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UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP
INSTITUTO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
AFONSO PALMIERI
ALI TERMOS
CLEBER LUPIANHEZ
MARIO SILVA
RODOLFO BARION
MISTURADOR AUTOMÁTICO DE CORANTES
SÃO PAULO
2014
2
AFONSO PALMIERI
ALI TERMOS
CLEBER LUPIANHEZ
MARIO SILVA
RODOLFO BARION
MISTURADOR AUTOMÁTICO DE CORANTES
SÃO PAULO
2014
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado como
parte das atividades para obtenção do título de
Engenheiro de Controle e Automação, do curso de
Engenharia de Controle e Automação da
Universidade Paulista – UNIP.
Orientação: Prof. Dr. José Carlos Morilla
Prof. Esp. Silas Alexandre Gonçalves
3
DEDICATÓRIA
4
AGRADECIMENTOS
5
EPÍGRAFE
“No que diz respeito ao
empenho, ao compromisso, ao
esforço, à dedicação, não existe
meio termo. Ou se faz uma
coisa bem feita ou não se faz”
Ayrton Senna
6
RESUMO
7
ABSTRACT
8
LISTA DE FIGURAS Figura 1: Volume de Tintas em 2013 ........................................................................ 16
Figura 2: Faturamento de Tintas em 2013 ................................................................ 17
Figura 3: Máquina Tintométrica Corob da Coral........................................................ 18
Figura 4: Dosadora Tintométrica Canister FX 02P .................................................... 18
Figura 5: Componentes básicos das Tintas .............................................................. 21
Figura 6: Esquema de reflexão de cores ................................................................... 23
Figura 7: Mistura Subtrativa - Círculo Cromático CMY .............................................. 24
Figura 8: Círculo Cromático RYB .............................................................................. 25
Figura 9: Limitações Técnicas de Impressão ............................................................ 26
Figura 10: Relação de Impressão do Real e Virtual .................................................. 26
Figura 11: Funcionamento dos olhos ........................................................................ 27
Figura 12: Arquitetura Básica Hardware ................................................................... 30
Figura 13: Arquitetura Básica Software ..................................................................... 30
Figura 14: Estrutura Interna....................................................................................... 32
Figura 15: Diagrama de Blocos Funcionais ............................................................... 36
Figura 16: Texto Estruturado ..................................................................................... 37
Figura 17: Lista de Instruções ................................................................................... 38
Figura 18: Diagrama Ladder...................................................................................... 39
Figura 19: Sequenciamento Gráfico de Funções ...................................................... 41
Figura 20: Exemplo de Arquitetura de uma Rede Industrial ...................................... 44
Figura 21: Componentes de um Sistema SCADA ..................................................... 47
Figura 22: Medição de nível por Ultrassom ............................................................... 50
Figura 23: Funcionamento do Motor CC ................................................................... 51
Figura 24: Bomba Peristáltica ................................................................................... 53
Figura 25: Tanque Misturador ................................................................................... 55
Figura 26: Fluxos ....................................................................................................... 56
Figura 27: Tanque Padrão ........................................................................................ 58
Figura 28: Gráfico de Viscosidade X Volume ............................................................ 59
Figura 29: Gráfico de Medições ................................................................................ 61
Figura 30: Escoamento em Regime Laminar ............................................................ 64
Figura 31: Escoamento em Regime Turbulento ........................................................ 65
Figura 32: Classificação de Medidores de Vazão ..................................................... 65
9
Figura 33: Tubo de Venturi ........................................................................................ 66
10
LISTA DE TABELAS Tabela 1: Classificação das Medidas de Nível .......................................................... 48
11
LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas
Abrafati Associação Brasileira de Fabricantes de Tintas
CA Corrente Alternada
CC Corrente Continua
CLP Controlador Lógico Programável
CMY Cyan, Magenta and Yellow
CMYK Cyan, Magenta, Yellow and Black
CPU Central Processing Unit
EPROM Erasable Programmable Read Only Memory
EPS Enterprise Production Systems
ERP Enterprise Resource Planning
FBD Function Block Diagram
I/O Input/Output
IEC International Electrotechnical Commission
IHM Interface homem máquina
IL Instruction List
ISA International Society of Automation
ISO International Organization for Standardization
LD Ladder Diagram
PWM Pulse-width Modulated
RAM Random Access Memory
RGB Red, Green and Blue
ROM Read Only Memory
RTU Remote Terminal Unit
RYB Red, Yellow and Blue
SCADA Supervisory Control and Data Acquisition
SEBRAE Serviço Brasileiro de Apoio as Micro e Pequenas Empresas
SFC System Function. Chart
ST Structured Text
VCC Tensão Corrente Continua
12
LISTA DE SÍMBOLOS B Modulo Volumétrico de Elasticidade
cm Centímetros
cP Centipoise
d Diâmetro
GPM Galões por Minuto
h Hora
Kg Quilograma
L Comprimento
m³ Metros Cúbicos
mm Milímetros
P Pressão
Pa Pascal
Q Vazão
𝑄𝑚 Vazão Mássica
𝑄𝑣 Vazão Volumétrca
Re Numero de Reynolds
s Segundo
T Período
t Tempo
V Velocidade
V Volts
V Volume
μ Microns
ρ Massa Específica
𝑍 Altura Manométrica
𝑔 Aceleração da Gravidade
𝛾 Peso Específico
𝜇 Viscosidade Absoluta
𝜐 Viscosidade Cinemática
13
SUMÁRIO
INTRODUÇÃO .......................................................................................................... 16
1. HISTÓRIA DA TINTA ................................................................................... 19
1.1. QUE SÃO TINTAS? ..................................................................................... 21
2. PRINCIPAIS SISTEMAS DE CORES .......................................................... 22
2.1. SISTEMAS DE CORES RGB ....................................................................... 22
2.2. SISTEMA DE CORES CMY E CMYK .......................................................... 24
2.3. SISTEMA DE CORES RYB ......................................................................... 25
3. FUNCIONAMENTO DOS OLHOS ............................................................... 27
4. CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL .............................................. 28
4.1. DIVISÃO HISTÓRICA .................................................................................. 28
4.2. ARQUITETURA BÁSICA ............................................................................. 29
4.3. INICIALIZAÇÃO ........................................................................................... 31
4.3.1. LEITURA DAS ENTRADAS ......................................................................... 31
4.3.2. EXECUÇÃO DO PROGRAMA ..................................................................... 31
4.3.3. ATUALIZAÇÃO DAS SAÍDAS ...................................................................... 31
4.3.4. CONTROLES INTERNOS ........................................................................... 31
4.4. ESTRUTURA INTERNA DO CLP ................................................................ 32
4.4.1. FONTE DE ALIMENTAÇÃO ........................................................................ 32
4.4.2. UNIDADE DE PROCESSAMENTO ............................................................. 32
4.4.3. BATERIA ...................................................................................................... 33
4.4.4. MEMÓRIA DO PROGRAMA MONITOR ...................................................... 33
4.4.5. MEMÓRIA DO USUÁRIO ............................................................................ 33
4.4.6. MEMÓRIA DE DADOS ................................................................................ 33
4.4.7. MEMÓRIA IMAGEM DAS ENTRADAS / SAÍDAS ........................................ 34
4.4.8. PROGRAMAÇÃO DO CLP .......................................................................... 34
4.5. A NORMA IEC 61131 ................................................................................... 34
4.5.1. PROPÓSITO DA NORMA IEC 61131-3 ....................................................... 34
4.6. LINGUAGEM DE PROGRAMAÇÃO ............................................................ 36
4.6.1. DIAGRAMA DE BLOCOS FUNCIONAIS (FDB) ........................................... 36
4.6.2. TEXTO ESTRUTURADO (ST) ..................................................................... 37
4.6.3. LISTA DE INSTRUÇÕES ............................................................................. 38
14
4.6.4. DIAGRAMA LADDER (LD) ........................................................................... 39
4.6.5. SEQUENCIAMENTO GRÁFICO DE FUNÇÕES (SFC) ............................... 40
4.7. ARQUITETURAS DE REDES INDUSTRIAIS .............................................. 41
4.8. REDE DE CONTROLE INDUSTRIAL .......................................................... 43
4.9. REDE DE CAMPO ....................................................................................... 43
4.10. EXEMPLO DE ARQUITETURA PARA REDE INDUSTRIAL ....................... 43
4.11. SISTEMAS SCADA ...................................................................................... 44
5. MEDIÇÃO DE NÍVEL ................................................................................... 48
5.1. MEDIÇÃO DE NÍVEL POR ULTRASSOM ................................................... 49
6. MOTOR CC .................................................................................................. 50
6.1. CARACTERÍSTICAS .................................................................................... 51
7. BOMBA PERISTÁLTICA .............................................................................. 52
8. MISTURADORES ........................................................................................ 54
8.1. FUNCIONAMENTO ...................................................................................... 54
8.2. VÓRTICE ..................................................................................................... 56
8.3. TIPOS DE AGITADORES OU IMPULSORES ............................................. 57
8.3.1. HÉLICES ...................................................................................................... 57
8.3.2. TURBINAS ................................................................................................... 57
8.3.3. PÁS .............................................................................................................. 57
8.4. DIMENSIONAMENTO DE UM SISTEMA DE AGITAÇÃO ........................... 57
8.5. VAZÃO ......................................................................................................... 60
8.6. VAZÃO VOLUMÉTRICA .............................................................................. 62
8.7. VAZÃO MÁSSICA ........................................................................................ 62
8.8. CONCEITOS FÍSICOS PARA MEDIÇÃO DE VAZÃO ................................. 62
8.8.1. MASSA ESPECÍFICA .................................................................................. 62
8.8.2. PESO ESPECÍFICO ..................................................................................... 63
8.8.3. VISCOSIDADE CINEMÁTICA ...................................................................... 63
8.8.4. NÚMERO DE REYNOLDS ........................................................................... 63
8.8.5. DISTRIBUIÇÃO DE VELOCIDADE EM UM DUTO ...................................... 64
8.8.6. REGIME LAMINAR ...................................................................................... 64
8.8.7. REGIME TURBULENTO .............................................................................. 64
8.9. TIPOS DOS MEDIDORES DE VAZÃO ........................................................ 65
8.10. EQUAÇÕES PARA O CÁLCULO DA VAZÃO ............................................. 66
9. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................. 69
15
16
INTRODUÇÃO
Os misturadores são utilizados em indústrias alimentícias, químicas,
farmacêuticas e de cosméticos, para dissolver, agitar, misturar ou homogeneizar.
Dependendo da necessidade os misturadores têm funções diferenciadas, e isso
envolve o volume de produção, o tipo de produto que será misturado e condições
operacionais do maquinário.
Segundo a Abrafati (Associação Brasileira de Fabricantes de Tintas), o Brasil
é um dos cinco maiores mercados mundiais para tintas, fabricam-se no país tintas
destinadas a todas as aplicações, com tecnologia de ponta e grau de competência
técnica comparável à dos mais avançados centros mundiais de produção. (ABRAFATI,
2013)
O segmento de tintas no Brasil divide-se em tinta imobiliária que representa
cerca de 80% do volume total, tinta automotiva (montadoras), 4% do volume, tinta
para repintura automotiva, 4% do volume, tinta para indústria em geral
(eletrodomésticos, móveis, autopeças, naval, aeronáutica, tintas de manutenção etc.),
12% do volume, conforme a Figura 1: Volume de Tintas em 2013. (ABRAFATI, 2013)
Figura 1: Volume de Tintas em 2013
(Fonte: ABRAFATI 2013, Indicadores de Mercado)
Este cenário representa 65% de faturamento para o setor imobiliário, 6,5%
para tinta automotiva, 8,5% para repintura automotiva e 21% para tinta para indústria
em geral, indicada na Figura 2: Faturamento de Tintas em 2013. Ainda, segundo a
Abrafati, para o ano de 2014 o mercado de tinta no Brasil tem uma previsão de
crescimento entre 2 a 3%. (ABRAFATI, 2013)
17
Figura 2: Faturamento de Tintas em 2013
(Fonte: ABRAFATI 2013, Indicadores de Mercado)
Em 2010, de acordo com pesquisa de mercado do SEBRAE Nacional, existem
no Brasil 138 mil Lojas de Material de Construção, das quais 56% estão localizadas
no Estado de São Paulo, 10% em Minas Gerais, 6% no Rio de Janeiro, 4,5% no Rio
Grande do Sul e 24% espalhadas nos demais estados do Brasil. (SEBRAE Nacional,
Mercado de Tintas 2010)
A indústria de material de construção é responsável por 4,1% do PIB brasileiro.
Deste percentual, 72% devem-se às lojas de material de construção de pequeno e
médio porte. (SEBRAE Nacional, Mercado de Tintas 2010)
Até 2014 no mercado existem diversos tipos de equipamento que variam de
manuais a automáticos, normalmente são divididos em duas partes, uma o dosador
de corante e outra o misturador para a realização da mistura entre corante e tinta base,
outros disponibilizam uma IHM (Interface Homem Máquina) e/ou sistema supervisório.
A máquina Tintométrica Corob da Coral indicada na Figura 3, é automática,
com sistema supervisório, e misturador e dosador separados, computador, no break,
o custo do equipamento completo gira em torno de R$ 25 a 35 mil. (Mercado Livre,
OLX)
18
Figura 3: Máquina Tintométrica Corob da Coral
(Fonte: Abrafati, 2014)
Um exemplo de máquina manual, conforme a Figura 4, é a Dosadora
Tintométrica Canister FX 02P, com aplicação para corantes a base de água ou
solventes, possui apenas dosadores manuais e estrutura mecânica, custa cerca de 7
e 9 mil.
Figura 4: Dosadora Tintométrica Canister FX 02P
(Fonte: Tintas Fenix, 2013)
Com base neste cenário, o objetivo deste trabalho é apresentar um
equipamento destinado a comércios com poucos recursos industriais para venda de
tintas personalizadas, obtendo a partir da dosagem e mistura automática das cores
primárias, uma maior gama de cores. De maneira a integrar além de um sistema
supervisório, os processos de dosagem e mistura em um único equipamento.
A proposta deste trabalho é utilizar tinta látex a base de água misturando o
corante adequado ao tipo de tinta, sendo assim suas características físico-químicas
não serão alteradas. Indicaremos apenas os tipos de tintas do mercado e não daremos
ênfase nas características de seus componentes.
19
Para realização deste projeto daremos ênfase ao estudo das cores, círculo
cromático, linguagem de programação de CLP (Ladder e diagrama de blocos),
software supervisório, comunicação serial, circuitos eletrônicos e elétricos, mecânica
dos fluidos, equipamentos mecânicos como bombas, válvulas, agitadores e
instrumentação, que serão apresentados nos capítulos a seguir.
1. HISTÓRIA DA TINTA
As tintas surgem na pré-história com função decorativa. Em praticamente
todos os lugares onde ocorreram ocupações humanas é possível encontrar pinturas
rupestres, que nem sempre estão em boas condições de preservação. (As
Formulações de Tintas Expressivas Através da História, 2012)
Nas pinturas mais antigas são representados animais e hábitos corriqueiros,
tais como cenas de caça, de pesca, de guerra e de sexo. Em pinturas mais recentes,
posteriores há 10 mil anos atrás, as pinturas começam a conter desenhos geométricos
e de maior complexidade. No Brasil é possível encontrar arte rupestre de norte a sul
do país, sendo as mais antigas, tombadas pela UNESCO como patrimônio histórico
da humanidade, encontradas no Parque Nacional da Serra da Capivara, datadas em
até 11.000 anos. (As Formulações de Tintas Expressivas Através da História, 2012)
Acredita-se que os nossos antepassados usassem como pigmentos partículas
inorgânicas minerais finamente moídas. Para conseguir cores intermediárias, muitas
vezes eram usadas misturas desses minerais, como a hematita e o caulim para atingir
a cor cinza. Foram também encontradas pinturas que utilizavam pigmentos orgânicos
para a coloração preta, tais como carvão vegetal ou mineral, mas os pesquisadores
não descartam o uso de corantes e que possam ter sido utilizadas seivas ou resinas
de árvores ou arbustos, ceras, óleos ou gorduras de animais ou vegetais, gemas e/ou
clara de ovos, ou até mesmo sangue, fezes ou urina de animais para preservar as
pinturas. (As Formulações de Tintas Expressivas Através da História, 2012)
Somente após o estabelecimento de centros urbanos e o desenvolvimento
das culturas antigas foi que as tintas sofreram novas modificações. Dentre as
civilizações da antiguidade que mais contribuíram para o desenvolvimento das tintas
podemos destacar a cultura Egípcia e a Chinesa e Arábica. A mistura de pigmentos
com goma arábica é conhecida como aquarela ou guache outro exemplo do
desenvolvimento tecnológico que ocorreu nas culturas egípcia e chinesa foi a
20
obtenção do que hoje chamamos tinta nanquim. (Cor Luz, Cor Pigmento e os sistemas
RGB e CMY, 2010)
Os gregos e romanos herdaram as tradições de produção de tintas através da
técnica de misturar pigmento com proteínas, principalmente derivadas de ovos
desenvolvidas pelos egípcios, permitindo a estes povos desenvolverem técnicas
artísticas inovadoras, como a noção de perspectiva e a técnicas de tingir tecidos. (As
Formulações de Tintas Expressivas Através da História, 2012)
No início do Renascimento, a primeira inovação na área de tintas surge com
os primeiros relatos da utilização de óleos vegetais na produção de vernizes e tintas,
os quais substituíam as proteínas como veículo, esta descoberta é geralmente
atribuída aos irmãos Hubert (1366-1426) e a Jan Van Eyck (1390-1441). As
qualidades superiores da tinta a óleo fizeram com que se estabelecesse como o
principal veículo para a produção de tintas no Renascimento europeu, como na obra
de Leonardo da Vinci, pois proporcionou uma excelente estabilidade química frente à
umidade e demais intempéries, e melhorou a qualidade das pinturas obtidas. (As
Formulações de Tintas Expressivas Através da História, 2012)
No Século XIX, a revolução industrial ocorrida trouxe consigo um gradual
abandono do uso de derivados da biomassa em todas as áreas, havendo uma
substituição por insumos fósseis de carbono (carvão mineral, petróleo e gás natural).
Baseadas no florescimento das áreas de química, física e engenharias, novos
materiais com propriedades superiores as já existentes começaram a ser sintetizados
e produzidos utilizando carbono fóssil, com a virada para o Século XX a indústria do
petróleo e a petroquímica se difundiram rapidamente. (As Formulações de Tintas
Expressivas Através da História, 2012)
Derivados do petróleo começam a ser desenvolvidos com características
únicas e preços baixos, assim rapidamente substituem os derivados de biomassa,
levando a uma expressiva invasão no mercado de tintas que utilizam como veículos
novas resinas sintéticas e como solventes compostos derivados de petróleo. (As
Formulações de Tintas Expressivas Através da História, 2012)
Durante a primeira e a segunda guerra mundial, período considerado pelos
historiadores bastante fértil para ciência, químicos desenvolveram novos pigmentos e
resinas sintéticas, esses pigmentos e veículos substituíram ingredientes das tintas.
(As Formulações de Tintas Expressivas Através da História, 2012)
21
Pesquisas desenvolvidas por químicos e engenheiros tornaram-se atividade
importante na fabricação de tinta. No final da década de 50, químicos criaram tintas
especiais para pintura de exteriores, novos tipos de esmaltes para acabamento de
automóveis e tintas à prova de gotejamento para superfícies externas e internas. (As
Formulações de Tintas Expressivas Através da História, 2012)
Nos anos 60, a pesquisa continuada com resinas sintéticas conferiu às tintas
maior resistência contra substâncias químicas e gases foram nessa época, que as
tintas fluorescentes se popularizaram. (Cor Luz, Cor Pigmento e os sistemas RGB e
CMY, 2010)
1.1. QUE SÃO TINTAS?
De acordo com a ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas, em sua
NBR 11702, tintas são produtos compostos de veículo, pigmentos, aditivos e
solventes que, quando aplicados sobre um substrato, se convertem em película sólida,
dada a evaporação do solvente e/ou reação química, com a finalidade de decoração,
proteção e outras. Em outras palavras, a tinta é uma composição, normalmente líquida
que, depois de aplicada sobre a superfície, passa por um processo de secagem
transformando-se em filme sólido. (NBR 11702, 1991)
Pode-se dizer que a tinta é composta basicamente por quatro elementos,
pigmentos, resinas, solventes e aditivos. Os pigmentos concedem o poder da cor e
cobertura, os ligantes ou resinas aderem e dão liga aos pigmentos, os solventes são
capazes de dar a consistência desejada, os aditivos são responsáveis por aperfeiçoar
uma série de características e tipos específicos de tintas, sejam os solventes à base
de água ou orgânicos (ABRAFATI, 2013).
A Figura 5 apresenta o esquema dos componentes básicos das tintas.
Figura 5: Componentes básicos das Tintas
(Fonte: Sistema de Pinturas Imobiliárias, USP,2013)
22
1.2. TIPOS DE TINTAS
Existem no mercado diferentes tipos de tintas, cada uma com características
próprias e com funções diferentes, as mais comuns são as tintas epóxi, acrílica,
esmalte, verniz e látex. (ABRAFATI, 2013).
As tintas epóxi são utilizadas em altas resistências à umidade, a produtos
químicos e à abrasão, aderem bem em diversas superfícies, como pisos de cimento
queimado, azulejos, ferro e aço. Suas características impermeabilizantes a fazem ser
usada até mesmo em áreas inundadas, como Box, piscinas e caixas-d´água
(ABRAFATI, 2013).
As tintas acrílicas na verdade, é um modelo de tinta látex, mas que contém
resinas acrílicas em sua composição. Entre suas características, a mais importante é
ser impermeável, por isso ela é ideal para pintar áreas externas, podendo também ser
usadas em áreas molhadas, como banheiros e cozinhas (ABRAFATI, 2013).
As tintas esmalte substituem as tintas à base de óleo, que são tóxicas e, hoje,
muito pouco utilizadas, pode ser aplicada na madeira ou em materiais ferrosos. O
acabamento é acetinado e dá a sensação de que há uma película sobre a superfície.
Não é recomendável usá-la em parede, pois pode acabar formando bolhas e tem custo
mais alto do que o normal, pois sua aplicação é muito específica (ABRAFATI, 2013).
As tintas verniz são uma composição líquida que se converte em um filme
sólido e transparente depois de aplicada em uma fina camada protetora é usada
principalmente em madeiras de ambientes externos (ABRAFATI, 2013).
As tintas látex são as mais comuns, são feitas à base de água e seca
rapidamente. Entre os vários tipos existentes, o PVA é o mais indicado para as áreas
internas, pois pode ser limpo apenas com um pano úmido (ABRAFATI, 2013).
2. PRINCIPAIS SISTEMAS DE CORES
2.1. SISTEMAS DE CORES RGB
O sistema que regula as cores dos corpos que emitem luz é conhecido como
RGB (Red, Green and Blue – Vermelho Verde e Azul) também conhecido como
sistema de Cor Luz, trabalha por adição, ou seja, se somarmos as três cores básicas,
nas proporções corretas, obteremos a cor branca. Utilizado em fotografia, cinema,
vídeo, televisão, fotografia digital e na tela dos computadores (Artigo Cor Luz, Cor
Pigmento e os Sistemas RGB e CMY, 2010).
23
Imagine acender sobre uma parede branca, por exemplo, duas lâmpadas,
uma de 100W de potência e outra de 50W, o resultado não será a média das duas (75
W), mas a soma (150 W), portanto, houve uma adição (Artigo Cor Luz, Cor Pigmento
e os Sistemas RGB e CMY, 2010).
A luz refletida pela superfície de um corpo colorido somente emite a cor
específica daquele corpo. Conforme o esquema da Figura 6, que mostra uma
superfície vermelha que ao ser iluminada com luz branca, refletirá e mostrará somente
a cor vermelha, absorvendo o verde e azul que não veremos, e desta forma
enxergaremos “menos” informação luminosa, pois parte da luz não será vista (Artigo
Cor Luz, Cor Pigmento e os Sistemas RGB e CMY,2010).
Figura 6: Esquema de reflexão de cores
(fonte: Artigo Cor Luz, Cor Pigmento e os Sistemas RGB e CMY, 2010)
24
2.2. SISTEMA DE CORES CMY E CMYK
O sistema CMY (Cyan, Magenta and Yellow - Ciano, Magenta e Amarelo) é
conhecido o sistema de Cor Pigmento, é o sistema que regula as cores de corpos
opacos e trabalha por subtração, ou seja, se somarmos as três cores nas proporções
corretas obteremos preto (desde que sejam utilizados pigmentos apropriados e de boa
qualidade). Empregado para impressão em baixa escala, ou seja, nas impressoras
domésticas e também nas artes plásticas este sistema é demonstrado na Figura 7:
Mistura Subtrativa - Círculo Cromático CMY. (Artigo Cor Luz, Cor Pigmento e os
Sistemas RGB e CMY, 2010)
Figura 7: Mistura Subtrativa - Círculo Cromático CMY
(Fonte: Mundo Cor, 2010)
Existe também o sistema CMKY que foi criado do CMY, é uma “versão”
industrial, uma opção mais barata, pois não necessita de pigmentos puros e mais
caros, sendo usado para impressões em larga escala, no qual o preto é adicionado e
não obtido por meio de mistura. Assim, o CMYK é baseado em quatro cores e a letra
K, significa preto (Black), ou chave (Key), pois a cor preta é usada para interferir nos
detalhes na impressão (Fonte: Artigo Cor Luz, Cor Pigmento e os Sistemas RGB e
CMY, 2010).
25
2.3. SISTEMA DE CORES RYB
O sistema RYB (Red, Yellow and Blue – Vermelho, Amarelo e Azul) conforme
Figura 8, que apesar de não corresponder matematicamente a nenhum outro sistema,
pode ser usado em artes plásticas, e na fabricação de tintas que não exijam pigmentos
como, por exemplo, tintas de uso doméstico, automotivas, tecelagem e até na
fabricação de papeis. (Fonte: Artigo Cor Luz, Cor Pigmento e os Sistemas RGB e CMY,
2010).
Este sistema necessita do uso combinado da cor branca para clarear uma cor,
bem como do preto para escurecer uma cor, e por não possuir outro sistema
equivalente, não é possível realizar uma conversão adequada para nenhum outro
sistema, somente por aproximação, conforme Figura 8. (Fonte: Artigo Cor Luz, Cor
Pigmento e os Sistemas RGB e CMY, 2010)
Figura 8: Círculo Cromático RYB
(Fonte: Mundo de cores, 2010)
Importante dizer que as limitações técnicas em imprimir um catálogo de cores
de tintas de parede, que foi elaborado em RYB, em papel, que é produzido através do
sistema CMYK, conforme Figura 9: Limitações Técnicas de Impressão.
26
Figura 9: Limitações Técnicas de Impressão
(Fonte: Mundo das Cores, 2010)
Este é o motivo pelo qual muitas vezes a tinta na parede fica diferente do
equivalente que está impresso no catalogo do fabricante. Os sistemas RGB e CMY
não são perfeitos, mas de todos os existentes são os dois que permitem a melhor
correlação entre a tinta e a luz, o pigmento e a cor “pura”, o real e o virtual, conforme
Figura 10: Relação de Impressão do Real e Virtual. (Fonte: Artigo Cor Luz, Cor
Pigmento e os Sistemas RGB e CMY, 2010)
Figura 10: Relação de Impressão do Real e Virtual
(Fonte: Inkscape Brasil, 2010)
27
3. FUNCIONAMENTO DOS OLHOS
Neste processo, o nosso cérebro pinta dinamicamente a cena que estamos
vendo com base nas frequências presentes nos feixes de luz recebidos pela retina.
Pode-se observar o Funcionamento na Figura 11. (Fonte: Artigo Iluminação, o truque
das cores, 2011)
A retina dos olhos filtram as variações dos feixes de luz provocadas pela
pigmentação dos objetos e devolve para a retina com as frequências da cor, este filtro
é conhecido como sistema subtrativo ou CMY e converte para o sistema RGB. (Fonte:
Artigo Iluminação, o truque das cores, 2011)
Figura 11: Funcionamento dos olhos
(Fonte: Artigo Iluminação o Truque das cores, 2011)
28
4. CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL
O Controlador Lógico Programável (CLP) nasceu praticamente dentro da
indústria automobilística americana, especificamente na Hydronic Division da General
Motors, em 1968, devido a grande dificuldade de mudar a lógica de controla de painéis
de comando a cada mudança na linha de montagem, tais mudanças implicavam em
altos gastos de tempo e dinheiro. (Oliveira, 1993)
Sob a liderança do engenheiro Richard Morley, foi preparada uma
especificação que refletia as necessidades de muitos usuários de circuitos à reles,
não só da indústria automobilística, como de toda a indústria manufatureira. Nascia
assim, um equipamento bastante versátil e de fácil utilização, que vem se aprimorando
constantemente, diversificando cada vez mais os setores industriais e suas aplicações.
(Oliveira, 1993)
Desde o seu aparecimento, até hoje, muita coisa evoluiu nos controladores
lógicos, como a variedade de tipos de entradas e saídas, o aumento da velocidade de
processamento, a inclusão de blocos lógicos complexos para tratamento das entradas
e saídas e principalmente o modo de programação e a interface com o usuário.
(Oliveira, 1993)
4.1. DIVISÃO HISTÓRICA
Podemos didaticamente dividir o controladores historicamente de acordo com
o sistema de programação por ele utilizado:
1a. Geração: Se caracterizam pela programação intimamente ligada ao
hardware do equipamento. A linguagem utilizada era o Assembly que variava de
acordo com o processador utilizado no projeto do CLP, ou seja, para poder programar
era necessário conhecer a eletrônica do projeto do CLP. Assim a tarefa de
programação era desenvolvida por uma equipe técnica altamente qualificada,
gravando - se o programa em memória EPROM (Erasable Programmable Read-Only
Memory), sendo realizada normalmente no laboratório junto com a construção do CLP.
(Oliveira, 1993)
29
2a. Geração: Aparecem as primeiras “Linguagens de Programação” não tão
dependentes do hardware do equipamento, possíveis pela inclusão de um “Programa
Monitor” no CLP, o qual converte as instruções do programa, verifica o estado das
entradas, compara com as instruções do programa do usuário e altera o estado das
saídas. Os terminais de programação eram na verdade programadores de memória
EPROM. As memórias depois de programadas eram colocadas no CLP para que o
programa do usuário fosse executado. (Oliveira, 1993)
3a. Geração: passam a ter uma entrada de programação, onde um teclado ou
programador portátil é conectado, podendo alterar, apagar, gravar o programa do
usuário, além de realizar testes no equipamento e no programa. A estrutura física
também sofre alterações sendo a tendência para os sistemas modulares com
bastidores ou racks. (Oliveira, 1993)
4a. Geração: Com a popularização e a diminuição dos preços dos
microcomputadores, os controladores passaram a incluir uma entrada para a
comunicação serial. Com o auxílio dos microcomputadores a tarefa de programação
passou a ser realizada nestes. As vantagens eram a utilização de várias
representações das linguagens, possibilidade de simulações e testes treinamento e
ajuda por parte do software de programação, possibilidade de armazenamento de
vários programas no micro, etc. (Oliveira, 1993)
5a. Geração: Atualmente existe uma preocupação em padronizar protocolos
de comunicação para os controladores, de modo a proporcionar que o equipamento
de um fabricante se comunique com o equipamento de outro fabricante,
proporcionando uma integração a fim de facilitar a automação, gerenciamento e
desenvolvimento de plantas industriais mais flexíveis e normalizadas, fruto da
chamada Globalização. (Oliveira, 1993)
4.2. ARQUITETURA BÁSICA
O CLP pode executar operações lógicas, aritméticas e comutar dados em
rede, está classificado em quatro partes, conforme Figura 12, CPU (Central
Processing Unit) responsável pelo o processamento dos dados dos dispositivos de
entrada, circuitos de entradas e saídas que podem ser discretos ou analógicos, fonte
de alimentação que fornece a energia e o rack que faz a plataforma de comunicação
dos dados com a CPU. (NATALE, 2002)
30
Figura 12: Arquitetura Básica Hardware
(fonte: Centro de formação Schneider, 2008)
O CLP tem seu funcionamento baseado em cinco etapas, inicialização, leitura
das entradas, execução do programa, atualização das saídas e controles internos,
conforme Figura 13. (Jack 2005)
Figura 13: Arquitetura Básica Software
(Fonte: Centro de formação Schneider, 2008)
31
4.3. INICIALIZAÇÃO
No momento em que é ligado o CLP executa uma série de operações pré -
programadas, gravadas em sua EPROM, verifica o funcionamento da CPU, memórias
e circuitos auxiliares, verifica a configuração interna e compara com os circuitos
instalados, verifica o estado das chaves principais (RUN / STOP, PROG, etc.),
desativa todas as saídas, verifica a existência de um programa de usuário e emite um
aviso de erro caso algum dos itens acima falhe. (Jack 2005)
4.3.1. LEITURA DAS ENTRADAS
O CLP lê o estado de cada uma das entradas, verificando se alguma foi
acionada. O processo de leitura recebe o nome de “Ciclo de Varredura” e normalmente
é de alguns microssegundos. Após o ciclo de varredura, o CLP armazena os
resultados obtidos em uma região de memória chamada de memória imagem das
entradas e saídas. Ela recebe este nome por ser um espelho do estado das entradas
e saídas. Esta memória será consultada pelo CLP no decorrer do processamento do
programa do usuário. (Jack 2005)
4.3.2. EXECUÇÃO DO PROGRAMA
O CLP executa o programa do usuário após consultar a memória imagem das
entradas, e atualiza a memória imagem das saídas de acordo com as definições do
usuário em seu programa. (Jack 2005)
4.3.3. ATUALIZAÇÃO DAS SAÍDAS
O CLP escreve o valor contido na Memória das Saídas, atualizando as
interfaces ou módulos de saída. (Jack 2005)
4.3.4. CONTROLES INTERNOS
Esta etapa inclui as comunicações E diagnósticos Internos, todas as etapas
são continuamente processadas (Schneider 2008).
32
4.4. ESTRUTURA INTERNA DO CLP
O CLP é constituído por um processador, um programa monitor, uma
memória de programa, uma memória de dados, uma ou mais Interfaces de entrada,
uma ou mais Interfaces de saída e circuitos auxiliares (Jack 2005), conforme Figura
14.
Figura 14: Estrutura Interna
(fonte: Centro de formação Schneider, 2008)
4.4.1. FONTE DE ALIMENTAÇÃO
A fonte de alimentação tem as seguintes funções básicas que são, converter
a tensão da rede elétrica para a tensão de alimentação dos circuitos eletrônicos, 5
VCC (Tensão Corrente Contínua) para o microprocessador, memórias e circuitos
auxiliares e 12 VCC para a comunicação com o programador ou computador), manter
a carga da bateria, nos sistemas que utilizam relógio em tempo real e memória do tipo
RAM (Random Access Memory) e fornecer tensão para alimentação das entradas e
saídas. (Jack 2005)
4.4.2. UNIDADE DE PROCESSAMENTO
A CPU é responsável pelo funcionamento lógico de todos os circuitos. Nos
controladores modulares a CPU está em uma placa ou módulo, separada das demais.
Nos controladores de menor porte a CPU e os demais circuitos estão todos em único
módulo. As características mais comuns são, microprocessadores ou micro
controladores de 8,16 ou 32 bits, endereçamento de memória de até 1 Mega Byte,
33
velocidades de CLOCK variando de 4 a 30 MHZ e manipulação de dados decimais,
octais e hexadecimais (Jack 2005).
4.4.3. BATERIA
As baterias são usadas nos controladores para manter o circuito do Relógio
em Tempo Real, reter parâmetros ou programas (em memórias do tipo RAM), mesmo
em caso de corte de energia, guardar configurações de equipamentos (Jack 2005).
4.4.4. MEMÓRIA DO PROGRAMA MONITOR
O programa monitor é o responsável pelo funcionamento geral do CLP. Ele é
o responsável pelo gerenciamento de todas as atividades do CLP. Não pode ser
alterado pelo usuário e fica armazenado em memórias do tipo EPROM. Ele funciona
de maneira similar ao sistema operacional dos microcomputadores. É o programa
monitor que permite a transferência de programas entre um microcomputador ou
terminal de programação ao CLP, gerenciar o estado da bateria do sistema, controlar
os diversos opcionais. (Jack 2005)
4.4.5. MEMÓRIA DO USUÁRIO
É onde se armazena o programa da aplicação desenvolvido pelo usuário.
Pode ser alterada pelo usuário, já que uma das vantagens do uso do CLP é a
flexibilidade de programação. Inicialmente era constituída de memórias do tipo
EPROM, sendo hoje utilizadas memórias do tipo RAM. A capacidade desta memória
varia bastante de acordo com o marca/modelo do CLP, sendo normalmente
dimensionadas em Passos de Programa. (Jack 2005)
4.4.6. MEMÓRIA DE DADOS
É a região de memória destinada a armazenar os dados do programa do
usuário. Estes dados são valores de temporizadores, valores de contadores, códigos
de erro, senhas de acesso, etc. São normalmente partes da memória RAM do CLP.
São valores armazenados que serão consultados e ou alterados durante a execução
do programa do usuário. Em alguns controladores, utiliza - se a bateria para reter os
valores desta memória no caso de uma queda de energia. (Jack 2005)
34
4.4.7. MEMÓRIA IMAGEM DAS ENTRADAS / SAÍDAS
Sempre que a CPU executa um ciclo de leitura das entradas ou executa uma
modificação nas saídas, ela armazena o estado de cada uma das entradas ou saídas
em uma região de memória denominada memória imagem das entradas / saídas.
Essa região de memória funciona como uma espécie de “tabela” onde a CPU irá obter
informações das entradas ou saídas para tomar as decisões durante o processamento
do programa do usuário. (Jack 2005)
4.4.8. PROGRAMAÇÃO DO CLP
Dependendo do CLP e do software utilizado, podemos escolher uma das 5
linguagens normalizadas pela norma IEC (International Electrotechnical Commission)
61131 são, diagrama de blocos funcionais FBD (Function block diagram), texto
estruturado ST (Structured text), lista de instruções IL (Instruction list), diagrama
ladder LD (Ladder diagram), sequenciamento gráfico de funções SFC (Sequential
function chart). (Lewis 1995).
Antes de explanarmos cada linguagem, se faz necessário um breve resumo
da norma IEC 61131.
4.5. A NORMA IEC 61131
4.5.1. PROPÓSITO DA NORMA IEC 61131-3
Durante os últimos dez a quinze anos uma escala larga de diferentes técnicas
de programação foi utilizada para escrever programas para aplicações de controle
industriais e para Controladores Lógicos Programáveis. (Lewis 1995)
As aplicações de controle foram desenvolvidas em linguagem BASIC, FORTH,
em C, no Inglês Estruturado, na Lista de Instruções e em outras numerosas outras
linguagens proprietárias incluindo vários dialetos da programação LADDER. (Lewis
1995)
Infelizmente, a única coisa que pode ser dita de todas estas linguagens de
programação é que são todas diferentes. (Lewis 1995)
Para as pessoas envolvidas com tais sistemas desde técnicos, o pessoal da
manutenção, projetistas de sistemas aos gerentes de planta, isso resulta no uso
ineficiente do tempo e do dinheiro. (Lewis 1995)
35
Há claramente um desperdício dos recursos humanos envolvidos no
treinamento da equipe de funcionários para habilitação em muitas linguagens de
controle. (Lewis 1995)
Felizmente a comunidade industrial internacional reconheceu que um novo
padrão para controladores lógicos programáveis foi requerido. Uma comissão
eletrotécnica internacional foi organizado em 1979 para estudar e avaliar o projeto
completo dos controladores lógico programáveis, incluindo o projeto do hardware, a
instalação, os testes, a documentação, a programação e as comunicações. (Lewis
1995)
O IEC como uma Organização irmã da ISO (International Organization for
Standardization) fundada em Genebra na Suíça tem comitês e grupos de trabalho
formado a partir de representantes da maioria de países industriais do mundo que
põem a frente procedimentos de padronização. (Lewis 1995)
Durante os anos 1990, O IEC publicou várias partes do padrão IEC 61131 que
cobre o ciclo completo dos CLP s, que são:
Parte 1 - Definição da informação geral, da terminologia básica e dos
conceitos; Publicado em 1992.
Parte 2 - Exigências de equipamento e testes eletrônicos e testes mecânicos
de construção e verificação; Publicado em 1992.
Parte 3 - Estrutura do Software do CLP, execução do programa e linguagens
de programação; Publicado em 1993.
Parte 4 – Guia de orientação ao usuário na seleção, instalação e manutenção
de CLP s; Publicado em 1995.
Parte 5 - Facilidade do Software em especificação de mensagens de serviços
a comunicar-se com outros dispositivos usando as comunicações baseadas em MAP
(Manufacturing Messaging Services); Publicado em 1998.
Parte 6 - Comunicação via facilidade do Software fieldbus para comunicação
de PLC s utilizando IEC fieldbus.
Parte 7 - Programação utilizando Lógica Nebulosa (Fuzzy); Publicada em
1997.
Parte 8 - Guia para implantação das linguagens; (Lewis 1995)
36
4.6. LINGUAGEM DE PROGRAMAÇÃO
4.6.1. DIAGRAMA DE BLOCOS FUNCIONAIS (FDB)
É uma linguagem gráfica baseada nos diagramas de circuitos, que representa
blocos interconectados destacando o fluxo de sinais entre os elementos, conforme,
Figura 15.
É usada para descrever o comportamento de funções, blocos funcionais,
programas, passos, ações e transições da linguagem SFC.
Cada função também tem uma saída digital extra, que é definida verdadeira
quando a execução da função é completada com sucesso. (Lewis 1995)
Assim é comum se encadear a saída de uma função com a entrada da outra
para garantir que a cadeia só produzirá um resultado correto quando todas as etapas
estiverem corretas. (Lewis 1995)
Figura 15: Diagrama de Blocos Funcionais
(fonte: Centro de formação Schneider, 2008)
37
4.6.2. TEXTO ESTRUTURADO (ST)
É uma linguagem de alto nível com sintaxe similar ao Pascal desenvolvida
especificamente para controle industrial, conforme Figura 16, usada para descrever o
comportamento de funções, blocos funcionais, programas, passos, ações e transições
da linguagem SFC. (Lewis 1995)
É uma linguagem de fácil assimilação para os desenvolvedores de programas,
pois permite uma fácil interpretação pelo uso de identificadores de fácil entendimento,
associados a comentários. É muito útil para o desenvolvimento de cálculos aritméticos
complexos, pois é só digitar a fórmula em questão. (Lewis 1995)
Figura 16: Texto Estruturado
(fonte: Centro de formação Schneider, 2008)
38
4.6.3. LISTA DE INSTRUÇÕES
A Lista de Instruções (IL) é uma linguagem textual, de baixo nível, com
estrutura semelhante ao Assembler, conforme Figura 17, usada para descrever o
comportamento de funções, blocos funcionais, programas, passos, ações e transições
em SFC. A linguagem é ideal para resolver problemas simples e pequenos, onde
existem poucas quebras no fluxo de execução do programa. (Lewis 1995)
Pela norma, IL é uma linguagem adicional, menos amigável e flexível e que
pode ser usada para produzir código otimizado para trechos de desempenho crítico
em um programa. (Lewis 1995)
Figura 17: Lista de Instruções
(fonte: Centro de formação Schneider, 2008)
39
4.6.4. DIAGRAMA LADDER (LD)
É uma linguagem gráfica baseada nos diagramas elétricos, que representa
contatos e bobinas interconectados destacando a energização entre os elementos,
conforme Figura 18. É usada para descrever o comportamento de funções, blocos
funcionais, programas, passos, ações e transições em SFC. ) (Lewis 1995)
Uma linha vertical à esquerda representa um barramento energizado e à
direita uma barra de terra, com o fluxo de potência sempre da esquerda para a direita.
A função de controle é definida pela forma como os contatos (abertos ou
fechados) são associados para comandar a bobina do relé (serial ou paralelo). (Lewis
1995)
Figura 18: Diagrama Ladder
(fonte: Centro de formação Schneider, 2008)
40
4.6.5. SEQUENCIAMENTO GRÁFICO DE FUNÇÕES (SFC)
A linguagem Sequenciamento Gráfico de Funções é baseada nas técnicas
correntes para descrever o comportamento sequencial, conforme Figura 19, sendo
usada para, descrever o comportamento sequencial de um sistema, como linguagem
de estruturação de ações de um programa segundo um modelo top-down, para
descrever o comportamento de baixo nível de um processo sequencial (ex.: Partida,
Bombeando, Esvaziando, etc) e para representar as fases de um processo por
batelada.
Universidades francesas desenvolveram uma linguagem de representação de
processos sequenciais baseada nas Redes de Petri, o Grafcet (Graphe Fonctionnel
de Command Etape-Transition). Grafcet se tornou um padrão europeu com a
introdução do padrão IEC 848: Preparation of function charts for control system.
Muitos fabricantes europeus de CLP oferecem Grafcet como uma linguagem gráfica.
A norma IEC 61131-3 introduziu algumas modificações no padrão IEC848
visando integrar esta quinta linguagem às demais linguagens da norma. O SFC é
adotado pela ISA (International society of automation) SP 88 para programação de
sistemas para controle de bateladas (batch).
São mostrados todos os estados de um sistema, todas as possíveis
mudanças de estado e as respectivas causas. Particionando um problema de controle
de forma que todos os aspectos relevantes sejam considerados e executados (Lewis
1995).
41
Figura 19: Sequenciamento Gráfico de Funções
(fonte: Centro de formação Schneider, 2008)
4.7. ARQUITETURAS DE REDES INDUSTRIAIS
Nos processos produtivos, vem-se verificando uma tendência em substituir
sistemas com processamento centralizado, geralmente baseado em equipamentos de
grande porte, por sistemas distribuídos, compostos por diversos similares de menor
porte. Porém, o controle distribuído somente será viável se todos os integrantes do
sistema puderem trocar informações entre si de modo rápido e confiável. Para atender
a essa necessidade, surgiram diversos tipos, padrões, protocolos em redes de
comunicação industrial. (PEREIRA & LAGES, 2004)
Rede de comunicação industrial é o conjunto de equipamentos e softwares
utilizados para propiciar o trânsito de informações da produção, entre os diversos
níveis hierárquicos de um processo industrial. As informações são transmitidas em
quadros ou pacotes, que são uma sequência de bytes definida por um protocolo de
rede. Os dados podem compor um conjunto maior chamado de mensagem. Se a
mensagem tiver um tamanho maior que um quadro, necessita ser fragmentada. Nas
42
redes industriais, como se trata de informação de sensores na maioria das vezes, a
quantidade de bytes a transmitir em cada mensagem é pequena (em média, na ordem
de algumas dezenas de bytes). Assim, um quadro pode transportar uma mensagem
inteira. Diferentemente das redes locais de escritório, em que as redes estão
instaladas em ambientes limpos e normalmente com temperaturas controladas, no
caso de redes industriais, o ambiente nos quais as redes são instaladas é usualmente
hostil, uma vez que ruídos eletromagnéticos de grande intensidade podem estar
presentes. Por exemplo, no acionamento de motores elétricos, em função das altas
correntes envolvidas, radiações eletromagnéticas são geradas, podendo induzir
ruídos nos equipamentos eletrônicos nas proximidades. Além disso, ambientes
industriais podem apresentar temperaturas e umidades elevadas, dois aspectos
prejudicais aos componentes utilizados em sistemas computacionais e de
comunicação. Desta forma, equipamentos para redes industriais são, em geral,
especialmente construídos para trabalhar nessas condições adversas e os protocolos
de comunicação adotados também devem considerar aspectos de segurança e
disponibilidade do sistema desenvolvido. (PEREIRA & LAGES, 2004)
Para se conceber uma solução na área de automação, o primeiro passo é
projetar a arquitetura do sistema, organizando seus elementos vitais, remotas de
aquisição de dados, CLP, instrumentos, sistema de supervisão, em torno de redes de
comunicação de dados apropriadas. A escolha da arquitetura determinará o sucesso
de um sistema em termos de alcançar os seus objetivos de desempenho,
modularidade, expansibilidade, etc. (SEIXAS, 2004)
Para esse mesmo autor, uma das arquiteturas mais praticadas é a que define
hierarquias de redes independentes: rede de informação, rede de controle e rede de
campo.
43
4.8. REDE DE CONTROLE INDUSTRIAL
Interliga os sistemas industriais de nível 2 ou servidor SCADA aos sistemas
de nível 1 representados por CLPs ou remotas de aquisição de dados.
O tráfego é baseado em dados em que a criticidade temporal pode ou não ser
essencial, normalmente com volume médio de dados e frequência de transmissão em
função de eventos do sistema.
Nessa rede, os aspectos mais importantes são a disponibilidade e a
imunidade a falhas. (SEIXAS, 2004)
4.9. REDE DE CAMPO
A rede de campo permite a interação dos diversos dispositivos de monitoração
e controle presentes em uma planta de produção, através de aquisição de variáveis e
atuação sobre equipamentos. Por meio dela esses dispositivos trocam informações e
coordenam o controle dessa planta. (SEIXAS, 2004)
O tráfego é baseado em dados na maior parte com criticidade temporal,
caracterizada pelo pequeno volume de dados entre dispositivos, mas com frequência
de transmissão elevada. Exemplo clássico é o envio de temperatura de um dispositivo
de campo (sensor) para o CLP, onde o valor será utilizado no controle de temperatura
de determinada área (atuador). (SEIXAS, 2004)
Nessa rede, a latência entre o envio do pacote e o recebimento do mesmo
obedece a valores máximos bem definidos. (SEIXAS, 2004)
4.10. EXEMPLO DE ARQUITETURA PARA REDE INDUSTRIAL
Com base nas definições de Seixas (2004), uma configuração de arquitetura
para rede industrial com essas características pode ser vista na Figura 20. Nessa
figura, observa-se que as estações clientes SCADA se comunicam com seus
servidores SCADA e com cliente e servidores ERP (Enterprise Resource Planning)
através da rede de informação. A estação servidora SCADA se comunica com os
CLPs através da rede de controle. Os CLPs se comunicam com os sensores e
atuadores através da rede de campo. Do ponto de vista de segurança, é favorável
isolar o tráfego de controle do tráfego de informação através de equipamentos
roteadores de rede.
As redes de controle e informação também podem estar fundidas em uma
rede única, rede ethernet, por exemplo. Porém, como o tráfego na rede de controle é
44
caracterizado por mensagens curtas e muito frequentes e é de natureza diversa do
tráfego na rede de informação, em geral representada por arquivos maiores
transmitidos com baixa frequência, tornando os requisitos de desempenho e
segurança das duas redes diferentes, Seixas (2004), não recomenda esta fusão.
(fonte: Siemens, 2008)
4.11. SISTEMAS SCADA
Os sistemas SCADA (Supervisory Control and Acquisition Data System) são
aplicativos que permitem que sejam monitoradas e rastreadas informações do
processo produtivo, as informações podem ser visualizadas por intermédio de
quadros sinóticos animados com indicações instantâneas das variáveis de processo
(vazão, temperatura, pressão, volume, etc).
Os dados são provenientes do controle do CLP, podendo os softwares
supervisórios gerenciar processos de qualquer tamanho ou natureza. Estes auxiliam
no processo de implantação da qualidade e de movimentação de informações para
gerenciamento e diretrizes. Desta forma, a escolha do software de supervisão é muito
importante na estratégia de automação de uma empresa.
Figura 20: Exemplo de Arquitetura de uma Rede Industrial
45
Segundo Boyer (1993), um sistema SCADA permite a um operador, em uma
localização central, controlar um processo distribuído em lugares distantes, como,
óleo ou gás natural, sistemas de saneamento, ou complexos hidroelétricos, fazer set-
point ou controlar processos distantes, abrir ou fechar válvulas ou chaves, monitorar
alarmes, e armazenar informações de processo.
De acordo com esse mesmo autor, quando as dimensões do processo
tornam-se muito grandes, os benefícios, em termos de redução de custos de visitas
rotineiras, podem ser verificados, porque torna desnecessária a presença do operador
ou a visita em operação normal.
Hoje, os sistemas SCADA podem ter uma arquitetura aberta, ligada em rede,
de forma a permitir que o fluxo de dados do processo ultrapasse o limite das paredes
da empresa e percorra o mundo através dos meios de comunicação existentes.
Num ambiente industrial, esses sistemas auxiliam na gestão da produção,
porque possibilitam comunicações significativamente melhores entre todas as áreas
da operação, um melhor planejamento da produção, um melhor rastreamento das
ordens de produção, incluindo listas de materiais, além de uma melhor administração
do plano de produção, um acompanhamento mais preciso dos níveis de estoque
alocado e real de matérias-primas e produtos acabados, uma melhor administração e
manutenção dos equipamentos da planta incluindo o acompanhamento de defeitos e
a programação de ordens de trabalho para manutenção.
Segundo Rodrigues & Coelho (2000), os sistemas SCADA podem ser
subdivididos em:
a) Sensores e Atuadores: são dispositivos conectados aos equipamentos
controlados e monitorizados pelos sistemas SCADA.
Os sensores convertem parâmetros físicos, tais como velocidade, níveis de
água e temperatura, para sinais analógicos e digitais legíveis pela estação remota.
Os atuadores são usados para atuar sobre o sistema, ligando e desligando
determinados equipamentos.
b) Estações remotas: O processo de controle e aquisição de dados inicia-se
nas estações remotas, CLPs (Controlador Lógico Programável) e RTUs (Remote
Terminal Units), com a leitura dos valores atuais dos dispositivos a que estão
associados e o respectivo controle.
Os CLPs apresentam como principal vantagem a facilidade de programação
e controle de I/O. Por outro lado, os RTUs possuem boas capacidades de
46
comunicação, incluindo comunicação via rádio, estando especialmente indicados para
situações adversas onde a comunicação é difícil.
Atualmente, nota-se uma convergência no sentido de reunir as melhores
características desses dois equipamentos: a facilidade de programação e controle dos
CLPs e as capacidades de comunicação dos RTUs.
c) Redes de comunicações: A rede de comunicação é a plataforma através
da qual a informação de um sistema SCADA é transferida. Tendo em consideração
os requisitos do sistema e as distâncias a cobrir, as redes de comunicação podem ser
implementadas, entre outros, através dos seguintes meios físicos:
Cabos - Os cabos estão indicados para a cobertura de pequenas distâncias,
normalmente em fábricas, não sendo adequados para grandes distâncias devido ao
elevado custo da cablagem, instalação e manutenção;
Linhas Discadas - As linhas discadas podem ser usadas em sistemas com
atualizações periódicas, que não justifiquem conexão permanente. Quando for
necessário comunicar com uma estação remota é efetuada uma ligação para o
respectivo número;
Linhas Dedicadas - As linhas dedicadas são usadas em sistemas que
necessitam de conexão permanente. Essa conexão, no entanto, é uma solução cara,
pois é necessário o aluguel permanente de uma linha de dados ligada a cada estação
remota;
Rede Wireless - Esses dispositivos são usados em locais onde não estão
acessíveis linhas discadas ou dedicadas. Por vezes, em situações onde uma ligação
direta via rádio não pode ser estabelecida devido à distância, sendo necessária a
instalação de dispositivos repetidores.
d) Estações de monitoração central
As estações de monitoração central (servidor SCADA) são as unidades
principais dos sistemas SCADA, responsáveis por recolher a informação gerada pelas
estações remotas e agir em conformidade com os eventos detectados. Podem estar
centralizadas num único computador, ou distribuídas por uma rede de computadores
de modo a permitir a partilha de informação proveniente do servidor SCADA.
A interação entre os operadores e as estações de monitoração central
(servidor SCADA) é efetuada através de uma Interface Homem-Máquina, em que é
comum a visualização de um diagrama representativo da instalação fabril, a
47
representação gráfica das estações remotas, os valores atuais dos instrumentos fabris
e a apresentação dos alarmes ativos.
Sob esta perspectiva a Figura 21 mostra todos os componentes básicos de
um sistema SCADA, desde a estação de monitoração central, onde está o software
de supervisão, passando pela rede de comunicação, CLP, sensores e atuadores até
as máquinas e equipamentos (processo).
(Fonte: Siemens, 2008)
CLP
ESTAÇÃO DE MONITORAÇÃO
REDE DE COMUNICAÇÃO
SENSORES E
ATUADORES
Figura 21: Componentes de um Sistema SCADA
48
5. MEDIÇÃO DE NÍVEL
A medição de nível, apesar de muito simples em seus conceitos, requer na
prática artifícios e técnicas avançadas, principalmente para fins operacionais e de
custos. É uma medição amplamente utilizada nas mais diversas aplicações industriais.
(CASSIOLATO 2010)
Medir a variação de níveis é quantificar referenciais por meio de
monitoramento contínuo ou discreto com o objetivo de avaliar e controlar o volume de
tanques ou recipientes de armazenamento. São chamados de contínuos quando
fornecem uma saída proporcional ao nível que se deseja medir, e discretos quando
tem-se no máximo uma indicação de uma faixa de presença do material armazenado,
conforme ilustra a Tabela 1. (FIALHO 2004)
Tecnologia Aplicada para
Medição Líquidos Sólidos
Me
diç
ão
Dire
ta
Visores de nível X X
Bóias e Flutuadores X
Contatos de Eletrodos X
Sensores de Contato X
Unidade de Grade X
Me
diç
ão
In
dire
ta
Capacitância X X
Empuxo X
Pressão Hidrostática X
Caixa de Diafragma X
Tudo em U X
Borbulhamento X
Radioatividade X X
Ultra-som X X
Vibração X X
Pesagem X X
Tabela 1: Classificação das Medidas de Nível
(Fonte: Instrumentação Industrial, 2004)
49
5.1. MEDIÇÃO DE NÍVEL POR ULTRASSOM
O ultrassom é uma onda sonora de altíssima frequência que não pode ser
percebida pelo ouvido humano. Essa frequência pode variar de 20kHz até valores em
GHz. Sua velocidade é uma função do módulo volumétrico de elasticidade e da
densidade do meio no qual se propaga. (FIALHO 2004)
Os produtos ultra-sônicos são economicamente a escolha mais interessante
para monitoração e controle em aplicações de curto e longo alcance para líquidos,
lamas e sólidos, em uma ampla variedade de indústrias. (SIEMENS 2007)
Na medição de nível sua aplicação se dá pela medição do tempo em que ela
é emitida e recebida, quando a partir da emissão por uma fonte de ultrassom propaga-
se até refletir devido à colisão com um meio de densidade diferente do qual está se
propagando. (FIALHO 2004)
Pode-se calcular a altura do nível através da seguinte fórmula:
ℎ = 𝐿 − 𝑡 × √𝐵
𝜌
Onde:
L = Altura da fonte emissora – receptora no tanque – ( m );
t = Tempo total de propagação da onda – ( s );
B = Módulo volumétrico de Elasticidade – ( Pa );
ρ = Densidade do meio de Propagação – ( Kg/m³ ).
Durante a operação, o transdutor ultrassônico emite um pulso acústico em um
feixe estreito perpendicular à face do transdutor. O transceptor de nível mede o tempo
de propagação entre a emissão do pulso e a recepção do eco para calcular a distância
entre o transdutor e o material. As variações na velocidade do som devido à mudanças
de temperatura são automaticamente pelo sensor de temperatura integrado.
(SIEMENS 2009)
Toda onda, depois de refletida, retorna a origem, estará retornando com uma
leve variação de frequência. Da superposição das ondas emitidas às refletivas se
originam modulações de batimentos oscilantes, que serão proporcionais às variações
no tempo dos deslocamentos das duas ondas. Esses batimentos são processados e
analisados, permitindo assim o conhecimento do nível da substância armazenada no
50
tanque, não sofrendo assim a influência da temperatura, conforme Figura 22. (FIALHO
2004)
Figura 22: Medição de nível por Ultrassom
(Fonte: PLC Max, 2013)
6. MOTOR CC
Os motores de corrente contínua, também conhecidos como motores DC, são
dispositivos que operam aproveitando as forças de atração e repulsão geradas por
eletroímãs e imãs permanentes. Ao passar uma corrente elétrica por um condutor, são
gerados campos magnéticos e, tais campos poderão fazer com que surjam forças de
atração e de repulsão. (BRAGA 2014)
A principal aplicação do Motor CC está relacionada ao controle de velocidades
com necessidades crítica de torque, ou seja, motores CC são excelentes escolhas
quando necessitamos manter o torque, mesmo alterando a velocidade. (CARVALHO
2012)
A ideia básica de um motor é montar uma bobina entre os pólos de um imã
permanente ou então de uma bobina fixa que funcione como tal. (BRAGA 2014)
Partindo da posição inicial, em que os pólos da bobina móvel, ao ser percorrida por
uma corrente, estão alinhados com o imã permanente temos a manifestação de uma
força de repulsão. Esta força de repulsão faz o conjunto móvel mudar de posição. No
entanto, no eixo do rotor, por onde passa a corrente que circula pela bobina, existe
um comutador. A finalidade deste comutador é inverter o sentido da circulação da
corrente na bobina, fazendo com que os pólos mudem, conforme ilustra a Figura 23.
(BRAGA 2014)
51
Figura 23: Funcionamento do Motor CC
(Fonte: Instituto N. C. Braga, 2014)
6.1. CARACTERÍSTICAS DOS MOTORES CC
Os motores CC, em termos de manutenção e peças, são bastante complexos.
Eles exigem conhecimento, habilidade e um programa de manutenção eficiente. Sua
aplicação em sistemas de controle de velocidade em que o torque é um item
importante, em alguns casos, ainda não se encontra um substituto tão eficiente, como
o caso de pontes rolantes em indústrias siderúrgicas. A eficiência tem um preço. Os
sistemas eletrônicos de controle e velocidade o próprio motor CC devem ter um plano
de manutenção específico pois, o desgaste de algumas peças pertencentes ao motor
e a saturação de alguns componentes eletrônicos são evidentes e proporcionais à
utilização dos sistemas.
Dado o princípio de funcionamento, as características dos pequenos motores
admitem certo grau de flexibilidade.
Desta forma, a força que um pequeno motor pode fazer depende da tensão
aplicada à sua bobina a qual vai determinar a corrente circulante e portanto a
intensidade do campo magnético criado.
Pequenos motores são especificados não propriamente para uma
determinada tensão, mas sim para uma certa faixa de tensões, normalmente dando-
se o valor médio. Assim, um motor indicado para funcionar com 3V pode, na realidade
operar com tensões na faixa de 1,5 a 4,5 V, dependendo da força desejada.
Da mesma forma, a velocidade depende da força que ele vai fazer e os
fabricantes indicam faixas de rotação ou então uma certa rotação associada a uma
tensão e a uma corrente que, por sua vez, vai determinar a força que ele pode fazer.
52
Nas aplicações mais críticas, como por exemplo dispositivos que devem ser
mantidos numa velocidade constante (toca-fitas, videocassetes, etc.) os motores
devem ter recursos que permitam fazer uma regulagem.
7. BOMBA PERISTÁLTICA
Similar a como o corpo humano bombeia o sangue, alimentos e oxigênio, uma
bomba peristáltica funciona utilizando o peristáltico para bombear produtos através da
mangueira, conforme Figura 24. A mangueira localiza-se ao rotor do rotor, que ao
rodar, comprime a seção da mangueira até quase plana. Quando o rotor libera a
compressão, a mangueira retorna a seu formato redondo, criando consequentemente
um vácuo parcial enchendo a mangueira. Esta compressão cria uma vedação, e,
conforme o rotor gira, qualquer produto no lado de descarga do rotor é impelido para
frente e deslocado da bomba. A combinação da sucção e ação de descarga resulta
em uma bomba de descolamento positivo autoescorvante.
Um cabeçote de bomba peristáltica consiste de apenas duas partes: o rotor e
o alojamento. A tubulação peristáltica é colocada no leito da tubulação – entre o rotor
e o alojamento, onde fica ocluso (espremido).
Os roletes no motor movem-se pela tubulação, empurrando o fluído. A
tubulação atrás dos roletes recupera o seu formato, cria um vácuo e extrai o fluido da
parte de trás.
Uma ‘bolsa’ de fluído é formada entre os roletes. É específico do ID da
tubulação e a geometria do rotor. A taxa de vazão é determinada multiplicando-se a
velocidade pelo tamanho da bolsa. Esta bolsa permanece constante exceto com
fluídos muito viscosos.
53
Figura 24: Bomba Peristáltica
(Fonte: Zeroday, 2013)
A bomba peristáltica é um projeto inspirado na “peristalsis”, movimento natural
do sistema digestivo, responsável pelo deslocamento do alimento dentro do intestino.
É um princípio extremamente simples: um mangote posicionado no curso do rotor é
alternadamente comprimido e aliviado por sapatas nas extremidades pela rotação do
mesmo, o que gera uma sucção negativa e consequente transferência de fluido dentro
desse mangote.
Tal princípio de bombeamento confere grande força de sucção, vencendo
resistências, eliminando risco de “slip” de produto. Assim, as bombas peristálticas
apresentam funcionamento superior na transferência de fluidos viscosos, com alto teor
de fibras e sólidos, e abrasivos, sendo largamente utilizada em diversos setores da
indústria. Como a quantidade de fluido bombeado por rotação da bomba é constante,
também funcionam como excelentes bombas dosadoras.
Outro ponto importante é a ausência de contaminação, pois o projeto dessas
bombas implica que apenas o material da mangueira ou mangote entra em contato
com o fluido bombeado. Desse modo, difundiu-se o uso de bomba peristáltica de
mangueira em aplicações de laboratório.
54
8. MISTURADORES
Os Agitadores ou Misturadores são indicados para operações onde é
necessário misturar, dissolver, agitar ou homogeneizar qualquer tipo de solução
líquida, com ou sem a presença de sólidos.
Segundo o Pesquisador Carlos Fernandes Joaquim Junior “Com aplicações nos mais
variados ramos, como alimentício, químico, farmacêutico, de bebidas e de toucador,
entre outros, a operação unitária de agitação ou mistura de fluidos desempenha
importante papel nos processos industriais, podendo ser empregada com diversas
finalidades, entre as quais: na mistura de líquidos miscíveis ou imiscíveis; na
aceleração de trocas térmicas; para promover a incorporação de sólidos em meios
líquidos; para catalisar reações químicas; na formação de soluções ou suspensões.
Muitos conceitos de impelidores têm sido criados e estudados, sob uma ampla
variedade de parâmetros, visando, em sua maioria, atender a requisitos processuais
específicos.” (Carlos Fernandes Joaquim Junior, 2008)
Estes misturadores são desenvolvidos especificamente para cada aplicação,
podendo ser fornecido com várias faixas de potência, rotação, comprimento de haste
e tipos e diâmetro de hélices, sendo estas configurações especificadas dependendo
das características do produto a ser agitado. (BOMAX DO BRASIL, 2008)
A densidade e a viscosidade do produto que será agitado, além do fator de
tipo de agitação (homogeneização, dissolução, suspensão de sólidos, etc.)
influenciam diretamente no dimensionamento do equipamento, sendo imprescindíveis
estas informações para um bom e eficiente dimensionamento do equipamento.
(BOMAX DO BRASIL, 2008)
8.1. FUNCIONAMENTO
O funcionamento dos misturadores depende do tipo de matéria prima em que
vai ser aplicado. Para líquidos utilizam-se pás, turbinas ou hélices para aplicar energia
mecânica aos líquidos esses dispositivos são ligados a um eixo que gira dentro de um
reservatório. A ação da mistura ocorre pela criação de correntes geradas por esses
dispositivos que atingem todos os pontos dos reservatórios com turbulência. (Prof. Dr.
Félix Monteiro Pereira, 2008). A Figura 25 mostra um tanque para misturar líquidos:
55
Figura 25: Tanque Misturador
(Fonte: ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA
UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO 2008, Agitação e Mistura)
A Figura 25 apresenta um tanque misturador com os componentes básicos
para a mistura de líquidos, onde pode-se ver o reservatório geralmente com o fundo
arredondado para facilitar a mistura; motor; redutor de velocidade; haste ou impulsor;
placas defletoras (opcional); placas defletoras (opcional); termômetro (opcional) e
ponto de amostragem. (Prof. Dr. Félix Monteiro Pereira, 2008)
Existem três tipos de fluxo que são gerados pela mistura, Radial, Longitudinal
e Tangencial ou Rotacional como é apresentado na figura 27.
56
Figura 26: Fluxos
(Fonte: ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA
UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO 2008, Agitação e Mistura)
Como visto na Figura 26 o fluxo Radial são aqueles que geram linhas de fluxo
perpendiculares ao eixo do agitador, ou seja, impulsiona a grande massa liquida
contra as paredes do tanque, já o fluxo Longitudinal são aqueles que geram linhas de
fluxo paralelas ao eixo do agitador, ou seja, impulsiona a grande massa liquida contra
o fundo do tanque e o fluxo Tangencial são aqueles que geram linhas de fluxo
circulares e em regime de fluxo laminar, destinados a misturar produtos de alta
viscosidade (acima de 50000 centipoise (cP)), impulsiona a grande massa liquida ao
redor da parede do tanque (Prof. Dr. Félix Monteiro Pereira, 2008).
8.2. VÓRTICE
Um dos problemas na ação de misturar líquidos é a vórtice que é produzida
pela ação da força centrífuga que age no líquido em rotação, devido à componente
tangencial da velocidade do fluido. Geralmente ocorre para líquidos de baixa
viscosidade (com agitação central). (Prof. Dr. Félix Monteiro Pereira, 2008)
Existem algumas maneiras de evitar o vórtice, descentralizar o agitador,
inclinar o agitador de 15° em relação ao centro do tanque, colocar o agitador na
57
horizontal ou ainda usar dificultores (refletores ou chicanas). (Prof. Dr. Félix Monteiro
Pereira, 2008)
8.3. TIPOS DE AGITADORES OU IMPULSORES
8.3.1. HÉLICES
Utilizada geralmente para agitação de fluidos de baixa viscosidade (μ < 50 cP)
e tem maior circulação que uma turbina. Seu uso é recomendado para suspensão de
sólidos, mistura de fluidos miscíveis e também utilizada para transferência de calor
um dos seus pontos negativos é de não fornecer tensão de cisalhamento. (Prof. Dr.
Félix Monteiro Pereira, 2008)
8.3.2. TURBINAS
Podem apresentar escoamento radial e possui alta tensão de cisalhamento
nas pontas do impulsor ou escoamento axial (pás inclinadas): úteis para suspensão
de sólidos, e como as de pás planas são úteis para agitação de fluidos viscosos,
fluidos poucos viscosos, dispersão de gases em líquidos, mistura de fluidos imiscíveis
e dispersão de gases e transferência de calor. E sua velocidade de rotação é alta.
(Prof. Dr. Félix Monteiro Pereira, 2008)
8.3.3. PÁS
Sua velocidade de rotação é baixa e são utilizada para mistura de fluidos muito
consistentes. Agitador relativamente largo e achatado (placa plana) preso a uma
haste mais longa. Em geral são colocadas no centro do tanque e produzem mistura
suave. (Prof. Dr. Félix Monteiro Pereira, 2008)
8.4. DIMENSIONAMENTO DE UM SISTEMA DE AGITAÇÃO
O conjunto conhecido como tanque agitador normalmente consiste em um
tanque cilíndrico, um ou mais impedidores, um motor e, usualmente, chicanas.
Alguns tanques são providos de serpentinas ou camisas para promover a
troca térmica.
58
A Figura 27 apresenta as nomenclaturas de variáveis para determinar o
dimensionamento de um tanque padrão.
Figura 27: Tanque Padrão
(Fonte: ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA
UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO 2008, Agitação e Mistura)
Sendo: Da = Diâmetro do agitador; Dt = Diâmetro do tanque;
H = Nível de Liquido; E = Distância da lamina ao fundo; J = Largura do Refletor;
L = Comprimento da lamina; W = Altura da lamina.
Segundo Holland o tanque padrão como visto na figura xxx deve atender os
seguintes requisitos: o impulsor deve ser uma turbina de 6 laminas planas; o número
de dificultores é igual a 4 montados verticalmente na parede do tanque do fundo até
acima do nível de liquido e;
𝐷𝑎 =1
3. 𝐷𝑡 𝐸 = 𝐷𝑎 [(
𝜀
𝐷𝑎) = 1] 𝑊 = (
1
5) . 𝐷𝑎
𝐿 = (1
4) . 𝐷𝑎 𝐻 = 𝐷𝑡 𝐽 = (
1
10) . 𝐷𝑡
(Prof. Regina de Fátima Peralta Muniz Moreira)
Já para McCabe o tanque padrão como visto na figura 28 deve ter: turbina de
4 a 16 laminas (geralmente de 6 – 8); o número de dificultores deve ser igual a 4; se
o 𝐻 = 1,25. 𝐷𝑡 usar mais diversos impulsores a melhor distância dos impulsores deve
ser = 1 − 1,5(𝐷𝑎) e ;
59
𝐷𝑎
𝐷𝑡=
1
3
𝐻
𝐷𝑡=
1
10 𝑎
1
2
𝐽
𝐷𝑡=
1
12
𝐸
𝐷𝑎= 1
𝑊
𝐷𝑎=
1
5
𝐿
𝐷𝑎=
1
4
(Prof. Regina de Fátima Peralta Muniz Moreira)
Para o Prof. Dr. Félix Monteiro Pereira “o processo de escolha do agitador
apropriado é considerado uma arte”, devido a vários tipos de variáveis que envolvem
a escolha certa do agitador. A Figura 28 apresenta um gráfico de variação de
viscosidade por volume em litros. (Prof. Dr. Félix Monteiro Pereira, 2008)
Figura 28: Gráfico de Viscosidade X Volume
(Fonte: ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA
UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO 2008, Agitação e Mistura)
Essa Figura 28 é muito utilizada para a determinação do tipo de agitador a ser
utilizado no processo. Com ela pode-se saber qual seria o melhor tipo de agitador para
seu processo a partir do Volume (em Litros ou metros cúbicos) e da viscosidade
(centipoise cP ou Pascal segundo Pa.s).
60
8.5. VAZÃO
Define-se vazão como sendo o volume de fluido que atravessa uma certa
seção do escoamento por unidade de tempo. (Prof. MSc. Luiz Eduardo Miranda J.
Rodrigues, 2008) Como representado na equação a seguir:
𝑄 =𝑉
𝑇
Onde Q = vazão, V = volume e T = tempo
A vazão pode ser determinada a partir do escoamento de um fluido através
de determinada seção transversal de um conduto livre (canal, rio ou tubulação aberta)
ou de um conduto forçado (tubulação com pressão positiva ou negativa). Sendo assim
podemos afirmar que Isto significa a vazão representa a rapidez com a qual um
volume escoa. (Prof. MSc. Luiz Eduardo Miranda J. Rodrigues, 2008)
São muitas as aplicações, desde simples como a medição de vazão de água
em estações de tratamento e residências, até medição de gases industriais e
combustíveis, passando por medições mais complexas. A escolha correta de um
determinado instrumento para medição de vazão depende de vários fatores. Dentre
estes, pode-se destacar: exatidão desejada para a medição, tipo de fluido: líquido ou
gás, limpo ou sujo, número de fases, condutividade elétrica, transparência, níveis de
pressão e temperatura nos quais o medidor deve atuar, espaço físico disponível e etc.
(Eng.º César Cassiolato e Eng.º Evaristo O. Alves, 2008)
A Figura 29 mostra como como a vazão e muito aplicada nos processos
industriais.
61
Figura 29: Gráfico de Medições
(Fonte: Revista Control Engineering, 2002)
A Figura 29 mostra o gráfico das grandezas mais medidas dentre os
processos industriais, a grandeza de vazão se destaca como sendo a terceira mais
medida dentro de processos industriais por ter um amplo campo de aplicação.
A medição de vazão de fluidos sempre esteve presente em nosso dia-a-dia.
Por exemplo. o hidrômetro de uma residência, o marcador de uma bomba de
combustível nos veículos, etc. Na História, grandes nomes marcaram suas
contribuições. Em 1502 Leonardo da Vinci observou que a quantidade de água por
unidade de tempo que escoava em um rio era a mesma em qualquer parte,
independente da largura, profundidade, inclinação e outros. Mas o desenvolvimento
de dispositivos práticos só foi possível com o surgimento da era industrial e o trabalho
de pesquisadores como Bernoulli, Pitot e outros. (Eng.º César Cassiolato e Eng.º
Evaristo O. Alves, 2008)
62
8.6. VAZÃO VOLUMÉTRICA
É definida como sendo a quantidade de fluído medida em volume que
atravessa uma certa secção dividido por um intervalo de tempo. (Prof. Eng.º Dr. Paulo
Sérgio, 2008)
Conforme a equação:
𝑄𝑣 =∀
𝑡
Onde 𝑄𝑣 = vazão volumetrica, ∀ = volume, t = tempo
As unidades volumétricas mais comuns são: m³/s, m³/h, l/h, l/min, GPM
(galões por minuto), Nm³/h (normal metro cúbico por hora), SCFH (normal pé cúbico
por hora), entre outras.
8.7. VAZÃO MÁSSICA
É definida como sendo a quantidade de fluido medido em peso que atravessa
uma certa secção dividido por um intervalo de tempo. (Prof. Eng.º Dr. Paulo Sérgio)
Conforme a equação:
𝑄𝑚 =𝑚
𝑡
Onde 𝑄𝑚 = vazão mássica, 𝑚 = massa e t = tempo
As unidades de vazão mássica mais utilizadas são: kg/s, kg/h, t/h, lb/h.
8.8. CONCEITOS FÍSICOS PARA MEDIÇÃO DE VAZÃO
Para medição de vazão se faz necessário rever alguns conceitos relativos a
fluidos, pois os mesmos influenciam na vazão de modo geral. (Eng.º César Cassiolato
e Eng.º Evaristo O. Alves, 2008)
A seguir, os principais deles:
8.8.1. MASSA ESPECÍFICA
É conhecida também como densidade, é definida como sendo a média contida
num certo volume de fluido. A massa específica pode variar muito pouco em função
da pressão e da temperatura para fluidos incompressíveis. Para fluidos compressíveis
63
a variação é bem maior sendo considerada nas soluções de problemas reais. (Prof.
Eng.º Dr. Paulo Sérgio, 2008)
A seguir a equação que define a massa específica:
𝜌 =𝑚
∀
Onde 𝜌 = massa específica, 𝑚 = massa e ∀ = volume
8.8.2. PESO ESPECÍFICO
Define-se peso especifico como sendo o peso da unidade volumétrica, isto é, peso
de fluido divido pelo volume de fluido. (Prof. Eng.º Dr. Paulo Sérgio, 2008)
Como pode ser visto na equação a seguir:
𝛾 =𝐺
∀
Onde 𝛾 = peso específico, G = peso e ∀ = volume
8.8.3. VISCOSIDADE CINEMÁTICA
É definida como sendo a resistência ao escoamento de um fluido em um duto
qualquer. Esta resistência provocará uma perda de carga adicional que deverá ser
considerada na medição de vazão. (Eng.º César Cassiolato e Eng.º Evaristo O. Alves,
2008)
A equação da viscosidade pode ser definida como:
𝜐 =𝜇
𝜌
Onde: 𝜐 = viscosidade cinemática; 𝜇 = viscosidade absoluta ; 𝜌 = massa específica
8.8.4. NÚMERO DE REYNOLDS
Número adimensional utilizado para determinar se o escoamento se processa
em regime laminar ou turbulento. Sua determinação é importante como parâmetro
modificador do coeficiente de descarga. (Eng.º César Cassiolato e Eng.º Evaristo O.
Alves, 2008)
Segue abaixo a equação do número de Reynolds.
64
𝑅𝑒 = 𝑉. 𝑑
𝜐
Onde: Re = Número de Reynolds, V = velocidade (m/s), d = diâmetro do tubo
(m); 𝜐= viscosidade cinemática (m²/s)
Na prática, se Re > 2.320, o fluxo é turbulento, caso contrário é sempre
laminar e nas medições de vazão na indústria, o regime de escoamento é na maioria
dos casos turbulento com Re > 5.000. (Eng.º César Cassiolato e Eng.º Evaristo O.
Alves, 2008)
8.8.5. DISTRIBUIÇÃO DE VELOCIDADE EM UM DUTO
Em regime de escoamento no interior de um duto, a velocidade não será a
mesma em todos os pontos. Será máxima no ponto central do duto e mínima na
parede do duto. (Eng.º César Cassiolato e Eng.º Evaristo O. Alves, 2008)
8.8.6. REGIME LAMINAR
É aquele em que as partículas se deslocam em laminas individualizadas, sem
trocas de massa entre elas. É caracterizado por um perfil de velocidade mais
acentuado, onde as diferenças de velocidades são maiores. (Franco Brunetti, 2008)
Como apresentado na Figura 30:
Figura 30: Escoamento em Regime Laminar
(Fonte: SMAR EQUIPAMENTOS INDUSTRIAIS 2008, Medição de Vazão)
Como já foi dito anteriormente a Figura 30 mostra que a velocidade do centro
do tubo é máxima e próximas as paredes é mais baixa.
8.8.7. REGIME TURBULENTO
É aquele em que as partículas apresentam um movimento aleatório
macroscópico, isto é, a velocidade apresenta componentes transversais. É
65
caracterizado por um perfil de velocidade mais uniforme que o perfil laminar. Suas
diferenças de velocidade são menores. (Franco Brunetti, 2008)
Figura 31: Escoamento em Regime Turbulento
(Fonte: SMAR EQUIPAMENTOS INDUSTRIAIS 2008, Medição de Vazão)
A Figura 31 mostra como ocorre a distribuição de velocidades no regime
turbulento onde pode-se observar um perfil de velocidades mais linear e diferenças
menores de velocidades.
8.9. TIPOS DOS MEDIDORES DE VAZÃO
Resumidamente, podemos classificar os medidores de vazão, segundo a
Figura 32.
Figura 32: Classificação de Medidores de Vazão
(Fonte: SMAR EQUIPAMENTOS INDUSTRIAIS 2008, Medição de Vazão)
66
A Figura 32 mostra como ocorre a classificação dos medidores de pressão,
havendo três níveis de classificação.
8.10. EQUAÇÕES PARA O CÁLCULO DA VAZÃO
As equações para o cálculo da vazão podem ser obtidas genericamente para
os três tipos de medidores apresentados. Aplica-se a Equação da Conservação da
Massa, bem como a Equação da Conservação da Energia, sendo esta última na sua
forma simplificada, que é a Equação de Bernoulli. (Eng.º César Cassiolato e Eng.º
Evaristo O. Alves, 2008)
Para mostrar as equações para o cálculo da vazão usaremos como exemplo
o tubo de Venturi com água que escoe em regime permanente conforme apresentado
na Figura 33.
Figura 33: Tubo de Venturi
(Fonte: Livro Mecânica dos Fluidos 2ª edição revisada 2008)
A equação de Bernoulli aplicada ao escoamento ideal, entre os pontos 1 e 2
da Figura 33.
𝑃1
𝜌+
𝑉12
2+ 𝑔𝑍1 =
𝑃2
𝜌+
𝑉22
2+ 𝑔𝑍2
Onde o primeiro termo da equação representa a energia cinética, o segundo
a energia de pressão, proveniente do trabalho de escoamento, enquanto o terceiro
termo representa a energia potencial. Idênticas parcelas existem do lado direito, para
o ponto 2. Esta igualdade significa que a soma das três parcelas é uma constante ao
longo de uma linha de corrente, não havendo perdas por atrito. Para o escoamento
67
na posição horizontal, não há variação de energia potencial, sendo z1 = z2. (Eng.º
César Cassiolato e Eng.º Evaristo O. Alves, 2008)
Dessa forma pode-se escrever:
𝑉22 − 𝑉1
2
2𝑔=
𝑃1 − 𝑃2
𝛾 (2)
O segundo membro da equação (2) pode ser determinado pelo manômetro
diferencial instalado, mas antes disso é interessante notar que, pela equação da
continuidade, sendo 𝐴2 < 𝐴1,tem-se 𝑉2 > 𝑉1,e como a energia cinética aumenta de 1
para 2 no trecho considerado, a energia de pressão deverá diminuir para que a soma
seja constante. Essa observação explica o porquê de o manômetro estar desnivelado
da esquerda para a direita, já que 𝑃1 > 𝑃2. Partindo do centro geométrico da seção 1,
desprezando os trechos comuns aos dois ramos do manômetro e considerando 𝛾𝐻𝑔 =
136000 𝑁/𝑚3 e 𝛾𝐻2𝑂 = 10000 𝑁/𝑚3 e 𝑔 = 10 𝑚/𝑠2 , a equação manométrica ficará:
(Franco Brunetti, 2008)
𝑃1 + 𝛾𝐻2𝑂 . ℎ − 𝛾𝐻𝑔. ℎ = 𝑃2
𝑃1 − 𝑃2 = (𝛾𝐻𝑔 − 𝛾𝐻2𝑂). ℎ
Logo:
𝑃1 − 𝑃2 = 12.600 𝑁/𝑚2 (3)
Aplicando a equação (3) na equação (2) tem-se:
𝑉22 − 𝑉1
2
2𝑔=
12.600
10.000
Logo:
𝑉22 − 𝑉1
2 = 25,2𝑚2
𝑠2 (4)
Sendo A a área da seção transversal, 𝐴1 = 20𝑐𝑚2e 𝐴2 = 10𝑐𝑚2 e usando a
equação da conservação da massa entre as seções 1 e 2 obtém-se:
68
𝑉1𝐴1 = 𝑉2𝐴2
Logo:
𝑉1 =𝑉2𝐴2
𝐴1
𝑉1 = 0,5. 𝑉2 (5)
Aplicando a equação (5) na equação (4) obtendo-se a equação seguinte:
𝑉2 = √(25,2
0,75) = 5,8 𝑚/𝑠
A vazão pode ser então obtida, multiplicando-se esta velocidade pela sua
respectiva área.
𝑄 = 𝑉2. 𝐴2
𝑄 = 5,8 𝑥 (10 𝑥 10−4)
𝑄 = 5,8 𝐿/𝑠
Conforme previsto inicialmente foi calculada a vazão a partir do tubo de
Venturi e usando a equação de Bernoulli, equação manométrica e a equação da
conservação da massa.
69
9. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ROCHA, João. R. Cor Luz, Cor Pigmento e os Sistemas RGB e CMK; 2010.
Disponível em: http://www.belasartes.br/revistabelasartes/downloads/artigos/3/cor-
luz-cor-pigmento-e-os-sistemas-rgb-e-cmy.pdf. Acesso em 20/03/2014.
MELLO, Vinícius. M., SUAREZ, Paulo. A. Z. As Formulações de Tintas Expressivas
Através da História; 2012. Diponível em:
www.uff.br/RVQ/index.php/rvq/article/viewFile/248/218. Acesso em 28/02/2014
SEBRAE Nacional. Ideias de negócio; 2010. Disponível em:
http://m.sebraesc.com.br/SebraeSiteWap/ideiasdenegocio.id.logic?id=6B5A5CB5D3
A1FF75832579840042603Ahttp://www.abrafati.com.br/. Acesso em 10/04/2014
ABRAFATI. Faturamento de tintas em 2013; 2013. Disponível em:
http://www.abrafati.com.br/indicadores-do-mercado/numeros-do-setor/. Acesso em
10/03/2014.
ABRAFATI. Volume de tintas em 2013; 2013. Disponível em:
http://www.abrafati.com.br/indicadores-do-mercado/numeros-do-setor/. Acesso em
10/03/2014.
Norma NBR 11702. Tintas para Edificações não Industriais; 1991. Disponível em:
http://pt.scribd.com/doc/151559913/NBR-11702-Tintas-Para-Edificacoes-Nao-
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70
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