faculdade de engenharia da universidade do porto ...gei12033/relatorios/trab7_relatorio... · 4.2....

Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

Departamento de Engenharia Industrial e Gestão

Serra de cortar perfis

Solução eletropneumática

Mestrado Integrado em Engenharia Industrial e Gestão

Ano letivo 2013/2014

1.º semestre

Automação Industrial

Trabalho n.º 7

Ana Neto | Ana Rodrigues | Andreia Lourenço

Diogo Espregueira | Hermano Maia

Professor Manuel Rodrigues Quintas

Professor Paulo Augusto Ferreira de Abreu

Porto, dezembro de 2013

Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

Departamento de Engenharia Industrial e Gestão

Solução eletropneumática para

uma serra de cortar perfis

Trabalho n.º 7

Ana Luísa Pereira Rodrigues 201204011

Ana Rita Pereira Moutinho Neto 201200725

Andreia Filipa Lourenço e Silva 201205957

Diogo da Gama e Castro Espregueira 201300738

Hermano Emanuel Rodrigues Maia 201208235

Professor Manuel Rodrigues Quintas

Professor Paulo Augusto Ferreira de Abreu

Automação Industrial dezembro de 2013 Trabalho n.º 7

Serra de cortar perfis solução eletropneumática

I

Agradecimentos

Aos Professores Manuel Rodrigues Quintas e Paulo Augusto Ferreira de Abreu o nosso

obrigado pela coordenação e orientação deste trabalho nas suas aulas práticas e pela

transmissão das bases teóricas preciosas para o desenvolvimento das competências

pessoais e estruturantes no nosso conhecimento, sem as quais não seria possível

desenvolver este projeto.

À “Festo – Automação, Unipessoal, Lda.”, particularmente a Jaime Ferreira, deixamos a

nossa palavra de apreço pela ajuda cedida na conceção deste trabalho e pela

disponibilidade em ceder informações sobre os produtos comercializados.

Por último, agradecemos à Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto,

particularmente aos Departamentos de Engenharia Mecânica e de Engenharia e Gestão

Industrial, por cederem as infraestruturas e equipamentos necessários e indispensáveis à

realização deste trabalho.


II

Resumo

O trabalho proposto visa o planeamento de uma solução eletropneumática para dotar

uma serra de cortar perfis de um alimentador automático. Optou-se por adotar uma

solução através de um autómato ao invés de relés, uma vez que a primeira é mais atual e

simples.

Para a implementação da solução, os componentes necessários foram os seguintes:

motor elétrico de indução trifásico, cilindros (duplo e simples efeito), válvulas

(eletroválvulas e estranguladoras de caudal), autómato (PLC), entre outros.

Estes componentes foram desenhados e programados em “PneuSim”, tendo em conta

os diagramas de sequência dos cilindros. Realizou-se, então, o circuito de potência, o

circuito do motor, o Grafcet e desenhou-se o autómato (PLC).

Por último, tendo em conta todos os componentes essenciais para a solução, elaborou-

se um orçamento que totalizou 1.945,34 €.

Palavras-chave: Eletropneumática, Grafcet, Serra.


III

Índice

1. Introdução .................................................................................................................... 1

1.1. Enquadramento ....................................................................................................... 1

2. Contextualização teórica ............................................................................................. 2

3. Exposição do problema ............................................................................................... 3

3.1. Enunciado ............................................................................................................... 3

3.2. Principais Componentes Utilizados ......................................................................... 4

3.2.1. Cilindros Pneumáticos ...................................................................................... 4

3.2.2. Válvulas ............................................................................................................ 5

3.2.3. Sensores de proximidade ................................................................................. 6

3.2.4. Pressóstato ....................................................................................................... 7

3.2.5. Unidade FRL ..................................................................................................... 7

3.2.6. Relés e Contactores ......................................................................................... 8

3.2.7. Fusível .............................................................................................................. 8

3.2.8. Relé Térmico .................................................................................................... 9

3.2.9. Autómato ........................................................................................................ 10

3.2.10. Motor Elétrico de Indução Trifásico ............................................................... 11

3.2.11. Botoneiras ..................................................................................................... 12

3.3. Dimensionamento dos cilindros pneumáticos ........................................................ 13

3.3.1. Cilindros de simples efeito .............................................................................. 13

3.3.2. Cilindro de duplo efeito ................................................................................... 14

4. Diagramas de sequência, circuitos e grafcet ........................................................... 15

4.1. Sequência dos cilindros ......................................................................................... 15

4.2. Circuito de potência eletropneumático ................................................................... 16

4.3. Circuito do motor ................................................................................................... 17

4.4. Grafcet .................................................................................................................. 18

4.4.1. Esquema......................................................................................................... 18

4.4.2. Esquema......................................................................................................... 19

4.4.3. Expressões lógicas associadas à lógica de contactos .................................... 20

4.5. PLC ....................................................................................................................... 21

5. Orçamento .................................................................................................................. 22

6. Considerações finais ................................................................................................. 24

Bibliografia ..................................................................................................................... 25

Anexos............................................................................................................................ 26


IV

Índice de Tabelas

Tabela 1. Características do motor de indução trifásico selecionado ............................... 12

Tabela 2. Expressões lógicas associadas à lógica de contactos ..................................... 20

Tabela 3. Orçamento ....................................................................................................... 22


V

Índice de Figuras

Figura 1. Esquema do problema ........................................................................................ 3

Figura 2. Esquema de um cilindro de simples efeito com retorno por mola e respetiva

simbologia ......................................................................................................................... 5

Figura 3. Simbologia de duas válvulas com duas posições ............................................... 5

Figura 4. Simbologia de uma válvula estranguladora de caudal ........................................ 5

Figura 5. Esquema de uma eletroválvula monoestável e respetiva simbologia .................. 6

Figura 6. Simbologia de uma eletroválvula biestável ......................................................... 6

Figura 7. Esquema de um sensor de proximidade ............................................................. 7

Figura 8. Esquema de um pressóstato e respetiva simbologia .......................................... 7

Figura 9. Esquema de um filtro e de um regulador de pressão .......................................... 8

Figura 10. Simbologia de um relé ...................................................................................... 8

Figura 11. Simbologia de um fusível .................................................................................. 9

Figura 12. Exemplo de relé térmico e respetiva simbologia ............................................... 9

Figura 13. Representação esquemática de uma botoneira .............................................. 12

Figura 14. Representação esquemática de uma botoneira de emergência ...................... 13

Figura 15. Circuito de potência eletropneumático ............................................................ 16

Figura 16. Circuito do motor ............................................................................................. 17

Figura 17. Grafcet ............................................................................................................ 19

Figura 18. Esquema do PLC ............................................................................................ 21


1 -

1. Introdução

1.1. Enquadramento

O presente trabalho foi realizado no âmbito da unidade curricular Automação Industrial

do Mestrado Integrado em Engenharia Industrial e Gestão da Faculdade de Engenharia

da Universidade do Porto. Centrado na análise de um dispositivo de corte, envolvendo a

movimentação sequencial de cilindros pneumáticos, tem como objetivo desenvolver

conhecimentos e aprofundar conceitos relativos ao funcionamento de Sistemas

Automatizados, implementando uma solução eletropneumática.

Numa abordagem inicial, irá ser exposto e analisado o problema. Numa segunda fase,

serão explicitados os componentes a utilizar, bem como o seu dimensionamento e

caracterização. Seguidamente serão ilustrados os diagramas de sequência, funções

lógicas do sistema e o grafcet associado.

Após a apresentação da solução do problema é referido também o orçamento de todo o

circuito.


2 -

2. Contextualização teórica

A pneumática utiliza energia armazenada num gás pela compressão do mesmo, pelo

que será imediato concluir que uma vantagem da utilização destes sistemas é a

existência de “matéria-prima”, o ar, em abundância. Havendo ausência de perigo de

explosão e incêndio e, uma vez que o ar comprimido é facilmente transportável e

armazenável, a sua utilização é segura e não poluente. Assim, traduzem-se em

incrementos de produção com um investimento relativamente reduzido. Aliando este fator

à sua simples manipulação, conclui-se que não são necessários operários especializados,

o que tem reflexo na redução de custos operacionais. As operações repetitivas destes

sistemas aumentam o ritmo de trabalho e por sua vez, também a produtividade. Outras

questões associadas a vantagens da utilização dos componentes pneumáticos são a sua

robustez, dado que são insensíveis a vibrações, e a sua fácil manutenção.

Relativamente a desvantagens da utilização de sistemas pneumáticos é necessário

referir que as forças disponíveis nos atuadores pneumáticos e as pressões de trabalho

são baixas, e que existe uma dificuldade elevada em manter uniforme e constante as

velocidades de cilindro devido à compressibilidade do ar. Há também o risco de

aparecimento de problemas de corrosão, assim sendo, o ar necessita de uma boa

preparação e tratamento para realizar o trabalho, que por sua vez tem um custo elevado.

Outro problema constatado é o do ruído, para o qual é conveniente a utilização de

silenciadores nos orifícios de escape.

Neste trabalho a solução a implementar é eletropneumática, a qual representa uma

evolução natural da pneumática, recorrendo a componentes elétricos, como as

eletroválvulas e os autómatos programáveis.


3 -

3. Exposição do problema

3.1. Enunciado O problema proposto consiste em dotar uma serra de cortar perfis de um alimentador

automático.

O dispositivo representado na figura 1 envolve quatro cilindros de simples efeito com

uma força máxima de 100 kgf sem fins de curso, dois dos quais estão integrados numa

maxila fixa e outros dois numa móvel que permitem o aperto do perfil. Um quinto cilindro

permitirá, quando recua, o avanço da maxila móvel.

O corte do perfil é realizado por um disco de corte, sendo que quando o operário o baixa

liga o motor elétrico de indução trifásico que só desliga quando o disco voltar à posição de

partida. Figura 1. Esque ma do proble ma

Assim, pretende-se a seguinte sequência de operações:

1. Acionamento, pelo operário, de um pedal;

2. A maxila móvel aperta o perfil (avanço dos cilindros C1 e C2) e, em simultâneo, a

maxila fixa desaperta (recuo dos cilindros A1 e A2);

3. Avanço do carro com a maxila móvel através do recuo do cilindro E;

4. A maxila móvel desaperta o perfil (recuo dos cilindros C1 e C2) e, em simultâneo, a

maxila fixa aperta (avanço dos cilindros A1 e A2);

5. O operário baixa o disco de corte o que liga o motor de indução trifásico;

6. Quando o disco de corte volta à sua posição inicial, o motor desliga.

Figura 1. Esquema do problema


4 -

Desta forma, todos os componentes no final do ciclo estão nas posições iniciais devidas

e necessárias para a execução de um novo ciclo de corte. Esta é também considerada a

posição de segurança, na qual o motor se encontra desligado.

A pressão de utilização selecionada para a rede de distribuição é de 6 bar, já que

devido à natureza desta aplicação e por questões industriais se trata do valor mais

adequado.

3.2. Principais Componentes Utilizados Para a execução deste projeto é necessário atender às limitações impostas pelo

enunciado e, ao mesmo tempo, à definição dos componentes mais adequados para as

funções em que aquele é omisso.

Assim, enunciam-se, de seguida, os componentes principais utilizados:

4 cilindros pneumáticos de simples efeito com retorno por mola, com uma força

máxima de 100 kgf sem fins de curso;

1 cilindro pneumático de duplo efeito com fins de curso;

1 motor elétrico de indução trifásico de 1,1 KW;

3 eletroválvulas (duas monoestáveis e uma biestável);

1 autómato.

Neste ponto 3.2. serão apresentadas informações sobre as funções e importância dos

vários componentes utilizados.

3.2.1. Cilindros Pneumáticos

Os cilindros pneumáticos são atuadores lineares que transformam a energia potencial

do ar comprimido em energia mecânica da força aplicada ou energia cinética do

movimento. Estes podem ser de simples ou duplo efeito. Nos de simples efeito a pressão

de ar é usada para mover a haste numa única direção e nos de duplo efeito, a pressão do

ar é empregue em ambos os movimentos de recuo e de avanço. [1]

O movimento de avanço ou de recuo pode ser dado por mola e podem, também, ter

incorporado o sistema de amortecimento no avanço, no recuo ou em ambos.


5 -

Os cilindros são elementos pneumáticos de trabalho de baixo custo, geralmente de fácil

instalação, de construção simples e robusta e possuem uma grande disponibilidade de

tamanhos e cursos.

Figura 2. Esque ma de um cilindro de si mples e feito com retorno por mola e respetiva si mbologia

3.2.2. Válvulas

As válvulas pneumáticas são estruturas de comando, de regulação e de sinal em

circuitos pneumáticos que controlam o fluxo de ar comprimido. Estas são representadas

por um par de números, por exemplo 5/2, que indica respetivamente o número de orifícios

e o número de posições.

As válvulas são classificadas também como monoestáveis ou biestáveis dependendo se

memorizam ou não a posição em que esta se encontra.

Válvula Direcional de Controlo

As válvulas direcionais controlam a passagem de ar possibilitando o redireccionamento,

a geração ou obturação de sinais pneumáticos. As usadas são do tipo controlo, ou seja,

orientam a direção que o fluxo de ar deve tomar. Figura 3. Simbol ogia de duas válvulas com duas posi ções

Válvula Estranguladora de Caudal

A válvula estranguladora de caudal é uma válvula fluxométrica, ou seja, restringe a

passagem de ar. Esta deve ser colocada o mais próximo possível do elemento de

trabalho.

A utilizada é do tipo unidirecional que restringe o fluxo de ar apenas num sentido.

Figura 4. Simbol ogia de uma válvula estranguladora de caudal

Figura 2. Esquema de um cilindro de simples efeito com retorno por mola e respetiva simbologia [2]

Figura 3. Simbologia de duas válvulas com duas posições: 3 orifícios (esquerda) e 5 orifícios (direita) [2]

Figura 4. Simbologia de uma válvula estranguladora de caudal


6 -

Eletroválvulas

Uma electroválvula é uma válvula eletromecânica, concebida para controlar o fluxo de

um fluido através de uma conduta, A válvula é controlada por uma corrente elétrica

através de um solenoide.

Uma electroválvula tem duas partes fundamentais: o solenoide e a válvula, onde o

primeiro converte a energia elétrica em energia mecânica para a atuação da válvula.

Existem vários tipos de eletroválvulas, sendo que nalgumas delas, o solenoide atua

diretamente sobre a válvula proporcionando toda a energia necessária para o seu

movimento. É conveniente que a válvula se mantenha fechada por ação de uma mola e

que o solenoide a abra vencendo a força da mesma.

Existem, também, electroválvulas biestáveis que usam o solenoide para abrir a válvula e

outro para fechá-la ou um único solenoide que abre com um pulso e fecha com o

seguinte.

Figura 5. Esque ma de uma eletroválvula monoestável e respetiva simbol ogia

Figura 6. Simbol ogia de uma eletroválvula biestável

3.2.3. Sensores de proximidade

Um sensor de proximidade é um aparelho capaz de detetar a presença de objetos

próximos sem que seja necessário o contacto físico entre os mesmos.

Figura 5. Esquema de uma eletroválvula monoestável e respetiva simbologia [3]

Figura 6. Simbologia de uma eletroválvula biestável


7 -

Normalmente emitem radiação eletromagnética e de seguida analisam o campo

eletromagnético a que estão sujeitos. A presença de um objeto próximo irá alterar o

campo eletromagnético e será assim detetado.

Figura 7. Esque ma de um se nsor de proxi midade

3.2.4. Pressóstato

Trata-se de um instrumento de medição de pressão utilizado como componente do

sistema de proteção de equipamento ou processos industriais, sendo a sua função básica

a proteção da integridade de equipamentos contra sobrepressão ou subpressão aplicada

aos mesmos durante o seu funcionamento. É constituído em geral por um sensor, um

mecanismo de ajuste de setpoint e uma chave de duas posições (aberto ou fechado).

Figura 8. Esque ma de um pressóstato e respetiva si mbol ogia

3.2.5. Unidade FRL

As unidades FRL são unidades combinadas que agrupam todos os componentes

necessários para uma eficiente preparação do ar comprimido, tal como a limpeza e

filtração, regulação e lubrificação. A filtração do ar permite eliminar os problemas relativos

ao ar de baixa qualidade, possibilitando uma remoção eficiente da humidade e de

contaminantes. Estas unidades incorporam também reguladores de pressão precisos para

uma ampla faixa de aplicações industriais. E por fim, a utilização de lubrificadores

Figura 7. Esquema de um sensor de proximidade

Figura 8. Esquema de um pressóstato e respetiva simbologia [3]

http://pt.wikipedia.org/wiki/Press%C3%A3o


8 -

possibilita uma lubrificação precisa dos equipamentos posteriores e, serve, também, como

uma forma de ampliar a vida útil do equipamento pneumático.

Figura 9. Esque ma de um filtro e de um regul ador de pressão

3.2.6. Relés e Contactores

Um relé é um interruptor acionado eletricamente. É utilizado para comando, sinalização

e intertravamento de circuitos elétricos.

Quando a bobina do relé é percorrida por corrente, os contactos normalmente abertos

fecham e os contactos normalmente fechados abrem, permitindo ou interrompendo a

passagem de corrente elétrica por eles.

Os contactores apresentam as mesmas características dos relés, porém os seus

contactos são dimensionados para suportarem correntes mais elevadas, permitindo, desta

forma, a sua utilização no acionamento direto de motores.

Figura 10. Simbologia de um relé

3.2.7. Fusível

É um dispositivo de proteção contra sobrecorrente em circuitos. Este consiste num

filamento ou lâmina de um metal ou liga metálica de baixo ponto de fusão que se intercala

num ponto de uma instalação elétrica, para que se funda, por efeito Joule, quando a

Figura 9. Esquema de um filtro e de um regulador de pressão [4]

Figura 10. Simbologia de um relé

http://pt.wikipedia.org/wiki/Metal

http://pt.wikipedia.org/wiki/Liga_met%C3%A1lica

http://pt.wikipedia.org/wiki/Ponto_de_fus%C3%A3o

http://pt.wikipedia.org/wiki/Efeito_Joule


9 -

intensidade de corrente elétrica superar um determinado valor, devido a um curto-

circuito ou sobrecarga, o que poderia danificar a integridade dos condutores, com o risco

de incêndio ou destruição de outros elementos do circuito.

É importante referir que tanto os fusíveis como outros dispositivos de proteção contra

sobrecorrente são uma parte essencial de um sistema de distribuição de energia para

prevenir incêndios ou danos a outros elementos do circuito.

Figura 11. Simbologia de um fusível

3.2.8. Relé Térmico

Constitui um dispositivo de proteção contra sobrecargas, isto é correntes acima da

nominal, mas não corrente de curto-circuito, aplicado a motores elétricos, que visa evitar o

sobreaquecimento dos enrolamentos do motor quando ocorre uma circulação de corrente

elétrica acima da tolerada nos seus enrolamentos.

O seu princípio de funcionamento assenta na atuação de um contacto que vai sinalizar

a existência de uma sobrecarga. A lâmina bi-metálica que integra o relé passa a ser

atravessada por uma corrente muito elevada e vai deformar-se, atuando assim um

contacto. Um relé térmico é constituído por dois contactos: um normalmente aberto (que

atua no sistema de sinalização) e outro normalmente fechado (que atua no sistema de

potência).

Trata-se de um dispositivo de atuação reversível, com reativação manual (intervenção

de um operador) ou automática (arrefecimento da lâmina e retorno à posição inicial,

deixando de atuar o contacto).

Figura 12. Exe mplo de relé térmico e respetiva simbologi a

Figura 12. Exemplo de relé térmico e respetiva simbologia

Figura 11. Simbologia de um fusível

http://pt.wikipedia.org/wiki/Corrente_el%C3%A9trica

http://pt.wikipedia.org/wiki/Curto-circuito

http://pt.wikipedia.org/wiki/Curto-circuito


10 -

3.2.9. Autómato

Entende-se por autómato um aparelho que permite simplificar os circuitos de comando e

reduzir o número de aparelhos e fios necessários à implementação de um automatismo.

Este sistema veio opor-se à lógica cablada, até então, muito utilizada.

Trata-se de um equipamento eletrónico programado pelo utilizador com um

funcionamento cíclico assegurado por um programa informático, daí que seja comparável

a um computador cuja arquitetura, sistema operativo, linguagem de programação,

entradas e saídas foram especialmente concebidas para aplicações de controlo industrial.

Estes equipamentos são fabricados para funcionar em ambientes industriais agressivos,

com elevadas temperaturas, vibrações, ruído elétrico, entre outros.

A necessidade de utilizar meios similares para estabelecer a comunicação homem-

máquina por forma a ser reconhecida por qualquer técnico, aquando da sua utilização,

proporcionou o surgimento de várias linguagens de programação, entre as quais se

encontra a linguagem de contactos (LD); a linguagem por lista de instruções (AND), sendo

que é a única forma de programar os autómatos da gama mais baixa, consistindo na

elaboração de uma lista de instruções que se associam aos símbolos utilizados na

linguagem de contactos; GRAFCET, o qual é destinado a circuitos sequenciais, entre

outras.

A evolução eletrónica tem permitido a construção de autómatos com dimensões cada

vez mais reduzidas, mais económicos, potentes, robustos e fiáveis. Têm cada vez mais

aplicações e a sua montagem é cada vez mais simples. É possível a ligação de vários

autómatos entre si e a computadores de rede formando um sistema integrado.

De facto, as vantagens associadas a esta inovação tecnológica são significativas, uma

vez que simplifica consideravelmente o trabalho do homem; facilita as modificações no

processo produtivo, possibilitando a transição de uma quantidade ou tipo de produção

para outra; melhora a qualidade dos produtos, controlando a máquina de modo a manter

critérios de produção e de tolerâncias respeitadas constantemente; aumenta a produção

assim como a produtividade; permite menos gastos desnecessários tanto a nível da

matéria-prima, bem como da energia utilizada; e por último, controla e protege as

instalações e as máquinas, aumentando, assim, a segurança dos trabalhadores.


11 -

PLC

Um PLC, Programmable Logic Controller, é um autómato de eletrónica digital. Estes

dispositivos apresentam interfaces de entrada e saída para ligações aos mais diversos

dispositivos de comando e sensoriais presentes no sistema. O PLC traz diversas

vantagens para a indústria, pois pode ser programado e reprogramado facilmente através

de instruções lógicas.

3.2.10. Motor Elétrico de Indução Trifásico

Um motor elétrico é um equipamento cuja função é transformar energia elétrica em

energia mecânica.

Os motores elétricos trabalham de acordo com os princípios do eletromagnetismo,

apesar de existirem aqueles que funcionam de acordo com fenómenos eletromecânicos

(forças eletroestáticas). O princípio fundamental de funcionamento destes motores

relaciona-se com a criação de uma força mecânica (descrita pela lei da força de Lorenz)

num fio que é atravessado por corrente elétrica e afetado por um campo eletromagnético.

A maior parte dos motores eletromagnéticos são giratórios (nos quais o componente que

gira se designa por rotor e o elemento fixo é chamado estator).

Os motores de corrente alternada são os mais utilizados, já que a distribuição de

corrente elétrica é, na sua maioria, efetuada através de corrente alternada. O seu

princípio de funcionamento consiste na criação de um campo girante, que surge quando

um sistema de correntes alternadas trifásico é aplicado aos polos desfasados fisicamente

de 120o. Assim sendo, um par de polos possui o campo de maior intensidade, originando

o campo girante.

Existem ainda motores síncronos e motores de indução. Os motores utilizados no

âmbito da solução apresentada são de indução já que o estator e o rotor são montados de

forma solidária, com o eixo comum aos “anéis” que os compõem. A aplicação de tensão

alternada nos enrolamentos do estator irá produzir um campo magnético variante no

tempo que, devido à distribuição uniforme do enrolamento do estator, irá gerar um campo

magnético girante. O fluxo magnético girante no estator induzirá tensão alternada no

enrolamento trifásico do motor. Esta tensão fará com que circule uma corrente pelo

enrolamento do motor, o que consequentemente irá produzir um fluxo magnético no rotor

que tentar-se-á alinhar com o campo girante do estator.


12 -

Este tipo de motor é muito utilizado devido ao facto de possuir características tais como

o baixo custo de fabrico, a construção simples e robusta e o trabalho a velocidades

constantes.

Como foi referido anteriormente, para movimentar o disco de corte será utilizado um

motor elétrico trifásico de potência. Como o enunciado não estabelece limitações, pensou-

-se num motor de 1 kW.

A partir do catálogo da empresa fornecedora BRD-KLEE escolheu-se um motor de 1,1

kW, com as seguintes características:

Tabela 1. Características do motor de indução trifásico selecionado

3.2.11. Botoneiras

A botoneira é um componente do circuito que permite abrir ou fechar um circuito

manualmente através de um botão. Quando este é pressionado, os contactos

normalmente aberto (NA) e normalmente fechado (NF) invertem-se.

Figura 13. Re presentação esquemática de uma botoneira

Como o fio da botoneira pode partir, quando o botão é pressionado nenhum contacto é

estabelecido, o que em situações de emergência pode ser bastante crítico. Como tal,

existe uma norma diretiva que exige que todas as botoneiras de emergência sejam como

Motor 90 L6 A

Potência mecânica (KW) 1,1 KW

Velocidade (r/min) 1410 r/min

Rendimento (%) 79%

Factor de potência (%) 77%

Valor de corrente do motor (A) 2,6 A

Valor de corrente de arranque (A) 2,6*4,6=11,96 A

Binário do motor (N.m) 7,45 N.m

Binário de arranque (N.m) 2,3*7,45=17,135 N.m

Peso (Kg) 11,8 Kg

Tabela 1. Características do motor de indução trifásico selecionado [5]

Figura 13. Representação esquemática de uma botoneira


13 -

a apresentada na figura. Nesta situação, caso o fio rompa o sistema é logo interrompido

até que o botão de emergência seja substituído.

Figura 14. Re presentação esquemática de uma botoneira de e mergênci a

3.3. Dimensionamento dos cilindros pneumáticos

3.3.1. Cilindros de simples efeito

O enunciado impõe como condição que os cilindros de simples efeito (A1, A2, C1 e C2)

tenham uma força máxima de 100 kgf.

𝐹𝑚á𝑥 = 100 kgf = 100 × 9,8 𝑁 = 980 N

Sabendo que a força disponível é dada por

𝐹𝑑𝑖𝑠𝑝𝑜𝑛í𝑣𝑒𝑙 = 𝐹𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑎 × 𝐹𝐶

𝐹𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑎 = 𝑃𝑢 × 𝐴𝑒

FC – fator de carga

Pu – pressão útil

Ae – área do êmbolo

Teoricamente, o fator de carga deve situar-se no intervalo [0,6; 0,8]. Neste caso e sendo

o cilindro de simples efeito deverá considerar-se o extremo inferior deste intervalo dado o

retorno por mola.

Vem, então, e sendo 𝜙ê𝑚𝑏𝑜𝑙𝑜 o diâmetro do êmbolo,

980 = 6 × 105 × 𝜙ê𝑚𝑏𝑜𝑙𝑜2 ×

𝜋

4× 0,60 ⇔ 𝜙ê𝑚𝑏𝑜𝑙𝑜 = 58,87 mm

Valores tabelados

𝜙𝑛1 = 50 mm

𝜙𝑛2 = 63 mm

Figura 14. Representação esquemática de uma botoneira de emergência


14 -

Selecionar-se-á o valor 𝜙𝑛1 = 63 mm, isto é, faz-se um arredondamento por excesso,

dadas as características já supracitadas do equipamento. Repare-se que se

selecionássemos o valor mais baixo, estaríamos a escolher um cilindro demasiado

pequeno e que, por conseguinte, ao estar sujeito a uma pressão elevada, se poderia

danificar.

Desta forma, refazendo os cálculos para a força teórica:

𝐹𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑎 = 6 × 105 × 0,0632 ×𝜋

4= 1870,35 N = 190,85 kgf

e, para a força disponível:

𝐹𝑑𝑖𝑠𝑝𝑜𝑛í𝑣𝑒𝑙 = 190,85 × 0,6 = 114,51 kgf

3.3.2. Cilindro de duplo efeito

O enunciado é omisso em relação ao dimensionamento do cilindro de duplo efeito (E), o

qual é responsável pela movimentação da maxila móvel e por conseguinte do perfil. Desta

forma e com a ajuda da Festo, selecionamos um cilindro com um curso de 200 mm e 50

mm de diâmetro.


15 -

4. Diagramas de sequência, circuitos e grafcet

Neste capítulo serão apresentados e explicados os circuitos de potência

eletropneumático e do motor bem como o esquema do PLC. Todas as imagens

apresentadas foram obtidas através do programa de simulação de circuitos pneumáticos

“Pneusim Pro 3.0.5”.

4.1. Sequência dos cilindros De acordo com o estabelecido no enunciado, a sequência de movimentação dos

cilindros seria:

𝑪𝟏+

𝑪𝟐+

𝑨𝟏−

𝑨𝟐−

/𝑬−/

𝑪𝟏−

𝑪𝟐−

𝑨𝟏+

𝑨𝟐+

/𝑬+

No entanto, por questões de segurança, considerou-se adequado que o avanço/recuo

dos cilindros C não fosse realizado em simultâneo com o recuo/avanço dos cilindros A,

pelo que vem:

𝑪𝟏+

𝑪𝟐+/

𝑨𝟏−

𝑨𝟐−/𝑬−/

𝑨𝟏+

𝑨𝟐+/

𝑪𝟏−

𝑪𝟐−/𝑬+

Sendo:

𝑪𝟏+ Avanço do cilindro C1.

𝑪𝟐+ Avanço do cilindro C2.

𝑨𝟏− Recuo do cilindro A1.

𝑨𝟐− Recuo do cilindro A2.

𝑪𝟏− Recuo do cilindro C1.

𝑪𝟐− Recuo do cilindro C2.

𝑨𝟏+ Avanço do cilindro A1.

𝑨𝟐+ Avanço do cilindro A2.

𝑬+ Avanço do cilindro E.

𝑬− Recuo do cilindro E.


16 -

4.2. Circuito de potência eletropneumático Figura 15. Circuito de potência eletropneumáti co

Sendo:

𝑬𝑽𝑪 Eletroválvula monoestável C.

𝑬𝑽𝑨 Eletroválvula monoestável A.

𝑬𝑽𝑬 Eletroválvula biestável E.

𝑭𝑫𝑪𝑬− Fim-de-curso que é atuado quando o cilindro E está recuado.

𝑭𝑫𝑪𝑬+ Fim-de-curso que é atuado quando o cilindro E está avançado.

Apesar de não estarem representados, considera-se importante a implementação de

uma unidade FRL e de um pressóstato, este último como mecanismo de segurança no

que concerne ao motor

Figura 15. Circuito de potência eletropneumático


17 -

4.3. Circuito do motor Figura 16. Circuito do motor

Sendo:

𝑲𝟏 Contactor.

𝑹𝑻 Relé térmico.

Figura 16. Circuito do motor


18 -

4.4. Grafcet

4.4.1. Esquema

O grafcet apresenta uma sequência principal interligada com uma sequência de

emergência.

A movimentação dos cilindros inicia-se quando a botoneira “PEDAL” é pressionada:

Avanço dos cilindros C por atuação de EVC;

Intervalo de tempo de 2 segundos;

Recuo dos cilindros A por atuação de EVA;


Recuo do cilindro E por atuação de EVE+;

Após se atingir o FDCE-, os cilindros A avançam;


Recuo dos cilindros C.

Note-se que os intervalos de tempo referidos são implementados pois, ao ser imposto

no enunciado que os que os cilindros A e C não tenham fins-de-curso, é necessário

garantir que estes completem os movimentos de avanço/recuo.

O motor liga quando uma botoneira “BOT” é pressionada e desliga quando um sensor

de proximidade SDC (representado para efeitos de simulação como uma botoneira

normal) deteta que o disco de corte voltou à sua posição inicial.

A qualquer momento, pode ser pressionada uma botoneira de emergência (EME),

estando assegurado no grafcet que o circuito volta à sua configuração inicial.


19 -

4.4.2. Esquema Figura 17. Grafcet

Figura 17. Grafcet


20 -

4.4.3. Expressões lógicas associadas à lógica de contactos Tabela 2. E xpressõe s lógicas associ adas à lógica de contactos

Transições Etapas Saídas

𝑇1 = 𝑋1 ∙ 𝑃𝑒𝑑𝑎𝑙

𝑇2 = 𝑋2 ∙ ∆𝑡1 ∙ 𝐸𝑀𝐸̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅

𝑇3 = 𝑋3 ∙ ∆𝑡1 ∙ 𝐸𝑀𝐸̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅

𝑇4 = 𝑋4 ∙ 𝐹𝐷𝐶𝐸− ∙ 𝐸𝑀𝐸̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅

𝑇5 = 𝑋5 ∙ ∆𝑡1 ∙ 𝐸𝑀𝐸̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅

𝑇6 = 𝑋6 ∙ ∆𝑡1 ∙ 𝐸𝑀𝐸̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅

𝑇7 = 𝑋7 ∙ 𝐹𝐷𝐶𝐸+ ∙ 𝐵𝑂𝑇 ∙ 𝐸𝑀𝐸̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅

𝑇8 = 𝑋8 ∙ 𝑆𝐷𝐶 ∙ 𝐸𝑀𝐸̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅

𝑇9 = 𝑋2 ∙ 𝐸𝑀𝐸

𝑇10 = 𝑋3 ∙ 𝐸𝑀𝐸

𝑇11 = 𝑋4 ∙ 𝐸𝑀𝐸

𝑇12 = 𝑋5 ∙ 𝐸𝑀𝐸

𝑇13 = 𝑋7 ∙ 𝐸𝑀𝐸

𝑇14 = 𝑋8 ∙ 𝐸𝑀𝐸

𝑇15 = 𝑋9 ∙ 𝐹𝐷𝐶𝐸+

𝑇16 = 𝑋6 ∙ 𝐸𝑀𝐸

𝑋1 = 𝑇8 + 𝑇9 + 𝑇10 + 𝑇13 + 𝑇14 + 𝑇15 + 𝑋1 ∙ 𝑇1̅

𝑋2 = 𝑇1 + 𝑋2 ∙ 𝑇2̅̅̅

𝑋3 = 𝑇2 + 𝑋3 ∙ 𝑇3̅̅̅

𝑋4 = 𝑇3 + 𝑋4 ∙ 𝑇4̅

𝑋5 = 𝑇4 + 𝑋5 ∙ 𝑇5̅̅̅

𝑋6 = 𝑇5 + 𝑋6 ∙ 𝑇6̅̅̅

𝑋7 = 𝑇6 + 𝑋7 ∙ 𝑇6̅̅̅

𝑋8 = 𝑇7 + 𝑋8 ∙ 𝑇8̅̅̅

𝑋9 = 𝑇11 + 𝑇12 + 𝑇16 + 𝑋9 ∙ 𝑇15̅̅ ̅̅

𝐸𝑉𝐶 = 𝑋2 + 𝑋3 + 𝑋4 + 𝑋5

𝐸𝑉𝐴 = 𝑋3 + 𝑋4

𝐸𝑉𝐸+ = 𝑋4

𝐸𝑉𝐸− = 𝑋7 + 𝑋9

𝐿1 = 𝑋8

Tabela 2. Expressões lógicas associadas à lógica de contactos


21 -

4.5. PLC

Para implementação da solução eletropneumática devem estar disponíveis 7 entradas

(PEDAL, BOT, EME, SDC, FDCE+, FDCE- e RT) e 6 saídas (K1, RL, EVC, EVA, EVE+ e

EVE-).

Na figura abaixo encontra-se um esquema do PLC.

Figura 18. Esquema do PLC

Figura 18. Esquema do PLC


22 -

5. Orçamento

Para implementação real da solução foram selecionados os componentes adequados

em vários fornecedores e indicado o respetivo preço. As fichas técnicas dos vários

componentes utilizados encontram-se nos Anexos. Tabela 3. Or çamento

Componente Fornecedor Referência Preço

unitário Quantidade Preço total

Cilindro de Simples Efeito com retorno

por mola

FESTO AEN-63-15-I-P-A 89,72 € 2 179,44 €

FESTO AEN-63-20-I-P-A 91,79 € 2 183,58 €

Cilindro de Duplo Efeito

FESTO DNC-50-200-

PPV-A 143,78 € 1 143,78 €

Fixação dos cilindros por pés

FESTO HNA-50 12,12 € 5 60,60 €

Electroválvula Monoestável (EM)

FESTO CPE18-M1H-

3GL-1/4 74,04 € 2 148,08 €

Cabos de ligação para EM

FESTO KMEB-1-24-2,5-

LED 17,52 € 2 35,04 €

Electroválvula Biestável (EB)

FESTO CPE18-M1H-5J-

1/4 104,34 € 1 104,34 €

Cabos de ligação para EB

FESTO KMEB-1-24-2,5-

LED 17,52 € 2 35,04 €

Válvula Estranguladora de

Caudal FESTO

GRLA-1/4-QS-10-D

14,34 € 6 57,36 €

Sensores magnéticos para

fins-de-curso (SM) FESTO

SME-8M-DS-24V-K-0,3-M8D

22,33 € 2 44,66 €

Cabos de ligação para SM

FESTO NEBU-M8GD3-

2,5-K-LE3 7,03 € 2 14,06 €

Unidade FRL FESTO FRC-1/4-D-MINI 80,39 € 1 80,39 €

Válvula ON/OFF para FRL

FESTO HE-D-MINI 38,87 € 1 38,87 €

Suporte de fixação para FRL

FESTO HFOE-D-MINI 3,91 € 1 3,91 €

Autómato FESTO CECC-D 336,30 € 1 336,30 €

Pressóstato SMC PSE550 145,30 € 1 145,30 €

Fusível Littelfuse 021602.5MXP 0,03 € 31 0,08 €

1 As encomendas fazem-se em múltiplos de 10 unidades.


23 -

Componente Fornecedor Referência Preço

unitário Quantidade Preço total

Porta Fusiveis Cooper

Bussmann HTC35M 0,37 € 32 1,10 €

Relé (auxiliar) Panasonic TXD2L246 6,35 € 1 6,35 €

Relé Térmico Meder BE24-1A74-M 5,20 € 1 5,20 €

Botoneira KNITTER-SWITCH

APE 1F 4,25 € 1 4,25 €

Pedal RS 6241-BAAB-

BBAZ 15,69 € 1 15,69 €

Botão de Emergência

RS PAS7B2M1CES3-

5 2,10 € 1 2,10 €

Motor elétrico de Indução Trifásico

BRD-KLEE T 90 SA-4 271,15 € 1 271,15 €

1 945,34 €

2 As encomendas fazem-se em múltiplos de 5 unidades.

Tabela 3. Orçamento


24 -

6. Considerações finais

No contexto industrial e económico atual, a competência de desenvolvimento de

projetos e o seu aperfeiçoamento assumem uma importância extrema, nomeadamente

soluções de sistemas automáticos, pois estes permitem atingir novos níveis de

produtividade, eficiência e qualidade. Por esta razão, é necessário explorar estas

capacidades e desenvolvê-las, como é objetivo do trabalho proposto, para formar

engenheiros capazes de satisfazerem as necessidades do mercado. [6]

Neste trabalho não foi desenvolvido um cenário de implementação direta como solução,

dado que questões relacionadas com a produção, armazenamento e distribuição de ar

comprido e utilização de, por exemplo, silenciadores acústicos, não foram abordadas e,

como tal, não foram tidas em conta no orçamento. Também o controlo da velocidade e

força no movimento dos cilindros na prática através do estrangulamento de caudal deve

ser ajustado após montagem da sistema para otimizar a solução, já que teoricamente é

muito difícil encontrar a calibração ideal.

Na elaboração da solução apresentada recorreu-se a um PLC que permite controlar o

processo a partir de um código que pode ser atualizado, o que contribui para a

versatilidade da solução.

Destaca-se ainda a possibilidade de obter uma solução recorrendo à lógica cablada, isto

é, utilizando um sistema elétrico baseado em relés, contactos e bobinas. Esta

possibilidade não se revela muito eficaz devido à sua mais exigente e demorada

manutenção.

Com a solução apresentada garante-se a sustentabilidade e eficácia deste sistema para

futuras aplicações, já que este se encontra perfeitamente funcional.

Este trabalho permitiu um contacto mais direto com as unidades industriais de produção

e venda dos equipamentos eletrónicos, pneumáticos e mecânicos em causa, o que se

revela muito importante na medida em que possibilita uma perceção mais aprofundada

acerca dos preços e produtos do mercado.


25 -

Bibliografia

[1] Barra, W. (2009). Apostila de Automação Industrial.

[2] Parker Training. Tecnologia Pneumática Industrial – Apostila M1001-1 BR.

[3] Abreu, P. (2013). Acetatos de Apoio às Aulas Teóricas.

[4] Matos, A., Aragão, A., Pereira, P., & Pinho, P. (2012). Solução eletropneumática para

automatização de uma correia transportadora para outra a um nível diferente.

[5] BRD.KLEE. En- & Trefasede kappekølede elektromotorernível.

[6] Gonçalves, G., Costa, J., Soares, R., Pestana, S., & Cunha, S. (2012). Solução

pneumática para transporte de carga com mudança de nível.

http://www.festo.com/cat/pt_pt/products

http://pt.rs-online.com/web/


26 -

Anexos

Anexo I


27 -

Anexo II


28 -

Anexo III


29 -

Anexo IV


30 -

Anexo V


31 -

Anexo VI


32 -

Anexo VII


33 -

Anexo VIII

faculdade de engenharia da universidade do porto ...gei12033/relatorios/trab7_relatorio... · 4.2....

Documents