automacao industrial es

aut001 - Automação Industrial

Federação das Indústrias do Estado do Espírito Santo – Findes

Lucas Izoton VieiraPresidente

Senai – Departamento Regional do Espírito Santo

Manoel de Souza PimentaDiretor-gestor

Robson Santos CardosoDiretor-regional

Alfredo Abel TessinariGerente de Operações e Negócios

Fábio Vassallo MattosGerente de Educação e Tecnologia

Agostinho Miranda Rocha

Equipe técnica

Marcelo Bermudes GusmãoCoordenação

Alexandre Luis Pereira PintoElaboração

Ronaldo Fadelalah BarreirosRevisão técnica

Lygia BellottiAdaptação de linguagem

Dayane FreitasRevisão gramatical

Tatyana FerreiraRevisão pedagógica

Andrelis Scheppa Gurgel

Jackeline Oliveira BarbosaJarbas GomesDiagramação

Eugênio Santos GoularFabricío ZicolototFernando Emeterio de OliveiraIlustração

Fernanda de Oliveira BrasilMaria Carolina DragoTatyana FerreiraVanessa YeeOrganização

Vitória2009

EletroeletrônicaAutomação Industrial Versão 0

Ficha catalográfica elaborada pela Biblioteca do Senai-ES - Unidade Vitória

Dados Internacionais de Catalogação-na-publicação (CIP)

SENAI. Departamento Regional do Espírito Santo.

S492c Automação / Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial, Departamento Regional do Espírito Santo. - Vitória : SENAI/ES, 2009.

120 p. : il.

Inclui bibliografia

1.Automação. 2. SDCD. 3. Circuito lógico. 4. Sensor. 5. Eletrohi-dráulica. 6. Pneumática. 7. Controlador lógico programável. 8. Soft Starter. 9. Inversor de freqüência. I. Título.

CDU: 681.5

© 2009. Senai - Departamento Regional do Espírito SantoTodos os direitos reservados e protegidos pela Lei nº 9.610, de 19/02/1998. É proibida a reprodução total ou parcial desta publicação, por quaisquer meios, sem autorização prévia do Senai-ES.

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Senai-ES - Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial

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5 • Automação Industrial

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Apresentação

A busca por especialização profissional é constante. Você, assim como a maioria das pessoas que deseja agregar valor ao currículo, acredita nessa ideia. Por isso, para apoiá-lo na permanente tarefa de se manter atuali-zado, o Senai-ES apresenta este material, visando a oferecer as informa-ções de que você precisa para ser um profissional competitivo.

Todo o conteúdo foi elaborado por especialistas da área e pensado a partir de critérios que levam em conta textos com linguagem leve, gráfi-cos e ilustrações que facilitam o entendimento das informações, além de uma diagramação que privilegia a apresentação agradável ao olhar.

Como instituição parceira da indústria na formação de trabalhadores qua-lificados, o Senai-ES está atento às demandas do setor. A expectativa é tornar acessíveis, por meio deste material, conceitos e informações neces-sárias ao desenvolvimento dos profissionais, cada vez mais conscientes dos padrões de produtividade e qualidade exigidos pelo mercado.



Automação Industrial ............................................................................................................ 9Sensores..................................................................................................................................... 33Noções de eletrohidráulica e pneumática .................................................................... 45Controlador lógico programável ...................................................................................... 65Programação ........................................................................................................................... 77Soft-Starter e inversor de frequência .............................................................................. 87Referências Bilbiográficas .................................................................................................. 119

Sumário



Automação Industrial

Devido aos avanços tecnológicos da eletroeletrônica e a presença dos sistemas automatizados na maioria dos processos industriais, torna-se necessário que você conheça e compreenda os conceitos que envolvem a automação. Tal conceito será abordado neste capítulo.

Princípios de automaçãoA palavra automação está ligada ao controle automático de equipamen-tos sem que seja necessária a interferência do homem. Apesar disso, as pessoas são essenciais para o desenvolvimento e para a implementação dos processos automáticos.

Historicamente, o surgimento da automação está ligado à mecanização, que teve início com a utilização da roda. O objetivo na época, entre os anos 3500 e 3200 a.C, era o mesmo de hoje: simplificar o trabalho do homem.

Atualmente, a automação é representada por qualquer sistema que uti-lize microprocessadores que substituam o trabalho humano. Um exem-plo de aplicação deste conceito de produção podem ser os Sistemas Flexíveis de Manufatura e o famoso Sistema Toytota de Produção.

Os sistemas automatizados podem ser aplicados tanto numa simples máquina, quanto em grandes indústrias, como usinas de cana de açúcar. A diferença do processo usado em cada uma delas está no número de pontos, que são os elementos monitorados e controlados pelos sistemas automatizados.

Os pontos podem ser simples válvulas ou servomotores, que possuem sistema eletrônico de controle bastante complexo.

De modo geral, o processo controlado apresenta o diagrama semelhante ao ilustrado a seguir:

PROCESSO

SENSOR

CONTROLADOR

ATUADOR


A completa automatização de um sistema envolve o estudo de quatro elementos: controlador, sensor, atuador e processo. Você vai conhecer cada um deles a seguir:

Sensores: são os elementos que fornecem informações sobre o sistema e correspondem às entradas do controlador. Este último pode indicar variáveis físicas, como pressão e temperatura, ou simples estados como, por exemplo, um fim de curso para posicionar um cilindro pneumático.

Atuadores: estes dispositivos são responsáveis por realizar trabalho no processo ao qual está sendo aplicada a automação. Podem ser magnéti-cos, hidráulicos, pneumáticos, elétricos ou de acionamento misto.

Controladores: são os instrumentos que provocam o acionamento dos atuadores, levando em conta o estado dos sensores e as instruções do programa inserido em sua memória.

Todo sistema depende desses dispositivos para funcionar, independente de serem de pequeno, médio ou grande porte. Os sistemas de grande porte podem atingir complexidade e tamanho que demandam a rea-lização de seu controle, que deve ser dividida em camadas nas quais a comunicação e a hierarquia dos elementos é similar a uma estrutura organizacional do tipo funcional.

A figura a seguir mostra de forma simplificada esse tipo de organização. Observe:

Sistemas gerenciais Supervisório

Terceira Camada

Primeira Camada

Segunda CamadaCLP

Sensores e Atuadores

Nesse caso, os sensores, os atuadores e o controlador pertencem à pri-meira e à segunda camadas. Já na terceira camada, estão os sistemas supervisórios, operados pelos homens. Neles, são tomadas decisões importantes do processo, como paradas programadas de máquina e alterações no volume de produção. Esses elementos também estão inte-grados aos sistemas gerenciais, responsáveis pela contabilidade dos pro-dutos e pelos recursos fabris.


Em suma, automação industrial envolve um amplo campo de atuação. Para se ter uma ideia, cada elemento sensor ou atuador tem seu próprio modo de funcionamento, que em algumas aplicações devem ser bem entendidos.

No caso dos sensores, todo o comportamento é previsto por meio de efeitos físicos.

A seguir, você vai aprender alguns dos princípios da automação.

Sistema digital de controle distribuído (SDCD)

A cadeia de automação consiste também na comunicação de dados entre os elementos, o que leva ao desenvolvimento do conceito das redes industriais. Há algum tempo , principalmente nas indústrias quími-cas, era aplicado um método de controle centralizado. Isso era possível devido à introdução da instrumentação eletrônica. Era montada uma sala localizada distante do núcleo operacional, na qual ficava centrali-zado todo o controle efetuado ao longo da fábrica.

Atualmente, há diversas salas de controle, são interligadas entre si e a uma sala central de supervisão. Foi a partir delas que surgiu o conceito do controle distribuído.

Com a criação dessa estratégia, surgiu o Sistema Digital de Controle Dis-tribuído, que apresenta níveis hierárquicos estabelecidos pela possibili-dade de comunicação entre uma máquina de estado e outras.

A seguir, você vai aprender o que são as variáveis de controle.

Variáveis de controle

Como já abordado, para controlar um processo o dispositivo controlador utiliza informações fornecidas pelos sensores. Por meio das instruções gravadas em sua memória interna, os controladores comandam os atua-dores, que realizam o trabalho no sistema.

Desse modo, os sensores passam a ser considerados as entradas, e os atuadores as saídas, sendo que ambos podem ser representados mate-maticamente por variáveis analógicas ou digitais.

As analógicas são aquelas que variam de acordo com o tempo, são comu-mente encontradas em processos químicos e provenientes de sensores de pressão, temperatura e outras variáveis físicas.

As variáveis discretas, ou digitais, são aquelas que variam menos com o tempo, conforme ilustra a figura b.


(a)tempo

(b)tempo

Com isso, é possível concluir que o controle analógico é responsável por monitorar as variáveis analógicas, e o digital é o que monitora as variá-veis discretas.

As entradas do controle analógico apresentam possibilidade de ser separadas. Por exemplo: os comandos do operador, as variáveis discretas gerais e as entradas analógicas, provenientes de sensores conectados às saídas do processo, não precisam estar necessariamente ligadas.

Conforme é possível observar na ilustração a seguir, as entradas devem ter uma referência de valor estável necessário para que haja o controle, esta referência é conhecida como set-point. Nesse caso, as saídas são medidas para viabilizar o cálculo da estratégia de controle, processo conhecido pelo nome de realimentação.Esse tipo de sistema é denomi-nado malha fechada. Na situação em que não há medição das saídas, o sistema é caracterizado como malha aberta.

Observe o esquema :

Entrada

Referência

Saídas

Sensores

Estratégia de controle analógico com realimentação

CONTROLADOR PROCESSO+

-

Atualmente o emprego da automação foi ampliado visando a realizar o controle da fabricação de produtos utilizados. Por exemplo, em seg-mento de transporte ou inspeção de produtos são utilizadas especial-mente as variáveis digitais.

A seguir, você vai conhecer os tipos de entrada e saída.


Entradas e saídas dos controladores

As entradas e saídas podem influenciar no comportamento do controla-dor. Por isso, as que são aplicadas em controladores automatizados são selecionadas de acordo com o programa do usuário.

Entradas ( IN PUT )

Há três tipos de entradas disponíveis no mercado:

Discreta ou digital – pode assumir dois estados não simultâneos e dis-tintos: ligado ou desligado, níveis alto ou baixo, 0 ou 1.Nesse tipo de entrada é aplicada a álgebra boolena, que usa os algarismos um e zero. Veja os exemplos mostrados nas figuras a seguir, que são, respectiva-mente, botoeiras (a), válvulas eletro-pneumáticas (b), pressostatos (c) e termostatos (d).

(a) (b) (c) (d)

Multi-bits – este tipo de entrada é intermediário entre as discretas e as analógicas. É aplicada para casos em que são necessários controles mais precisos, como em motores de passo ou servomotores. O que diferen-cia a entrada multi-bits da analógica é que a última não exige conversor analógico digital na entrada do controlador.

Um exemplo das multi-bits são os encoders, dispositivos geradores de pulsos utilizados para medir velocidade e posicionamento. Veja exem-plos a seguir.

5 Ch 0

4 5N

3 Ch A

2 NC

1 GNO

Optical Encoder

Analógicas – essas entradas medem as grandezas, especialmente tem-peratura e pressão, de modo analógico. Nesse caso, os controladores devem possuir conversores analógico-digitais (A/D). Os mais populares


deles são os de 10 bits.

A seguir, você pode conferir alguns exemplos de sensores de pressão ou termopares.

Saídas ( OUT PUT )

Do mesmo modo que as entradas, as saídas também podem ser discre-tas, multi-bits ou analógicas. Cada um desses tipos será explicitado a seguir.

Discretas ou Digitais: este tipo de saída exige do controlador apenas um pulso, que determinará o seu acionamento ou desligamento. Os elemen-tos mostrados nas figuras a seguir exemplificam as saídas discretas, são eles: contatores (a), as válvulas eletro-pneumáticas (b), relés, lâmpadas.

(b)(a)


Multi-bits: o modo de trabalho deste tipo de saída é o semelhante ao da entrada da mesma categoria. Veja os drivers de motores de passo (a) e os servomotores (b) a seguir.

(a) (b)

Analógicas: no caso de haver este tipo de saída, o controlador demanda um conversor digital para analógico. Os exemplos mais comuns neste caso são: válvula proporcional, acionamento de motores DC, displays gráficos, entre outros.

Agora que você domina os princípios da automação, aprenderá algumas noções de circuitos lógicos.

Noções de circuitos lógicosA seguir você irá conhecer algumas técnicas usadas em circuitos lógicos para representar o estado e as características deles.

Álgebra de Boole

A álgebra de Boole foi desenvolvida pelo matemático George Boole e é aplicada quando há problemas em relação à lógica. Na época em que os computadores estavam sendo desenvolvidos, este método passou a ser ferramenta fundamental.

A técnica usa dois estados lógicos: zero e um, ou seja, as variáveis boo-leanas, representadas por letras. As variáveis poderão assumir somente os estados: zero ou um que, neste caso, não significam quantidades. O estado lógico zero representa um contato aberto, uma bobina dese-nergizada, uma transistor que não está em condução, entre outros. Já o estado lógico um representa um contato fechado.

Toda a teoria de Boole está fundamentada nos postulados e teoremas representados a seguir:


i) j)

k) l)

m)

o)

n)

A + B = B + AA.B = B.A

A + (B + C) = (A + B) + CA.(B.C) = (A.B).C

A + A.B = AA.(A + B) = A

A + B.C = (A + B).(A + C)A.(B + C) = AB + A.C

A = A

A + A.B = A + BA.(A + B) = A.B

A + B = A.BA.B = A + B

Após aprender os princípios da álgebra de Boole, você poderá observar alguns exemplos de aplicação da técnica em alguns tipos de circuitos.

Circuito liga

Na ilustração a seguir está representado um circuito liga, com chave A e lâmpada X. Nesse caso, se a chave A estiver aberta, no estado 0, a lâmpada X estará apagada, também no estado 0. Já nos casos em que a chave A está fechada, no estado 1, a lâmpada X vai estar acesa, no estado 1.

Assim, a equação do circuito é A=X.

Observe os possíveis estados de A e X, mostrados na tabela ao lado da figura.


A

X

A=X

A X

00

l l

Circuito desliga (NOT)

Um exemplo do circuito desliga, ou NOT, é o representado na figura a seguir em que há a chave A e a lâmpada X. Nesta situação, se chave A está aberta, a lâmpada X está acesa. No caso em que a chave A está no estado 1, a lâmpada X está no estado 0.

Assim, a equação deste circuito é A (com travessão em cima) = X . Os pos-síveis estados de A e X são mostrados na tabela a seguir. Esta lógica, geral-mente, é realizada com contato fechado, conforme a figura a seguir.

A

x

A = X

A X

I

I O

O

Circuito E (AND)

No caso dos circuitos E ou AND, representados pela figura abaixo, temos as chaves A e B em série com a lâmpada X. Somente quando A e B estão ligadas (estado 1), a lâmpada X está acesa (estado 1). Deste modo, é pos-sível concluir que a equação deste circuito é A.B =X. Os possíveis esta-dos de A, B e X estão representados na tabela a seguir.

A B

X

A . B = X

A B X

0

0

0 0

0

00

l

l

ll l


Circuito ou (OR)

A equação deste circuito é A + B = X . Os possíveis estados de A, B e X podem ser conferidos na tabela a seguir.

Na figura abaixo, as chaves A e B e a lâmpada X estão em paralelo, são representadas pelo circuito OR também conhecido como ou. Nesse caso, se A ou B ou ambas estiverem fechadas, ou seja, no estado 1, a lâmpada X ficará acesa, também no mesmo estado.

Confira o esquema.

A

BX

A + B = X

A B X

0

0

0

00

l

l

ll l

l

l

Veja no quadro a seguir alguns blocos lógicos básicos e algumas intera-ções que ocorrem em alguns circuitos:


BLOCOS LÓGICOS BÁSICOS

Porta Símbolo Uisual Tabela Verdade Função Lógica

E

AND

OU

OR

NÃO

NOT

INVERSOR

A

A

A

B

B

S

A

BS

S

S

A

B

A

B

S

S

A

BS

A B

A B

A B

A B

A B

A A

0 0

0 0

0 0

0 0

0 0

0 0

0 1

0 1

0 1

0 1

0 1

0 1

1 0

1 0

1 0

1 0

1 0

1 0

1 1

1 1

1 1

1 1

1 1

1 1

S

S

S

S

S

A B S

0

0

0

0

000

00

0

0

1

1

0

0

0

1

1

11

1

1

1

1

1

1

1

1

NE

NAND

NOU

NOR

EX. OU

EX.OR

EX. NOU

EX. NOR

Função E: assume valor 1quando todas as variáveisforem iguais a 1 e assumevalor zero nos outroscasos possíveis.

Função OU: assume valorzero quando todas variáveisforem iguais a zero e assumevalor 1 nos outros casos.

Função Não: inverte avariável aplicada à suaentrada.

Função NE:Inverso da função E.

Função NOU:Inverso da função OU

Função EX-OU:Assume valor 1 quando asvariáveis forem diferentese zero quando foram iguais.

Função Ex. NOU: inversaem função Ex.OU

A seguir, você vai aprender os métodos de simplificação de circuitos lógicos.

Simplificação de circuitos lógicos

É possível simplificar a representação de circuitos lógicos com o uso de duas técnicas: a álgebra de Boole ou o mapa de Karnaugh. A seguir, você vai aprender como usar esses métodos.

Álgebra de Boole

Com a técnica descoberta por Boole, é possível tornar algumas expres-sões mais simples, conforme você pode observar a seguir.


Como simplificar o circuito da figura abaixo?

A

A B

B

L

A

Solução:

A equação deste circuito é: L = A + (A + B).(A + B)

L = A + (A + B) .(A + B) = A + A.A + A.B + B.A + B.B

= A + A.B + B.A

= A + B.A

= A + B

Veja a representação do circuito simplificado.

B

L

A

Mapa de Karnaugh

As técnicas de Boole não garantem que a equação resultante foi minimi-zada. Para que isso seja feito, pode ser aplicado o mapa de Karnaugh que pode reduzir até quatro variáveis.


Veja como simplificar o circuito da figura a seguir.

A

B

L

BB

A A

Solução:

A equação deste circuito é: L = A.B + A.B + A.B

Para realizar a simplificação, você deve marcar no mapa de Karnaugh as regiões correspondentes a cada parcela da equação do circuito. Um exemplo deste mapa você pode conferir a seguir

A

A

BB

1

2

3 2

1

3

2

1região , parcela A . Bregião , parcela A . Bregião , parcela A . B

:

A figura abaixo representa o circuito simplificado. Veja:


L

A A

Após aprender as técnicas aplicadas para simplificar os circuitos, você vai ampliar seus conhecimentos. O conteúdo abordado a seguir será a montagem destes circuitos em condições estabelecidas previamente.

Montagem de circuitos com condições pré-esta-belecidas

Para montar circuitos em condições pré-estabelecidas, é preciso usar o método de soma de produtos. Você vai conhecê-lo a seguir.

Método da soma de produtos

O primeiro passo para a utilização do método de soma de produtos é completar a tabela de verdade. Depois disso, é necessário somar os pro-dutos das entradas que apresentam suas respectivas saídas no estado 1. As entradas no estado zero não são consideradas.

Veja os passos utilizados para descobrir a solução do seguinte problema:

Em um circuito que possui três chaves, que recebem os nomes de A, B e C, há uma lâmpada acesa, quando pelo menos duas chaves estiverem ligadas.

A C L

0

0

00

l

l

l

l

l

l

l

B

0

0

0

0

0

0

0

0 0

0

0

0

ll l

lll l

l

l

1

2

3

4

B B

A

A

C CC

1

1

2

3

3 34

A solução do problema é que as saídas de 1 a 4 da tabela de verdade são


viáveis, conforme as condições apresentadas pelo problema.

Assim,

No mapa de Karnaugh foi estabelecido o seguinte:

O número de duplas vizinhas utilizado deve ser o menor possível.

As regiões 1 (parcela A.B), 2 (parcela B.C) e 3 ( parcela C.A), representam o circuito simplificado. Neste caso, a equação aplicada é a seguinte:

Veja o circuito simplificado resultante.

B

C

L

A


Princípio de controle sequencial e circuitos básicosA seguir, você vai conhecer alguns princípios utilizados para a obtenção de controle sequencial e conhecer alguns circuitos básicos. O controle será o primeiro tema abordado a respeito deste assunto.

Controle sequencial

Controle sequencial significa a relação ordenada de cada etapa realizada para o comando feita em ordem determinada previamente.

Para realizar o controle de uma operação industrial de aquecimento, representada na ilustração a seguir, é necessário seguir alguns passos:

- Preencher o tanque com a matéria-prima.

- Utilizando vapor, aquecer a substância até temperatura estabelecida.

- Dar vazão à matéria aquecida.

MatériaPrima

Vapor

X TH

L

M

2

V 3

V

V

1

Para que o trabalho descrito anteriormente seja realizado, é necessário estabelecer a seguinte sequência:.

1- Abrir a válvula manual V1, para permitir que o material chegue ao tan-que.

2- Fechar a válvula, quando a matéria prima atingir nível indicado por L.

3- Abrir a válvula manual V2, para permitir o aquecimento que ocorre por causa da passagem de vapor pelo tubo. Ligar o motor M fazendo girar o homogenizador, para agitar a matéria.


4- Quando o termômetro TH atingir o valor indicado, interromper a pas-sagem de vapor. Isto é feito fechando V2 e interrompendo a agitação devido ao desligamento do motor M.

5 - Dar vazão à matéria aquecida.

6 - Após esvaziar o tanque, fechar V3.

Os passos relacionados podem ser repetidos quantas vezes forem neces-sárias

No caso de o processo descrito acima ser realizado de forma automática, os passos são os seguintes:

1- As botoeiras de partida devem ser apertadas para dar início ao pro-cesso. Haverá abertura da válvula solenóide VS1, para permitir que a matéria-prima encha o tanque.

2- Quando o tanque tiver nível suficiente de material, a válvula solenóide VS1 se fecha. Isso ocorre devido à atuação do sensor de nível SN.

3- Ao ser realizado o fechamento da válvula solenóide VS1, a chave de fluxo CFC1 abrirá a válvula solenóide VS2, o que causará aquecimento do material devido à passagem de vapor. Além disso, ocorrerá a ativação do motor M e do homogenizador para agitar a matéria.

4- Quando a matéria atingir temperatura determinada, a válvula sole-nóide VS2 irá fechar, e a atividade do motor M será interrompida. Isso ocorre devido à atuação do sensor de temperatura ST.

5- Ao ocorrer o fechamento da válvula solenóide VS2, a chave de fluxo CFC2 abre a válvula solenóide VS3, o que provoca a vazão da matéria e o acionamento de um temporizador.

6- Após certo tempo, a válvula solenóide VS3, se fecha e aciona a chave fluxo CFC3, que fará abrir a válvula solenóide VS1, recomeçando o pro-cesso. A interrupção da operação ocorre quando a botoeira de parada for apertada e quando a válvula solenóide VS3 estiver terminando de fechar.

A determinação do número de vezes em que o processo será realizado pode ser feita a partir da aplicação de um contador.


MatériaPrima

Vapor

X ST

X SN

M

2

VS3

VS1

VS2

CFC

CFC

CFC

3

1

O controle sequencial é indicado em processos que necessitam do passo a passo, como por exemplo, operações partida-parada, e de modificação da condição de execução de manual para automático, entre outros.

Desde o sinal de entrada, o controle sequencial é feito seguindo uma sequência determinada de operações. Durante o processo de execução de cada passo, é emitido um sinal de controle, que obedece a condi-ções pré-estabelecidas. A etapa seguinte de cada operação é realizada dependendo resultado do processo anterior.

Veja a seguir as etapas que ocorrem em um diagrama de blocos em comando seqüencial:

1) O elemento de comando é acionado por um operador.

2) É realizada a transmissão de um sinal para o dispositivo de processo com ação pré-determinada.

3) É enviado um sinal de detecção aos elementos de sinalização, que demonstra a condição do processo.

4) Um sinal de controle, resultante de um sinal de processo ou de detec-ção, é transmitido para o dispositivo de final de controle.

5) Este sinal passa a atuar sobre o dispositivo controlado.

6) Com a operação dos dispositivos controlados, a variável atinge a condi-ção pré-estabelecida, e os dispositivos sensores e de proteção operam.

7) Um sinal de detecção, que significa condição da variável controlada, é enviado aos dispositivos de sinalização ou de processo, para a próxima sequência de operações.


8) Os dispositivos de sinalização indicam as condições de processo e a variável controlada pelo operador. Dependendo do resultado da opera-ção, poderão acionar o dispositivo de comando, se houver necessidade.

Observe o esquema a seguir:

1 542

Dispositivos desinalização

Dispositivos sen-sores de proteção

LâmpadaLedAnunciadorCigarraBuzinaCampainha

Dispositivos ControladosMotorVálvulaAquecedorCilindro

Dispositivos deComandoBotoeiraChave rotativaChave seletora

Dispositivos deProcessoReléTemporizador ContadorCartão lógicoControlador lógi-co programável

Dispositivos de�nal de controleContadorRelé de estadoSólidoSolenóide

Chave �m de cursoChave de nívelChave de pressãoChave de temperaturaChave de proximidadeRelé TérmicoRelé de sobre corrente

Sistema de controle sequencial

No próxima etapa de seu estudo, você irá aprender mais sobre circuitos seqüenciais.

Circuito sequencial

Este circuito recebe este nome porque a sequência das operações e entrada interfere no comportamento do circuito. Nesse caso, os valores de saída do circuito sequencial dependem dos valores de entrada e do estado interno do dispositivo. O estado interno também varia de acordo com o valor de entrada anterior. Veja como é feita sua análise

Análise de circuito

Para verificar o funcionamento de um circuito sequencial pode ser utili-zado um diagrama de tempo ou de transição.

Veja:

d3

d3

d3

d2d2

d2

d1

d1b1

b2

d1

h


O funcionamento do circuito demonstrado pode ser representado pelos diagramas de tempo (figura “a” e “c”) e de transição (figura “b” e “d”), ilustrados a seguir.

1 2

2

3

3

4

4

4

I

I

I

I I I I

I

I

d1 (b0)d1 (b0)

d2 (b1)

d2 (b1)

d3 d3

h

Passo - O circuito não se altera;Passo - aciona-se energizando , e a lâmpada não se acende;Passo - com acionado, aciona-se , e a lâmpada se acende;Passo - Libera-se com acionado, a lâmpada se apaga e é energizado.

Quando é liberado, é desenergizado e o circuito volta à condição inicial.

1234

“b0”“b0”

“b0”

“d1”

“b1”

“b1”“b1”

“d3

“d3

“h” “h”

“h”

h

0

0

0 0

0 0

0

0 0 0

“a” “c”

.

Veja como fica o esquema se “b0” for o primeiro a ser acionado:

1 2

2

3

3

4

4

4

I

I

I

I I I I

I

I

d1 (b0)d1 (b0)

d2 (b1)

d2 (b1)

d3 d3

h

Passo - O circuito não se altera;Passo - aciona-se energizando , e a lâmpada não se acende;Passo - com acionado, aciona-se , e a lâmpada se acende;Passo - Libera-se com acionado, a lâmpada se apaga e é energizado.

Quando é liberado, é desenergizado e o circuito volta à condição inicial.

1234

“b0”“b0”

“b0”

“d1”

“b1”

“b1”“b1”

“d3

“d3

“h” “h”

“h”

h

0

0

0 0

0 0

0

0 0 0

“b” “d”

.

É importante que você saiba que no diagrama de transição, a indica-ção de um passo sem círculo significa a ocorrência de um estado em modificação. Na posição 4 da ilustração b, por exemplo, o relé d3 está energizado. Já quando ele está na posição 1, não há passagem de ener-gia. Ainda na figura b, 1 e 0 representam, respectivamente, a lâmpada h acesa e apagada.


No caso de “b1” ser acionado primeiro, veja como fica o esquema:

1 2

2

2

3

3

4

4

4I

I

I

I I I Id1 (b0)d1 (b0)

d2 (b1)

d2 (b1)

d3 d3

h

Passo - O circuito não se altera;Passo - aciona-se energizando , e a lâmpada não se acende;Passo - com acionado, aciona-se , e a lâmpada não se acende;Passo - Libera-se e é desenergizado, a lâmpada não se acende.

Quando é liberado, o circuito volta à condição inicial.

1234

“b0”

“b0”

“b1”“b1”

“b1”

“d3

“d3

“h” “h” “h”

h

0

0

0

0

0

0 0

0

0 0 0

(0) (b)

.

Ao realizar uma relação entre os procedimentos descritos acima, é pos-sível concluir que a lâmpada h só acende quando b0 for o primeiro a ser acionado.

A seguir, você vai aprender como pode ser elaborado um circuito, se forem pré-estabelecidas algumas operações.

Montagem de circuito com condições pré-estabe-lecidas

Por meio de equações obtidas a partir de diagramas de tempo ou de transição, é possível montar um circuito com condições pré-estabeleci-das.

Uma situação que pode exemplificar esta operação é o estabelecimento de um circuito com botoeiras b0 e b1, lâmpada h e contador auxiliar denominado b. Neste caso, é pré-estabelecido o seguinte:

- A lâmpada h se acende e permanece acesa, quando a botoeira b1 for apertada.

- A lâmpada h se apaga e permanece nesse estado se a botoeira b0 for acionada.

- A lâmpada h permanece acesa se as botoeiras b0 e b1 forem acionadas ao mesmo tempo.

A operação é guiada com o uso do diagrama de tempo da figura a seguir.


1 2 3 4 1 2 3 4 I

b0

b1

d (h)

No diagrama há:

Passo 1 – o circuito não sofre modificações.

Passo 2 – b1 é acionado, ocorre a energização de d e a lâmpada é acesa.

Passo 3 – b1 é liberado e a lâmpada h continua acesa.

Passo 4 – b0 é acionado, a lâmapda h se apaga e permanece apagada. Se b0 for liberado, o circuito volta a condição inicial.

ou

Passo 1 – o circuito não sofre modificações.

Passo 2 – b1 é acionado, ocorre a energização de d e a lâmpada h é acesa.

Passo 3 – com b1 acionado, b0 é ligado e a lâmpada h permanece acesa.

Passo 4 – b1 é liberado e b0 continua acionado. A lâmpada se apaga e continua nessa condição. Se b0 for liberado, o circuito volta a sua condi-ção inicial.

Na sequência 1-2-3-4, no passo 2, o sinal que ativa o relé d é retirado. Quando este mesmo relé opera no passo 3 é preciso retenção. Neste caso, a equação de d é a seguinte:

D = (condição inicial de atuação do relé d) + (condição de retenção do relé d). d

No passo 2, em que o relé está em sua condição inicial, que é :

b0.b1

Já no passo 3 em que o relé está em condição de retenção, que é :

b0.b1.

Assim, nos passos 2 e 3, a equação do relé é a seguinte:

d = b0.b1 = b0.b1.d

É importante lembrar que todas as condições possíveis para o relé devem


ser consideradas, desde a inicial ou até os passos de retenção.

Já na sequência 1-2-3’-4, o sinal que ativa o relé d é mantido enquanto ele estiver acionado. Nesse caso, a equação de d é a seguinte:

d = (todas as condições de atuação do relé)

Assim, nos passos 2 e 3:

conforme se tem acima (nos passos 2 e 3 )

d = b .b + b .b = b (b + b ) = b0 0 0 01 1 1 1

Considerando todas as condições, tem-se:

Observe na ilustração, a seguir, como fica a configuração do circuito, nesse caso.

b1

d

d

d

b0

h

Nesta unidade você aprendeu princípios básicos da automação. O conteúdo das próximas páginas, que é relacionado aos sensores, será importante para você ampliar ainda mais seus conhecimentos sobre automação.


Exercícios Unidade I

1- Defina automação.

2-Defina a função de cada elemento do diagrama abaixo:

PROCESSO

SENSOR

CONTROLADOR

ATUADOR

3-Diferencie as variáveis de controle representadas abaixo:

(a)tempo

(b)tempo

Cite exemplos de entradas discretas e analógicas.

Diferencie controle seqüencial e lógico.



Sensores

Devido as condições de segurança e em algumas situações sub-huma-nas de trabalho, os sensores surgiram como soluções extremamente viá-veis e confiáveis. Podemos, no entanto utilizá-los para fazer a segurança patrimonial, medir temperatura, velocidade e acionar ou não máquinas, de um modo geral.

A seguir, você vai estudar as características e as especificidades dos sen-sores. O primeiro passo será conhecer alguns exemplos de aplicações no cotidiano.

Bons estudos!

Exemplos de aplicações

Os sistemas embarcados utilizados em veículos são exemplos bem usu-ais do uso de sensores, que por sua vez permitem uma variedade imensa de aplicações.

Veja função dos sensores utilizados em veículos:

- Indicar o volume de combustível no tanque.

- Relacionar o nível do óleo no cárter.

- Demonstrar o funcionamento do sistema de freios.

- Indicar que portas estão abertas ou que o cinto de segurança não foi atado.

- Indicar rotação do motor.

Assim, é possível perceber que os sistemas que apresentam necessidade de ser controlados de alguma forma demandam o uso de sensores para fornecer estas informações.

Nas situações identificadas acima, é possível observar que os sensores demonstram o valor ou a condição de grandezas físicas para que seja possível controlar cada uma delas.

No caso do nível de combustível, o sensor atua como indicador de que é necessário verificar o reservatório.


Observe a ilustração.

0 100%50%

(a)

indicador

reservatório

sensor

Agora você vai aprender mais sobre o princípio de funcionamento de um sensor.

Princípio de funcionamento

O sensor tem a capacidade de monitorar uma grandeza física e enviar esta informação a um sistema que faça a indicação para o elemento de controle do sistema.

Por exemplo, um termômetro tem como elemento sensor o mercúrio. A função do equipamento é medir a temperatura por meio do mercúrio, que tem seu volume variado de acordo com as modificações de tempe-ratura. O que ocorre é a dilatação do líquido à medida que a temperatura aumenta. Veja:

Elemento sensorMercúrio

dilata com calorContrai com frio

A partir do conhecimento das proporções de variação, é possível identi-ficar alterações e medir o valor da temperatura. Um sensor se baseia nas variações das grandezas que mede.


Todos os elementos sensores são denominados transdutores. A grande maioria deles é elétrico e converte a grandeza de entrada para elétrica, que pode ser avaliada por um circuito eletroeletrônico, chamado medidor.

Os medidores de painéis de meios de transporte, como carros, barcos e aviões, por exemplo, identificam uma grandeza elétrica proporcional a que está sendo mostrada pelo sensor, que é a grandeza controlada. Veja:

indicadordo valor proporcional

à grandeza medida

grandeza a ser medida

grandeza eletrica

transdutor

Corrente , tensão e resistência elétrica são algumas das grandezas que apresentam variações proporcionais às relacionadas pelos sensores. Normalmente, elas são bastante utilizadas, pois grande parte dos medi-dores e dos elementos de controle faz uso destas informações, que leem os sinais sem dificuldade.

Sistema de controle

O sistema de controle, ao qual o sensor está vinculado, é um procedi-mento ativado por um elemento de controle, que estabelece o resultado que deve ser obtido. Ao longo do tempo, esse sistema relaciona os resul-tados alcançados e corrige sua operação visando a atingir o resultado desejado, com a maior agilidade possível.

Para que seja realizado o controle de modo efetivo, são presos sensores ao sistema. Estes fazem o registro dos valores obtidos no processo, for-necendo aos elementos de controle as informações necessárias.

Valordesejado ação

grandeza a ser controlada

valor atual

controladordo sistema

Sistema de controle

sensor

+

-


Vários exemplos de sistemas de controle podem ser identificados em nosso cotidiano, inclusive em nosso corpo. Por exemplo, o levantamento de um peso pode ser considerado um sistema de controle. O processo é o levantamento. O dispositivo de controle é o cérebro e os atuadores são nossas mãos e o tronco.

A função dos dispositivos de controle é também estimular os atuadores para que alcancem um objetivo específico.

O processo de levantar um peso é dinâmico, pois o controle sobre os atuadores (braços e tronco) acontece constantemente. Assim, o cére-bro envia o comando de levantar mais alto ou mais baixo, fazer mais ou menos força, colocar o objeto à direita ou à esquerda.

Os conceitos de malhas fechada e aberta também fazem parte do conhe-cimento dos sistemas de controle. É este conteúdo que você vai estudar a partir de agora.

Malha fechada e malha aberta

O controle feito pelo sistema de malha fechada é realizado com o uso de sensores que identificam o que falta para alcançar o resultado desejado e corrigem as operações para chegar no que se pretende.

Já no sistema de malha aberta, o controle é promovido sem o uso de sensores, ou seja, sem necessitar de haver uma amostragem ao longo do processo.

O sistema em malha é um tipo cada vez menos utilizado, por causa da necessidade de serem obtidos resultados mais precisos e rápidos. A redução da aplicação deste tipo de sistema também ocorreu em detri-mento da criação de elementos sensores mais precisos e adequados aos diversos tipos de aplicações.

Aplicações industriais de alta tecnologia

Atualmente, já foram desenvolvidos sensores para equipamentos e sis-temas mais nobres, como os robôs, por exemplo. Estas máquinas ope-ram com o auxílio de vários sensores, acoplados em locais estratégicos e de acordo com sua atuação.

Observe a ilustração a seguir:

sensor de posiçãosensor de posição

espaços de trabalho restrito por sensores


O processo de usinagem, especialmente o automático, é um bom exem-plo de aplicação de sensores. Se esta operação fosse realizada de forma manual, os sensores seriam como os olhos do operador, que controlam a máquina com instrumentos de medida, como paquímetros e micrô-metros.

Já na produção com o uso de computador, os sensores desempenham a função de indicar ao computador o tipo de material que já foi usinado. Isso permite o controle da velocidade de operação de cada mecanismo.

Modo de leitura

Do mesmo modo que existem sinais analógicos e digitais que são con-trolados em um sistema, os sensores também relacionam grandezas analógicas e digitais.

Assim, em um sistema de alarme, qualquer condição que não seja fechada é entendida como aberta e provoca o acionamento do alarme. Nessa situação em que a grandeza é digital, o sensor também deve ter esta característica.

Veja o exemplo da figura a seguir, que demonstra uma microchave em posição fechada, quando a entrada está fechada. Esse dispositivo se abre quando a entrada é violada.

microchave

microchave

microchave

fechada

fechada

aberta

aberta

Terminais de saída

Um exemplo de grandeza analógica é a que controla um robô, pois o mecanismo desta máquina pode ocupar diversas posições no espaço durante o processo de deslocamento, desde a posição de partida até a posição final.


Segurança no trabalho

Alguns robôs podem possuir sensores digitais que indicam se a pessoa que está trabalhando se encontra em área perigosa ou não. Um dos tipos de sensor mais aplicados para este fim é o óptico.

receptor de luz

feixe direcionado

emissor de luz

Para garantir a segurança nas operações, diversas máquinas usadas em instalações industriais, por exemplo, devem possuir este tipo de sensor.

Em máquinas automáticas que realizam injeção de plástico há dispositi-vos de segurança nas aberturas que permitem acesso à área em que são colocados os moldes. Nesse caso, se a porta estiver aberta, os sensores indicam esta situação ao controle da máquina, que interrompe suas ope-rações.

Em prensas de estampo também há dispositivos de segurança. As máqui-nas só iniciam suas operações se a cortina de sensores ópticos não identi-ficarem nenhum obstáculo no local em que será realizada a prensa. Para evitar acidentes, há ainda a necessidade de o operador pressionar, com ambas as mãos, simultaneamente, dois sensores que ficam separados. Somente após esse procedimento, a máquina é acionada.

Cada vez mais a legislação trabalhista vem incentivando a instalação desse sistema nos equipamentos, automatizados ou não, para assegurar a segurança nas operações.

Para finalizar esta unidade, você vai conhecer a seguir os tipos de senso-res disponíveis no mercado brasileiro.

Tipos de sensores

Em todo o mundo foram desenvolvidos sensores dos mais diversos tipos específicos para serem aplicadas nas mais variadas atividades. A seguir, você aprenderá mais sobre eles.


Strain gauge

Este tipo de sensor identifica eventuais deformações nas superfícies das peças. Quando há deformação, transformam o valor dela em sinais elé-tricos. Veja a ilustração a seguir:

sensores aderidosao corpo de prova(peça a ter as forças ensaiadas)

Traçãoárea a

p

p p área a

sensores aderidosao corpo de prova(peça a ter as forças ensaiadas)

p

d

b

t

torque�exão

Potenciométrico

De configuração bastante simples, este tipo de sensor possui elemento resistivo, que pode ser um filme de carbono ou de plástico resistivo ou um fio bobinado.

Observe o desenho a seguir:

deslocamento

deslocamento

resistênciaelétrica

Synchro e resolvers

Também conhecidos como sensores de deslocamento angular, estes dis-positivos apresentam um transmissor e um receptor.


O rotor do motor se desloca de acordo com a movimentação do gerador. Nesse caso, o rotor do transmissor tem sua alimentação proveniente da corrente alternada e gira em torno da peça que espera medir o desloca-mento angular.

1 2

2R

1R

2R

1R

2R

1R 1S

2S

3S

1S

2S

3S

2R

1R

Gerador Motor

Encoder óptico

Este tipo de sensor usa a interrupção de um feixe de luz, que pode ou não ser visível, entre um transmissor e um receptor, que resulta em pul-sos que representam o deslocamento do elemento acoplado ao disco – encoder rotacional – ou à régua – encoder linear. Ambos serão abor-dados a seguir.

Encoder linear

Possibilita a medição do deslocamento ao longo de um eixo


Encoder rotacional

Relaciona um deslocamento angular ao redor de um eixo.Veja a imagem.

receptor

controle dosistema

disco raiado

emissor deluz

rotacional

linear

detetorescódigo binárioreferente a cada deslocamento

Ultrassom

O ultrassom é um tipo de sensor que produz pulsos periodicamente e capta ecos provenientes do choque das emissões com os objetos que estão localizados no campo de ação. Para calcular a distância do objeto, é feita uma relação entre o tempo de atraso do eco e a emissão do sinal. O desenho a seguir demonstra como é a atuação do ultrassom.

Transdurtor de ultra-som

transmissor

eco


De proximidade

Também conhecidos como indutivos e capacitivos, os sensores de pro-ximidade aplicam as leis de indução eletromagnética para identificar a presença de material com característica determinada.

sensor indutivo

campo magnético

Piezoelétricos

Os sensores deste tipo usam aspectos de certos materiais que geram tensão elétrica, de acordo com a deformação que é promovida e sua estrutura física.

Normalmente, são fabricados a partir de lâminas de quartzo ou de mate-rial cerâmico, coberto por filme metálico condutor. Esta lâmina, ao rece-ber uma tensão externa ou força, acaba gerando uma tensão elétrica.

E = 0 E = 0 E = 0

2 2 2

2

V

VQuartzo ou mat.cerâmico

a

Pressão externa

= deformação

deformação =

proporcional a

Houve uma grande elevação no número de câmeras de visão artificial usadas no chão das fabricas. Estas máquinas, dotadas de sensores pie-zoelétricos garantem a elevação da qualidade dos produtos. A função dos sensores, neste caso, é captar as imagens, que são provenientes da capacidade da câmera de transformar o sinal elétrico em imagem.

O mesmo princípio está relacionado à aplicação do laser.


Pneumáticos

Os sensores pneumáticos possuem sensibilidade para perceber o dese-quilíbrio da pressão em suas próprias conexões. Quando um jato de ar é alterado pela presença de um objeto, por exemplo, a saída é acionada.

Nesta unidade você aprendeu todos os princípios que envolvem os sen-sores. Para acrescentar ainda mais ao conhecimento sobre automação, você estudará noções de eletrohidráulica e pneumática a seguir.

Exercícios

Marque com X a resposta correta.

Exercício 1

Um sensor é capaz de:

a) ( ) converter uma variação de grandeza física numa variação de outra

grandeza que possa de ser indicada por dispositivos eletrônicos;

b) ( ) gerar variação de grandeza física de acordo com o sinal de um con-trolador de sistema;

c) ( ) indicar o valor de uma grandeza física diretamente.

Exercício 2

Um sensor digital consegue perceber a variação de:

a) ( ) uma grandeza que apresenta diversos valores entre um valor

mínimo e máximo;

b) ( ) qualquer grandeza;

c) ( ) uma grandeza física que assuma apenas dois valores: existe ou não existe.

Exercício 3

Um sensor é denominado transdutor quando:

a) ( ) transmite sinais para o medidor;

b) ( ) converte uma grandeza em outra;

c) ( ) cobre todas as aplicações relativas ao indicar uma variação.

Exercício 4

Um sistema em malha aberta é caracterizado pela ausência:


a) ( ) do controlador do sistema;

b) ( ) de uma grandeza variável a ser controlada;

c) ( ) de um elemento sensor capaz de perceber mudanças na variável

controlada para atualizar o controle do controlador do sistema.

Exercício 5

Os sensores podem ser considerados dispositivos:

a) ( ) extremamente simples e de pouca utilização;

b) ( ) complexos, que por esta característica têm aplicação restrita;

c) ( ) com aplicação diversificada e por isso em pleno desenvolvimento

para novas tecnologias.



Noções de eletrohidráulica e pneumática

Para obter energia mecânica, os motores elétricos são bastante utiliza-dos, porém, há diversas maneiras alternativas de se obter este tipo de energia. Essas técnicas serão abordadas nesta unidade.

Você se lembra dos cataventos que giram quando alguém assopra na direção deles? O movimento se dá por causa da presença da energia mecânica.

Veja que não foi necessário o uso da eletricidade nesse processo. O que movimentou o catavento foi um fluido, que neste caso é o ar.

Assim, é possível concluir que líquidos e gases, que são fluidos, sob pres-são produzem energia mecânica.

Com a evolução da tecnologia, o método foi incorporado aos proces-sos. Nesse contexto, o ramo de estudo das máquinas que usam óleo sob pressão para gerar energia mecânica foi denominado hidráulica, já o que relaciona o uso do ar chama-se pneumática.

Mesmo assim, não foi possível isentar-se totalmente do uso da eletrici-dade na indústria, pois ela é importante para realizar a pressurização do ar e do óleo usados nos motores elétricos das máquinas que fazem esse processo.

A seguir, você vai estudar alguns dos conceitos que envolvem a hidráu-lica e a pneumática. O primeiro deles é relacionado aos atuadores.

Atuadores

São elementos responsáveis por transformar a energia dos fluidos em energia mecânica. A função do mecanismo é aplicar a energia mecânica a uma máquina e fazê-la realizar um trabalho.

Os atuadores que usam fluidos podem ser classificados de duas formas: de acordo com o tipo de fluido e com o movimento que realizam:

De acordo com o tipo de fluido, podem ser:

- pneumáticos: ar comprimido.

- hidráulicos: óleo sob pressão.

De acordo com o movimento que realizam, os atuadores podem ser:


- lineares: movimento linear ou de translação.

- rotativos: movimento giratório ou de rotação.

Os atuadores rotativos são divididos em angulares ou contínuos. Os angulares giram somente em um ângulo limitado, que pode inclusive ser maior que 360°. Já os contínuos apresentam a possibilidade de realizar um número indeterminado de rotações. Nesse caso, pode ser compa-rado ao catavento.

A seguir, você vai conhecer melhor as especificidades dos atuadores lineares e rotativos.

Lineares

Também denominados cilindros ou pistões, os atuadores lineares podem ser comparados a uma seringa usada para dar injeção, com operação de modo inverso. Isso porque na seringa os atuadores lineares são aplica-dos na haste do êmbolo, que se desloca de modo linear usando como orientação as extremidades do tubo. Assim, o fluido sai da agulha com pressão.

Caso a operação seja realizada de modo inverso, ou seja, se o líquido foi inserido na seringa pela agulha, quem se movimentará linearmente será o êmbolo. Deste modo, a pressão do fluido se transforma em energia mecânica.

Os cilindros hidráulicos e pneumáticos apresentam configuração bem mais complexa que a que usada para exemplificar. Por isso, os fluidos destes equipamentos resultam em pressões elevadas. Os cilindros reali-zam operações repetidas para direções variadas e são fabricados a partir de materiais resistentes visando a reduzir o desgaste.

tampa da extremidadeda haste

retentor

retentorda haste

raspadorda haste

tirante

tampavedação

anel amortecedor�utuante

êmbolo doamortecedor

Vista em corte de um cilindro hidráulico


Geralmente, fazem parte de um cilindro um tubo com parte interna polida, pistão ou êmbolo acoplado a uma haste, além de duas tampas nas pontas do tubo.

Em ambas as tampas existe uma abertura através da qual o fluido entra, sob pressão, no cilindro e provoca o movimento do pistão de um lado para outro ou para o interior do tubo.

No meio das peças do tubo há vedações que impedem vazamentos de fluidos e entradas de impurezas no cilindro, feitas a partir de borracha ou elemento sintético. Cada uma das vedações é denominada conforme seu formato, posicionamento e função, são elas: retentores, anéis raspa-dores e anéis “O”, entre outros.

Em alguns equipamentos são aplicados amortecedores de fim de curso para reduzir a pressão do choque entre o pistão e a tampa do cilindro.

Os cilindros pneumáticos e hidráulicos são amplamente utilizados em máquinas industriais, automáticas ou não, e em outros equipamentos, como os da construção civil e de transportes, como guindastes e esca-vadeiras.

Veja as ilustrações.

tira de metalalimentadorpneumático

ferramenta de corte

cilindro

cilindro

correia transportadora 2

correia transportadora 1

cilindro

cilindro

cilindro bico de sopro

depósito/vibradorde aneis Q-ring

parafuso com anel Q-ring

depósito/vibrador

cilindro

Rotativos

De acordo com o que já foi abordado, os atuadores rotativos são angu-lares ou contínuos.

Os angulares podem também ser denominados cilindros rotativos.


Em alguns casos, o movimento demandado pela máquina necessita de um atuador com movimento de rotação, que pode ser de dois tipos: de cremalheira ou de aleta rotativa.

O primeiro deles é o resultado da adesão de um cilindro pneumático a um sistema mecânico.

Já o cilindro de aleta rotativa é responsável pelo movimento de rota-ção ao redor do centro da câmara do cilindro, em um ângulo específico. A aleta, que recebe estímulo do fluido que está sob pressão, provoca a rotação do eixo acoplado a esta em ângulo, geralmente, de até 300°.

tampa do cilindro

corpo do cilindro

haste do pistão

Vista de um cilindro rotativo

Os atuadores rotativos comuns costumam ser denominados motores pneumáticos ou hidráulicos, de acordo com o fluido responsável por sua ativação, que pode ser ar comprimido ou óleo.

Placa de pressão

Palhetas

Rotor

Tampa

Anel

Corpo

Eixo

Rolamento

V ista em corte de um motor hidráulico

Rolamento

Retentor

Molas


Este tipo de motor possui um rotor em que é fixado um eixo. Nas extre-midades do rotor há ranhuras radiais pelas quais deslizam pequenas placas de metal denominadas palhetas. Estas últimas ficam em contato com a parte interna do corpo do motor por meio de molas denominadas balancins ou pela ação da força centrífuga que age sobre elas quando o rotor gira.

Na parte externa do motor há duas entradas pelas quais passam os flui-dos sob pressão, que quando entram na câmara empurram as palhetas do rotor.

Assim, o rotor gira e, por consequência, o eixo preso a ele também rea-liza o mesmo movimento de rotação, que pode ser utilizado para acionar uma outra máquina.

Válvulas

As válvulas são mecanismos que possibilitam o controle da direção do fluxo de fluido, sua pressa e a quantidade que passa por um ponto do cir-cuito em um determinado período de tempo: a vazão. Cada uma dessas operações é realizada por um tipo específico de válvula.

No caso dos circuitos hidráulicos e pneumáticos, exercem funções seme-lhantes às das chaves, disjuntores e interruptores no circuito elétrico de uma instalação elétrica predial.

São as válvulas que controlam o acionamento do atuador e o momento em que isto deve ser feito, do mesmo modo que os mecanismos elétri-cos permitem indicar qual lâmpada deverá permanecer acesa.

A diferença entre eles é que os interruptores são acionados manualmente, já as válvulas pneumáticas e hidráulicas podem ser ativadas de modo manual, eletricamente ou com o uso do próprio fluido sob pressão.

Um exemplo desta situação pode ser a operação de uma retroescava-deira, que apresenta diversos pistões hidráulicos, que comandam movi-mentos específicos.

A cada um destes pistões é relacionada uma válvula, que pode ser acio-nada de forma manual com o uso de alavancas. Assim, quando o opera-dor selecionar a que será ativada, e automaticamente vai determinar o sentido do movimento.


Veja a ilustração:

a mola mantém a válvula direcionada

Válvulas acionadas eletricamente

Os equipamentos automáticos que usam energia hidráulica ou pneumá-tica não demandam necessariamente eletricidade para que suas válvu-las sejam acionadas. É possível acionar a máquina com a utilização de válvulas manuais, ativadas pelo ar ou óleo sob pressão.

Porém, com o uso das válvulas de acionamento elétrico, os circuitos hidráulicos e pneumáticos se tornam mais simples. A ampliação do uso de computadores para controlar máquinas promoveu também o aumento de válvulas acionadas por eles, que emitem sinais elétricos.

As válvulas acionadas eletricamente recebem o nome de solenóides.

Válvulasolenóidepneumática

Solenóide é um fio elétrico enrolado em um carretel( bobina), que se for ligado à rede elétrica, de 110 volts, por exemplo, provoca alguns fenô-menos físicos chamados eletromagnéticos.


Por causa destas operações, a bobina, uma peça que fica na parte interna do carretel, é influenciada por uma força magnética e se desloca den-tro deste, que é uma peça de formato cilíndrico que apresenta ranhuras radiais.

A partir do acionamento da válvula, o carretel começa a se deslocar line-armente, o que provoca a abertura de algumas passagens para o fluido e o fechamento de outras.

Deste modo, a posição do carretel dentro da válvula influencia o cami-nho que o fluido vai percorrer. O movimento do carretel pode ser feito para a esquerda ou para a direita.

As válvulas e os pistões sozinhos não apresentam muita utilidade na automação. Para poderem realizar algum trabalho significativo, devem ser unidos a outros componentes de tipos variados e formar um con-junto.

Válvulashidráulicas

braço do trocadorde ferramenta

clindro para avançorecuco do braço

cilindro de angulação

cilindro de posicionamento

Circuitos pneumáticos e hidráulicos

A união entre válvulas e pistões com o uso de tubulações para desen-volver alguma tarefa recebe o nome de circuito. Dependendo do caso, são denominados circuito pneumático ou circuito hidráulico, que é o seu tema de estudo.

A representação gráfica de um circuito recebe o nome de diagrama ou esquema. Este desenho é bastante simples e demanda a utilização de símbolos, que representam cada componente do circuito. A observação do diagrama permite compreender o funcionamento de um determi-nado circuito.

Um dos principais símbolos utilizados nestes desenhos é o que repre-senta as válvulas. Elas podem ficar em várias posições, dependendo do estado em que se encontram, que pode ser: não acionada, acionada para a direita, acionada para a esquerda, entre outros. Por isso, é preciso usar diversos símbolos para representar estes estados. Você vai conhecê-los a seguir.


Cada posição ou estado da válvula é representado por um quadrado.Observe.

No interior do quadrado, são especificadas as passagens que estão aber-tas, permitindo o fluxo de fluido, e as que estão fechadas.

Na figura está representado um orifício da válvula fechado, o orifício R fechado. A letra R significa retorno de ar comprimido.

Observe:

R

Se um orifício da válvula apresenta possibilidade de comunicação com outro, permitindo a passagem de fluido, essa passagem, também conhe-cida como via, é representada por uma seta.

RP

C


Neste caso, o orifício P se comunica com o orifício C que, por causa da diferença de pressão, faz com que o ar vá de P para C. A letra P vem de pressão, entrada de ar comprimido, já C simboliza que o orifício será ligado a um cilindro pneumático.

R

(D)

P

C

Em relação ao acionamento, podem ser usados os símbolos a seguir.

Botão

Alavanca

Pedal

Direito

Rolete

Mola

Batente Solenóide

Símbolos representantesdos acionamentos dasválvulas.

O estado ou posição de uma válvula solenóide, que possui três vias, é representado pela seguinte ilustração:

RP

C

Se fosse necessário traduzir o símbolo, o resultado seria o seguinte: quando a válvula for acionada, o orifício P se comunicará com o orifício C, permitindo a passagem de ar de P para C, e o orifício R será fechado.

Se a válvula não estiver acionada, estará em outra posição. Por isso, é necessário considerar uma válvula de duas posições. Caso não seja acio-nada, seu carretel se mantém em uma mesma posição por meio de uma mola. Esta nova posição é representada pelo símbolo representado a seguir, em que o orifício P está fechado e o orifício C se comunica com R.


R

Símbolorepresentativo

da segunda posição da válvula

P

C

A representação de uma válvula deve demonstrá-la em diversas posi-ções possíveis. A que está ilustrada a seguir, é classificada com suas vias, entre P e C e entre C e R, e de duas posições, ou seja, acionada ou não por solenóide.

Símbolo de uma válvulapneumática de duas vias

e duas posição

C

RP

C

Há ainda outros símbolos usados nos diagramas pneumáticos e hidráuli-cos. Os significados de cada um deles você pode conferir a seguir.

fonte de pressão

�ltro


motor hidráulico

tubulação rígida

cilindro de ação simples

cilindro de ação dupla

tubulação �exível

reservátorio

Para compreender melhor o que foi explicitado até agora sobre os cir-cuitos hidráulico e pneumático você poderá conferir alguns exemplos de casos que ocorrem em automação.

Casos de automação

Agora você está pronto para realizar seu primeiro projeto de automação industrial. A seguir, você vai ampliar ainda mais seus conhecimentos em relação ao uso dos circuitos que são tema desta unidade.

Caso 1

O primeiro passo para montar um projeto de automação industrial é estudar o sistema que será automatizado.

O exemplo utilizado é o de uma esteira usada para movimentar caixas de papelão. Nela há, em algum local, um pistão pneumático na posição vertical. Na extremidade do pistão há um carimbo.


Nesse caso, o objetivo é que cada caixa pare debaixo do pistão, seja carimbada e siga pela esteira, conforme o esquema a seguir.

esquema do caso de automação nº1

CH1

CH3

M

CH2

Assim, a operação do sistema pode ser dividida em quatro fases:

1. Ligar a esteira e levar a caixa até a posição sob o pistão.

2. Desligar a esteira.

3. Descer o pistão.

4. Subir o pistão.

Após a conclusão da última fase, a primeira recomeça para repetir a operação.

Conforme já explicitado anteriormente, uma máquina automática apre-senta atuadores e sensores. Os primeiros, responsáveis pelo trabalho mecânico, são considerados os braços da máquina. Já os sensores têm a função de determinar o estado em que a máquina se encontra, ou seja, são os olhos do equipamento.

No caso exemplificado, há dois atuadores, o pistão pneumático, que carimba as caixas de papelão e o motor elétrico, que faz a esteira se movimentar.

Os sensores são as três chaves de fim de curso, CH1, CH2 ou CH3, que indicam, respectivamente, caixa embaixo do pistão, pistão na posição superior e pistão na posição inferior.

A chave de fim de curso é um interruptor elétrico acionado por meio de uma peça qualquer da máquina que entra em contato com o local de acionamento da chave, e pode estar na posição aberta – impedindo a passagem de corrente elétrica – ou fechada – possibilitando a passagem de corrente.


Por meio da observação da posição, é possível ter informações sobre o que está ocorrendo na máquina automatizada. Desse modo, é possível saber se a caixa, o pistão, e os outros elementos estão posicionados corretamente.

Se houver alguma disfunção, o controlador pode determinar que a esteira seja ligada ou desligada, que o pistão deva subir ou descer, entre outras ações. Geralmente, o controlador é um circuito elétrico constru-ído segundo uma determinada lógica de funcionamento. É nele que são ligados os fios das chaves fim de curso.

O controlador também envia sinais elétricos para as válvulas solenóide e para motores elétricos de modo simples.

A partir de agora, será feita uma análise do funcionamento do sistema, por meio de um exame do circuito, que será descrito a seguir. Observe a ilustração:

Circuito pneumático usado no caso de automação nº1

CH1

CH3

M

CH2

RP

C1 C2

S2

S1

Controlador

- No momento em que a caixa transportada se depara com a chave CH1, o motor da esteira é desligado e a caixa para sob o pistão.

- O solenóide S1 é acionado e a válvula passa para a posição da esquerda. Assim, o ar comprimido flui de P para C2 e chega à câmara superior do cilindro. Ao mesmo tempo, o orifício C1 se comunica com o R, e o ar da câmara inferior do cilindro escoa para a atmosfera.

- Por fim, o pistão desce. Quando isso ocorre, a chave CH2 que indica o fim de curso superior é desativada.

- O pistão continua descendo até atingir sua posição inferior, quando a chave CH3 é acionada e a caixa é carimbada. O pistão pode pelo tempo determinado pelo controlador nesta posição.


- O solenóide S1 é desativado e é acionado o solenóide S2. A válvula passa para a posição da direita. O ar comprimido flui de P para C1 e chega à câmara inferior do cilindro. Ao mesmo tempo, a via C2 comunica-se com R e o ar da câmara superior do cilindro escoa para a atmosfera.

- O pistão sobe. Quando chega à posição superior, a chave CH2 é acio-nada e o motor da esteira é novamente ligado, até que uma nova caixa seja posicionada sob o pistão, repetindo o ciclo.

Agora, estude outro exemplo.

Caso 2

O segundo caso é o de uma fresadora CNC que trabalha com várias fer-ramentas presas a um suporte de porta-ferramentas fixado a um meca-nismo, chamado torre de porta-ferramentas, responsável pela troca automática de uma ferramenta por outra. Este mecanismo está repre-sentado na ilustração a seguir.

z+

x+y+

z-

x-y-

Veja como é possível automatizar os movimentos da torre porta-ferra-mentas por meio de um circuito hidráulico.


Quando o controlador da fresadora envia o comando para trocar uma ferramenta por outra, deve ser realizada uma sequência de tarefas. Veja:

1. O primeiro passo é destravar o porta-ferramentas que está sendo uti-lizado. Nesse caso, o carrossel com todas as ferramentas da torre se des-loca para a esquerda, fazendo com que as hastes dos suportes saiam de seus alojamentos na torre.

3. A próxima etapa é o giro da torre, por meio do qual o carrossel gira e a nova ferramenta é colocada na posição de usinagem.

4. O passo seguinte é o travamento da torre. O carrossel se desloca agora para a direita, o que faz com que as hastes de todos os suportes porta-ferramentas se encaixem novamente em seus alojamentos.

Para travar o novo porta-ferramentas que suporte as forças de usinagem é necessário usar os seguintes atuadores:

CF: cilindro hidráulico para travamento ou destravamento do suporte porta-ferramentas.

CT: cilindro hidráulico para travamento ou destravamento da torre.

MT: motor hidráulico para girar a torre.

diagrama do circuito hidráulico utilizando na automação da torre porta-ferramentas

TT DT

CTCilindro da torre

S4S5

P R

FD FT

CFCilindro da ferramenta

S1

P R

Sensor

MTMotor de giro da torre

S3S2

P R

São necessários ainda vários sensores para este processo, cada um capaz de indicar um determinado estado da máquina:

FT: Porta-ferramenta travado.

FD: Porta-ferramenta destravado.

TT: Torre travada.

TD: Torre destravada.

Além disso, será necessário um sensor que indique qual a ferramenta está na posição de usinagem.


Considere que as válvulas responsáveis pelos movimentos dos cilindros e do motor hidráulico são todas acionadas por meio de solenóides. Os sensores e os solenóides das válvulas são ligados ao controlador, respon-sável pela lógica de funcionamento do mecanismo.

O mecanismo funciona da seguinte maneira:

- O solenóide S1 é acionado. O pistão do cilindro CF se retrai e a ferra-menta é destravada. - - O sensor FD informa o destravamento ao con-trolador.

- O solenóide S4 é ativado e o pistão do cilindro CT avança e destrava a torre. O sensor DT informa o destravamento da torre ao controlador.

- O controlador verifica, por meio do sensor, qual ferramenta está na posição de usinagem. Dependendo da nova ferramenta a ser trocada, o controlador determina qual o sentido de giro da torre que corresponde ao caminho mais curto.

- De acordo com sentido escolhido, o controlador aciona o solenóide S2 ou S3, fazendo com que o motor hidráulico da torre gire em sentido ou outro.

- O sensor da ferramenta indica se o porta-ferramentas desejado já está na posição correta. Se estiver, o solenóide S2 ou S3, conforme o sentido em que a torre estava girando, é desativado.

- Após o desligamento do motor hidráulico, o solenóide S5 é acionado e a torre é novamente travada.

- O sensor TT informa o travamento ao controlador.

- O controlador é desativado. Então, o solenóide S1 e a mola trazem o carretel da válvula de volta para a posição de repouso. O pistão do cilin-dro CF avança e o porta-ferramentas é novamente travado.

- O sensor FT informa o travamento da ferramenta ao controlador e a usinagem da peça prossegue.

Nesta unidade, você aprendeu noções de hidráulica e pneumática. Nas páginas a seguir você aprenderá um pouco mais sobre o controlador lógico programável.

Exercícios Unidade II

Marque com X a resposta correta.

1-Para produzir energia mecânica, a hidráulica e a pneumática usam, res-pectivamente, os seguintes fluidos:

( ) querosene e ar.

( ) gás carbônico e hidrogênio.


( ) mercúrio e óleo.

( ) óleo e ar.

2-Na indústria, obtem-se ar comprimido por meio de:

( ) bombas pneumáticas.

( ) bombas hidráulicas.

( ) compressores de ar.

( ) compressores de hidrogênio.

3-Comprime-se o óleo com:

( ) compressores pneumáticos.

( ) rolos eletrônicos.

( ) prensas mecânicas.


4-Os mecanismos que transformam energia de pressão de fluidos em energia mecânica são chamados:

( ) bombeadores.

( ) compressores.

( ) rolamentos.

( ) atuadores.

5-Um fluido é direcionado em um circuito hidráulico ou pneumático por meio de:

( ) válvulas.

( ) pistões.


( ) compressores.


6-Uma válvula pode ser acionada:

( ) manualmente.

( ) eletricamente.

( ) por meio do próprio fluido.

( ) todas as respostas anteriores.

7-O conjunto de várias válvulas e pistões ligados por meio de tubulações recebe o nome de:

( ) conjunto mecânico.

( ) diagrama hidráulico.

( ) esquema pneumático.

( ) circuito hidráulico ou pneumático.

8-O quadrado utilizado na representação de uma válvula indica:

( ) direção.

( ) posição.

( ) tipo de acionamento.

( ) tamanho da válvula.

9-A passagem de um fluido na válvula é indicada por:

( ) seta.

( ) quadrado.

( ) linha.

( ) triângulo.


10-Circuitos pneumáticos ou hidráulicos são representados por:

( ) desenhos técnicos.

( ) gráficos especiais.

( ) setas e figuras.

( ) diagramas ou esquemas.

Exercício 11

As chaves fim-de-curso utilizadas em circuitos hidráulicos e pneumáticos servem para:

a) ( ) informar ao controlador a posição dos pistões.

b) ( ) acionar diretamente os pistões.

c) ( ) controlar vazamentos de ar nas tubulações.

d) ( ) evitar curto-circuitos nas válvulas-solenóide.



Controlador Lógico Programável

Os Controladores Lógicos Programáveis (CLPs) são dispositivos eletrôni-cos aplicados em sistemas de automação flexível. São ferramentas de trabalho bastante úteis e apresentam uma grande variedade de aplica-ções em sistemas de acionamento em controle. Devido a essas caracte-rísticas, os CLPs são muito usados em indústrias, além disso, permitem desenvolver e alterar de modo simples o procedimento de ativação das saídas em função das entradas. Assim, é possível agregar vários sinais de entrada para controlar muitos atuadores ligados nos pontos de saída.

Histórico

O CLP foi desenvolvido em 1968, pela empresa General Motors. Sua construção se deu em função da dificuldade de alteração dos métodos de controles dos painéis a cada alteração nas linhas de montagem, o que acabava demandando altos investimentos e perda de tempo.

Sob a supervisão do engenheiro Richard Morley foi feito um levanta-mento que constatou a necessidade de muitos usuários de circuitos e relés não só na indústria de automóveis, mas também em outros seg-mentos desta atividade.

A partir daí, foi criado o equipamento CLP, que tem sua configuração aprimorada rapidamente, o que permite a diversificação cada vez maior do setor industrial.

Vantagens

Em relação aos outros dispositivos, os CLPs apresentam as seguintes vantagens:

- Ocupam menos espaço.

- Consomem menos energia elétrica

- São reutilizáveis.

- Podem ser programados

- Apresentam maior segurança.

- São mais flexíveis.


- Permitem que a elaboração dos projetos seja realizada mais rapida-mente.

- Realizam interfaces de comunicação com outros CLPs e computado-res.

As alterações lógicas podem ser realizadas com grande facilidade com o uso do CLP, que não demanda, por exemplo, alteração de hardware ou inserção de outros componentes eletrônicos ou elétricos. Com isso, é possível constatar a flexibilidade dos CLPs, uma das motivações para que eles sejam ferramentas de grande aplicação nas estruturas de auto-mação.

Além da linguagem de contatos, existem outras formas de programação características de cada fabricante.

Os planos de automação e controle com a aplicação do CLP possibilitam a diminuição do trabalho de desenvolvimento de hardware dos circui-tos lógicos do acionamento. Além disso, é possível reduzir o número de dispositivos e da potência para acionamento de cargas e dos atuadores. Isso ocorre porque é possível selecionar módulos de saída já prontos, adaptados ao tipo de carga que se desejamos acionar.

A utilização dos controladores demanda algumas etapas. Veja:

- Definir a função lógica que será programada.

- Transformar esta função em programa que o CLP possa assimilar.

- Implementar o controlador e suas interfaces fisicamente no processo.

No próximo tópico, você vai conhecer os princípios de funcionamento dos CLPs.

Princípio de funcionamento

Para que você compreenda melhor o princípio de funcionamento do CLP, a estrutura será dividida em três partes: entrada, processamento e saída.

ENTRADAS

SAÍDAS

UNIDADE CENTRAL DE

PROCESSAMENTO

Os sinais de entrada e saída podem ser de modo digital ou analógico, vários deles são adequados às necessidades de cada sistema que será


controlado. Além disso, os módulos de entrada e saída apresentam gru-pos de bits, unidos em conjuntos de 8 bits (1 byte) ou de 16 bits, o que varia conforme o tipo da CPU utilizada. Confira alguns significados dos termos abordados:

Bit – dígito binário (código 0 ou 1).

Byte – conjunto de 8 bits que compõe uma infomação.

Word – conjunto de 16 bits que compõe uma informação.

As entradas de característica analógica podem ser consideradas módu-los conversores A/D, ou seja, transformam um sinal de entrada em digi-tal, geralmente de 12 bits (4096 combinações). Já as saídas da mesma configuração são conversores D/A, que modificam um valor binário e o torna um sinal analógico.

Os sinais dos sensores, associados entre si e aos sinais internos, são inse-ridos nas entradas do controlador. A cada varredura, são lidos e enviados para a unidade de memória interna, também conhecida como memória imagem de entrada.

Quando o ciclo de varredura é finalizado, os resultados obtidos são enviados à memória imagem de saída e aplicados aos terminais de saída. Veja a ilustração.

INICIALIZAÇÃO

LEITURA DAS ENTRADAS E ATUALIZAÇÃO DAS IMAGENS

PROGRAMA

ATUALIZAÇÃO DAS SAÍDASREFERIDAS À IMAGEM


Estrutura interna do CLP

De acordo com sua configuração interna, um CLP pode ser considerado um sistema microprocessado, isso porque é composto por um micropro-cessador ou um

microcontrolador, um programa monitor, memórias de programa e de dados, uma ou mais interfaces de saída e entrada, além de circuitos auxi-liares. Veja o esquema que representa esta configuração a seguir.

REDEELÉTRICA

FONTEALIMENTAÇÃO

MEMÓRIA DE DADOS

MEMÓRIA IMAGEMDAS E/S

BATERIA

MEMÓRIA DOUSUÁRIO

MÓDULOSDE ENTRADAS

MÓDULOSDE SAÍDAS

TERMINAL DE PROGRAMAÇÃO

UNIDADE DEPROCESSAMENTO

MEMÓRIA DO PROGRAMAMONITOR

CIRCUITOSAUXILIARES

Com o próximo tópico abordado a seguir, você poderá conhecer as características dos principais itens que compõem um Controlador Lógico Programável.

Descrição dos principais itens

Um CLP é composto por diversos itens, como fonte de alimentação, interfaces de entrada e saída, bateria, memória, circuitos auxiliares, entre outros. Nas próximas páginas você vai aprender um pouco mais sobre cada um deles.

Fonte de alimentação

As funções básicas de uma fonte de alimentação são as seguintes:

- Converter a tensão da rede elétrica ( 110 ou 220 VCA ) em tensão de alimentação dos circuitos eletrônicos. O valor é de + 5VCC para o micro-processador, memórias e circuitos auxiliares e de mais ou menos 12 VCC para a comunicação com o programador ou computador.

- Fazer com que a carga da bateria se mantenha nos sistemas que utili-zam relógio em tempo real e memória do tipo RAM.

- Oferecer alimentação para entradas e saídas, de 12 ou 24 VCC.


Unidade de processamento

Também conhecidas pela sigla CPU, as unidades de processamento são responsável por manter o funcionamento lógico de todos os circuitos. Nos CLPs modulares, estas unidades ficam em uma placa separada das demais e podem, em alguns casos, ser combinadas com fontes de ali-mentação. Em CLPs de porte pequeno, a CPU e os demais circuitos estão todos em único módulo.

Entre as principais características das unidades de processamento estão:

- Microprocessadores de 8 ou 16 bits ( INTEL 80xx, MOTOROLA 68xx, ZILOG Z80xx, PIC 16xx ).

- Endereçamento de memória de até 1 Megabyte.

- Velocidades de CLOCK entre 4 e 30 MHZ;

- Manipulação de dados decimais, octais e hexadecimais.

Bateria

A bateria de um CLP tem a função de manter o funcionamento do reló-gio em tempo real e dos programas que usam memória tipo RAM, inde-pendente de haver ou não fornecimento de energia.

As mais usadas são as baterias dos tipos Ni - Ca ou Li, que possuem incor-poradas circuitos carregadores.

Programa monitor

O programa monitor é responsável por todas as atividades do CLP e não permite alterações do usuário, pois se encontra armazenado nas memó-rias PROM, EPROM ou EEPROM.

O funcionamento desse dispositivo ocorre de modo semelhante ao do sistema operacional dos microprocessadores.

É o Programa Monitor que permite a transferência de programas entre um microcomputador ou Terminal de Programação e o CLP, além de gerenciar o estado da bateria do sistema, controlar os opcionais, entre outros.

Memória do usuário

Local em que se armazena o programa da aplicação desenvolvido pelo usuário. Pode ser alterada pelo usuário, pois uma das vantagens do uso de CLPs é a flexibilidade de programação. Inicialmente era constituída dememórias do tipo EPROM , sendo hoje utilizadas memórias do tipo


RAM ( cujo programa é mantido pelo uso de baterias ), EEPROM e FLASH-EPROM também comum o uso de cartuchos de memória, que permite a troca do programa com a troca do cartucho de memória. A capacidade dessa memória varia bastante de acordo com o marca/modelo do CLP, sendo normalmente dimensionadas em Passos de Programa.

Memória de dados

A memória de dados, que normalmente é parte das memórias RAM e CLP, tem a função de armazenar as informações do programa do usuário. Estes dados são valores de temporizadores e de contadores, códigos de erro, senhas de acesso, entre outros, que podem ser alterados e armaze-nados durante a operação do programa do usuário.

Em alguns tipos de CLP a bateria apresenta capacidade de reter informa-ções desta memória, para assegurar o armazenamento dos dados, caso haja queda de energia.

Memória imagem das entradas / saídas

Sempre que a CPU realiza um ciclo de leitura das entradas ou promove alterações nas saídas, armazena os estados da cada uma das entradas ou saídas em uma região de memória denominada memória. Esta funciona como uma tabela na qual a CPU poderá consultar informações relaciona-das às entradas ou às saídas para realizar a operação adequada enquanto o usuário estiver utilizando o equipamento.

Circuitos auxiliares

Entram em operação caso o CLP apresente falhas. São eles:

Power on reset: quando se energiza um equipamento eletrônico digital, não é possível prever o estado lógico dos circuitos internos. Para que não seja realizado um acionamento de modo incorreto em uma saída, há um circuito que desativa todas as saídas no momento em que há energiza-ção do equipamento.

No instante em que o microprocessador apresenta condições de contro-lar o equipamento, este circuito para de operar.

Power-down: em caso de haver um corte súbito de energia, há risco de o conteúdo das memórias ser perdido. Para evitar que isso ocorra, há um cir-cuito responsável que monitora a tensão de alimentação e que é acionado e interrompe o processamento para informar o problema ao microproces-sador e armazenar o conteúdo das memórias em tempo hábil.

Watch-dog-timer: para evitar que o programa utilizado não entre em “loop”, caso ocorra falha no microprocessador, há este circuito chamado


cão de guarda, que precisa ser acionado em momentos determinados previamente. Caso isto não ocorra, ele assume o controle do circuito sinalizando falha geral.

Interfaces de entrada

As interfaces de entrada têm a função de tornar os sinais de entrada ade-quados eletricamente para serem processados pela CPU do CLP. Há dois tipos de entrada: as digitais e as analógicas. Você irá conhecer cada uma delas a seguir

Entradas digitais: apresentam somente dois estados possíveis: ligado ou desligado. Os principais dispositivos que podem ser conectados a esse tipo de entrada são os seguintes:

- Botoeiras.

- Chaves fim de curso.

- Sensores de proximidade indutivos ou capacitivos.

- Chaves comutadoras.

- Termostatos.

- Pressostatos.

- Controle de nível.

As entradas digitais apresentam possibilidade de serem configuradas para operar em corrente contínua (24 VCC) ou alternada (110 ou 220 VCA). Podem ainda ser dos tipos N (NPN) ou P (PNP). Para que a entrada seja ativada, o primeiro tipo demanda aplicação de potencial negativo, que pode ser terra ou neutro, da fonte de alimentação ao borne. Já no caso do tipo P, é preciso inserir no borne de entrada potencial positivo (fase). Em ambos os tipos deve haver isolação galvânica entre o circuito de entrada e a CPU, o que geralmente é feito com o uso de optoacopladores.

As entradas de 24 VCC são utilizadas quando a distância entre os disposi-tivos de entrada e o CLP não excedam 50 metros. Caso contrário, o nível de ruído pode provocar disparos acidentais.

Veja um exemplo de circuito com entrada digital 24 VCC:

ENTRADA 24 VCC

C.P.U.

Observe agora um circuito de entrada digital 110 / 220 VCA:


110/220 VCAC.P.U.

Entradas analógicas: as interfaces de entrada analógica possibilitam que o CLP manipule grandezas analogias enviadas por sensores eletrônicos que são, normalmente, tensão e corrente. As tensões das faixas de utili-zação dessas entradas variam da seguinte forma: de 0 a 10 VCC, de 0 a 5 VCC, de 1 a 5 VCC, de -5 a +5 VCC, de -10 a +10 VCC. No caso de interfaces que permitem entradas positivas e negativas elas recebem a denomina-ção de entradas diferenciais. Em relação às correntes, as faixas utilizadas variam entre 0 e 20 mA e entre 4 e 20 mA.

Os principais dispositivos que possuem entradas analógicas são:

- Sensores de pressão manométrica e mecânica.

- Taco - geradores para medição rotação de eixos.

- Transmissores de temperatura e de umidade relativa.

É importante ressaltar que a resolução das entradas é, normalmente, medida em bits. Quando maior o número de bits que a entrada possuir, melhor será a representação da grandeza analógica.

Por exemplo, uma placa de entrada analógica de 0 a 10 VCC com resolu-ção de 8 bits permite uma sensibilidade de 39,2 mV. Já a mesma faixa de entrada e entrada de 12 bits apresenta sensibilidade de 2,4 mV, já a de 16 bits permite uma sensibilidade de 0,2 mV.

Observe um exemplo de um circuito de entrada analógico:

+-

ADC

VINVREF+VREF-

D0D1

D7D6D5D4D3D2

C.P.U.ENTRADA

Interfaces de saída

Os módulos ou interfaces de saída apresentam adequação elétrica aos sinais provenientes de um microprocessador. Isso ocorre para que seja possível atuar nos circuitos controlados. Há dois tipos de interfaces de saída: as digitais e as analógicas. Você aprenderá mais sobre cada uma delas a seguir.


Saídas digitais: esse tipo de saída permite somente os estados ligado e desligado e pode controlar elementos, como:

- Relés.

- Contatores.

- Relés de estato-sólido.

- Solenóides.

- Válvulas.

- Inversores de frequência e outros.

Observe um exemplo de saída digital à relé:

C.P.U. SAÍDA

Agora veja uma saída digital à transistor :

SAÍDA

C.P.U.

Saídas analógicas: esse tipo de saída transforma valores numéricos em sinais de saída, tensão ou corrente. As tensões, normalmente, variam entre 0 e 10 VCC ou entre 0 e 5 VCC. Já a corrente vai de 0 a 20 mA ou de 4 a 20 mA.

Os sinais analógicos comandam elementos, como:

- Válvulas proporcionais.

- Motores C.C.

- Servo-motores C.C.

- Inversores de frequência.

- Posicionadores rotativos, entre outros.


Veja um exemplo de circuito de saída analógico:

C.P.U.

8 BITS

+- +

-DAC

V

SAÍDA

0 12 34 5 6 7

Em suma: as entradas e saídas digitais ou discretas possuem dois níveis lógicos 0 e 1 (ligado e desligado). Já as analógicas apresentam sinais con-tínuos que são determinados para operar em faixas de 4 a 20mA ou de 0 a 10V.

Na ilustração a seguir, você pode conferir entradas e saídas específicas de um CLP, além da utilização de uma IHM e de um microcomputador como dispositivo de programação. Veja:

Entradasanalógicas

Entradasdigitais

Saídasanalógicas

Conversor de frequência

VálvulaRelé

Lâmpada de sinalização

Botoeira

Saídasdigitais

Programação

Computador

IHM

CLP

A Interface Homem-Máquina (IHM)

A Interface Homem-Máquina (IHM) é um painel de controle passível de programação que possibilita o envio de mensagens ao usuário de acordo com as condições dos sinais de entrada e saída. Isso possibilita que um


operador saiba o que está ocorrendo com o sistema que controla. Este acessório é utilizado como sistema de supervisão e apresenta mensa-gens de emergência ou de parada por problemas técnicos.

Atualmente, estes painéis estão sendo substituídos por telas de compu-tador, nas quais é possível reproduzir com grande perfeição o processo industrial, o que torna a interface com o operador muito mais acessível e segura.

Na próxima unidade, você vai aprender mais sobre a programação de Controladores Lógicos Programável.



Programação

Para ampliar ainda mais seus conhecimentos sobre CLPs, nesta unidade vão ser abordados alguns conceitos relacionados à programação. O pri-meiro deles é a linguagem Ladder.

Linguagem Ladder

A lógica binária é representada pelos valores de 0 e 1, a partir dos quais foi desenvolvida uma base numérica binária. Com esses conceitos foram elaboradas as portas lógicas, que são circuitos usados para fazer a com-binação entre níveis lógicos digitais de formas específicas.

As portas lógicas básicas são: AND, OR e NOT. Veja cada uma delas:

Portas Lógicas Símbolo Expressão Ladder

AND

OR

A S S

SAB

AB

NOT

S

=A

S =A . B

S =A + B

10,0

10,0

10,0

10,1

10,1

Q0,0

Q0,0

Q0,0

Os componentes eletroeletrônicos de acionamento foram substituídos pelos CLPs. Mas, a linguagem usadas por este é semelhante à usada em diagramas lógicos de acionamento desenvolvidas por eletrotécnicos e profissionais da área de controle, que recebe o nome de linguagem de contatos ou Ladder.

Esta linguagem possibilitou a elaboração de lógicas combinacionais a partir do uso de operadores para estas lógicas: entradas, saídas, estados auxiliares e registros numéricos.

A tabela apresenta abaixo relaciona os três principais símbolos de pro-gramação.


Observe:

Tipo Símbolo Equipamento elétrico

Contato aberto

Contato fechado

Saída

A flexibilidade de um CLP é constatada quando este apresentar a pos-sibilidade de ser programado, por meio de IHM ou microcomputador. O desenvolvimento dos softwares utilizados atualmente facilitou o pro-cesso de programação e permitiu ainda que fossem feitas simulações de forçamento de entradas, além de outras ferramentas mais avançadas.

Na verdade, a linguagem é uma adaptação de um diagrama elétrico funcional de mesmo nome. Estes códigos aplicam bastante a expressão mnemônica, que é uma abreviação de uma instrução. A expressão mne-mônica que indica entradas, saídas, relés auxiliares, temporizador, conta-dor em um programa depende do fabricante.

Por exemplo, “TON” representa “timer on” ( temporizador na energiza-ção), TEE também representa o mesmo.

Observe exemplos de mnemônicos nas figuras abaixo.

I:0/1 I:0/0 0:0/0

0:0/0

E0.1E0.0 S2.0

S2.0

Para que você compreenda mais facilmente a estrutura da linguagem, será usado um exemplo simples: o acionamento de uma lâmpada L a partir de um botão liga/desliga.


Para acionar uma lâmpada a partir de um botão liga/desliga, os sistemas ficariam da seguinte forma:

+

+

-

Sistema com CLP

Programa

E0.1

Lâmpada

E0.1

E0.1 é um contato aberto e seB1 for fechado, esta entrada também é fechada,fazendo com que S0.1 seja acionada.Assim, a lâmpada acende.

S0.1S0.1

B1

+

-

Esquema elétrico

AlimentaçãoNormalmenteaberto

Lâmpada

E0.1

S0.1

B1

Exemplo 1: a lâmpada L1 deve ser acesa apenas se os dois interruptores B1 e B2 forem acionados. Corresponde à operação lógica E.

+

-

Esquema elétrico

Alimentação

B1

L1

B2

+

++

-

-

E0.1

Lâmpada

E0.1 E0.2E0.2 S0.1

S0.1

B1 B2

Diagrama eletrônicose acionarmos só EO.1 (B1)

+ -

A Lâmpada ligadaa SO.1 acende.

E0.1E0.1

E0.2E0.2 S0.1S0.1

B1

B2

L1&

se acionarmos só EO.1 (B1) e EO.1 (B2)

+ -E0.1 E0.2 S0.1

se acionarmos só EO.2 (B2)

+ -E0.1 E0.2 S0.1

Exemplo 2: ligar a lâmpada L1 se os interruptores B1 ou B2 forem acionados.


Corresponde à operação lógica OU.

Sistema com CLP

L1

++

+

-

-E0.1

E0.1 E0.2

E0.2

S0.1

S0.1

B1 B2

Nesse caso, os caminhos para a cargaligada à saída SO 1 são dois: quandoé fechado B1 ou B2.

+ -E0.1

E0.2

S0.1

+ -E0.1

E0.2

S0.1

+

-

Esquema elétrico

Alimentação

B1

L1

B2

Diagrama eletrônico+

E0.1E0.2

S0.11

B1

B2

L1

A partir deste exemplo, é possível dizer que todas as funções lógicas combinacionais podem ser criadas em programação e executadas por CLPs. Isso porque todas elas derivam dos básicos E, OU e NOT.

A lógica sequencial é criada a partir de elementos temporizadores, que podem disparar uma saída ou acionar um interruptor após um tempo previamente determinado.

Exemplo 3: ligar uma lâmpada L1 três segundos após acionado o inter-ruptor B1.

Diagrama eletrônico

O conteúdo de T1 ligando L1 três segundosapós T1 ter sido energizado ao ligarmos B1.

só fecha três segundos após ser energizado. E0.1T1

Esquema elétrico

B1

L1T1

T1

3 seg.

+T1

T1

B1

3 seg.

+

+

-

-

E0.1

E0.1E0.2

S0.1

S0.1

B1

T1

T1

3 seg.

Agora que você já aprendeu os conceitos da linguagem Ladder, você vai conhecer os programas utilizados com esta simbologia.

Programas

Mesmo sendo bem diversificadas as aplicações do CLP representáveis pela linguagem Ladder, as de representação mais direta são aquelas relacionadas ao acionamento de máquinas elétricas com o uso de circui-tos de comando e força.


Veja, a seguir, alguns exemplos de programas para acionamento de máquinas.

Partida direta de motor

A figura a seguir demonstra o acionamento de um motor feito por meio de uma botoeira. A entrada do controlador é representada pelos coman-dos liga, o contato NA do botão on da botoeira. Já o desliga corresponde ao contato NF do botão off da botoeira.

A bobina motor representa a saída do controlador que é responsável também pelo acionamento de contator que dá a partida direta do motor. Se este contato estiver aberto, haverá retenção, ou seja, a sua bobina continuará energizada, mesmo após o operador parar de pressionar o botão liga.

Desliga liga Motor

Motor

Partida direta e reversão de motor

A modificação do sentido de rotação de um motor trifásico ocorre devido à alteração de duas das fases que alimentam o sentido. Este motor está representado no esquema de força da figura que se segue.

M


Já o programa ilustrado a seguir, mostra um circuito de partida direta e reversão de um motor em que o acionamento do contactor C1 permite a partida direta do motor no sentido horário e C2 no sentido anti-horário. Veja:

Desliga Liga SH SHSAH

SAH

SAH

SH

Desliga Liga SAH SH

A saída SH do controlador acionará C1 enquanto que a saída SAH acio-nará C2. Neste caso C1 e C2 nunca poderão ser acionados simultanea-mente pois isto provocaria um curto-circuito sendo necessário, portanto, o intertravamento realizado pelo contato NF de SAH em série com a bobina SH e o contato NF SH em série com a bobina SAH. Tanto a reten-ção como o intertravamento são realizados utilizando comandos ladder sem a necessidade do uso dos contatos auxiliares dos contactores.

Partida estrela-triângulo

A partida estrela-triângulo ocorre na forma de estrela. Isso é feito visando a reduzir a corrente de partida. Após determinado tempo, o motor é modificado para a configuração triângulo, que representa modo normal de operação do motor.

R1

2 2

4

56

3T S ST

Y (380V)

R

1

45

6

3

(220V)

São utilizados três contactores:

K1 que alimenta as pontas 1, 2 e 3 de motor com as três fases R, S e T, respectivamente.


K2 que alimenta com a mesma sequência as pontas 6, 4 e 5

K3 que interliga as pontas 4, 5 e 6.

Assim, a ligação de K1 e K3 ao mesmo tempo corresponde a configura-ção estrela. Já a ligação de K1 e K2, representada a seguir, é a configura-ção triângulo.

M

O diagrama Ladder representado pelo desenho a seguir, demonstra a partida estrela-triângulo de um motor com tempo é ajustado para cinco segundos.

Desliga Liga C1

C1 C3

C2

C2

TEE

TEE

M 0

M1

K 50

K02

Nesse caso, é possível observar as ações de retenção em C1 e intertrava-mento, o que evita que C2 e C3 sejam acionados simultaneamente.

Agora que você já conhece os conceitos de programação, pode partir para a última unidade, que aborda Soft-Start e inversor de frequência.

E n xercícios


1) Elabore um diagrama Ladder de partida/parada de um motor, mas, sem a necessidade do uso de retenção.

2) Elabore um programa para controlar o nível no tanque ilustrado na figura de maneira que o operador possa ser capaz de selecionar o modo de funcionamento: AUTOMÁTICO ou MANUAL. Em MANUAL, a bomba poderá ser ligada pressionando-se o botão LIGA e desligada pressio-nando-se o botão DESLIGA. Neste modo, as chaves de nível não têm nenhuma ação. Em AUTOMÁTICO que a bomba d’água seja ligada sem-pre que a chave de NÍVEL BAIXO for acionada e que seja desligada toda vez que a chave de NÍVEL ALTO foi acionada.

Observe o diagrama de estados da bomba d’água representado pela figura abaixo na elaboração do programa ladder.

NívelAlto

Nível Alto

AM Liga Desl.

NívelBaixo

Nível Baixo

Bomba

BombaLigada

BombaDesLigada

3) A figura a seguir mostra um misturador usado para fazer cores per-sonalizadas de tinta que possui dois encanamentos entrando no topo do tanque, fornecendo dois ingredientes diferentes, e um único enca-namento no fundo do tanque para transportar a tinta misturada finali-zada. Nessa aplicação você vai controlar a operação de preenchimento, monitorar o nível do tanque, e controlar o misturador e o período de aquecimento. Siga os passos 1 até o 8 listados abaixo .

1o passo – Encha o tanque com o ingrediente 1.

2o passo – Encha o tanque com o ingrediente 2.

(a utilização do 1 ou do 2o ingrediente são independentes).

3o passo – Monitore o nível do tanque para o acionamento da chave “High-Level”, utilizando um sensor de nível.

4o passo – Mantenha o status da bomba se a chave “Start” está aberta,


isto é, a chave “start’’ deve ser independente ( também perceba que o contato a ser utilizado deve ser normal fechado ) .

5o passo – Comece a misturar os ingredientes atendendo o período de aquecimento (10 Segundos, por exemplo).

6o passo – Ligue o motor do misturador e a válvula de vapor (por meio destes haverá a mistura e aquecimento, respectivamente ) .

7o passo – Drene o tanque da mistura por meio da válvula “Drain Valve”(válvula de drenagem ) e do motor “Drain Pump”(bomba de dre-nagem).

8o passo – Crie um modo de contar quantas vezes este processo (des-crito do 1o ao 7o passo) é realizado por completo.

Start 110.0

Stop 110.2

Pump 1 Controls Pump 1 Q0.1

Pump 2 Q0.1

Low Level10.5

High Level10.5

Start 210.1

Stop 210.3

Pump 2 Controls

Mixer Motor Q0.2

Q0.4

Q0.3

Drain Valve

Q0.5Drain Pump

5) Faça um programa de controle PLC para um sistema reservatório com-posto de uma

válvula de entrada P, duas bombas (acionadas por M1 e M2), um alarme AL e quatro

sensores de nível (a, b, c, d), conforme ilustrado a seguir. As condições de funcionamento

são as seguintes: se o nível for “a”, então fecha-se a válvula P. Se o nível for inferior a “b”, então abre-se a válvula P. Acima de “b”, M1 e M2 bom-beiam. Abaixo de “b”, somente M1 bombeia. Abaixo de “c”, soa o alarme AL. Em “d”, nenhuma das bombas deverá funcionar. A figura mostra um diagrama esquemático do problema.


M1

M2

a

b

cd

AL

P

Esquema do tanque onde deve ser controlado o nível.



Soft-Starter e inversor de frequência

Os soft-starters (chaves de partida estática) e os inversores de frequên-cia são elementos essenciais para o processo de automação industrial. A partir do desenvolvimento destes dispositivos, houve avanços significa-tivos nos processos.

A seguir, você terá a oportunidade de aprender mais sobre eles e apri-morar cada vez mais seu trabalho.

Chave de partida soft-starter

A partida compensadora e a realizada por motores trifásicos em estrela resultam em solavancos no momento em que a posição de tensão do sistema é alterada para plena.

O desenvolvimento de elementos com soft-starter foi motivado pela necessidade de alguns tipos de carga que demandam o acionamento suave das máquinas. Entre os aparelhos estão ventiladores, bombas e compressores de grande porte, esteiras transportadoras de potência, entre outros.

Funcionamento

As chaves de partida estática, que recebem este nome por não possuí-rem a comutação on/off, são dispositivos de manobra usados para pro-mover a partida e a parada suaves de motores assíncronos trifásicos que apresentam a necessidade de eliminar picos de corrente na partida.

Essa demanda se dá em motores que apresentam potências elevadas e ope-ram nas categorias AC-2 e AC-3, como os aparelhos já citados anteriormente.

Para que a aplicação dos dispositivos seja mais adequada, podem ser apli-cados em programas de simulação em PC e em programas de comunica-ção para colocação em operação, gerenciamento e manobra em PC.

Entre as principais especificidades dos soft-starter estão:

- Podem ser aplicados para acionar máquinas que partem vazias e com carga.

- Possibilitam a parametrização de tensão por meio da aceleração e da desaceleração progressiva e uniforme da máquina, o que promove a diminuição da potência necessária.


- Há necessidade de a supervisão neles ser mais elaborada.

- Impede a ocorrência de choques mecânicos nos processos de acelera-ção e desaceleração da máquina.

Reduz os intervalos de manutenção e garante maior vida útil da máquina, que por suas características básicas tem substituído a partida por auto-transformador e estrela-triângulo.

Com o uso desta técnica de partida, o controle da potência utilizada na etapa de partida é realizado após a mensuração da fração da tensão de alimentação oferecida a cada instante, após um determinado número de semiciclos de tensão. Este processo pode ser adequado às necessidades de cada operação.

Esse programa de escalonamento é realizado com o uso de um par de tiristores por fase, que ficam conectados em antiparalelo e que apresen-tam operação estipulada por um programa pré-determinado.

A partir desse processo, é possível sair do estado de repouso e chegar ao movimento de rotação plena, realizado a partir de uma série de degraus, que variam de acordo com a curva de carga.

As primeiras chaves de partida estática podiam controlar apenas a acele-ração do motor e somente uma fase. Os modelos atuais são capazes de controlar duas e até três fases, o que aprimora a potência por fase.

O mesmo método aplicado para a aceleração pode também ser aplicado no sentido inverso, a desaceleração, que parte da tensão plena e atinge a interrupção das ondas de tensão, conforme é possível observar na ilus-tração a seguir.

UL1-L2

L1

L2

L3

M

TiristoresTiristores SCR’s ligados em antiparalelo, sendo 2 por fase, controle nas três fases

No momento da partida é realizado um levantamento do valor eficaz de tensão a que é submetido o motor. Esse processo é realizado por meio do controle do ângulo de disparos dos tiristores SCR.

O tempo de disparo é medido por um microprocessador que comanda a eletrônica do acionamento do gatilho dos tiristores. São esses disposi-tivos que possibilitam a passagem da tensão, a partir da parametrização pré-estabelecida pelo operador.

Depois do período de aceleração, os tiristores admitem duas possibilidades:


- Depois de serem aplicados para controlar o ângulo de disparo dos semiciclos e entrar em estado de disparo em ângulo zero ou plena con-dução – como se a carga estivesse diretamente ligada à rede de alimen-tação – os tiristores podem ser desativados. Isso significa o acionamento do relé de by-pass da chave, que é montado em paralelo com cada par de tiristores por fase. Assim, o motor passa a ser alimentado diretamente pela rede de alimentação.

A função do starter, neste caso, passa a ser controlar a corrente de carga e, dependendo da parametrização, pode ser responsável por desativar a carga, caso haja falhas na operação ou na rede de alimentação.

Os dispositivos podem ainda ser responsáveis pela leitura de outros valores relacionados à carga, como potência, temperatura do dissipador de calor, valor de tensão percentual, entre outros.

Veja como fica o gráfico, nesse caso.

Aceleração

Outra possibilidade admitida com o uso das chaves soft-starter em alguns modelos é a parametrização para a redução do consumo de ener-gia. Se for realizada uma operação com este fim, os tiristores precisam estar desativados, ou seja, o relé de by-pass deve estar desabilitado.

Nesse caso, há constante supervisão na corrente absorvida pelo motor e os tiristores entram em estado de corte de uma parte do semiciclo. Isso reduz o valor eficaz de tensão inserida no motor e, por consequência,da corrente absorvida por ele, conforme é possível observar no esquema a seguir.

No uso de economia de energia há a desvantagem de haver distúrbios causados por harmônicos.

Otimização para carga parcial

O processo de desaceleração é exatamente inverso ao de aceleração. Se os tiristores estiverem inativos quando a carga for desligada, passarão a operar em estado pleno de condução. Após a operação, o relé de by-pass é aberto e o microprocessador, previamente parametrizado, ativa um comando para controlar o ângulo de corte dos semiciclos para ser desligado.


Observe o esquema a seguir, que representa o estado de desaceleração.

Desaceleração

Há vários modelos de soft-starters disponíveis no mercado. A seguir, você vai conhecer alguns deles.

Tipos

Nesta parte, serão apresentados os diversos tipos de chaves de partida estática e suas respectivas características e funções.

- Controle a uma fase: este tipo de soft-starter comanda somente uma das três fases na operação de partida. No momento em que o motor alcança a rotação nominal o dispositivo funciona como contator e conecta o motor diretamente na rede de alimentação.

Observe no esquema ilustrado a seguir que uma fase apresenta potên-cia limitada até que o sistema alcance plena potência. Nesta figura está representado o primeiro tipo no qual apenas uma das fases, a R, é comandada por um circuito que aumenta ou reduz o ângulo de dis-paro e que tem os pulsos enviados ao SCR. Perceba que à medida que o tempo passa, o ângulo de disparo é reduzido e, de acordo com este fator, o ângulo de condução é elevado, o que faz com que uma parte maior de senóide atinja a carga. Isso eleva o valor eficaz da tensão inserida no motor e, também, no conjugado.

CONTROLEDE

DISPAROAJUSTE

U V W

M3

R S T

R

S

T

Rotaçãonominal

t

t

t

Soft – starter com controle em apenas uma fase

Duas fases controladas: Este tipo de configuração é o mais comum no mercado. No esquema a seguir, é possível observar que R e T são contro-ladas e S atinge o motor diretamente. Neste caso, é necessário realizar manutenção constante, pois uma das fases é ligada ao motor de modo direto, ou seja, há potencial no motor.


R S T

M3

R

S

T

Rotaçãonominal

R S T

1L1 3L2 5L3

2T1 4T2 6T3

M3~

Soft-starter com controle em duas fases, com relé de by-pass e biometálico contra sobrecarga

Duas fases semicontroladas: Neste tipo de chaves de partida estática são montados dois SCR conectados em antiparalelo com dois diodos, o que possibilita o semicontrole da senóide, neste caso nas fases R e T, sendo que somente um semiciclo é chaveado.

É necessário tomar medidas adicionais de manutenção no motor, pois há potencial neste devido à ligação de uma das fases a ele.

Observe o esquema a seguir.


R

S

T

Rotaçãonominal

t

t

t

R S T

Soft-starter com duas fases semicontroladas

M3

Três fases controladas: este tipo de soft-starter é o que apresenta maior possibilidade de controle e de recursos, quando há necessidade de para-metrização mais elaborada devido ao tipo de carga acionada.

Na chave de partida estática de três fases controladas, as três fases R, S e T são comandadas por meio do ângulo de disparo dos tiristores. Estes são montados com dois tiristores SCR em antiparalelo e, um relé de by-pass em paralelo com os tiristores. Nesta disposição, o controle da potência é mais preciso e simétrico.

R

S

T

t

t

t

R S T

M3

R S T

1L1 3L2 5L3

2T1 4T2 6T3

M3

Soft-starter com controle em três fases, com relé de by-pass e bimetálico contra sobrecargas

~


A seguir, você vai aprender mais sobre os conceitos de parametrização em relação à soft-starter

Parametrização

A parametrização significa colocar os parâmetros de acordo com variáveis do motor e do conjunto em que o sistema irá atuar, que envolve motor, carga e máquina. A chave soft-starter pode ser adequada de diversas maneiras, dependendo do modelo e do fabricante da máquina.

Via potenciômetros: é o método mais simplificado de realizar a parame-trização da chave de partida estática e é aplicado para parametrizar o tempo de rampa de aceleração e desaceleração, por exemplo. É possível ainda aplicar essa técnica na tensão inicial do motor de partida e para limitar o consumo de corrente pelo motor.

Observe as ilustrações que demonstram a aplicação da técnica.

12345678

6090

120

3020

105

1 0 180150120

s

/ =SIKOSTART-BemessungsstromSIKOSTART rated current

RampenzeitRAMP TIME

StartspannungSTART VOLTAGE

20% 100%

min max

AusOFF

EinON

1 21 2

1 2

12

34

5

40° 55°C

inakt.akt.

8

Losbrechimpuls

Energiesparen

Notstart

Umgebungstemp.

Hochlauferkennung

RS 232-Interface

Pumpenauslauf

DC Bremsen

Sanftauslauf

PUMP STOP

DC-BRAKING

SOFT STOP

IMPULSE START

ENERGY SAVING

EMERG. START

AMBIENT TEMP.

RUN UP DETECT.

Begrenzungsstrom AuslaufzeitSTOP TIMECURRENT LIMIT

Porta comunicação serial

SIKOSTART

e

e e0,5/ 6/

12

34

56

78

910

1112

1314

15

NO

NO

DCBremsschützDCBRAKING

Anlauf-endeMOTORRUNNING

StörungGROUPALARM

NO

NC

AC 380-415 V

AC 200-240 V

AC 100-120 V

N/L

OUT L+DC 24 V

IN 1

IN 2

IN 3

EinSTART

AusSTOP

FemREMOTERESET

READY

START/STOPPING

MOTOR RUNNING

ENERGY SAVING

DC BRAKING

SUPPLY FAULT

TWYRISTOR FAULT

OVERLOAD

GENERAL FAULT

START BLOCKED

Parametrização da soft-starter via potenciômetros


0 0

00

R on R 1t

R o�t R2t

t

U Us s

3RW30 3RW31

5

20s0

10

5

20s0

10

min max

1 L1 3L2 5L3

3RW

2 11 4 12 5 13

Parametrização da soft-starter via potenciômetros

1 L1 3L2 5L3

5

20s0

10

5

20s0

10

min max

3RW

2 T1 4 T2 5 T3

Via software dedicado: é um método de parametrização aplicado por meio da porta de comunicação serial (RS-232 OU RS-485) da chave de partida estática, que é adaptada ao computador ou a uma rede.

Para que esse sistema funcione de forma adequada, é necessário que haja um software desenvolvido pelo fabricante instalado no computador e que ele possua dados atualizados que permitam realizar o processo. Essas informações são fornecidas impressas em uma etiqueta acoplada à chave e em cima do processador.

Com o programa é possível, além de fazer a parametrização, acompa-nhar em tempo real os dados do processo e verificar a atuação e o estado da chave e do motor, e os valores de tensão. Isso se a chave estiver aco-plada ao computador.


Verifique como é realizada a parametrização nesse caso. Observe a ilus-tração a seguir

SIKOSTART

12

34

56

78

910

1112

1314

15

NO

NO

DCBremsschützDCBRAKING

Anlauf-endeMOTORRUNNING

StörungGROUPALARM

NO

NC

AC 380-415 V

AC 200-240 V

AC 100-120 V

N/L

OUT L+DC 24 V

IN 1

IN 2

IN 3

EinSTART

AusSTOP

FemREMOTERESET

READY

START/STOPPING

MOTOR RUNNING

ENERGY SAVING

DC BRAKING

SUPPLY FAULT

TWYRISTOR FAULT

OVERLOAD

5

9 8 7 6

4 3 2 1

Parametrização da soft-starter via software dedicado

RS-232

Via IHM ou HMI: este tipo de parametrização é o mais comum nos casos em que a soft-starter possui IHM. Geralmente, o processo é realizado no próprio local em que a chave está instalada, que pode ser um CCM (Cen-tro Controle de Motores) dentro de uma sala na qual se encontram os QGBT’s (Quadro Geral Baixa Tensão), ou num CCM - próximo a carga que vai ser acionada.

Na maioria dos casos, as chaves apresentam comunicação serial, mas não são em todos os casos que é possível conecta-las à computadores por causa da localização da chave, que impede este processo.

As parametrizações feitas no local através da porta de comunicação serial normalmente são feitas com um laptop, e nem sempre se tem um a disposição para tal. Para parametrizar a chave via IHM, é necessário consultar um manual com informações detalhadas a respeito de cada parâmetro. Em algumas situações, é preciso ainda ter em mãos parâme-tro de desbloqueio ou de acesso aos parâmetros que devem ser altera-dos em função da carga acionada.


PI

0

Parametrização da soft-starter via IHM

IHM (Interface homem-máquina) de uma chave de partidasoft-starter. Para efetuar a parametrização, é precisoacessar o manual da chave e realizar o procedimentoatravés das teclas IHM.

Aplicações e ligações feitas com soft-starter

As chaves de partida estática possuem o mesmo processo de alimen-tação de uma chave de partida comum. Para isso, é necessário forne-cer energia para a parte de força da chave em que estão os tiristores. É essa energia que alimenta o motor e parte do comando em que estão as entradas digitais para a elaboração do modo como será acionada a chave.

Conforme já citado, segundo o modelo da soft-starter, quando o relé de by-pass dos tiristores está acionado a carga fica diretamente conectada à rede.

No caso de o by-pass ser feito na parte externa, por meio de um conta-tor, uma mesma chave pode promover a partida e a parada de mais de um motor.

A seguir, você poderá observar alguns esquemas de ligações com o uso das chaves de partida estática.

Soft-starter partindo um único motor

Observe como o processo se desenvolve nesse caso.


M3~M1

U V W(1) (2) (3)

G1 1L1

2T1 4T2 6T3

3L2 5L3

F1, 2, 3

PE (N)

Q1 Q1

F24

F22

T1

UUU U

UUUU

}}}}

} }

L1 L2 L3L1 L2 L3L1 L2 L3

Circuito decomando

Circuito de comando

Soft-starter partindo um único motor

S1

A1 L+ L- 1N1

S2

S3 S4

1N2 1N3 1N4 T1

969895343324231413A2

T2

Circuito de potência

Soft-starter partindo de vários motores simultaneamente:

No caso de serem promovidas partidas simultâneas, a potência da chave precisa ser, no mínimo, igual a soma das potências de todos os motores. Além disso, as cargas devem ter curvas de conjugado, rotação e momen-tos de inércia semelhantes.Veja:

K2

A2

F2.1 F2.2

3~3~

F2.3

3~

T1 T2 T3

L3L2L1

F3

K1

M1 M2 M3

Soft-starter partindo vários motores simultaneamente


Observe que K2 ligado está em paralelo com a chave, portanto, ele é o by-pass que é feito com um contator em paralelo com a chave.

Soft-starter partindo vários motores em sequência ou cascata

Quando são realizadas as partidas sequenciais, a potência de partida da chave deve ser pelo menos a mesma que a potência nominal do maior dos motores.

Se não houver pausa entre as partidas dos motores, é preciso determinar a capacidade da chave de partida estática, de acordo com o resultado da corrente eficaz.

O ajuste de parâmetros para capacidades de motores e cargas diferentes pode ser feito por meio do software de comunicação da soft-starter.

Assim, é possível a entrada de até três diferentes jogos de parâmetros. Esse tipo de partida por ser promovida para motores de polos comutá-veis com diversos valores de rotações

K1 K2 K3

L3L2L1

F1

F4

F2 F3

T1A2

T2 T3

F2.1 F2.2

3~3~M1 M2

L3L2L1

K4 K5

Soft-starter partindo vários motores em sequência ou cascata


Partida em sequência de três motores

Veja como se dá a partida em sequência de três motores como o uso de chaves de partida estática.

M3~

M3~

M3~

FT1 FT2 FT3

M1 M2

K1

K4

F2 F3 F4

F1

K5 K6

K2 K3

M3

RSTPE

R S T

L V W

X7: X2

X2D11 D12 D13 D14 +VDC

54321

RL1 RL2 RL3

10 11 12 13 14 15 16X1: 1 2 1 23

K1 K2 K3

PI

0

SSW - 03 PLUS

OPCIONALEMERGÊNCIA

T

DESACIONA

ACIONA

FT1 M1 FT2 M2 FT3 M3

K1- K4

K4

K2 K5 K3 K6

K2 KA2 K1

K1 K2 K3

K1KA2 KA2

KA2

K3 KT1

KT1 K5KT2 K6KT3

K3 KT2 K2 KT3

Partida em sequência de três motores com apenas uma soft-starter

Agora que você já conhece as chaves soft-starter, vai aprender como fun-cionam os inversores de frequência.

Inversor de frequência

A aplicação dos inversores de frequência é realizada quando há neces-sidade de variações na velocidade de um motor, de modo direto ou inversamente proporcional e segundo o funcionamento da máquina ou sistema em que o inversor é empregado.

Esses dispositivos são equipamentos eletrônicos que permitem o controle da velocidade de motores elétricos e, também, do valor da corrente alter-nada, é feito por meio da conversão de grandezas, como tensão e freqüên-cia e, de redes de alimentação convencionais, de fixas para variáveis.

Apesar de o princípio ser o mesmo até hoje, foram promovidos diversos avanços entre os primeiros conversores de frequência e os atuais. Isso se deve principalmente ao desenvolvimento mais elaborado dos componentes eletrônicos, especialmente, os tiristores e os microprocessadores digitais.


O desenvolvimento tornou mais simples e mais barato o acionamento dos motores. Assim, sistemas que utilizavam motores de corrente con-tínua passaram a usar corrente alternada de indução devido ao uso dos inversores de frequência.

Ao mesmo tempo, os progressos da eletrônica de potência, dos micro-processadores e os microcontroladores também contribuíram para que aumentasse o número de aparelhos de corrente alternada.

Isso porque os inversores de frequência podem substituir, com vanta-gens, os sistemas de controle de fluxo com válvulas ou dampers, como ventiladores e exaustores.

Ainda hoje, diversos sistemas de produção aplicam motores elétricos e controladores. Nos convencionais, os dispositivos de controle de vazão, pressão e temperatura controlam as válvulas ou dampers de estrangula-mento de modo que ocorre desperdício de energia.

A substituição desses elementos por inversores de frequência promove não só economia de energia, mas também reduz o custo da instalação do sistema. Essas vantagens ocorrem porque os inversores promovem a varia-ção da velocidade dos motores de acordo com a maior ou menor necessi-dade de vazão ou pressão ou temperatura de cada zona de controle.

No processo de redução de velocidade, promovem grande economia de energia.

O processo não se desenvolve, por exemplo, com o uso de válvulas con-vencionais em que mesmo que a vazão seja reduzida, a velocidade de operação do motor se mantém, o que faz haver pressão do fluído sobre a entrada da válvula, absorvendo a mesma potência.

Outra vantagem do uso dos inversores de frequência, como já abordado, é a possibilidade de redução dos custos de manutenção, pois permitem o acionamento dos motores de forma suave, sem trancos. Desse modo, são reduzidos danos como a quebra de elementos de transmissão, como correntes e rodas dentadas, por exemplo.

Funcionamento

O funcionamento de um inversor de frequência é baseado no fato de que a velocidade síncrona de um motor é realizada em função da frequ-ência da rede de alimentação e da quantidade de polos do motor. Essa quantidade não pode ser modificada, para um motor com apenas um enrolamento por fase e por ranhura, pois é função característica da mon-tagem do motor.

Motores dahlander e os que possuem mais de um enrolamento na arma-dura podem ter a velocidade variada devido à mudança do número de polos, de acordo com o tipo de ligação realizada.

Se o motor possuir apenas um enrolamento, o número de polos será fixo e, consequentemente, a rotação do motor também. Nesse caso, quando a frequência da rede de alimentação variar, a velocidade passará pelo


mesmo processo, de acordo com a variação da frequência. Portanto, o inversor é que deve controlar a frequência do sinal que alimenta o motor.

Para que haja variação da frequência da rede de alimentação, nesse caso, é necessário que o inversor de frequência seja alimentado pela rede elé-trica disponível. No Brasil, este valor é de 60Hz. Após a entrada de ali-mentação (CA) no inversor, a tensão é retificada para tensão contínua (CC). O sinal alternado de alimentação do motor é feito pela aplicação de técnica chamada de PWM, ou modulação por largura de pulso, que reconstrói o valor de tensão na saída do inversor, mas com uma frequên-cia definida pelo usuário, que pode variar de 0 a 500Hz, dependendo do modelo do motor.

Observe a seguir o bloco-diagrama de um inversor de frequência.

~ -

~ -

M3 ~

W U V

4°

(REDE)RST

IHM

1°3°

2°

IGBT’s

RS485

DIN

A D

CPU

Interfaceserial

0 - 10 VocAnalógico

I/ODigital

Bloco-diagrama de um inversor de frequência

Um inversor de frequência é composto por quatro blocos distintos: CPU, IHM, interfaces e etapa de potência e inversor. A seguir, serão explicita-dos com mais detalhes cada um deles.

CPU: é a unidade central de processamento de um inversor de frequên-cia da qual pode fazer parte um microprocessador ou um microcontro-lador (CLP), conforme o fabricante. É neste local que os dados do sistema ficam armazenados, pois no conjunto há acoplada uma memória.

A central não grava somente as informações e parâmetros do equipa-mento, mas também gera os pulsos de disparo para os IGBTs por meio de uma lógica de controle, que é essencial para a operação do inversor.

IHM: a Interface Homem Máquina permite a visualização por meio de um display dos dados sobre o inversor. Com o uso desse dispositivo, é possível verificar os estados e as variáveis relacionados ao acionamento do motor e adequar suas configuração de acordo com as necessidades por meio de teclas de acesso, incremental e decremental.

Interfaces: os inversores recebem sinais que podem ser analógicos ou digitais. Quando é necessário controlar o movimento de rotação de um motor que opera com corrente alternada, são aplicadas tensão ou cor-rente analógica de comando adequado a uma variável que pode ser ten-são, corrente, velocidade, entre outras.


Os valores variam entre 0 e 10 Vdc para tensão e de 4 a 20 mA, no caso das correntes. Assim, com a aplicação de parametrização linear a veloci-dade de rotação (rpm)

será proporcional ao seu valor, por exemplo:

1 Vdc = 1000 RPM; 2Vdc = 2000 RPM

A inversão do sentido da rotação pode ser feita por meio da modificação da polaridade do sinal analógico, de 0 a 10 Vdc sentido horário, e –10 a 0 Vdc sentido anti-horário.

Além da interface analógica, o inversor apresenta entradas digitais com sinais de tensão que variam entre 24 e 220 Vac. Com o uso da parame-trização, é possível selecionar previamente informações relacionadas à função de cada entrada digital, como as de ligar, habilitar, reiniciar, inver-ter o sentido de rotação, parada de emergência, entre outras.

Etapa de potência: a etapa de potência é composta por um circuito reti-ficador de onda completa que, por meio de um circuito intermediário chamado “barramento DC” ou “link DC”, alimenta o equipamento.

No inversor em corrente alternada, a entrada de alimentação é prove-niente de uma rede de alimentação principal com frequência de 50 ou 60Hz. Quando era o processo de retificação da corrente alternada para contínua, é realizada uma filtragem na onda retificada com o uso de capacitores e, em alguns casos, de indutores.O objetivo é de que a ten-são de corrente alternada se torne mais linear, em outras palavras, para reduzir o ripple.

A corrente contínua é responsável por fornecer alimentação para o link DC, no qual estão instalados módulos de transistores IGBT. Além disso, por meio do sistema PWM (Modulação da Largura de Pulsos), a tensão DC é transformada novamente em corrente alternada, porém, há possi-bilidade de os valores da frequência serem a adequados à lógica desen-volvida na parametrização do inversor de frequência que alimentará o motor

Observe no esquema a seguir o princípio de funcionamento do inversor de frequência de forma simplificada.


Frequênciae tensãovariáveis M

InversorFiltroReti�cador

reti�cadareti�cada e�ltrada

Rede defrequência �xa Conversor

de frequência

PRINCÍPIO

Princípio de funcionamento do inversor de frequência simpli�cada

O funcionamento dos inversores de frequência é realizado em etapas. A seguir, você estudará cada uma delas.

Etapa de retificação

Nesta fase, a tensão CA proveniente da rede de alimentação é modifi-cada para tensão CC.

b) a b a b= / T13

ωtωt

U

a)

UT

Etapa de reti�cação

Os gráficos a e b demonstram, respectivamente, a retificação a partir de uma alimentação monofásica e a retificação a partir de uma alimentação trifásica.

Etapa retificação completa

Neste caso, a tensão CA da rede de alimentação é retificada e se trans-forma em tensão CC ondulada. O processo é realizado com o uso de um retificador trifásico controlado com tiristores.


+

+

-

-

LLL

123

TU

U GA K

U

U

T

T

T

T

T

1

2

3

4

5

6

T

ωt ωt

ωt ωt

Condução do tiristor

Etapa reti�cação completa

α α

Etapa pós-retificação ou filtragem

Nesta fase, é promovida a diminuição do teor de tensão CA na onda de tensão CC, ou riplle

-

+

uncontrolled

controlled

Uz1

Uz1

Uz1 Uz2Uz2

Uz2

constant amplitude

variable amplitude

t

t

t

t

Etapa pós-reti�cação ou �ltragem

Etapa de inversão ou conversão de tensão CC em tensão CA

Inversor: É a conexão final do inversor de frequência, localizada antes do motor e o local em que é feita a adaptação da tensão de saída.

O inversor pode receber do circuito intermediário três tipos de valores: corrente contínua variável e tensão contínua variável ou constante. O dispositivo garante a viabilidade da saída destas para o motor.

Assim, é possível concluir que a frequência enviada para o motor é gerada no inversor. Além disso, se a corrente ou tensão são variáveis, o inversor gera somente frequência. Nos casos em que a tensão é cons-tante, o inversor gera a tensão e a frequência.

Independente da função que desempenham, os inversores possuem a mesma estrutura, seus elementos principais são os semicondutores con-troláveis. Os semicondutores no inversor são ligados e desligados por sinais gerados no circuito de controle, que apresentam possibilidade de serem controlados de diversas formas.

Apesar de depender do tipo de semicondutor utilizado, a frequência de chaveamento geralmente varia entre 300 e 20kHz.


Atualmente, os tiristores estão sendo trocados pelos transistores, que possibilitam ser chaveados de modo mais rápido.

t t

I (f )II

Inversor tradicional

Inversores que operam em circuitos intermediários de tensão variável apresentam seis diodos, seis tiristores e seis capacitores. A função dos capacitores é tornar os tiristores capazes de chavear, de modo que a cor-rente esteja defasada 120º elétricos nas bobinas do motor, além disso é necessário que este valor seja adaptado ao tamanho do motor.

Se os terminais de um motor tiverem aplicados a eles correntes U-V, V-W, W-U, U-V, e assim sucessivamente, é produzido um campo com a frequência desejada. Mesmo que isso faça a corrente do motor quase quadrada, a tensão do motor é quase senoidal. Porém, ocorrem picos de tensão no momento em que corrente é chaveada. Neste caso, os diodos isolam os capacitores da corrente de carga do motor.

U

Ut

t

t

t

t

I

I

I

Switching frequency: high

Switching frequency: medium

Switching frequency: low

Inversor para tensão constante ou variável e a saída que depende da frequência de chaveamento dos transistores

Inversores que apresentam circuitos intermediários de tensão constante ou variável possuem seis componentes chaveadores e mesmo que o tipo de semicondutor seja diferente, a função que desempenham é pratica-mente a mesma.

O trabalho do circuito de controle é chavear os semicondutores por meio de métodos diversos de modulação, o que, neste caso, altera a frequên-cia da saída do inversor.

Uma das técnicas consiste no trabalho com tensão e correntes que variam no circuito intermediário.


É feita uma sequência para os intervalos em que os semicondutores são conduzidos. Com isso, é possível obter as frequências de saída deseja-das. O controle da sequência de chaveamento, por sua vez, é realizado pela amplitude da tensão ou corrente do circuito intermediário.

Se for usado um oscilador comandado por tensão, a frequência será obtida de acordo com a amplitude da tensão. O tipo de inversor usado nesse caso é o PAM (Pulse Amplitude Modulation) ou Modulação por Amplitude de Pulso.

Um outro método bastante aplicado em circuito intermediário de ten-são constante é aquele em que a tensão no motor é obtida por meio da aplicação da tensão do circuito intermediário por períodos mais longos ou mais curtos.

Os gráficos a seguir demonstram a modulação por amplitude e por lar-gura de pulso.

U

PAM PWM

U

U UZ Z

t t

Modulação por amplitude e por largura de pulso

Nesse caso, a alteração da frequência ocorre por causa da modificação dos pulsos de tensão ao longo do eixo do tempo. Em metade do período é positiva, na outra é negativa.

Na primeira, há modificação da largura dos pulsos de tensão com o uso da técnica denominada pela sigla PWM, que em português significa Modulação por Largura de Pulso.

O segundo método, chamado PWM controlada pelo seno, é o mais aplicado para o controle de inversores. Com este, o circuito de controle determina os tempos de chaveamento dos semicondutores por meio da intersecção entre uma tensão triangular e uma tensão senoidal superposta.

A seguir, você vai aprender como funcionam os circuitos de controle em um inversor de freqüência.


Circuito de controle

As funções principais de um circuito de controle são as seguintes:

• Comandar os semicondutores do conversor de frequência.

• Trocar informações entre o conversor de frequência e os periféricos.

• Identificar e informar falhas.

• Manter funções de proteção do conversor de frequência e do motor.

Com a elevação da capacidade de processamento e velocidade dos microprocessadores, houve um aumento considerável no número de aplicações possíveis dos conversores de frequência. Ao mesmo tempo, o número de cálculos demandados para sua aplicação teve redução.

Características de torque do motor

Se fosse possível que um inversor de frequência enviasse um valor de corrente maior do que a corrente nominal do motor, a especificação do torque seria semelhante à representada no gráfico s seguir. Porém, isso não é permitido, pois traz risco de danos ao motor.

Assim, o conversor de frequência precisa limitar os valores de corrente diminuindo os valores de tensão e frequência, o que garante que não haverá ultrapassagem do limite por muito tempo.

Pelo fato de o conversor de frequência comandar a velocidade do motor, sem levar em consideração o valor da carga, há possibilidade de ser reali-zada parametrização de vários limites, de acordo com a faixa de trabalho do motor.

Algumas especificidades de torque do motor relacionam valores para alguns modelos de conversores. Porém, haveria bastantes ganhos, caso o torque de um conversor chegasse a 160% do valor nominal, por exemplo.


É aceitável que o inversor controle o trabalho de um motor que atinja velocidade maior que a síncrona. Mas, não é possível que o conversor de frequência ofereça tensão maior que a tensão de alimentação, assim, haverá declínio da relação entre tensão e freqüência, caso a velocidade nominal for ultrapassada. Isso gera enfraquecimento do campo magné-tico e o torque produzido pelo motor cai para 1/n.

T[%]

n[%]

160

100

50 100 150 200

Torque e sobre-torque do motor

Quando atinge a corrente máxima de saída, se mantém, o que leva a uma potência constante de saída mesmo com velocidades acima de 200%.

n[%]

100

100 200

P

T = 100%

P - n

Perfomance do motor

A seguir, você vai conhecer os tipos de inversores de frequência disponí-veis no mercado.


Tipos

A constituição dos inversores de frequência pode ser feita de duas for-mas que você vai aprender neste tópico.

Com circuito intermediário

Neste caso, é promovida uma etapa de alimentação em CC. Em seguida, a forma da onda de alimentação é reconstruída novamente em CA e passa a apresentar valores de frequência passíveis de ajuste. Em alguns casos estes circuitos podem obter alimentação proveniente de redes mono ou bifásicas de saída trifásica ou de rede trifásica e saída trifásica.

Sem circuito intermediário

Neste tipo de circuito ocorre somente a reconstrução da forma da onda em CA com valores de frequência que podem ser alterados. Este tipo de inversor possui alimentação em CC, com tensão de valor médio 400Vdc, presente no link DC da maioria dos inversores fabricados. Por este motivo, não é preciso realizar o processo de conversão CA – CC – CA o que torna o conversor mais leve e menos volumoso que o inversor com circuito intermediário, já que não existe necessidade da presença de diodos retificadores ou capacitor, que normalmente possuem um sig-nificante volume.

Os inversores mais utilizados são os que possuem circuito intermediá-rio, porque neles a rede de alimentação distribuída é em CA. Entretanto, houve um aumento considerável na aplicação dos inversores sem circuito intermediário. Isso porque podem ser aplicados em valores de frequên-cia fundamental, entre 50 e 60 Hz e valores variados, que chegam a até 500Hz. Nesse caso, o uso do inversor sem circuito intermediário é bené-fico, pois com sua ação semelhante a um filtro, atenua ruídos (harmôni-cos) na rede de alimentação que prejudicam o funcionamento e reduzem adurabilidade de outros equipamentos alimentados na mesma rede.

Veja alguns exemplos de atuação dos inversores de frequência.


M30

LÓGICA DE CONTROLE

+ barramentoDC

rede AC

M30

LÓGICA DE CONTROLE

+ barramentoDC

rede AC

RST

Etapas do processo de obtenção de tensão e frequência CA variável por PWM

Inversores com alimentação trifásica e saída trifásica

Aplicações e ligações feitas com o inversor de frequência

Por meio dos gráficos a seguir você poderá observar como são feitas as conexões de entradas e saídas digitais e analógicas, a localização do inversores de frequência nas máquinas e os diversos tipos de ligação.

Conexões das entradas e saídas digitaise analógicas, para montagem doesquema de comando.

Conexões da entrada de alimentação doinversor e saída de força para o motor.


DescriçãoFunção padrão de fábrica

Entrada Digital 1Habilita Geral (remoto)Entrada Digital 2Sentido de Giro (remoto)Entrada Digital 3Local/RemotoEntrada Digital 4Gira/Para (remoto)

5 GND Referência 0VNão interligado com o PE

Entrada Analógica 1 (corrente)

Referência de frequência(remoto)

7 GND Referência 0V Não interligado com o PEEntrada Analógica 1 (tensão)

Referência de frequência(remoto)

9 +10V Referência para potenciômetro +10Vcc, ± 5%, capacidade: 2mAContato NF do Relé 1Sem Erro

11 Comum Ponto comum do Relé 1Contato NA do Relé1Sem Erro

Em corrente (0 a 20)mA ou (4 a 20)mA.Impedância: 500Ω Resolução: 7bits.

Em tensão (0 a 10)VccImpedância: 100kΩ. Resolução: 7bitsTensão máxima de entrada: 30Vcc

Capacidade dos contatos:0,5A / 250Vca1,0A / 125Vca2,0A / 30Vcc

Al1

Dl4

Dl3

Dl2

8

10

12 NA

NF

Al1

2

3

4

6

Conector XC1 Especi�cações

1 Dl14 entrdas digitais isoladasNível alto mínimo: 10VccNível alto máximo: 30VccNível baixo máximo: 3VccCorrente de entrada: -11mA @ 0VccCorrente de entrada máxima: -20mA

25kΩ

(+)

(-)

Anti-Horário

Horário

(4 a

20)

mA

Relé1

10 12

11

Ligação das entradas e saídas digitais, ligação das entradas analógicas, suas funções e características

P

L/L1 N/L2 U V W PE1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

L/L1 N/L2 U UV VW WPE PE

PEQ1

REDE

L/L1N/L2

BLINDAGEM

Ligação da força num inversor de frequência com alimentação mono ou bifásica


S1: Horário/Anti-horário

S2:Local/Remoto

S3: Parar/Girar

R1: Potenciômetro de ajuste de velocidade

v vS1 S2 S3

≥ 5K

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Dl1

- Se

m F

unçã

o ou

Hab

ilita

Ger

al

Dl2

- Se

ntid

o de

Giro

Dl3

- Lo

cal R

emot

o

Dl4

- Se

m F

uncç

ão o

u G

irar/

Para

r

GN

D

Al1

(0,4

a 2

0mA

)

GN

D

Al1

(0 a

10V

cc)

+10V

NF

Com

um

NA

Exemplo de ligação do comando num inversor de frequência

O controle de velocidade de um motor trifásico é o tema da unidade a seguir. Fique atento a este conteúdo, ele será essencial para o seu traba-lho de mantenedor industrial.

Controle de velocidade de um motor trifásico

O sistema de controle tem a função de manter uma relação pré-estabe-lecida entre duas variáveis do sistema, por meio da comparação entre os valores de cada uma delas. A diferença resultante dessa análise é usada como meio de controle.

Nos processos que demandam controle pode ser aplicado um controla-dor em série com o processo a ser controlado. Isso ocorre, por exemplo, nos Sistemas de Controle em Malha Aberta (SCMA) que têm entrada e saída que operam de acordo com a programação. É importante ressaltar que, nesse caso, o controle não depende da saída.

Em sistemas desse tipo o controle identificará a saída, porém, se houver disfunções internas, o processo pode ser alterado. Mesmo assim, a ação de controle se mantém.

Embora o conceito SCMA seja usado, sistemas de controle reais são essencialmente de malha fechada.

O Sistema de Controle em Malha Fechada (SCMF), também conhecido como servomecanismo, utiliza ações adicionais de saída visando a com-pará-la com a estabelecida pelo sistema.

O termo servomecanismo foi criado para caracterizar uma classe de sistemas de controle que possuíam referência constante. Mesmo com o avanço das técnicas, continua sendo usado para denominar a função que o sistema possui de seguir uma referência constante e problemas de


rastreamento.

Modos de controle do inversor de frequência

Há dois tipos de controle realizados pelos inversores de frequência ele-trônicos: o escalar e o vetorial.

EscalarO termo escalar está baseado na definição original do conversor de fre-quência que aplica ao motor tensão e frequência específicas com o obje-tivo de que a relação entre V/f seja constante. Assim, o motor trabalha com fluxo quase constante. Esse método é utilizado nos casos em que não é preciso obter respostas rápidas a comandos de torque e veloci-dade e é particularmente interessante quando há conexão de múltiplos motores a um único conversor. Nesse caso, o controle é feito em malha aberta e a velocidade varia de acordo com a carga, pois a frequência no estator é pré-estabelecida.

Para melhorar a performance do motor em velocidades baixas, alguns tipos de conversores oferecem funções desenvolvidas especialmente para situações específicas. A compensação de escorregamento, que ameniza a alteração da velocidade em função da carga, e o Boost de ten-são, que promove a elevação da relação V/f visando a compensar o efeito da queda de tensão na resistência estatórica, são algumas das operações que levam à manutenção da capacidade de torque do motor.

VetorialCom o uso do controle vetorial é possível obter mais precisão e rapidez quando se pretende controlar o torque e a velocidade do motor. Para que o controle seja realizado, a corrente é decomposta em dois vetores: um produz o fluxo magnetizante e outro o torque. Assim, a regulagem do torque e do fluxo é feita separadamente.

O controle vetorial pode ser realizado em malha aberta (sensorless) ou em malha fechada com realimentação. Veja como funcionam:

Com sensor de velocidade – demanda a instalação de um sensor de velocidade, como um encoder incremental no motor. Esse controle per-mite bastante precisão possível no controle da velocidade e do torque, inclusive em rotação zero.

Sensorless – é um tipo bem mais simples que o controle com sensor, mas que possui limitação para ser aplicado em pequenas rotações. Porém, em velocidades maiores é tão eficaz quanto o controle vetorial com rea-limentação.

As diferenças mais perceptíveis entre os controles vetorial e escalar é que o último leva em conta os valores de grandezas elétricas instantâneas, como fluxos, correntes e tensões do estator. O cálculo é feito com base


no circuito equivalente do motor, ou seja, com equações de regime per-manente.

O controle vetorial por sua vez permite as grandezas elétricas instan-tâneas por vetores, com base em equações espaciais dinâmicas da máquina e por meio de grandezas relacionadas ao fluxo enlaçado pelo roto. Ou seja, o motor de indução é visto pelo controle vetorial como um motor de corrente contínua, o que permite que seja feita regulagem independente para torque e fluxo.

Os esquemas a seguir representam alguns casos de controle citados até agora. Observe:

+ +Motor

Carga

Motor

Carga

Pertubação

Com pertubação:Sem pertubação:(a)ω = ω

(b)ω ≠ ω ref

ref ref

ref

ω ωω ω

Controle em malha aberta da velocidade de um motor caa) Modelo ideal para controle em malha aberta;b) Modelo equivalente para controle em malha aberta.

M3F

integrador

velocidaderetórica medida

ou calculada

algorítimo decontrole

referência de velocidade

escorregamentocalculado

WWr g

Ws

Ws

Lógica decontrole etransistor

posição angularordem de rotação

Modo de controle de velocidade em malha aberta Controle Vetorial

l1l2l3

l1l2l3

2/3

ld

ldlslq

lq

γ

γ

s

s

CARGA

MOTOR CA

R

S

T

Controle de velocidade em malha aberta ou controle sensorless

d d d

d d d

1 2 3

d d d1 2 3

q q q1 2 3

11

2

2 3C

C

0


CARGA

MOTOR CA

Σω ω

ref

Erro++

Motor

CargaΣ

ω ω

ω∗ω

refref Erro++

Motor

Carga

(a) Sem pertubação: ω = ω ref(b) Com pertubação: ω ≈ ω

Pertubação

Figura 9.46 Controle em malha fechada da velocidade de um motor caa) Modelo ideal para controle em malha aberta;

b)Mondelo equivalente para controle em malha aberta.

d d d

d d d

q q q

q q q

1 2 3

11 2 3

1 2 3

C

2C

0

R

ST

timer

microcomputador

A/D

PPI

Figura 9.47 Controle de velocidade em malha fechada ou controle com encoder

θ

θ

θ*θ

Inversor Reti�cadorRST

Id

Iq

Id*

Iq*

Vd*

Vq*

iaib

ic

Resolver

Máquina CA

Taco-gerador

va vb vc

P PI PI

PI

ABC/dq

dq/ABC

FCEM

MLP

+ + +

+

+ +

Inversor de frequência com realinhamentação de velocidade proporcionada através do sinal gerado pelo encoder, ecom sinal de posicionamento gerado por um resolver

δr

A seguir, você vai conhecer como é realizada a parametrização nos inver-sores de frequência.

Parametrização

A parametrização é um método que promove ajustes de parâmetros, de acordo com as variáveis do motor e como o conjunto motor, carga irá atuar.

O modelo e o fabricante do inversor de frequência também influenciam o modo como o processo será realizado, que pode ser de duas formas:

Via software dedicado: este método é realizado por meio da porta comu-nicação serial (RS-232 OU RS-485) do inversor de frequência aplicada a uma porta de comunicação de computador ou rede.


Porém, para que este processo seja realizado, há necessidade de o sof-tware fornecido pelo fabricante ser instalado em um computador e seus dados estarem atualizados.

Com o uso desse software é possível ainda verificar em tempo real o comportamento do inversor e dos valores relacionados ao motor, como frequência na saída do inversor, tensão no link DC, estado do inversor, entre outros.

60.0h

Parametrização do inversor de frequência via IHM

Via IHM ou HMI: esta é a técnica mais simples de parametrização de um inversor de frequência, que ocorre no local em que o inversor está insta-lado, que pode ser em um CCM dentro de uma sala onde estão QGBTs ou em um CCM próximo à carga a ser acionada.

Os inversores de frequência também apresentam uma porta de comuni-cação, porém, nem sempre é possível comunicar com uma rede ou com-putador, devido ao local em que encontra a chave.

As parametrizações feitas no local através da porta de comunicação nor-malmente são realizadas com o uso de laptop. Para parametrizar o inver-sor via IHM é necessário ter em mãos manual com a descrição detalhada de cada parâmetro para desbloquear, e acessar os parâmetros que se deseja modificar, em função sempre da carga acionada.


Parametrização do inversor via IHM

IHM (Interface homem-máquina) de um inversor defrequência. Para efetuar a parametrização é preciso acessaro manual do inversor e realizar a parametrização através dasteclas da IHM.

60.0h

Exercícios

Cite aplicações para as chaves de partida soft-starter.

O que é um inversor de frequência? Cite aplicações.

Qual o princípio de funcionamento de um inversor de frequência?

O que é e como pode ser feita a parametrização de um inversor?



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