Transmissores e Atuadores ou Elemento Final de Controle. Prof. Jomar T. Gontijo

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1 Transmissores e Atuadores ou Elemento Final de Controle Prof. Jomar T. Gontijo

2 Classificação por Função Os instrumentos podem estar interligados entre si para realizar uma determinada tarefa nos processos industriais. A associação desses instrumentos chama-se malha e em uma malha cada instrumento executa uma função. Os instrumentos que podem compor uma malha são então classificados por função.

3 MALHA DE CONTROLE Representação prática da estratégia de controle. Composta por: 1)Processo 2)Instrumentos de Medição: Informam de modo contínuo os valores das variáveis de processo. 3)Instrumentos de Controle Fazem a tomada de decisão e ação de atuação sobre o processo. 4)Instrumentos de Atuação Permitem implementar a ação de correção.

4 Malha de Controle

5 Representações

6 Instrumentos de Medição e Transmissão

7 Classificação por Função

8 Classificação de Instrumento por Sinal de Transmissão ou Suprimento Tipo Pneumático Tipo Hidráulico Tipo Elétrico Tipo Digital Via Rádio

9 Sinal Tipo Pneumático Nesse tipo de instrumento é utilizado um gás comprimido, cuja pressão é alterada conforme o valor que se deseja representar. Nesse caso a variação da pressão do gás é linearmente manipulada numa faixa específica, padronizada internacionalmente, para representar a variação de uma grandeza desde seu limite inferior até seu limite superior. O padrão de transmissão ou recepção de instrumentos pneumáticos mais utilizado é de 0,2 a 1,0 kgf/cm 2 (aproximadamente 3 a 15psi no Sistema Inglês).

10 Sinal Tipo Pneumático Os transmissores pneumáticos são fabricados a partir de dois métodos de conversão de sinal. São eles: a) Método de equilíbrio de força b) Método de equilíbrio de movimento

11 Sinal Tipo Pneumático Vantagem A grande e única vantagem em se utilizar os instrumentos pneumáticos está no fato de se poder operá-los com segurança em áreas onde existe risco de explosão (centrais de gás, por exemplo).

12 Sinal Tipo Pneumático Desvantagens a) Necessita de tubulação de ar comprimido (ou outro gás) para seu suprimento e funcionamento. b) Necessita de equipamentos auxiliares tais como compressor, filtro, desumidificador, etc..., para fornecer aos instrumentos ar seco, e sem partículas sólidas. c) Devido ao atraso que ocorre na transmissão do sinal, este não pode ser enviado à longa distância, sem uso de reforçadores. Normalmente a transmissão é limitada a aproximadamente 100 m. d) Vazamentos ao longo da linha de transmissão ou mesmo nos instrumentos são difíceis de serem detectados. e) Não permite conexão direta aos computadores.

13 Sinal Tipo Hidráulico Similar ao tipo pneumático e com desvantagens equivalentes, o tipo hidráulico utiliza-se da variação de pressão exercida em óleos hidráulicos para transmissão de sinal. É especialmente utilizado em aplicações onde torque elevado é necessário ou quando o processo envolve pressões elevadas.

14 Sinal Tipo Hidráulico Vantagens a) Podem gerar grandes forças e assim acionar equipamentos de grande peso e dimensão. b) Resposta mais rápida que a pneumática.

15 Sinal Tipo Hidráulico Desvantagens a) Necessita de tubulações de óleo para transmissão e suprimento. b) Necessita de inspeção periódica do nível de óleo bem como sua troca. c) Necessita de equipamentos auxiliares, tais como reservatório, filtros, bombas, etc...

16 Sinal Tipo Elétrico Face a tecnologia disponível no mercado em relação a fabricação de instrumentos eletrônicos microprocessados, hoje, é esse tipo de transmissão amplamente usado em todas as indústrias, onde não ocorre risco de explosão. Assim como na transmissão pneumática, o sinal é linearmente modulado em uma faixa padronizada representando o conjunto de valores entre o limite mínimo e máximo de uma variável de um processo qualquer.

17 Sinal Tipo Elétrico Vantagens a)permite transmissão para longas distâncias sem perdas. b)a alimentação pode ser feita pelos próprios fios que conduzem o sinal de transmissão. c)não necessita de poucos equipamentos auxiliares. d)permite fácil conexão aos computadores.

18 Sinal Tipo Elétrico Vantagens e) Fácil instalação. f) Permite de forma mais fácil realização de operações matemáticas. g) Permite que o mesmo sinal (4~20mA) seja lido por mais de um instrumento, ligando em série os instrumentos. Porém, existe um limite quanto à soma das resistências internas deste instrumentos, que não deve ultrapassar o valor estipulado pelo fabricante do transmissor.

19 Sinal Tipo Elétrico a) Necessita de técnico especializado para sua instalação e manutenção. b) Exige utilização de instrumentos e cuidados especiais em instalações localizadas em áreas de riscos c) Os cabos de sinal devem ser protegidos contra ruídos elétricos. d) Exige cuidados especiais na escolha do encaminhamento de cabos ou fios de sinais. Desvantagens

20 Transmissores Eletrônicos Analógicos Apresentam princípio de funcionamento baseado na conversão do sinal de pressão detectado em sinal elétrico padronizado de 4 a 20 ma dc. Existem vários princípios físicos relacionados com a variações de pressão que podem ser utilizados como elemento de transferência.

21 Sinal Tipo Digital Nesse tipo de sinal, pacotes de informações sobre a variável medida são enviados para uma estação receptora, através de sinais digitais modulados e padronizados. Para que a comunicação entre o elemento transmissor receptor seja realizada com êxito é utilizada uma linguagem padrão chamado protocolo de comunicação.

22 Sinal Tipo Digital Vantagens a) Não necessita ligação ponto a ponto por instrumento. b) Pode utilizar um par trançado ou fibra óptica para transmissão dos dados. c) É imune a ruídos externos. d) Permite configuração, diagnósticos de falha e ajuste em qualquer ponto da malha. e) Menor custo final.

23 Sinal Tipo Digital Desvantagens a) Existência de vários protocolos no mercado, o que dificulta a comunicação entre equipamentos de marcas diferentes. b) Caso ocorra rompimento no cabo de comunicação pode-se perder a informação e/ou controle de várias malha.

24 Sinal Tipo Rádio Neste tipo de sinal, o sinal ou um pacote de sinais medidos são enviados à sua estação receptora via ondas de rádio em uma faixa de freqüência específica.

25 Sinal Tipo Rádio Vantagens a)não necessita de cabos de sinal. b) Pode-se enviar sinais de medição e controle de máquinas em movimento.

26 Sinal Tipo Rádio Desvantagens a)alto custo inicial. b)necessidade de técnicos altamente especializados.

27 Sinal Tipo Modem A transmissão dos sinais é feita através de utilização de linhas telefônicas pela modulação do sinal em freqüência, fase ou amplitude.

28 Sinal Tipo Modem Vantagens a) Baixo custo de instalação. b) Pode-se transmitir dados a longas distâncias.

29 Sinal Tipo Modem Desvantagens a) Necessita de profissionais especializados. b) Baixa velocidade na transmissão de dados. c) Sujeito a interferências externas, inclusive violação de informações.

30 INSTRUMENTOS CONVERSORES DE SINAIS Os conversores tem como função básica modificar a natureza ou amplitude de um sinal para permitir a interligação de instrumento que trabalham com sinais diferentes. Existem diversas situações para justificar sua aplicação, dentre elas as conversões de sinais de termopares para corrente ou tensão padrão de transmissão ( 4 a 20 ma e 1 a 5 VDC respectivamente), as conversões eletropneumáticas, e etc...

31 CONVERSORES ELETRO-PNEUMÁTICOS E PNEUMÁTICOS-ELÉTRICOS Esses conversores, também conhecidos como I/P e P/I, tem como função interfacear a instrumentação pneumática com a elétrica, bem como permitir a utilização de atuadores pneumáticos na instrumentação eletrônica analógica ou digital.

32 CONVERSORES ELETRO-PNEUMÁTICOS (I/P) Este instrumento recebe um sinal de 4 a 20 ma DC que é aplicado a uma unidade magnética (bobina) criando um campo magnético proporcional a intensidade de corrente que a excitou. Esse campo proporciona deflexão em uma barra fletora que atua como anteparo em relação a um bico de passagem de ar para exaustão. A aproximação desta barra, conhecida como palheta, ao bico cria uma contrapressão que é amplificada através de uma unidade denominada relé piloto para um sinal pneumático proporcional à entrada. A pressão de saída é realimentada através do fole para permitir o equilíbrio do sistema.

33 Elementos finais de controle

34 Acionamentos elétricos

35 Acionamentos Pneumáticos

36 Acionamento hidráulico

37 Comparação entre os atuadores

38 Comparação entre os atuadores

39 Sistemas Elétricos Os sistemas de automação elétrica evoluíram muito nos últimos anos. O principal motivo foi o desenvolvimento da tecnologia associada: dispositivos eletrônicos, computadores e equipamentos de rede cada vez mais rápidos, com maiores capacidades de processamento e memória e mais baratos. No início era necessário apenas supervisionar e controlar.

40 Sistemas Elétricos Em seguida tornou-se necessário o gerenciamento de alarmes e controle avançado. Depois houve a necessidade de documentação da produção e de interface com os sistemas administrativos e gerenciais. Um dos maiores desafios desse processo é projetar os sistemas de automação com as novas funções sem aumentar muito a complexidade.

41 Sistemas Elétricos No início, os sistemas de automação eram baseados em relés eletromecânicos interligados com muitos fios. Antes dos computadores, os operadores observam os instrumentos analógicos e lâmpadas e faziam o controle manualmente, através de chaves e botoeiras

42 Sistemas Elétricos Com o surgimento dos sistemas microprocessados foi possível o uso de computadores como interface. O Controlador Lógico Programável (CLP) foi um grande avanço para automação industrial, que também se aplicou nas empresas de eletricidade.

43 Sistemas Elétricos Os sistemas de automação elétrica podem ser classificados de acordo com a tecnologia empregada em: Convencionais Numéricos Modernos

44 Sistemas Elétricos Convencionais

45 Sistemas Elétricos Convencionais

46 Sistemas Elétricos Convencionais Por isso, o projeto e os desenhos são complexos e a manutenção é difícil. As modificações também são árduas. A inclusão de um ponto do processo pode ser uma tarefa complicada, ou até mesmo impossível. Por isso, o projeto e os desenhos são complexos e a manutenção é difícil.

47 Sistemas Elétricos Convencionais Essa tecnologia, apesar de ainda estar em operação de forma satisfatória em várias locais está completamente obsoleta. Os sistemas convencionais não permitem a troca eficiente de informações.

48 Sistemas Elétricos Numéricos Nas primeiras aplicações, os dispositivos digitais duplicavam as funções de hardware que eles substituíam. Em seguida, os sistemas digitais substituíam ou complementavam as funções dos equipamentos convencionais. Com os anos, as funções foram aumentando e as aplicações se tornaram mais complexas.

49 Sistemas Elétricos Numéricos Os valores analógicos são convertidos em dados digitais reduzindo a complexidade do sistema; Maior facilidade na obtenção de dados quando comparados com os sistemas convencionais; As primeiras aplicações foram nos sistemas SCADA; A aquisição de dados pode ser feita em ambientes complexos e afastados.

50 Sistemas Elétricos Numéricos Os dados são concentrados em um único lugar, facilitando o seu uso para a operação e minimizando os erros humanos; As informações podem ser disponibilizadas de forma amigável através de tabelas e diagramas; O uso de IHM baseada em telas proporciona uma interface comum. Assim, a idade dos equipamentos não impede o seu uso seguro.

51 Sistemas Elétricos Modernos Os sistemas atuais classificados com modernos, têm as características dos sistemas numéricos utilizando; Hardware comum ao invés de equipamentos dedicados por função; Além disso, eles substituem o cabeamento de cobre convencional do nível de processo por uma rede de comunicação de dados.

52 Sistemas Elétricos Modernos Assim, os sistemas de automação elétrica são totalmente digitais; Permitem nova abordagem da automação; Outro aspecto que caracteriza a tecnologia é que ela é fortemente baseada em padrões e normas globais convergentes.

53 Sistemas Elétricos Modernos Os sistemas atuais classificados com modernos, têm as características dos sistemas numéricos utilizando; Hardware comum ao invés de equipamentos dedicados por função; Além disso, eles substituem o cabeamento de cobre convencional do nível de processo por uma rede de comunicação de dados.

54 Elementos Finais de Controle São mecanismos que variam a quantidade de material ou de energia em resposta ao sinal enviado pelo controlador a fim de manter a variável controlada em um valor (ou faixa de valores) predeterminado. A válvula de controle é o elemento final mais usado nos sistemas de controle industrial. Em sistemas de controle de gases e ar também é usado o damper. Encontramos também outros elementos, tais como: bombas, resistências elétricas, motores, inversores de frequência, cilindros, etc. INVERSORES FREQÜÊNCIA MOTOR TRIFÁSICO BOMBAS DE SUCÇÃO RESISTÊNCIAS ELÉTRICAS DAMPER REGULADOR DE VAZÃO VÁLVULAS DE CONTROLE - Exemplos de elementos finais de controle

55 Tópicos 1. Atuadores Pneumáticos 2. Atuadores Hidráulicos 3. Atuadores Elétricos 3.1 Atuadores Eletromecânicos (Relés) 3.2 Atuadores Eletrônicos (SSR) 4. Especificação 5. Interfaces

56 O que é um atuador? Um atuador é um dispositivo destinado a executar uma ação: Ligação um motor; Movimentação de uma esteira; Abertura/fechamento de uma válvula; Dosagem de material. Esta ação é o resultado do controle de um processo de produção, normalmente feito por um CLP.

57 1. Atuadores Pneumáticos Cilindros, Válvulas e Solenóides. Atuador Pneumático

58 Exemplos

59 2. Atuadores Hidráulicos Cilindro P r e n s a Bomba Motor

60 3. Atuadores Elétricos Motor Servo Motor Cilindro Elétrico Trava Elétrica

61 Exemplos

62 3.1 Relés Eletromecânicos Relés: Contatores:

63 3.2 Relés Eletrônicos SSR (Relé de Estado Sólido): Correntes de 10 A a 100 A Tensão máxima: 480Vca. Tensão de comando: 4 a 32Vcc.

64 4. Especificação Para a utilização de um atuador devemos determinar: Tensão de comando; Requerimentos da Carga; Corrente máxima (Potência) AC ou DC; Freqüência de chaveamento. ON/OFF PWM

65 5. Interfaces São necessárias quando a tensão de comando é diferente da tensão da carga: Neste caso, é necessário o uso de uma interface (relé eletromecânico ou de estado sólido) Ou quando a corrente da carga é maior que a suportada pelo dispositivo de chaveamento: Os transistores são geralmente dispositivos de saída de estado sólido para cargas CC de baixa tensão. Um TRIAC é um dispositivo de saída de estado sólido projetado, apenas para comutação CA;

66 Exemplos de Interfaces a) Relé eletromecânico b) Relé de estado sólido

67 Exemplos de Interfaces c) Optoacoplador e TRIAC

68 O que é uma válvula? É um equipamento usado para modificar a vazão de um fluido em um processo. Como elemento final de controle, as válvulas são normalmente responsáveis pela manipulação da variável de 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, gás ou um mistura destes. Vamos nos referir às válvulas com um conjunto formado por três partes (vide figura a seguir): 1- A válvula propriamente dita, que restringe mecanicamente o produto na tubulação onde está instalada; 2- O atuador, que transforma a energia elétrica, pneumática ou hidráulica em movimento para a válvula; 3- O posicionador, um circuito eletrônico, eletropneumático ou eletro-hidráulico que controla o atuador para otimizar o funcionamento da válvula.

69 Tipos de válvulas Quanto a forma geométrica do elemento de restrição, as válvulas pode ser classificadas usualmente nos seguintes tipos: Borboleta; Globo; Gaveta; Esfera. - Tipos de válvula por elemento de restrição. - Partes de uma válvula.

70 Funcionamento das válvulas Temos abaixo a figura com o funcionamento da válvula de diafragma. - Fechamento e abertura de uma válvula.

71 Atuadores lineares e rotativos Atuador Pneumático a mola e diafragma Atuador Pneumático a pistão Atuador Elétrico Atuador Elétrico-hidráulico

72 Controle de Motores C.A. A eletrônica de potência, com o passar do tempo, vem tornando mais fácil (e mais barato) o acionamento em velocidade variável de motores elétricos. Com isto, sistemas que antes usavam motores CC, pela facilidade de controle, hoje podem usar motores CA de indução graças aos Inversores de Frequências. Em paralelo ao avanço da eletrônica de potência, a microeletrônica, por meio de microprocessadores e microcontroladores, tem auxiliado muito o acionamento de máquinas CA, permitindo a implementação de funções complexas num tempo de processamento cada vez mais curto. A título de exemplo, podemos citar que motores de indução acionados por meio de Inversores de Frequência podem substituir, com vantagens, os sistemas de controle de fluxo com válvulas (bombas) ou dampers (ventiladores)

73 Inversor de Frequência O inversor de frequência é o equipamento capaz de controlar a velocidade de motores elétricos, através de alterações de tensão e frequência na rede elétrica que alimenta o motor. Para isso é necessário informar ao inversor, as características básicas do motor, para que o inversor possa controlá-lo. Estas características vêm na placa de identificação do motor: tensão, corrente, frequência e potência. Inversor - Diagrama de interligação do inversor e do motor.

74 Vantagens do uso de Inversores O sistema de controle por variação de velocidade de uma bomba (por exemplo) apresenta as seguintes vantagens: melhoria na eficiência do sistema pelo casamento da característica da bomba com a característica do sistema e otimização do ponto de trabalho; limitação da corrente de partida; partidas e paradas suaves do sistema de bombeamento, evitando picos na rede de energia elétrica e esforços na tubulação; aumento da vida útil da bomba devido à eliminação do desequilíbrio interno de pressões, fonte causadora do desgaste mecânico; utilização de motores de indução trifásicos, padronizados, que requerem menor manutenção, a prova de tempo ou atmosferas quimicamente agressivas;

75 Softstarter A chave de partida a estado sólido consiste de um conjunto de pares de tiristores (SCR s) ou combinações de tiristores / diodos, para cada fase do motor. O ângulo de disparo de cada par de tiristores é controlado eletronicamente para aplicar uma tensão variável no motor durante a aceleração. Este comportamento é, muitas vezes, chamado de partida suave (soft-starter). No final do período de partida, ajustável, a tensão atinge seu valor pleno após uma aceleração suave ou uma rampa ascendente, ao invés de ser submetido à transição brusca. Com isso, consegue-se manter a corrente de partida próxima da nominal e com suave variação, como desejado.

76 Vantagens e desvantagens As vantagens de utilização do soft-starter são muitas: Corrente de partida próxima à corrente nominal. Não existe limitação do número de manobras/hora. Longa vida útil, pois não possui partes eletromecânicas móveis. Torque de partida próximo do torque nominal. Pode ser empregada também para desacelerar o motor. Como era de se esperar há desvantagem no uso do soft-starter, quando se emprega motores com a potência baixa, pois o custo aumenta à medida que se diminui a potência.