AULA 05 SENSORES E ATUADORES INFORMÁTICA INDUSTRIAL I ENG1016 PROF. LETÍCIA CHAVES

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1 AULA 05 SENSORES E ATUADORES INFORMÁTICA INDUSTRIAL I ENG1016 PROF. LETÍCIA CHAVES

2 1. Cadeia de comando 2 Sensores, botoeiras, fim de curso de came ou rolete, barreiras pneumáticas ou fotoelétricas, pedais Elementos de sinais Motores, cilindros, atuadores em geral. Elementos de Trabalho Válvulas, contatores de potência Elementos de Comando Válvulas, relés, CLP, contatores. Elementos de Controle

3 2. Sensores 3 A indústria trabalha continuamente para desenvolver produtos com mais velocidade e menor custo. Pela automação de processo, é possível alcançar estes objetivos mantendo altos níveis de qualidade e confiabilidade. O uso de sensores e chaves para detecção de posição é fundamental para monitorar, regular e controlar a automação das máquinas envolvidas nos processos de fabricação.

4 2. Sensores 4 Um sensor é um aparelho para detectar e sinalizar uma condição que se altera. Pode ser a presença ou ausência de um objeto. Pode ser uma quantidade mensurável como uma distância. Esta informação que se obtém a partir da saída de um sensor é a base para a monitoração e controle de processos.

5 2. Sensores 5 São dispositivos amplamente utilizados na automação industrial que transformam variáveis físicas, como posição, velocidade, temperatura, nível, etc., em variáveis convenientes. Se as variáveis são elétricas, a informação pode ser de tensão ou corrente. As de corrente são mais utilizadas por possuírem maior imunidade à captação de ruído eletromagnéticos.

6 2. Sensores 6 Cuidados nas especificações de sensores Conexão Modelos de sensores Especificações das entradas do CLP Produtos com adequação ao ambiente?

7 2. Sensores 7 Para a automação o principal objetivo é comandar eventos, por exemplo, a chegada de um objeto a uma posição, um nível de um líquido a um valor, etc. Suas saídas são então do tipo 0 1, on off, isto é, binárias. São estes sensores que damos o nome de Sensores discretos

8 2. Sensores 8 Sensores discretos se dividem em: Contato mecânico (entre o processo e o sensor); Sem contato (sensores de proximidade): São mais importantes pela flexibilidade na solução de problemas de instalação quanto pelo menor desgaste em uso, o que significa maior confiabilidade.

9 2.1 Sensores de Contato Mecânico 9 Uma força entre o sensor e o objeto é necessária para efetuar a detecção do objeto. Quanto um objeto entra em contato físico com o atuador, o dispositivo opera os contatos para abrir ou fechar uma conexão elétrica. Possuem corpo reforçado para suportas forças mecânicas decorrentes do contato com os objetos.

10 2.1 Sensores de Contato Mecânico 10 Dispositivos primários para comunicar uma detecção de evento, seja uma intervenção do operador ou um aviso de que um certo estado foi atingido, por alguma variável física do processo. Fecham grupo de contatos para permitir a passagem de corrente elétrica. Sinal decorrente do fechamento está sujeito ao ruído provocado pela vibração da parte mecânica (rotina do CLP deve filtrar).

11 Chave Botoeira A chave mais comumente utilizada na indústria é a botoeira. Existem dois tipos de chaves botoeira: a de impulso e a de trava (ou retenção). A botoeira de impulso (push-button) é ativada quando o botão é pressionado e desativada quando o botão é solto, sendo a desativação feita por uma mola interna.

12 2.1.1 Chave Botoeira 12 O botão de trava (ou retenção) é ativado quando é pressionado, e se mantém ativado quando é liberado. Para desativá-lo é necessário pressioná-lo uma segunda vez.

13 2.1.1 Chave Botoeira 13 Dentro das chaves há dois tipos de contatos: Normalmente aberto: NA ou NO (do inglês normally open) Normalmente fechado: NF ou NC (do inglês normally closed).

14 2.1.1 Chave Botoeira 14 RELAÇÃO DAS CORES E SIGNIFICADOS DAS BOTOEIRAS Cor Significado Explicação Ex. aplicação Vermelha Emergência Atuar no caso de condições perigosas ou emergência Parada de emergência. Início de uma função de emergência Amarela Anormal Atuar no caso de um evento anormal Intervenção para suprir condições anormais. Intervenção para rearmar um ciclo automático interrompido Verde Normal Atuar no caso de um evento normal Azul Obrigatório Atuar em condições que requerem ações obrigatórias Função de reset Branca Sem designação específica Para uso geral, menos emergência Marcha / ON (preferível) Parada / OFF Cinzenta Sem designação específica Para uso geral, menos emergência Marcha / ON: preferível Parada / OFF Preta Sem designação específica Para uso geral, menos emergência Marcha / ON Parada / OFF (preferível)

15 2.1.2 Chaves de pé (pedal) e seletoras 15 Chaves de pé (ou pedal): utilizadas quando o operador necessita das mãos para exercer outra atividade. Chaves seletoras: apresentam várias posições.

16 2.1.3 Chaves-limite ou de Fim de curso 16 Detectam posição de objetos ou materiais Estabelece ou interrompe um contato elétrico Micro-switch: vida média de 10 milhões de operações.

17 2.1.4 Chaves de nível 17 Monitora o nível de tanques ou depósitos (condutiva, capacitiva, magnéticas, etc). A alteração do nível o dispositivo de flutuação se desloca, acionando um contato.

18 Chaves de nível

19 2.1.5 Chaves de fluxo 19 Detectar vazão de fluidos (como ar, água, óleo ou gás); O rotor se movimenta com a vazão do fluido e ativa um contato; Faixa de regulagem.

20 Chaves de fluxo

21 2.1.6 Chaves de pressão - Pressostatos 21 Detectam nível de pressão de um fluido ou recipiente. Usam um fole que aciona contatos elétricos. Quando a pressão no fole ultrapassa a tensão predeterminada em mola, o contato é ativado.

22 2.1.7 Chaves de temperatura - Termostatos 22 Bimetálicos e bulbo capilar para contatos de chaveamentos Fornecem um contato quando uma determinada temperatura é ultrapassada

23 2.2 Sensores de proximidade 23 Opera eletronicamente sem contato físico, por aproximação Insensível a vibrações Ponto de acionamento constante Indutivos Magnéticos Capacitivos Fotoelétricos ou óticos Sensor ótico de reflexão difusa ou sensor difuso Ótico de barreira Ótico retrorreflexão ou retrorreflexivo Fibra ótica Ultra-sônicos

24 2.2.1 Indutivos 24 Detecta objeto metálicos Princípio: Variação de campo magnético NPN ou PNP Vantagens - Resiste a ambiente severos - Vida longa - Fácil instalação - Não depende da cor do objeto alvo Desvantagens - Limitação de distância - Somente detectam objetos metálicos - Sensível a interferências eletromagnéticas

25 Indutivos

26 Indutivos

27 2.2.1 Indutivos 27 Bobinas: a bobina e a montagem em núcleo de ferrite geram um campo eletromagnético a partir da energia do oscilador. Oscilador: fornece a energia necessária para a geração do campo magnético nas bobinas.

28 2.2.1 Indutivos 28 Circuito de disparo: detecta mudanças na amplitude de oscilação. As mudanças ocorrem quando um alvo de metal se aproxima do campo magnético irradiado pelo sensor. Circuito de saída: quando uma mudança suficiente no campo magnético é detectada, a saída em estado sólido fornece um sinal a uma interface para um CLP ou máquina. O sinal indica a presença ou ausência de um alvo de metal na distância do sensor.

29 Indutivos

30 2.2.1 Indutivos 30 Os catálogos dos fabricantes sempre descrevem a distância sensora nominal considerando um objeto-alvo padrão de aço, denominado alvo-padrão. Distância sensora é a distância máxima de operação para a qual o sensor é projetado. Metais distintos têm valores diferentes de resistividade, assim o tipo de metal afeta a distância sensora. De acordo com o tipo de material a ser utilizado, é necessário um fator de correção da distância sensora.

31 Indutivos

32 2.2.2 Sensores Magnéticos 32 São mais robustos e duráveis. Consiste de duas lâminas de contato elétrico no interior de uma ampola preenchida com gás inerte. Quando há a aproximação de um ímã externo, as lâminas se unem e fecham contato. Muito utilizados em cilindros pneumáticos.

33 2.2.3 Capacitivos 33 Formados por duas placas paralelas separadas por um material dielétrico, com capacitância dada por: As estruturas para montagem de sensores capacitivos podem utilizar elementos com variação na separação entre as placas (δ [m]), com variação na área comum entre as placas (A [m2]) ou com variação no dielétrico (ε [F/m]).

34 2.2.3 Capacitivos 34 Em geral a área das placas e sua distância são fixas, porém a constante dielétrica ao redor varia de acordo com o material do objeto que se encontra na proximidade do sensor. São similares aos sensores indutivos com a diferença que produzem um campo eletrostático, em lugar do campo eletromagnético.

35 2.2.3 Capacitivos 35 Detectam objetos metálicos e não-metálicos, como papel, vidro, líquidos e tecidos, a distâncias de até alguns centímetros. Pequena distância sensora. Taxa de comutação alta para a resposta rápida em aplicações de contagem de objetos. Detectam alvos líquidos através de barreiras não metálicas (como vidro e plástico), Longa vida operacional, com um número virtualmente ilimitado de ciclos de funcionamento.

36 2.2.3 Capacitivos 36 Constante dielétricas típicas (tabela abaixo):

37 Capacitivos - Aplicações

38 2.2.4 Sensores fotoelétricos 38 Emitem um feixe de luz e detectam as alterações da intensidade de luz recebida em consequência do movimento de objetos opacos. Possuem emissor de impulsos rápidos de luz infravermelha e um receptor. 1 mm a 10 m Sem contato com o objeto Qualquer tipo de material

39 Reflexão difusa 39 Reage ao sinal luminoso refletido pela superfície do objeto a detectar. A distância de detecção depende das qualidades reflexivas da sua superfície. Emissor e Receptor estão numa mesma peça.

40 Ótico retro reflexivo 40 Emissor e Receptor estão são montados juntos. O feixe de luz emitido é refletido de volta ao o receptor, por uma superfície refletora, enquanto não houver nenhum objeto interposto. Detecta proximidade em até 10m. Interrompida a reflexão da luz pelo objeto a detectar, fecha-se ou abre-se um contato elétrico.

41 Barreira 41 Emissor e Receptor estão são montados separadamente. O objeto a ser detectado interrompe o feixe de luz enviado ao receptor. Detecta proximidade em até 10m.

42 Ótico fibra ótica 42 Grande sensibilidade São dispositivos de grande utilidade. A função do cabo de fibra ótica é fazer a transmissão do sinal luminoso do sensor ao local onde se deseja a detecção do objeto. Os cabos de fibra ótica reproduzem os efeitos dos sensores por reflexão difusa, retrorreflexão ou barreira de luz.

43 Ótico fibra ótica

44 Óticos - Aplicações

45 2.2.5 Sensores Ultrassônicos 45 A medida de deslocamentos ou distâncias por meio de ultrassom utiliza um circuito eletrônico que gera um trem de pulsos para excitar um transdutor piezoelétrico*. Este gera um pulso de pressão acústica que se propaga no ar até atingir o alvo. Parte da energia acústica do pulso retorna ao transdutor em forma de eco após um certo intervalo de tempo.

46 2.2.5 Sensores Ultrassônicos 46 Medindo-se este intervalo de tempo e sabendo a velocidade do som no ar pode-se calcular a distância entre o transdutor e o anteparo Vários materiais Não depende da cor ou do material Presença ou nível

47 2.2.5 Sensores Ultrassônicos 47 Existem dois tipos básicos de geradores ultrassônicos: Eletrostáticos: utilizam efeitos capacitivos para a geração do ultrassom. Apresentam fundos de escala maiores, maior banda passante, porém são muito sensíveis a parâmetros ambientais, como umidade. Piezoelétricos: baseiam-se nas tensões mecânicas que cristais e cerâmicas sofrem quando submetidos a campos elétricos. São bastante resistentes e baratos.

48 2.2.5 Encoders 48 São Codificadores Digitais Angulares para medição direta de posição ou de deslocamento angular. Podem ser Incrementais (requerem um sistema de contagem de incrementos gerados por um disco girante) ou Absolutos (fornecem uma saída digital para qq. posição angular do eixo). Os Absolutos podem ser construídos com técnicas de Slip Ring (anel com contatos deslizantes), técnicas magnéticas ou óticas.

49 2.2.5 Encoders 49 O encoder absoluto possui codificação binária no disco com um sistema ótico para extração da informação. Usa uma fonte de luz (LED, emissor UV ou IV) e um sistema de dispositivos fotossensíveis (fotocélulas, fotodiodos, detectores de UV ou IV) com uma fenda ou máscara para definir a região ativa.

50 50 3. Atuadores Atuadores ou Dispositivos de saída são elementos de campo usados para executar as instruções do elemento de comando (Ex.: PLC). São como mãos do CLP que geralmente tem capacidade para ativar uma grande variedade de elementos que atuarão sobre uma planta industrial. Músculos (Atuadores)

51 3.1 Atuador eletromecânico 51 Solenoides Dispositivo composto de uma bobina e um elemento mecânico de acionamento (induzido), que produz um movimento de translação.

52 3.1 Atuadores eletromecânicos 52 Solenoides Movimento contínuo Solenoides proporcionais. O deslocamento é linear ao sinal de tensão (analógico).

53 3.1Atuadores eletromecânicos 53 Solenoides Movimento discreto Possui duas posições preferenciais: aberto e outra fechada (digital).

54 3.2 Relés 54 Dispositivo que, alimentado eletricamente (corrente baixa) resulta o chaveamento de um sinal elétrico (corrente alta). Tipos Eletromecânicos Semicondutores

55 3.2.1 Relés eletromecânicos 55 Uma corrente elétrica passando por uma bobina provoca força mecânica em um núcleo metálico que comuta contatos

56 3.2.2 Relés semicondutores 56 Dispositivos como transistores, FET s, triacs que utilizam uma saída de baixa corrente do CLP para chavear uma carga mais alta

57 3.3 Contatores 57 Capacidade de chavear altas cargas de corrente (>10A) Em alguns casos a bobina é chaveada por um contato a relé (montagem em cascata) Isto quando o I da bobina é maior que I da saída do CLP Motores, aquecedores etc.

58 4. Exercícios A esteira de uma linha de produção transporta canecas nas cores vermelha, branca, azul e preta. As canecas devem ser automaticamente separadas e contadas conforme sua cor. Quantos sensores óticos trabalhando por reflexão seriam necessários para tornar esse projeto tecnicamente viável? 2. O que deve ser considerado na escolha de sensores do tipo capacitivo e do tipo indutivo?

59 4. Exercícios Uma prensa industrial, quando aberta, apresenta um vão de 1m de largura por 1,2m de altura, por onde o operador insere continuamente peças para serem estampadas. Como garantir que a prensa não seja acionada enquanto as mãos do operador estiverem na área de prensagem? Explique as características do equipamento utilizado nesse projeto. 4. No depósito de um supermercado queremos separar automaticamente, na esteira transportadora, papel higiênico de garrafas de água. Que sensor utilizar e por quê?

60 Bibliografia 60 MORAES, Cícero Couto de; CASTRUCCI, Plínio de Lauro. Engenharia de Automação Industrial. 2. Ed. Rio de Janeiro: LTC, SOLOMAN, Sabrie. Sensores e sistemas de controle na indústria. 2.ed. Rio de Janeiro: LTC, CAPELLI, Alexandre. Automação Industrial: Controle do movimento e processos contínuos. 2. ed. São Paulo: Érica, 2008.