Projeto de Sistemas Pneumáticos. Prof. Dr. Antônio João Diniz Unesp / Ilha Solteira

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1 Projeto de Sistemas Pneumáticos Prof. Dr. Antônio João Diniz Unesp / Ilha Solteira

2 APRESENTAÇÃO Este mini-curso faz parte da programação do XII Congresso Nacional de Estudantes de Engenharia Mecânica CREEM 2005 promovido pelo Centro Acadêmico de Engenharia Mecânica Ozires Silva, pelo Programa de Educação Tutorial da Engenharia Mecânica e pelo Departamento de Engenharia Mecânica da Faculdade de Engenharia da UNESP de Ilha Solteira, no período de 22 a 26 de agosto de O CREEM é destinado a alunos de graduação, de pósgraduação, de escolas técnicas, ex-alunos, técnicos e professores, e tem como objetivo dar uma contribuição ao processo de qualificação profissional dos estudantes de Engenharia Mecânica e de áreas afins, através de apresentações de trabalhos técnico-científicos, cursos, palestras e visitas técnicas. Esperamos que este curso possa contribuir para a formação e/ou especialização de todos os participantes inscritos. COMISSÃO ORGANIZADORA DO CREEM 2005 Centro Acadêmico de Engenharia Mecânica Ozires Silva Thiago Antonini Alves (Presidente) Augusto S. Bornschlegell (Vice-Presidente) Leonardo de Castro Oyama (1 o Secretário) Tiago Gonçalves (2 o Secretário) Paulo Henrique de Lima (1 o Tesoureiro) Valdir Scaramuzza Júnior (2 o Tesoureiro) Adriana Bruno Norcino José Henrique Pizzo Larissa Watanabe) Luis Fernando G. Júnior Marcelo Ferreira Pelegrini Maria Beatriz Reis Rafael S. Lautenschlager Ricardo Augusto da Silva Departamento de Engenharia Mecânica Ricardo Alan Verdú Ramos (Chefe) Luis de Paula Nascimento (Vice-Chefe) Emanuel Rocha Woiski (Tutor PET-EM) Gilberto Pechoto de Melo (Coordenador PPGEM) João Batista Aparecido (Vice-Coordenador PPGEM) Hidekasu Matsumoto (Coordenador CGCEM)) Edson Del Rio Vieira (Vice-Coordenador CGCEM) Cássio Roberto M. Maia (Colaborador) Alex Sander Borges (Informática) Elaine Nascimento Ferreira (Secretária) Elias Amaral do Santos (Webmaster) Erika Renata B. Lomba (Secretária) PET/EM Anderson H. Beneduzzi Cássio Thomé de Faria David José Saran Iara de Souza Barbosa Juçara A. André Juliano T. de G. Zucato Leandro O. Salviano Luis Antonio Duarte Jr. Marcos H. da S. Mashiba Maurício F. Jardim Murilo César L. Quenzer Paulo Henrique de Lima Rodrigo dos S. Lima Thiago Antonini Alves Thiago C. de Freitas

3 ÍNDICE 1. INTRODUÇÃO AR COMPRIMIDO AR FORMA DE ENERGIA PARA TRABALHO MEIOS DE TRABALHO E CARACTERÍSTICA MEIOS DE COMANDO Critérios para a Seleção de Comando COMANDO DE SEQÜÊNCIA PROGRAMADA Representação Gráfica em Forma de Diagrama Diagrama de Funcionamento Diagrama de Movimento Trajeto / Passo Diagrama de Movimento Trajeto / Tempo Diagrama de Comando TRAÇADOS DE ESQUEMA PNEUMÁTICOS Esquema do Traçado EXEMPLO SEGUNDO A NORMA DIN E CONTROLE SEQÜENCIAL DESTE CURSO BIBLIOGRAFIA BÁSICA... 19

4 1. INTRODUÇÃO Diante das exigências e das necessidades atuais de consumo, a concorrência e a competitividade exercem um papel fundamental no setor produtivo, exigindo que as indústrias coloquem no mercado seus produtos com qualidade e com custos compatíveis. Entre outras ações, isto implica na otimização da produção desde a recepção da matéria prima no pátio industrial até a chegada do produto no pátio de expedição. Neste cenário de competitividade, onde os fatores econômicos são metas prioritárias para a sobrevivência e crescimento da indústria, torna-se imperativo a busca de alternativas possíveis para a inserção do produto no mercado. Desta forma, há a necessidade de uma constante atualização do setor de produção, diante da evolução do mercado de consumo. Assim os processos de automatização e automação ocupam um papel de destaque para a minimização do tempo de operação dos processos e, consequentemente, na minimização de custo. Diante deste quadro, é fundamental importância que os cursos tecnológicos propiciem aos alunos o senso de criatividade, investigação e análise de sistemas de automação e automatização, através do seu contato com dispositivos e módulos construtivos pneumáticos, concomitantemente a elaboração do diagrama de funcionamento e do esquema lógico de operação. O objetivo desde curso é apresentar aos alunos um ferramental simples empregado na automatização, em que lógicas programáveis de sistemas de comando trajeto/passo/tempo são fundamentais na otimização dos processos de fabricação, os alunos poderão avaliar o seu desempenho diante de problemas típicos de automatização industrial. A normalização aqui usada é empregada de maneira que a construção da lógica apresentada seja tratada com uma simplicidade e objetiva para o entendimento de cada passo. 2. AR COMPRIMIDO A nossa atmosfera atual segundo os cientistas foi criada quando ocorreu a solidificação da crosta do nosso planeta. Ficando circundado por hidrogênio, com o tempo o suprimento deste hidrogênio cessou com endurecimento da crosta, então parte do hidrogênio que desapareceu no universo e os gases como amônia e água transformaram-se em nitrogênio e oxigênio por fotossíntese. A figura a seguir mostra a camada da atmosfera: CAMADA DA ATMOSFERA 4

5 Alguns fatos interessantes devemos observar. Por exemplo, a temperatura diminui com o aumento da altitude, a parte mais alta da troposfera, temos uma temperatura na ordem de 55 C. A estratosfera e a mesosfera são regiões livres de nuvens e tormentas. A ionosfera é a que conduz eletricidade e reflete ondas de rádio. A exosfera, parte mais externa onde a força de gravidade de nosso planeta é muito reduzida a tal nível que os átomos e moléculas com velocidades suficientes podem desaparecer no universo. 3. AR O ar é um gás incolor, inodoro e insípido ( não tem sabor ). É uma mistura de vários gases individuais. A composição do ar permanece relativamente constante desde o nível do mar até uma altitude aproximadamente de 20 Km. O ar em nossa atmosfera contem não somente gases, mas também uma mistura de partículas sólidas. Tais como poeira, areia, fuligem e cristais de sais. Nas grandes cidades o número destas partículas pode alcançar metros cúbicos. O ar é uma mistura mecânica e não uma substância química, seus elementos podem ser separados. Isto é feito normalmente por resfriamento do ar a 196 C a partir dos vários componentes são separados por destilação fracionada. Dos constituintes que compõem o ar, somente o oxigênio e o nitrogênio são necessários para a vida. As mais importantes constantes físicas do ar: Peso molecular 28,96 kg/k mol Densidade do gás as 15 C e 1 bar 1,21 kg/m 3 Ponto de ebulição a 1 bar 78,80 K Ponto de congelamento a 1 bar 57,00 a 61,00 K Constante do gás 286, 90 j/( kg.k ) Pressão critica ( absoluta ) 37,70 bar Temperatura critica 132,50 K 4. FORMA DE ENERGIA PARA TRABALHO A possibilidade de transformar, através de equipamentos apropriados, conversores de sinais, conversores de medida, sinais de uma forma de energia em sinais de outra forma de energia significa para a técnica de comando, que no interior de um sistema pode-se trabalhar com energias distintas. Existe portanto sempre a possibilidade de projetar um comando segundo critérios econômicos e técnicos. Entretanto a escolha do Sistema de comando conveniente na prática nem sempre é simples e definida. Ao lado das exigências determinadas pelo enunciado do problema, são imperativas as condições marginais, como por exemplo, o local da instalação, influência do ambiente, pessoal de manutenção etc. que muitas vezes encontram-se em severa contradição à solução do problema em si e que podem dificultar bastante um projeto. Se um sistema de trabalho com diversas formas de energia para partes de trabalho e de comando, trata-se de técnica mista, a qual desempenha hoje um papel cada vez mais importante na construção de comandos. Entretanto não se pretende aqui e nem seria possível, constituir uma relação completa e sem omissões de todos os casos existentes. 5

6 5. MEIOS DE TRABALHO E CARACTERÍSTICA Eletricidade: Difícil acúmulo de energia, condução boa e rápida de energia e baixo custo de energia. Movimento retilíneo complexo e caro, exige a transformação através de processo mecânicos, em casos de eletroimãs, existe apenas para pequenos cursos. Movimento rotativos o rendimento é bom, mas grade volumes, rotação limitada, regulação de número de rotações e de momento de giro difícil e cara. Mecânica: Utilizada de maneira condicionada Hidráulica: Possibilidade apenas limitado de acúmulo de energia. Condução de energia limitada e vagarosa, distância possível de atingir a +/- 100 m e velocidade +/- de 2 6 m/s. Elevado custo de energia. Movimento retilíneo bastante simples. Velocidade de trabalho não muito alta, até no máximo 0,5 m/s. dimensões bastante pequenas. Trabalho para forças muito grandes. Pneumática: Acúmulo de energia sem problemas. Condução de energia limitada e vagarosa, distância possível de atingir 1000m e velocidade de 20 a 40 m/s. Custo de energia bastante elevados. Movimento retilíneo simples e barato. Alta velocidade de trabalho, normal 1 a 2 m/s. Comprimento de curso limitado, no máximo 2m. Força atingível limitada, até no máximo 4000 kp, normalmente até 1000 kp. Momentos de giro não muitos elevados Critérios para a Seleção de Sistemas Força, Trajetória, Tipo de Movimento ( rotativo, retilíneo ), Velocidade, Dimensões construtivas, Durabilidade, Sensibilidade, Segurança de Trabalho. 6. MEIOS DE COMANDO - Mecânico - Eletricidade ( eletromecânica ) - Eletrônica - Pneumática de pressão normal, convencional, ( 1,5 a 16 bares ) - Pneumática de baixa pressão, ( até 1,5 bar ) - Hidráulica 6.1. Critérios para a Seleção de Comando - Velocidade de sinal - Tempo de comutação dos elementos - Segurança de trabalhos dos elementos - Durabilidade - Sensibilidade a influência do ambiente - Necessidade de espaço - Facilidade de manutenção 6

7 7. COMANDO DE SEQÜÊNCIA PROGRAMADA O comando de seqüência programada é o comando onde utiliza o tempo programado combinado com o controle dos estados da máquina. No comando é representado, a seqüência de movimento e estado de comutação dos elementos de trabalhos ( atuadores, cilindros, lineares ou circulares ) e de comando Representação Gráfica em Forma de Diagrama É a representação gráfica na qual retrata o diagrama de funcionamento, representando o estado de trabalho do elemento de força juntamente com os dispositivos de processamento de sinais. Visa apresentar um panorama da seqüência da lógica estudada Diagrama de Funcionamento a) Diagrama de Movimento b) Diagrama de Comando a) Diagrama de Movimento: Trajeto / Passo Trajeto / Tempo Este diagrama vem mostrar a fixação dos estados dos elementos de trabalho e de unidades construtivas b) Diagrama de Comando: Este diagrama fornece informações sobre o estado dos elementos de comando individuais Diagrama de Movimento Trajeto / Passo Representa a seqüência de operação de um elemento de trabalho, levando-se ao diagrama o valor percorrido em dependência de cada passo considerado. PASSO: - Variação do estado de qualquer unidade construtiva. Podemos representar o fim do movimento como: Avanço ( em frente ), sinais ( + ) ou número ( 1 ). Recuo ( para traz ), sinais ( - ) ou número ( 0 ). 7

8 EM CIMA EM FRENTE ABAIXO ATRAS Nota explicativa: 1 até 2 - O cilindro ( A ) avança da posição final traseira ( 1), para a posição final dianteira ( 2 ). Do passo ( 3 ) - Retorna. 8

9 Exemplos: dois cilindros ( A e B ) OBS:- 1 - Representar o passo de maneira mais linear possível horizontal. 2 - Trajeto, se possível, não deve ser em escala, mas com tamanho igual para todas as unidades construtivas. 3 - A distância entre os trajetos, em várias unidades não devem ser escolhidas pequenas de mais ( usar a metade ( ½ ) de um passo ). 4 - Caso o estado da instalação varie durante o movimento, poderá ser introduzido passos intermediários. Um exemplo seria o acionamento de uma fim de curso na posição intermediaria, ou variação da velocidade de avanço num trajeto/tempo. 5 - A numeração do passo é arbitrário, mas é comum adotar um seqüência como A designação do estado é arbitrário; +, L, 1 em frente / em cima -, 0, 0 atrás / em baixo 7 - A designação da unidade em questão deve ser colocada à esquerda do diagrama. 9

10 Diagrama de Movimento Trajeto / Tempo O trajeto da unidade construtiva é representado em função do tempo. O tempo é representado linearmente neste caso e constitue ligação entre as diversas unidades. No diagrama de trajetória e tempo podem ser representada mais claramente sobreposições e diferenças de velocidades de trabalho. Nota explicativa: 1 até 2 - O cilindro ( A ) avança da posição final traseira ( 1), para a posição final dianteira ( 2 ) dentro de um tempo. Do tempo ( 3 ) Retorna. Exemplos: dois cilindros ( A e B ) Diagrama de Comando No diagrama de comando, o estado de comutação de um elemento de comando é representado em dependência dos passos ou dos tempos. O tempo de comutação não é levado em conta. 10

11 Exemplo: 11

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13 8. TRAÇADOS DE ESQUEMA PNEUMÁTICOS A disposição gráfica deve ser efetuada segundo o esquema da cadeia de comando, isto é, deve haver um fluxo de sinal de baixo para cima. Módulo de entrada: O primeiro módulo de uma cadeia de comando, no sentido da direção de ação. Módulo de comando: Este módulo aciona o elemento de comando até onde o mesmo seja acionado mecânicamente. Serve para a ação direta sobre um trajeto. Módulo de processamento: É o módulo que constitui dos elementos de processamento, tais como, módulo lógicos eletrônicos, contactores, relés, válvulas comandadas por acréscimo de pressão, elementos lógicos pneumáticos. Elementos de sinais: São os dispositivos que recebendo energia emitem sinais, tais como, chaves fim de curso com acionamento por ressaltos e por rolete, emissores de sinais livres de contato manual, como detetor de aproximação, barreira fotoelétrica, botoneira manual, interruptor manual, pedal, etc. Elementos de comando: Válvulas pneumáticas, hidráulicas, contactores de potência, etc. Elementos de acionamentos: Motores elétricos, cilindros pneumáticos e hidráulicos, motores pneumáticos e hidráulicos. Energia de trabalho: É a energia necessária ao acionamento da unidade de comando ( conjunto do módulo de comando e do elemento de comando ). 13

14 Energia de comando: A energia de comando abastece a entrada e processamento de sinais Esquema do Traçado 9. EXEMPLO SEGUNDO A NORMA DIN E (Técnica de regulação e técnica de comando, termo e denominações) (Processamento de informações e termos ) 14

15 Normas pelas quais estão sedo revisadas. 10. CONTROLE SEQÜENCIAL DESTE CURSO ANOTAÇÕES: 15

16 EXEMPLO: 16

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19 11. BIBLIOGRAFIA BÁSICA Stoll K., Deppert W., Aplicações da pneumática, Ed. Presença, Lda Lisboa, copyright Festo Didactic Método de Projeto para Comandos, Lógica de Comutação Novais M.,A, N., Método Seqüencial para Automatização. Eletropneumática, Ed. Fundação Calouste Gulbenkian,1997. Atlas Copco, Manual do Ar Comprimido, Viviani, V., Servo mecanismo Pneumático, São Carlos,