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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.
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.
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.
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.
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.
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.”
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
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
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
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
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
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.
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.
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).
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,
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
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
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.
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)
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.
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,
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
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
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
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,
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.
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).
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
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,
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.
18
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.
19
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
20
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,
21
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.
22
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
23
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
24
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.
25
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:
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)
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).
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.
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)
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.
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
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)
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)
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).
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
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;
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
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;
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,
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).
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:
42
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:
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
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.
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.
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
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
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
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.
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
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
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.
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
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
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
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.
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
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
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.
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.;
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):
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.
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.
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
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)
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
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
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)
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)
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
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.
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
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.
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.
75
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
76
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.
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.
78
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
79
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.
80
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
THOMAZINI, D.; ALBUQUERQUE, P. U. B. Sensores Industriais – Fundamentos e
Aplicações. São Paulo: Érica, 2005.
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Conclusão de Curso (Bacharel em Informática) – Departamento de Ciências Exatas e
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81
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Trabalho de Conclusão de Curso (Bacharel em Informática) – Universidade do
Planalto Catarinense, Lages.
AMARAL, L. R. Um sistema didático para controle de velocidade em motores de
indução. 2002. Trabalho de Conclusão de Curso (Bacharel em Informática) –
Departamento de Ciências Exatas e Tecnológicas, Universidade do Planalto
Catarinense, Lages.
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
83
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
84
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
85
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).