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UNIVERSIDADE DO PLANALTO CATARINENSE DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS CURSO DE INFORMÁTICA (BACHARELADO) SISTEMA DIDÁTICO MISTURADOR DE TINTAS A PARTIR DE CORES PRIMÁRIAS CLAUDINEI ALVES DE BARROS LAGES, NOVEMBRO DE 2006.

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Page 1: 737-1489-1-SM

UNIVERSIDADE DO PLANALTO CATARINENSE

DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS

CURSO DE INFORMÁTICA

(BACHARELADO)

SISTEMA DIDÁTICO MISTURADOR DE TINTAS A PARTIR DE

CORES PRIMÁRIAS

CLAUDINEI ALVES DE BARROS

LAGES, NOVEMBRO DE 2006.

Page 2: 737-1489-1-SM

UNIVERSIDADE DO PLANALTO CATARINENSE

DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS

CURSO DE INFORMÁTICA

(BACHARELADO)

SISTEMA DIDÁTICO MISTURADOR DE TINTAS A PARTIR DE

CORES PRIMÁRIAS

Relatório do Trabalho de Conclusão de

Curso submetido à Universidade do

Planalto Catarinense para obtenção dos

créditos de disciplina com nome

equivalente no curso de Informática -

Bacharelado.

CLAUDINEI ALVES DE BARROS

Orientador: Prof. Carlos Roberto da

Silva Filho, M. Eng.

LAGES, NOVEMBRO DE 2006.

Page 3: 737-1489-1-SM

iii

SISTEMA DIDÁTICO MISTURADOR DE TINTAS A PARTIR DE CORES

PRIMÁRIAS

CLAUDINEI ALVES DE BARROS

ESTE RELATÓRIO, DO TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO, FOI

JULGADO ADEQUADO PARA OBTENÇÃO DOS CRÉDITOS DA

DISCIPLINA DE TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO DO VIII

SEMESTRE, OBRIGATÓRIA PARA OBTENÇÃO DO TÍTULO DE:

BACHAREL EM INFORMÁTICA

Prof. Carlos Roberto da Silva Filho, M.Eng.

Orientador

Prof. Rogério Tadeu Santana, Bac.

Co-Orientador

BANCA EXAMINADORA:

Prof. Marconi Januário, Esp.

GRUCAD/UFSC

Prof. Douglas Nazareno Debiazi Vargas,

M. Sc.

Instituição

Prof. Angelo Augusto Frozza, Esp.

Supervisor de TCC

Prof. Wilson Castello Branco Neto, Dr.

Coordenador de Curso

Lages, novembro de 2006.

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iv

Dedico...

Este trabalho aos meus pais Sebastião e

Maria Hilda, à minha noiva Rossana e a

todos que sempre me apoiaram nos

momentos mais importantes da minha vida.

Page 5: 737-1489-1-SM

v

Agradeço...

Ao meu orientador Professor Carlos

Roberto Silva Filho, que sempre me ajudou

e incentivou. Igualmente agradeço aos

meus amigos e familiares que sempre me

apoiaram e auxiliaram na condução da

minha vida acadêmica.

Page 6: 737-1489-1-SM

vi

“O amor nunca falha e a vida não falhará

enquanto houver Amor. Seja qual for a sua

crença, ou sua fé busque primeiro o Amor.

Ele está aqui, existindo agora, neste

momento. O pior destino que um homem

pode ter é viver e morrer sozinho, sem

amar e sem ser amado. O poder da vontade

não transforma o homem. O tempo não

transforma o homem. O amor transforma.”

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SUMÁRIO

LISTA DE ILUSTRAÇÕES ...................................................................................... IX

LISTA DE SIGLAS .................................................................................................... XI

RESUMO .................................................................................................................... XII

ABSTRACT ............................................................................................................. XIII

1 INTRODUÇÃO ................................................................................................................ 1

1.1 Apresentação ............................................................................................................. 1

1.2 Descrição do problema .............................................................................................. 2

1.3 Justificativa ................................................................................................................ 2

1.4 Objetivo geral ............................................................................................................ 3

1.5 Objetivos específicos ................................................................................................. 3

1.6 Metodologia ............................................................................................................... 4

2 COMPONENTES ELÉTRICOS ......................................................................................... 6

2.1 Motores elétricos de indução ..................................................................................... 6

2.1.1 Identificação de motores de indução com rotor em gaiola ............................................... 7

2.1.2 Características de operação de motores monofásicos de indução ................................. 10

2.1.3 Especificações de motores elétricos para uma determinada aplicação ......................... 11

2.2 Sensor ...................................................................................................................... 12

2.2.1 Sensores digitais .............................................................................................................. 13

2.2.2 Transdutor ....................................................................................................................... 13

2.2.3 Transmissor ..................................................................................................................... 14

2.2.4 Definições importantes de sensores ................................................................................ 15

2.2.5 Sensores de nível ............................................................................................................. 15

2.3 Válvulas ................................................................................................................... 26

2.3.1 Válvula globo ................................................................................................................... 28

2.3.2 Válvula borboleta ............................................................................................................ 30

2.3.3 Válvula esfera .................................................................................................................. 31

2.3.4 Válvula solenóide ............................................................................................................ 31

2.4 Inversor de freqüência ............................................................................................. 32

2.4.1 Curva tensão e freqüência do inversor ........................................................................... 33

2.4.2 Parametrização típica de um inversor ............................................................................ 36

2.5 Sistemas automatizados (CLPs). ............................................................................. 39

2.5.1 Introdução sistema de controle. ...................................................................................... 39

2.5.2 Controlador Lógico Programável (CLP) ........................................................................ 39

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viii

2.5.3 Arquitetura Básica do PLC ............................................................................................. 40

2.5.4 Processador ..................................................................................................................... 41

2.5.5 Sistema de Memória ........................................................................................................ 41

2.5.6 Memória de aplicação. .................................................................................................... 42

2.5.7 Circuitos ou módulos de I/O ............................................................................................ 42

2.5.8 Os Módulos de I/O ........................................................................................................... 43

2.5.9 Módulos discretos ............................................................................................................ 44

2.5.10 Módulos discretos de entrada ....................................................................................... 44

2.5.11 Módulos discretos de saída ........................................................................................... 45

2.5.12 Configuração de sistema I/O ......................................................................................... 46

2.5.13 Base local ...................................................................................................................... 46

2.5.14 Expansão local .............................................................................................................. 47

2.5.15 Expansão remota ........................................................................................................... 47

2.5.16 Programação de PLC .................................................................................................... 48

2.5.17 Linguagem LADDER (LD ladder diagrama) ................................................................ 48

2.5.18 Linguagens definidas na norma IEC 61131-3 ............................................................... 49

2.5.19 Ciclo resumido de execução do PLC ............................................................................. 50

2.5.20 Aspectos históricos do controlador lógico programável (CLP) ................................... 50

2.5.21 Definições importantes .................................................................................................. 53

2.5.22 Entrada e saída discretas .............................................................................................. 54

2.5.23 Atuadores ....................................................................................................................... 55

2.6 Conclusão ................................................................................................................ 56

3 SISTEMA SUPERVISÓRIO SCADA .............................................................................. 57

3.1.1 Área de aplicação ............................................................................................................ 57

3.1.2 Sistemas SCADA – conceitos ........................................................................................... 58

3.1.3 Sistema Elipse SCADA .................................................................................................... 59

3.1.4 Elementos de um sistema de supervisão e controle ......................................................... 61

4 DESENVOLVIMENTO DO SISTEMA ................................................................. 63

4.1 Controlador lógico programável .............................................................................. 63

4.2 Sensores de nível ..................................................................................................... 64

4.3 Sensor de referência ................................................................................................ 65

4.4 Válvula solenóide .................................................................................................... 66

4.5 Motobomba .............................................................................................................. 66

4.6 Inversor de freqüência ............................................................................................. 67

4.7 Motor Trifásico de indução ..................................................................................... 68

4.8 Reservatórios ........................................................................................................... 69

4.9 Implementação do Sistema ...................................................................................... 70

4.10 Funcionamento do sistema .................................................................................... 75

4.11 Conclusão .............................................................................................................. 77

5 CONSIDERAÇÕES FINAIS ................................................................................... 78

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ...................................................................... 80

ANEXOS....................................................................................................................... 82

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ix

LISTA DE ILUSTRAÇÕES

FIGURA 1 - Motor Elétrico de Indução ..................................................................... 6

FIGURA 2 - Sensor Ultra-sônico ............................................................................. 25

FIGURA 3 - Componentes de uma válvula de controle .......................................... 26

FIGURA 4 - Funcionamento interno da válvula ...................................................... 27

FIGURA 5 - Válvula globo ...................................................................................... 29

FIGURA 6 - Válvula globo com sede dupla ............................................................ 29

FIGURA 7 - Válvula borboleta ................................................................................ 30

FIGURA 8 - Válvula tipo esfera .............................................................................. 31

FIGURA 9 - Válvula Solenóide ............................................................................... 32

FIGURA 10 - Exemplo de um inversor de freqüência ............................................... 32

FIGURA 11 - Exemplo de uma curva de tensão x freqüência de um inversor .......... 33

FIGURA 12 - Interface homem-máquina de um inversor Moeller ............................ 35

FIGURA 13 - Diagrama de bloco da composição interna típica de um inversor ...... 36

FIGURA 14 - Estrutura básica de uma CPU .............................................................. 41

FIGURA 15 - Estrutura básica do sistema de memória. ............................................ 42

FIGURA 16 - CLP compacto ..................................................................................... 43

FIGURA 17 - CLP modular WEG ............................................................................. 43

FIGURA 18 - Exemplo de Programação em Linguagem Ladder. ............................. 48

FIGURA 19 - Fluxograma Básico do Sistema de Operação de um PLC................... 50

FIGURA 20 - Diagrama esquemático ........................................................................ 55

FIGURA 21 - Ferramenta organizer ........................................................................... 59

FIGURA 22 - Sistema desenvolvido com SCADA .................................................... 60

FIGURA 23 - Sistema desenvolvido com SCADA .................................................... 60

FIGURA 24 - Controlador lógico programável ......................................................... 64

FIGURA 25 - Sensores ............................................................................................... 64

FIGURA 26 - Sensor referência ................................................................................. 65

FIGURA 27 - Válvula ................................................................................................ 66

FIGURA 28 - Motor monofásico de indução ............................................................. 67

FIGURA 29 - Inversor de freqüência ......................................................................... 67

FIGURA 30 - Motor trifásico de indução .................................................................. 68

(Fonte: Laboratório de automação CCET) .................................................................... 68

FIGURA 31 - Protótipo do Sistema ........................................................................... 69

FIGURA 32 - Declaração de variáveis de campo ...................................................... 70

FIGURA 33 - Parte do sistema que informa a condição do sensor de nível alto ....... 71

Page 10: 737-1489-1-SM

x

FIGURA 34 - Tela do supervisório com setpoint de tempo ....................................... 72

FIGURA 35 - Tag tempo de mistura .......................................................................... 73

FIGURA 36 - Configuração do driver ....................................................................... 74

FIGURA 37 - Misturador com o motor acoplado ao eixo mecânico ......................... 75

FIGURA 38 - Painel de acoplamento ......................................................................... 75

FIGURA 39 - Diagrama esquemático do sistema ...................................................... 76

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xi

LISTA DE SIGLAS

CLP - Controlador Lógico Programável

RAM - Random Acces Memory

ROM - Read Only Memory

SCADA - Supervisory Control And Data Acquisition

LADDER - RLL-Relay Ladder Logic

CPU - Central processing unit

CNC - Controle numérico computadorizado

CA - Corrente Alternada

DC - Corrente Continua

ON - Ligado

OF - Desligado

NBR - Normas Brasileiras

PLC - Programmable logic controller

NPS - Nível de pressão sonora

PWM - Pulse-width Modulated Inverters

NEMA - National Electrical Manufacturers Association

RPM - Rotações por minutos

PSI - Medida de pressão

IEC - International Electrotechnical Commission

TDR - Time Domain Reflectometer

IHM - Interface homem máquina

IGBT - Insulated Gate Bipolar Transistor

CNC - comando numérico computadoreizado

EPROM - read-only memory

EEPROM - Erasable Programmable Read-Only Memory

I/O - Imput/Output

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xii

RESUMO

Os sistemas de mistura são amplamente utilizados na indústria, para controle de

dosagem e obtenção de misturas homogêneas de dois ou mais elementos. Como

exemplo, nas indústrias fabricantes de água sanitária, produtos de limpeza, balas,

tintas, entre outros.

Este trabalho busca, através da automação industrial, implementar um sistema didático

de controle de mistura em que a cor base é distribuída em reservatórios acoplados,

impulsionada pela gravidade, onde o controle de vazão é efetuado por equipamentos e

dispositivos existentes no laboratório da Universidade, tais como controlador lógico

programável (CLP), sensor de nível, motobomba, válvula solenóide e motor trifásico

de indução.

O controlador lógico programável é o responsável pelo controle dos processos, com a

função de armazenar o programa de controle, bem como receber os sinais de entrada e

ativar as saídas.

Este processo é controlado em tempo real na tela de um computador através de um

sistema supervisório, utilizando uma interface gráfica, facilitando o monitoramento do

processo pelo operador.

Com esse sistema será possível a definição de receitas de misturas, reduzindo o

desperdício de matéria-prima, facilitando a execução do processo e a obtenção de

resultados com maior rapidez e qualidade.

Palavras-chave: Automação Industrial, Controlador Lógico Programável, Motobomba,

Controle de Processo, Sistema Supervisório.

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xiii

ABSTRACT

The sistems of misture are wide by used in the industry, for control of dosage and

attainment of homogeneous mistures of two or more elements.

As exemple in the industries of sanitary water, cleannes products, candies, inks, among

others.

This work searches through the industrial automation to implement a didatic system of

misture control, where the base color is distributed in connected reservoirs, stimulated

for the gravity, where the control of the out flow is effected by equipaments and

devices existing in the laboratory of University, such as: programmable logical

controller (PLC), level sensor, engine pump, valve solenoid and three phase eingine of

enduction.

The programmable logical controller it is the responsible one for the control of the

process, with the function of to store the control program, as well as receiving the

signals from entrances and activatig the exists.

This process is controlled in a real time in the computer screem through a supervisory

system using a grafical interface facilitating the monitoring of the process for the

operator. With this system will be possible the definition of prescriptions of mixtures,

reducing wasterfulness of raw material, facilitating the execution of the process and

the attainmet of results with bigger repididy and fuality.

Key-words: industrial automation, programmable logical controller, engine pump,

control of process, supervisory system.

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1 INTRODUÇÃO

1.1 Apresentação

Sistemas de controle e de automação vêm sendo implantados nas mais

diversas indústrias com o objetivo de minimizar os custos com a produção, substituir

mão-de-obra direta no processo de manufatura, aumentar a qualidade e a

produtividade, entre outros benefícios. A automação industrial vem utilizando

intensivamente componentes conhecidos como controladores lógicos programáveis,

para armazenar e comandar o processo de produção manufaturada. Os controladores

lógicos programáveis, conhecidos por CLPs, armazenam o programa de controle do

processo do produto a ser manufaturado (GEOGINI; 2002).

Os sistemas industriais envolvem atividades variadas, como produção de

alimentos industrializados, petróleo, automóveis, produtos químicos, fertilizantes,

peças automotivas, papel, tintas, entre outros. Em determinados segmentos industriais,

são necessários sistemas misturadores, que são responsáveis por elaborar uma

composição de um produto a partir de uma receita. Como exemplo de um processo

famoso, obtido a partir de uma receita, pode-se citar a fabricação da Coca-cola. A

receita da Coca-cola é guardada a como segredo industrial, (A importância da cor em

ambientes de trabalho – BATTISTELLA; 2003), (Procedimento para mensuração e

redução das perdas em processos de fabricação de tintas – SARTORI; 2003),

(Automação na indústria de tintas – ABRAFATI; 1997) e o (Controle da dosagem de

metabissulfito de sódio em efluentes contendo cromo hexavalente - PIMENTEL;

2003).

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2

Este trabalho está relacionado aos sistemas misturadores, onde busca

implementar de modo didático um sistema que simule a mistura de ingredientes na

formação de cores de tintas. No caso, o líquido a ser misturado será água com corante,

onde o resultado esperado é uma cor formada a partir das cores primárias.

O trabalho está dividido em três capítulos, o capítulo dois descreve os

componentes empregados no sistema. Os componentes a serem empregados são:

motor trifásico de indução, inversor de freqüência, sensor de nível, CLPs, e uma

bomba d’água. Neste capítulo são descritas as características dos componentes,

abordando seus conceitos e características específicas. O capítulo três apresenta o

sistema de controle de nível e mistura dos ingredientes, além das receitas e programas,

no processo de mistura. Neste caso são apresentados, o sistema de controle de nível, o

sistema de controle de mistura, os set points da receita e a integração do sistema.

1.2 Descrição do problema

O processo de mistura de componentes líquidos ou sólidos pode ser aplicado

a várias indústrias. Estes processos, muitas vezes não acabam do modo que se

pretendia, entretanto, o processo de mistura exige cuidados com a manipulação dos

ingredientes e também à aplicação de uma receita, que determina o produto final. Em

muitos casos o desperdício de matéria prima e exorbitante, fazendo que as empresas

tenham uma taxa de prejuízo acima da média tolerada. Tendo em consideração estes

fatos temos que determinar um sistema que simule o processo de dosagem das cores

primárias das tintas para formação de outras cores, sem que haja desperdício de

matéria-prima. Neste caso é preciso uma programação de receitas para cada cor a ser

produzida.

1.3 Justificativa

Várias indústrias aplicam sistemas de mistura de ingredientes. Entre estas

indústrias, encontra-se a indústria alimentícia, por exemplo, a fabricação de balas,

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3

onde são misturados componentes como adoçantes, corantes, aromatizantes, licores e

tantos outros ingredientes no processo de formação da cor, sabor, formato e tamanho

da bala. Uma outra indústria que precisa de sistemas de misturadores é a indústria de

tintas, o que será considerado a formação da tinta em si, pelo refino do petróleo, no

caso de tintas sintéticas, até a formação das cores das tintas pela adição de corantes.

O estudo para o desenvolvimento deste protótipo vai auxiliar os

profissionais, que precisam de um sistema e uma máquina, para suas misturas de tintas

sejam em 100% confiáveis e para que sejam confeccionadas exatamente as cores que

se quer produzir, sem que haja o desperdício exagerado de matéria-prima.

O trabalho irá empregar os conceitos envolvidos em outros trabalhos, como o

trabalho de um sistema de controle de velocidade (AMARAL, 2002), o sistema de

controle de nível de líquidos desenvolvido por (MORAIS, 2002), além de sistemas

supervisório encontrados nos trabalhos (OLIVO, 2004) e sistema de controle de nível

com tanques acoplados (MORETTO, 2005).

1.4 Objetivo geral

O objetivo geral do trabalho é desenvolver um sistema de controle e

supervisão de dosagem de tintas para formação de uma cor a partir das cores

primárias.

1.5 Objetivos específicos

Os objetivos específicos do trabalho são:

Especificar os componentes de controle de dosagem de tintas, considerando os

componentes a serem montados;

Especificar o hardware e o software de um sistema de controle de um misturador

de tinta, considerando as características de Controladores Lógicos Programáveis e

seu software de programação;

Identificar uma ferramenta de desenvolvimento de sistema supervisório para

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4

implementação sistema de monitoramento;

Implementar o sistema de controle e de supervisão do sistema de dosagem das

tintas primárias para formação da cor;

1.6 Metodologia

O trabalho iniciou-se com uma revisão bibliográfica de aplicações de CLPs

na indústria, em especial em sistemas de controle de dosagem. Na revisão

bibliográfica, foram definidos também os conceitos dos componentes envolvidos no

controle de dosagem. Entre estes componentes pode-se citar: Controladores Lógicos

Programáveis, válvulas, inversor de freqüência, motor de indução trifásico e sistemas

de supervisão. Após as especificações e análises destes componentes, os mesmos

foram integrados no conjunto do sistema de controle. As características dos

componentes foram indispensáveis para o desenvolvimento do sistema.

Posteriormente iniciou-se o processo de testes e de programação com os

dispositivos envolvidos, considerando a integração dos mesmos no programa de

controle. Para tal, foram identificadas às características do ambiente de

desenvolvimento do sistema de controle, considerando o Software do programa de

controle e de monitoramento. Para o programa de monitoramento foram descritos

alguns sistemas supervisórios existentes no mercado e o sistema a ser utilizado.

Por fim, desenvolveu-se o sistema para geração das configurações a serem

programadas (parametrizadas) no inversor de freqüência. Identificou-se a freqüência

de rotação para mistura das tintas para determinar o parâmetro do programa de

controle de mistura. Este parâmetro determinou o valor numérico que foi inserido no

programa de controle, para parametrização da freqüência do inversor. Posteriormente,

foi ajustada a velocidade do misturador, definindo a velocidade de giro do motor,

sendo o ajuste do controle de velocidade efetuado no inversor de freqüência. Uma vez

determinados tais parâmetros, implementou-se o sistema de controle global no

Controlador Lógico Programável em linguagem LADDER. Após os testes do programa

de controle, iniciou-se a marcação dos endereços de memória do CLP para leitura dos

Page 18: 737-1489-1-SM

5

dados de processo pelo sistema supervisório. Após a determinação dos endereços de

memória utilizados, o sistema supervisório lê os dados do processo e, neste ponto,

inicia-se o desenvolvimento do sistema de monitoramento.

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2 COMPONENTES ELÉTRICOS

Na indústria, existem vários tipos de componentes para nos auxiliar a realizar

um controle de processo produtivo. Anteriormente, foram abordados alguns

dispositivos que são comuns na indústria, tais como, os controladores lógicos

programáveis, sensores e válvulas.

Todavia, além dos dispositivos de controle, os processos industriais precisam

de componentes que façam o trabalho acontecer. Esse trabalho está associado a um

movimento mecânico, uma variação de pressão e temperatura, entre outros.

Na indústria para a realização de trabalhos mecânicos, tem-se como fonte de

força e movimento os motores elétricos. Eles são amplamente utilizados nos processos

produtivos industriais, mas principalmente para a realização de tarefas mecânicas.

2.1 Motores elétricos de indução

O motor utilizado é o de indução trifásico, que é acionado através de uma

corrente elétrica alternada ficando o mesmo responsável pelo acionamento mecânico

do motor trifásico (figura 1).

FIGURA 1 - Motor Elétrico de Indução

(Fonte: laboratório de automação CCET-2006)

Page 20: 737-1489-1-SM

7

Estes motores possuem duas partes básicas: o estator e o rotor. O estator é

formado por três elementos: a carcaça, que corresponde à estrutura de suporte do rotor;

o núcleo, constituído de chapas magnéticas adequadamente fixadas ao estator; e os

enrolamentos, constituídos de material condutor isolado e dispostos sobre o núcleo. O

rotor também é constituído de três elementos básicos: o eixo, responsável pela

transmissão da potência mecânica gerada pelo motor; o núcleo, constituído de chapas

magnéticas; e os enrolamentos, constituídos de material condutor e dispostos sobre o

núcleo.

Os motores elétricos trifásicos de indução podem ser construídos de duas

maneiras: com rotor bobinado e com rotor em gaiola. Os motores com rotor bobinado

são muito usados em projetos industriais, principalmente quando se necessita de

controle adequado à movimentação de carga, ou se deseja acionar uma dada carga

através de um reostato de partida. Já, os motores com rotor em gaiola são os mais

populares e são usados em larga escala na indústria (ZACCARON, 2003).

Os motores com rotor bobinado são construídos com o rotor envolvido por

um conjunto de bobinas, normalmente interligadas, em configuração estrela, com os

terminais conectados a três anéis, presos mecanicamente ao eixo do motor, porém

isolados eletricamente e ligados através de escovas condutoras a uma resistência

trifásica, provida de cursor rotativo. Assim, as resistências são colocadas em série com

o circuito do enrolamento do rotor e a quantidade utilizada depende do número de

estágios de partida adotada, que, por sua vez, é dimensionado em função

exclusivamente do valor da máxima corrente admissível para acionamento de carga.

2.1.1 Identificação de motores de indução com rotor em gaiola

Os motores elétricos, normalmente apresentam uma placa de identificação

que contém as características especificadas pelo fabricante do motor. Estas

informações apresentam para quais aplicações o motor foi projetado, se ele é

apropriado para ser instalado em determinados locais, qual será o seu comportamento

em excesso de carga, e demais informações que devem ser consideradas ao se utilizar

um motor na indústria.

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8

As especificações mais comumente fornecidas pelo fabricante são: norma

sob qual o motor está vinculado, o nome do fabricante, polaridade, rotações, potência,

corrente nominal, tensão/freqüência, fator de potência, categoria, rendimento, grau de

proteção, fator de serviço, tipos de ligações e regime de trabalho.

Estas especificações de motores normalmente são apresentadas pelo

fabricante na forma de uma placa de identificação do motor.

Dentre as especificações apresentadas pelo fabricante, pode-se citar

(MORETTO, 2005):

Norma sob a qual o motor está vinculado: de acordo com o mercado em que o

motor esteja inserido, o mesmo deve atender a alguns requisitos as que estão

normalizados. Tem-se como exemplo, vender para a União Européia, o motor deve

seguir a norma IEC 34.1, se for aos Estados Unidos ele deve seguir a norma

NEMA, e no Brasil a NBR 7094;

Potência: É a potência que o motor fornece no eixo, em regime continuo, sem

exceder os limites, permitidos pela norma, de temperatura dos enrolamentos;

Fabricante: Apresenta o nome do fabricante do motor;

Rotações: Especifica o numero de rotações por minuto (RPM) do motor;

Polaridade: é a forma com que o enrolamento estatórico pode ser bobinado,

portanto de acordo com o enrolamento do estator, serão formados dois ou quatro

pólos magnéticos no motor, por exemplo;

Tensões/freqüência: A tensão específica é a quantidade de volts que o motor

precisa operar. As tensões nominais mais utilizadas em instalações elétricas

industriais são 220V, 380V e 440V. A freqüência é, em Hertz, a quantidade da

variação da tensão elétrica fornecida. No Brasil, a freqüência nominal oferecida

pelas concessionárias de distribuição de energia é padronizada em 60 Hz;

Fator de potência: é a relação existente entre o componente ativo da potência e o

valor desta mesma potência. O fator de potência é um número adimensional,

porque é uma relação entre duas quantidades representadas pela mesma unidade

(potência);

Corrente nominal: é a corrente solicitada da rede de alimentação pelo motor,

Page 22: 737-1489-1-SM

9

trabalhando à potência nominal, com tensões e freqüências nominais;

Classe de isolamento: relacionados aos materiais isolantes e sistemas de isolação

classificados em classes de isolamento, cada qual, definida pelo respectivo limite

de temperatura que o material suporta continuamente, ou seja, a maior temperatura

que o material pode suportar, sem afetar a vida útil do mesmo;

Categoria: observa o conjugado de um motor em relação à sua velocidade e a

corrente de partida. Os motores de indução com rotor em gaiola são classificados

em categorias, onde cada uma é adequada a um dado tipo de carga e estas

categorias são definidas na norma NBR 7094;

Regime do trabalho: determina os diferentes tipos de funcionamento, por exemplo,

em regime intermitente, em regime contínuo, entre outras características dos

regimes de serviços de motores podem ser encontradas na NBR 7094;

Grau de proteção: além de sua acessibilidade, observam os revestimentos dos

equipamentos elétricos, conforme características do local em que serão instalados;

A norma NBR 6146 define os graus de proteção dos equipamentos elétricos por

meio das letras IP seguidas de dois algarismos;

Tipos de ligação: define o modo como são conectados os terminais das bobinas dos

enrolamentos estatóricos do motor, antes destes serem conectados a rede de

alimentação. Dependendo da configuração citada, o motor pode ser ligado à rede

de alimentação em diferentes valores de tensão;

Fator de serviço: é um fator que multiplica a potência do motor e sob a qual o

motor pode trabalhar, desde que a temperatura dos enrolamentos não ultrapasse em

10ºC da especificação de sua classe de isolamento, a fim de se saber a carga

permissível que o mesmo pode acionar, em regime contínuo, dentro de condições

estabelecidas por norma;

Das especificações fornecidas pelo fabricante do motor, algumas delas são

consideradas de cabal relevância para a escolha de um tipo particular de motor, e serão

detalhadas a seguir. São elas: categoria, regime de trabalho, grau de proteção e a classe

de isolamento.

Com relação a categoria de um motor, classifica-se de acordo com a norma

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10

NBR 7094, as categorias de motor N, H ou D. Um motor de categoria N, apresenta

baixo escorregamento, corrente de partida normal e um conjugado de partida normal.

A maioria dos motores (ventiladores, bombas, furadeiras, injetoras de termoplástico

entre outros) é dessa categoria. Já um motor da categoria H, apresenta baixo

escorregamento, corrente de partida alta e um conjugado de partida alto. Eles são

utilizados onde se precisa de um alto torque de partida (britadores, elevadores de

carga, transportadores, pontes rolantes). Por fim, os motores da categoria D

apresentam alto escorregamento (>50%), corrente de partida alta e um conjugado de

partida alta. Dentre suas principais aplicações podem-se destacar o emprego em

ônibus, trens, tração elétrica, prensas excêntricas, entre outras.

O regime de trabalho é determinado pelo tipo de aplicação, o qual o motor

será empregado. O regime de trabalho é designado pela letra S, seguida de um número.

Segundo MORETTO (2005), os principais regimes são:

S1 – regime contínuo;

S2 – regime de tempo limitado (a temperatura do ambiente é igual a do

motor quando for ligado novamente);

S3 – intermitente periódico (a temperatura do ambiente é diferente a do

motor quando o motor for ligado novamente);

S4 – intermitente periódico com partida;

S5 – intermitente periódico com frenagem elétrica;

S6 – contínuo com carga intermitente;

S7 – contínuo periódico com frenagem elétrica;

S8 – contínuo periódico com mudança de carga e velocidade;

S9 – variações não-periódicas de carga e de velocidade;

S10 – cargas constantes distintas.

2.1.2 Características de operação de motores monofásicos de indução

Os motores elétricos de indução com rotor em gaiola são projetados para

operar de acordo com as especificações contidas nos dados da sua placa, dispostos

pelo fabricante. Se ao utilizar o motor, não respeitar os dados contidos nessa placa, o

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11

motor não estará operando de acordo com que foi projetado, podendo ocorrer um

comportamento adverso de funcionamento do mesmo.

Na maioria das aplicações os fatores que podem afetar o desempenho de um

motor são: variação na partida, de tensão e de freqüência. Nestes casos, deve-se

observar o comportamento do motor, pois a operação normal será em alguns itens

alterada.

Quando ocorrer uma variação do desempenho do motor causado pela partida

(mau acionamento), deve-se estudar a fim de determinar a melhor metodologia de

acionamento do motor. Normalmente esse acionamento é feito através de contactores,

porém em situações criticas, o acionamento pode ser feito por meios indiretos, com

chave compensadora, chave estrela-triângulo, entre outros.

Quando ocorrer a variação de tensão em um motor, a NBR 7094 especifica

que o motor deve desempenhar o seu papel principal sob as variações de tensão. O

papel principal de um motor elétrico é o de acionar a carga, isto é, o motor deve ter

conjugado suficiente para garantir as condições de plena carga. Por exemplo, caso a

tensão nominal sofrer uma redução de 10%, ou seja, for igual a 90% do valor nominal,

o conjugado máximo de partida do motor é reduzido a 81% e sua temperatura terá uma

elevação de 5%, do valor normal (MORETTO, 2005).

Por fim, quando ocorrer uma variação de freqüência, o motor deverá

desempenhar seu papel principal. Por exemplo, caso a freqüência seja reduzida de 60

para 50 Hertz, a rotação aumenta 20% e o conjugado de partida diminui 17%, embora

a potência nominal permaneça a mesma.

2.1.3 Especificações de motores elétricos para uma determinada aplicação

Quando efetuar a escolha, vários são os itens que devem ser observados, tais

como o regime de funcionamento, a característica da carga a ser aplicada ao eixo do

motor, entre outros elementos.

As aplicações mais comuns são bombas, ventiladores, talhas e compressores.

Além das especificações usuais, existem aplicações especiais, onde os requisitos que

determinam à escolha de um motor em detrimento de outro devem ser observados com

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12

cuidado. Para cada aplicação os atributos são diferentes e a escolha do motor deve

observá-los. Devido a grande gama de fatores a serem observados, a tarefa de

especificar um motor exige um estudo a parte, para determinar uma metodologia para

cada aplicação. Neste trabalho o emprego do motor é chamado de bomba.

Uma bomba nada mais é que um motor que tem como função promover o

deslocamento de líquidos. As principais características observadas em uma bomba são:

vazão, altura monométrica, rotação, pressão, momento de inércia, acoplamento, massa

especifica do fluído, curva de conjugado em relação à rotação da bomba, esforços

axiais ou radiais. Como neste trabalho o motor irá trabalhar com uma carga pequena,

não se faz necessário especificar todas essas características.

A seguir, descrevem-se os itens que devem ser especificados na bomba, que

será empregada para bombear água a uma altura aproximada de 2m (GEORGINI,

2002).

Tensão de alimentação: a tensão será monofásica de 220 v;

Altitude: é a altitude do ambiente em relação ao nível do mar, nesse caso é

aproximadamente de 960 m, que é a altitude da cidade de Lages. Como a altitude é

menor que 1000 m, não se faz necessário um motor específico;

Freqüência nominal: é a freqüência baseada na rede de alimentação, que no caso do

Brasil, é de 60 Hertz;

Temperatura ambiente: a temperatura ambiente possui uma variação de 10º C no

inverno e 30º no verão. Por ser inferior a 40º não precisa de um motor específico.

Regime de trabalho: o regime deste trabalho é do tipo contínuo, sendo que deve ser

também do tipo S1. Porém nesse caso deve se ter cuidado com o número de

partidas consecutivas do motor ao efetuar os testes, para que esta não venha, por

ventura, a queimar.

2.2 Sensor

Segundo MORETTO (2005), o termo empregado para designar dispositivos

sensíveis a alguma forma de energia do ambiente quer pode ser luminosa, térmica,

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13

cinética, relacionando informações sobre uma grandeza que precisa ser medida, como:

Temperatura, pressão, velocidade, corrente, aceleração, posição etc.

Um sensor nem sempre tem as características elétricas necessárias para ser

utilizado em um sistema de controle. Normalmente o sinal de saída deve ser

manipulado antes da sua leitura no sistema de controle. Isso geralmente é realizado

com um circuito de interface para produção de um sinal que possa ser lido pelo

controlador.

Supondo que a saída de um sensor, ao ser sensibilizado por uma energia

externa, é dada por um nível de tensão muito baixo, torna-se necessário a sua

amplificação. Essa interface seria então um amplificador capaz de elevar o nível do

sinal para sua efetiva utilização.

2.2.1 Sensores digitais

Esse tipo de sensor pode assumir apenas dois valores no seu sinal de saída ao

longo do tempo, que podem ser interpretados como zero ou um. Não existem

naturalmente grandezas físicas que assumam esses valores, mas eles são assim

mostrados ao sistema de controle após serem convertidos pelo circuito eletrônico do

transdutor. É utilizado, por exemplo, em detecção de passagem de objetos, encoders na

determinação de distância ou velocidade, etc. (GEORGINI, 2002).

2.2.2 Transdutor

É a denominação dada a um dispositivo completo, que contem o sensor,

usado para transformar uma grandeza qualquer em outra que pode ser utilizada nos

dispositivos de controle. Um transdutor pode ser considerado uma interface às formas

de energia do ambiente e o circuito de controle ou eventualmente entre o controle e o

atuador.

Os transdutores transformam uma grandeza física (temperatura, pressão, etc.)

em um sinal de tensão ou corrente que pode ser facilmente interpretado por um sistema

de controle.

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14

Muitas vezes os termos sensor e transdutor são usados indistintamente.

Neste caso, o transdutor é o instrumento completo que engloba sensor e todos os

circuitos de interface capazes de serem utilizadas umas aplicações industriais.

(GEORGINI, 2002).

2.2.3 Transmissor

Dispositivo que prepara o sinal de saída de um transdutor para utilização a

distância, fazendo certas adequações ao sinal as quais se chamam padrões de

transmissão de sinais.

Um exemplo bastante conhecido é o Loop de 4 20 mA, um padrão de

transmissão de sinais em corrente.

O termo transmissor é utilizado também para dispositivos que integram um

sensor, transdutor e transmissor no mesmo dispositivo.

Os padrões mais utilizados para transmissão de sinais analógicos são: 3 a 15

PSI; 4 a 20 mA; 0 a 20 mA e 0 a 10V.

Para transmissão de sinais digitais utilizam-se protocolos de comunicação

para redes industriais (fieldbus). Os protocolos mais utilizados para transmissores e

atuadores são: HART, Asi, Fieldbus Fountation e PROFBUS-PA.

Os protocolos de comunicação abertos mais conhecido para comunicação

entre controladores lógicos programáveis e outros depósitos são: Modbus, PROFIBUS-

DP, Fieldbus Fountation, CAN, Lonworks, Interbus-s e industrial Ethernet. Os padrões

de seriais mais utilizados na camada física desses protocolos são: RS-232, RS-422 e

principalmente o RS-485.

Existem protocolos de comunicação industrial proprietários que são também

muito utilizados, como, por exemplo, os protocolos da ALLEN-BRADLEY:

ControlNet, DH+; DH485; Remote I/O e DeviceNet (utilizado também em

transmissões e atuadores),(GEORGINI, 2002).

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15

2.2.4 Definições importantes de sensores

Há uma série de características relacionadas aos sensores que devem ser

levadas em consideração na hora da seleção do instrumento mais indicado para uma

dada aplicação.

Os sensores de nível são para o controle de líquidos ou grãos sólidos,

contidos em reservatórios, sítios, tanques abertos, tanques pressurizados na indústria.

São úteis na detecção de um nível fixo (chave de nível – alarmar ou sinalizar, quando

atinge um determinado ponto) e na medição contínua.

Além do princípio de funcionamento dos sensores de nível, são apresentadas

suas características, vantagens, desvantagens e aplicações (GEORGINI, 2002).

2.2.5 Sensores de nível

Os sensores detectam sinais relacionados ao nível, para ser enviado ao CLP.

Com base nesta informação, o CLP pode intervir no processo. A intervenção depende

do programa de controle.

a) Flutuadores

Os sensores de nível, baseados nos princípios da flutuação do filósofo

Arquimedes, embora de tecnologia remota, permanecem como dispositivos de escolha

para muitas aplicações.

O flutuador sobe à medida que o nível sobe. O movimento do flutuador, que

varia para cada fabricante, é traduzido para uma ação de controle. Em algumas

aplicações são usadas conexões mecânicas que convertem o movimento de subida e

descida do flutuador numa abertura/fechamento de um contato. No caso de se requerer

o isolamento do fluído, esse isolamento é permitido graças a um acionamento por um

acoplamento magnético. No caso de tanques abertos, a bóia (instrumento de flutuação)

é o sistema mais comum, contudo também pode servir para tanque pressurizado com

acoplamento especial. A bóia fica sobre o líquido e conectada ao exterior do

reservatório, indicando diretamente o nível. A conexão pode ser direta, magnética ou

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16

hidráulica.

São usados deslocadores que se movem para cima e para baixo atuando

como uma chave. Os deslocadores são conectados a uma mola por meio de um cabo e

sobe quando há uma força proporcional ao volume deslocado do líquido. É possível

utilizar o acionamento magnético de uma chave, que permite que o líquido controlado

seja isolado de contatos elétricos.

b) Flutuador por acionamento de mercúrio

Um interruptor de mercúrio protegido contra choques é suspenso pelo seu

próprio cabo elétrico numa haste metálica.

No caso de cabo elétrico, quando o nível de líquido sobe e toca a parte

inferior da bóia, ele inclina e neste momento o interruptor de mercúrio abre um contato

ou fecha um contato, dependendo do modelo, permitindo a passagem elétrica,

desligando ou ligando bombas ou alarmes sonoros e visuais.

No caso da haste metálica, a chave compõe-se de uma haste rígida

composta com uma bóia na extremidade inferior e um núcleo de acionamento na parte

alta. Quando o nível do tanque sobe, a bóia se desloca acompanhando o nível,

empurrando a haste com o núcleo, o qual aciona uma ampola de mercúrio, um reed

switch ou um micro switch.

c) Flutuador com acionamento magnético reed switch

O reed switch é uma chave, formada por duas ou mais lâminas de metal

encapsuladas numa ampola de vidro. Aproximando um campo magnético externo, ele

atua sobre as lâminas de modo que se magnetizam por indução e com isso ele

flexiona-se para fechar o circuito, encostando uma na outra, ou então fazer uma

comutação num sistema de três lâminas, utilizando uma pastilha de quartzo para

aumentar a tensão da temperatura de ruptura entre os contatos.

Um imã aproxima-se perpendicularmente da ampola, cujos pólos devem

ficar orientados segundo uma paralela ao componente. Assim o campo magnético

criado fecha o circuito magnético, passando pelas lâminas que se atraem,

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17

estabelecendo o contato.

Caso seja requerido um controle de vários níveis pela aplicação, existem

várias faixa de liga/desliga num mesmo vaso. Eles não perdem o prumo com ondas ou

variações repentinas, pois os deslocadores são mais pesados que os líquidos

controlados. Os instrumentos com deslocadores podem fornecer transmissão continua

de nível. Os instrumentos baseados em flutuação podem ser utilizados em aplicações

de até 340 Kgf/cm e 530ºC.

Impede seu funcionamento a agregação e depósitos de substâncias estranhas.

A precisão é limitada em torno de 5 mm (não é adequado a aplicação que requerem um

controle mais preciso). Funcionamento somente com líquidos de baixa viscosidade.

Líquidos com potencial de agregação ou com sólidos em suspensão podem aderir às

partes móveis do sensor.

Os flutuadores do tipo reed switch e mercúrio são usados na ativação e

desativação de bombas hidráulicas, para controle de nível de uma caixa-d’água,

ativação e desativação de alarmes sonoros e visuais (GEORGINI, 2002).

d) Flutuar com acionamento por potenciômetro

Um potenciômetro é ligado na extremidade do flutuador, no qual a tensão de

saída varia proporcionalmente ao nível do líquido a calibração não é requerida para

flutuadores, e os deslocadores podem ser calibrados sem movimento do nível. O ponto

de ajuste (set point) dos flutuadores é preciso e repetitivo.

Os flutuadores potenciométricos são utilizados para medição de nível em

tanques de combustíveis automotivos e grupos geradores.

e) Chave nível de bóia.

As características mais importantes desse dispositivo são seu pequeno

tamanho, confiabilidade e alta capacidade de comunicação obtida com a utilização de

um micro chave com características elétricas de 15ª a 250VAC.

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f) Utilizando um eletrodo de referência

A condição de funcionamento da bomba está de acordo com o nível da água

no reservatório. Considerado que o recipiente a princípio esteja vazio, o motor é

acionado. No momento em que a água atinge o nível máximo Z1 (eletrodo) o motor é

desligado, quando o nível cai abaixo do nível mínimo Z2, o motor é ligado novamente.

g) Eletrodos metálicos para verificação de uma única cota

No momento em que o líquido atinge o outro eletrodo (nível máximo), a

resistência formada pelo líquido entre os eletrodos fecha o circuito, enviando um sinal

para o circuito de controle.

São usados em transbordamento de tanques, proteções contra funcionamento

de bordas a seco, controle de nível máximo e mínimo, etc. Se o reservatório for de

material não-condutivo, uma referência deve ser instalada (GEORGINI, 2002).

h) Medição de nível hidrostático

Os sensores de nível por pressão hidrostática operam de acordo com os

seguintes princípios (GEORGINI, 2002).

Capacitivo (capacitivo montado atrás do diagrama);

piezorresistivo;

piezelétrico.

Em todos os sensores que utilizam os princípios descritos anteriormente, a

pressão hidrostática P do líquido é medida pelo sensor de pressão, sendo indicada

como nível. As pressões são transmitidas então à célula por intermédio de um líquido

de isolamento, normalmente óleo de silicone.

É de boa precisão para a execução repetida e de fácil instalação, um

diagrama como proteção de sobrecarga. Eis algumas vantagens (GEORGINI, 2002):

Boa precisão e repetibilidade;

Fácil instalação;

Diagrama com proteção de medição;

Nenhum líquido de transmissão.

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Características gerais (GEORGINI, 2002).

Movimento livre de atrito;

Boa repetibilidade dos resultados de medição;

Boa resistência mecânica;

Longa vida;

Sobrecarga de 15 vezes o range de medição.

i) Por meio de medição de empuxo

Composto de um flutuador comprido, colocado dentro do líquido e acoplado

a um turbo de torção. O flutuador é imóvel. Em função do nível, o empuxo que o

líquido exerce sobre o flutuador acoplado a um tubo de torção é transformado em

movimento rotativo. Esse movimento pode ser empregado para indicar, regular ou

transmitir a posição do nível.

Tem uma precisão mais ou menos 0,5% quando o flutuador é menor que

mais ou menos 80 cm. Esse sistema presta-se a medição de nível em tanques

pressurizados e é adequado para controle local em indústrias químicas. Não é

adequado para líquidos de densidade variável. À medida que aumenta o comprimento

do flutuador (se for de 6m, por exemplo) o sistema perde sua precisão porque é muito

sensível ao prumo.

j) Medição de nível capacitiva

Esses medidores podem ser do Tipo “ON-OFF” ou lineares (proporcionais).

O princípio usa a mudança da capacitância, que é causada pela variação do nível do

material entre a sonda de medição e a parede do reservatório. Se mergulharmos num

recipiente uma barra condutora isolada, forma-se uma capacitância entre ela e o

recipiente.

Essa capacitância é uma função do nível da substância medida. O uso de

medição por capacitância torna todo o vaso um capacitor gigante. Como no caso de

um capacitor, os parâmetros importantes são as áreas das placas condutoras A, a

distância entre elas D e a constante elétrica do material armazenado. A capacidade C

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de um capacitor de placas paralelas é, portanto:

Nas aplicações industriais, toda a parede do tanque torna-se a placa negativa

ou terra do capacitor. O sensor ou sonda serve como placa positiva. O material entre a

parede do tanque e o sensor, isto é, armazenamento no tanque, torna-se o material

dielétrico. Quando o tanque está vazio, o material dielétrico é o ar, constante dielétrico

igual a 1. Devido as outras substâncias possuíam constantes dielétricas maiores que 1,

a capacitância aumenta a tarde a medida que o tanque é cheio.

Essa mudança de capacitância corresponde a subida ou descida do produto

armazenado, podendo ser medida por um sensor instrutivo conectado a um circuito

eletrônico de medição de capacitância. As alterações no nível podem ser indicadas por

uma chave para controle pontual liga/desliga ou transmitidas por um sinal e saída

continuo de 4 -20 mA.

O método capacitivo de detecção de nível requer um enfoque quando o

produto armazenado é condutivo e outro quando não é. No caso não-condutivo ou

isolante, uma haste metálica e a parede do tanque com a haste censora, portanto é

requerido o uso de uma haste isolada. A isolação torna o material dielétrico enquanto o

fluído e a parede do tanque funcionar em conjunto com a placa aterrada. Portanto, o

capacitor é restabelecido. Caso haja dúvida na utilização ou não de uma sonda isolada,

a prática sugere a utilização isolada. Algumas vantagens: (GEORGINI, 2002).

Virtualmente imune à temperatura, vácuo e pressão;

Fácil instalação;

Construção robusta e livre de manutenção;

Baixo custo;

Medições feitas em baixos níveis de energia.

Aplicações mais usadas:

O princípio de medição capacitava é adequada para a detecção ou indicação

contínua de nível. O campo de aplicações é bastante abrangente para líquidos

condutivos, mas são especialmente adequados para água, solventes, óleo,

combustíveis, amônia, plásticos líquidos, plásticos granulados, cimentos, alimentos,

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etc. Instrumentos para áreas perigosas também são fornecidos as mutações para uma

condução contínua, o método capacitivo é limitado à aplicação cuja constante

dielétrica do material não é influenciada por mudanças na mistura, densidade ou

temperatura.

Entretanto, isso não se aplica à detecção de nível capacitiva. A medição será

problemática para sólidos muitos leves, como, por exemplo, palletes ou flocos de

poliéster.

O sistema de medição capacitiva por eletrodos é virtualmente imune à

temperatura, vácuo e pressão. De fácil instalação, construção robusta e livre de

manutenção, baixo custo e as medições são feitas em baixo nível de energia.

O sistema de medição de nível capacitivo em um eletrodo com eletrônicos

PLUG-IN para medição, um instrumento de avaliação que é resultado da medição em

detecção de nível ou indicação contínua por meio de um sinal elétrico. As unidades

compactadas incluem ambos os componentes em um único instrumento. (GEORGINI,

2002).

k) Detecção de nível vibratório (piezelétrico)

O sensor é composto por uma haste piezelétrico que vibra. Assim que o

produto entra em contato com a haste vibratória, a vibração é amortecida e aciona um

relé de saída. Pode ser usado com produtos de baixa densidade, não sendo necessária

ajustá-la. A seguir algumas aplicações:

Para a detenção de líquidos em áreas perigosas, as chaves são utilizadas para

pós e granulados quando outros métodos falham devido a aderência ou ao baixo peso

(por exemplo: gesso, cal, plásticos em pó, açúcar, farinha, etc.).

Sólidos grossos que possam causar danos mecânicos, em silos com muitas

vibrações (GEORGINI, 2002).

l) Medição de nível laser

Coloca-se um emissor laser num dos lados do recipiente de modo que o raio

atinja a superfície do líquido em ângulo, sendo então refletido para um detector.

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Variações na posição do nível modificam a direção do raio refletido e altera o ponto

que atinge o sensor, corresponde a nova posição a um sinal de nível, obtido pelos

circuitos eletrônicos de detecção. É um medidor de nível contínuo sem contato. Todos

os produtos (leite, cerveja, tintas, ácidos, granulados etc.) podem ser medidos com

superfície reflexiva. Não é influenciado por condições do processo (temperatura,

interferência acústica, pressão). É indicado para ranges de medição de 1 a 20 metros.

A vantagem é que as medições são sensíveis a centésimo de milímetros em faixas de

vários centímetros. Realizam a medida de nível sem entrar em contato com o fluído do

processo (GEORGINI, 2002).

m) Radar

Alguns fabricantes produzem dispositivos do tipo RADAR que utilizam as

propriedades físicas das programações de ondas, gerando sinais de radar polarizados,

sendo transmitidos em uma direção e recebidos em outra. Em função disso, sempre

que o sinal emitido colide com algum objeto, o instrumento introduz uma polarização

de 90 graus no sinal. Assim, o instrumento só receberá ecos que foram refletidos uma

vez, ignorando as colisões indiretas e reduzindo sobremaneira as interferências

ocasionais pelos ruídos.

O medidor de nível do tipo TDR reflectometria no domínio do tempo

também conhecido como radar guiado ou com onda eletromagnética guiada através de

hastes ou cabos em lugar de uma antena. O mediador do tipo TDR, localizado no topo

do tanque, envia pulsos de sinal eletromagnético guiado através de dois sensores com

constante dielétrica diferente do ar existente acima do produto. Esse medidor opera

com base no tempo decorrido entre a emissão e a recepção da onda refletida ou seja o

eco tem a precisão de medição equivalente a do medidor do tipo RADAR, não sendo

também utilizado para operação de venda/transferência de produtos.

Suas aplicações podem variar de acordo com as necessidades do usuário. Os

dispositivos do tipo RADAR podem ser utilizados para medição de nível de líquidos

(hidrocarbonetos, asfalto, produtos químicos, lama, etc.) e de alguns tipos de sólidos

(minério em grãos e carvão). Podem ser utilizados na medição de nível em tanques de

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teto fixo e teto flutuante, cilindros, esferas de GLP e silos de minério ou carvão, com

pressões de até 25 graus e temperatura de até 250 graus.

No caso de utilização em tanques de teto flutuante, ou tanque de teto fixo

com selo flutuante, o medidor de nível é instalado com um tubo de ondas (com

Diâmetro variando entre 0,1 e 0,2 metros). Em aplicações de medição de nível em

esferas ou cilindros, também são utilizados tubos guia de onda. Alguns modelos de

medidor de nível do tipo RADAR permitem testar-se, automaticamente, a precisão do

instrumento, se instalado um pino de referência internamente ao tubo guia de ondas,

que será visível ao transmissor apenas durante o procedimento de verificação do

instrumento (GEORGINI, 2002).

Algumas vantagens:

Ampla faixa de aplicação;

Imunidade a extremos ambientais;

Baixa manutenção;

Fácil acesso;

Fácil calibração.

n) Radiativos

Composto de uma fonte de material radioativo (césio ou cobalto) e um

detector de radiação, que são instalados diametralmente opostos na parede do silo ou

tanque. As partículas emitidas pela fonte radioativa atravessam as paredes do silo, o

material contido nele sensibiliza o detector. Com a subida do nível o material se coloca

entre a fonte e o detector, interferindo na trajetória das partículas. O material do silo

absorve então parte da energia, fazendo com que a intensidade da radiação percebida

pelo detector diminua proporcionalmente as variações do nível e suas aplicações são

diversas.

Medições de nível de produtos corrosivos, abrasivos, tóxicos ou qualquer

forma perigosa. Podem ser utilizadas na indústria alimentícia, pois a radiação não

contamina os alimentos. Não possui contato direto. Sua desvantagem normalmente é

serem mais dispendiosos que outros dispositivos eletrônicos e exigem cuidados

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especiais na sua utilização no que diz respeito a segurança pessoal (GEORGINI,

2002). Suas vantagens são:

Podem ser montados externamente, sem que haja contato com o processo.

Medição sem contato, adequado para aplicações em processos com temperaturas e

pressões.

Sua limitação é por não ser radioativo.

o) Strain-gage – células de carga

Strain-gage é um transdutor que utiliza as variações resistivas dos resistores

submetidos à carga. Quando uma carga é aplicada na coluna suporte, a coluna é

comprimida, sofrendo um aumento da área da seção transversal e uma diminuição no

seu comprimento, diminuindo o valor da resistência. O suporte de strain-gage é

projetado de tal forma que os resistores devem tornar nulos os efeitos das variações da

temperatura. O desbalanciamento da ponte elétrica formada pelos quatro elementos é

proporcional às forças aplicadas sobre as células de carga. A saída varia linearmente

com as variações das cargas sobre as células. Os componentes da ponte são projetados

para que pequenos sinais de saída sejam obtidos para corresponder às variações de

cargas.

p) Ultra-Sônico

Baseado no princípio da reflexão das ondas sonoras. Quando uma onda

sonora atravessa um meio capaz de absorver som e incide em outro meio como uma

barreira, somente uma pequena porção é absorvida e a maior parte da onda é refletida

pela barreira. A reflexão das ondas é um eco. As superfícies refletoras das ondas

sonoras são chamadas de MEIO VIVO e as que podem refletir as ondas, de MEIO

MORTO. O tempo decorrido entre o instante em que o sinal é emitido e o instante em

que o sinal refletido é recebido é uma referência para a posição do nível. Na figura 2

podemos observar tipos de sensores Ultra-sônico.

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FIGURA 2 - Sensor Ultra-sônico

(Fonte: http://www.nivetec.com.br/htm/outrsensorproximidadeultrasonico.htm)

Veja algumas características destes dispositivos

Freqüência da onda gerada: 1 a 20 kHz;

Faixa de medição: alguns centímetros até 30 metros ou mais;

Precisão: 1 a 5%;

Temperatura ambiente.

Aplicações com este tipo de dispositivo podem ser várias dentre elas:

Utilizado quando a medição precisa ser efetuada sem que haja contato

entre o elemento de medição e o líquido do processo.

Detecção de presença ou ausência de objetos em esteiras;

Medição da altura de objetos;

Medição da distância em empilhadeiras;

Monitoramento de continuidade;

Aviso de aproximação.

Algumas vantagens:

Sem partes móveis sujeitas ao desgaste;

Instalação simples e total ausência de manutenção;

Instalação em qualquer posição e para vários níveis;

Não sofre interferência de turbulências, vibrações ou trepidações;

Mais econômico.

Algumas desvantagens:

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26

É necessário a utilização de dispositivos automáticos de compensação de

temperatura, quando está sujeito a variações acentuadas. (GEORGINI, 2002).

2.3 Válvulas

Uma válvula de controle tem como função efetuar o controle final do

processo, de acordo com a malha de controle e seu ajuste, portanto a válvula manipula

uma variável para manter a variável controlada dentro de seu set point.

Uma válvula de controle é composta basicamente por três partes: um

atuador; corpo e internos; castelo e engraxamento. Na figura é possível visualizar os

três componentes principais da válvula de controle: o atuador, localizado na parte

superior, o castelo entre o corpo e o atuador e o corpo localizado na parte inferior.

Segundo GIMENEZ (2005), o atuador fornece a força de trabalho para a

haste da válvula. O atuador mais utilizado no acionamento de válvulas de controle é o

tipo mola-diafragma de câmara bipartida. Em uma das partes dessa câmara bipartida, o

atuador recebe o sinal de controle/acionamento e, na outra parte, o diafragma é fixado

a um prato onde estão apoiadas a haste e a mola, como mostra a figura 3 e 4.

FIGURA 3 - Componentes de uma válvula de controle

(Fonte: GIMENEZ, 2005, p. 53)

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27

FIGURA 4 - Funcionamento interno da válvula

(Fonte: GIMENEZ, 2005, p. 53)

O atuador geralmente recebe o sinal de posicionador eletro pneumático,

responsável por converter o sinal de corrente enviado pelo controlador para um sinal

pneumático. Esse sinal é enviado para a entrada da câmara de ar da câmara do atuador,

geralmente com valores de 3 a 15, sendo aplicado como pressão de acionamento do

atuador. Esta pressão se opõe à pressão gerada pela mola que limita o curso e controla

a posição da haste (GIMENEZ, 2005).

A passagem de fluído é permitida, através do corpo da válvula. O obturador

é uma das partes molhadas do corpo da válvula que entra em contato com o fluído,

liberando ou restringindo a passagem através do movimento da haste, logicamente de

acordo com o comando do atuador. O tipo mais utilizado de corpo é o da válvula de

deslocamento linear do tipo globo de sede simples. Independente a válvula utilizada, a

manipulação do fluído é realizada de forma semelhante, diferindo nas variadas

aplicações industriais, que demandam tipos específicos de válvulas.

O castelo está localizado entre o atuador e o corpo da válvula, para conectá-

los. Ele tem como função guiar a haste da válvula, alojar o sistema de selagem do

fluído do processo e também, exerce a função de trocador de calor do sistema de

gaxetas para o ambiente.

Entre os tipos existentes de castelos de válvulas, pode-se citar (GIMENEZ,

2005).

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28

a) Castelo padrão: é comumente denominado normal, sendo utilizado em aplicações

comuns onde a temperatura do fluído varia entre –18°C e 232°C. Essa limitação é

imposta pelo material da gaxeta, visto que sua localização está bem próxima do

flange superior do corpo e, muito próxima ao fluído.

b) Castelo longo aletado: O castelo longo aletado possui semelhança ao castelo

normal, diferindo em altura, uma vez que a altura elevada faz com que a caixa ou

sistema de gaxetas fique um pouco mais afastado do fluido. A sua aplicação é

destinada a fluídos com temperaturas variáveis entre – 45°C e –18° C e entre

232°C e 430° C.

c) Castelo extra longo: O castelo extra longo é fabricado em tubo de aço ou ferro

fundido, possuindo altura maior que o castelo aletado. Ele é geralmente utilizado

para baixíssimas temperaturas ou ainda em criogenia, como de – 100° C a – 45° C.

Sua função principal é evitar que o teflon das gaxetas se congele.

d) Castelo com fole de selagem: O castelo com fole de selagem é utilizado apenas em

aplicações especiais, onde o processo industrial não permite o vazamento, por

mínimo que seja, o vazamento do fluído para o meio ambiente, através do sistema

de gaxetas. As aplicações desse tipo de castelo estão normalmente relacionadas a

fluídos radioativos, tóxicos ou explosivos. O castelo com fole de selagem possui

uma limitação de operação em processos, pois seu limite de pressão é de 28 kg/cm²

(400 psi) e a temperatura do fluído do processo não pode ultrapassar 232 º C.

2.3.1 Válvula globo

De acordo com GIMENEZ (2005), as válvulas globo de sede simples,

geralmente são as mais utilizadas, seguidas pelas de sede dupla. A válvula globo de

sede simples possui boa vedação e obturador estaticamente não balanceado. Dessa

forma, no momento em que a válvula estiver totalmente fechada, poderá ocorrer um

vazamento de até 0,01% da capacidade da vazão máxima da válvula. Na figura 5 tem-

se um exemplo de uma válvula globo.

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29

FIGURA 5 - Válvula globo

(Fonte: GIMENEZ, 2005, p. 54)

O vazamento que ocorre em uma válvula de controle quando ela está numa

condição considerada totalmente fechada, é uma questão de alta relevância em um

processo industrial, visto que, cada tipo de vazamento é classificado de acordo com

um índice, que segue a padronização que define diversas classes de vazamento. No

caso de uma válvula globo de sede simples, ocorre um vazamento de classe IV. Esse

nível é considerado para válvulas novas e limpas.

A principal desvantagem desse tipo de válvula é o fato de seu obturador não

ser balanceado. Devido a tal desvantagem, ela demanda uma grande força de atuação

para superar as forças estáticas do fluído sobre o obturador para poder movimentá-lo.

A válvula globo com sede dupla, (figura 6) permite que o fluído passe por

dois orifícios. Essa sede dupla faz com que a válvula globo possua corpo reversível, o

que possibilita que a ação da válvula possa ser invertida no próprio corpo através do

obturador.

FIGURA 6 - Válvula globo com sede dupla

(Fonte: GIMENEZ, 2005, p. 54)

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30

O fato da válvula de sede dupla ser estaticamente quase estável, necessitando

assim de uma força de atuação menor em relação à válvula de sede simples, é sua

principal vantagem. Porém, a válvula de sede dupla apresenta um vazamento quando,

está totalmente fechada, sendo esse bem maior que o da válvula de sede simples. Seu

vazamento está em 0,5% da sua capacidade máxima de vazão, com isso seu nível de

vazamento e de classe II.

2.3.2 Válvula borboleta

As válvulas borboleta (figura 7) têm sido amplamente utilizadas na indústria

nos últimos tempos. O baixo peso em relação aos outros tipos de válvulas, seu desenho

simples, a capacidade relativa maior de fluxo, o custo inicial mais baixo, são as

principais vantagens desse tipo de válvula. Porém, sempre tiveram restrições com

relação à aplicação.

FIGURA 7 - Válvula borboleta

(Fonte: GIMENEZ, 2005, p. 54)

Segundo GIMENEZ (2005), a válvula borboleta possui um corpo tipo anel

circular e no seu interior existe um disco entre dois mancais, que faz a função de

obturador. A sede desta válvula é a própria parede interna do corpo. O desenho mais

comum do corpo da borboleta é o tipo wafer, o qual é fixado à tubulação entre um par

de flanges. Pelo fato do corpo da borboleta não possuir flanges, não é comum a

especificação dessa válvula pela classe de pressão baseada na norma ANSI, como é

feito nas válvulas flangeadas.

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31

2.3.3 Válvula esfera

As válvulas do tipo esfera transformaram-se num dos tipos mais aplicados da

indústria, porém, eram comumente utilizadas para serviços de bloqueio (shut-off). Elas

controlam a vazão de fluídos fibrosos, sujos, com sólidos em suspensão, etc. Essa

mudança foi fruto do desenvolvimento de adaptações desse tipo para a realização de

controle e bloqueio. Hoje em dia, as válvulas esfera apresentam uma ótima vedação e a

função de controle satisfatória, assumindo um papel de controle de vazão e perfeita

vedação quando é necessário o bloqueio da linha.

A válvula esfera (figura 8) é aplicada na indústria principalmente a de papel

e celulose que manipula em grande parte fluídos pastosos, sujos e fibrosos. Porém, sua

aplicação aumentou consideravelmente em outros ramos de processos industriais. É

uma válvula mais recomendada para líquidos corrosivos, viscosos, além de gases e

vapores.

FIGURA 8 - Válvula tipo esfera

(Fonte: GIMENEZ, 2005, p. 55)

2.3.4 Válvula solenóide

A válvula solenóide, que será utilizada nesse trabalho tem um principio de

funcionamento um tanto quanto simplificado. Basicamente, no interior da válvula

existe um pistão com uma parte metálica e um solenóide.

Um solenóide é um fio enrolado de forma espiral, fio esse que seja condutor

de corrente elétrica. Um solenóide produz campo magnético, similar ao campo

produzido por uma barra magnetizada. Porém esse campo é gerado quando a corrente

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32

elétrica está atuando sobre ele, portanto esse campo magnético pode ser ligado e

desligado.

O solenóide recebe uma tensão de 220V alternada na sua bobina para que ele

possa ser acionado. Quando passa corrente elétrica pela bobina do solenóide, essa

bobina atrai a parte metálica do pistão, por eletromagnetismo, fazendo com que seja

aberto um espaço para a passagem do fluído. O fluído utilizado é a água. Quando é

interrompido o fornecimento de energia ao solenóide, o pistão volta ao seu local,

empurrado por uma mola, fechando assim, o orifício de passagem do fluído.

FIGURA 9 - Válvula Solenóide

(Fonte: Laboratório de automação CCT)

2.4 Inversor de freqüência

O acionamento de um motor de corrente alternada pode ser feito através de

diversos dispositivos, como chave estrela-triângulo, soft starter e outros. Além destes,

temos o inversor de freqüência para controlar a velocidade do motor. A figura 10

mostra um inversor de freqüência.

FIGURA 10 - Exemplo de um inversor de freqüência

(Fonte: ZACCARON, 2003)

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33

A função do inversor de freqüência é regular a velocidade de motores

elétricos de indução, mantendo seu torque (conjugado). A velocidade de rotação de um

motor de corrente alternada depende da freqüência de alimentação. Quanto maior a

freqüência, maior a rotação e vice-versa. A equação que rege esta característica é a

seguinte, onde:

N é a rotação em RPM (rotações por minuto);

f é a freqüência da rede em Hertz (Hz);

P é o número de pólos do motor.

Considerando que o número de pólos de um motor CA seja determinado na

sua fabricação, a variação da freqüência de alimentação no motor será proporcional a

variação da velocidade de rotação. Deste modo, conforme (CAPELLI, 2002), “um

inversor de freqüência pode ser considerado com o uma fonte de tensão alternada de

freqüência variável”. (ZACCARROM, 2003).

2.4.1 Curva tensão e freqüência do inversor

Por ser um elemento que permite controlar a velocidade de um motor de

corrente alternada (CA) através da variação da freqüência da tensão de alimentação, os

inversores de freqüência possuem uma curva que relaciona a tensão e a freqüência.

Esta curva de tensão em relação à freqüência é na verdade, uma reta e, deste modo,

uma função linear. Portanto, a relação entre a tensão de alimentação e a freqüência é

uma relação de proporcionalidade. Pode ser visto na figura 11 um exemplo de uma

curva de tensão em relação à freqüência, chamada de curva “V/f”.

FIGURA 11 - Exemplo de uma curva de tensão x freqüência de um inversor

(Fonte: CAPELLI, 2002, p. 25)

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34

De modo geral, a faixa de variação de freqüência dos inversores fica entre 5

e 300 Hz. A função do inversor não é somente controlar a velocidade de um motor

CA, ele precisa manter o torque (conjugado) constante para não provocar alterações na

rotação, quando o motor estiver com carga. Um exemplo deste caso seria o

deslocamento de papel sobre uma bobinadeira, pois se o motor acelerar o papel vai

ficar mais fino num dado trecho e se desacelerar ele vai enrugar naquele ponto.

Para que este torque permaneça constante, o inversor deve manter a razão

entre a tensão e a freqüência constante, isto é, se houver uma mudança de freqüência,

ele deve mudar na mesma proporção à tensão, para que a razão se mantenha e o motor

fique com a velocidade constante (CAPELLI, 2002).

Nos inversores de freqüência o valor da relação “V/f” pode ser programado,

isto é, parametrizado. Esta parametrização depende muito da aplicação em questão.

Quando o inversor precisa de um elevado torque, porém não atinge velocidade muito

alta, atribuí-se a ele o maior “V/f” que o equipamento puder fornecer e, desse modo,

ele terá um melhor rendimento em baixas velocidades e alto torque. No caso em que o

inversor deve operar com altas rotações e com torques não tão elevados, a

parametrização “V/f” deve ser menor e, assim, o rendimento será melhor.

Basicamente, a composição de um inversor é dividida em 4 blocos principais

sendo eles: a Unidade Central de Processamento, a Interface Homem-máquina,

Interfaces e Potência.

O primeiro bloco é a unidade central de processamento (CPU) de um

inversor de freqüência, pode ser formada por um microprocessador ou um micro

controlador (como um CLP). Isto depende apenas do fabricante. De qualquer modo, é

neste bloco que todas as informações (parâmetros e dados do sistema) estão

armazenadas. Neste sistema, sempre há uma memória integrada ao bloco. A unidade

central de processamento não apenas armazena os dados e parâmetros relativos ao

equipamento, como também executa a função mais vital para o funcionamento do

inversor: geração de pulsos de disparo, através de uma lógica de controle coerente,

para os IGBTs (CAPELLI, 2002).

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35

A interface homem-máquina (IHM) é determinada como sendo o segundo

bloco. A interface homem-máquina é o elemento que permite visualizar o que está

acontecendo no inversor através de um display e parametrizá-lo de acordo com a

aplicação (teclas). Pode ser verificada através da figura 12, uma interface homem-

máquina de um inversor da Moeller, com suas respectivas funções. Cabe ressaltar que

este módulo também pode ser remoto.

FIGURA 12 - Interface homem-máquina de um inversor Moeller

(Fonte: ZACCARON, 2003)

No 3º bloco encontra-se a ligação das interfaces. A maioria dos inversores

pode ser comandada através de dois tipos de sinais: analógicos ou digitais. Em geral,

quando se pretende controlar a velocidade de rotação de um motor de corrente

alternada no inversor, utiliza-se uma tensão analógica de comando. Essa tensão fica

situada, geralmente, entre 0 e 10V. A velocidade de rotação (RPM) será proporcional

ao seu valor, como por exemplo: 0V – 0Hz, 5V – 60Hz, 10V – 130Hz e assim por

diante. Para inverter o sentido de rotação, basta inverter a polaridade do sinal

analógico, como por exemplo: de 0 à 10V – sentido horário e de –10 à 0V anti-horário.

Esse sistema é muito utilizado em máquinas-ferramenta automáticas, sendo que a

tensão analógica de controle é proveniente do controle, que pode ser um CLP ou um

controle numérico computadorizado (CNC). Além da interface analógica, em geral, o

inversor possui entradas digitais e através de um parâmetro de programação, pode-se

selecionar qual entrada é válida (analógica ou digital). (CAPELLI, 2002).

A última etapa é a de potência, descrita como 4º bloco. Conforme mostra a

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36

figura 13, é constituída por um circuito retificador, que alimenta através de um circuito

intermediário chamado “barramento de corrente contínua” o circuito de saída do

inversor (módulo IGBT).

FIGURA 13 - Diagrama de bloco da composição interna típica de um

inversor

(Fonte: CAPELLI, 2002, p. 30)

2.4.2 Parametrização típica de um inversor

Para que um inversor funcione como planejado, não basta que ele seja

instalado de modo correto. É necessário que ele saiba em que condição vai operar. As

condições de operação do inversor são fornecidas através da parametrização. A

parametrização de um inversor consiste em ajustar determinados valores que permitam

uma operação satisfatória para uma dada aplicação.

Quanto maior o número de recursos que o inversor oferece, tanto maior será

o número de parâmetros disponíveis. Existem muitos inversores no mercado e o nível

de sofisticação de cada um deles pode ser observado pelo número de parâmetros

disponíveis. A maioria dos inversores encontrados no mercado possuem características

similares, mas os parâmetros principais são especificados a seguir (CAPELLI, 2002):

a) Tensão nominal do motor: esse parâmetro existe na maioria dos inversores

comerciais e serve para informar ao inversor qual é a tensão nominal em que o

motor irá operar. Cabe salientar que o inversor só deve ser parametrizado com o

motor parado;

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37

b) Freqüência máxima de saída: Esse parâmetro determina a velocidade máxima do

motor;

c) Freqüência mínima de saída: Esse parâmetro determina a velocidade mínima do

motor;

d) Freqüência de JOG: a tecla JOG é um recurso que faz o motor girar com

velocidade bem baixa, facilitando o posicionamento das peças antes de uma dada

máquina funcionar em regime normal de trabalho. Um exemplo típico é o encaixe

do papel em uma bobinadeira, antes do papel ser bobinado efetivamente;

e) Tempo de partida: refere-se à rampa de subida, isto é, a aceleração do motor até a

velocidade de operação normal. Portanto, este parâmetro indica em quanto tempo

deseja-se que o motor chegue a velocidade programada, estando o mesmo parado.

Neste caso é possível pensar que quanto mais rápido melhor, mas na verdade este

fator é dependente da máquina que o motor esteja conectado mecanicamente. Por

exemplo, caso o motor esteja conectado mecanicamente a cargas pesadas, como

placas de tornos com peças grandes, guindastes e outros, uma partida muito rápida

poderá desarmar os disjuntores de proteção do sistema. Isto ocorre porque a

corrente elétrica de partida necessária para vencer a inércia do motor é muito

grande. Assim, este parâmetro deve observar a massa (peso) da carga, e o limite de

corrente elétrica do inversor.

f) Tempo de parada: refere-se à rampa de descida, isto é, a desaceleração do motor

até que a velocidade chegue à zero. Assim com o ajuste deste parâmetro o inversor

pode gerar uma parada gradativa do motor. Essa facilidade pode ser parametrizada

e como a anterior, deve-se observar a massa (inércia) da carga acoplada.

g) Tipo de frenagem: nos inversores, é comum encontrar a possibilidade de programar

a parada do motor através de uma parada por rampa através da parametrização do

tempo de parada, como visto no item “f”. Entretanto, a parada pode se dar através

da injeção de corrente contínua em seus enrolamentos. Em um motor de corrente

alternada, quando seus enrolamentos são submetidos a uma tensão de corrente

contínua, o rotor pára imediatamente (estanca), como se uma trava mecânica

atuasse em seu eixo. Normalmente este tipo de parada é utilizada para pequenas

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38

cargas mecânicas, onde são necessárias respostas muito rápidas.

h) Liberação de alteração de parâmetros: este parâmetro é uma proteção contra

curiosos e principalmente para prevenir que alguém mude inadvertidamente, algum

parâmetro da máquina.

i) Tipo de entrada: este parâmetro especifica para o inversor que tipo de sinal de

entrada será usado para controlar a velocidade do motor. Este sinal pode ser

analógico ou digital, caso o sinal seja analógico, a velocidade será proporcional à

tensão analógica de entrada e a entrada digital será ignorada. Entretanto se a

velocidade for controlada por um sinal digital (na entrada digital), o sinal analógico

será ignorado.

j) Freqüência de PWM: esse parâmetro determina a freqüência PWM do inversor.

Uma faixa típica de valores é de 2 a 16 kHz. Entretanto, estes valores são sempre o

dobro dos anteriores, como por exemplo, se o ajuste inicial for 2 kHz, o seguinte

será 4, o posterior 8 e assim por diante. Este parâmetro é o responsável pela

geração de interferências eletromagnéticas e neste caso quanto menor essa

freqüência melhor. Entretanto, em baixas freqüências (2 e 4 kHz), o ruído sonoro é

incômodo, ou seja, a máquina fica mais ruidosa ao nível de pressão sonora (NPS).

Aplicações típicas com o inversor

Misturadores de massa, onde a velocidade deve variar para obtenção de

variadas texturas;

Agitadores, onde a condição de velocidade proporcionada pelo motor

pode espumar determinadas substâncias, por isso a necessidade de

controle de velocidade;

Extrusoras de materiais pesados, onde a velocidade deve ser proporcional

à força exercida nos materiais. O mesmo se aplica em calandras e

máquinas operatrizes e sopradoras;

Ponte rolante, onde a velocidade é item essencial para o manuseio de

equipamentos pesados, máquinas de papéis. Exemplo: tensionamento do

papel entre os rolos;

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39

Esteiras, por exemplo, no deslocamento de garrafas uma aplicação de

aceleração de desaceleração, levando em consideração a integridade das

garrafas, ou seja, para que as mesmas não caiam;

Bombas, ventiladores e bobinadeiras.

2.5 Sistemas automatizados (CLPs).

2.5.1 Introdução sistema de controle.

Os sistemas de controles estão compreendidos em duas partes, Sistemas de

Controle e Equipamentos de Controle (NATALE, 2002).

Suas diferenças estão basicamente pré-dispostas da seguinte forma:

a) O Sistema de Controle: Sistema que executa uma ação propriamente dita.

b) Equipamento de Controle: Sistema que necessita de operador para que o

equipamento execute uma ação.

Um sistema automatizado pode ter três tipos de definições, isso não significa

que obrigatoriamente seja necessário ter os três tipos, em um sistema automatizado

(NATALE, 2002).

Sistema de Controle: E o sistema como um todo;

Equipamento de Controle: E a parte que especifica os dados de entrada e

os comandos de saída em relação ao equipamento de controle;

Sistema Controlado: E a exposição do processo controlado, detalhado a

execução do controle.

2.5.2 Controlador Lógico Programável (CLP)

O Controlador Lógico Programável, mais conhecido como CLP

(Programmable Logic Controller) é um computador feito para ser utilizado nas

indústrias, que contem informações para execução de funções de controle. O CLP

pode executar operações lógicas, aritméticas e comutar dados em rede (NATALE,

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40

2002). Está classificado em quatro partes que são:

CPU – E que faz a leitura dos dados dos dispositivos de entrada pelo

dispositivo de I/O;

Circuitos de I/O: Podem ser discretos, fechados ou analógicos;

Fonte de Alimentação: Fornece a energia;

Base ou Rack: E uma plataforma que faz a comunicação dos dados com

a CPU.

As operações Básicas de um CLP são:

A CPU executa a leitura dos dados que são captados dos dispositivos de I/O.

Estes dados serão armazenados na memória RAM para serem processados pelo

programa de aplicação, logo após a execução do programa de aplicação o processador

atualiza os dados dos dispositivos de saída por meio dos circuitos de I/O.

A programação é feita por uma ferramenta chamada de Terminal de

Programação ou por um PC com Software específico. A linguagem de programação a

ser utilizada chama-se LADDER (RLL-Relay Ladder Logic); sendo uma das

linguagens mais utilizada para este tipo de aplicação.

2.5.3 Arquitetura Básica do PLC

O CPU e a parte mais importante do PLC é nele que encontramos o

processador e o sistema de memória, além dos circuitos auxiliares de controle.

O processador interage continuamente com o sistema de memória por

intermédio de um programa de execução, ele interpreta e executa o programa de

aplicação que atuam sobre barramentos de dados, de endereços e de controles,

dependendo da solicitação que o processador envia.

O CLP pode armazenar instruções para a implementação de funções de

controle (seqüência lógica, temporização, etc.) além de operações lógicas matemáticas,

comunicação em rede, manipulação de dados, sendo utilizado no controle de sistemas

automatizados. Esta arquitetura compreende os seguintes elementos (GEORGINE,

2002).

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41

CPU;

Módulos de I/O;

Fonte de Alimentação;

Base.

A figura 14 apresenta arquitetura básica de uma CPU de um CLP.

FIGURA 14 - Estrutura básica de uma CPU

(Fonte: GEORGINE, 2002, p. 54)

2.5.4 Processador

O bom desempenho de CLP deve-se ao seu processador que pode ser desde

um microprocessador/controlador convencional até um processador dedicado.

Atualmente os processadores são de alta capacidade computacional, eles são

responsáveis por todo sistema, controla os barramentos de endereço e de dados e de

controle.

2.5.5 Sistema de Memória

O sistema de memória da CPU circunspeto pela memória do Sistema de

Operações e pela Memória de Aplicação, conforme a figura15:

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FIGURA 15 - Estrutura básica do sistema de memória.

(fonte: GEORGINE, 2002)

Memória de Sistema de Operação: E composta, por software desenvolvido

pelo fabricante do PLC, ela define como o sistema vai operar, incluindo a execução do

programa de aplicação, controle de serviços dos periféricos, atualização dos módulos

de I/O.

2.5.6 Memória de aplicação.

Subdivide-se em duas partes:

a) Programa de Aplicação: É o programa desenvolvido pelo usuário para a execução

do controle que foi desenvolvido. Usualmente as memórias utilizadas são:

EEPROM, EPROM e a RAM com bateria de segurança.

b) Tabela de Dados: São onde os dados são utilizados pelo programa de aplicação

estão armazenados.

2.5.7 Circuitos ou módulos de I/O

A diferença entre os circuitos e modelos de I/O, dá-se ao tipo de PLC a ser

utilizado. Nos PLCs compacto o CPU e o I/O são em um único invólucro, usa-se os

circuitos de I/O. Para PLCs modulares o CPU e os I/O são independentes, neste caso

usa-se os módulos de I/O. Veja a seguir figura 16 CLP compacto e figura 17 CLP

modular:

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43

FIGURA 16 - CLP compacto

(Fonte: http://www.klocknermoeller.com/kmimages/ps4-111-dr1.gif)

FIGURA 17 - CLP modular WEG

(Fonte: www.weg.com.br)

Os módulos de I/O são os responsáveis pela comunicação entre o CPU e o

meio externo, além de garantir isolação e proteção a CPU.

Módulos de Entrada (Input Modules), onde chegam os sinais dos dispositivos

de entrada do tipo: Sensores, Chaves e Transdutores etc.

Módulos de Saída (Output Modules) enviam os sinais aos dispositivos de

saída, tais como: Motores, Atuadores e sinalizadores.

2.5.8 Os Módulos de I/O

Isolação óptica que protege a CPU, Fonte de Alimentação e demais módulos

de I/O. Não há conectividade elétrica entre os dispositivos de I/O e os barramentos de

comunicação da CPU.

Indicadores de Status são os LEDS (Ligth Wnirig Diodes), ou seja, Diodos

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44

emissores de luz, que são dispostos na parte frontal dos módulos de I/O. Esses diodos

de luz indicam os pontos de entrada onde estão recebendo os sinais dos dispositivos

externos, e também indica os pontos de saída que estão sendo utilizados pela CPU.

Podem ter indicadores que detectam falhas, como falta de alimentação externa, blocos

de terminais desconectados ou até de fusíveis internos queimados.

Conectores removíveis reduzem o tempo de manutenção ou substituição dos

módulos I/O. Os módulos são classificados como discretos ou analógicos também

existem, os especiais em algumas famílias de PLCs.

2.5.9 Módulos discretos

São sinais digitais (on/off) utilizados em sistemas seqüenciais e nas

aplicações com CLP, mesmo como parte de sistema contínuo. Cada ponto de entrada

ou de saída dos módulos discretos corresponde a 1 bit de um determinado endereço da

tabela de dados.

2.5.10 Módulos discretos de entrada

Possuem geralmente as seguintes características:

Filtro de sinais que protegem dos problemas de bounces (pulsos indesejáveis)

causados durante a abertura e fechamento dos contatos mecânicos que são

conhecidos como rebatimentos;

Quantidade de pontos disponíveis, por exemplo: 8, 16, 32, 64;

Tipo de faixa de tensão das entradas: AC, DC, AC/DC, TTL (contato seco).

As entradas DC podem ter suas configurações consumidoras de corrente-

comum negativo conhecido como Current Sinkig ou podem ser fornecedoras de

correntes comuns positivas chamadas de Current Sourcing ou os dois quando possui

um opto-acoplador com 2 LEDs em antiparalelo.

É uma característica determinante durante a configuração de um PLC, pois

dependendo do dispositivo de entrada utilizado do tipo sensores NPN ou PNP, por

exemplo, é necessário usar outro tipo de entrada DC.

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45

2.5.11 Módulos discretos de saída

Normalmente possuem características tais como:

Quantidade de pontos disponíveis que podem ser 4, 8, 12, 16, 32 ou 64;

Tipo de faixa de tensão de saída que são tipo AC - Triac/SCR (24v, 110v, 220v),

DC – Transistor Bipolar ou Mos-Fat.(5v, 12v, 24v ou 125v) ou relé (AC e DC)

Saída DC pode ser do tipo sourcing ou sinking;

Saída à relé pode ter contato simples ou removível.

A quantidade dos pontos, o tipo e a tensão das saídas, os itens a seguir são

apresentados nas especificações técnicas do módulo discreto de saída e devem ser

considerados durante a configuração (NATALE, 2002).

a) Tensão de Pico que e a tensão máxima permitida para cada ponto de saída, com

limite de tempo para a permanência neste valor.

b) Queda de tensão, também conhecida por “tensão de saturação”, que indica a

tensão medida entre o ponto de saída com a carga máxima.

c) Corrente máxima: Limite máximo de corrente permitido para cada ponto de saída.

Indica cargas resistivas.

d) Corrente de pico: É a corrente máxima que pode ser fornecida a carga por um curto

intervalo de tempo durante a transição de 0 para 1. Este valor é maior que o de

corrente máxima e é característico para acionamento de circuitos indutivos.

e) Corrente de fuga: É a corrente máxima que poderá circular pelo dispositivo de

saída, do ponto de saída não acionado, ou seja, em off (desligado)

f) Carga mínima: É a menor corrente que o ponto de saída deve fornecer a carga para

operar adequadamente.

g) Tempo de resposta de 0 para 1: É o tempo para a realização da transição de uma

saída do desligado para o ligado (0 e 1).

h) Tempo de resposta de 1 para 0: É o tempo para a realização da transição de uma

saída do ligado para o desligado (1 e 0).

i) Pontos comuns por módulos: É a quantidade de pontos comuns disponíveis nos

módulos indicando se eles são isolados ou não.

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46

j) Freqüência AC: É um tipo de freqüência que um módulo pode operar, isto é, serve

somente para módulos de saída AC e relé.

k) Potência consumida na base: Especifica a corrente que o módulo consome da fonte

de alimentação, por meios de barramentos da base, para operar adequadamente.

l) Necessidade de alimentação externa: alguns módulos necessitam de alimentação

externa para operarem adequadamente, sendo que essa alimentação pode ser

derivada da mesma fonte de fornecimento de tensão as entradas.

m) Fusíveis de proteção: Indica a existência ou não, de elementos descritos acima se

forem substituíveis, eles estão localizados internamente ou externamente no

módulo.

Um fator importante na configuração no módulo de saída relaciona-se ao

acionamento dos dispositivos controlados. Não é recomendada a utilização de saída a

relé para acionamento cíclicos, mesmo de baixa freqüência, ou acionamentos rápidos,

devido a fadiga mecânica que eles podem sofrer. Para saídas a relé, de carga indutiva,

recomenda-se a utilização de circuitos RC (Snulber AC/DC) e diodo (apenas DC) para

proteção dos contatos.

2.5.12 Configuração de sistema I/O

A disposição dos módulos de I/O do PLC está diretamente ligada a

configuração do sistema I/O. Em alguns casos, uma única base não é suficiente para

acomodar todos os módulos de I/O necessários a uma determinada aplicação, tanto por

limitações de espaço físico como por limitação elétrica. Nesses casos, o uso de base

de expansão local é imprescindível em alguns casos, em que os dispositivos de I/O

estão longe da CPU, é necessária a utilização de base de expansão remota.

2.5.13 Base local

É a base na qual a CPU está localizada. Os módulos de I/O que estão

instalados nessa base são chamados de módulos de I/O local. Normalmente são

encontrados dois métodos de configuração dos pontos de I/O, conforme a CPU

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47

utilizada (fonte).

a) Configuração normal: é onde o endereço dos pontos de I/O é determinado pelo

usuário, por hardware ou por jumpers ou por software, neste caso, por parâmetros.

b) Configuração automática: É a realizada pela CPU sem intervenção do usuário.

2.5.14 Expansão local

São necessários somente quando os pontos de I/O são maiores que a base

suportada ou quando a fonte de alimentação local não é suficiente para fornecer

corrente a todos os módulos de I/O usados em uma aplicação.

2.5.15 Expansão remota

É utilizada quando os dispositivos de I/O são instalados longe da base local

ou quando precisar de pontos de I/O maior que o suportado pela base local e de

expansão local. Nas bases de expansão remota, não tem CPU, somente as fontes de

alimentação e um módulo especial de comunicação, ou seja, módulo remoto escravo,

que pode ser de um único módulo dependendo do PLC.

O módulo remoto mestre é instalado na base local, proporcionando um canal

de comunicação serial para acesso as bases de expansão remota.

Um sistema pode ter a expansão remota e utilizar as bases de expansão local

em um mesmo sistema, sem que haja restringimento para que isso ocorra. A

identificação e o método de endereçamento e o tratamento dos pontos de I/O remotos

dependem da família do PLC utilizado.

Os pontos de I/O remotos não são tratados como pontos de I/O local. As

operações de leitura e escrita dos pontos de I/O remotas são feitas pela CPU por meio

dos módulos remotos mestres que se comunica com os módulos remotos escravos.

Não há sincronia entre o acesso da CPU ao módulo remoto mestre que acontece a cada

scan e o acesso deste aos módulos remotos escravos que dependem das quantidades de

módulos ou de pontos de I/O instalados, e da taxa de transmissão utilizada.

Por isso, a atualização dos pontos de I/O remotos são mais lentas que as dos

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48

pontos de I/O de base local.

2.5.16 Programação de PLC

Linguagens de programação: A linguagem LADDER foi a primeira

linguagem para PLCs a ser criada. É uma linguagem gráfica baseada em símbolos

semelhantes aos encontrados nos esquemas elétricos, os contatos e bobinas, foi o ponto

chave para a aceitação do PLC por técnicos e engenheiros acostumados com sistemas

de controle a relé. As linguagens de programação para PLCs não se limitam somente a

LADDER, são encontradas no mercado outras linguagens como C, Basic, Lista de

instruções etc.

A norma IEC 61131-3 define 5 linguagens, entre as quais está a linguagem

LADDER e as Listas de instruções.

2.5.17 Linguagem LADDER (LD ladder diagrama)

O nome LADDER dá-se a representação da linguagem que se parece com

uma e SCADA na quais duas barras verticais são interligaras pela lógica de controle,

formando os diagramas de e SCADA. Veja na figura 18 uma linha de programação

LADDER.

FIGURA 18 - Exemplo de Programação em Linguagem Ladder.

(fonte: autor, 2006)

Atualmente os PLCs apresentam instruções sofisticadas além de simples

contatos e bobinas, dispõe de contatos para a detecção de bordas de subida/descida,

contatos de comparação, temporizadores, blocos de processamento, controle total do

fluxo de execução do programa, interrupções e blocos para manipulação de

OU

T

EN

D

Bobina

Out

Bobina

END

X0 X1

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49

mensagens.

2.5.18 Linguagens definidas na norma IEC 61131-3

A norma IEC 61131 de agosto de 1992 apresenta atualmente as seguintes

partes (NATALE, 2002).

IEC 61131-1: Informações gerais (Introdução)

IEC 61131-2: Especificações de equipamentos e testes (Hardware)

IEC 61131-3: Modelo de programação e de software (Linguagem de

programação).

IEC 61131-4: Orientações ao usuário;

IEC 61131-5: Comunicação;

IEC 61131-6: Comunicação por Fieldbus;

IEC 61131-7: Programação para controle Fuzzy;

IEC 61131-8: Orientação para aplicação e implementação das linguagens

de programação;

O IEC 61131-3 que aborda as linguagens de programação define também a

estrutura de um projeto, tipos de dados e a organização interna do programa.

As cinco linguagens de programação definidas que podem ser utilizadas são:

Lista de instruções (IL – Instruction List)

Texto estruturado (ST – Structured Text) linguagem de alto nível,

estruturada em blocos semelhante ao Pascal.

Linguagem LADDER (LD – Ladder diagran)

Diagrama de blocos de função (FBD – Function Block Diagran) linguagem

gráfica que permite aos elementos do programa representados em bloco. A linguagem

apropriada para aplicações que envolvam grande fluxo de informação, ou dado entre

componentes de controle.

Diagrama funcional seqüencial (SFC – Sequential Function Chart)

linguagem gráfica.

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50

2.5.19 Ciclo resumido de execução do PLC

É o scan do PLC em modo de execução pode ser descrito resumidamente

apresentado na figura 19.

FIGURA 19 - Fluxograma Básico do Sistema de Operação de um PLC

(fonte: NATALE, 2002)

Estes seguimentos estão presentes em todos os PLCs disponíveis no mercado

e definem o tratamento da informação durante a execução do programa em aplicação.

2.5.20 Aspectos históricos do controlador lógico programável (CLP)

Durante a década de 50, os dispositivos eletrônicos foram os recursos mais

utilizados para efetuar controles lógicos e de intertravamentos nas linhas de produção e

em máquinas isoladas. Tais dispositivos, baseados principalmente em relés, tinham

especial importância na indústria automobilística em que a complexidade dos

processos produtivos envolvidos exigia, não raro, instalações em painéis e cabines de

controle com centenas de relés e, conseqüentemente, um número maior ainda de

interconexões deles.

Tais sistemas de controle, apesar de funcionais, apresentam problemas de

ordem prática bastante relevante. Como as instalações possuíam uma grande

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51

quantidade de elementos, a ocorrência de uma falha qualquer significativa o

comprometimento de várias horas ou mesmo dias de trabalho de pesquisa e correção

do elemento faltoso. Alem disto, pelo fato de os relés apresentarem dimensões físicas

elevadas, os painéis ocupavam grande espaço, o qual deveria ser protegido contra

umidade, temperatura, gases inflamáveis, oxidações, poeira, etc.

Outro fator ainda comprometedor das instalações a reles era o fato de que

como a programação lógica do processo controlado era realizar por interconexões

elétricas com lógica fixa (hardwired), eventuais alterações na mesma exigiam

interrupções no processo produtivo a fim de se reconectarem os elementos.

Interrupções estas nem sempre bem-vindas na produção industrial. Como

conseqüências ainda, tornava-se obrigatória a atualização das listas de fiação como

garantia de manter a documentação do sistema.

Com o advento da tecnologia de estado sólido, desenvolvido a principio em

substituição as válvulas a vácuo, alguns dispositivos transistorizados foram utilizados

no final da década de 50 e inicio dos anos 60, sendo que tais dispositivos reduziam

muitos dos problemas existentes nos reles. Porem foi como surgimento dos

componentes eletrônicos integrados em larga escala (LSI), que novas fronteiras se

abriram ao mundo dos computadores digitais e, em especial as tecnologias para a

automação industrial.

Assim, a primeira experiência de um controle de lógico que permitisse a

programação por recursos de software foi realizada em 1968, na divisão de

hidramáticos do GENERAL MOTORS CORPORATION. Aliado ao uso de dispositivos

periféricos, capazes de realizar operações de entrada e saída, um minicomputador com

sua capacidade de programação pode obter vantagens técnicas de controle que

suplantaram o custo que tal implementação representou na época. Iniciava-se a era dos

controladores de lógica programável.

Essa primeira geração de PLC, como poderia ser denominada, recebeu

sensíveis melhorias com o advento dos microprocessadores ocorrido durante os anos

70. Assim, não se tornava necessário o uso de computadores de grande porte,

tornando-o uma unidade isolada. Foram adicionados ainda recursos importantes tais

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52

como interfaces de operações e programação facilitadas ao usuário, Instruções de

aritmética e de manipulação de dados poderosas, configurações especificas a cada

finalidade por meio de módulos intercambiáveis, dentre outras inúmeras vantagens

encontradas nos modelos comerciais que estão atualmente disponíveis.

Assim, os técnicos em controle de máquinas e processos passaram a contar

com um dispositivo capaz de:

Permitir fácil diagnóstico de funcionamento ainda na fase de projeto dos sistemas

e/ou de reparos em falhas que venham a ocorrer durante a sua operação.

Ser instalado em cabines reduzidas devido ao pequeno espaço físico exigido.

Operador com reduzido grau de operação, pelo fato de não serem gerados

fisicamente.

Ser facilmente re-programados sem necessidade de interromper o processo

produtivo (programação on – line).

Possibilitar a criação de um banco de armazenamento de programas que podem ser

reutilizados a qualquer momento.

Manter uma documentação sempre atualizada com o processo em execução.

Apresentar baixo consumo de energia.

Manter o funcionamento da planta de produção com uma reduzida equipe de

manutenção.

Garantir maior confiabilidade pela menor incidência de defeitos.

Emitir menores níveis de ruídos eletrostáticos.

Ter a flexibilidade de expansão do número de entradas e saída por serem

controladas.

Ter capacidade de se comunicar com diversos outros equipamentos.

Em nível de Brasil porém, é na década de 80, que o PLC veio a proliferar na

indústria, primeiramente pela absorção de tecnologias utilizadas na matriz das

multinacionais. Atualmente, com a crescente redução no custo do PLC, observa-se o

incremento de sua utilização nas indústrias em geral, independente de seu porte ou

ramo de atividades.

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53

2.5.21 Definições importantes

Devido à ampla gama de equipamentos e sistemas disponíveis para controle

industrial, aliada a crescente capacidade confundir outros equipamentos com ele. Para

evitar tal equivoco, devem-se observar as três características básicas, que servem de

referência para identificar um equipamento de controle industrial como sendo

controlador lógico programável:

O equipamento deve executar uma rotina cíclica de operações enquanto em

funcionamento;

A forma básica de programação deve ser realizada a partir de uma linguagem

oriunda dos diagramas elétricos de reles;

O produto deve ser projeto para operação em ambiente industrial sujeito a

condições ambientais adversas.

A utilização de siglas também é um fator de confusão.

CLP: Tradução para o português de sigla Programmable logic controller, ou

seja, controlador lógico programável, a qual tem sua utilização restrita uma vez que se

tornou marca registrada de propriedade exclusiva de um fabricante nacional.

PLC: Abreviatura do termo em inglês Programmable logic controller, a qual

é adotada neste e nos demais capítulos quando se fizer menção a tal equipamento.

CP: Tradução da abreviatura do termo em inglês Programable Controller, a

qual se refere a um equipamento capaz de efetuar controles diversos além do de lógica.

Mais amplo, portanto, do que um PLC, como é o caso, por exemplo, do controle de

variáveis analógicas.

A norma NEMA define formalmente um PLC com: ”Suporte eletrônico-

digital para armazenar instruções de funções especificas, como de lógica,

sequencialização, contagem e aritmética; Todas dedicadas ao controle de máquinas e

processos”.

Já a norma ABNT cita que Controle Programável é um equipamento

eletrônico-digital, com hardware e software compatíveis com as aplicações industriais.

Interfaces de entrada e saída

A conexão física entre o CPU e o meio externo é feito por meio de vários

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54

tipos de circuitos de interfaceamento. Esses circuitos possuem padrões semelhantes

em diversos equipamentos. Esses circuitos subdividem-se em natureza discreta, ou

seja, um único bit de informação e os de natureza numérica ou analógica, ou seja,

vários bits (NATALE, 2002).

2.5.22 Entrada e saída discretas

São os sinais mais comuns encontrados em sistemas automatizados com

PLC. Neste tipo de interface, a informação consiste em um único bit onde ele pode

representar dois estados possíveis, ligado ou desligado, por isso é chamado de discreto.

A seguir na tabela 1, alguns dispositivos dessa classe.

Dispositivo de Entrada Dispositivos de saída

Chaves Seletoras

Puchbottons

Sensores Fotoelétricos

Chaves fim-de-curso

Sensores de proximidade

Chaves censoras de nível

Contatos de partida

Contatos de relés

Relés de Controle

Solenóides

Partida de motores

Válvulas

Ventiladores

Alarmes

Lâmpadas

Sirenes

TABELA 1 - Dispositivos de I/O.

Esses dispositivos são acionados por fontes de alimentação distintas e que

são da mesma natureza. Por estes motivos, as interfaces com dispositivos I/O

discretos são disponíveis em vários níveis de tensão, CA ou CC, conforme os

seguintes padrões comerciais na tabela 2.

12 Vcc 24Vcc 110 Vca 220 Vca

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55

TABELA 2 - Padrões dos níveis de tensão

Para saídas, existem contatos de abre-fecha de relé que podem suportar

correntes de até 1A com isolação de 220 Vca, podem variar conforme o modelo do

fabricante. Outra característica é o número de pontos do I/O que o terminal possui em

comum, que pode variar de 2 a 4 ou apenas 1, isso também dependerá do modelo e

fabricante do equipamento.

2.5.23 Atuadores

São dispositivos que modificam uma variável controlada. Recebem um sinal

proveniente do controlador e agem sobre o sistema controlado. Geralmente trabalham

com potencia elevada. Exemplos de alguns atuadores:

Válvulas (pneumáticas hidráulicas);

Relés (estáticos eletromecânicos);

Cilindros (pneumáticos Hidráulicos);

Motores (step-motor, syncro, servomotor);

Solenóides.

Na figura 20 podemos observar o diagrama esquemático do Protótipo.

FIGURA 20 - Diagrama esquemático

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56

2.6 Conclusão

Neste capítulo, realizou-se o estudo de conceitos de sistema de controles e

formas de controles modernos, além de alguns exemplos de sistemas de controle de

processos com aplicação industrial.

Tais conceitos foram a base para o desenvolvimento deste protótipo, pois

através deles foram definidas as ferramentas necessárias para a execução do mesmo. A

título de exemplo podem ser destacados os segintes componentes: Sensores de níveis,

CLP, válvulas, entre outros. A evolução dos dispositivos de controle, a cada dia vem

se tornando mais comuns, e podemos encontrar estes equipamentos em vários tipos de

empresas e exeutando varios tipos de processo. Estes dispositivos estão se tornando

indispensáveis nas indústrias para a execução de trabalhos, que nescessitam de um

controle preciso e contínuo. Por estas vantagens é que estes dispositivos estão sendo

requisitados cada vez mais em todos os setores que necessitam que seus sistemas

sejam confiéveis e robustos.

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57

3 SISTEMA SUPERVISÓRIO SCADA

Todo processo de automação industrial tem a necessidade de um sistema de

supervisão, podendo assim manter um controle do processo, facilitando e agilizando

tarefas de desenvolvimento de aplicações.

Desta forma, é apresentado neste capítulo, a importância do sistema

supervisório SCADA no desenvolvimento do trabalho. O mesmo é o responsável pela

transferência dos dados obtidos através do sistema de controle, onde, recebe os dados

através do CLP, executando estas informações e transformando-as em linguagem de

máquina, de forma que a planilha do Excel possa reconhecer o tipo de dado gerado por

este processo.

São mostrados os recursos e a versatilidade do sistema supervisório, bem

como os tipos de dados necessários para as aplicações, conceitos e o software Elipse

SCADA, que é utilizado através de sua exclusiva linguagem de programação a

possibilidade de automatizar tarefas a fim de atender e satisfazer todas as necessidades

desejadas à conclusão deste trabalho (NATALE, 2002).

3.1.1 Área de aplicação

O sistema SCADA é utilizado para o desenvolvimento de sistemas de

supervisão e controle de processos. Os dados podem ser coletados através de

informações de qualquer tipo de equipamento. A partir do sistema de supervisão, os

operadores podem monitorar e controlar com precisão todos os processos do chão de

fábrica, bem como máquinas e recursos, gerenciando de forma rápida e eficiente. Com

a possibilidade de automatizar processos hoje realizados de forma manual, com a

participação de funcionários destinados somente para este trabalho. Os sistemas

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58

SCADA apresentam dados em tempo real de forma gráfica e, se necessário, permitem o

tratamento das informações de várias maneiras, como o armazenamento histórico, a

geração de relatórios e a conexão remota entre outras possibilidades.

Quanto à sua utilização, é muito comum encontrá-los em indústrias de

processos contínuos, ou seja, indústrias de alimentos, bebidas, petroquímicas e

fabricação de sacos industriais etc. Isto é conseqüência destes processos exigirem um

monitoramento em tempo real.

3.1.2 Sistemas SCADA – conceitos

Os sistemas SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) são

sistemas compostos por conjuntos de ferramentas destinadas ao atendimento de

necessidades de gerenciamento de diversos tipos de processos (BORTOLUSI, 2006).

Os processos gerenciados podem ser: a automação predial, plantas industriais,

automação comercial, geração de energia etc.

O trabalho de sistema de aquisição de dados da produção de embalagens terá

o sistema SCADA executando interligado com outros equipamentos. Através de um ou

mais computadores ligados em uma rede de equipamentos eletrônicos, o sistema é

capaz de fornecer diversas informações relevantes ao tipo de trabalho que o mesmo

será executado (tais como: quantidade de material produzido, tempo de ciclo, tempo de

máquina parada, inclusive com o motivo da parada etc.), além de poder realizar o

controle do processo em questão e fornecer o status do processo monitorado naquele

instante.

O sistema serve como interface homem/máquina realizado através de

visualizações em telas de computadores com sua interface amigável. Os softwares que

utilizam estes tipos de sistemas para supervisão são considerados softwares robustos e

confiáveis para aplicação de grande porte e para aplicações distribuídas em várias

estações de trabalho (BORTOLUSI, 2006).

Sua programação é orientada a objeto, onde é facilmente criada e de forma

simples e rápida, o sistema também pode efetuar controles e distribuição de

informações via rede. Sua operação pode ser feita através de mouse, teclado ou

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59

touchscreen. Sua conexão poderá ser efetuada de várias maneiras com outros

equipamentos de aquisição de dados, tais como Controladores Lógicos Programáveis

(PLC), Cartões de Aquisição de Dados (DAC), Unidades Remotas (RTU) e controles

entre outros tipos de equipamentos (BORTOLUSI, 2006).

A configuração de um sistema supervisório pode ser executada de várias

maneiras, a mais conhecida é através de uma árvore de aplicativo. Esta é uma maneira

simples e fácil para criação, organização e documentação dos aplicativos. Neste caso,

os usuários acessam todos os elementos do sistema e suas propriedades, navegando em

uma árvore hierárquica que fornece uma visão geral do aplicativo.A figura 22 mostra

um exemplo da ferramenta de configuração através da navegação da árvore

hierárquica chamada de organizer (BORTOLUSI, 2006).

FIGURA 21 - Ferramenta organizer

(Fonte: BORTOLUSI, 2006)

3.1.3 Sistema Elipse SCADA

O sistema Elipse SCADA é utilizado para o desenvolvimento do sistema

supervisório. Permite a monitoração de variáveis em tempo real, possibilidade de fazer

acionamentos, enviar e receber informações para equipamentos de aquisição de dados

e é totalmente configurável pelos usuários, através de sua linguagem de programação,

a Elipse Basic. É possível automatizar diversas tarefas a fim de atender as

necessidades específicas do sistema supervisório que pretende ser criado. A seguir são

apresentadas algumas características importantes sobre a escolha da forma de

utilização deste software.

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60

A escolha deu-se com relação ao seu desempenho e pela possibilidade de

uma vasta versatilidade, representados em seus muitos recursos que facilitam e

agilizam tarefas de desenvolvimento de sua aplicação.

A figura 23 mostra um sistema desenvolvido com o Elipse SCADA.

FIGURA 22 - Sistema desenvolvido com SCADA

(Fonte: BORTOLUSI, 2006)

Na figura 24 tem-se um exemplo da tela principal do Elipse SCADA

mostrando sua interface gráfica.

FIGURA 23 - Sistema desenvolvido com SCADA

(Fonte: BORTOLUSI, 2006)

A Barra de título mostra o caminho e o nome da aplicação. A Barra de

Menus permite a escolha das opções para a configuração da aplicação, podendo ser:

Menu Arquivo que permite o acesso aos recursos e funções do Elipse SCADA

como criar uma nova aplicação, abrir uma já existente, salvar, salvar uma cópia da

aplicação corrente em um novo arquivo, fechar a aplicação etc.;

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61

Menu Tela com características de criação de novas telas, apagar tela corrente,

fechar, monitorar entre outras funções;

Menu Objetos permite a escolha do tipo de objeto desejado com opções do tipo:

Slider, Trend, Button, Gauge, Text, entre outros objetos;

Menu Arranjar possui os comandos de: agrupamento, desagrupamento, levar para o

fundo, trazer para frente, comandos de alinhamento e centralização;

Menu Visualizar possui três opções de visualização que é a Barra de Ferramentas,

Barra de Status e Barra de Tela.

Menu Ajuda, é tratado sobre a tentativa de esclarecimento de eventuais dúvidas e

tópicos com assuntos relacionados ao sistema ajudando o usuário no

desenvolvimento do sistema.

A Barra de Ferramentas oferece um acesso rápido às funções e são

distribuídas em quatro conjuntos: Aplicação, Objetos de Tela, Arranjar e Telas. A

Barra de Ferramentas Arranjar possui comandos para edição de telas agindo sobre os

Objetos de tela que estiverem selecionados e a Barra de Ferramentas Telas mostra o

nome da tela corrente e permite a troca de telas através de uma lista (ELIPSE, 2005).

3.1.4 Elementos de um sistema de supervisão e controle

A arquitetura de um sistema de supervisão é composta por quatro elementos

básicos: software de supervisão (SCADA); rede de comunicação; estações remotas I/O

e instrumentos de campo. As estações remotas, através da rede de comunicação,

informam ao software de supervisão o status de cada um dos instrumentos de campo.

O sistema de supervisão deve ser capaz de coletarem dados e transformá-los em

informações para os usuários em um curto tempo, de modo a permitir análises em

tempo real e respostas eficientes e rápidas.

A interface entre o sistema supervisório e o CLP é a chave principal na

arquitetura. É realizada através da utilização de cartões inteligente sendo um elemento

imprescindível para aliviar a CPU principal da tarefa de conversões de protocolos,

cálculo CRC, e comunicação propriamente dita. O uso de cartões inteligentes que

usam o mesmo protocolo do CLP traz vantagens do tipo (ELIPSE, 2005):

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62

Evitar o gargalo de comunicação representado pelo cartão RS-232 C;

Diminuir a perca de qualidade do sistema com o aumento do número de

variáveis no processo;

Permitir o uso de diversos protocolos concorrentes para conexão com

diferentes tipos de equipamentos, diminuindo a dependência do cliente em relação aos

fornecedores.

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63

4 DESENVOLVIMENTO DO SISTEMA

Este capítulo tem como objetivo apresentar o funcionamento do protótipo

desenvolvido, bem como as características dos componentes utilizados no

desenvolvimento do sistema e suas funcionalidades perante o protótipo. Na seção 3.1

são apresentadas algumas características do CLP utilizado; na seção 3.2 são

apresentados os sensores de nível; na seção 3.3 e apresentado o sensor de freqüência;

na seção 3.4 são abordadas as válvulas solenóides; na seção 3.5 é abordada a

motobomba utilizada neste trabalho; na seção 3.6 serão apresentadas especificações

sobre o inversor de freqüência; na seção 3.7 apresentado uma noção sobre motores

trifásicos de indução; na seção 3.8 são apresentados os reservatórios desenvolvidos

para o controle de nível; na seção 3.9 é explicado a implementação do sistema; na

seção 3.10 o funcionamento do sistema e na seção 3.11 conclusão.

4.1 Controlador lógico programável

O Controlador Lógico Programável (CLP), e uma das ferramentas mais

importantes que abordamos neste estudo ele e o responsável pela interação entre o

computador e o hardware e o principal responsável pelo controle do processo. Ele

contém o programa responsável por todo sistema, onde se encontra toda a definição do

sistema de mistura de tinta. O CLP recebe os sinais dos sensores de nível e emite um

sinal de comando (saída) para as válvulas e/ou para a bomba d’água. Na figura 25

podemos observar o CLP utilizado no protótipo deste trabalho.

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64

FIGURA 24 - Controlador lógico programável

(Fonte: laboratório de automação CCET)

O CLP PS4-201-MM1 foi utilizado neste trabalho possui duas CPUs com 16 entradas

digitais, 8 saídas digitais, dependendo do modelo, 2 entradas analógicas e 1 saída

analógica e pode ser ampliada até o limite de 8 módulos remotos, não sendo possível

expansão local.

4.2 Sensores de nível

Os sensores verificam, a todo estante os sinais dos níveis, e informam ao

CLP. Com base destas informações, o CLP pode manipular os processos, podendo

tomar decisões com base naquilo que foi previamente definido no sistema. Na figura

26 temos os sensores de níveis que são utilizados neste trabalho para detectar o nível

da cor que aqui chamamos de cor base.

FIGURA 25 - Sensores

(Fonte: laboratório de automação CCET)

Os sensores utilizados são eletrodos de aço inox que ficam submersos na

água, quando o nível do reservatório alto alcança a altura em que eles estão, tem-se,

que os sensores entendem por curto circuito e transmitem este sinal elétrico para o

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65

CLP, permitindo que o controle do nível do reservatório alto seja monitorado pelo

CLP. O reservatório alto têm dois sensores que são os responsáveis pelo

monitoramento do nível do reservatório. O sensor 1, verifica se o nível do reservatório

alto está cheio, se isso for verdadeiro o CLP desliga o motobomba e espera que a

quantidade de cor base chegue ao valor mínimo onde se encontra o sensor 2. O sensor

2 indica que o nível de cor base esta baixo ou até que o reservatório esteja vazio, então

o CLP espera que outra receita seja executada e o reservatório alto começa a receber a

cor base até que o nível 1 fique submerso. A ação de controle foi implementada no

CLP por um software específico de programação para o tipo de CLP, e essa

programação foi feita utilizando linhas LADER, e é aplicada no processo através de um

circuito de acionamento ligado as válvulas, ao sistema supervisório para

monitoramento dos níveis do reservatório alto ao motor de indução.

4.3 Sensor de referência

O sensor de referência (figura 27) também é um eletrodo de aço inox que

fica localizado abaixo do sensor de nível inferior no reservatório alto e tem como

função aplicar uma tensão de 24V no líquido do reservatório, fazendo contato elétrico

e fechando circuito com o CLP. A importância deste sensor para o funcionamento do

protótipo está no fato de que é através dele que a água recebe a energia elétrica,

causando o curto circuito quando a mesma atinge os sensores de nível dispostos no

corpo do reservatório.

FIGURA 26 - Sensor referência

(Fonte: laboratório de automação CCET)

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66

4.4 Válvula solenóide

As válvulas solenóides são utilizadas para fazer o escoamento da água dos

reservatórios. A válvula possui um pistão interno, que ao receber uma tensão de 220V,

desloca-se permitindo a passagem de água. Quando a tensão é retirada, esse pistão que

antes desbloqueava a passagem de líquidos, por exemplo, água ou fluídos, é deslocado,

e bloqueia novamente a passagem da água. A figura 28 apresenta a válvula utilizada.

FIGURA 27 - Válvula

(Fonte: laboratório de automação CCET)

O fluxo de líquidos entre os reservatórios é permitido através das válvulas

solenóides. Elas estão localizadas na parte inferior do reservatório. O modelo utilizado

é o mesmo utilizado em máquinas de lavar roupa e sua capacidade de vazão e baixa.

As válvulas têm como função quando estão recebendo corrente elétrica,

permitir a passagem de líquidos para o reservatório abaixo do que ela está disposta. As

válvulas recebem os comandos do CLP, que de acordo com as entradas informadas

pelos sensores de nível, emite os comandos tanto para fechá-las, quanto para abri-las e

permitindo a passagem de líquidos entre os reservatórios.

4.5 Motobomba

O motor empregado nesse processo (figura 29), tem uma tensão de

alimentação 220V de corrente contínua. É um motor monofásico de indução e nesta

aplicação o motor tem a finalidade de bombear água até o reservatório alto obtendo-se

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67

então o resultado esperado pelo sistema.

FIGURA 28 - Motor monofásico de indução

(Fonte: laboratório de automação CCET)

4.6 Inversor de freqüência

O acionamento dos motores de corrente alternada podem ser feitos através de

diversos dispositivos, como chave estrela-triângulo, softstarter entre outros. Temos

também além destes o inversor de freqüência para controlar a velocidade do motores

de correne alternada. A figura 30 podemos visualizar um inversor de freqüência.

FIGURA 29 - Inversor de freqüência

(fonte: Laboratório de automação CCET)

O inversor de freqüência controla a velocidade de motores elétricos de

indução, mantendo seu torque. A velocidade de rotação dos motores de corrente

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68

alternada depende da freqüência de alimentação. Quanto maior a freqüência, maior a

rotação e vice-versa.

Deste modo, neste trabalho a velocidade de rotação do misturador é

controlada pelo inversor de freqüência. Os comandos da velocidade a ser utilizada são

enviados pelo CLP ao inversor, ativando duas das suas entradas digitais. Neste caso,

existe uma programação de parâmetros internos ao inversor que definem a freqüência

de rotação e o sentido de giro do motor.

4.7 Motor Trifásico de indução

Para realização de trabalhos mecânicos, usualmente, as indústrias têm como

fonte de força e movimento os motores elétricos. Estes são utilizados por vários tipos

de processos nas indústrias, principalmente para realizar tarefas mecânicas que exijam

força e constância no seu funcionamento. Os motores elétricos transformam a energia

elétrica em trabalho mecânico, que é responsável pelo funcionamento de muitas

máquinas nos tempos atuais.

O motor trifásico de indução utilizado, é acionado por uma corrente elétrica

alternada ficando então responsável pelo funcionamento mecânico do protótipo de

mistura de tinta, ou seja, o motor é responsável pela mistura do proceso. Na figura 31

podemos observar o motor trifásico de indução utilizado neste trabalho.

FIGURA 30 - Motor trifásico de indução

(Fonte: Laboratório de automação CCET)

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69

4.8 Reservatórios

Os reservatórios utilizados são de material plástico transparente, o que

facilita a visualização das variações dos níveis no decorrer do processo, a cor que será

empreendida em cada reservatório e a cor resultante. Foram utilizados três níveis de

reservatórios, sendo um com sensores e uma válvula. O segundo nível contendo três

reservatórios com uma válvula cada um, onde cada um receberá uma cor diferente do

outro, o terceiro nível é um reservatório onde temos o auxilio de um motor, onde será

realizada a mistura da tinta e o quarto reservatório será onde a cor base (que será usada

água no lugar da tinta base) de onde o motobomba irá conduzir a cor base até o

primeiro reservatório até que o nível alto seja satisfeito.

Ao realizar os primeiros testes foram utilizadas somente água, para que fosse

possível observarmos o nível do reservatório. Os testes da amostra serão empregados

com corantes artificiais, o primeiro reservatórios será com cor vermelha, o segundo

será com a cor azul e o terceiro será com a cor amarela, para podermos simular uma

mistura com mais precisão. Na figura 32 temos um visual parcial do protótipo do

sistema de mistura de tintas a partir das cores primárias, com seus respectivos

reservatórios.

FIGURA 31 - Protótipo do Sistema

(Fonte: Laboratório de automação CCET)

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70

4.9 Implementação do Sistema

A implementação do sistema iniciou pela interligação dos componentes ao

CLP, a medida em que eram declaradas as variáveis conforme a ligação física entre os

sensores e atuadores. Isto significa, por exemplo, que a variável nível alto foi

declarada na entrada digital do segundo módulo do CLP, entrada 7 (indicada por .6,

pois a contagem começa de .0). Deve-se observar que a letra “i” antes do número

refere-se a uma variável de entrada. Este exemplo pode ser observado na figura 33.

FIGURA 32 - Declaração de variáveis de campo

Pode ser observada também na figura 33, a declaração da variável que está

relacionada ao sistema de supervisão, é indicada pela letra “m” e os dois últimos

números referem-se ao endereço de memória a ser alocado pelo CLP para troca de

informação com o sistema supervisório. Por exemplo, a variável “mvalv_verd” é

digital e está na palavra 1 da memória de dados do sistema e utiliza o primeiro bit para

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71

informar se a válvula está ou não ligada.

Após a declaração das variáveis e sua interligação física começou-se a

implementação do sistema. O sistema foi dividido em três partes. A primeira refere-se

ao controle de nível, onde o sensor alto está encarregado de desligar a bomba e um

objeto do tipo botão no supervisório é responsável por ligar o processo de enchimento

do reservatório. Este objeto está relacionado a uma tag que é na verdade um endereço

de memória alocado no CLP. A figura 34 mostra a informação sendo transferia para o

supervisório. Neste caso, uma vez recebida a informação de que o nível alto foi

alcançado, esta informação é passada para o supervisório através da variável

“mnivel_alto”.

FIGURA 33 - Parte do sistema que informa a condição do sensor de nível

alto

A segunda parte do sistema refere-se à receita da mistura, onde o sistema é

temporizado via set-point para determinar a quantidade de cada cor básica na mistura.

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72

Por exemplo, uma combinação com maior tempo da cor vermelha, um pouco da cor

amarelo, e pouco ou nada da cor azul, produz uma cor alaranjada. Neste caso serão

abertas as válvulas de cor vermelha e amarela. Estes valores são inseridos via sistema

supervisório, através de objetos de set-point, que por sua vez estão relacionados a um

endereço de memória, denominado de tag. Por exemplo, a figura 35 mostra a tela do

supervisório com o objeto set-point. Neste caso, embaixo de cada desenho do tanque o

operador do sistema deve digitar um tempo conhecido para a realização da dosagem

das cores a serem misturadas.

FIGURA 34 - Tela do supervisório com setpoint de tempo

A figura 36 mostra a parte do sistema onde foi configurado o tag (endereço

de memória do CLP) na implementação da interface. Neste caso a figura mostra as

configurações dos parâmetros N. O parâmetro N1 especifica o modelo do CLP (no

caso 151 mm1 da Moeller). O parâmetro N2 especifica o tipo de variável, que neste

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73

caso é do tipo inteiro sem sinal (uint). O parâmetro N3 é o endereço da variável já

definido no programa de controle e o parâmetro N4 não é utilizado neste caso. A

figura mostra portanto o endereço do tag do tempo de mistura. O parâmetro N1=7

refere-se à família de CLPs da Moeller “ps4-151 mm1” utilizado no trabalho. O

parâmetro N2=2 refere-se ao tipo da variável alocada que do tipo “int”. O parâmetro

N3=30 refere-se ao endereço onde os dados serão passados, que neste caso é o valor

do tempo digitado no objeto de setpoint. O parâmetro N4=0 neste caso significaque

não está configurado. O parâmetro “scan” é o tempo de leitura dos dados, sendo

cofigurado como 100 milissegundos.

FIGURA 35 - Tag tempo de mistura

O tag configurado troca a informação com o CLP através de um programa

denominado de driver como mostra a figura 36. O programa driver foi implementado

pela própria empresa que fornece o sistema de desenvolvimento do supervisório, a

Elipse Software.

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74

FIGURA 36 - Configuração do driver

A terceira parte do sistema consiste em determinar o tempo de mistura, que

já está previamente definido em 10 segundos, mas que pode ser alterado. Para

comandar a mistura basta acionar o misturador através de um objeto botão que

também possui um tag. No caso do misturador, o botão liga é responsável por

comandar o acionamento do inversor que já está previamente programado com um

sentido de rotação e uma velocidade de giro.

A figura 38 mostra a montagem do misturador, onde o motor está acoplado a

um eixo mecânico para agitar as tintas. O motor é comandado através da sua entrada

de energia trifásica, estando ligado ao inversor.

Além das partes do programa do sistema, as válvulas, os sensores e a

motobomba são acionados pelo CLP que está acoplado a um painél que contém relés

de comando, de modo a gerar o acoplamento do sistema como um todo. Este painél

pode ser observado na fira 39.

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FIGURA 37 - Misturador com o motor acoplado ao eixo mecânico

FIGURA 38 - Painel de acoplamento

4.10 Funcionamento do sistema

O funcionamento do sistema segue o diagrama esquemático apresentado na

figura 38. O sistema inicia com o comando de ligamento da bomba d’água. O

reservatório alto enche até o sensor de nível alto detectar a presença da água. Neste

ponto a bomba é desligada. Uma vez detectado que o reservatório está cheio, é

acionada a válvula do reservatório superior para despejar o líquido base que forma as

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demais cores. Esta válvula é temporizada, mandando uma quantidade similar de

líquido base para as cores.

FIGURA 39 - Diagrama esquemático do sistema

Então o operador deve especificar o tempo de vazão das válvulas das cores e

acionar a válvula para formar a mistura. Uma vez que as cores são transferidas para o

misturador, o operador pode comandar a mistura. O misturador gira o eixo de mistura

por um tempo determinado pelo set point inserido pelo operador. Uma vez que

reservatórios das cores ainda possuem líquidos, pode-se realizar uma nova receita sem

precisar encher o reservatório superior, até que o nível baixo seja atingido. Neste caso

se o operador quiser fazer mais receitas para outros fins, então o sensor nível alto e

acionado e novamente para que o reservatório seja completado.

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77

4.11 Conclusão

Neste capítulo foram apresentados os componentes utilizados no

desenvolvimento do protótipo, bem como a função e importância de cada um para o

correto funcionamento do sistema. Foi ainda descrito o funcionamento do protótipo, e

a função do sistema supervisório.

Os dispositivos empregados neste trabalho permitiram simular com sucesso a

implementação de um sistema de mistura de tintas a partir de cores primárias,

controlado por um CLP e fazendo uso de um sistema de interfaces gráficas para o

operador do sistema, utilizando um sistema de aquisição de dados.

Algumas dificuldades foram encontradas na montagem do protótipo, porém

todas foram solucionadas com o auxílio do orientador e do co-orientador.

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5 CONSIDERAÇÕES FINAIS

Com base no desenvolvimento e relato dos capítulos anteriores, foi possível

observar como o protótipo de sistema didático de mistura de tintas a partir de cores

primaria, através do processo de automação, facilita no uso do sistema sem que haja

desperdício de matéria prima.

No desenvolvimento do protótipo, surgiram algumas dificuldades como: a

escolha do equipamento a ser utilizado, o acoplamento do motor no reservatório de

mistura, a soldagem das peças do misturador, o uso de polia no protótipo foi inevitável

uma vez que não conseguimos fazer a acoplagem do motor ao reservatório, onde é

feita a mistura das tintas, a montagem do suporte para o protótipo e as formas de

utilização que nos desse o maior respaldo possível para o bom funcionamento do

sistema.

As soluções para os problemas citados ocorreram através de pesquisas sobre

cada equipamento que supriu as necessidades, utilizado equipamentos já disponíveis

na universidade para a aplicação, uma vez que o alto custo de certos equipamentos é

elevado. A simulação utilizando estes equipamentos foi de estrema importância para o

funcionamento do sistema.

É possível programar uma receita que o protótipo executa-o. Com isto, o

processo desenvolvido no trabalho teve vários resultados positivos, como o bom

funcionamento, agilidade e confiabilidade nas receitas programadas, podendo obter a

redução de custos para no uso de matéria prima.

O desenvolvimento deste projeto foi de um grande aprendizado e muito

gratificante. O objetivo do aprendizado foi alcançado em todas as instâncias, tendo em

vista a importância da informática, que além das mais variadas áreas de atuação, tem

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grande influência na área de automação, gerando as mais diversas mudanças para as

indústrias em geral. O objetivo geral bem como o objetivo específico do sistema de

mistura de tintas a partir de cores primaria, foi possível tendo em consideração as

características dos equipamentos e softwares utilizados no processo, suas interligações,

bem como a programação de alguns equipamentos como no caso do CLP, inversor e o

sistema supervisório.

Como sugestão para pesquisas futuras, pode ser citado o desenvolvimento do

processo via web, e automatização de receitas para que sejam executadas quando se

precise de uma receita diferente.

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80

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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Departamento de Ciências Exatas e Tecnológicas, Universidade do Planalto

Catarinense, Lages.

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82

ANEXOS

Automação industrial retrospectiva histórico

A palavra controle vem de origem Francesa e o ato de exercer domínio,

fiscalizar, supervisionar, manter equilíbrio.

O controle na escala tecnológica exerce um papel de extrema importância e

decisivo dentre os métodos e processos existentes. O controle discreto que está

preconizada é finita de valores absolutos, coerentes com estas tecnologias, o

entendimento destes conceitos vem buscando as origens e as necessidades, humanas de

desenvolver seus próprios sentidos.

O homem sempre buscou maneiras de simplificar o seu trabalho no seu dia a

dia.

Revolução industrial

A revolução industrial nasceu da necessidade de produção de bens de

consumo de forma artesanal, tornado-o mais produtivo e voltado a um novo modelo

econômico, foi baseado em uma sociedade preocupada com o avanço tecnológico.

Iniciou-se na Inglaterra, em meados do século XVIII.

As primeiras máquina foram desenvolvidas para executar tarefas simples, ou

seja, substituir a forma humana pela mecânica.

Segundo Jean Fourastié os setores de atividades podem ser classificados em

três categorias:

Primárias: Atividades relacionadas com a agricultura;

Secundárias: Atividades industriais;

Terciárias: Prestação de serviço.

Existem basicamente dois tipos de indústrias, a extrativista, quando nos

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limitamos a extrair da natureza substâncias úteis, sem alterar sua estrutura; e a mão-de-

obra, que e o conjunto de operações que o homem executa, conhecida como indústria

de transformação, que foi criada e desenvolvida por causa da divisão social do

trabalho, por conseqüências desta primeira revolução das máquinas, se separaram das

atividades industriais das agrícolas.

A revolução industrial na Inglaterra

A condição sócio-econômica da Inglaterra aos anos que antecederam a

revolução industrial, era de uma população distribuída em aldeias e fazendas,

dedicavam-se ao cultivo de lavouras e as técnicas utilizadas eram rudimentares, as

técnicas agrícolas até então eram desconhecidas, não conheciam aos ciclos produtivos

e seu padrão de vida eram baixo.

Seu maior produto na agricultura para a subsistência era da manufatura de lã,

tiravam seu sustento dos tecidos de lã negociados com recursos próprios.

O desenvolvimento de novas técnicas, o velho mundo deu um avanço

considerável e sem precedentes para o desconhecido. A invenção de três tipos de

máquinas, e que marcou o período de transição para a revolução industrial:

Máquinas de fiação;

Máquina de tear mecânico;

Motor a vapor.

Com a criação destas máquinas, os tecelões passaram a formar grandes

sociedades e juntavam vários teares num único local de trabalho, onde havia uma

grande quantidade de máquinas, dando origem às indústrias. Aos poucos foram

mudando os hábitos de trabalho, dando origem às jornadas de trabalho. Os

trabalhadores passaram a trabalhar em um lugar e morar em outro. A primeira

máquina de fiar foi criada na idade média, e era constituída por uma roda de fiar, uma

roca e um fuso. Depois veio a lançadeira volante, inventada em 1733, pelo tecelão

inglês John Day. Em 1767, James Hargreaves, tecelão inglês construiu uma máquina

que fiava 8 fios, simultaneamente. Essa máquina foi chamada de máquina de fiar

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rotativa, a qual foi destruída por seus colegas fiadeiros, que temiam serem substituídos

por máquinas. Posteriormente ele construiu outra máquina que fiava 16 fusos, esse

trabalho substituído o trabalho de 100 homens, e aí tem o início de uma produção em

série (NATALE, 2002).

Em 1769, Richard Arkwright, considerado o percussor da produção em série,

acelerou o processo de movimentação da máquina de tecer através da força da água

corrente utilizando correias acionadas por uma roda hidráulica, estava criada então, o

tear mecânico.

O tear mecânico foi aperfeiçoado por Samuel Crompton, em 1779, onde a

quantidade de fusos produzidos chegou ao número de mil fusos simultaneamente.

O primeiro motor a vapor foi criado em 1712, pelo ferreiro Thomas

Newcomen. Esse motor tinha uma baixa potência e era utilizado para tirar água das

minas de carvão.

Um dos motores de Newcomen foi parar na oficina do escocês James Watt,

para concerto. Foi então que Watt constatou que a tal máquina poderia ser muito mais

eficiente, a partir de então, a verdadeira máquina a vapor tinha sido inventada.

Depois das máquinas a vapor são os motores de explosão e combustão

interna de energia elétrica que dão origem a novos desenvolvimentos industriais

(NATALE, 2002).

Contribuição norte-americana

O contexto sócio econômico norte-americano não se diferencia muito

daquele apresentado pela sociedade inglesa do século XVIII; O artesão especializado

trabalhava em sua oficina. Quem possuía posses, importava roupas da Inglaterra, e

quem não tinha dinheiro, tecia seus próprios fios de algodão e fazia suas próprias

roupas. O objetivo do trabalho era a satisfação das modestas necessidades de uma

nação essencialmente agrícola.

Os navios americanos exportavam algodão, linho, madeira, fumo e lã para a

Europa e retornavam com produtos industrializados. Até que, no início do século

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XIX, a França e Inglaterra entraram em guerra ameaçando a frota americana. Thomas

Jéferson, que acreditava que a América estava destinada a permanecer em terra de

fazendeiros e negociantes atuando na importação e exportação por via marítima

fortalece a idéia da industrialização norte-americana. Em retaliação, os Estados

Unidos decretaram embargo às exportações vindas da Europa (NATALE, 2002).

Acontecimentos que alavancaram a industrialização norte-americana

Em 1791, Samuel Slater, aos 20 anos de idade embarca para Nova York e

reproduz uma máquina para fiação de algodão;

1798 o conceito de fabricar peças de reposição de forma permutável e

intercambiável para promover a manutenção rápida e adequada, torna-se uma

realidade por meio de peças de reposição deu mosquete apresentado ao secretário do

tesouro norte-americano por Eli Whitney.

1813, a família, Louro de Muschuster cumpre um papel importante dando o

primeiro passo para a industrialização daquele país quando da inauguração de sua

fábrica têxtil;

1814 etapas de produção são realizadas num mesmo local de trabalho,

possibilitando a confecção do produto acabado em uma única fábrica, além de

empreendimentos; Grandes investimentos são direcionados neste sentido, pois a

América não tinha a tradição de promover “ a quebra” financeira; A capacidade fluvial

para movimentar vários teares era imensa; Na Inglaterra, a força hidráulica ficou

dividida em pequenas quotas e as empresar eram fadadas a continuar pequenas.

As cidades começaram a crescer e o êxodo rural se intensifica.

A revolução na área dos transportes se verifica para que o produto

industrializado possa chegar ao consumidor mais distante;

1860 consolidações da indústria americana. O processo durou

aproximadamente 50 anos (fonte).