Fundamentos de Automação. Atuadores e Elementos Finais de Controle

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1 Ministério da educação - MEC Secretaria de Educação Profissional e Técnica SETEC Instituto Federal de Educação Ciência e Tecnologia do Rio Grande do Sul Campus Rio Grande Fundamentos de Automação Atuadores e Elementos Finais de Controle CURSO DE AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL

2 Considerações Iniciais Os atuadores são responsáveis pela variação de parâmetros do processo a ser controlado. Praticamente todas as ações físicas realizáveis por um operador humano sobre um processo podem ser realizadas (com maior precisão) por um atuador controlado eletronicamente. Estes dispositivos recebem as informações enviadas pelo sistema, com a finalidade de auxiliar ou até mesmo realizar diretamente um trabalho elétrico, mecânico, pneumático ou hidráulico em uma máquina ou processo industrial, ou apenas a fim de realizar sinalização visual ou sonora aos operadores. Entre esses elementos, podemos citar: relés, contatores, solenóides de válvulas, cilindros, válvulas de controle proporcional, inversores de frequência, motores, entre outros. 2

3 Localização de um Atuador em um Diagrama de Controle de Processo variável manipulada correção Setpoint Controlador Atuador Transmissor variável controlada Processo Sensor realimentação 3

4 O que é um atuador? Dispositivo destinado a executar uma ação: Ligação um motor; Movimentação de uma esteira; Abertura/fechamento de uma válvula; Dosagem de material.. 4

5 Tipos de Atuadores Cilindros Também conhecidos como atuadores pneumáticos ou hidráulicos, que transformam a pressão do ar comprimido ou do óleo, em movimento linear e força. Os tipos de cilindros lineares mais utilizados são o de simples ação e o de dupla-ação. Os cilindros de simples ação, possuem um único orifício pelo qual o ar ou óleo e sai. Ao colocarmos pressão nestes cilindros eles são movimentados e ao retirarmos pressão, uma mola retorna a haste do cilindro para a posição original. Os cilindros de dupla-ação, possuem dois orifícios pelos quais podem entrar e sair o ar ou óleo, dependendo do movimento desejado, portanto, um orifício serve para o avanço do cilindro e outro para o seu retorno. O fluxo de ar ou óleo que o cilindro recebe, é transmitido por válvulas direcionais, que podem ser acionadas por comando manual, elétrico, pneumático ou mecânico. 5

6 Tipos de Atuadores Motores elétricos São equipamentos que, quando energizados, realizam movimentos giratórios de seu eixo, que podem ser medidos em Rotações por minuto (Rpm). Existem motores de diversos tipos e finalidades, variando de acordo com sua forma construtiva e tipo de alimentação (tensão contínua ou alternada), consumo de corrente, etc. São utilizados para inúmeras aplicações: movimentar e acionar esteiras, elevadores, bombas, compressores, partes móveis de máquinas, extrusoras, robôs, misturadores, ventiladores, furadeiras, bem como sua utilização já bastante difundida na área de eletrodomésticos, automóveis, aviões, etc. 6

7 Tipos de Atuadores Relés São chaves composta de vários contatos, acionadas por bobinas eletromagnéticas. São utilizados para comando, sinalização e intertravamento de circuitos elétricos. Quando a bobina é energizada, os contatos NA (normal aberto) fecham e os contatos NF (normal fechado) abrem, permitindo ou interrompendo a passagem de corrente elétrica por eles. Quando a bobina é desenergizada, uma mola retorna os contatos a posição original. Contatores Apresentam as mesmas características dos relés, porém seus contatos são dimensionados para suportarem correntes mais elevadas, permitindo assim sua utilização no acionamento direto de motores. 7

8 Válvula de Controle É um equipamento usado para modificar a vazão de um fluido em um processo. Como elemento final de controle, as válvulas são normalmente culpadas por todo e qualquer problema que ocorre no processo. Quando falamos de válvula de controle podemos imaginar apenas a válvula, ou seja, o dispositivo mecânico instalado na tubulação que controla a passagem do produto, seja ele líquido ou gás. Contudo, por estarmos em um curso de automação vamos nos referir às válvulas com controle automático de posição, lembrando que ela é, na verdade, um conjunto formado por três partes: 1- a válvula propriamente dita, que restringe mecanicamente o produto na tubulação onde está instalada através do deslocamento do obturador na sede, produzido pela haste; 2- um atuador, que transforma a energia em movimento para a válvula; 3- um posicionador, um circuito eletrônico, eletropneumático ou eletrohidráulico que controla o atuador para otimizar o funcionamento da válvula. 8

9 Tipos de Válvulas de Controle As válvulas de controle podem ser classificadas de acordo com a forma geométrica do elemento de restrição. Os tipos de válvulas com maior aplicação podem ser vistas na figura a seguir: Obs: Existem centenas de formatos para as válvulas de controle. Exemplos: válvulas de retenção, válvulas de alívio, válvulas de diafragma, válvulas em Y, entre outras. 9

10 Tipos de Válvulas de Controle Válvula Borboleta: podem ser utilizadas como válvulas de regulagem e de bloqueio. O seu fechamento é feito pela rotação de uma peça circular (disco), em torno de um eixo perpendicular à direção do escoamento do fluído. Possuem baixo custo inicial e de manutenção, peso reduzido, alta capacidade de vazão e resistência à erosão. Válvula Globo: É a válvula mais usada para regulagem eficiente de serviços críticos de fluídos limpos, os quais podem danificar os componentes internos. Usada extensivamente em controle automático de processos. Encontrada em grande variedade de tamanhos e aplicada em uma grande faixa de pressão e temperatura. 10

11 Tipos de Válvulas de Controle Válvula de Gaveta: não altera a direção do fluxo quando aberta. Se usada para regulagem de fluxo, apresenta a tendência de erodir rapidamente pela formação de bolhas (cavitação). Existe uma grande variedade de tamanhos e aplicadas em uma ampla faixa de pressões e temperaturas. Válvula de Esfera: é construída por um corpo em cujo interior aloja uma esfera oca, que permite uma passagem bastante livre. São simples, compactas e de abertura rápida. Existem em pequena variedade de tamanhos e aplicadas em uma ampla faixa de temperaturas e pressões. 11

12 Atuadores em Válvulas de Controle Pneumáticos (87% das aplicações) Mecânicos (1% das aplicações) Hidráulicos (1% das aplicações) Elétricos ou eletromecânicos (11% das aplicações) 12

13 Válvula de Controle - características Deslocamento A válvula de controle pode ser classificada de acordo com o tipo de deslocamento da peça móvel que restringe a passagem de produto. A válvula de deslocamento linear descreve um movimento retilíneo, como por exemplo a válvula globo e gaveta. Na válvula de controle com deslocamento rotativo, a peça móvel descreve um movimento de rotação, como nas válvulas esfera e borboleta. Ação A válvula de controle, como um equipamento dentro de uma malha de controle, poderá ser de ação direta (fecha com sinal na alimentação, e abre sem sinal ou com falha), ou de ação reversa (abre com sinal na alimentação, e fecha sem sinal ou com falha).. 13

14 Válvula de Controle - características Desempenho (característica de vazão) O desempenho de uma válvula depende da forma e do tipo de obturador utilizado e como o mesmo reduz a área do orifício (sede) através do qual passa o fluido. A característica de vazão de uma válvula demonstra a proporcionalidade da variação da vazão do fluido em relação à variação do deslocamento da haste. Existem três características de vazão: a linear, a de abertura rápida e de igual percentagem. 14

15 Válvula de Controle característica de vazão Linear iguais incrementos do curso corresponde a iguais incrementos da vazão Abertura rápida produz uma grande variação na taxa de vazão, para uma pequena variação na posição da haste. Este tipo de válvula é freqüentemente utilizado em controles on-off (liga-desliga) Igual percentagem - acréscimos iguais no curso da haste produzem percentagens iguais ao acréscimos em relação à vazão do momento. 15

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