Curso. Fundamentos da Automação Industrial

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1 Seja Bem Vindo! Curso Fundamentos da Automação Industrial horária: 45hs 1

2 Conteúdo Programático: O histórico e as principais definições de automação; O que são variáveis de controle; Comandos elétricos; O que são CLPs; Funções gerais e especiais; 2

3 Introdução A palavra automação está diretamente ligada ao controle automático, ou seja ações que não dependem da intervenção humana. Este conceito é discutível pois a mão do homem sempre será necessária, pois sem ela não seria possível a construção e implementação dos processos automáticos. Entretanto não é o objetivo deste trabalho este tipo de abordagem filosófica, ou sociológica. Historicamente, o surgimento da automação está ligado com a mecanização, sendo muito antigo, remontando da época de 3500 e 3200 a.c., com a utilização da roda. O objetivo era sempre o mesmo, o de simplificar o trabalho do homem, de forma a substituir o esforço braçal por outros meios e mecanismos, liberando o tempo disponível para outros afazeres, valorizando o tempo útil para as atividades do intelecto, das artes, lazer ou simplesmente entretenimento (Silveira & Santos, 1998). Enfim, nos tempos modernos, entende-se por automação qualquer sistema apoiado em microprocessadores que substitua o trabalho humano. Atualmente a automação industrial é muito aplicada para melhorar a produtividade e qualidade nos processos considerados repetitivos, estando presente no dia-a-dia das empresas para apoiar conceitos de produção tais como os Sistemas Flexíveis de Manufatura e até mesmo o famoso Sistema Toyota de Produção. Sob o ponto de vista produtivo, a automação industrial pode ser dividida em três classes: a rígida, a flexível e a programável, aplicadas a grandes, médios e pequenos lotes de fabricação, respectivamente (Rosário, 2005). Ainda segundo Rosário (2005), a automação industrial pode ser entendida como uma tecnologia integradora de três áreas: a eletrônica responsável pelo hardware, a mecânica na forma de dispositivos mecânicos (atuadores) e a informática responsável pelo software que irá controlar todo o sistema. Desse modo, para efetivar projetos nesta área exige-se uma grande gama de conhecimentos, impondo uma formação muito ampla e diversificada dos projetistas, ou então um trabalho de equipe muito bem coordenado com perfis interdisciplinares. Os grandes 3

4 projetos neste campo envolvem uma infinidade de profissionais e os custos são suportados geralmente por grandes empresas. Recentemente, para formar profissionais aptos ao trabalho com automação, surgiu a disciplina mecatrônica. Entretanto é uma tarefa muito difícil a absorção de forma completa todos os conhecimentos necessários, e este profissional com certeza se torna um generalista que eventualmente pode precisar da ajuda de especialistas de outras áreas. Este ainda é um desafio didático a ser resolvido, mas ainda existe uma alternativa que é a criação de equipes multidisciplinares. Os sistemas automatizados podem ser aplicados em simples máquina ou em toda indústria, como é o caso das usinas de cana e açúcar. A diferença está no número de elementos monitorados e controlados, denominados de pontos. Estes podem ser simples válvulas ou servomotores, cuja eletrônica de controle é bem complexa. De uma forma geral o processo sob controle tem o diagrama semelhante ao mostrado na figura 1.1, onde os citados pontos correspondem tanto aos atuadores quanto aos sensores. Os sensores são os elementos que fornecem informações sobre o sistema, correspondendo as entradas do controlador. Esses podem indicar variáveis físicas, tais como pressão e temperatura, ou simples estados, tal como um fim-de-curso posicionado em um cilindro pneumático. Os atuadores são os dispositivos responsáveis pela realização de trabalho no processo ao qual está se aplicando a automação. Podem ser magnéticos, hidráulicos, pneumáticos, elétricos, ou de acionamento misto. 4

5 O controlador é o elemento responsável pelo acionamento dos atuadores, levando em conta o estado das entradas (sensores) e as instruções do programa inserido em sua memória. Neste curso esse elemento será denominado de Controlador Lógico Programável (CLP). A completa automatização de um sistema envolve o estudo dos quatro elementos da figura 1.1, seja o sistema de pequeno, médio ou grande porte. Estes últimos podem atingir uma a complexidade e tamanho tais que, para o seu controle, deve-se dividir o problema de controle em camadas, onde a comunicação e hierarquia dos elementos é similar a uma estrutura organizacional do tipo funcional. A figura 1.2 mostra de forma simplificada este tipo de organização. Nota-se que os elementos mostrados na figura 1.1 pertencem a primeira e segunda camadas. Na terceira camada estão os sistemas supervisórios, operados pela mão humana, onde são tomadas decisões importantes no processo, tal como paradas programadas de máquina e alterações no volume de produção. Esses também estão integrados com os sistemas gerenciais, responsáveis pela contabilidade dos produtos e recursos fabris. 5

6 Dentro do contexto apresentado, o objetivo deste curso é o de estudar um sistema automatizado até o nível do elemento controlador. Apresenta-se a sua interface com os sensores e atuadores, bem como uma de suas possíveis linguagens de programação. Para finalizar é importante dizer que além dos conceitos aqui apresentados, de forma resumida, a Automação Industrial compreende um campo de atuação amplo e vasto. Para se ter uma noção, cada elemento sensor ou atuador tem o seu próprio funcionamento, que em algumas aplicações tem de ser bem entendidos. No caso dos sensores todo o comportamento é previsto através de efeitos físicos, existe uma disciplina denominada de Instrumentação cujo objetivo é o de somente estudar estes elementos. Para os atuadores, só para os motores de indução, existe uma grande quantidade de bibliografia disponível, e ainda tem-se os Motores de Passo e os Servomotores. Como foi dito, a cadeia de automação ainda consiste na comunicação de dados entre os elementos, o que leva um estudo a parte das redes industriais. Algum tempo atrás, principalmente nas indústrias químicas, existia o esquema de controle centralizado, possível com a introdução da instrumentação eletrônica. Neste conceito existia uma sala localizada a grandes distâncias do núcleo operacional. Esta destinava-se a centralizar todo o controle efetuado ao longo do parque fabril. Atualmente existem diversas outras salas de controle, distribuídas geograficamente, interligadas entre si e a uma sala central de supervisão. Surgiu então o conceito do controle distribuído. Uma das derivações da estratégia de controle distribuído é a do SDCD Sistema Digital de Controle Distribuído. Este se caracteriza pelos diferentes níveis hierárquicos estabelecidos pela comunicabilidade entre uma máquina de estado (processo propriamente dito) e outras. Enfim, devido a esta grande variedade de conhecimentos, como já dito anteriormente, o foco deste curso será na programação 6

7 dos Controladores Lógico Programáveis (CLPs) que são o cérebro de todo o processo. Os demais elementos serão vistos de forma sucinta em capítulos subsequentes. Histórico e Definições de Automação Etimologia: Da palavra Automation (1960), buscava enfatizar a participação do computador no controle automático industrial. Definição atual: Qualquer sistema, apoiado em computadores, que substitui o trabalho humano, em favor da segurança das pessoas, da qualidade dos produtos, rapidez da produção ou da redução de custos, assim aperfeiçoando os complexos objetivos das indústrias, dos serviços ou bem estar (Moraes e Castrucci, 2007). A automação nas atividades humanas Criada para facilitar a realização das mais diversas atividades humanas, a automação pode ser observada: Nas residências : nas lavadoras de roupas e de louças automáticas; nos microondas; nos controles remotos de portões de garagem, etc. Na rua: nos caixas de bancos automáticos; nos controladores de velocidades de automovóeis; nos trens do metrô; nos cartões de crédito, etc. No trabalho: nos registradores de ponto automático; nos robôs industriais; no recebimento de matéria-prima através de um sistema automático de transporte de carga; na armazenagem do produto final num depósito automatizado; no controle de qualidade através de sistemas de medição e aferição; no controle de temperatura ambiente ou de uma coluna de fracionamento de petróleo; nos sistemas de combate à incêndios, etc. No lazer: em máquinas automáticas de refrigerantes ; em esteiras automáticas de academia; nos aparelhos de reprodução de vídeo ou DVD players; nos videogames, etc. A automação no meio produtivo 7

8 O processo industrial constitui-se na aplicação do trabalho e do capital para transformar a matéria-prima em bens de produção e consumo, por meios e técnicas de controle, obtendo valor agregado ao produto, atingindo o objetivo do negócio. Processo Industrial Contínuo: Quando a maioria das variáveis de controle é manipulada na forma contínua, ou analógica. (Indústria Química, farmacêutica...) Processo Industrial Discreto: Quando a maioria das variáveis de controle é manipulada na forma discreta ou digital. Características e conceitos da automação industrial A Automação é um conceito e um conjunto de técnicas por meio das quais se constroem sistemas ativos capazes de atuar com eficiência ótima pelo uso de informações recebidas do meio sobre o qual atuam. Na Automação Industrial se reúnem três grandes áreas da engenharia: 1. A mecânica, através das máquinas que possibilitam transformar matérias primas em produtos acabados. 2. A engenharia elétrica que disponibiliza os motores, seus acionamentos e a eletrônica indispensável para o controle e automação das malhas de produção; 3. A informática que através das arquiteturas de bancos de dados e redes de comunicação permitem disponibilizar as informações a todos os níveis de uma empresa. Assim, a automação, tão presente nas atividades humanas, está presente também nos processos industriais, com o mesmo objetivo básico, que é facilitar os processos produtivos, permitindo produzir bens com : menor custo; maior quantidade; menor tempo; maior qualidade. Olhando por este aspecto, vemos que a automação está intimamente ligada aos sistemas de qualidade, pois é ela que garante a manutenção de uma produção sempre com as mesmas 8

9 características e com alta produtividade, visando atender o cliente num menor prazo, com preço competitivo e com um produto de qualidade. Pensando no meio ambiente, observa-se também que a automação pode garantir o cumprimento das novas normas ambientais, através de sistemas de controle de efluentes (líquidos que sobram de um processo industrial), emissão de gases, possibilidade de uso de materiais limpos, reciclagem, etc. Portanto, a automação tem papel de muita importância na sobrevivência das indústrias, pois garante a melhoria do processo produtivo e possibilita a competição nesse mercado globalizado, onde o concorrente mais próximo pode estar do outro lado do mundo. Componentes básicos da automação Sistemas automatizados são, algumas vezes, extremamente complexos, porém, ao observar suas partes nota-se que seus subsistemas possuem características comuns e de simples entendimento. Assim, formalmente, um sistema automatizado possui os seguintes componentes básicos: sensoriamento; comparação e controle; atuação. Exemplo 1 - Um aquário e a temperatura de sua água. Num aquário deve-se manter a água em torno da temperatura ambiente (25 C). Não é necessário ser muito rigoroso sendo que a temperatura pode variar de 23 a 28 C. Nota-se que a temperatura da água pode variar e deve ser ajustada de acordo com a necessidade. Considere o esquema a seguir: 9

10 Neste exemplo podem ser identificados os componentes básicos da automação (processo, sensor, atuador, controle e distúrbio): - O processo (aquário), que requer o controle da temperatura. - O sensor de temperatura, constituído pelo termômetro de mercúrio; - O controlador, estabelecido pelo acoplamento de um sistema mecânico de ajuste ao termômetro. Este sistema mecânico movimenta um contato metálico ao longo do corpo do termômetro. Ele permite ao controlador, fazer uma comparação com um valor pré-ajustado (ponto de ajuste) e tomar a decisão de ligar ou desligar o atuador (resistência), mantendo a temperatura dentro de um limite considerado aceitável. - O distúrbio é representado pelas condições externas que podem influenciar na temperatura da água. A temperatura do ambiente externo influencia diretamente no controle, determinando uma condição diferente de atuação no processo. - O atuador formado pelo relé elétrico e a resistência. Quando o deslocamento do mercúrio alcança o ponto de ajuste, um contato elétrico é fechado, sendo ele ligado ao relé que, usando a alimentação da rede, desliga a resistência responsável pelo aquecimento da água. Então, em forma de diagrama, nesse sistema temos: 10

11 Observa-se que existe uma influência da ação de aquecimento da água no valor medido pelo sensor de temperatura. Este ciclo fechado é chamado de malha fechada de controle, ou sistema de realimentação, no qual a saída do sistema influencia diretamente na situação de sua entrada. Em alguns processos, não existe a realimentação, isto é, a ação do atuador comandada pelo controlador não é observada por um sensor que realimenta o sistema. Um exemplo típico é o de uma máquina de lavar roupa, que por não possuir um sensor de roupa limpa, funciona em um ciclo aberto de controle, chamado de malha aberta. O controle apresentado neste exemplo não possui precisão, isto é, nada garante que a temperatura permaneça exatamente no ponto ajustado, ou que fique oscilando em torno do valor ajustado. Este tipo de controle é chamado de Liga/Desliga (ou ON/OFF). O atuador (resistência) permanece em dois estados bem definidos (nenhuma corrente = desligado e máxima corrente = ligado). É considerado então um controle descontínuo. A quantidade de informações e conceitos que podem ser retirados de um sistema tão simples como esse é muito grande, 11

12 sendo que elas resumem os conhecimentos necessários para o entendimento de um sistema automatizado. Exemplo 2 - Um tanque de combustível e seu nível. Neste caso, pode-se abordar duas situações de controle automatizado: Medição descontínua: para garantir segurança evitando o transbordamento ou esvaziamento abaixo de determinada posição mínima. A medição descontínua normalmente é feita por sensores do tipo chave com dois estados, ativo ou não ativo. Considerando um contato elétrico, esse poderá estar aberto (possibilitando passagem de corrente) ou fechado (impedindo a passagem de corrente). Medição contínua: para determinar a quantidade de combustível armazenado. Além do sistema de segurança mostrado anteriormente, tem-se a necessidade de determinar a quantidade armazenada de um certo combustível dentro deste tanque. Nesse caso é necessário empregar um medidor que "observe" continuamente as variações da altura da coluna líquida no interior do tanque. Este medidor deve fornecer um sinal de saída contínuo, proporcional à altura do tanque. Tendo o valor da altura dada pelo medidor e conhecendo a capacidade do tanque dada pelo formato do próprio tanque, é 12

13 possível calcular a quantidade de combustível do tanque para cada condição de nível. Observando os exemplos acima, conclui-se que é possível ter sensores descontínuos (Liga/Desliga) e contínuos (chamados analógicos). A escolha do tipo de medição vai depender do que se pretende na automação. No caso do tanque, os dois controles podem estar presentes, cada um cuidando de sua parte no controle do sistema como um todo. Tipos de sistemas de sistemas de processos industriais Em automação tem se tornado necessário classificar os sistemas em função de suas ocorrências mais comuns e importância. Além dos sistemas dinâmicos acionados pelo tempo, exemplo típico dos fenômenos químicos, físicos, térmicos, regidos por equações diferenciais, também aparecem em grande quantidade os sistemas de chaveamento manual, automático, as manufaturas, as filas de serviços, etc, que são acionados por eventos, e não são regidos por equações diferenciais. Estes últimos são conhecidos como sistemas dinâmicos a eventos discretos (SED s) e são sistemas cuja evolução decorre unicamente de eventos instantâneos, repetitivos ou esporádicos. Tipos de controle na automação 13

14 Pode-se classificar o controle em dois grandes grupos: Controle Dinâmico O controle dinâmico procura estabelecer o comportamento estático e dinâmico dos sistemas físicos, tornando-os mais obedientes aos operadores e mais imunes às perturbações dentro de certos limites. Utiliza medidas das saídas do sistema a fim de melhorar o seu desempenho operacional, através de realimentação. Possui um incalculável poder tecnológico, permitindo o aperfeiçoamento de processos, aumento de velocidade e precisão. É característico da automação industrial de controle de processos (automação contínua), sendo tradicionalmente empregado o controle do tipo P + I + D (proporcional + integral + derivativo), entre outras escolhas. Exemplo de aplicação: controle de temperatura de um aquário. Controle Lógico ou Controle de Eventos O Controle lógico complementa os sistemas lógicos permitindo que eles respondam a eventos externos ou internos de acordo com novas regras que são desejáveis de um ponto de vista utilitário. Utiliza sinais sempre discretos em amplitude, geralmente binários e operações não-lineares e se apresenta na forma de circuitos (elétricos, hidráulicos, pneumáticos, etc) de redes lógicas combinatórias (sem memórias ou temporizações) cujos projetos são construídos com álgebra booleana (descreve, analisa e simplifica as redes com auxílio de Tabelas da Verdade e Diagramas de relés) ou em redes sequenciais (com memória, temporizadores e entrada de sinais em instantes aleatórios) cujo projeto utiliza a teoria dos autômatos finitos, redes de Petri, cadeias de Markov ou em simulações por computador. É característico da automação industrial de manufatura (automação discreta). 14

15 Exemplo de aplicação: botões de segurança de uma prensa de alavanca. Os dois tipos de controle (dinâmico e lógico) são empregados em proporções extremamente variáveis, conforme o processo, e misturam-se nos controladores lógicos programáveis (CLPs) e PCs. No entanto, as teorias do controle dinâmico e do controle lógico desenvolvem-se independentes uma da outra. O controle dinâmico busca evitar a instabilidade do sistema, enquanto o controle lógico procura evitar o conflito ou a parada total da evolução dos sinais. Aspectos gerais da automação A automação resulta de diversas necessidades da indústria: maior nível de qualidade dos produtos, maior flexibilidade de modelos para o mercado, menores custos e perdas de materiais e de energia, mais disponibilidade e qualidade da informação sobre o processo e melhor planejamento e controle da produção. Segundo o grau de complexidade e meios de realização física, a automação industrial pode ser classificada em: 15

16 Automações especializadas (menor complexidade) Grandes sistemas de automação (maior complexidade) Automações Industriais de âmbito local (média complexidade) Automações especializadas (menor complexidade) Emprega microprocessadores com programação normalmente em linguagem de máquina e memórias do tipo ROM. Ex.: automação interna aos aparelhos eletrônicos, telefones, eletrodomésticos, automóveis. Grandes sistemas de automação (maior complexidade) Utiliza programação comercial e científica em software de tempo real. Ex.: Controladores de vôos nos aeroportos, controle metroviário, sistemas militares. Automações Industriais e de serviços de âmbito local (média complexidade) Baseia-se no uso dos CLP s isolados ou em redes. Ex.: Transportadores, processos químicos, térmicos, gerenciadores de energia e de edifícios. Corresponde à grande maioria das aplicações existentes, sendo este o foco do curso. Arquitetura da automação industrial A Figura 1.6 mostra os níveis hierárquicos de um processo de automação industrial, representado pela conhecida Pirâmide de Automação. Para cada nível está associado um formato de comunicação de dados que pode diferir daquele adotado para a comunicação entre níveis. Na base da pirâmide aparece o Controlador Lógico Programável, responsável por acionar as máquinas, motores e outros processos produtivos. No topo da pirâmide, destaca-se a informatização ligada ao setor corporativo da empresa. 16

17 Nível 1: Chão de fábrica (Máquinas, dispositivos e componentes) Na base da pirâmide tem-se o nível responsável pelas ligações físicas da rede ou o nível de E/S. Neste nível encontram-se os sensores discretos, as bombas, as válvulas, os contatores, os CLPs e os blocos de E/S. O principal objetivo é o de transferir dados entre o processo e o sistema de controle. Estes dados podem ser binários ou analógicos e a comunicação pode ser feita horizontalmente (entre os dispositivos de campo) e verticalmente, em direção ao nível superior. É neste nível, comumente referenciado como chão de fábrica, que as redes industriais têm provocado grandes revoluções. Ex.: linha de montagem e máquina de embalagens. 17

18 Nível 2: Supervisão e Controle (IHMs) É o nível dos controladores digitais, dinâmicos e lógicos e de algum tipo de supervisão associada ao processo. Concentra as informações sobre o nível 1. Ex.: Sala de supervisão. Nível 3: Controle do Processo Produtivo Permite o controle da planta, sendo constituído por bancos de dados com informações dos índices de qualidade da produção, 18

19 relatórios e estatísticas de processo, índices de produtividade e etc. Ex.: avaliação e controle da qualidade em processo alimentício e supervisão de laminadores. Nível 4: Controle e Logística dos Suprimentos É o nível responsável pela programação e pelo planejamento da produção. Ex.: controle de suprimentos e estoques em função da sazonalidade. Nível 5: Gerenciamento Corporativo É o nível responsável pela administração dos recursos da empresa. Do ponto de vista da comunicação das informações, no topo da pirâmide encontrase o nível de informação da rede (gerenciamento). Este nível é gerenciado por um computador central que processa o escalonamento da produção da planta e permite operações de monitoramento estatístico da planta sendo implementado, na sua maioria, por softwares gerenciais/corporativos. No nível imediatamente abaixo, localiza-se a rede central, a qual incorpora os DCSs (Sistemas de Controle Discreto) e PCs. A informação trafega em tempo real para garantir a atualização dos dados nos softwares que realizam a supervisão da aplicação. Uma das dificuldades dos primeiros processos de automação industrial baseava-se no ilhamento das informações dentro do seu respectivo nível da pirâmide. Poucas informações fluíam do nível de supervisão e controle para o nível de controle discreto e praticamente nenhuma informação fluía para o topo da pirâmide, onde se encontram os softwares de gerenciamento da empresa. Nos projetos de automação modernos as informações fluem entre todas as camadas. Esta característica é tão importante para as indústrias, hoje em dia, que muitas delas estão atualizando suas plantas industriais, ou incorporando novas tecnologias em sistemas antigos (conhecido por RETROFIT). 19

20 A visão crítica ao automatizar processos As principais motivações para a automação de um processo industrial são a redução do custo, a melhoria da qualidade do produto e a realização de tarefas que são danosas ao ser humano (tarefas repetitivas ou que exigem grande esforço físico, ambientes perigosos ou insalubres). Quase sempre os dois primeiros motivos são os que movem os processos de automação. A automação é capaz de manter o homem no domínio da situação no que se refere à produção industrial, porém numa posição mais confortável. O homem, nessa situação, necessita cada vez mais usar o seu cérebro e cada vez menos seus músculos. Porém essa mudança faz com que os profissionais necessitem cada vez mais se especializar, buscando competências para o desenvolvimento de suas atividades. A reconversão, isto é, a adaptação a novos postos de trabalho e a qualificação profissional são condições primordiais. Embora a automação seja um processo irreversível na sociedade e o fator custo X benefício, calcado no aumento do lucro das empresas, o grande definidor do emprego da tecnologia, é fundamental que empresários e engenheiros tenham uma visão das consequências sociais que um processo de automação pode trazer: A automação quase sempre gera desemprego; A automação requer um profissional cada vez mais qualificado; Em países em desenvolvimento o governo não possui uma infraestrutura para atender a população desfavorecida. O sonho propalado da automação era que ela traria melhor qualidade de vida para toda a sociedade, reduzindo a carga horária de trabalho para possibilitar ao ser humano um convívio mais harmonioso entre si e a natureza. Este sonho tem se esbarrado na boca voraz do capitalismo selvagem que infelizmente, sem a força de um governo forte, é incapaz de dividir as riquezas acumuladas para o bem de toda a sociedade. O papel de preparar esse novo profissional é das escolas que deve contar com o apoio das indústrias, porém com a velocidade 20

21 que ocorrem as mudanças tecnológicas, não é permitido ao profissional estar sempre num ambiente escolar para sua preparação. Então, o que fazer? A conclusão que se chega é que o profissional cada vez mais terá que se autodesenvolver, provendo o seu próprio conhecimento, não só na área tecnológica, mas também em outras áreas, de modo mais amplo, como: economia, sociologia, comércio exterior, qualidade, relações humanas, meio ambiente, etc. Cabe ao engenheiro e aos empresários a visão crítica diante dos processos de automação. Mais importante do que retardar um processo inevitável talvez seja criar condições para que o bem final possa ser melhor repartido entre todos. Tendências da automação Tecnologia Wireless: de lenta, cara e insegura tornou-se mais rápida e econômica. Chips de menor capacidade residirão inteligência diretamente em sensores e atuadores softwares serão parte do produto. Controles baseados em PLC ou PC serão obsoletos e caros. A propriedade da solução tecnológica será medida em meses em vez de anos Sistemas microeletromecânicos serão usados para miniaturizar sensores, atuadores, motores, engrenagens displays para equipamentos digitais. O mercado atual da automação no Brasil Conforme dados da ABINEE, vistos nas tabelas abaixo, o faturamento da área da automação industrial cresceu cerca de 25% no período entre o primeiro semestre de 2006 e o de As exportações neste período chegaram a US$ 132 milhões e é um mercado em expansão, ao contrário de outros, como é o caso das telecomunicações que retrai cerca de 21% no período pesquisado. 21

22 Variáveis de Controle Como foi dito no capítulo Introdução, para controlar um processo o CLP usa de informações vindas de sensores. Através das instruções gravadas em sua memória interna ela comanda os atuadores, que exercem o trabalho sobre o sistema. Conceitualmente designa-se os sensores de entradas e os atuadores de saídas, sendo que ambas podem ser representadas matematicamente por variáveis. Em automação, estas podem ser divididas em analógicas e digitais. 22

23 As variáveis analógicas são aquelas que variam continuamente com o tempo, conforme mostra a figura 2.1(a). Elas são comumente encontradas em processos químicos advindas de sensores de pressão, temperatura e outras variáveis físicas. As variáveis discretas, ou digitais, são aquelas que variam discretamente com o tempo, como pode ser visto na figura 2.1(b). Dessa forma podemos definir o Controle Analógico como aquele que se destina ao monitoramento das variáveis analógicas e ao controle discreto como sendo o monitoramento das variáveis discretas. O primeiro tipo englobar variáveis discretas, consistindo assim em um conceito mais amplo. Ainda no controle analógico podemos separar entradas convencionais, tais como comandos do operador, ou variáveis discretas gerais, das entradas analógicas advindas de sensores ligados diretamente as saídas do processo. Estas últimas serão comparadas a uma referência que consiste no valor estável desejado para o controle (ver figura 2.2). Essa referência também é conhecida como set-point. Neste tipo de controle, onde as saídas são medidas para cálculo da estratégia de controle dizemos que há uma realimentação. Esse sistema é conhecido como sistema em malha fechada. Se não há a medição das saídas dizemos que o sistema tem malha aberta. 23

24 A automação, como a imaginamos, tem a ver mais com o comando sequencial de ações que visam a fabricação, transporte ou inspeção de produtos. Desse modo, trabalha-se muito mais com variáveis digitais, e por isso as mesmas serão focalizadas no curso. Diferentes tipos de entradas e saídas Como já dito antes, estaremos estudando o comportamento do controlador em um ambiente automatizado. Mas está bem claro que este comportamento é definido através de um programa do usuário e do comportamento das entradas e em alguns casos também das saídas. Assim neste tópico cita-se o exemplo de algumas entradas e saídas, que podem influenciar no comportamento do controlador. Lembrando que algumas destas entradas serão vistas em maiores detalhes posteriormente. A) Entradas discretas: são aquelas que fornecem apenas um pulso ao controlador, ou seja, elas têm apenas um estado ligado ou desligado, nível alto ou nível baixo, remontando a álgebra boolena que trabalha com uns e zeros. Alguns exemplos são mostrados na figura 2.3, dentre elas: as botoeiras (2.3a), válvulas eletro-pneumáticas (2.3b), os pressostatos (2.3c) e os termostatos (2.3d). 24

25 B) Entradas multi-bits: são intermediárias as entradas discretas e as analógicas. Estas destinam-se a controles mais precisos como no caso do motor de passo ou servomotores. A diferença para as entradas analógicas é que estas não exigem um conversor analógico digital na entrada do controlador. Um exemplo clássico é o dos Encoders, utilizados para medição de velocidade e posicionamento (figura 2.4). C) Entradas analógicas: como o próprio nome já diz elas medem as grandezas de forma analógica. Para trabalhar com este tipo de entrada os controladores tem conversores analógico-digitais (A/D). Atualmente no mercado os conversores de 10 bits são os mais populares. As principais medidas feitas de forma analógica são a temperatura e pressão. Na figura 2.5 tem-se mostra-se o exemplo de sensores de pressão ou termopares. 25

26 D) Saídas discretas: são aquelas que exigem do controlador apenas um pulso que determinará o seu acionamento ou desacionamento. Como exemplo têm-se elementos mostrados na figura 2.6: Contatores (2.6a) que acionam os Motores de Indução (2.6b) e as Válvulas Eletro-pneumáticas (2.6c). E) Saídas multi-bits: têm o conceito de operação semelhante as entradas da mesma categoria. Como principais exemplos têm-se os drivers dos Motores de Passo (figura 2.7a) e os servomotores (figura 2.7b). 26

27 F) Saídas analógicas: como dito anteriormente, de forma similar o controlador necessita de um conversor digital para analógico (D/A), para trabalhar com este tipo de saída. Os exemplos mais comuns são: válvula proporcional, acionamento de motores DC, displays gráficos, entre outros. Revisão de Comandos Elétricos Conceitualmente o estudo da eletricidade é divido em três grandes áreas: a geração, a distribuição e o uso. Dentre elas a disciplina de comandos elétricos está direcionada ao uso desta energia, assim pressupõe-se neste texto que a energia já foi gerada, transportada a altas tensões e posteriormente reduzida aos valores de consumo, com o uso de transformadores apropriados. Por definição os comandos elétricos tem por finalidade a manobra de motores elétricos que são os elementos finais de potência em um circuito automatizado. Entende-se por manobra o estabelecimento e condução, ou a interrupção de corrente elétrica em condições normais e de sobre-carga. Os principais tipos de motores são: Motor de Indução Motor de corrente contínua Motores síncronos Servomotores Motores de Passo 27

28 Estima-se que 40% do consumo de energia no país é destinada ao acionamento dos motores elétricos (Filippo Filho, 2000). No setor industrial, mais da metade da energia é consumida por motores. Os Servomotores e Motores de Passo necessitam de um driver próprio para o seu acionamento, tais conceitos fogem do escopo deste curso. Dentre os motores restantes, os que ainda têm a maior aplicação no âmbito industrial são os motores de indução trifásicos, pois em comparação com os motores de corrente contínua, de mesma potência, eles tem menor tamanho, menor peso e exigem menos manutenção. A figura 3.1 mostra um motor de indução trifásico típico. Existem diversas aplicações para os motores de indução, dentre elas pode-se citar: O transporte de fluídos incompressíveis, onde se encontram as bombas de água e óleo; O processamento de materiais metálicos, representado pelas furadeiras, prensas, tornos; A manipulação de cargas feita pelos elevadores, pontes rolantes, talhas, guindastes, correias transportadoras, entre outros. Havendo ressaltada a importância dos motores em sistemas automatizados, descreve-se nos próximos parágrafos, os conceitos de comandos, necessários a manobra dos mesmos. 28

29 Um dos pontos fundamentais para o entendimento dos comandos elétricos é a noção de que os objetivos principais dos elementos em um painel elétrico são: a) proteger o operador e b) propiciar uma lógica de comando. Partindo do princípio da proteção do operador, mostra-se na figura 3.2, uma sequência genérica dos elementos necessários a partida e manobra de motores, onde são encontrados os seguintes elementos: Seccionamento: só pode ser operado sem carga. Usado durante a manutenção e verificação do circuito. Proteção contra correntes de curto-circuito: destina-se a proteção dos condutores do circuito terminal. Proteção contra correntes de sobrecarga: para proteger as bobinas do enrolamento do motor. Dispositivos de manobra: destinam-se a ligar e desligar o motor de forma segura, ou seja, sem que haja o contato do operador no circuito de potência, onde circula a maior corrente. 29

30 É importante repetir que no estudo de comandos elétricos devese ter a sequência mostrada na figura 3.2 em mente, pois ela consiste na orientação básica para o projeto de qualquer circuito. Ainda falando em proteção, as manobras (ou partidas de motores) convencionais, são divididas em dois tipos, segundo a norma IEC 60947: I. Coordenação do tipo 1: Sem risco para as pessoas e instalações, ou seja, desligamento seguro da corrente de curto-circuito. Porém podem haver danos ao contator e ao relé de sobrecarga. II. Coordenação do tipo 2: Sem risco para as pessoas e instalações. Não pode haver danos ao relé de sobrecarga ou em outras partes, com exceção de leve fusão dos contatos do contator e estes permitam uma fácil separação sem deformações significativas. O relé de sobrecarga, os contatores e outros elementos em maiores detalhes nos capítulos posteriores, bem como a sua aplicação prática em circuitos reais. Em comandos elétricos trabalhar-se-á bastante com um elemento simples que é o contato. A partir do mesmo é que se forma toda lógica de um circuito e também é ele quem dá ou não a condução de corrente. Basicamente existem dois tipos de contatos, listados a seguir: i. Contato Normalmente Aberto (NA): não há passagem de corrente elétrica na posição de repouso, como pode ser observado na figura 3.3(a). Desta forma a carga não estará acionada. ii. Contato Normalmente Fechado (NF): há passagem de corrente elétrica na posição de repouso, como pode ser observado na figura 3.3(b). Desta forma a carga estará acionada. 30

31 Os citados contatos podem ser associados para atingir uma determinada finalidade, como por exemplo, fazer com que uma carga seja acionada somente quando dois deles estiverem ligados. As principais associações entre contatos são descritas a seguir. Associação de contatos normalmente abertos Basicamente existem dois tipos, a associação em série (figura 3.4a) e a associação em paralelo (3.4b). Quando se fala em associação de contatos é comum montar uma tabela contendo todas as combinações possíveis entre os contatos, esta é denominada de Tabela Verdade. As tabelas 3.1 e 3.2 referem-se as associações em série e paralelo. Nota-se que na combinação em série a carga estará acionada somente quando os dois contatos estiverem acionados e por isso é denominada de função E. Já na combinação em paralelo qualquer um dos contatos ligados aciona a carga e por isso é denominada de função OU. 31

32 Associação de contatos normalmente fechados Os contatos NF da mesma forma podem ser associados em série (figura 3.5a) e paralelo (figura 3.5b), as respectivas tabelas verdade são 3.3 e 3.4. Nota-se que a tabela 3.3 é exatamente inversa a tabela 3.2 e portanto a associação em série de contatos NF é denominada função não OU. Da mesma forma a associação em paralelo é chamada de função não E. 32

33 Principais elementos em comandos elétricos Havendo estudado os principais tipos de contato, o próximo passo é conhecer os componentes de um painel elétrico. 33

34 Botoeira ou Botão de comando Quando se fala em ligar um motor, o primeiro elemento que vem a mente é o de uma chave. Entretanto, no caso de comandos elétricos a chave que liga os motores é diferente de uma chave usual, destas encontradas em residências, utilizadas para ligar a luz, por exemplo. A diferença principal está no fato de que ao movimentar a chave residencial ela vai para uma posição e permanece nela, mesmo quando se retira a pressão do dedo. Na chave industrial ou botoeira há o retorno para a posição de repouso através de uma mola, como pode ser observado na figura 3.6a. O entendimento deste conceito é fundamental para compreender o porque da existência de um selo no circuito de comando. A botoeira faz parte da classe de componentes denominada elementos de sinais. Estes são dispositivos pilotos e nunca são aplicados no acionamento direto de motores. A figura 3.6a mostra o caso de uma botoeira para comutação de 4 pólos. O contato NA (Normalmente Aberto) pode ser utilizado como botão LIGA e o NF (Normalmente Fechado) como botão DESLIGA. Esta é uma forma elementar de intertravamento. Note que o retorno é feito de forma automática através de mola. 34

35 Existem botoeiras com apenas um contato. Estas últimas podem ser do tipo NA ou NF. Ao substituir o botão manual por um rolete, tem-se a chave fim de curso, muito utilizada em circuitos pneumáticos e hidráulicos. Este é muito utilizado na movimentação de cargas, acionado no esbarro de um caixote, engradado, ou qualquer outra carga. Outros tipos de elementos de sinais são os Termostatos, Pressostatos, as Chaves de Nível e as chaves de fim de curso (que podem ser roletes). Todos estes elementos exercem uma ação de controle discreta, ou seja, liga / desliga. Como por exemplo, se a pressão de um sistema atingir um valor máximo, a ação do Pressostato será o de mover os contatos desligando o sistema. Caso a pressão atinja novamente um valor mínimo atua-se re-ligando o mesmo. Relés Os relés são os elementos fundamentais de manobra de cargas elétricas, pois permitem a combinação de lógicas no comando, bem como a separação dos circuitos de potência e comando. Os mais simples constituem-se de uma carcaça com cinco terminais. Os terminais (1) e (2) correspondem a bobina de excitação. O terminal (3) é o de entrada, e os terminais (4) e (5) correspondem aos contatos normalmente fechado (NF) e normalmente aberto (NA), respectivamente. Uma característica importante dos relés, como pode ser observado na figura 3.7 é que a tensão nos terminais (1) e (2) pode ser 5 Vcc, 12 Vcc ou 24 Vcc, enquanto simultâneamente os terminais (3), (4) e (5) podem trabalhar com 110 Vca ou 220 Vca. Ou seja não há contato físico entre os terminais de acionamento e os de trabalho. Este conceito permitiu o surgimento de dois circuitos em um painel elétrico: i. Circuito de comando: neste encontra-se a interface com o operador da máquina ou dispositvo e portanto trabalha com baixas correntes (até 10 A) e/ou baixas tensões. ii. Circuito de Potência: é o circuito onde se encontram as cargas a serem acionadas, tais como motores, resistências de 35

36 aquecimento, entre outras. Neste podem circular correntes elétricas da ordem de 10 A ou mais, e atingir tensões de até 760 V. Em um painel de comando, as botoeiras, sinaleiras e controladores diversos ficam no circuito de comando. Do conceito de relés pode-se derivar o conceito de contatores, visto no próximo item. Contatores Para fins didáticos pode-se considerar os contatores como relés expandidos pois o princípio de funcionamento é similar. Conceituando de forma mais técnica, o contator é um elemento eletro-mecânico de comando a distância, com uma única posição de repouso e sem travamento. Como pode ser observado na figura 3.8, o contator consiste basicamente de um núcleo magnético excitado por uma bobina. Uma parte do núcleo magnético é móvel, e é atraído por forças de ação magnética quando a bobina é percorrida por corrente e cria um fluxo magnético. Quando não circula corrente pela bobina de excitação essa parte do núcleo é repelida por ação de molas. Contatos elétricos são distribuídos solidariamente a esta parte móvel do núcleo, constituindo um conjunto de contatos móveis. Solidário a carcaça do contator existe um conjunto de contatos fixos. Cada jogo de contatos fixos e móveis podem ser do tipo Normalmente aberto (NA), ou normalmente fechados (NF). 36

37 Os contatores podem ser classificados como principais (CW, CWM) ou auxiliares (CAW). De forma simples pode-se afirmar que os contatores auxiliares tem corrente máxima de 10A e possuem de 4a 8 contatos, podendo chegar a 12 contatos. Os contatores principais tem corrente máxima de até 600A. De uma maneira geral possuem 3 contatos principais do tipo NA, para manobra de cargas trifásicas a 3 fios. Um fator importante a ser observando no uso dos contatores são as faíscas produzidas pelo impacto, durante a comutação dos contatos. Isso promove o desgaste natural dos mesmos, além de consistir em riscos a saúde humana. A intensidade das faíscas pode se agravar em ambientes úmidos e também com a quantidade de corrente circulando no painel. Dessa forma foram aplicadas diferentes formas de proteção, resultando em uma classificação destes elementos. Basicamente existem 4 categorias de emprego de contatores principais: a. AC1: é aplicada em cargas ôhmicas ou pouco indutivas, como aquecedores e fornos a resistência. b. AC2: é para acionamento de motores de indução com rotor bobinado. 37

38 c. AC3: é aplicação de motores com rotor de gaiola em cargas normais como bombas, ventiladores e compressores. d. AC4: é para manobras pesadas, como acionar o motor de indução em plena carga, reversão em plena marcha e operação intermitente. A figura 3.9 mostra o aspecto de um contator comum. Este elemento será mais detalhado em lições posteriores. Fusíveis Os fusíveis são elementos bem conhecidos pois se encontram em instalações residenciais, nos carros, em equipamentos eletrônicos, máquinas, entre outros. Tecnicamente falando estes são elementos que destinam-se a proteção contra correntes de curto-circuito. Entende-se por esta última aquela provocada pela falha de montagem do sistema, o que leva a impedância em determinado ponto a um valor quase nulo, causando assim um acréscimo significativo no valor da corrente. Sua atuação deve-se a a fusão de um elemento pelo efeito Joule, provocado pela súbita elevação de corrente em determinado circuito. O elemento fusível tem propriedades físicas tais que o seu ponto de fusão é inferior ao ponto de fusão do cobre. Este último é o material mais utilizado em condutores de aplicação geral. 38

39 Disjuntores Os disjuntores também estão presentes em algumas instalações residenciais, embora sejam menos comuns do que os fusíveis. Sua aplicação determinadas vezes interfere com a aplicação dos fusíveis, pois são elementos que também destinam-se a proteção do circuito contra correntes de curto-circuito. Em alguns casos, quando há o elemento térmico os disjuntores também podem se destinar a proteção contra correntes de sobrecarga. A corrente de sobrecarga pode ser causada por uma súbita elevação na carga mecânica, ou mesmo pela operação do motor em determinados ambientes fabris, onde a temperatura é elevada. A vantagem dos disjuntores é que permitem a re-ligação do sistema após a ocorrência da elevação da corrente, enquanto os fusíveis devem ser substituídos antes de uma nova operação. Para a proteção contra a sobrecarga existe um elemento térmico (bi-metálico). Para a proteção contra curto-circuito existe um elemento magnético. O disjuntor precisa ser caracterizado, além dos valores nominais de tensão, corrente e frequência, ainda pela sua capacidade de interrupção, e pelas demais indicações de temperatura e altitude segundo a respectiva norma, e agrupamento de disjuntores, segundo informações do fabricante, e outros, que podem influir no seu dimensionamento. A figura 3.10 mostra o aspecto físico dos disjuntores comerciais. 39

40 Relé térmico ou de sobrecarga Antigamente a proteção contra corrente de sobrecarga era feita por um elemento separado denominado de relé térmico. Este elemento é composto por uma junta bimetálica que se dilatava na presença de uma corrente acima da nominal por um período de tempo longo. Atualmente os disjuntores englobam esta função e sendo assim os relés de sobrecarga caíram em desuso. Simbologia gráfica Até o presente momento mostrou-se a presença de diversos elementos constituintes de um painel elétrico. Em um comando, para saber como estes elementos são ligados entre si é necessário consultar um desenho chamado de esquema elétrico. No desenho elétrico cada um dos elementos é representado através de um símbolo. A simbologia é padronizada através das normas NBR, DIN e IEC. Na tabela 2.5 apresenta-se alguns símbolos referentes aos elementos estudados nos parágrafos anteriores. 40

41 Manobras convencionais em motores elétricos: Partida Direta Os componentes e contatos, estudados no capítulo anterior, destinam-se ao acionamento seguro de cargas ou atuadores elétricos, ou seja, a manobra dos mesmos. Dentre estes destacou-se os motores de indução por sua grande utilização no ambiente industrial. Esses, por sua vez, apresentam particularidades no seu acionamento e estas devem ser consideradas nos circuitos automáticos. A primeira particularidade em manobra de motores, como foi dito, é a divisão do circuito em comando e potência para proteção dos operadores. No comando geralmente se encontra a bobina do 41

42 contator principal de manobra do motor. Deve-se lembrar que os circuitos eletro-pneumáticos eletro-hidráulicos também apresentam a mesma divisão. O circuito de comando também tem as funções de selo, intertravamento, sinalização, lógica e medição. A tensão de comando pode ser contínua ou alternada. Determinada a tensão de comando, todos os elementos de acionamento devem ser comprados para esta tensão. São elementos de acionamento: bobinas dos contatores principais e auxiliares, todos os relés, as lâmpadas de sinalização, sirenes, buzinas, temporizadores, entre outros. A primeira e mais básica manobra apresentada é a partida direta. Esta destina-se simplesmente ao acionamento e interrupção do funcionamento de um motor de indução trifásico, em um determinado sentido de rotação. A sequência de ligação dos elementos é mostrada na figura 4.1, onde pode-se notar a presença dos circuitos de potência e comando. A partida direta funciona da seguinte forma: ao pressionar a botoeira S1 permite-se a passagem de corrente pela bobina do contator K1, ligando o motor. Para que o mesmo não desligue, acrescentou-se um contato NA de K1 em paralelo com S1. Este contato é denominado de selo, sendo muito utilizado em manobras e portanto é de fundamental importância. A botoeira S0 serve para o desligamento do motor. A lâmpada H1 corresponde a cor verde e portanto deve ser ligada somente quando o motor estiver funcionando, por isso para seu acionamento utiliza-se um contato NA do contator K1. A lâmpada H2 tem cor amarela, indicando espera, ou seja, a alimentação de energia está habilitada e o motor está pronto para ser ligado. Utiliza-se um contato NF de K1 antes da mesma pois, ao acionar o motor, esta lâmpada deve desligar. Finalmente, liga-se a lâmpada vermelha H3 no contato NA do relé térmico F1, para indicar a atuação do mesmo. É imporante notar que as sinaleiras H1 e H2 foram ligadas após o contato NF (96) do relé F1, isso porque ao atuar a sobrecarga, ambas sinaleiras devem desligar. 42

43 Legenda: Manobra de motores com reversão do sentido de giro Esta manobra destina-se ao acionamento do motor com possibilidade de reversão do sentido de giro de seu eixo. Para 43

44 fazer isso deve-se trocar duas fases, de forma automática. Portanto utiliza-se dois contatores, um para o sentido horário e outro para o sentido antihorário (K1 e K2). A figura 5.1 mostra os circuitos de comando e potência para este tipo de partida. Pode-se observar que no contator K1 as fases R, S e T entram nos terminais 3, 2 e 1 do motor, repectivamente. Já em K2 as fases R, S e T entram nos terminais 1, 2 e 3, ou seja houve a inversão das fases R e T, provocando a mudança no sentido de rotação. É importante observar que os fios passando pelos contatores K1 e K2 ligam as fases S e T diretamente sem haver passagem por uma carga. Desse modo estes contatores não podem ser ligados simultaneamente, pois isso causaria um curto-circuito no sistema. Para evitar isso introduz-se no comando dois contatos NF, um de K1 antes da bobina de K2 e outro de K2 antes da bobina de K1. Esse procedimento é denominado de intertravamento sendo muito comum nos comandos elétricos. Ao pressionar o botão S1 permite-se a passagem de corrente pela bobina de K1. Automaticamente os contatos 1-2, 3-4 e 5-6 se fecham ligando o motor. O contato de K1 também se fecha selando a passagem de corrente. O contato de K1 se abre, impedindo a passagem de corrente pela bobina de K2, mesmo que o operador pressione a botoeira S2 tentando reverter a velocidade de rotação. Desse modo é necessária a parada do motor para inverter o sentido de giro, por isso o circuito é denominado de partida com reversão de parada obrigatória. O funcionamento do circuito quando se liga o motor no outro sentido de rotação através da botoeira S2 é similar e por isso não será descrito. Em alguns casos, dependendo da carga manobrada, adiciona-se ainda temporizadores de modo a contar um tempo antes que a velocidade possa ser invertida. Evita-se assim os famosos trancos extremamente prejudiciais ao sistema mecânico e elétrico. 44