cilindro 1.0 avance e a haste do cilindro 2.0 recue quando for acionado o botão da válvula de 1.1. Quando o botão da válvula 1.1 deixar de ser acionado, a haste do cilindro 1.0 deve recuar e a haste do cilindro 2.0 deve avançar. 4.2 Faça uma breve descrição sobre o funcionamento do circuito pneumático da figura a seguir. 240 4.3 Observe o diagrama de comando elétrico abaixo e faça uma breve descrição sobre o funcionamento do circuito eletropneumático a seguir. diagrama de comando elétrico circuito eletropneumático 241 4.4 No circuito pneumático a seguir quais são os valores das pressões de avanço e de retorno do cilindro? JUSTIFIQUE sua resposta. Pressão de avanço: _______________ Pressão de recuo: _______________ Justificativa: Justificativa: 242 Chave de respostas das tarefas e do teste de autoavaliação da unidade 4 Corrija e veja como foi seu aprendizado! Tarefa 4.1 Automação pneumática consiste em aplicar os mais diversos automatismos que utilizam o ar comprimido como forma de energia para executar tarefas ou atividades industriais de maneira controlada sem que hajam grandes intervenções humanas. As vantagens da automação pneumática são apresentadas no item 5.2. As desvantagens da automação pneumática também são apresentadas no item 5.2. Tarefa 4.2 Compressão, drenagem, refrigeração, armazenamento e secagem. Os compressores são os equipamentos responsáveis pela produção do ar comprimido nos sistemas pneumáticos. Porque é de fundamental importância que o ar comprimido esteja livre de água ou umidade, a fim de que sejam reduzidos os efeitos corrosivos nos dispositivos pneumáticos. O armazenamento do ar comprimido tem como objetivo estabilizar a distribuição do ar comprimido, garantir reserva de energia e produzir o resfriamento do ar armazenado. Tarefa 4.3 A rede de distribuição de ar comprimido é responsável por transportar o ar da estação de produção aos vários pontos de consumo. É formada por tubulações, conexões e demais acessórios pneumáticos. 243 A etapa de condicionamento do ar comprimido é de fundamental importância nos sistemas pneumáticos, para eliminar partículas de água e impurezas procedentes da rede de distribuição, para ajustar a pressão de trabalho necessário que cada ponto de consumo e para diminuir os efeitos de desgastes nos componentes pneumáticos, diminuindo as forças de atrito e facilitando os movimentos dos componentes pneumáticos. Os filtros de ar comprimido têm como função reter as partículas de impurezas, bem como a água condensada, contidas no ar comprimido, após a sua produção. A regulação de pressão tem como função manter constante a pressão de trabalho ao longo da rede de distribuição e consumo de ar comprimido. A lubrificação tem como função abastecer os elementos pneumáticos com material lubrificante (óleo especial) a fim de garantir um desgaste mínimo dos elementos móveis, minimizar as forças de atrito e proteger os aparelhos contra corrosão. Tarefa 4.4 Classificação: 2 vias, 2 posições, acionamento por rolete e retorno por mola. Funcionamento: estando o rolete desacionado, o elemento de vedação está localizado em sua posição de assento, impedindo que o ar que chega a via de entrada (via 1) passa para a via de utilização (via 2), portanto, nesta situação, as vias 1 e 2 estão bloqueadas. Ao acionarmos o rolete, o elemento de vedação sai de sua posição de assento e abre a passagem de ar da via de entrada (via 1) para a via de utilização (via 2), portanto, nesta situação, as vias 1 e 2 estão conectadas. Ao desacionarmos o rolete, a mola interna fará com que o elemento de vedação retorna a sua posição de assento e, portanto, novamente bloqueia as vias 1 e 2. 3 vias, 2 posições, acionamento geral e retorno por mola. 244 2 vias, 2 posições, acionamento por botão e retorno por mola. 5 vias, 2 posições, acionamento por pino e acréscimo de pressão e retorno por mola ou acréscimo de pressão. ( c ); ( a ); ( b ); ( c ); ( d ) ( c ); ( d ); ( c ); ( b ); ( a ); ( c ); ( c ); ( c ) Tarefa 4.5 1 ( b ); 2( a ); 3 ( d ); 4 ( b ) Tarefa 4.6 1(c) Tarefa 4.7 Os atuadores pneumáticos têm como função converter a energia cinética, gerada pelo ar pressurizado e em expansão, em energia mecânica, a fim de desenvolver um trabalho. Os cilindros de simples ação (CSA) possuem movimentos de avanço ou retorno pela ação de uma mola interna ao seu tubo cilíndrico (ou camisa), podendo ainda ter retorno por força externa, ou seja, possuem apenas uma via de entrada de ar comprimido. Por outro lado, os cilindros de dupla ação (CDA) possuem movimentos de avanço e de retorno comandados através de ar comprimido, ou seja, possuem duas vias de entrada de ar comprimido. Tarefa 4.8 Quando o botão da VCD 1.1 for acionado, o cilindro será avançado rapidamente. Porém quando o botão da VCD 1.1 for desacionado, o cilindro será recuado com velocidade controlada através da válvula de controle de fluxo variável unidirecional 1.01. 245 Quando o botão da VCD 1.1 for acionado, o cilindro será avançado com velocidade controlada através da válvula de controle de fluxo variável unidirecional 1.01. Porém, quando o botão da VCD 1.1 for desacionado, o cilindro será recuado com velocidade controlada através da válvula de controle de fluxo variável unidirecional 1.02. Tarefa 4.9 Este circuito possui controles de velocidades para o avanço e recuo do cilindro de dupla ação. Acionando-se o botão da VCD 1.1 e estando o botão da VCD 1.2 desacionado, então o cilindro irá avançar com velocidade controlada através da válvula de controle de fluxo variável unidirecional 1.02. Acionando-se o botão da VCD 1.2 e estando o botão da VCD 1.1 desacionado, então o cilindro irá recuar com velocidade controlada através da válvula de controle de fluxo variável unidirecional 1.01. Também neste circuito ocorrem os controles de velocidades de avanço e de retorno do cilindro através das válvulas reguladoras de fluxo variável unidirecional 1.02 e 1.01, respectivamente. A diferença deste circuito para o circuito anterior está no fato dessas válvulas estarem localizadas nas saídas de escape das VCD’s 1.1 e 1.2. Portanto, acionando-se o botão da VCD 1.1 e estando o botão da VCD 1.2 desacionado, o cilindro irá avançar com velocidade controlada através da válvula de controle de fluxo variável unidirecional 1.02. Acionando-se o botão da VCD 1.2 e estando o botão da VCD 1.1 desacionado, o cilindro irá recuar com velocidade controlada através da válvula de controle de fluxo variável unidirecional 1.01. Tarefa 4.10 Neste circuito, as VCD’s 1.2 e 1.4 devem ser acionadas simultaneamente para que a via 14 da VCD 1.1 seja pressurizada e o cilindro avance em alta velocidade. Para que o cilindro recue, é necessário que ou a VCD 1.3 ou então a VCD 1.5 seja acionada simultaneamente ou não, ou seja, para que o cilindro recue, pode-se acionar a VCD 1.3 ou a VCD 1.5. 246 Tarefa 4.11 Como o cilindro 1.0 está inicialmente recuado, o rolete 2.2 está acionado. Ao pressurizar-mos o sistema, a VCD 2.2 libera a passagem de ar para pressurizar a via 14 da VCD 2.1 que, por sua vez, assume a sua posição à esquerda e avança o cilindro 2.0, permanecendo assim até que o botão da VCD 1.2 seja acionado. Quando isso ocorrer, a VCD 1.2 libera a passagem de ar para a via 14 da VCD 1.1. Esta é então manobrada e causa o avanço do cilindro 1.1. No fim do curso de avanço do cilindro 1.0, ocorre o acionamento do rolete 2.3, o qual libera a passagem de ar para a via 12 da VCD 2.2, comandando-a para sua posição à direita, fazendo com que o cilindro 2.0 recue e assim permaneça até que o cilindro 1.0 recue e acione novamente o rolete 2.2. Isso ocorrerá caso o botão da VCD 1.3 seja acionado, pois a mesma liberará a passagem de ar para a via 12 da VCD 1.1, fazendo essa válvula assumir sua posição à direita, causando o recuo do cilindro 1.0. Tarefa 4.12 Considerando-se que inicialmente o cilindro está recuado, após energizar e pressurizar o circuito eletropneumático será observado o seguinte funcionamento: como o cilindro está recuado então a chave fim de curso de recuo (S1) estará acionada e, assim, o solenoide V1 será energizado e o cilindro avançará. Ao iniciar seu curso de avanço, o cilindro desacionará a chave fim de curso de recuo (S1), porém a VCD irá manter sua posição e o cilindro continuará seu curso de avanço até atingir a chave fim de curso de avanço (S2). Esta, por sua vez, fará com que o solenoide V2 seja energizado e, assim, o cilindro iniciará seu curso de recuo. Logo em seguida, a chave fim de curso (S2) será desacionada, porém a VCD irá manter sua posição e o cilindro completará seu curso de recuo. No final deste, a chave fim de curso de recuo será novamente acionada e um novo ciclo de avanço e recuo do cilindro começará. 247 Teste de autoavaliação da unidade 4 4.1 4.2 Para que o cilindro 1.0 avance, é necessário que ou a VCD 1.2 ou a VCD 1.4 sejam acionadas e pelo menos umas das duas VCD’s de comando de retorno (VCD 1.1 e VCD 1.3) esteja desacionada. Para que o cilindro recue, é necessário que as duas VCD’s de comando de avanço (VCD’s 1.2 e 1.4) estejam desacionadas e ambas as VCD’s de comando de recuo estejam acionadas. 4.3 Estando o sistema pressurizado e considerando-se o cilindro recuado, temos o seguinte funcionamento: quando pressionarmos a botoeira B0 (sem acionar a botoeira B1), o relé R1 será energizado e, por conseguinte, a válvula V1 também será energizada; isto causará o acionamento da VCD para a posição à esquerda fazendo com que a câmara traseira do cilindro seja pressurizada e este avance até completar seu curso. Quando pressionarmos a botoeira B1 (sem acionar a botoeira B0), o relé R2 será energizado e o relé R1 será desenergizado, por conseguinte, a válvula V1 será desligada e a Válvula V2 será ligada, isto causará o acionamento da VCD para a posição inicial (à direita) fazendo com que a câmara frontal do cilindro seja pressurizada e este recue até completar seu curso. Portanto, a botoeira B0, quando acionada sem que a botoeira B1 esteja acionada, causa o avanço do cilindro e a botoeira B1, quando acionada sem que a botoeira B0 esteja acionada, causa o recuo do cilindro. 248 4.4 Pressão de avanço: 20bar, porque na válvula de isolamento com pressões diferentes na suas entradas o sinal de maior pressão vai para saída, pois desloca o elemento de vedação (esfera) impedindo a passagem do sinal de menor pressão. Pressão de recuo: 15bar, porque na válvula de simultaneidade, com pressões diferentes nas suas entradas, o sinal de maior pressão se autobloqueia e libera a passagem de ar passagem para o sinal de menor pressão. 249 5. COMANDOS HIDRÁULICOS E ELETROHIDRÁULICOS Nesta unidade, você vai:  conhecer as principais definições sobre sistemas hidráulicos e conhecer as características dos sistemas hidráulicos;  conhecer a estrutura básica de funcionamento dos sistemas hidráulicos;  conhecer as funções dos principais componentes hidráulicos;  conhecer os símbolos normalizados utilizados em sistemas hidráulicos; e  entender o funcionamento de circuitos hidráulicos e eletrohidráulicos básicos. Chegamos à nossa penúltima unidade de estudo. Desta vez você irá conhecer os fundamentos dos sistemas hidráulicos. Estes sistemas são bastante utilizados a bordo dos navios em sistemas de governo, propulsão, guindastes, molinetes etc. Tenha um bom estudo e não esqueça de verificar seus conhecimentos no teste de autoavaliação. 250 5.1 DEFINIÇÕES A hidráulica consiste no estudo das características e uso dos fluidos. Desde o início da história da humanidade o homem utiliza os fluidos para facilitar o seu trabalho. A história antiga registra que dispositivos engenhosos, como bombas e rodas d’água já eram conhecidos desde épocas remotas. Porém, apenas no século XVII, o ramo da hidráulica que nos interessa, foi utilizado. Trata-se do princípio descoberto pelo cientista francês Pascal, que consistia no fluido confinado para transmitir e multiplicar forças e modificar movimentos. A lei de Pascal resume-se em: “A pressão exercida em um ponto qualquer de um fluido em repouso, transmite-se integralmente a todos os pontos do fluido e atua perpendicularmente contra as paredes do recipiente que o contém”. A descoberta de Pascal passou dois séculos sem que fosse aproveitado seu grande potencial. Somente no princípio da Revolução Industrial é que um mecânico britânico, Joseph Bramah, utilizou a descoberta de Pascal para desenvolver a prensa hidráulica. Bramah, concluiu o seguinte: “se uma força moderada aplicada a uma pequena área produz, proporcionalmente, uma força maior numa área maior, então o único limite à força de uma máquina seria a área em que se aplicasse a pressão”. Figura 5.1 Aplicação do princípio de Pascal por Joseph Bramah (prensa hidráulica). 251 Fluido: é qualquer substância capaz de escoar e assumir a forma do recipiente que o contém. Hidráulica: provém da palavra grega “hidros”, que significa água, ou mais precisamente, água em tubos. É a ciência que estuda líquidos em escoamento e sob pressão. Hidrostática: é a ciência que estuda os líquidos sob pressão (mecânica dos fluidos estáticos, seguida de condições de equilíbrio dos fluidos). Hidrodinâmica: é a ciência que estuda os líquidos em movimento (teoria da vazão), e, mais precisamente, da energia cinética. Pressão: em função da hidrostática, define-se pressão como sendo a força exercida pelo fluido por unidade de área do recipiente que o contém. Sua unidade de medida no S.I. é dada em N/m² ou Pa, embora seja comum utilizar outras unidades como: atm, bar, kgf/mm², lib/in² etc. A figura 5.2-a, mostra que é possível conhecer a pressão exercida por um fluido a partir da força aplicada. A figura 5.2-b mostra que é possível determinar pressão exercida por um fluido quando este se encontra em um reservatório a partir da massa específica e do nível do fluido. Figura 5.2 Determinação das pressões em cilindros e em reservatórios. 252 Vazão (Q): relação entre o volume de fluido descarregado por unidade de tempo, ou, ainda, é produto entre a velocidade de deslocamento do fluido em uma tubulação pela sua seção transversal. 253 5.2 VANTAGENS E DESVANTAGENS DA HIDRÁULICA Os sistemas hidráulicos são utilizados em aplicações onde existe a necessidade de se realizar grandes esforços aliados a uma área de trabalho relativamente pequena, o que seria difícil de obter para os sistemas mecânicos ou elétricos. Portanto, as vantagens e desvantagens apresentadas na tabela a seguir são em função das comparações entre os sistemas hidráulicos e os sistemas mecânicos e sistemas elétricos. Tabela 5.1 Vantagens e desvantagens dos sistemas hidráulicos. Vantagens fácil instalação e grande Desvantagens flexibilidade em custo inicial elevado, quando comparado aos espaços físicos reduzidos; sistemas mecânicos e elétricos; permitem uma rápida e suave inversão de conversão de energia elétrica em mecânica e movimento devido a sua baixa inércia; mecânica em hidráulica para; posterior conversão em energia mecânica; permitem ajustes de variação micrométrica na apresenta perdas por vazamentos internos em velocidade dos atuadores; todos os componentes; são sistemas autolubrificados; apresenta perdas por atritos internos e externos; relação peso x tamanho x potência consumida muito menor que dos componentes possui baixo rendimento devido aos três últimos fatores apresentados; e mecânicos e elétricos; são sistemas de fácil proteção; e risco de incêndio e/ou explosão, pois o óleo é um produto inflamável. a ótima condutividade térmica do óleo muitas vezes permite que o próprio reservatório elimine calor, sem a necessidade de trocador de calor. 254 Tarefa 5.1 Responda a seguinte questão. Que é automação hidráulica? 255 5.3 ESTRUTURA DOS SISTEMAS HIDRÁULICOS Há uma infinidade de tipos de circuitos ou sistemas hidráulicos, porém todos eles seguem sempre o mesmo esquema, ou seja, todos eles podem ser divididos em sistema de geração, sistema de distribuição e controle e sistema de aplicação de energia. O sistema de geração é formado pelos reservatórios, filtros, bombas, motores, acumuladores, intensificadores de pressão e outros acessórios. O sistema de distribuição e controle é formado pelas tubulações, conexões, válvulas controladoras de vazão e de pressão, válvulas de bloqueio, válvulas direcionais e servoválvulas. Por fim, o sistema de aplicação de energia (consumo) é formado pelos atuadores que podem ser cilindros (atuadores lineares), motores hidráulicos e osciladores. Figura 5.3 Esquema de um sistema hidráulico. 256 5.4 GERAÇÃO HIDRÁULICA 5.4.1 Bomba hidráulica A bomba é o componente mais importante dos sistemas hidráulicos. Sua função é converter energia mecânica em energia hidráulica, deslocando o fluido hidráulico no sistema. A escolha da bomba hidráulica depende desses fatores: quantidade de atuadores lineares, necessidade de utilização de um ou mais motores hidráulicos, perda de carga gerada nas linhas de pressão etc. Por isso, a especificação da bomba hidráulica deve ser a última etapa na elaboração de um projeto hidráulico. Como regra prática para a escolha da bomba hidráulica, deve-se calcular a vazão máxima necessária para o funcionamento dos componentes que constituem o circuito hidráulico mais o somatório das perdas de carga. De posse do valor da vazão máxima, podem-se consultar os catálogos dos fabricantes para dimensionar a bomba hidráulica que atenda às especificações de vazão. As bombas hidráulicas são fabricadas em vários tamanhos e formas, mecânicas e manuais com variados e complexos sistemas de bombeamento e para as mais diversas aplicações. Podem-se classifica-las em bombas hidrodinâmicas e bombas hidrostáticas. a) bombas hidrodinâmicas Absorvem o fluido em repouso de um depósito e, inicialmente, o colocam em movimento que causa uma considerável elevação de velocidade, porém, logo em seguida, ocorre uma diminuição dessa velocidade o que causa a elevação de pressão que, por conseguinte, possibilita que o fluido vença as resistências de escoamento. Nesse tipo de bomba, existe uma dependência funcional entre o volume de fluido e a pressão. Como exemplos desse tipo de bomba hidráulica, temos as bombas centrífugas e as bombas axiais (também denominadas de bombas de hélice). 257 b) bombas hidrostáticas Também são denominadas de “bombas volumétricas”. Nesse tipo de bomba hidráulica, o fluido adquire movimento e causa elevação de pressão, sem que ocorra dentro da bomba nenhum aumento substancial de velocidade, pois simplesmente o fluido é aspirado e transportado. Além disso, o fluido utilizado não depende da pressão; por isso, essas bombas são mais adequadas para a transmissão de força e são mais utilizadas nos dimensionamentos dos circuitos hidráulicos. São divididas basicamente em três tipos: bombas de engrenagens, bombas de palhetas e bombas de pistões. A figura 5.4 mostra a divisão das bombas hidráulicas. Figura 5.4Tipos de bombas hidráulicas. A figura 5.5 mostra a construção de uma bomba hidráulica de engrenagens externas. Esse tipo de bomba possui um par de engrenagens acopladas que transporta o fluido entre seus dentes. Uma das engrenagens é acionada por um motor e o acoplamento causa o movimento da outra engrenagem. As duas engrenagens giram em sentidos opostos. Esse movimento gera um vácuo parcial na câmara de entrada da bomba. O fluido é introduzido no vão dos dentes e é transportado junto à carcaça até a câmara de saída da bomba onde os dentes da engrenagem forçam o fluido para a abertura da válvula de saída. 258 Figura 5.5 Construção das bombas de engrenagens externas. A figura 5.6 mostra a construção de uma bomba hidráulica de engrenagens internas. Nesse tipo de bomba as câmaras de bombeamento são formadas entre os dentes das engrenagens. Uma vedação em forma de meia-lua é montada entre as engrenagens de tal forma que o rotor é instalado excentricamente. Dessa forma, consegue-se variar os espaços entre o rotor e a engrenagem livre, produzindo vácuo para a retirada de óleo do reservatório na câmara de entrada da bomba e elevação de pressão na câmara de saída da mesma. Figura 5.6 Construção das bombas de engrenagens internas. A figura 5.7 mostra a construção de uma bomba hidráulica de engrenagens com lóbulos. Esse tipo de bomba opera de maneira similar às bombas de engrenagens externas, porém nesse caso possuem um deslocamento de fluido maior. 259 Figura 5.7 Construção das bombas de engrenagens com lóbulos. A Figura 5.8 mostra a construção de uma bomba hidráulica de engrenagens tipo gerotor. Esse tipo de bomba opera de maneira similar às bombas de engrenagens internas. Também possuem um rotor interno que é acionado por uma fonte externa (motor elétrico). Acoplado ao rotor interno está uma estrutura engrenada livre. Durante o movimento do rotor, formam-se então as câmaras de bombeamento entre os lóbulos e o rotor e assim ocorre o transporte de fluido. Nesse caso, não é necessário utilizar a vedação em forma de meia-lua como ocorre nas bombas de engrenagens internas, pois as pontas do rotor interno fazem contato com o rotor externo para vedar as câmaras de bombeamento. Figura 5.8 Construção das bombas de engrenagens tipo gerotor. A figura 5.9 mostra a construção de uma bomba hidráulica de palhetas. Esse tipo de bomba é formado por um rotor provido de ranhuras onde deslizam palhetas que durante o movimento de rotação do rotor entram em contato com um anel excêntrico devido ao efeito da força centrífuga. 260 O espaço entre o rotor, o anel e as palhetas é preenchido com óleo vindo da tubulação de aspiração. Esse óleo é pulsado para a tubulação de descarga. Quando o conjunto rotor-palhetas passa pela vizinhança da câmara de aspiração, o volume compreendido entre as duas palhetas aumenta, provocando uma descompressão que aspira óleo, mas quando o mesmo conjunto rotor-palhetas se aproxima da câmara de descarga, o volume compreendido entre as duas pás diminui, obrigando assim que o óleo seja descarregado. Figura 5.9 Construção das bombas de palhetas. A figura 5.10 mostra a construção de uma bomba hidráulica de pistões radiais. Esse tipo de bomba possui de cinco a nove pistões com os respectivos êmbolos que se deslocam com um leve atrito dentro do rotor e, sob a ação de molas, deslizam sobre a superfície interna do anel excêntrico em relação ao rotor. A rotação do rotor provoca um movimento alternativo dos êmbolos dentro dos cilindros. Quando o par cilindro-êmbolo passar pela posição inferior, ocorrerá a aspiração do óleo. Quando o par cilindro-êmbolo passar pela posição superior, ocorrerá a compressão do fluido aspirado e o mesmo será descarregado da bomba. Figura 5.10 Construção das bombas de pistões radiais. 261 A figura 5.11 mostra a construção de uma bomba hidráulica de pistões axiais. Esse tipo de bomba tem funcionamento semelhante às bombas de pistões radias, porém, nesse caso, os pistões trabalham paralelamente ao eixo de rotação. Figura 5.11 Construção das bombas de pistões axiais. Figura 5.12 Modelos de bombas hidráulicas. 5.4.2 Reservatório É indicado que um reservatório seja suficientemente grande para promover o resfriamento e a separação dos contaminantes presentes no óleo hidráulico. No mínimo o reservatório deve conter todo o fluido do sistema e manter um nível suficientemente alto para que não haja vórtices na linha de sucção, pois, se isso ocorrer, haverá mistura de ar com o fluido. Geralmente, dimensiona-se o reservatório para pelo menos duas ou três vezes o volume deslocado pela bomba durante um minuto de operação. Portanto, basicamente os reservatórios de óleo em sistemas hidráulicos têm as seguintes funções: • armazenar o fluido até que o mesmo seja solicitado pelo sistema; • possuir espaço suficiente para separar o ar do fluido; 262 • permitir a sedimentação dos contaminantes sólidos; e • ajudar a dissipar o calor gerado pelo sistema. A figura a seguir mostra a vista explodida de um reservatório de óleo hidráulico típico. Figura 5.13 Vista explodida de um reservatório de óleo hidráulico. Raramente há grandes problemas de localização ou tamanho dos reservatórios, porém algumas regras para sua construção e especificação devem ser seguidas: • o tanque é construído soldando-se placas de aço com suportes adequados, separando a unidade do chão; • deve-se pintar o interior do tanque com tinta especial para reduzir a ferrugem que pode resultar na condensação de umidade. Essa tinta deve ser compatível com o fluido utilizado; • o tanque deve permitir uma fácil manutenção do fluido; • no fundo do tanque deve existir um bujão para drenagem de óleo; • recomenda-se a utilização de tampas de fácil remoção para se poder limpar o tanque; • recomenda-se a utilização de visores para verificar os níveis de óleo; 263 • na abertura para o abastecimento do fluido, deve existir uma tela filtrante a fim de evitar que, durante o reabastecimento do fluido, ocorra contaminação do mesmo. a) partes principais dos reservatórios Dentre os vários componentes que constituem os reservatórios de óleo hidráulicos, apresentam-se a seguir as funções e características do respiro, da chicana, das conexões e montagens das linhas de sucção e retorno de óleo. O respiro é uma abertura na tampa do reservatório. O mesmo deve possuir um filtro de ar adequado para não alterar a pressão no interior do tanque estando ele cheio ou vazio. Geralmente, quanto maior for o valor da vazão da bomba tanto maior deve ser o respiro. Em reservatórios pressurizados, não se utilizam os respiros, mas sim uma válvula para regular a pressão interna. A chicana deve ser instalada longitudinalmente através do centro do tanque e possuir a altura de 2/3 do nível de óleo, ela é utilizada para separar as linhas de entrada e de retorno evitando então que o mesmo óleo volte a circular continuamente. Portanto, a chicana tem as seguintes funções: • evitar a turbulência no tanque; • permitir o assentamento de materiais estranhos; • ajudar a separar o ar do fluido; e • ajudar a dissipar o calor através das paredes do tanque. A maioria das linhas para o reservatório termina abaixo do nível do óleo. As conexões dessas linhas ao tanque são feitas por flanges com vedação. Este sistema evita a contaminação através da penetração de sujeira bem como facilita a remoção dos filtros para limpeza. Portanto, as linhas de sucção e de retorno do óleo devem estar bem abaixo do nível do fluido, a fim de que o ar não se misturar com o óleo e forme espuma, produzindo cavitação e golpes de aríete na bomba e nas tubulações. Porém, as linhas de dreno podem terminar acima do nível de óleo para evitar contrapressão nas mesmas. As conexões sobre o nível de óleo precisam ser bem vedadas para não permitir a entrada de ar no sistema. As conexões que estão sob o 264 nível de óleo devem apenas ser apertadas o suficiente para que permaneçam conectadas. As linhas de sucção e de retorno devem estar abaixo do nível de óleo, e as que não tenham filtros acoplados devem ser cortadas num ângulo de 45º. Isto evita que ocorra uma restrição às correntes normais do fluxo. Numa linha de retorno, a abertura deve ser posicionada de tal maneira que o fluxo seja direcionado às paredes do tanque no lado oposto à linha de sucção da bomba. 5.4.3 Filtros O fluido hidráulico é mantido limpo no sistema, principalmente pela utilização de dispositivos tais como os filtros. Utilizam-se também bujões magnéticos para captar partículas de aço no fluido. Estudos recentes indicaram que mesmo partículas pequenas, de 1 até 5 microns, têm efeitos degradantes, causando falhas no sistema e acelerando a deterioração do óleo, em muitos casos. Os filtros de hidráulicos são classificados em: filtros de fluxo total, filtros de fluxo proporcional e filtros tipo indicador. 265 A tabela a seguir mostra a construção e a descrição funcional dos filtros hidráulicos. Tabela 5.2 Características dos tipos de filtros hidráulicos. Construção Funcionamento Esse tipo de filtro é assim chamado porque todo fluxo no pórtico de filtro de fluxo total entrada passa através do elemento filtrante na seguinte sequência: (1) o óleo entra no filtro; (2) circula o elemento filtrante; (3) é filtrado em direção ao centro do copo; e (4) alcança a saída. A maioria desses filtros possui uma válvula de segurança que abre numa pressão preestabelecida para dirigir o fluxo direto ao tanque, a fim de evitar que o elemento entupido restrinja o fluxo excessivamente. Esse tipo de filtro utiliza o Efeito Venturi para filtrar parte do fluido. filtro de fluxo proporcional A quantidade de fluido filtrado é proporcional à velocidade do fluxo. A operação é a seguinte: (1) o óleo pode ser introduzido em qualquer uma das conexões do filtro e sai pelo lado oposto; (2) a restrição (garganta venturi) redução provoca um aumento de velocidade e uma queda de pressão; e (3) como resultado, surge um fluxo de fora para dentro através do elemento filtrante. Esse tipo de filtro é projetado para indicar ao operador quando deve filtro tipo indicador ser feita a limpeza do elemento filtrante. Havendo acúmulo de sujeira, a pressão diminui, movimentando assim o elemento filtrante. Em uma extremidade deste está conectado um indicador, que mostra ao operador o estado do elemento. Outra característica desse tipo de filtro é a facilidade com que se move ou se substitui o elemento. A maioria dos filtros desse tipo foi projetada para uso na linha de sucção. Os materiais que constituem os elementos filtrantes são classificados em mecânicos absorventes e adsorventes. Elementos filtrantes adsorventes ou ativos, tais como o carvão, não podem ser utilizados nos sistemas hidráulicos, pois podem eliminar os aditivos essenciais do fluido hidráulico. Por outro lado, os elementos filtrantes absorventes são utilizados para reter as partículas minúsculas nos sistemas 266 hidráulicos. São feitos de material poroso: papel, polpa de madeira, algodão, fios de algodão ou lã e celulose. Os filtros de papel são banhados cm resina para fortificálos. Um filtro deve ser especificado em função do tamanho da menor partícula a ser retida, da vazão e da queda de pressão. O tamanho das partículas é da ordem de micros (1 micron é equivalente a um milionésimo (1/1.000.000) de um metro). Os filtros hidráulicos podem ser instalados em três posições: na linha de entrada (figura 5.14-a), na linha de pressão (figura 5.14-b) ou na linha de retorno (figura 5.14-c). Figura 5.14 Formas de instalação do filtro de óleo. 5.4.4 Intensificador de pressão Esse dispositivo é utilizado para multiplicar a pressão em certas aplicações. Um intensificador pode desenvolver pressões muito maiores do que a pressão desenvolvida pela bomba. A figura a seguir mostra os tipos de intensificadores de pressão e suas respectivas simbologias. Esses equipamentos aplicam o princípio de Pascal para produzir pressões elevadas. O aumento de pressão é inversamente proporcional à relação de áreas. O volume de óleo, descarregado a alta pressão, será menor do que o volume na área maior, proporcionalmente às áreas envolvidas. Figura 5.15 Tipos de intensificadores de pressão. 267 5.4.5 Acumulador Esse componente deve ser aplicado aos sistemas hidráulicos que necessitam de grande quantidade de fluido para efetuar o trabalho, quando este é feito de forma intermitente num ciclo de operação da máquina, como ocorre em máquinas de injeção e extrusão. O acumulador possibilita armazenar o fluido e, portanto, não é necessário utilizar uma bomba de grande vazão de maneira contínua (ou a toda vazão), pois é possível armazenar o fluido a partir de uma bomba relativamente pequena. Outra aplicação seria em sistemas hidráulicos onde é necessário manter a pressão do sistema constante. Nesse tipo de sistema hidráulico a bomba carrega o acumulador a partir do valor de pressão desejado ajustado em uma válvula de sequência (ou pressostato) a bomba será descarregada livremente para o tanque. Podem-se utilizar os acumuladores também para absorver choques ou impulsos repentinos de pressão, devido às paradas bruscas ou inversões de fluxo de óleo. Como precaução, os acumuladores devem ser totalmente isolados do circuito, ou então, completamente descarregados antes de se iniciar qualquer desmontagem de condutos ou componentes. a) Tipos de acumuladores hidráulicos Diferentemente dos gases, os fluidos usados nos sistemas hidráulicos não podem ser comprimidos e armazenados para serem utilizados, numa hora ou local distinto. A vantagem de um acumulador é o de fornecer meios de armazenar esses fluidos incompressíveis, sob pressão. Os acumuladores podem ser construídos de 3 modos distintos: levantando um peso; comprimindo uma mola; e comprimindo um gás. Qualquer queda de pressão na abertura de entrada criará uma reação no elemento, a qual forçará o fluido a sair. A tabela a seguir mostra a construção e a descrição funcional dos tipos de acumuladores. 268 Tabela 5.3 Características dos tipos de acumuladores. Acumuladores Tipo Mola Acumuladores Tipo Peso Tipo de acumulador Descrição Esse tipo de acumulador utiliza um pistão vertical, dotado de meios para aumentar ou diminuir os pesos para variar a pressão. A pressão é sempre igual ao peso utilizado dividido pela área do pistão que recebe o fluido hidráulico. É o único tipo de acumulador onde a pressão é constante, quer ele esteja cheio ou quer ele esteja praticamente vazio. Nesse tipo de acumulador, a pressão é aplicada no fluido pela compressão de uma mola espiral atrás do pistão do acumulador. Por conseguinte, a pressão não é constante, pois a força da mola aumenta quando o fluido entra na câmara e diminui na descarga deste. Os acumuladores de mola podem ser montados em qualquer posição. A força da mola, ou seja, os limites de pressão não são facilmente ajustáveis nesses acumuladores. Esses dispositivos possuem uma câmara precarregada com gás Acumuladores a Gás neutro, normalmente nitrogênio seco. As pressões do gás na precarga variam com cada aplicação e dependem da pressão de trabalho e do volume de fluido necessário, não devendo ser inferior a 25% (preferivelmente 30%) da máxima pressão de trabalho. A pressão do acumulador varia em proporção à compressão do gás, aumentando quando o fluido é forçado para dentro e diminuindo quando o mesmo é descarregado. Os acumuladores a gás podem ser de três tipos: sem separação, com bolsa ou bexiga ou com pistão. Figura 5.16 Modelos de acumuladores hidráulicos. 269 5.4.6 Trocador de calor Como nenhum sistema hidráulico tem 100% de rendimento e jamais poderá ter, o problema mais comum é o calor. Por esta razão, utiliza-se o resfriamento quando o fluido requer condicionamento térmico. Os trocadores de calor são muitas das vezes denominados resfriadores, pois são construídos para refrigerar o fluido. Porém, há aplicações onde o fluido, devido ao seu baixo índice de viscosidade, não fluirá facilmente quando frio. Por isso, deve-se aquecê-lo e mantê-lo neste estado por meio de aquecedores. Os trocadores de calor podem ser de dois tipos: a ar (radiadores ou trocador de calor a graxetas) e a água (trocador de calor água-óleo). A figura 5.17 mostra um resfriador a graxetas. Esse tipo de equipamento é utilizado em aplicações onde não há água disponível ou ocorram vibrações. O fluido passa através de tubos aletados, normalmente de alumínio ou latão, os quais transferem calor ao ar externo. O resfriador pode incorporar um ventilador para aumentar a eficiência de troca de calor. Figura 5.17 Trocador de calor a ar. A figura 5.18 mostra um trocador de calor a água. Nesse caso, circula-se água pelo interior dos tubos que são circundados pelo fluido hidráulico. A água, que pode ser termostaticamente regulada para manter uma temperatura desejada, elimina parte do calor do fluido. Utilizando-se água quente, esse equipamento pode ser utilizado como um aquecedor. 270 Figura 5.18 Trocador de calor a água. 5.4.7 Instrumentos de medição As medidas de vazão, pressão, temperatura e nível são fundamentais para o perfeito funcionamento dos sistemas hidráulicos. São úteis também para localizar defeitos. Devido à dificuldade de se instalar um medidor de fluxo num circuito, a medida de vazão é muitas das vezes realizada pela medição da velocidade ou rotação de um atuador. As pressões são medidas através de manômetros ou transmissores de pressão e controladas através de pressostatos. A temperatura é medida através de termômetros, termopares ou termorresistências. E, por fim, a medição de nível pode ser feita a partir de visores de nível ou chaves de nível tipo boia. 271 Tarefa 5.2 Descreva as funções dos seguintes dispositivos dos sistemas de geração hidráulica. Bomba hidráulica Reservatório Filtro de óleo Trocador de calor 272 Acumulador Intensificador de pressão 273 5.5 DISTRIBUIÇÃO HIDRÁULICA As redes de distribuição em sistemas hidráulicos são formadas pela tubulação, conexões, acessórios e vedações. 5.5.1 Tubulações A tubulação é a parte dos sistemas hidráulicos responsável pelo transporte do fluido. Portanto, a tubulação engloba vários tipos de condutos que transportam o fluido hidráulico entre os componentes, assim como as conexões utilizadas entre eles. Os sistemas hidráulicos utilizam principalmente 3 tipos de condutos: • tubos rígidos; • tubos semirrígidos; e • mangueiras flexíveis. Atualmente os tubos rígidos são os mais baratos dos três enquanto que os tubos semirrígidos e mangueiras são mais convenientes e de manutenção mais simples. No futuro poderão ser utilizados encanamentos de plástico, que já vêm sendo aplicados gradativamente. 5.5.2 Conexões As conexões realizam as ligações entre a tubulação e os componentes hidráulicos e também as vedações necessárias. Podem ser engatadas, rosqueadas ou soldadas. Dentre as conexões tipo engate rápido, destacam-se as conexões drybreak e as com gatilho. As conexões drybreak são conexões com luva deslizante, com recursos que incluem a capacidade de conexão virtualmente sem entrada de ar ou de desconexão com pouco ou nenhum vazamento. Também são conhecidas como conexões de superfície plana ou conexões clean break (conexões sem-vazamento). As conexões tipo gatilho possuem uma válvula utilizada para estancar o fluxo de fluidos quando duas partes de um engate rápido são separadas. Esse tipo 274 de engate é o mais escolhido e disponível atualmente devido a sua simplicidade na função e na fabricação. A figura a seguir mostra alguns tipos de conexões para os sistemas hidráulicos. Figura 5.19 Modelos de conexões hidráulicas do tipo engate rápido. 5.5.3 Vedações As vedações nos sistemas hidráulicos também podem ser realizadas através de retentores. As vedações são necessárias quando há necessidade de manter-se a pressão, impedindo que ocorra perda de óleo e mantendo afastados os contaminantes. São vários os métodos de se vedar os componentes hidráulicos, dependendo de os retentores serem positivos ou não positivos; se a aplicação da vedação será estática ou dinâmica, da pressão a ser usada, e outros fatores. Um retentor positivo não permite nenhum tipo de vazamento. Um retentor não positivo permite uma pequena quantidade de vazamento interno para fornecer uma camada de lubrificação. A maioria dos retentores hidráulicos é feita de materiais como couro, bruna N (borracha nitrílica), silicone, neopreme ou teflon. 275 Figura 5.20 Modelos de retentores hidráulicos. FONTE: http://www.jundved.com.br/produtos. Acessado em: 03 out. 2009. Tarefa 5.3 Responda às seguintes questões. Quais são os componentes que formam as redes de distribuição nos sistemas hidráulicos? Qual é a função desta? Qual é a importância das vedações nos sistemas hidráulicos? 276 5.6 VÁLVULAS DE CONTROLE As válvulas de controle hidráulicas possuem características funcionais semelhantes às válvulas de controle utilizadas na pneumática. Porém, em hidráulica, os componentes são mais robustos e dispensam o uso de equipamentos lubrificadores, pois o próprio óleo hidráulico desempenha essa função. Portanto, também em hidráulica, as funções das válvulas de controle são: • direcionar o fluido; • impor bloqueios; • regular a vazão (velocidade); e • regular a pressão. Portanto, em hidráulica as válvulas de controle também são classificadas como: • válvulas de controle direcional; • válvulas de bloqueio; • válvulas de controle de fluxo; e • válvulas de controle de pressão. 5.6.1 Válvulas de controle direcional Essas válvulas são utilizadas para controlar a direção do fluxo. Essas válvulas variam consideravelmente tanto na construção quanto no funcionamento. Semelhantemente à pneumática, essas válvulas hidráulicas são classificadas de acordo com suas características principais como: • número de posições; • número de vias; • tipos de comandos (acionamento e retorno); e • vazão ou pressão de trabalho. 277 A figura a seguir mostra um exemplo de representação desse tipo de válvula. Figura 5.21 Exemplo de válvula de controle direcional. Os comandos das válvulas hidráulicas de controle direcional também serão de naturezas musculares, mecânicas, elétricas, pneumáticas e combinadas. Existem válvulas de controle direcional acionadas eletricamente cujo(s) solenoide(s) é(são) acionado(s) através de um sinal de corrente variável, cuja função é comandar a posição da válvula e controlar sua abertura para passagem do fluido. Essas válvulas são denominadas de servoválvulas. Quando acopladas a dispositivos sensores de realimentação, conseguem-se controles precisos de posicionamento, de velocidade ou de aceleração de um atuador. Basicamente, as servoválvulas são válvulas de controle direcional que podem ser posicionadas infinitamente e que oferecem a característica adicional de controlar tanto a quantidade como a direção de fluxo. Figura 5.22 Válvula hidráulica de controle direcional e servoválvula. 278 5.6.2 Válvulas de bloqueio Essas válvulas impedem o fluxo do fluido em um determinado sentido e permitem o livre fluxo no sentido contrário. Conforme a sua aplicação classificam-se: • válvula de retenção simples; • válvula de retenção com desbloqueio hidráulico; • válvula de retenção pilotada geminada; • válvula de sucção e preenchimento; e • blocos lógicas (válvulas de simultaneidade e isolamento). a) válvula de retenção simples Uma válvula de retenção simples pode ser instalada em linha ou em ângulo reto. Quando a válvula de retenção for do tipo instalada em linha o óleo flui através dela em linha reta. Esses modelos não devem ser utilizados para bloqueio do fluxo reverso em altas velocidades, devido ao choque hidráulico. Por outro lado, quando a válvula de retenção for do tipo ângulo reto, então a passagem do fluxo da entrada para a saída será em ângulo reto. A figura a seguir mostra os tipos de válvulas de retenção simples. Figura 5.23 Válvulas hidráulica de retenção simples. b) válvula de retenção com desbloqueio hidráulico Esse tipo de válvula de bloqueio possui uma via de pilotagem (X) que quando pressurizada permite o fluxo no sentido oposto (de B para A). Essa válvula é bastante utilizada em sistemas onde se exige segurança na operação, mantendo o sistema bloqueado sob pressão, impedindo o retorno da carga (fluido). 279 c) válvula de retenção pilotada geminada Esse tipo de válvula de bloqueio possui dois elementos de pilotagem simulados nas linhas A e B. A abertura da retenção é feita por um êmbolo central, que atua uma ou outra válvula de acordo com o lado pressurizado. d) válvula de sucção e preenchimento Esse tipo de válvula de bloqueio também é um tipo de válvula de retenção com desbloqueio hidráulico que foi projetada para diminuir a potência instalada do sistema, garantido alta velocidade de aproximação em prensas, por exemplo. Também são utilizadas como válvulas anticavitação, completando o óleo na câmara do cilindro ou na tubulação. e) válvulas de simultaneidade e isolamento Essas válvulas de bloqueio têm as mesmas características e funções descritas para seus equivalentes pneumáticos. Por isso não serão apresentados mais detalhes nesta secção de estudo. Figura 5.24 Símbolos das válvulas de retenção. Figura 5.25 Modelos de válvulas hidráulicas de retenção. 280 5.6.3 Válvulas de controle de fluxo Essas válvulas são utilizadas a fim de regular a velocidade, por exemplo, em um atuador, pois a velocidade no mesmo depende da quantidade de óleo a ele bombeada por unidade de tempo. A tabela a seguir mostra alguns símbolos e as descrições das válvulas controladoras de vazão. Tabela 5.4 Símbolos e descrições das válvulas hidráulicas de controle de fluxo. redutora de vazão válvula divisora de fluxo estranguladora Símbolo Descrição Dependem da pressão e viscosidade. A vazão varia em uma mesma seção e passagem, com diferença de pressão no trecho estrangulado. Divide a vazão de entrada independente das variações de pressão do sistema. Permite livre passagem do fluido em um sentido. No sentido inverso a esfera bloqueia o fluido, forçando sua passagem pela restrição, controlando assim a vazão. Também é possível regular o fluxo com uma bomba de deslocamento variável; porém, em muitos circuitos, é mais prático usar uma bomba de deslocamento fixo e regular o fluxo com uma válvula de controle de vazão. Em hidráulica, a regulagem de fluxo também pode ser fixa ou variável. 281 Conforme mostra a figura a seguir, há 3 (três) maneiras de se aplicar as válvulas controladoras de vazão para o controle das velocidades dos atuadores: • “Meter-in”, controle de fluxo na entrada do atuador; • “Meter-out”, controle de fluxo na saída do atuador; e • “Bleed-off”, uma sangria da linha de pressão ao tanque (derivação). Figura 5.26 Formas de aplicações das válvulas controladoras de vazão. Figura 5.27 Modelo de válvula hidráulica de controle de fluxo tipo divisora de fluxo. 5.6.4 Válvulas de controle de pressão Essas válvulas têm como base de funcionamento um equilíbrio entre pressão de acionamento e força de mola. A maioria é de posicionamento infinito, isto é, podem assumir várias posições entre a de totalmente fechada e a de totalmente aberta, dependendo da vazão e da diferença de pressão. Geralmente são designadas por suas funções primárias: • válvula de segurança ou válvula limitadora de pressão ou válvula de alívio; • válvula de sequência de pressão; • válvula interruptora de pressão; e • válvula de frenagem ou válvula redutora de pressão, et cetera. 282 As válvulas controladoras de pressão são classificadas pelo tipo de conexões, pelo tamanho e pela faixa de pressões de trabalho. Assumem diversas funções nos sistemas hidráulicos: estabelecer a pressão máxima, reduzir a pressão de certas linhas do circuito e estabelecer sequência de movimento. A tabela a seguir mostra as simbologias e as descrições dos tipos de válvulas de controle de pressão citados acima. Tabela 5.5 Símbolos e descrições das válvulas de controle de pressão. Símbolo Descrição válvula de alívio Normalmente utilizada para baixas vazões. Trabalha normalmente fechada. Permite que o fluido seja desviado em sua totalidade para o tanque, sempre que a pressão exceder o valor necessário à execução do válvula redutora de pressão válvula interruptora de pressão válvula de sequência de pressão programa. Conecta o sistema sempre que a pressão programada é atingida. Utilizada para o controle sequencial de movimentos. Em alguns casos, gera uma contrapressão no sistema de segurança. Instalada em sistemas com acumulador de pressão. Dirige o fluxo da bomba para o circuito da acumulação até que ele tenha alcançado a pressão necessária, atuando nesse momento a válvula, fazendo com que a bomba seja aliviada. Utilizada para limitar o valor da pressão secundária (pressão de saída), que é mantida constante independentemente da pressão primária, enquanto esta última for maior que o valor ajustado para a pressão secundária. Figura 5.28 Válvula hidráulica de controle de pressão. 283 5.7 ATUADORES HIDRÁULICOS Os atuadores hidráulicos envolvem cilindros e motores. Os cilindros são atuadores lineares, ou seja, são atuadores que realizam trabalho em linha reta. Os motores, por sua vez, são atuadores rotativos. Suas construções se parecem muito com a das bombas hidráulicas. Porém, ao invés de “empurrar” um fluido, como faz a bomba, o motor é empurrado pelo fluido e desenvolve um torque que causa um movimento rotativo contínuo. 5.7.1 Cilindros hidráulicos Os cilindros hidráulicos são assim classificados: cilindros de simples ou de duplo efeito e cilindros diferenciais ou não diferenciais. As variações dos cilindros hidráulicos incluem pistão liso ou pistão com haste, sendo esta sólida ou telescópica. Tabela 5.6 Tipos de cilindros hidráulicos. cilindro tipo pistão liso Cilindro hidráulico Descrição Esse atuador é o mais simples que existe. Nele existe apenas uma câmara para o fluido e a força é exercida numa única direção. A maioria desses cilindros é montada verticalmente e retorna pela força da gravidade. Eles são adequados para aplicações que envolvem cursos longos tais como elevadores e macacos hidráulicos. cilindro telescópico Esse tipo de cilindro é utilizado quando o comprimento da camisa precisa ser menor do que se pode conseguir com um cilindro padrão. Pode-se utilizar até 4 ou 5 estágios, sendo que a maioria é de simples efeito; contudo, também existem aplicações de duplo efeito. 284 Tabela 5.6 Tipos de cilindros hidráulicos (continuação). Cilindro hidráulico Descrição Esse tipo de cilindro é assim chamado porque pode ser operado pelo fluido em ambos os sentidos (avanço ou cilindro de duplo efeito retorno). Isso significa que se pode obter força em qualquer dos sentidos de movimento. Um cilindro de duplo efeito também é classificado como cilindro diferencial, por possuir áreas desiguais expostas à pressão, durante os movimentos de avanço e retorno. Essa diferença de área ocorre devido à área da haste, que é fixada ao pistão. Nesse tipo de cilindro o movimento de avanço é mais lento que o de retorno, porém a força no movimento de avanço é maior. Qualquer cilindro de duplo efeito pode se tornar um cilindro de simples efeito drenando o lado inativo para o reservatório. Também há cilindros de duplo efeito que possuem haste dupla ou passante como mostra a figura a seguir. A haste passante permite o acoplamento de uma carga em cada extremidade (ou lado) do cilindro. Também se utilizam esses tipos de cilindros em aplicações que necessitem velocidades e forças iguais em ambos os sentidos de deslocamento, pois esse tipo de cilindro possui áreas iguais em cada lado do pistão. Figura 5.29 Cilindro de duplo efeito com haste passante. 285 A figura a seguir mostra modelos comerciais de cilindros hidráulicos. Figura 5.30 Modelos comerciais de cilindros hidráulicos. 5.7.2 Motores hidráulicos Um motor é um atuador rotativo. Suas principais características são: deslocamento, torque e limite de pressão máxima. O deslocamento é a quantidade de fluido que o motor receberá para uma rotação, ou então é a capacidade de uma câmara multiplicada pelo número de câmaras que o mecanismo possui. O deslocamento é representado em cm³/rotação. O torque do motor é a força necessária para vencer a força de atrito e a resistência ao escoamento do fluido para que ocorra o deslocamento do mesmo. O torque é expresso em kg.m ou libras.polegada. A pressão necessária num motor hidráulico depende do torque e do deslocamento necessário. Então, um motor de grande deslocamento desenvolverá um torque com pressão menor que um motor de pequeno deslocamento. A unidade usual de pressão é o bar. Os motores hidráulicos possuem as mesmas características construtivas das bombas hidráulicas. Portanto, os motores hidráulicos são classificados em: • motores de engrenagens; • motores de palhetas; e • motores de pistão. A figura a seguir mostra modelos comerciais de motores hidráulicos. Figura 5.31 Modelos de motores hidráulicos. 286 Tarefa 5.4 Responda às seguintes questões. Quais são as funções das válvulas de controle em sistemas hidráulicos? Quais são as funções dos atuadores em sistemas hidráulicos? 287 5.8 SIMBOLOGIA HIDRÁULICA A tabela a seguir mostra os símbolos utilizados em sistemas hidráulicos segundo a norma ANSU (American National Standards Institute). Tabela 5.7 Simbologia hidráulica. Denominação Característica Símbolo Linha de pressão linha piloto linha de dreno linha flexível união de linhas linhas cruzadas direção do fluxo linha para o reservatório deslocamento fixo bomba simples deslocamento variável acoplamento motor elétrico + bomba 288 Tabela 5.7 Simbologia hidráulica (continuação). Denominação Característica Símbolo deslocamento fixo motor hidráulico rotativo deslocamento variável motor oscilante aberto reservatório fechado manômetro instrumento de medição de pressão termômetro instrumento de medição de temperatura rotâmetro medidor de fluxo por mola acumulador por gás filtro 289 Tabela 5.7 Simbologia hidráulica (continuação). Denominação Característica Símbolo trocador de calor aquecedor termostato controlador de temperatura pressostato controlador de pressão simples ação dupla ação cilindros diferencial dupla ação com haste passante 290 5.9 CIRCUITOS HIDRÁULICOS E ELETROHIDRÁULICOS BÁSICOS 5.9.1 Circuito hidráulico com comando direto para cilindro de dupla ação A figura 5.31 mostra um exemplo de circuito hidráulico com acionamento direto. O funcionamento desse circuito é o seguinte: • na posição central o fluido proveniente da bomba retorna ao tanque; • na posição à esquerda o fluido proveniente da bomba é direcionado à câmara traseira do cilindro e o mesmo avança; • na posição à direita o fluido proveniente da bomba é direcionado à câmara frontal do cilindro e o mesmo recua; • pode-se interromper o curso do cilindro a qualquer momento através do posicionamento da alavanca na posição central. Figura 5.32 Circuito hidráulico com acionamento direto para CDA. 291 5.9.2 Circuitos hidráulicos com acumulador A figura a seguir mostra um exemplo de circuito hidráulico com acumulador de pressão. Esse circuito é utilizado na carga e descarga da bomba hidráulica após o acumulador ter atingido sua máxima pressão. O funcionamento desse circuito é o seguinte: • quando o conjunto motor-bomba for acionado, começa o carregamento do acumulador até que o mesmo alcance seu valor de pressão máxima ajustado na válvula interruptora de pressão; • quando a válvula interruptora de pressão for acionada, ocorrerá sua abertura e o fluxo da bomba será desviado para o tanque; • à medida que o sistema hidráulico for consumindo a energia armazenada o acumulador será descarregado e a válvula interruptora voltará a sua posição inicial, liberando a passagem do fluido da bomba para o acumulador; • quando a pressão máxima no acumulador for atingida novamente, a válvula interruptora de pressão abre novamente e um novo ciclo de descarga e carga do acumulador será reiniciado, recomeçado. Figura 5.33 Circuito hidráulico de descarga da bomba hidráulica por válvula interruptora de pressão. 292 Exercício resolvido 5.1 Descreva o funcionamento do circuito hidráulico com acumulador utilizado como eliminador de pulsações, mostrado na figura a seguir. Figura 5.34 Circuito hidráulico com acumulador utilizado como eliminador de pulsações. O funcionamento desse circuito é o seguinte: • Os acumuladores 1 e 2 têm a função de absorver a energia cinética causada pelo fim do movimento do corpo giratório (motor bidirecional). • Essa energia, devido às magnitudes das massas postas em rotação, pode alcançar valores consideráveis, portanto, deve ser absorvida no momento da frenagem com o objetivo de evitar o choque hidráulico gerado e assegurar uma parada rápida. • Isso é conseguido, intercalando válvulas redutoras de fluxo nas linhas de carga e descarga dos acumuladores. 293 5.9.3 Circuito hidráulico com filtro Em um sistema hidráulico, o filtro pode ser instalado em três áreas distintas: na linha de sucção, na linha de pressão ou na linha de retorno, conforme mostra a figura a seguir. Nesse circuito, a válvula de retenção simples em bypass (em paralelo) com o filtro na verdade está incorporada ao próprio filtro. Sua função é liberar a passagem do fluido, uma vez que a sua pressão de abertura é atingida devido ao bloqueio do filtro. Nesse caso, o fluido vence a pressão da mola e passa livremente. Portanto a válvula de retenção funciona como proteção para evitar o colapso do elemento filtrante. Figura 5.35 Circuito hidráulico com filtros. 5.9.4 Circuitos hidráulicos sequênciais Os circuitos hidráulicos sequênciais estão pressentes na grande maioria das máquinas e dispositivos hidráulicos industriais que necessitam de uma automação programada, ou seja, que necessitam de sequências precisas de movimentos e ciclos repetitivos. Para isso, os mecanismos de acionamento e disparo das sequências são os mais variados possíveis, podendo ser: hidráulico, mecânico ou elétrico, ou uma combinação destes. A figura 5.35 mostra um exemplo de circuito hidráulico com acionamento sequencial mecânico. Nesse circuito, quando a alavanca da válvula V2 for posicionada em “ON”, haverá passagem do fluido através da válvula M1 (acionada pelo cilindro estando este inicialmente recuado) e posterior acionamento da válvula V1 causando o movimento de avanço do cilindro. Ao completar seu movimento de avanço, o cilindro acionará o rolete M2 que permitirá a passagem do fluido para a outra via de pilotagem da válvula V1, causando o retorno a sua posição inicial (à direita) e, assim, causando o recuo do cilindro. Ao completar o seu movimento de recuo, o cilindro acionará novamente o rolete M1 e um novo ciclo de avanço e recuo será reiniciado. 294 Figura 5.36 Circuito hidráulico sequencial com comando mecânico. A figura 5.36 mostra um exemplo de circuito hidráulico com acionamento sequencial elétrico comandado por pressostatos. Nesse circuito, os pressostatos P1, P2 e P3 vão disparar os solenoides S1, S2 e S3, respectivamente, à medida que a pressão ajustada em cada um deles seja atingida na linha de pressão do circuito. O pressostato P4 tem a função de cortar a energia do circuito elétrico, desarmando os solenoides, cortando o fluxo de óleo da bomba e retornando os cilindros. Figura 5.37 Circuito hidráulico sequencial com disparo por pressostatos. 295 Tarefa 5.5 Desenhe o diagrama de comando elétrico para o circuito hidráulico da figura 5.36 de acordo com seu o funcionamento descrito. 296 Teste de autoavaliação da unidade 5 Teste seus conhecimentos! 5.1 Relacione as colunas abaixo de acordo com as funções dos componentes hidráulicos a seguir. a) bomba (XXX) é capaz de absorver choques ou impulsos b) reservatório c) filtro de óleo repentinos de pressão. (XXX) ajuda a manter a viscosidade do óleo a fim d) trocador de calor de que o mesmo possa fluir com eficiência e) acumulador através do sistema; para isso, pode f) intensificador de aquecer ou resfriar o óleo. pressão (XXX) armazena o fluido, retira ar do fluido, sedimenta impurezas do fluido e elimina o g) pressostato calor mesmo. (XXX) ajuda a retirar as impurezas do fluido hidráulico. (XXX) eleva a pressão a valores muito maiores que a pressão desenvolvida na geração. 5.2 Marque a alternativa correspondente às funções das válvulas de controle de pressão. ( a ) Permite a passagem de fluido em uma direção e bloqueia na direção contrária. ( b ) Podem ser utilizadas para controlar a velocidade em atuadores e bombas hidráulicas. ( c ) Selecionam ou controlam a direção que o fluxo de óleo deve seguir a fim de realizar um determinado trabalho. ( d ) Equilibram os valores das pressões de trabalho. ( e ) Podem ser posicionadas infinitamente e oferecem a característica adicional de controlar tanto a quantidade como a direção de fluxo. 297 5.3 Identifique os componentes do circuito hidráulico a seguir. (a) ______________________________ (b) ______________________________ (c) ______________________________ (d) ______________________________ (e) ______________________________ (f) ______________________________ (g) ______________________________ (h) ______________________________ (i) ______________________________ (j) ______________________________ (k) ______________________________ 5.4 Explique o funcionamento do circuito hidráulico a seguir. 298 Chave de respostas das tarefas e do teste de autoavaliação da unidade 5 Corrija e veja como foi seu aprendizado! Tarefa 5.1 A automação hidráulica consiste em utilizar fluidos hidráulicos para executar tarefas de forma segura, organizada, sincronizada e sequencial em operaçãoes repetitivas ou que necessitem grandes esforços sem que haja intervenção humana. Para isso são utilizados os mais diversos dispositivos como controladores, sensores e atuadores. Tarefa 5.2 Bomba hidráulica: converter energia mecânica em energia hidráulica, deslocando o fluido hidráulico no sistema. Reservatório: armazenar o fluido até que o mesmo seja solicitado pelo sistema, retirar o ar do fluido a fim de evitar explosões, separar contaminantes sólidos do fluido e ajudar a dissipar o calor gerado pelo deslocamento do fluido através do sistema hidráulico. Filtro de óleo: manter o fluido hidráulico limpo no sistema. Trocador de calor: é responsável pelo condicionamento térmico do sistema hidráulico uma vez que é responsável por aquecer ou resfriar o fluido hidráulico a fim de manter a viscosidade do mesmo para que o sistema hidráulico não apresente baixo rendimento operacional. Acumulador: armazenar o fluido hidráulico em sistemas que necessitam de grandes quantidades de óleo para efetuar um trabalho, manter a pressão do sistema constante ou absorver choques ou impulsos repentinos de pressão, devido às paradas bruscas ou inversões de fluxo de óleo. 299 Intensificador de Pressão: aumentar a pressão em aplicações que necessitam de pressões muito maiores do que a pressão desenvolvida pela bomba. Tarefa 5.3 São formadas por tubulações, conexões, acessórios e vedações. Têm a função de transportar o fluido hidráulico ao longo do sistema. As vedações são importantes, pois são responsáveis por evitar vazamentos a fim de manter a pressão do sistema e evitara a contaminação do fluido hidráulico. Tarefa 5.4 Possuem as mesmas funções descritas para os sistemas pneumáticos, ou seja, têm as funções de direcionar, impor bloqueios, liberar a passagem, regular a vazão e regular a pressão do fluido. Têm a função de substituir o trabalho humano em atividades que necessitem exercer grandes forças. Como elevação de cargas, abertura de porões, subida e descida de ancoras, etc. Tarefa 5.5 Teste de autoavaliação da unidade 5 5.1 ( e ), ( d ), ( b ), ( c ), ( f ) 300 5.2 Alternativa correta: ( d ) 5.3 (a) cilindro de duplo efeito com haste passante; (b) manômetro; (c) válvula de alívio ou segurança; (d) válvula de retenção; (e) válvula de controle direcional: 4 vias, 3 posições, acionamento por alavanca e centralização por mola; (f) válvula estranguladora (válvula reguladora de fluxo bidirecional); (g) manômetro; (h) válvula de alívio ou segurança; (i) bomba de deslocamento fixo; (j) motor elétrico; (k) reservatório ou tanque. 5.4 Estando o conjunto motor-bomba (H) em operação, o fluido será deslocado para saída da bomba. Quando a pressão nesse ponto vencer a resistência imposta pela válvula de retenção (G) então o fluido passará pela mesma e será filtrado (F) e será aplicado à válvula de controle direcional (D). Estando esta na posição central, então o fluido será retornado para o tanque (I). Movendo-se a alavanca da VCD e posicionando-se a mesma para posição à esquerda, então o cilindro A irá retornar sem controle de velocidade e o cilindro B irá avançar com velocidade regulada devido a ação da válvula de controle de fluxo (C). Movendo-se a alavanca da VCD e posicionando-se a mesma na posição à direita, então o cilindro A avançará sem controle de velocidade e o cilindro B retornará sem controle de velocidade, pois neste sentido a válvula de controle de fluxo (C) possui livre passagem. Observação: se a pressão na saída da bomba aumentar além do valor ajustado na válvula de segurança (E), está será aberta e deslocará o fluido imediatamente de volta para o tanque (I). 301 6. CONTROLADORES INDUSTRIAIS Nesta unidade, você vai:  conhecer a classificação dos controladores industriais segundo a sua energia de trabalho e saber o que é um controlador lógico programável ou CLP;  conhecer as características construtivas dos CLP’s;  conhecer as formas de ligações dos sensores e atuadores aos CLP’s; e  conhecer os tipos de linguagens de programação dos CLP’s. Bem-vindo ao último módulo de estudo de nosso curso de ensino a distância! Os CLP’s têm sido atualmente uma das tecnologias mais utilizadas na automação e controle industrial. É um equipamento fantástico, capaz de realizar operações simples como contagens e temporizações, e também operações complexas como cálculo da ação de controle PID. Esse equipamento está presente nas mais diversas áreas da indústria em geral. Tenha um bom estudo, e não esqueça de realizar o teste de autoavaliação no final desta unidade. 302 6.1 CLASSIFICAÇÃO DOS CONTROLADORES INDUSTRIAIS Em automação industrial, os controladores de processo são os dispositivos responsáveis pelo controle da planta ou processo industrial. Muitas vezes executam algoritmos específicos, tais como: PID e lógica fuzzy, porém também podem realizar algoritmos lógicos e matemáticos. Portanto, os controladores industriais podem ser classificados de acordo com o seu algoritmo ou ação de controle em: controlador on-off, proporcional, integral, derivativo, ou uma combinação dos três últimos. Porém, também se podem classificar os controladores industriais de acordo com a forma de energia utilizada: controlador pneumático, hidráulico e elétrico, os quais utilizam como fonte de energia a pressão de ar, a pressão de óleo e a eletricidade, respectivamente. No século passado, por volta dos anos 30, a maioria das aplicações industriais utilizava controladores pneumáticos. A partir da década de 50, com a popularização do transistor, a maioria desses equipamentos passou a utilizar eletrônica analógica e amplificadores operacionais para implementar os algoritmos PID. Após a década de 80, o amplificador operacional foi substituído pelos circuitos microprocessados. Em muitas aplicações industriais, um controlador é responsável pro uma unica malha de controle. Por exemplo: uma malha de controle de temperatura é formada por por um medidor de temperatura, um controlador e uma resistência de aquecimento. Controladores com essa caracteristicas são denominados de controladores de malha. Essas equipamentos são dedicados em sua função e podem permitir a comunicação com outros dispositivos ou com outras malhas de controle.. Entre outros controlladores dedicados , têm-se: controladores de temperatura (ou pirõmetros), controladores de vazão, pressão, nível, posicionamento, etc. Porém, em outros casos, o controlador industrial pode ser responsável pelo controle de diversas malhas de controle simultaneamente. Geralmente, isso é implementado por controladores lógicos programáveis (CLP’s), sistemas de controle distribuído, et cetera. Da mesma forma, a comunicação entre os controladores e demais componentes industriais evoluiu de maneira semelhante, passando de sinais e comandos pneumáticos e hidráulicos para transmissão elétrica através de corrente e 303 tensão e posteriormente evoluíram para a utilização da transmissão digital tornado possivel a construção de redes insdustriais, sendo que atualmente existem inclusive instrumentos e controladores com comunicação via wireless (comunicação sem fio). 304 6.2 CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL 6.2.1 Definição É um equipamento eletrônico digital que possui uma memória programável para armazenamento interno de instruções específicas como: intertravamento, sequenciamento, temporização, contagem, comparação, aritmética, etc, a fim de controlar vários tipos de máquinas ou processos industriais, através da troca de dados entre sensores e atuadores com módulos (placas) de entradas e saídas, respectivamente. Um controlador lógico programável (CLP) é um computador de pequeno porte, auto-contido e robusto projetado para controlar processos no ambiente industrial. Em outras palavras, um CLP é um equipamento robusto e flexível que executa uma função previamente programada. Hoje são utilizados também para controle de processos executando funções simples e complexas como algoritmos PID. O CLP surgiu em 1968 na indústria automobilística americana, especificamente na “Hydronic Division” da “General Motors”. Sua função inicial foi substituir os painéis de lógica a relés (intertravamento e automação) utilizados na época. Atualmente, os CLP’s estão cada vez mais assumindo a totalidade das aplicações industriais, comerciais e de serviço. Cada CLP contém um microprocessador programado para dirigir os terminais de saída de uma maneira especificada, com base dos valores dos terminais de entrada. Conectados às entradas do CLP estão os sensores, chaves, botoeiras, contatos normalmente abertos ou fechados provenientes de pressostatos, termostatos, fluxostatos, etc. Às saídas, por sua vez, estão conectadas aos atuadores: motores, contactores, relés, lâmpadas, sirenes et cetera. 305 Figura 6.1 Estrutura de ligação do CLP. 6.2.2 Evolução dos CLP’s Os primeiros controladores lógicos programáveis eram programados em Assembler. As formas específicas de programação variavam de acordo com o processador utilizado no projeto do CLP. Dessa forma, para se programar os primeiros CLP’s, era necessário conhecer a eletrônica do projeto do CLP. Portanto, a missão de programar esses CLP’s era de uma equipe técnica altamente qualificada, o algoritmo de controle era gravado em uma memória EPRON, sendo realizada normalmente em laboratórios juntamente com a construção do CLP. A segunda geração dos CLP’s deu origem às primeiras linguagens de programação. Porém, essas linguagens ainda dependiam bastante do hardware do equipamento. A programação dos CLP’s passou a ser realizada através de terminais de programação (ou maletas de programação como eram conhecidas). Esses terminais na verdade eram programadores de memórias EPROM’s que depois de programadas eram inseridas na CPU do CLP. A terceira geração dos CLP’s possuiu uma entrada de programação para conexão de um teclado ou terminal de programação portátil. Este, por sua vez, podia alterar, apagar ou gravar o programa usuário, além de realizar testes (debug) no programa e no equipamento. Nessa geração de CLP’s também surgiram os primeiros CLP’s modulares com bastidores ou racks. Com a popularização e a diminuição dos preços dos microcomputadores (normalmente clones do IBM PC), os CLPs passaram a incluir uma entrada para a 306 comunicação serial. Dessa forma, a quarta geração de CLP’s passou a contar com o auxílio dos microcomputadores na tarefa de programação, isso possibilitou utilizar várias representações das linguagens de programação, a possibilidade de simulações e testes no programa usuário. Atualmente os CLP’s estão na quinta geração. Nesta existe uma preocupação em padronizar protocolos de comunicação para os CLPs, de modo a proporcionar que o equipamento de um fabricante “converse” com o equipamento outro fabricante. Essa comunicação envolve não somente os CLPs mas também os controladores de processos, sistemas supervisórios, redes internas de comunicação e etc., proporcionando uma integração afim de facilitar a automação, gerenciamento e desenvolvimento de plantas industriais mais flexíveis e normalizadas. Atualmente há uma grande variedade de CLP’s no mercado. Os mesmos podem ser ser modulares (com RACK de expansão), compactos sem IHM ou compactos com IHM incorporda.compactos com ou sem IHM, modulares ou com IHM incorporda. Os CLP’s compactos, em geral possuem pequena capacidade de processamento e realizam instruções simples como: intertravamento, contagem e temporização. Figura 6.2 Modelos de CLP’s compactos. Os CLP’s modulares geralmente possuem bastidores com várias posições e não possuem IHM. A configuração básica desses tipos de CLP’s possui uma fonte de alimentação e uma CPU, porém essa configuração varia de acordo com a necessidade do projeto de automação. Esses tipos de CLP’s possuem capacidades de processamentos elevadas e permitem, ainda, realizam instruções complexas: comparação, operações aritméticas, operações lógicas, algoritmos PID, por exemplo. 307 Figura 6.3 Modelos de CLP’s modulares. Os CLP’s com IHM incorporada, geralmente possuem número e tipos de entradas e saídas fixas, fonte de alimentação interna e, ainda, não permitem aumento de capacidade (expansão) como ocorre nos CLP’s modulares.. Esses tipos de CLP’s também possuem capacidades de processamentos elevadas e permitem, ainda, realizam instruções complexas como: comparação, operações aritméticas, operações lógicas, algoritmos PID, por exemplo. Figura 6.4 Modelos de CLP’s com IHM incorporada Independentemente do tipo, as principais características dos CLP´s são: • menor consumo de energia elétrica; • reutilizáveis; • reprogramáveis; • maior confiabilidade; • maior flexibilidade; • maior rapidez na elaboração dos projetos; • interfaces de comunicação com outros CLPs e computadores; • baixo investimento em fiação; • espaço para instalação reduzido; • baixo custo de projeto; 308 • baixo custo para depuração e start-up; • enorme facilidade para efetuar reformas e/ou ampliações; e • tecnologia consolidada e amplamente utilizada. 6.2.3 Princípio de funcionamento dos CLP’s Para se compreender o funcionamento de um CLP vamos representá-lo por 3(três) blocos (entradas, unidade central de processamento e saídas) conforme mostra a figura a seguir. Figura 6.5 Arquitetura de funcionamento dos CLP’s. Estando o CLP em funcionamento e com um programa usuário instalado em memória, então os diversos dispositivos de entradas (sensores, chaves, botoeiras) são verificados pelas unidades de entradas do CLP. Esses sinais são lidos e transferidos para uma região interna na memória do CLP denominada de memória imagem de entrada. Esta etapa de funcionamento do CLP é denominada leitura das entradas do CLP. Em seguida essas informações são associadas entre si e comparadas aos diversos presets armazenados no programa usuário. Esse processo é denominado de execução do programa do CLP. Ao final desta, os resultados são finalmente transferidos à região de memória denominada memória imagem de saída. Quando esta é finalmente preenchida, ocorre a transferência de dados aos dispositivos de saídas do CLP. Esta ação é denominada de atualização das saídas do CLP. Além dessas três etapas, o funcionamento de um CLP também possui uma etapa denominada de inicialização do CLP, que ocorre somente após o equipamento ser energizado. Conforme mostra a figura a seguir, o funcionamento de um CLP pode ser representado por 4 etapas, que são: inicialização, leitura das entradas, execução do 309 programa e atualização das saídas. As descrições mais detalhadas sobre cada uma destas são apresentadas na tabela a seguir. Figura 6.5 Ciclo de funcionamento dos CLP’s. Tabela 6.1 Descrições das etapas de funcionamento dos CLP’s. Etapa Descrição Nesta etapa, o CLP verifica o funcionamento eletrônico da CPU, memórias e circuitos auxiliares, verifica a configuração interna e compara com os circuitos instalados, inicialização verifica o estado das chaves principais (RUN / STOP , PROG, etc.), desativa todas as saídas; verifica a existência de um programa de usuário e, no caso de alguma falha, emite um aviso de erro (em geral acendimento de um LED). leitura das entradas Nesta etapa, o CLP verifica os estados de cada uma das suas entradas (digitais e analógicas), checando se alguma delas foi acionada ou mudou de valor. Os dados obtidos são então transferidos para a memória imagem de entradas. execução Após concluir o carregamento da memória-imagem de entradas, o CLP compara do essas informações com os dados armazenados em seu programa usuários e atualiza programa atualização das saídas o estado da memória imagem das saídas. Após concluir a atualização do estado da memória-imagem de saída, o CLP transfere esses dados aos seus cartões ou interfaces de saídas. E se inicia, então, um novo ciclo. O ciclo de funcionamento do CLP é denominado ciclo de varredura e o tempo necessário para sua execução é denominado scan time. A execução do programa na memória do CLP é realizada em sequência, ou seja, o CLP executa uma instrução ou linha de programa por vez. Portanto, o número de linhas do programa do CLP irá determinar o tempo de execução do programa ou o tempo de varredura ou o “scan time” do CLP. 310 6.2.4 Arquitetura dos CLP’s Conforme já foi apresentado, um CLP pode ser dividido em três partes: unidade de entradas, unidade de processamento e unidades de saídas. A figura a seguir mostra o esquema básico de ligação entre o CLP e uma máquina ou processo automatizado. Figura 6.6 Esquema de ligação entre o CLP e a planta ou processo industrial. a) unidade de processamento A unidade de processamento é o centro do CLP e é composta pelo microprocessador, memória de programa básico, memória de dados, memória de programa de usuário e interface de comunicação homem-máquina. O módulo de processamento monitora os sinais de entrada do controlador programável e os combina de acordo com as instruções existentes na memória de programa de usuário executando operações lógicas, operações de temporização, contagem e sequenciamento para, a seguir, liberar os sinais apropriados às suas saídas. Para que a unidade de processamento possa ser configurada é necessário conectar a mesma uma interface de programação. Além de programar o CLP esta interface tem a função de editar, monitor e documentar os programas instalados na memória do CLP. Para que o operador ou a equipe de instalação e manutenção do CLP possa verificar (visualizar) ou interferir (alterar) os valores de preset (set point) em variáveis do processo, deve-se conectar a unidade de processamento um computador com sistema supervisório ou uma interface-homem-máquina. b) unidades de entradas São placas ou cartões do CLP que podem ter um ou mais canais de aquisição de dados. Estes devem ser capazes de codificar sinais analógicos ou digitais de 311 diversos níveis de tensão ou corrente (alternada ou contínua) oriundos dos diversos tipos de sensores. As unidades de entradas do CLP podem ser: a relé, a transistor ou a acoplador ótico, sendo mais recomendado a utilização de entradas a acoplador ótico, pois estas possibilitam compatibilizar os sinais provenientes dos dispositivos de entradas (sensores) com a CPU, protegendo-a contra descargas elétricas e atmosféricas. Dessa forma, por exemplo, no caso de um curto circuito em um sensor, somente seriam danificados o próprio sensor e o canal onde este fora instalado até o circuito isolador ótico. A partir desse ponto a CPU, bem como o programa usuário, seriam preservados sendo necessário apenas substituir o sensor danificado e reparar ou substituir a placa danificada. A figura a seguir mostra o diagrama em blocos de um canal de entrada para CLP. Figura 6.7 Diagrama em blocos para as unidades de entradas. De acordo com o tipo de sinal suportado pelo canal de entrada do CLP este pode ser classificado em digital ou analógico. Os canais de entradas digitais de um CLP são aqueles que detectam e convertem sinais de comutação de entrada em níveis lógicos de tensão (0 ou 1) usados no controlador programável. Normalmente estas entradas são sinalizadas por led's. Entre os diversos tipos de transdutores digitais, podemos citar: botões, chaves de fim-de-curso, sensores de proximidade, termostatos, pressostatos, "push buttons”. Podem ser em tensão alternada (0 ou 110VCA ou, então, 0 ou 220VCA) ou em tensão contínua (em geral, 0 ou 24VDC). As entradas digitais podem ser de dois tipos: NPN e PNP (também denominadas de entradas do tipo N e P, respectivamente). As entradas digitais do tipo N ou NPN são acionadas por nível baixo, ou seja, o CLP recebe 0Vcc em suas entradas quando os sensores são acionados (sensores com ponto comum em 0Vcc). As entradas digitais do tipo P são acionadas por nível alto, ou seja, o CLP recebe +24Vcc em suas entradas quando os sensores são acionados (sensores com ponto comum em 24Vcc). 312 As figuras 6.8 e 6.9 mostram os diagramas esquemáticos básicos das unidades de entradas digitais alternadas, NPN e PNP. A figura 6.10 mostra o esquema de ligação elétrica dos dispositivos às entradas digitais de um CLP. Figura 6.8 Diagrama esquemático de um canal de entrada digital do CLP em tensão alternada. Figura 6.9 Diagrama esquemático de um canal de entrada digital em tensão contínua. Figura 6.10 Esquemas de ligações elétricas para entradas digitais do CLP. 313 Os canais de entradas analógicas dos CLP’s têm a função de converter sinais analógicos em corrente ou em tensão, provenientes dos diversos transdutores, em valores numéricos que podem ser utilizados pelo controlador programável. Os transdutores analógicos são todos aqueles que necessitam fazer conversão de curso, peso, pressão, etc., tais como: réguas potenciométricas, células de carga, células extensométricas, etc. A figura 6.11 mostra os esquemas de ligações elétricas para as entradas analógicas dos CLP’s. Figura 6.11 Esquemas de ligações elétricas para entradas analógicas do CLP. c) unidades de saídas São placas ou cartões do CLP que podem ter um ou mais canais que fornecem sinais digitais ou analógicos devidamente amplificados para energizar os elementos de operação e sinalização de atuadores diversos. Podem ser em tensão alternada (saída a relé ou a triac) ou em tensão contínua (saída a relé ou a transistor). Em ambos os casos são utilizados dispositivos opto-acopladores a fim de isolarem os canais de saídas da CPU e assim protegê-la contra distúrbios elétricos nos atuadores. A figura a seguir mostra o diagrama em blocos de um canal de saída para CLP. Figura 6.12 Diagrama em blocos para as unidades de saídas. As saídas dos CLP’s também podem ser digitais ou analógicas. E no caso das saídas digitais, têm-se: saídas NPN ou tipo N e saídas PNP ou tipo P. As saídas do tipo N são acionadas por nível baixo, ou seja, o CLP envia 0Vcc para os atuadores e estes possuem ponto comum em +24Vcc. Já as saídas do tipo P são acionadas por nível alto, ou seja, o CLP envia +24Vcc aos atuadores e estes possuem ponto comum em 0Vcc. 314 A figura 6.12 mostra o esquema de ligação elétrica dos atuadores com as saídas digitais de um CLP nas configurações NPN, PNP e alternada.. Figura 6.13 Esquema de ligações elétricas para saídas digitais dos CLP’s. As saídas analógicas convertem valores numéricos (presets de pressões, velocidades ou qualquer outro parâmetro) em sinais elétricos variáveis. Dentre os vários tipos de atuadores analógicos, podemos citar: ponte tiristorizada, conversor de frequência, válvula proporcional, posicionadores, etc. A figura 6.13 mostra o esquema de ligação elétrica dos atuadores com saídas analógicas dos CLP’s em tensão ou em corrente. Figura 6.14 Esquema de ligações elétricas para saídas analógicas dos CLP’s em tensão ou em corrente. 6.2.4 Programação de CLP’s A responsabilidade pela padronização das linguagens de programação dos controladores lógicos programáveis é da IEC (International Electrotechnical Committe) através da norma IEC 61131-3. Essa norma é o primeiro esforço real para a padronizar as linguagens de programação dos CLP´s. É resultado da união de sete grandes empresas internacionais, com dezenas de anos em experiência em automação industrial. Busca-se com essa norma especificar a sintaxe e semântica de uma suíte (biblioteca) unificada de linguagens de programação para os CLP’s. Basicamente, há quatro linguagens de programação: duas textuais e duas gráficas, conforme mostra a tabela a seguir.. 315 Tabela 6.2 Linguagens de programação dos CLP’s segundo a norma IEC 61131-3. linguagens textuais linguagens gráficas ST - structured text (texto estruturado) LD - ladder diagram (diagrama de contatos) IL - instruction list (lista de instruções) FBD - function diagram blocks (diagrama de blocos de funções) A linguagem ST (Structured Text) ou linguagem de texto estruturado é um tipo de linguagem é uma linguagem de programação de alto nível, muito poderosa, com raízes Ada, Pascal e C++. Contém todos os elementos essenciais de uma linguagem moderna, incluindo estruturas condicionais (IF-THEN-ELSE e CASE OF) e iterações (FOR, WHILE e REPEAT). A seguir, tem-se um exemplo de texto estruturado aplicado a programação de um CLP. Figura 6.15 Exemplo de programa para CLP em texto estruturado. 316 A linguagem IL (Instruction List) ou lista de instruções é um tipo de linguagem é uma linguagem de programação de origem européia e semelhante ao Assembler. A seguir, tem-se um exemplo de programa de CLP utilizando lista de instruções. Figura 6.16 Exemplo de programa para CLP em lista de instruções. A linguagem FBD (Function Diagram Blocks) ou diagrama de blocos de funções é uma forma de programação de CLP’s bastante utilizada na industria de processos. Ela expressa o comportamento de funções, blocos funcionais e programas como um conjunto de blocos gráficos interligados, como ocorre nos diagramas de circuitos eletrônicos. A sua aparência relembra os diagramas de fluxo de sinais entre elementos de processamento. A figura 6.16 mostra um exemplo de programa utilizando esse tipo de linguagem. 317 Figura 6.17 Exemplo de programa para CLP em diagrama de blocos de funções. A linguagem LD (Ladder Diagram) ou diagrama de relês foi originada nos EUA. É baseada na representação dos diagramas lógicos de acionamento desenvolvidos por eletrotécnicos e profissionais da área de controle. Permite que se desenvolvam lógicas combinacionais, sequenciais e circuitos que envolvam ambas, utilizando como operadores para estas lógicas: entradas, saídas, estados auxiliares e registros numéricos. A tabela a seguir mostra os três principais símbolos de programação em LADDER. Tabela 6.3 Símbolos básicos para programação em LADDER. Tipo Símbolo elétrico Símbolo LADDER contato NA contato NF bobina, relé, solenoide, lâmpada, etc. 318 A figura a seguir mostra um exemplo de programa para CLP desenvolvido através da linquagem LADDER. Figura 6.18 Exemplo de programa para CLP em LADDER. Para desenvolver um programa para o CLP em linguagem LADDER a partir de um diagrama de comando elétrico, basta girar as linhas de comando do circuito elétrico no sentido anti-horário, deixando-as na posição horizontal. Em seguida, devem-se substituir os símbolos elétricos pelos seus equivalentes em LADDER. 319 Veja na figura 6.18 que nos casos em que a linha de energia inferior do diagrama de comandos elétricos apresenta componentes em paralelo cada um dos relés (K1, K2 e K4) recebeu uma linha exclusiva no programa em LADDER. Isto aconteceu porque a maioria dos CLP’s não admite paralelos na região final de suas linhas de instruções. Também existe uma relação entre as portas lógicas básicas e a linguagem LADDER, conforme mostra a tabela 6.4. Tabela 6.4 Símbolos Porta lógica básicos para programação em LADDER. Símbolo Expressão E (AND) S = A .B OU (OR) S = A + B NÃO (NOT) S = A LADDER As relações da tabela 6.4 tornam possíveis as conversões de circuitos digitais para programas de CLP na linguagem LADDER. Alguns fabricantes disponibilizam seus CLP´s com recursos de programação com gráficos sequenciais. Esse tipo de programação é denominado de método SFC (sequential function chart) ou simplesmente Grafcet. Através desse tipo de linguagem de programação, descreve graficamente o comportamento sequencial de um programa de controle. É derivado das redes de Petri e da norma IEC 848 Grafcet. Consiste de “passos”, interligados com blocos de “ações” e “transições”. Cada passo representa um estado particular do sistema que está sendo controlado. A figura a seguir mostra um exemplo de aplicação com esse tipo de linguagem. 320 Figura 6.19 Exemplo de programa para CLP em LADDER. 321 Teste de autoavaliação da unidade 6 Teste seus conhecimentos! 6.1 Como são classificados os controladores industriais segundo a sua energia de funcionamento? 6.2 O que é um controlador lógico programável? 6.3 Como são classificados os CLP’s de acordo com as suas características de construções? 322 6.4 Qual é a função dos acoplamentos óticos presentes nas unidades de entradas e saídas dos CLP’s? 6.5 Segundo a norma IEC 61131-3, quais são os tipos de linguagens de programação dos CLP”s? 323 6.6 Veja no exemplo da figura 6.18 que um programa de CLP na linguagem LADER utiliza basicamente as mesmas ligações de um diagrama de comandos elétricos. Portanto, de acordo com esse exemplo, faça um esboço do programa para CLP em linguagem LADDER para o diagrama de comandos elétricos a seguir. Observe que o paralelo entre a lâmpada L2 e a válvula V1 não deve ser realizado no programa, portanto, você deverá escrever uma linha de programa para acionar a lâmpada L2 e outra linha de programa para acionar a válvula V1. 6.7 Seja ainda o diagrama de comandos elétricos da questão anterior. Após programar o CLP, devem-se interligar os dispositivos de entradas e saídas ao mesmo. Portanto, complete as ligações no diagrama elétrico a seguir, sabendo que as entradas e saídas digitais do CLP são do tipo PNP. 324 6.8 A figura a seguir mostra um diagrama de comando elétrico utilizado para partida e reversão de um motor elétrico trifásico. Deseja-se substituir esse tipo de comando por um comando por CLP. Apresente o programa em linguagem LADDER equivalente ao comando elétrico dado. Programa: 325 Chave de respostas das tarefas e do teste de autoavaliação da unidade 6 Corrija e veja como foi seu aprendizado! Teste de autoavaliação da unidade 6 6.1 Em controladores pneumáticos, hidráulicos e elétricos. 6.2 Um CLP é um é um equipamento industrial robusto e flexível utilizado como controlador de processos nas malhas de controle através de tarefas ou funções previamente programadas de acordo com a necessidade da automação. 6.3 Os CLP’s podem ser modulares (com RACK de expansão), compactos sem IHM ou compactos com IHM incorporada. 6.4 Os acoplamentos óticos presentes nas entradas e saídas dos CLP’s têm a função de isolar eletricamente a CPU do CLP dos sensores e atuadores, protegendo o equipamento contra descargas (ou distúrbios) elétricas provenientes desses componentes. 6.5 Em linguagens textuais e gráficas. As linguagens textuais utilizam palavras específicas para desenvolver um algoritmo capaz de realizar uma tarefa. Por outro lado, as linguagens gráficas utilizam blocos e símbolos especiais para desenvolver os algoritmos para os CLP’s. 326 6.6 6.7 6.8 327 REFERÊNCIAS COESTER S/A EQUIPAMENTOS ELETRÔNICOS. Manual Técnico: Sistema Integrado de Governo, Agulha Giroscópica, Piloto Automático. Rio Grande do Sul. COSTA, Jessé Werner; MOREIRA, Lourival José Passos; BERTIL, Eduardo Poppius; SABOYA, Olando de Lima. Curso de Aperfeiçoamento de Máquinas CAD-APMQ: (Módulo 11: Eletrotécnica). Rio de Janeiro: Diretoria de Portos e Costas, 2002. FIALHO, Arivelto Bustamante. Automação Hidráulica: Projetos, Dimensionamento e Análise de Circuitos. São Paulo: Editora Érica, 2002. _______. Automação Pneumática. São Paulo: Editora Érica, 2003. _______. Instrumentação Industrial: Conceitos, Aplicações e Análises. São Paulo: Editora Érica, 2002. H. MEIXNER; R. KOBLER. PNEUMÁTICA: Introdução à Pneumática. São Paulo: Festo Didatic, 1987. HASEBRINK, J. P.; KOBLER, R. 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