Auto Apostila

Universidade de So Paulo - USP Escola de Engenharia de So Carlos - EESC Departamento de Engenharia Eltrica - SEL

SEL0406 Automao

Prof. Dennis Brando

Notas de Aula

Verso 2010

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Notas de Aula SEL0406 Automao Prof. Dennis Brando 2

1. Introduo

O objetivo desta introduo de apresentar uma breve leitura histrica da evoluo tecnolgica em que se baseia a rea da automao industrial atual. Para tanto ser necessrio primeiro introduzir, a ttulo de reviso, alguns conceitos bsicos que sero utilizados no decorrer deste texto.

1.1. Sistemas

Tradicionalmente, o trabalho de investigao de cientistas e engenheiros se volta para o estudo de fenmenos naturais que podem ser modelados por leis naturais, tais como a lei da gravidade, leis da mecnica e da eletricidade clssicas, leis da qumica e da fsica. Nestes estudos, costumam-se encontrar quantidades ou medidas de deslocamento, temperatura, aceleraes, cargas eltricas entre outras. Em todas estas medidas, o conceito do tempo est associado a uma grandeza contnua, ou seja, medidas podem ser tomadas em quaisquer valores reais de tempo, uma vez que este evolui contnua e constantemente em nosso ambiente. Portanto, todo um conjunto de tcnicas e ferramentas matemticas foi desenvolvido para modelar, analisar e controlar tais fenmenos ou parmetros naturais, baseadas principalmente em equaes diferenciais ordinrias e parciais. Entretanto, no cenrio cientfico atual cada vez mais dependente de computadores de sistemas computadorizados, pode-se notar que muitas das quantidades que utilizamos em engenharia no so mais contnuas, elas so discretas, ou seja, possuem valores inteiros. Por exemplo, pode-se citar a quantidade de peas em uma linha de montagem ou a quantidade de alarmes ativos em uma fbrica. Nota-se tambm que o incio de muitos processos depende de eventos instantneos, tais como o pressionar de um boto ou o ativar de um sensor. De fato, muitas das tecnologias em uso so orientadas a eventos, tais como as redes de comunicao, os programas de computadores ou unidades em fbricas. Diante de tal observao, pode-se definir um sistema como: Uma combinao de componentes que atuam conjuntamente para realizarem uma tarefa impossvel a cada uma de suas partes individualmente (Dicionrio de termos tcnicos do IEEE). Esta definio na est associada somente a objetos fsicos ou a leis naturais, pode descrever, todavia, mecanismos econmicos bem como comportamento humano ou de populaes.

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1.2. Modelos

Para a anlise quantitativa de um sistema, importante para o projeto de sistemas de automao, necessrio a atribuio de valores bem definidos caractersticas de desempenho deste sistema. Tal atribuio de valores resulta em um modelo. No processo de modelagem, necessrio, portanto, a definio ou identificao de variveis mensurveis, por exemplo, tenso eltrica em um dado circuito ou velocidade de certa pea. As variveis mensurveis podem ser de entrada, a estas possvel manipular em um perodo temporal, geralmente se atribui a notao de u1(t)... un(t) com t0 t tf.

Tambm as variveis podem ser de sada, so as que se pode medir frente a uma variao das variveis de entrada em dado perodo de tempo. Utiliza-se neste caso a notao y1(t)... yn(t) com t0 t tf.

Para finalizar a modelagem, razovel assumir que exista uma relao matemtica ou fsica entre as variveis de entrada e as de sada. Matematicamente podemos representar tal relao pelo seguinte equacionamento:

y1(t)=g1(u1(t)... un(t)) (1.1) .

.

.

yn(t)=gn (u1(t)... un(t))

Esta a forma mais simples de se modelar. Podemos considerar que um sistema algo real, enquanto que um modelo uma abstrao que geralmente somente se aproxima do comportamento real do sistema.

Figura 1.1. Modelagem

MODELOu(t) y(t)=g(u)

SISTEMA

ENTRADAS SADAS

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Conclui-se que quanto maior a proximidade entre os comportamentos do sistema e do modelo, melhor considerado o modelo. Quando o modelo adequado a determinada anlise, comum utilizar o termo modelo como sinnimo de sistema.

Exemplo 1.1 (Sistema divisor de tenso)

O circuito divisor de tenso apresentado na figura 1.2 apresenta cinco variveis: a tenso de alimentao V, a corrente eltrica i, as resistncias r e R e a tenso em R.

Figura 1.2. Sistema eltrico simples

O modelo mais simples que se pode construir baseado na teoria de circuitos eltricos:

iRv

rRRVv

=

+= (1.2)

Assumindo-se que se pode ajustar V, com interesse na regulagem da tenso de sada v, podemos obter o seguinte modelo:

Figura 1.3. Modelo 1 para o sistema

r

Ri

V v

MODELOrR

RVv+

=V

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Caso a tenso de alimentao seja fixa, e o ajuste se d pela resistncia r, ento o modelo seria:


Finalmente, poderamos ter o modelo a seguir caso ambos V e r sejam ajustveis e haja interesse na regulagem da corrente i:


Exemplo 1.2 (Sistema massa-mola)

O sistema massa-mola apresentado na figura 6 sofre uma excitao no instante t=0, quando a massa movimentada desde a posio de repouso at u(0) = u0 > 0 e ento solta. O deslocamento da massa em qualquer instante de tempo t>0 denominado y(t). Das leis da mecnica, sabe-se que o movimento da massa definido por uma oscilao harmnica descrita pela seguinte equao diferencial de segunda ordem:

kyym =&& (1.3)

Com condies iniciais de 0)0( =y e 0)0( =y& . Se o interesse controlar o deslocamento inicial u(0) e observar a posio da massa no tempo, pode-se propor o modelo apresentado na figura 6 com a seguinte varivel de entrada u(t):

u(t) = u0 , t=0 0 , caso contrrio

MODELOrR

RVv+

=r

MODELOrR

Vi+

=r

V

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A sada y(t) a soluo da equao diferencial (1.3), com k e m constantes.

Figura 1.6. Sistema massa-mola e seu modelo

Na prtica, o estudo desta classe de sistemas realizado no no domnio temporal de t, recorre-se a transformaes matemticas que levam a uma mudana de domnio que facilite a anlise. o caso da mudana de domnio para o domnio da freqncia ou para o domnio de Laplace.

Sistemas Estticos e Dinmicos

Define-se um sistema esttico quando as sadas y(t) so independentes dos valores passados das entradas u(),

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Estado de um Sistema

Pode-se dizer simplificadamente que o estado de um sistema em dado instante deve descrever seu comportamento de maneira mensurvel naquele instante de tempo. Uma definio mais adequada apresentada a seguir. O estado de um sistema no instante t0 o conjunto de informaes necessrio em t0 para que as sadas y(t), para todo t>t0, possam ser definidas por este conjunto de informaes e por u(t), tt0. Assim como as entradas un(t) e as sadas yn(t), o estado geralmente representado por variveis denotadas por xn(t). Estas variveis so denominadas variveis de estado. Existe toda uma teoria de modelagem de sistemas baseada em estados, denominada modelagem por espao de estados. Tal teoria consiste na determinao de relaes matemticas entre un(t), yn(t) e xn(t). Referimo-nos a estas relaes matemticas por dinmica de um sistema. Assim como na modelagem, existem tambm controladores e teorias de controle desenvolvidas com base no espao de estados.

Sistemas Lineares e No-Lineares

A natureza das equaes gn em (1.1) define a linearidade de um sistema. Uma funo dita linear se e somente se:

g(a1u1 + a2u2) = a1g(u1) + a2g(u2) (1.4)

Ou seja, se vale o princpio da superposio de duas respostas frente superposio de dois estmulos.

Sistemas Contnuos e Discretos

Em sistemas contnuos, o espao de estados X contnuo e consiste de valores reais (ou complexos). Normalmente utilizam-se equaes diferenciais e tcnicas associadas para a anlise. Em sistemas discretos, o espao de estados X um conjunto discreto. As variveis de estado, neste caso s podem evoluir ou transitar em pontos discretos no tempo, de um valor a outro.

Naturalmente existem sistemas hbridos, onde algumas variveis apresentam comportamento contnuo ao passo que outras, discreto. O comportamento dinmico de um sistema discreto em geral de simples entendimento quando o mecanismo de transies de estado baseado em regras lgicas como esta se alguma situao especfica acontecer e o estado atual for x, ento o prximo estado ser x. Entretanto o

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formalismo matemtico para expressar e resolver tais equaes de estado pode ser to ou mais complexo de que o baseado em equaes diferenciais utilizadas em modelos contnuos.

Exemplo 1.2 (Armazm)

Considere o armazm de produtos acabados em uma fbrica. Sempre que um produto fabricado, armazenado ali. Um caminho carregado periodicamente com certo nmero de produtos, considera-se, portanto, como sadas do armazm. Deseja-se avaliar o inventrio deste armazm, ou seja, o nmero de produtos estocados em dado instante de tempo. Assim, define-se x(t) como o nmero de produtos no instante t e uma sada para o modelo y(t) = x(t).

Figura 1.7. Armazm

Como os produtos so discretos, o espao de estados deve ser de inteiros no negativos {0,1,2...}. Supem-se as estradas como duas funes no tempo:

u1(t) = 1 se um produto armazenado em t 0 caso contrrio

u2(t) = 1 se um caminho carregado em t 0 caso contrrio

Assumem-se (a) um armazm suficientemente grande para armazenar qualquer nmero de produtos, (b) o carregamento do caminho instantneo, (c) que o caminho s pode retirar um produto por vez, e (d) que o carregamento do caminho e o armazenamento de um produto nunca ocorrem ao mesmo tempo. Pode-se representar a evoluo deste sistema pelo caminho que o estado percorre no tempo, denotando-se por t+ como o instante de tempo aps t.

Sada de produtos

Entrada de produtos

u1(t)

u2(t)

x(t)

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x(t+) = x(t) +1 se (u1(t) = 1, u2(t) = 0) x(t) -1 se (u1(t) = 0, u2(t) = 1, x(t)>0) x(t) em outros casos

Graficamente pode-se representar o caminho do estado x(t) por:

Figura 1.8. Caminho do estado x(t)

Sistemas Determinsticos e Estocsticos

Define-se um sistema estocstico como um sistema onde pelo menos uma de suas variveis de sada possua comportamento randmico ou aleatrio. Caso contrrio o sistema considerado determinstico. Tomemos como exemplo o sistema eltrico simples descrito (exemplo 1.1): a tenso V pode estar sujeita a um rudo aleatrio que no pode ter sua amplitude considerada com certeza absoluta. possvel, entretanto, que o projetista adote um modelo probabilstico realista para representar o rudo e o incorpore ao sistema em questo. A mesma argumentao vlida para o exemplo 1.2, caso o sistema massa-mola estivesse sujeito ao do vento em uma instalao aberta. Problemas prticos como falhas em mquinas e equipamentos, ausncias inesperadas de trabalhadores ou atrasos em entregas de peas bem como condies ambientais extremas podem afetar a operao e a modelagem de sistemas reais de forma que somente mecanismos e tcnicas probabilsticas possam ser adequadamente considerados. Em geral, o estado de um sistema dinmico estocstico definido como um processo aleatrio e seu comportamento podem ser descrito apenas probabilisticamente. A abordagem matemtica para tais casos, portanto, baseada em tcnicas de probabilidades e estatsticas.

1.3. Conceito de Controle

t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9

x(t)

t

1

2

3

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Uma pergunta que se pode fazer, em relao a um sistema O que acontece com a sada do sistema quando se aplica certa entrada?. Entretanto, os sistemas no so considerados na pratica como isolados ou autnomos. De fato, conforme descrito na definio de um sistema, existe a idia de realizao de determinada tarefa ou funo. Para que um sistema realize sua funo, necessrio que ele seja controlado, pela seleo das entradas apropriadas com o objetivo de se obter as sadas ou o comportamento desejado. Como exemplo, tomemos o ato de dirigir um carro. Podemos controlar sua direo, velocidade e acelerao atravs dos pedais do acelerador, freio e embreagem e atravs do volante e da alavanca de cambio. O comportamento desejado em tal situao que o carro permanea na estrada a uma velocidade razovel. Desta forma, as entradas do sistema so vistas como sinais de controle. O comportamento desejado relacionado (nos casos escalares) com um sinal de referncia r(t). Portanto, dado certo comportamento desejado r(t) a um sistema, nossa tarefa como controladores de selecionar u(t) apropriado para ser aplicado como entrada ao sistema de forma a levar as sadas de tal sistema para a condio desejada. Esta relao entre r(t) e u(t) durante um espao de tempo denominada lei de controle ou simplesmente controle:

)),(()( ttrtu = (1.5)

1.4. Conceito de Realimentao

A idia de realimentao intuitiva e simples: usar quaisquer informaes disponveis sobre o comportamento do sistema, x(t), para ajustar continuamente suas entradas. Nosso comportamento fundamentalmente realimentado: o volume de nossa voz se ajusta ao ambiente, a temperatura de nossa casa ajustada pela abertura das janelas, a velocidade do nosso carro pela observao do velocmetro, dentre outros exemplos. Matematicamente, podemos adotar a seguinte relao para a realimentao:

)),(),(()( ttxtrtu = (1.6)

Sistemas de Malha Aberta e de Malha Fechada

Um sistema com uma lei de controle expressa por uma relao como na equao (1.5) chamado de sistema de malha aberta, ao passo que quando adota uma lei de controle baseada

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na equao (1.6), tal sistema chamado de malha fechada. importante notar que as sadas y(t) de um sistema fazem parte do conjunto de estados x(t) deste sistema. Em sistemas de controle de malha aberta, as entradas permanecem fixas a despeito do efeito (bom ou ruim)que elas provocam nas sadas do sistema. Em sistemas de controle de malha fechada, por outro lado, as entradas dependem do efeito que elas provocam nas sadas do sistema.

Figura 1.9. Sistemas de Malha Aberta e Fechada

1.5. Sistemas de Tempo Discreto

Assumiu-se at agora que o tempo uma varivel contnua, esta hiptese corresponde certamente noo natural de tempo. Entretanto, em uma srie de sistemas de automao e de computao as operaes matemticas so realizadas por equipamentos eletrnicos micro-processados. Em tais dispositivos, as operaes matemticas e computacionais acontecem seqencialmente em certa freqncia fixa de trabalho, geralmente definida por um elemento oscilador como um cristal. Define-se ento um clock para tal dispositivo. Este tipo de operao baseado em operaes no contnuas no tempo denominado de tempo discreto. A importncia do estudo de sistemas de tempo discreto crescente devido ao avano dos hardwares digitais e da computao. Tcnicas de projeto e de controle em tempo discreto em geral oferecem muita flexibilidade e velocidade associadas a um baixo custo de implantao. Alguns sistemas so inerentemente de tempo discreto, tais como os baseados em dados peridicos como aos indicadores da economia, por exemplo. Nesta classe de sistema, a linha do tempo considerada como uma seqncia de intervalos definidos por uma seqncia de pontos t0, t1, t2, t3, t4, t5, t6,....tn. Assume-se que o intervalo entre pontos sucessivos regular. Tal intervalo conhecido como perodo de amostragem e o instante de amostragem denominado k.

),,()( tuxgty =)(tuCONTROLE SISTEMA

),,( tuxfx =&),()( trtu =

Sistema de malha aberta

),,()( tuxgty =)(tuCONTROLE SISTEMA

),,( tuxfx =&),,()( txrtu =

Sistema de malha fechada

)(tr

)(tr

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Sistemas de tempo contnuo, quando controlados ou instrumentados por equipamentos de tempo discreto apresentam sinais de respostas e de entradas amostrados, onde o domnio temporal convertido de t para k, resultando em uma mudana, por exemplo, de x(t) para x(k). A figura a 1.10 representa um sinal x(t) e uma de suas possveis formas aps uma amostragem digital, semelhante a uma escada. Sempre quando um sinal amostrado, parte da informao contida neste perdida, ou seja, toda a amostragem implica em perdas.

x(t)

t

x(k)

k

Figura 1.10. Sinal x(t) o correspondente x(k)

Em situaes reais, quando o perodo de amostragem praticado pelo sistema de controle significantemente menor do que os tempos de resposta ou de que a dinmica caracterstica do sistema controlado, ou seja, os degraus da escada so muito pequenos, ento a perda de informaes no processo de amostragem desprezvel. Nestes casos, possvel utilizar-se da teoria de controle clssica para o projeto e a anlise de sistemas de controle de tempo discreto. Por questes de simplificao matemtica, em geral o projeto de controladores de tempo discreto e a anlise de tais sistemas conduzida em um domnio que no o do tempo discreto k, porm no de outra varivel matemtica denominada z.

1.6. Sistemas a Eventos Discretos

Quando o especo de estados de um sistema naturalmente descrito por um conjunto discreto como {0,1,2,...} e as transies entre estados so observadas em instante discretos de tempo, associam-se estas transies de estados a eventos e tais sistemas so ento denominados sistemas a eventos discretos.

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Conceito de Evento

Conceito de entendimento intuitivo, um evento deve ser conceituado como de ocorrncia instantnea e que causa a transio, ou transies de um ou mais valores de estado(s) a outro(s). Pode ser associado a uma ao deliberada (o operador pressionou o boto de parada de emergncia), a uma ocorrncia espontnea (um sensor falhou) ou ao resultado de uma conjuno de condies atendidas em certo instante (nvel no tanque de resfriamento muito alto). A representao de um evento dada por e, enquanto que um conjunto discreto de eventos denotado por E.

Exemplo 1.3 (Armazm)

No armazm do exemplo 1.2, nota-se que dois eventos afetam o estado do sistema: armazenamento de um produto e carregamento de um caminho. Pode-se neste caso definir-se:

E={P,C}

Onde P denota o armazenamento do produto e C o carregamento de um caminho.

Sistemas Orientados a Evento e Orientados a Tempo

Em sistemas orientados a tempo, as mudanas de estado so deflagradas com o passar do tempo. Esta caracterstica fundamental em sistemas de tempo discreto: o clock o que faz um estado evoluir. A cada perodo de amostragem, espera-se que os estados mudem, pois as variveis de estado contnuas modificam-se continuamente com o passar do tempo. Neste caso, a varivel temporal (t ou k) independente e argumento das funes de entrada, de estado e de sada do sistema. Em sistemas a eventos discretos, as mudanas de estados ocorrem apenas em pontos especficos do tempo, atravs de transies instantneas. Cada transio , portanto, associada a um evento.

O mecanismo em que as transies se baseiam pode ser de dois tipos:

1. Em todo perodo de amostragem (ou clock tick), ao menos um evento e ocorre dentro de E. Se nenhum evento disparado, ento pode-se considerar um evento nulo como membro de E, que tem a propriedade de no causar nenhuma mudana de estado.

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2. Em vrios instantes de tempo (no necessariamente coincidentes com os clock ticks), alguns eventos ocorrem.

No tipo 1, as transies de estado so sincronizadas com o clock. O clock individualmente responsvel por qualquer transio de estado.

No tipo 2, cada evento Ee define um processo distinto em que determinado o instante em que e disparado.

A distino entre sistemas baseados nos mecanismos 1 e 2 feita pelos termos orientado a tempo e orientado a evento respectivamente.

Conforme mencionado, sistemas contnuos tm natureza orientada a tempo. Entretanto, em sistemas a eventos discretos isto depende se as transies so sincronizadas a um clock ou se so de natureza assncrona.

Uma associao a sistemas orientados a evento pode ser com o sistema de interrupes em um computador. Enquanto muitas funes em um computador so sincronizadas pelo clock, algumas so de natureza assncrona como, por exemplo, as requisies e aes do usurio.

Propriedades Caractersticas de Sistemas a Eventos Discretos

Para que se aplique em sistemas discretos todo o ferramental da teoria de controle clssica ou do controle digital, fundamentadas no equacionamento de modelos por equaes diferenciais ou por equaes diferena, estes devem satisfazer as propriedades de serem sistemas de estados contnuos e baseados em transies de estados orientadas a tempo. Com a primeira propriedade, os sistemas so considerados contnuos, seus estados variam constantemente e podem assumir valores reais. Grandezas fsicas como temperatura, presso, vazo so tpicas desta categoria de sistemas. A segunda propriedade implica que os estados mudam com a mudana do tempo (t se for contnua ou k se for discreta), que uma varivel independente na modelagem destes sistemas. Em contraste aos sistemas dinmicos contnuos, os sistemas a eventos discretos (SED) satisfazem duas propriedades:

1. O espao de estados um conjunto discreto 2. As transies de estados so orientadas a evento

Um exemplo de sistema a eventos discretos pode ser o estado de uma mquina: pode ser selecionado como {LIGADA,DESLIGADA} ou {OCUPADA,OCIOSA,EM MANUTENO}. Do ponto de vista da modelagem, uma vez que as transies so disparadas por eventos de natureza assncrona, e supondo-se possvel identificar o conjunto de eventos tal que cada elemento causa uma transio de estado, ento a varivel tempo no mais serve para conduzir a

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evoluo ou operao do sistema. O tempo, portanto, no mais uma varivel independente apropriada. importante notar que, assim como um sistema dinmico de variveis contnuas (SVC), um SED pode ser modelado em tempo discreto ou contnuo. Se por exemplo um evento possa acontecer em qualquer valor real de tempo, ento se obtm um modelo de SED em tempo contnuo.

Abstrao de Sistemas a Eventos Discretos

Distinguem-se trs nveis de abstrao de sistemas a eventos discretos. Quando o objetivo da anlise de um SED determinar o comportamento lgico do sistema,

como a determinao da ordem de eventos ou a verificao da possibilidade de ocorrncia de um estado, ento a temporizao no importante.

Neste caso se utilizam linguagens de modelos ou lgicas para a representao do sistema. Quando o objetivo da anlise determinar, por exemplo, em que instante o sistema pode

atingir determinado estado, ou se determinada seqncia de eventos pode ser atingida dentro de um prazo, ento se deve utilizar linguagens de modelagem temporal para descrever o sistema.

Por fim, quando o sistema sujeito a comportamentos, estados ou eventos de natureza estocstica ou probabilstica, ento se deve buscar linguagens estocsticas de modelagem temporal para descrever o sistema.

Uma srie de linguagens para a modelagem, anlise, simulao ou otimizao so disponveis na literatura, cada qual com suas particularidades e objetivos, bem como metodologias para a anlise e para o projeto de controladores.

1.7. A Automao de Sistemas Industriais

O interesse das indstrias por automao e controle comeou a cerca de 100 anos, com a chegada do sculo XX. No incio a necessidade apontou para a indicao de algumas variveis fsicas envolvidas no processo de fabricao. Na dcada de 1920, j se utilizavam registradores mecnicos grficos de variveis em papel, tais instrumentos permitiam o registro histrico de dadas variveis ao longo de turnos de produo. Na dcada de 1930 os primeiros controladores realimentados de tecnologia pneumtica passaram a operar em plantas industriais e j na dcada de 1940, a teoria de controle clssico consolidada. Desta dcada surge o controlador PID, ainda hoje o controlador mais utilizado em malhas de controle dinmico no setor industrial. A dcada de 1960 marca o incio das arquiteturas distribudas de controle, onde o elemento controlador separa-se fisicamente do sensor e ambos passam a ser instalados em posies diferentes. A

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comunicao entre eles se estabelece a principio atravs de sinais modulados em presso em linhas de ar comprimido. A dcada de 1960 marca a introduo da microeletrnica em sistemas de automao, e a introduo da transmisso de sinais modulados em correntes eltricas. Separam-se a partir da dispositivos com funes de transmissor, indicador, registrador e controlador. No final da dcada de 1960, os primeiros sistemas distribudos analgicos so instalados em campo. Nestes sistemas, distintas funes de controle e de registro j eram executadas por placas eletrnicas independentes conectadas umas s outras em racks interligados. desta poca que surgem os primeiros robs industriais e os controladores lgicos programveis com sua lgica ladder, em substituio aos controles configurados por hardware em painis de rels eletromecnicos. A dcada de 1970 marca a revoluo na automao industrial trazida pela introduo dos microcontroladores. Esta inovao digital abriu espao para uma enorme gama de possibilidades de evoluo nos sistemas automticos de controle industrial. J na dcada de 1980 os sistemas de automao de grande porte passam a ser interligados por meio de redes digitais de comunicao e os instrumentos de campo (sensores, atuadores, drivers) passam a receber uma grande capacidade de processamento e so considerados, desta forma, inteligentes. Na dcada de 1990, a disseminao das redes de computadores e da internet bem como a uniformidade dos computadores pessoais e dos sistemas operacionais mudam o cenrio da integrao industrial, atravs dos softwares de gesto empresarial. Com a disseminao da computao por todos os setores econmicos e sociais, a proximidade atual nas empresas dos sistemas de automao com as redes corporativas j realidade a pelo menos uma dcada. O cenrio atual da automao aponta para avanos tecnolgicos na rea de transmisso de dados sem fio e pelo uso intenso de algoritmos de controle inteligentes embarcados em instrumentos, desde os mais simples aos mais sofisticados. A complexidade dos sistemas de automao atuais to grande que em aplicaes industriais modernas, tanto para fins de controle como de monitoramento de unidades, linhas ou de fbricas completas, doravante denominadas genericamente plantas, deve-se compreender o sistema de automao como um sistema de controle hierrquico de mltiplas camadas. Composto por uma srie de equipamentos e dispositivos, um sistema de automao sempre projetado para atender requisitos de qualidade, produtividade e segurana no controle da planta (sistema dinmico controlado). Em tais camadas existem controladores e sistemas controlados tanto de natureza contnua (SVC), como orientados a eventos (SED). Nas camadas mais baixas, so encontradas malhas fechadas de controle contnuo, sincronismos de motores, acionamento de equipamentos e operao de vlvulas e registros, movimentao de esteiras, acionamento e sincronismo de robs, monitoramento e operao de reatores entre outros sistemas industriais complexos.

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Em camadas mais altas, as funes de automao so relacionadas partida de equipamentos ou linhas, paradas de emergncia, atendimento a uma ordem de produo, mudana de modo de operao de unidades, reconfigurao de unidades de produo entre outros.

Uma representao abstrata desta hierarquia apresentada na figura 1.11. Deve-se notar que controladores e sistemas em camadas inferiores (controladores contnuos) so em geral abstrados para o projeto e na operao de camadas superiores (controle supervisrio). As abstraes acorrem nas interfaces entre camadas. Por exemplo, sinais de sada das malhas fechadas de controle contnuo so enviados para o controle supervisrio como eventos, enquanto que comandos provindos do controle supervisrio, tambm na forma de eventos, so traduzidos na interface para sinais de entrada apropriados aos atuadores ou sinais de referncia para controladores. Desta forma, o projeto e a interpretao de sistemas de automao reais so subdivididos em etapas e em camadas de operao cooperativa.

Figura 1.11. Arquitetura de sistemas de automao

CONTROLE SUPERVISRIO

INTERFACE

CONTROLADORESCONTNUOS

SISTEMA

comandos eventos observados

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2. Acionamento e Circuitos Pneumticos

O termo Pneumtico deriva do radical grego Pneumos ou Pneuma (respirao ou sopro), e define o ramo da fsica que estuda a dinmica e os fenmenos relacionados aos gases e ao vcuo. Em engenharia, refere-se ao estudo da preparao, conservao e da transformao da energia pneumtica em energia mecnica, atravs de elementos de trabalho. O uso da pneumtica em aplicaes industriais possui vantagens, pois os equipamentos pneumticos so robustos e de simples instalao. Podem, portanto, ser aplicados em ambientes hostis sujeitos poeira, umidade, atmosferas corrosivas e explosivas. As limitaes do uso da pneumtica referem-se necessidade de preparao do ar comprimido, limitaes de presso de trabalho (limitao de potncia dos atuadores) e limitaes de velocidades de trabalho. Assim como o ar, o fluido hidrulico (composto por leo ou por misturas gua-leo) muito utilizado em aplicaes industriais para a realizao de trabalho. Projetos e sistemas baseados em ambos fludos tm muito em comum, porm algumas diferenas devem ser destacadas: - Nvel de Presso: enquanto que circuitos pneumticos industriais operam com presses entre 5 e 10 bar, circuitos hidrulicos operam em presses de at 200 bar ou at superiores. A limitao de compresso em linhas pneumticas deve-se a grande compressibilidade do ar. A 200 bar, uma linha de ar comprimido armazenaria tamanha energia que o risco em um acidente seria alto em caso de vazamentos ou rupturas. J o fluido hidrulico praticamente incompressvel, em caso de uma ruptura, a presso do leo cai imediatamente sem apresentar riscos de exploso. - Foras de atuao: devido s relativas baixas presses de ar comprimido, os atuadores pneumticos desenvolvem foras baixas ou mdias, enquanto que atuadores hidrulicos so aplicados para exercer foras elevadas. - Custo: equipamentos hidrulicos apresentam custos superiores aos pneumticos, uma vez que as restries quanto a vazamentos e presses de trabalho elevam os padres de qualidade de fabricao destes. - Linhas de transmisso: as linhas de transmisso de fluido hidrulico so compostas por tubulao metlica com conexes sofisticadas, alm de serem em circuito fechado para a recuperao do fluido. J em instalaes pneumticas, as linhas so compostas por tubulao plstica flexvel com conexes simples e rpidas. - Controle de Velocidade e de Posicionamento: devido compressibilidade do ar, atuadores pneumticos no so especificados para aplicaes com necessidade de controle fino de velocidade ou de posicionamento, principalmente em aplicaes com cargas dinmicas. - A Compresso: enquanto que em circuitos pneumticos a presso em cada atuador regulada e a quantidade de ar necessria para cada trabalho determinada pela carga, em circuitos hidrulicos so utilizadas bombas de deslocamento positivo, ou seja, a vazo de leo

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constante independentemente da carga de trabalho. Ou seja, bombas hidrulicas no produzem presso, mas uma vazo constante. - Velocidades de atuao: em pistes pneumticos, devido alta velocidade de expanso do ar comprimido, as velocidades de trabalho so altas. Em contrapartida, em circuitos hidrulicos as velocidades de trabalho dos atuadores geralmente lentas so determinadas pela vazo da bomba. Em suma, sistemas hidrulicos so especificados para altas cargas (ex. equipamentos para movimentao e elevao de cargas) ou para aplicaes com requisitos de posicionamento preciso ou controle fino de velocidade (ex. robs). A aplicao da pneumtica, por outro lado, amplamente difundida em automao industrial, devido ao seu relativo baixo custo e simplicidade de instalao. O ar um gs composto por Oxignio e Nitrognio principalmente, inspido, inodoro, compressvel, elstico, expansvel que se difunde e mistura-se com qualquer meio gasoso no saturado. Um litro de ar a 0oC ao nvel do mar possui massa de 1,293x10-3 Kg. A presso atmosfrica de 1,033Kgf/cm2 (760mmHg) ao nvel do mar, 1000m de altitude de 0,915Kgf/cm2. Segundo o princpio de Pascal, a alterao de presso produzida em um lquido em equilbrio transmite-se integralmente a todos os pontos do lquido e s paredes do recipiente. De acordo com a Lei Geral dos Gases Perfeitos, o ar comporta-se segundo a equao (2.1) quando passa de um estado 1 a 2:

2

22

1

11

TVP

TVP

= (2.1)

Elementos de Produo de Ar Comprimido

Os compressores so mquinas destinadas a elevar a presso de certo volume de ar e podem operar segundo dois princpios: a diminuio do volume de certa massa de ar (deslocamento positivo) ou a transformao da energia cintica de certa massa de ar em energia de presso (deslocamento positivo). So vrios os tipos de compressores, a figura 2.1 apresenta os tipos de acordo com o princpio de funcionamento.

________________________________________________________________________________


Figura 2.1. Tipos de compressores

Cada tipo de compressor possui determinada aplicao, em geral definida pelo volume de produo e pela presso produzida. A simbologia do elemento compressor esta apresentada na figura 2.2. Adota-se como norma para simbologia o documento ABNT NBR 8897.

Figura 2.2. Smbolo de compressor

Aps a compresso, o ar ento armazenado em reservatrios e deve passar por um processo de preparao, que consiste da retirada da umidade atravs de secadores. Estes dispositivos podem operar por refrigerao (ponto de orvalho), absoro (processo qumico) ou adsoro (processo fsico). A simbologia para o elemento de secagem representada na figura 2.3.

1 2

Figura 2.3. Smbolo do elemento secador

Aps seco e resfriado, o ar comprimido distribudo pela fbrica por uma rede de distribuio em anel fechado ou em circuito aberto, com diviso em sees, limitadas por vlvulas nas linhas. As linhas de distribuio possuem drenos e diversas tomadas de ar para o consumo. A figura a seguir ilustra um sistema de distribuio de ar comprimido em uma instalao industrial.

Compressores

Deslocamento dinmico Deslocamento positivo

Ejetor Fluxoradial

FluxoAxial

RotativosRootsAnel lquidoPalhetasParafuso

Alternativos

DiafragmaMecnicoHidrulico

PistoTipo labirintoSimples efeitoDuplo efeito

________________________________________________________________________________


Figura 2.2b. Circuito de produo, distribuio e condicionamento de ar comprimido

Aps a distribuio, o ar deve passar por um ltimo tratamento, que consiste da filtragem, regulagem de presso e introduo de certa quantidade de leo para a lubrificao das partes mecnicas dos componentes pneumticos. Este tratamento realizado em uma Unidade Condicionadora ou Lubrefil, cuja simbologia apresentada na figura 2.4.

21

Figura 2.3. Smbolo de Unidade Condicionadora

Vlvulas de Controle Direcional

As vlvulas de controle direcional tm por funo orientar a direo que o fluxo de ar deve seguir, a fim de realizar um trabalho proposto. Devem-se levar em conta os seguintes dados de uma vlvula direcional:

- posio inicial,

________________________________________________________________________________


- nmero de posies, - nmero de vias, - tipo de acionamento ou comando, - tipo de retorno, - vazo, - tipo construtivo.

O nmero de posies a quantidade de manobras distintas que uma vlvula pode executar de acordo com seu acionamento. As vlvulas so sempre representadas por retngulos, cada posio representada por um quadrado dentro da vlvula.

Figura 2.4. Smbolo de vlvulas de 2 ou 3 posies

O nmero de vias o nmero de conexes de trabalho que a vlvula possui. Podem ser conexes de entrada, de utilizao ou de escape. Nos quadrados representantes das posies, encontram-se os smbolos de passagem livre ou bloqueada que representam a operao da vlvula naquela posio, baseados nas interligaes internas entre as conexes.

Figura 2.5. Setas indicam interligaes internas

Figura 2.6. Indicao de passagem bloqueada

O nmero de vias (conexes) em geral contado no lado da posio inicial da vlvula.

2

1

2

1 3

Figura 2.7. Vlvulas de 2 e de 3 vias

A denominao das vlvulas baseada no nmero de vias e de posies, por exemplo, uma vlvula 4/3 uma vlvula de 4 vias e 3 posies; uma vlvula 3/2 uma vlvula com 3 vias e

________________________________________________________________________________


duas posies e assim sucessivamente. A identificao das conexes e orifcios das vlvulas e demais elementos pneumticos segue a seguinte regra:

Norma DIN 24300 Norma ISO 1219 Presso P 1

Utilizao A B C 2 4 6 Escape R S T 3 5 7

Pilotagem X Y Z 10 12 14 Tabela 2.1. Identificao de conexes

As vlvulas necessitam de um agente interno ou externo para deslocar suas partes internas de uma posio a outra. Os elementos responsveis por tais alteraes so chamados acionamentos e podem ser de diversas naturezas, tais como muscular, mecnico, pneumtico, eltrico ou combinado. As vlvulas com acionamentos mecnicos so geralmente utilizadas como sensores de posio ou sensores de fim-de-curso acionadas por hastes de cilindros pneumticos. A simbologia de alguns dos tipos de acionamento apresentada a seguir.

________________________________________________________________________________


Figura 2.8. Tipos de acionamento (ABNT NBR 8897)

O acionamento combinado, servo piloto ou comando prvio, utiliza a energia do prprio ar comprimido para acionar a vlvula, atravs do acionamento de um pr-comando que aciona a vlvula principal em uma ligao pneumtica interna vlvula. As vlvulas de pr-comando so geralmente eltricas (solenide), pneumticas (piloto), manuais (boto) ou mecnicas (came ou esfera). Na figura 2.9, um exemplo de um circuito de comando bsico direto via acionamento muscular por pedal, e na figura 2.10, um comando bsico indireto.

2

1 3

12

Figura 2.9. Comando bsico direto

________________________________________________________________________________


2

1 3

12

12

2

1 3

Figura 2.10. Comando bsico indireto

Vlvula de 3 posies

Essa vlvula tem em seu corpo um bloco central que pode ser de centro aberto, ou fechado. Seu funcionamento indica que em repouso tem a sada de ar bloqueada (figura abaixo) ou totalmente liberada.

Quando apenas um de seus sinais de comando pilotado pulsado, ela comporta-se como uma vlvula de duas posies, porem quando ambos os sinais so pilotados simultaneamente(caso em que no h retorno por mola) ou nenhum pilotado (caso com retorno por mola) ela opera na condio do bloco central.

Fig. 2.10b. Vlvula de 5/3 de centro fechado.

Vlvula de 4 posies

Essa vlvula tem em seu corpo dois blocos centrais adjacentes e complementares que normalmente so de centro aberto e centro fechado. Seu funcionamento indica que em repouso tem a sada de bloqueada (figura abaixo), essa condio acontece naturalmente, uma vez que sempre opera com retorno por mola.

________________________________________________________________________________


Quando apenas um de seus sinais de comando pilotado ela comporta-se como uma vlvula de duas posies, porem quando ambos os sinais so pilotados simultaneamente ela opera na condio do bloco central ligando igualmente as vias 2 e 4 ao retorno de ar.

Fig. 2.10c. Vlvula de 5/4.

Elementos Auxiliares

So elementos presentes nos circuitos pneumticos que impelem o fluxo de ar em certo sentido, com caractersticas particulares. Alguns elementos auxiliares so destacados em seguida.

Vlvula de Reteno: permite a passagem unidirecional do fluxo de ar.

Figura 2.11. Vlvula de Reteno

Vlvula de escape rpido: permite a rpida exausto de ar da cmara de um cilindro para se obter maiores velocidades em atuadores.

3

2

1

Figura 2.12. Vlvula de Escape Rpido

Vlvula de Isolamento (Elemento OU): opera logicamente como uma lgica OU.

21 3

Figura 2.13. Vlvula de Isolamento

________________________________________________________________________________


Vlvula de Simultaneidade (Elemento E): opera logicamente como uma lgica E.

1 32

Figura 2.14. Vlvula de Simultaneidade

Vlvulas de Controle de Fluxo: podem ser bidirecionais ou unidirecionais, elas restringem o fluxo de ar com a finalidade de controle de velocidade dos atuadores.

2

1 1

2

Figura 2.15. Vlvulas de Controle de Fluxo

Vlvulas de Alvio: limitam a presso de um reservatrio evitando sua elevao acima de um ponto admissvel. Ao se ultrapassar a presso admissvel, a vlvula abre uma conexo de escape.

Figura 2.16. Vlvula de Alvio

Atuadores Pneumticos

So elementos de trabalho que convertem em trabalho a energia armazenada no ar comprimido. Estes elementos podem produzir movimentos lineares, rotativos ou oscilantes. Entre os atuadores, destacam-se os cilindros pneumticos, que so elementos formados por uma haste com mbolo dotada de movimento linear dentro de um cilindro, de tal forma que o mbolo da haste divide internamente o cilindro em duas cavidades, conforme a figura 2.17.

________________________________________________________________________________


Figura 2.17. Cilindro Pneumtico

Estes elementos podem ser dos seguintes tipos:

- Simples ao, - Dupla ao, - Dupla ao com haste dupla, - Duplex contnuo (tandem), - Duplex geminado (mltiplas posio), - Cilindros de impacto, - Cilindro de trao por cabos.

Os cilindros de simples ao tm uma conexo para ar comprimido e uma conexo para escape, podem ser de avano por mola, retorno por mola ou de retorno por fora externa. Quando o ar comprimido fornecido, o cilindro desenvolve seu movimento de avano ou de retorno. O movimento complementar realizado pela mola interna.

Figura 2.18. Cilindros de simples ao com retorno (esq.) e avano por mola (dir.)

Os cilindros de dupla ao utilizam ar comprimido para realizar trabalho em ambos os sentidos de movimento (avano e retorno).

Figura 2.19. Cilindros de dupla ao

As demais variaes e tipos de cilindros no sero detalhados nestas notas de aula. Para mais informaes sobre elementos e dispositivos, bem como para a tecnologia para o trabalho com vcuo, uma boa fonte so catlogos de fornecedores de equipamentos pneumticos. A fora esttica til exercida na ponta da haste de um cilindro depende dos seguintes fatores:

________________________________________________________________________________


- presso de trabalho do ar comprimido; - dimetro do cilindro;

- resistncia de atrito interno do cilindro; - elementos de vedao.

A fora esttica til terica dada por:

Fterica = Prelativa x A (2.2)

Onde Prelativa a presso de trabalho do ar comprimido menos a presso atmosfrica e A a rea da superfcie do mbolo do cilindro sujeita presso do ar comprimido. Desta fora terica, subtraem-se as foras opostas:

Fefetiva = Prelativa x A (Fatrito + Fmola) (2.3)

Onde Fatrito a fora de atrito imposta pelo movimento relativo entre as partes mveis do cilindro (vedaes) e Fmola a fora de resistncia exercida pela mola em cilindros de simples ao com retorno por mola.

Deve-se notar que a fora exercida no avano de um cilindro de dupla ao (2.4) diferente da fora exercida no retorno do mesmo (2.5), devido a diferena na rea til do mbolo em ambos os casos. No retorno, deve-se subtrair da rea total do mbolo (A) a rea correspondente seo da haste do cilindro, resultando em uma rea til (A) menor, conforme as equaes a seguir:

pipi

=

=

22

4r

DA (2.4)

( )4

22 pi= dDA (2.5)

Exemplo 2.1 (Clculo de Fora de Cilindros)

Dado um cilindro de dupla ao com as seguintes caractersticas: Dimetro do mbolo: 63 mm Dimetro da haste: 20 mm Presso de trabalho: 6 bar

Soluo:

________________________________________________________________________________


Pabs = 6 + 1= 7 bar (absoluta interna) Prelat = 6 bar (relativa = absoluta menos atmosfrica) Considerando-se as seguintes relaes de converso: 1 atm = 14,69 psi = 1,033 Kgf/cm2 = 1,013 bar = 760 mmHg = 10,33 mH2O = 101325

Pascal

( ) 2222

2

`

284

2,314

cmdDA

cmDA

hasteemb

mbolo

=

=

==

pi

pi

Fora de avano: FA = Pabs x Ambolo Patm x Aemb-haste (Pabs 1) x Ambolo = Prelat x Ambolo = 60N/cm2 x 31,2cm2

= 1872 N

Fora de retorno: FR = Pabs x Aemb-haste Patm x Ambolo (Pabs 1) x Aemb-haste = Prelat x Aemb-haste = 60N/cm2 x

28cm2 = 1680 N

Avaliao do consumo de ar da instalao

O consumo de ar comprimido de dada instalao pneumtica pode ser avaliado em funo do consumo individual de cada atuador da instalao. Tal informao utilizada no dimensionamento do sistema de produo e distribuio do ar comprimido. Em dada presso de trabalho, para um cilindro pneumtico de determinados dimetro e curso, o consumo de ar comprimido (Q) dado para cada movimento por:

Q = Superfcie do mbolo x Curso (2.6)

Para encontrar o consumo de ar em volume na presso atmosfrica (CNTP), multiplica-se a frmula (2.6) pela relao de compresso, conforme a Lei dos Gases Perfeitos para temperatura constante:

atm

trabalhoatm

PPP

PePe +

=

1

2 (2.7)

Resultando em:

________________________________________________________________________________


Q = Superfcie do mbolo x Curso x Relao de compresso (2.6)

Portanto, Q em cm3 por minuto (cm3/min), pode ser detalhado para um cilindro de simples ao como:

1

22

4 PePeD

nsQ = pi (2.8)

Onde s o curso do cilindro em cm e n o nmero de ciclos de trabalho por minuto e d o dimetro interno da camisa do cilindro. Para cilindros de dupla ao, a frmula para o clculo do consumo em cm3 por minuto :

( )1

2222

44 PePe

ndD

sD

sQ

+

=

pipi (2.9)

Onde d o dimetro da haste.

Exemplo 2.2 (clculo de consumo de ar comprimido)

Calcular o consumo de ar presso atmosfrica de um cilindro de ao dupla com 50 mm de dimetro, dimetro da haste de 12 mm e 100 mm de curso submetido a uma presso de trabalho de 600 kPa em uma operao de 10 ciclos por minuto.

Clculo da relao de compresso:

9,63,1013,701

3,1026003,101

3,1013,101

1

2==

+=

+=

trabalhoPPePe

Clculo do consumo:

Considerando a relao entre unidades de volume: 1l = 1000 cm3 e 1m3 = 1000l

( )( )

min/3,26min/8,26302

9,6min10444,125

42510

44

3

1222

1

2222

lcmQ

cmcmcmcmQ

PePe

ndD

sD

sQ

==

+

=

+

=

pipi

pipi

________________________________________________________________________________


Dimensionamento de vlvulas

Vlvulas de controle direcional e demais elementos pneumticos so fornecidos em diferentes medidas, tais como 1/16, 1/8, e , referente ao dimetro interno para passagem de ar. As vlvulas podem ser divididas em trs classes em relao sua funo no circuito pneumtico: - vlvulas para a atuao de cilindros - vlvulas para o sensoriamento de fim de cursos e outras funes de sensoriamento, tal como uma botoeira, - vlvulas de controle de fluxo, que realizam dada seqncia de movimento.

Das trs classes, apenas a primeira opera com altas vazes de ar. Vlvulas de sensoriamento e de controle de fluxo transmitem mais sinais em presso de que vazo propriamente dita, e podem, portanto, ser to pequenas quanto possvel por questes de custo. Por outro lado as vlvulas de atuao devem ser dimensionadas de acordo com o ciclo de trabalho, dimetro e velocidade do cilindro. Se a vlvula for pequena demais, a velocidade do cilindro ser comprometida. O dimensionamento das vlvulas realizado com base no coeficiente de vazo Cv. Define-se Cv como o nmero de gales americanos por minuto (1 galo = 3.786 litros) de gua que flui atravs da vlvula totalmente aberta, quando h uma queda de presso de 1 psi atravs da vlvula, a 60oF (15,6oC). Uma vlvula possui Cv igual a 0.8, quando a vlvula est totalmente aberta e com a presso da entrada maior que a da sada em 1 psi e a temperatura ambiente de 15,6oC, sua abertura deixa passar uma vazo de 0.8 gpm. Cada componente pneumtico como vlvulas, unidades de tratamento e filtros possuem seu Cv apresentado em catlogo. Por exemplo, uma vlvula 5/2 compacta com conexo 1/8 pode ter um Cv de 0,56. Tal coeficiente depende no somente do tamanho da vlvula, mas tambm de sua forma construtiva. A vazo mdia de ar atravs de uma vlvula pode ser calculada por:

( ) ( )++= 273272013,1400 2 ppCQ V (2.10)

Onde Q a vazo (CNTP) nominal em litros/min, P a queda de presso na vlvula admissvel em bar e P2 a presso de sada necessria para mover uma carga e a temperatura do ar em graus Celcius. A Vazo (l/min) de uma vlvula em funo da presso de trabalho tambm uma caracterstica tcnica listada em catlogo.

________________________________________________________________________________


O dimensionamento do circuito de distribuio de ar comprimido no ser abordado nestas notas de aula. Utiliza-se para tal, nomogramas (exemplificado a seguir) que relacionam o comprimento da rede (linear da tubulao + comprimento equivalente das vlvulas, junes e conexes), o vazo total da instalao, a presso de trabalho e a queda de presso admissvel para se determinar o dimetro da tubulao. O comprimento equivalente das vlvulas, junes e conexes em geral obtido de catlogo de fabricantes.

Nestes nomogramas, une-se o valor do comprimento da rede com a vazo de ar da instalao para se obter um ponto no eixo 1. Em seguida, une-se o valor da presso de trabalho com a queda de presso admissvel (em geral 0.1 bar em linhas de 6 bar) para encontrar um ponto no eixo 2. Por fim, unem-se os pontos nos eixos 1 e 2 para se obter o dimetro da tubulao.

Nomograma para dimensionamento de redes de ar comprimido

Mtodos de Projeto de Circuitos Pneumticos

O projeto de circuito pneumticos pode variar em complexidade e tamanho. Em circuitos simples, vivel a utilizao de mtodos intuitivos e baseados na experincia para o projeto. J

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para circuitos de maior porte, pode-se lanar mo de mtodos sistemticos para o projeto. Ambas as orientaes de projetos oferecem prs e contras. Independentemente do mtodo de projeto adotado, possvel a representao de movimentos e de seqncia de movimentos das seguintes maneiras, segundo o exemplo 2.1.

Exemplo 2.1. (Esteira transportadora)

Pacotes que chegam por uma esteira transportadora so levantados e empurrados pelas hastes de cilindros pneumticos para outra esteira transportadora. Devido a condies do projeto, a haste do segundo cilindro s pode retornar aps a haste do primeiro cilindro ter retornado.

Representao dos movimentos em seqncia cronolgica:

1. haste do cilindro A avana e eleva o pacote 2. haste do cilindro B avana e empurra o pacote para a segunda esteira 3. haste do cilindro A retorna sua posio inicial 4. haste do cilindro B retorna sua posio inicial

Representao dos movimentos em indicao algbrica:

Avano se indica por + Retorno se indica por

Representao: A+ B+ A- B-

Representao dos movimentos em diagrama de trajeto-passo:

Figura 2.20. Diagrama trajeto-passo

Representao dos movimentos em diagrama de trajeto-tempo.

1 2 3 4 5

CILINDRO A

CILINDRO B

1

0

1

0

________________________________________________________________________________


Figura 2.21. Diagrama trajeto-tempo

No diagrama de trajeto-tempo, ficam evidentes as diferentes velocidades de trabalho. Para o projeto do circuito pneumtico, o mtodo intuitivo o mais simples de todos os

mtodos, porm, deve ser utilizado somente em circuitos pouco complexos, que no apresentam sobreposio de sinais na pilotagem das vlvulas direcionais. Quando a seqncia for indireta, deve-se utilizar um dos mtodos sistemticos. Para se proceder com o projeto pelo mtodo intuitivo, recomendvel executar as seguintes etapas:

1. Determinar a seqncia de trabalho; 2. Elaborar o diagrama de trajeto-passo; 3. Colocar no diagrama de trajeto-passo os elementos de fim de curso; 4. Desenhar os elementos de trabalho; 5. Desenhar os elementos de comando correspondentes; 6. Desenhar os elementos de sinais; 7. Desenhar os elementos de abastecimento de energia; 8. Traar as linhas dos condutores de sinais de comando e de trabalho; 9. Identificar os elementos; 10. Colocar no esquema a posio correta dos fins de curso, conforme o diagrama de

trajeto-passo; 11. Introduzir as condies marginais.

A soluo para este projeto seria:

1 2 3 4 5=1

CILINDRO A

CILINDRO B

1

0

1

0

tempo

________________________________________________________________________________


Figura 2.21. Circuito pneumtico para a esteira transportadora

Neste diagrama, est um circuito pneumtico que resolve o diagrama trajeto-passo proposto para o problema, segundo a figura 2.22.

Figura 2.22. Trajeto-passo para a esteira transportadora

Os elementos no diagrama foram identificados numericamente, segundo a seguinte regra:

1 2 3 4 5

1.0

2.0

1

0

1

0

2.2

1.3

2.3

2

1

2

1

2

1

2

1

14

4 2

513

12 14

4 2

513

12

2 13

12

213

12

213

12

1 32

2

1 3

122

1 3

12

1.0 2.0

2.1

2.2

1.1

2.3

1.3

1.02 1.01 2.02 2. 01

1.61.2

1.4

________________________________________________________________________________


- Os elementos de trabalho so numerados como 1.0, 2.0, etc. - Para as vlvulas, o primeiro nmero est relacionado a qual elemento de trabalho elas

influem. - Para as vlvulas direcionais que acionam diretamente o pisto, o nmero a direita do

ponto par (maior do que zero) se a vlvula responsvel pelo avano do elemento de trabalho e mpar (maior do que 1) se a vlvula responsvel pelo retorno do elemento de trabalho. O nmero da direita da vrgula 1 reservado para a vlvula de controle principal do pisto.

- Para os elementos de regulagem (vlvulas de fluxo) o nmero a direita do ponto o nmero "0" seguido de um nmero par (maior do que zero) se a vlvula afeta o avano e mpar se a vlvula afeta o retorno do elemento de trabalho.

- Para os elementos de alimentao o primeiro nmero "0" e o nmero depois do ponto corresponde seqncia com que eles aparecem.

Deve-se notar que a representao de suprimento de ar comprimido simplificada por um smbolo triangular na extremidade da linha de alimentao. Um smbolo triangular semelhante, porm com orientao invertida utilizado para indicar linha aberta atmosfera, ou escape. Tambm usual a diferenciao de linhas de ar comprimido com funo relacionada a sinalizao (linhas tracejadas) das linhas com funo de alimentao dos atuadores (linhas cheias).

As vlvulas 0.1 e 0.2 de acionamento manual precisam ser acionadas simultaneamente para que o cilindro 1.0 avance como condio de partida do ciclo. Este mecanismo conhecido por bi-manual e utilizado como mecanismo de segurana.

Uma forma simplificada de se representar o mesmo circuito seria como na figura 2.23. As vlvulas de identificao de fim de curso so indicadas em suas posies e detalhadas nos circuitos de pilotagem de cada cilindro (linhas tracejadas).

________________________________________________________________________________


Figura 2.23. Circuito pneumtico simplificado para a esteira transportadora

Em circuitos onde o projeto demasiado complexo para a aplicao do mtodo intuitivo, pode-se utilizar um mtodo sistemtico. importante, neste caso, identificar se a seqncia de movimentos ou de passos direta ou indireta. Para isso dividimos a seqncia ao meio. Se as letras estiverem na mesma seqncia em ambos as partes, trata-se de uma seqncia direta, caso contrrio uma seqncia indireta. A exceo acontece quando uma letra aparece mais de uma vez em uma das partes.

Abaixo temos exemplos de seqncias diretas e indiretas:

A+ B+ | A- B- (seqncia direta) A+ B+ | B- A- (seqncia indireta) A+ C+ B- | A- C- B+ (seqncia direta) A+ B- B+ | A- B- B+ (seqncia indireta)

Em seqncias com movimentos simultneos de dois ou mais cilindros, pode-se inverter a ordem dos cilindros dentro dos parnteses sem alterar a seqncia original. Desta forma, seqncias que aparentemente so indiretas podem ser constitudas em seqncias diretas como a seguir:

A+ B- | (B+ A-) = A+ B- | (A- B+) (seqncia direta) A+ B+ (A- | C+) B- C- = A+ B+ (C+ | A-) B- C- (seqncia direta)

2

1

2

1

2

1

2

1

14

4 2

513

1214

4 2

513

12

2

1 3

122

1 3

12

2

1 3

12

1 32

2

1 3

122

1 3

12

1.0 2.0

2.1

2.2

1.1

2.31.3

1.02 1.01 2.02 2.01

1.4 1.6

1.2

2 .3 2 .2

I I1 .3

I I

________________________________________________________________________________


Sugere-se que o mtodo intuitivo deve ser aplicado somente a circuitos de seqncia direta e que caso a seqncia projetada for indireta, ento necessrio um mtodo sistemtico. A resoluo do problema da esteira transportadora pode ser realizada por um mtodo sistemtico, tal qual o mtodo cascata. A aplicao deste mtodo sistemtico em seqncias indiretas vivel conforme mencionado. Este um mtodo que consiste em se cortar a alimentao de ar comprimido dos elementos de sinal que estiverem provocando uma contrapresso na pilotagem de vlvulas direcionais, interferindo, dessa forma, na seqncia de movimentos dos elementos de trabalho. Em outras palavras, pelo mtodo cascata busca-se garantir que no se ativem ao mesmo tempo dois sinais piloto em uma vlvula direcional. O mtodo baseia-se na eliminao da possibilidade de ocorrncia de sobreposio de sinais nas vlvulas de comando dos atuadores atravs da diviso da seqncia de trabalho em grupos de movimentos e do relacionamento destes grupos com linhas de presso. Atravs da utilizao apropriada de arranjos pr-estabelecidos de vlvulas de inverso, apenas uma linha poder estar pressurizada a cada instante de tempo. O comando CASCATA resume-se em dividir criteriosamente uma seqncia complexa em varias seqncias mais simples, onde cada uma dessas divises recebe o nome de grupo de comando. No existe nmero mximo de grupos mais sim, um nmero mnimo, 2 (dois) grupos. Roteiro de aplicao do mtodo:

1 - Dividir a seqncia em grupos de movimentos, sem que ocorra a repetio de movimento de qualquer atuador em um mesmo grupo (Letras iguais com sinal algbrico oposto no podem ficar numa mesma linha ou grupo). Parte-se, portanto, da indicao algbrica da seqncia de movimentos: A + B + B - A

Diviso dos grupos: A + B + | B - A

A + B + Grupo de comando 1 B - A - Grupo de comando 2

Outros exemplos: A + B + / B - A - / B+ / B- / A + B + / B - C + / C- A - /

A + B + C + / C B A A + B + / A - / A + B -/ A - / A+ C + / C- A - /

2 - Cada grupo de movimentos deve ser relacionado com uma linha de presso. Para tanto deve ser utilizado o arranjo de vlvulas inversoras (ou de memria) que permite estabelecer o nmero de linhas de presso. Para se determinar o nmero de vlvulas que sero utilizadas no

________________________________________________________________________________


conjunto de vlvulas memria, deve-se levar em considerao o nmero de grupos de comandos (linhas), ou seja:

Numero de vlvulas = nmero de grupos - 1 (Nv = Ng 1)

O conjunto de vlvulas memria ser composto geralmente por vlvulas de quatro ou cinco vias com duas posies e acionamento por duplo piloto pneumtico positivo.

3 - Verificar ao final do ciclo, qual linha permanece pressurizada. Isto ir depender da seqncia considerada e da diviso escolhida. Exemplo: A+ B+ | A- C+ B- | C-. Nota-se neste caso a seqncia d origem a um sistema cascata com trs linhas e com a ltima linha (linha 3) pressurizada ao final do ciclo.

Quando o ltimo grupo composto por movimentos que, se unidos ao primeiro grupo no desobedece regra da primeira etapa, pode-se unir o ltimo grupo ao primeiro reduzindo assim o nmero de linhas e o nmero de memrias.

No exemplo anterior teramos a seguinte alterao possvel: C- A+ B+ | A- C+ B-

4 - Construir o sistema cascata, identificando os elementos:

Elementos de Trabalho: 1, 2, 3, 4, 5, ... Elementos de Sinal em Recuo: 1.1, 2.3, 3.3 ... Elementos de Sinal em Avano: 1.2, 2.2, 3.4 ...

5 - Construo do sistema e verificao da seqncia de comutao. Caso 1 Sistema com Duas Linhas: A primeira vlvula do conjunto alimenta o primeiro e o

segundo grupo de comando.

Figura 2.24. Circuito pneumtico de comutao cascata com dois grupos: apenas uma vlvula (Nv = Ng - 1)

Caso 2 - Para a aplicao do mtodo cascata em circuitos mais de dois grupos, cada vlvula de comando inferior ligada tomada de presso da superior pela sua via utilizao de 4.

4 2

1 3

1

2

________________________________________________________________________________


Cada via de utilizao 2 de cada vlvula inferior dever ser ligada pilotagem da vlvula superior e ao grupo consecutivo, conforme a figura 2.25.

Figura 2.25. Circuitos pneumticos de comutao cascata com cinco grupos

6 - Interligar, apropriadamente, s linhas de presso os elementos de sinal que realizam a comutao de posio das vlvulas de comando dos diversos atuadores e das vlvulas inversoras das linhas de presso. A figura 2.26 apresenta o circuito completo para o exemplo dado.

4 2

1 3

1

2

3

4 2

1 3

P 1

P 2

P 3

4

4 2

1 3P 4

5

4 2

1 3P 5

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Figura 2.26. Circuito pneumtico final em cascata

A resoluo do mesmo problema e de outros com seqncia indireta pode ser realizada por outro mtodo sistemtico, denominado mtodo passo a passo. Neste mtodo h a individualidade dos passos do diagrama, onde cada movimento individual ou simultneo ocorre baseado no comando de uma sada, a qual foi habilitada no passo anterior pelo respectivo sensor de fim de curso. Este mtodo parte da diviso da seqncia dos movimentos em grupos de movimentos individuais:

A + | B + | B - | A - I II III IV (Grupos I a IV)

Cada passo ser comandado nesta tcnica por uma vlvula 3/2 vias duplo piloto pneumtico. O nmero de vlvulas de comando igual ao nmero de passos. As vlvulas de comando apresentam trs funes bsicas:

- Despressurizar o passo de comando anterior;

4 2

1 3

1

2

4 2

1 3

4 2

1 3

A B

1.0 2.0

1.1 2.1

2.2 1 .2

I I2 .3 1 .3

I I

13

2

2

1 3

2

1 3

1.2

Partida

2

1 3

2.2

2

1 3

2.3

13

2

2

1 3

1.3

0.10.2

0.3

Cascata: A+ B+ / B- A-

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- Pressurizar a vlvula que ser acionada a fim de efetuar a mudana para o prximo passo;

- Efetuar o comando da vlvula de trabalho, dando a origem ao movimento do passo a ser executado.

A disposio das vlvulas de comando e suas ligaes so efetuadas segundo a figura 2.27, para um circuito de 5 passos:

Figura 2.27. Circuito pneumtico de comutao passo a passo com cinco grupos

A ltima etapa do mtodo a conexo dos pilotos das vlvulas direcionais ligadas aos elementos de trabalho aos grupos correspondentes, conforme a figura 2.28.

2

1 3

2

1 32

1 3

2

1 32

1 3

1

2

345

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Figura 2.28. Circuito pneumtico completo passo a passo

Tcnicas de paradas de emergncia

Geralmente se faz necessria a interrupo da seqncia de operao de uma determinada mquina, decorrente de uma dada emergncia, como um travamento, desalinhamento dos seus componentes, risco de acidente ou alguma outra situao que caracteriza um mau funcionamento. O operador realiza esta operao pressionando boto de pnico ou boto de parada de emergncia (STOP), preferivelmente grande, vermelho e de fcil acesso. Existem vrios tipos de parada de emergncia para serem escolhidos, tudo depende das consideraes adotadas para uma aplicao especifica.

Aps qualquer parada de emergncia, a causa do mau funcionamento deve ser eliminada, logo em seguida um boto de RESTART ou RESET pressionado para que o sistema retome a seqncia de funcionamento, geralmente do mesmo ponto em que foi interrompido. Este boto de RESTART no pode ser parecido com o boto de START este utilizado para a inicializao da

2

1 3

2

1 3

2

1 3

2

1 3

1

2

34

2

1 3

2

1 3

2

1 3

2

1 3

4 2

1 3

4 2

1 3

A B

1.0 2.0

1.1 2.1

2 .2

I I2 .3 1 .3

I I

0.1

0.2

0.3

0.4

1.2

2.2

2.3

1.3

Passoa a passo: A+ B+ B- A-

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seqncia do sistema, evitando assim uma confuso entre eles. Em outras palavras, o sinal de START deve afetar a operao somente aps a concluso da seqncia anterior e o sinal de RESTART deve afetar as funes em qualquer momento aps a seqncia ser interrompida por um sinal de parada.

Pode-se projetar os circuitos de STOP-RESTART com um boto pulsador operando uma vlvula 3/2 sem retorno por mola, de acordo com a Fig.2.29a. Pressionando o boto, o sinal C (continuar ciclo) interrompido e o circuito ou alguma parte dele despressurizado. Para que o circuito seja novamente pressurizado, o boto deve ser puxado na direo RESTART, pois no h retorno por mola. s vezes necessrio evitar que o operador reinicie a seqncia por conta prpria. Para isto, pode ser usada a vlvula da Fig.2.29b com dois botes. Ambos os botes surtem efeito somente quando ativados; quando so puxados no afetam a vlvula.

A vlvula apresentada pode, por exemplo, ser montada dentro de uma carcaa lacrada, com o boto de STOP do lado de fora e o boto de RESTART do lado de dentro. Isto permite que somente o supervisor que possui a chave possa verificar a causa da anomalia, antes de tomar a deciso de retomar a operao.

Figura 2.29. Vlvula de reinicio (a) com um nico boto, e botes separados para parada e reinicio (b).

Freqentemente, em grandes instalaes, necessrio que a atuao de STOP e RESTART seja feita de um local remoto, ou at mesmo por botes de STOP instalados em locais estratgicos. Um exemplo mostrado na Fig.2.30, onde so utilizados dois botes de STOP. (Para cada boto de STOP adicional, mais uma vlvula de condio ser necessria). Pressionando qualquer boto de STOP momentaneamente altera a vlvula 3/2 com duas linhas piloto a interromper o sinal C.

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Figura 2.30. Sistema de controle remoto PARADA-REINICIO com mltiplos botes de parada.

Conforme mencionado anteriormente, o sinal C pode ser utilizado em circuitos de parada de emergncia de algumas formas diferentes, conforme os circuitos apresentados a seguir.

Circuitos No Mudar e No Mover No tipo de parada de emergncia No Mudar, qualquer cilindro que esteja em repouso

quando o boto de STOP for pressionado se manter na posio de repouso. Qualquer cilindro que esteja em movimento quando o boto de STOP for pressionado completar seu ciclo e depois ir manter-se na posio de repouso.

Este mtodo requer uma vlvula 3/2 conectada a linha de fornecimento de ar para as todas as vlvulas de fim de curso, como mostra a Fig.2.31. No momento em que o sinal C interrompido, a vlvula 3/2 retorna para a sua posio normal, despressurizando todas as vlvulas de fim de curso. Uma vez neutralizadas as vlvulas de fim de curso, nenhum novo passo da seqncia poder ser iniciado. Quando o sinal C reativado pelo boto de RESTART, o ar passa novamente pela vlvula 3/2 para as vlvulas de fim de curso, e a seqncia volta do ponto em que foi interrompida. O sinal C produzido pelo circuito da Fig. 2.29 ou 2.30.

No circuito No Mover, o mesmo princpio se aplica ao fornecimento de ar comprimido para as vlvulas direcionais dos atuadores. Neste caso os cilindros sero despressurizados e ficaro livres. Este mtodo deve ser utilizado com cuidado principalmente com cilindros que suportam estruturas ou cargas.

Figura 2.31. Circuito de controle No Mudar e No Mover.

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Circuito Pisto Bloqueado No momento em que o boto de STOP pressionado, o pisto deve ser bloqueado na

posio onde est, isto , ele no deve ficar livre como no mtodo No Mover. Isto requer duas vlvulas adicionais 3/2 ou 2/2 por cilindro. Como mostra a Fig.2.32.

Figura 2.31. Circuito de controle Pisto Bloqueado.

Quando o sinal C interrompido, as duas vlvulas 3/2 voltam para suas posies normais, e ambas as vias de utilizao conectadas ao cilindro so conduzidas para uma bloqueada.

Como resultado, as vias de alimentao do cilindro so seladas bloqueando o pisto. Devido a compressibilidade do ar, o ar retido nas cmaras do cilindro no provoca um bloqueio absoluto. Para minimizar este efeito, as duas vlvulas 3/2 devem ser montadas o mais prximo possvel do cilindro para diminuir o volume de ar bloqueado. Se um bloqueio absoluto for necessrio, um circuito hidro-pneumtico deve ser utilizado.

As duas vlvulas adicionais 3/2 da Fig.2.31, podem ser eliminadas e a vlvula 5/2 de acionamento do cilindro pode ser substituda por uma vlvula 5/3 (Fig. 2.10b), isto uma vlvula de trs posies com uma posio de centro fechado. No entanto, isto requer um redesenho completo do circuito de controle, uma vez que esta vlvula sustentada pelos sinais pilotos.

Mtodo de Parada com Posio Segura Para cada cilindro, uma das duas posies + ou -, definida como posio segura, e o

pisto ir para esta ou manter esta posio quando o boto de STOP for acionado, mesmo se isto significar inverter o sentido do movimento.

A Fig.2.32 mostra este mtodo de parada aplicado em um cilindro A, para o qual - definida como a posio segura para o cilindro.

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Figura 2.32. Circuito de controle com Posio Segura.

Enquanto C = 1, ambas as vlvulas 3/2 passam os sinais A- ou A+ vindos do circuito de controle para os respectivos pilotos VA- e VA+. Quando C = 0, ambas as vlvulas 3/2 voltam para sua posio normal, ento VA+ = 0 e VA- = 1.

Uma alternativa para o atendimento de mais de um cilindro apresentada na figura a seguir.

Figura 2.33. Circuito de controle com Posio Segura para vrios cilindros.

No exemplo da Fig. 2.33, uma vlvula 5/2 necessria para bloquear o suprimento de ar para o circuito (exceto para a atuao do cilindro) quando C interrompido. Por exemplo, se o sistema de controle for do tipo cascata, a vlvula 5/2 conectada na linha de suprimento dos grupos. Deve-se notar que se C restabelecido aps uma parada de emergncia, a seqncia no necessariamente continuar como normalmente programada, porque a posio de segurana de cada cilindro pode perturbar a ordem da seqncia regular de funcionamento. Isto pode ativar um sinal de fim de curso no previsto e afetar o circuito de controle de forma inesperada. necessrio, portanto, reiniciar todo o sistema e repetir a seqncia desde o incio. Este problema deve ser considerado antes da escolha do mtodo de parada de emergncia.

Exerccios

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2.1. Comandar um Cilindro de Simples Ao Utilizando uma Vlvula Simples Piloto (Comando Indireto).

2.2. Comandar um Cilindro de Simples Ao Utilizando uma Vlvula Duplo Piloto. 2.3. Comandar um Cilindro de Simples Ao de Dois Pontos Diferentes e

Independentes (Utilizar Elemento OU). 2.4. Comandar um Cilindro de Simples Ao Atravs de Acionamento Simultneo de

Duas Vlvulas Acionadas por Boto (Comando Bimanual, Utilizar Elemento E). 2.5. Comando Bimanual com Duas Vlvulas 3/2 vias Boto Mola em Srie. 2.6. Comando Direto de um Cilindro de Dupla Ao, sem Possibilidade de Parada em

seu Curso. 2.7. Comandar um Cilindro de Dupla Ao com Paradas Intermedirias. 2.8. Comando Indireto de um Cilindro de Dupla Ao, Utilizando uma Vlvula Simples

Piloto. 2.9. Comando Indireto de um Cilindro de Dupla Ao, Utilizando uma Vlvula Duplo

Piloto e com Controle de Velocidade do Cilindro. 2.10. Comando de um Cilindro de Dupla Ao com Avano Lento e Retorno Acelerado. 2.11. Avano com Retorno Automtico de um Cilindro de Dupla Ao, com Controle de

Velocidade para Avano e Retorno (Ciclo nico). 2.12. Comando de um Cilindro de Dupla Ao com Ciclo nico, Controle de Velocidade e

Emergncia com Retorno Imediato do Cilindro. 2.13. Comando de um Cilindro de Dupla Ao, com Ciclo Contnuo Utilizando uma

Vlvula Boto Trava e Controle de Velocidade. 2.14. Comando de um Cilindro de Dupla Ao com Opo de Acionamento para Ciclo

nico ou Ciclo Contnuo. 2.15. Comando de um Cilindro de Dupla Ao com Ciclo nico ou Ciclo Contnuo e

Emergncia com Retorno Imediato do Cilindro. 2.16. Comando de um Cilindro de Dupla Ao Atravs de Trs Sinais Diferentes e

Independentes com Confirmao de Posio Inicial. 2.17. Comando de um Cilindro de Dupla Ao com Controle de Velocidade, Ciclo

Contnuo Utilizando Vlvula Boto Trava. Retorno do Cilindro Atravs de Presso Diferencial do Sistema.

2.18. Comando de um Cilindro de Dupla Ao, Avano Acelerado, Retorno Lento, Ciclo Contnuo.

2.19. Comando de um Cilindro de Dupla Ao, Controle de Velocidade, Ciclo Contnuo com um Boto de Partida e um Boto de Parada.

2.20. Projetar um Circuito em Ciclo nico, Ciclo Contnuo e Parada do Ciclo Contnuo para um Cilindro de Dupla Ao.

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2.21. Elaborar um Sistema com Forma Seqencial A + B + A - B -, com Comando Bimanual para Cilindros de Dupla Ao.

2.22. Elaborar um Sistema com Forma Seqencial A + B + A - B -, Ciclo Contnuo, Emergncia, com Temporizao para Incio de Avano do Cilindro B para Cilindros de Dupla Ao.

2.23. Elaborar um Sistema com Forma Seqencial A + B + B - A -, Ciclo Contnuo, com Controle de Velocidade para Cilindros de Dupla Ao.

2.24. Elaborar um Sistema com Forma Seqencial A + B + B - A -, Ciclo Contnuo, com Controle de Velocidade, Ciclo nico, Parada de Ciclo Contnuo para Cilindros de Dupla Ao.

2.25. Elaborar um Sistema com Forma Seqencial A - B + (A + B -), com Comando Atravs de Bloco Bimanual, e Emergncia para Cilindros de Dupla Ao.

2.26. Elaborar um Sistema com Forma Seqencial A + B + (C + B -) C - A -, Ciclo Contnuo, Emergncia, Parada de Ciclo Contnuo, Cilindro A de Simples Ao.

2.27. Elaborar um Sistema com Forma Seqencial A + B + B - A -, Ciclo Contnuo, com Controle de Velocidade, sem Utilizao de Fim de Curso Gatilho para Cilindros de Dupla Ao.

2.28. Elaborar um Sistema com Forma Seqencial A + (B + C -) B - (A - C +), Ciclo Contnuo, Cilindro C de Simples Ao, Utilizao de Fim de Curso Rolete Mola.

2.29. Elaborar um Sistema com Forma Seqencial A + B + B - A - B + B -, com Comando Bimanual para Cilindros de Dupla Ao.

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Acionamento e Circuitos Eletro-pneumticos

Nas aplicaes e circuitos desenvolvidos no captulo anterior, a nica forma de transmisso de sinais e de energia foi a pneumtica. possvel, entretanto utilizar-se da energia e de circuitos eltricos em combinao com sistemas pneumticos caso a energia eltrica possa ser empregada, visto que esta forma de energia amplamente disponvel na maioria das plantas industriais. Para que seja possvel a utilizao de ambas as formas de energia em dada aplicao, caracterizando os circuitos mistos resultantes como Eletro-pneumticos, necessrio o uso de componentes de entrada e de sada de sinais eltricos, alm dos componentes pneumticos em si. Este captulo inicia, desta forma, pela especificao de alguns dos componentes eltricos empregados em sistemas eletro-pneumticos.

Botoeiras

As botoeiras so chaves eltricas acionadas manualmente que apresentam, geralmente, um contato aberto e outro fechado. De acordo com o tipo de sinal a ser enviado ao comando eltrico, as botoeiras so caracterizadas como pulsadoras ou com trava.

Botoeira PulsadoraNA

Botoeira PulsadoraNF

Figura 3.1. Simbologia de botoeiras do tipo pulsadoras

As botoeiras pulsadoras s acionam seus contatos frente a ao externa do operador. To logo o operador cesse o acionamento do boto, os contatos voltam posio inicial. As botoeiras com trava mudam de estado frente a ao do operador, mas s retornam posio anterior quando novamente acionadas.

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Figura 3.2. Simbologia de botoeiras com trava

Um tipo especial de botoeira com trava, acionada por boto do tipo cogumelo geralmente vermelho, muito usada como boto de emergncia para o desligamento de circuitos eltricos em momentos crticos.

Chaves de Fim de Curso

As chaves fim de curso, assim como as botoeiras, so comutadores eltricos de entrada de sinais, s que acionados mecanicamente. As chaves fim de curso so, geralmente, posicionadas no decorrer do percurso de cabeotes mveis de mquinas e equipamentos industriais, bem como das hastes de cilindros hidrulicos e ou pneumticos.

O acionamento de uma chave fim de curso pode ser efetuado por meio de um rolete mecnico ou de um rolete escamotevel, ou gatilho. Chaves fim de curso acionadas por gatilho somente invertem seus contatos quando o rolete for atuado em um dos sentidos: da esquerda para a direita, por exemplo. No sentido contrrio, uma articulao mecnica faz com que a haste do mecanismo dobre, sem acionar os contatos comutadores da chave fim de curso.

?

Chave de Fim de Curso NA

?

Chave de Fim de Curso NF

Figura 3.3. Simbologia de chaves de fim de curso com acionamento por rolete mecnico

Sensores de Proximidade

Os sensores de proximidade, assim como as chaves fim de curso, so elementos emissores de sinais eltricos, os quais so posicionados no decorrer do percurso de cabeotes mveis de mquinas e equipamentos industriais, bem como das hastes de cilindros hidrulicos e/ou pneumticos. O acionamento dos sensores, entretanto, no depende de contato fsico com

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as partes mveis dos equipamentos, basta apenas que estas partes aproximem-se dos sensores a uma distncia que varia de acordo com o tipo de sensor utilizado. Os mais empregados na automao de mquinas e equipamentos industriais so os sensores capacitivos, indutivos, pticos, magnticos e ultra-snicos, alm dos sensores de presso, volume e temperatura, muito utilizados na indstria de processos. Estes sensores possuem dois cabos de alimentao eltrica, sendo um positivo e outro negativo, e um cabo de sada de sinal.

? ?Sesor de Proximidade NA

Sensor de Proximidade NF

Figura 3.4. Simbologia genrica para sensores de proximidade

Sensores de Proximidade Indutivos

Os sensores de proximidade indutivos so capazes de detectar apenas materiais metlicos, a uma distncia que oscila de 0 a 2 mm, dependendo tambm do tamanho do material a ser detectado e das caractersticas do sensor.

Figura 3.5. Simbologia de sensores de proximidade do tipo indutivo

Sensores de Proximidade Capacitivos

Os sensores de proximidade capacitivos registram a presena de qualquer tipo de material. A distncia de deteco varia de 0 a 20 mm, dependendo da massa do material a ser detectado e das caractersticas do sensor.

Figura 3.6. Simbologia de sensores de proximidade do tipo capacitivo

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Sensores de Proximidade ticos

Os sensores de proximidade pticos detectam a aproximao de qualquer tipo de objeto, desde que este no seja transparente. A distncia de deteco varia de 0 a 100 mm, dependendo da luminosidade do ambiente. Normalmente, os sensores pticos so construdos em dois corpos distintos, sendo um emissor de luz e outro receptor. Quando um objeto se coloca entre os dois, interrompendo a propagao da luz entre eles, um sinal de sada ento enviado ao circuito eltrico de comando.

Outro tipo de sensor de proximidade ptico, muito usado na automao industrial, o do tipo reflexivo no qual emissor e receptor de luz so montados num nico corpo, o que reduz espao e facilita sua montagem entre as partes mveis dos equipamentos industriais.

Figura 3.7. Simbologia de sensores de proximidade do tipo tico

Sensores de Proximidade Magnticos

Os sensores de proximidade magnticos detectam apenas a presena de materiais metlicos e magnticos, como no caso dos ims permanentes. So utilizados com maior freqncia em mquinas

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