Aula1

Introdução à Automação Industrial

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Prof. Adilson Gonzaga


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Elementos Básicos Switches

(CHAVES)

Representações


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Elementos Básicos

SPST -- Single Pole Single Throw(Single Pole on-off)

SPDT -- Single Pole Double Throw (SPCO - Single Pole Changeover

Single Pole on-on)

DPST -- Double Pole Single Throw (Double Pole on-off)

DPDT -- Double Pole Double Throw (DPCO - Double Pole Changeover Double Pole on-on)

Switches (CHAVES)

Configurações


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Elementos Básicos

Pole = Número de partes móveis que se conectam ouNúmero de circuitos individuais

Throw = Número de Estados

Switches (CHAVES)

Termos


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(CHAVES)

Tipos


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(CHAVES)

Classes


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Elementos Básicos Relays

(Relês)

Chave cuja operação é ativada de maneira eletromagnética.

Representação esquemática


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Elementos Básicos Counters

(Contadores)

Os Contadores Digitais tem suas saídas na forma de contatos de Relês, quando uma contagem pré-estabelecida é atingida

Ex: Contagem de 5 subidas de borda.


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Elementos Básicos Timers

(Temporizadores)

Um Temporizador consiste de um clock interno, um registrador de contagem e um acumulador.

É utilizado para temporizar eventos, fechando os contatos após um tempo pré-programado.


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Dispositivos de Controle

1) Controle Mecânico - eixos, direcionadores, etc...

2) Controle Pneumático - Pistões e válvulas de ar comprimido, etc...

3) Controle Eletromecânico - chaves, relês, temporizadores, contadores, etc...

4) Controle Eletrônico - chaves eletrônicas

5) Controle Computadorizado


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Lógica de Relês

Exemplo de controle de processo:

Um processo inicia ligando um motor (R2), cinco segundos após uma peça tocar uma chave de limite (LS1). O processo termina automaticamente quando a peça terminada toca uma segunda chave de limite (LS2). Uma chave de emergência (PB1) termina o processo a qualquer instante, quando for acionada.

Processo

Lógica


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Sistemas de Automação:

Sistemas Rígidos e Sistemas Flexíveis


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Sistema Rígido de Automação

Os sinais de sensores acoplados à máquina ou equipamento a ser automatizado acionam circuitos lógicos a relés que disparam cargas e atuadores.


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Sistema Flexível de Automação

Exemplo: As primeiras máquinas de tear eram acionadas manualmente. Depois passaram a ser acionadas por algum tipo de comando automático. Entretanto, esse comando só produzia um modelo de tecido, de padronagem, de desenho ou estampo. A introdução de um sistema automático flexível no mecanismo de uma máquina de tear tornou possível produzir diversos padrões de tecidos num mesmo equipamento.


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Controle de Processos:

Processo

Conjunto de operações e/ou transformações realizadas sobre um ou mais materiais, com a finalidade de variar pelo menos uma de suas propriedades físicas ou químicas.


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•Exemplo: Processo de produção Preparar um café:Seguir uma receita, usando utensílios para transformar ingredientes básicos num produto. Para esta transformação é necessária alguma forma de energia.

Ingredientes ==> matéria-prima de entrada ou insumos

•pó de café;

•água potável.

Utensílios ==> equipamentos

•cafeteira;

•coador;

•filtro de papel;

•jarra refratária.


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Receita ==> determina as seqüências de preparo, os intervalos de tempo e a quantidade de matéria-prima envolvida. Ela nos mostra como fazer sempre um cafezinho com as mesmas características ou bem semelhantes.

Energia ==> gera calor, para efetuar a transformação dos ingredientes.


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Energia: "Propriedade de um sistema que lhe permite realizar trabalho.

Definições:

Insumos: "Combinação dos fatores de produção (matérias-primas, horas trabalhadas, energia consumida, taxa de amortização, etc.) que entram na produção de determinada quantidade de bens ou serviço."

Matéria-prima: "A substância bruta principal e essencial com que é fabricada alguma coisa: as matérias-primas da indústria automobilística."


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Tipos de Processos:

Processo descontínuo (Processo em batch, processo em lote): é aquele cuja operação se dá em etapas. Assim, em primeiro lugar ocorre a alimentação do processo com matéria-prima, em seguida a reação e finalmente a retirada do produto final.

Definições:

Produção em massa: "Sistema de produção de um produto com pouca variação.”

Exemplo: automóveis e eletrodomésticos.

Produção em lote: "Sistema de produção de uma quantidade média de um produto que pode ser repetido periodicamente.” Exemplo: livros e roupas."


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Como exemplos industriais de um processo descontínuo temos algumas etapas de produção em indústrias químicas e indústrias de manufatura com características de produção em massa (seriada) ou em lotes.


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Processo contínuo

Entendem-se por processos contínuos aqueles em que existe uma entrada contínua de matéria-prima, um processamento e uma saída também contínua do produto final.


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Exemplo de um processo contínuo: Processo de destilação de álcool.

A saída de produto é constante (Álcool hidratado) dependendo da quantidade de matéria-prima de entrada (caldo de cana fermentado) e da energia fornecida ao sistema (vapor de água supersaturado).

Um produto sobra nesse processo, o vinhoto. Parte dele é reprocessado, isto é, volta ao topo da coluna. O que sobra é usado como fertilizante nas plantações de cana-de-açúcar.


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Em um processo industrial, estas variáveis podem ser associadas a:

•pressão,

•temperatura,

•posição,

•vazão,

•velocidade,

•nível,

•pH,...

Variáveis de Processo

São entidades matemáticas associadas a fenômenos físicos/químicos, geralmente através de letras ( x, y, z, V, I, R, t, ... ).


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Uma variável é dita analógica quando pode assumir infinitos valores (dentro de uma faixa de valor máximo e mínimo) durante um intervalo de tempo.

Variáveis Analógicas:


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Quando a variável só pode assumir dois valores (alto ou baixo, ligado ou desligado) ela é chamada de digital ou discreta.

Variáveis Digitais:


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Medição Contínua:

Relacionada com as variáveis analógicas.

O conjunto formado pelo resistor variável e a bóia (elemento sensor) informa continuamente ao indicador a quantidade de combustível existente no tanque.


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A medição descontínua normalmente é feita por sensores do tipo chave com dois estados, ativo ou não ativo.

Medição Descontínua:

Relacionada com as variáveis digitais.

No exemplo, é utilizada para segurança evitando o transbordamento ou esvaziamento abaixo de determinada posição mínima.


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Transformando a medição descontínua em contínua:

•LT - (Level Transmitter) - é o transmissor de nível, responsável por sentir continuamente a variável de processo através de seu elemento sensor e converter este sinal em um sinal padronizado para ser transmitido a distância. Normalmente o sinal proporcional ao valor medido é padronizado em corrente (4 a 20 mA) ou em pressão (3 a 15 PSI).


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Diagrama de Controle:•SP- (Set Point) - é o valor desejado; ponto em que se deseja manter a variável controlada, no caso ajustada para o nível permanecer em torno de 50%.

•PV - (Process Variable) - é a variável de processo que está sendo medida pelo elemento sensor presente no transmissor de nível (LT) e transmitida para o controlador.

•MV - (Manipuled Variable) - é a variável manipulada, no caso o sinal enviado pelo controlador (LIC) para o elemento final de controle (LCV) que regula a quantidade de combustível que entra no tanque. A este fluxo de fluido chamamos vazão.


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•LIC - (Level Indicator Controller) - é controlador indicador de nível, responsável por comparar o valor da variável, medida pelo LT, com o set point para obter o valor de erro (diferença entre o valor medido e o ponto de ajuste), usado num algoritmo de controle que calcula o valor de correção a ser enviado para o elemento atuador (LCV) que reposicionará a variável manipulada.

•LCV - (Level Control Valve) - é a Válvula Controladora de Nível, responsável pela variação da variável manipulada, comandada pelo controlador (LIC). Chamada também de atuador ou elemento final de controle.


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• Uso de um computador para comandar o caminho da ferramenta cortante de um torno mecânico ou uma máquina fresadora. Com isto tem-se alta precisão no produto final e alta repetibilidade com um mesmo programa.

O comando numérico computadorizado (CNC) é uma técnica que permite a operação automática de uma máquina por meio de uma série de instruções codificadas que contêm números, letras e outros símbolos.

Comando Numérico Computadorizado (CNC):

As máquinas CNC podem ser facilmente reprogramadas para atender a novos projetos e podem ser adaptadas a diferentes situações de produção.


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Comando Numérico Computadorizado (CNC):

As primeiras máquinas fresadoras CN possuíam uma unidade de controle tão volumosa que precisava ficar fora da máquina.

Atualmente, máquinas CNC, possuem um comando numérico pequeno, normalmente embutido na própria máquina.


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• ( ou simplesmente Controladores Programáveis - CPs ) são usados para controlar uma sucessão de eventos. Basicamente é um computador, que recebe sinais de sensores e/ou chaves, executa um programa e envia ordens a saídas, as quais acionarão elementos como motores, válvulas, etc...

Controladores Lógicos Programáveis (CLP):

Antes do surgimento dos CLP’s, as tarefas de comando e controle de máquinas e processos industrias eram feitas por relés eletromagnéticos, especialmente projetados para este fim.


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Automação de Processos:Medir variáveis analógicas e digitais, para que, após o processamento das informações contidas nessas variáveis, o controlador tome decisões como : ligar/desligar um motor, acender uma lâmpada de alerta, ligar/desligar um sistema de aquecimento, entre outras.

O elemento que "sente" o que ocorre no processo, fornecendo informações sobre o estado da variável monitorada é chamado de sensor.

O elemento que executa a tarefa designada pelo controlador é chamado de atuador.


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Classificação dos Sensores:

Quanto ao tipo de variável controlada

• Sensores Contínuos - efetuam medições contínuas de variáveis, fornecendo valores contínuos. (Ex: Resistor Variável)

•Sensores Discretos - podem apresentar somente dois estados : atuados ou não. (Ex: Chaves)


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Classificação dos Sensores:

Quanto a seu funcionamento

Auto alimentados : Estes produzem um sinal elétrico de saída sem a necessidade de alimentação externa. Um termopar é um exemplo deste tipo de sensor.

Com alimentação externa : Estes requerem entrada de energia para poder-se obter um sinal de saída. Um exemplo é uma termo resistência, a qual requer uma entrada de energia para excitar o resistor.


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Sensores Lineares :

• Resistivos

• Indutivos

Instalados ao longo dos eixos de movimentação, sobre os quais são aplicadas tensões fixas.

São mais baratos e mais simples.

Devido à presença de contatos elétricos móveis, a vida útil destes sensores é muito curta (não superior a 1 milhão de operações).

A precisão nas medidas é pequena, sendo ainda sujeita a erros causados por ruídos induzidos.


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Sensores Lineares :

• Ópticos

Consiste na colocação de emissores e receptores de luz na parte móvel e de uma régua graduada, fixa à base do movimento ou vice-versa, que permite a passagem ou a reflexão apenas de feixes seletivos de luz emitidos, e que serão detectados pelos receptores e indicarão a posição da parte móvel em relação à fixa.

Mais

precisos. Vida útil praticamente infinita se alguns cuidados elementares forem tomados com relação à sua utilização.


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Sensores Rotativos:

• Resistivos

• Indutivos

Os resistores ou indutores apresentam formas circulares e os coletores são fixados ao eixo do motor o qual se aplica.

Assemelham-se muito aos lineares, inclusive no que tange ao funcionamento, vida útil e precisão.


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Sensores Rotativos:

• Magnéticos de Efeito Hall

Utilização de um imã fixo no eixo rotor e sensores de efeito Hall que detectam a passagem do campo magnético pelos mesmos.

Detectam velocidade e posição do eixo em movimento.

Vida útil longa, robustos e baratos .

Instalação difícil, o que limita sua aplicação.

Possui sérias restrições quanto à temperatura de operação.


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Sensores Rotativos:

• Tipo Resolver

Assemelham-se a pequenos motores síncronos bifásicos com enrolamento de campo, onde são aplicadas tensões alternadas.

A posição é medida através da diferença de fase entre as tensões induzidas nos terminais das fases do estator.

São muito precisos e têm vida útil longa, mas têm custo elevado.


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Sensores Rotativos:

• Ópticos

“Encoders” ópticos.

Sensor em forma de disco com marcas ou perfurações.

Longa vida útil, alta precisão e médio custo.

Fornecem medidas absolutas ou incrementais, de acordo com as necessidades de cada aplicação.


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Sensores de Proximidade: São compostos por circuitos eletrônicos que sentem a variação de campo eletromagnético ( indutivos ) ou eletroestático ( capacitivos ).

Os sensores eletromagnéticos sentem proximidade de objetos metálicos e podem ser utilizados para função de liga/desliga por proximidade ou contagem de produtos.

Os sensores capacitivos podem ser utilizados para sentir proximidade de outros produtos não magnéticos.


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Sensores de Pressão:

• Indutivo:

Transformador Diferencial de Núcleo Variável, ou LVDT. este sensor consiste em uma bobina primária ( bp ), duas bobinas secundárias ( bs1 e bs2 ) ligadas em oposição de fase e um núcleo de ferro-doce disposto simetricamente com relação às bobinas.

Quando o sistema está em repouso, as tensões induzidas em bs1 e bs2 são idênticas, sendo a resultante V2 igual a zero.


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Quando há pressão aplicada, ocorre o deslocamento do núcleo, provocando tensões diferentes em bs1 e bs2 e conseqüentemente, V2 não será mais zero


Podem medir uma ampla faixa de pressão, porém são sensíveis a vibrações e campos magnéticos.

O sinal gerado é da ordem de 1,5 V, o que dispensa o uso de pré-amplificadores.

• Indutivo:


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• Capacitivo:

O sensor tipo capacitivo, ou célula capacitiva, mede a diferença entre pressões aplicadas em dois diafragmas.

A distância entre o diafragma sensor e as placas do capacitor varia de acordo com a diferença entre as pressões aplicadas dos dois lados da cerâmica porosa.


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• Piezoelétrico:

Alguns cristais desenvolvem em sua rede cristalina, cargas elétricas quando submetidos a um esforço mecânico.

A carga gerada tem valor muito baixo, necessitando de um circuito de amplificação e condicionamento do sinal.

São indicados para medir pressões que variam rapidamente, ou seja, para medições dinâmicas.

Possui alta estabilidade térmica e pode medir pressões desde 1 mbar até mais de 10 kbar.


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• Piezoresistivo:

efeito piezoresistivo: alteração de resistência de um condutor elétrico sob carga.

"strain gage“: utilizado em estruturas conhecidas como células de carga, para medidas de peso.

A Ponte de Wheatstone fará com que o medidor ao centro altere proporcionalmente à pressão aplicada no sensor.


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Sensores de Temperatura:

• Termopar:

Conjunto de dois fios de metais ou ligas metálicas diferentes, unidos em uma das extremidades.

O ponto de união dos fios é denominado junta de medida ou junta quente.

A outra extremidade é chamada junta de referência ou junta fria.

Quando submetemos as juntas a diferentes temperaturas, há uma geração de tensão ( Força Eletromotriz ou FEM), facilmente detectável por um milivoltímetro ligado à junta de referência.


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• Termoresistência - RTD:

Sensores metálicos cuja resistência elétrica varia com a alteração da temperatura.

Resistance Temperature Detector

Restrição principal --> limite superior de temperatura

•300 °C para o níquel

•310 °C para o cobre

•630 °C para platina

O tipo usado na indústria é denominado Pt100 --> a resistência elétrica tem o valor de 100 Ohms a 0 °C.


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• Termistores:

São óxidos metálicos semicondutores, cuja resistência elétrica varia com a alteração da temperatura.

• Positivos (PTC) - Elevação do valor da resistência com o aumento da temperatura.

• Negativos (NTC) - Diminuição da resistência elétrica com o aumento da temperatura.


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Sensores de Vazão: Determinação da velocidade em que fluem líquidos em tubulações.

O princípio físico adotado, pela maioria destes sensores, é o mesmo que o utilizado nos sensores de pressão.


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Atuadores:• Elemento final de controle, que tem por objetivo reposicionar uma variável, de acordo com um sinal gerado por um controlador.

Atua diretamente no processo, modificando as suas condições.

Dispositivos utilizados para conversão de sinais elétricos provenientes dos controladores, em ações requeridas pelos sistemas que estão sendo controlados.


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Atuadores Pneumáticos:

Normalmente empregado em sistemas onde se requer altas velocidades nos movimentos, com pouco controle sobre o posicionamento final, em aplicações onde o torque exigido é relativamente baixo.

• Lineares - Pistões de simples e dupla ação.

• Rotativos - Motores pneumáticos.

• Válvulas de controle pneumáticas - capaz de regular a vazão de um fluído (líquido, gás ou vapor) que escoa através de uma tubulação, por meio do posicionamento relativo de um obturador que obstrui a área livre de passagem do fluído.


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Atuadores Hidráulicos:

• Utilizados principalmente em sistemas onde são requeridos elevados torques, sobretudo no acionamento de máquinas de grande porte e em robôs de alta velocidade de posicionamento.

Comandado por eletroválvulas que controlam os fluxos de óleo do sistema, controlando os movimentos.

• Alto torque desenvolvido

• Alta relação torque/peso

• Alta performance

• Baixa manutenção


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Atuadores Elétricos:

• Motor de passo:

•Baixo Torque

•Acionamento simples

•Baixa relação peso/potência

São comumente utilizados, hoje, em sistemas que operam e malha aberta, não exigindo a presença de sensores ou controladores mais elaborados.

Sua maior aplicação está em periféricos para informática.


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Atuadores Elétricos:

• Motor de Corrente Contínua:

Tendo um desempenho muito superior ao motor de passo, o motor CC o substituiu em algumas aplicações , pois seu acionamento e controle também são bastante simples.

• Motor de corrente alternada síncrono:

• Motor de corrente alternada assíncrono:(de indução)

Largamente utilizado em acionamentos onde controles de velocidade e posicionamento não são requeridos, devido ao seu baixo custo e robustez.

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