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AULA 2 FUNDAMENTOS DE SISTEMAS DE CONTROLE Prof. Alexandre Arioli 02 CONVERSA INICIAL Caro aluno, seja bem-vindo à sua segunda aula de Fundamentos de Sistemas de Controle. Nesta segunda aula, abordaremos os sinais digitais/analógicos e os sensores. Você conhecerá as entradas e as saídas digitais e analógicas. Nós analisaremos os sensores discretos e analógicos e suas aplicações nos processos industriais. Neste contexto, a ideia é que, ao final da aula, você tenha uma boa noção dos tipos de sinal e dos sensores que podem ser utilizados para a automação de um processo. CONTEXTUALIZANDO Os controladores lógicos programáveis podem processar sinais analógicos e digitais, sendo estes tratados e interpretados pela UCP. Para o controle de um processo, os CLPs reagem a uma informação de entrada que é processada, analisada e resulta em uma atuação nas saídas. As entradas podem ser obtidas de forma discreta ou analógica. A utilização de sensores é essencial para o controle de processo industrial, energético, têxtil, alimentícios, petroquímico, entre outros. Por meio das informações provenientes dos sensores podemos controlar níveis, pressões, motores, esteiras, prensas e outros diversos equipamentos, componentes e processos. Os sensores também são utilizados na área de proteção de máquinas (NR12), para a qual existe uma legislação específica. Vamos, nesta segunda aula, entender um pouco sobre as interfaces digitais e analógicas dos CLPs, sensores e suas aplicações para controle de processos. TEMA 1 – ANALÓGICO E DIGITAL 1.1 Sinal Digital Os elementos básicos da lógica de automação são os estados digitais. Um interruptor e um sinal só podem estar ligados ou desligados (on ou off). Estes estados são representados por um sinal, sendo 0 para desligado e 1 para ligado. Existem muitos elementos em um esquema de automação representáveis por 1 ou 0: o estado de um interruptor ou de um sensor, o estado de um motor, de uma válvula, ou mesmo o estado de uma máquina (Lamb, 2015). 03 Figura 1 – Sinal digital Fonte: O autor. 1.2 Sinal analógico Muitas vezes, não é possível descrever os estados de diversos dispositivos de forma tão simples. Um motor pode estar ligado ou desligado, mas ele também apresenta outros parâmetros, como a velocidade – que só pode ser descrita numericamente. Para essa finalidade, uma representação analógica desse valor é usada. Dependendo do tipo dos números usados, um valor analógico pode ser representado por um número inteiro ou um número real com vírgula decimal. Os sinais das entradas analógicas assumem a forma de variações de tensão ou corrente. Um dispositivo analógico pode medir posição, velocidade, vazão ou outra característica física. Esses sinais são conectados a um circuito, o qual os converte em números digitais. Os sinais elétricos são convertidos em digitais a partir de entradas analógicas por meio de um circuito conversor analógico-digital (ADC - Analog to Digital Converter). Os sinais são convertidos de digitais em analógicos, utilizando um conversor digital-analógico (DAC - Digital to Analog Converter). Figura 2 – Conversão A/D Fonte: O autor. 04 1.2.1 Escala de conversão analógica Os valores analógicos devem ser convertidos em unidades de medidas para serem exibidos. A fórmula para tal é derivada da fórmula de uma reta, Y=mx+b, em que m é um escalar criado da divisão da unidade de engenharia pela faixa de corrente e tensão, x é o valor analógico obtido do sinal de entrada, e b é o deslocamento. Y é o valor das unidades de engenharia a ser exibido (Lamb, 2015). Como exemplo, suponhamos que temos uma entrada de 4 a 20mA representando determinado peso, em quilos. Em 4mA, temos que o valor lido é de 0 quilos, enquanto o valor de 20mA representa o valor de leitura de 100 quilos. Suponha que um cartão de 16 bits dê a leitura de 0 para 4 mA e de 65.536 para 20mA. Então, a faixa de peso é 100 e a faixa de corrente, 65.536. O escalar é, portanto, 100/65.536 = 0,0015259, o número de quilos por contagem digital. Neste exemplo, supõem-se um valor de 27.000 no cartão. Multiplicando pelo escalar, chegamos ao valor de 41,199 quilos (Lamb, 2015). Escalar da range de engenharia 100 (máximo) – 0 (mínimo) = 100. Escalar do range da entrada analógica do CLP 65.535 (máximo) – 0 (mínimo) = 65.535. M = Escalar da range de engenharia / Escalar do range da entrada analógica do CLP. B = 0, pois o valor inicial da escala é 0. X = 27.000. Y = 0,0015259*27.000+0. Y = 41,199 kg. A seguir, será apresentado um exemplo de conversão de escala em um CLP Rx3i da GE. Esta conversão foi desenvolvida para sinais inteiros e com casas após a vírgula (ponto flutuante). Variáveis da Fórmula MaxUE máximo da escala de engenharia; MinUE mínimo da escala de engenharia; MaxIO máximo da entrada analógica; MinIO mínimo da entrada analógica; Atual valor da entrada analógica. 05 Fórmula – Valor = (Escalar * Valor da entrada analógica) + Deslocamento Escalar ((MaxUE – MinUE) / (MaxIO – MinIO)); Valor da entrada analógica Atual (0 a 4095); Deslocamento valor inicial da unidade de engenharia (MinUE). Figura 3 – Exemplo de conversão de Escala no CLP Rx3i da GE Fonte: O autor. TEMA 2 – ENTRADAS E SAÍDAS DIGITAIS Para que um CLP, por meio de um programa, controle adequadamente determinado processo, é necessário que ele possua dispositivos de entrada e saída digitais compatíveis com as variáveis do processo e com as estratégias de controle desejadas. 06 2.1 Entradas digitais Apesar de as variáveis físicas, tais como temperatura, pressão, força, massa etc., terem comportamento analógico, a maioria dos processos é controlada por meio de informações digitais, provindas de sensores, botoeiras, chaves fim de curso, termostatos, pressostatos etc., tornando as entradas digitais as mais presentes e as mais utilizadas em CLPs (Zancan, 2011). As entradas digitais de um CLP estão aptas a identificar a presença ou não de um sinal elétrico provindo de determinado dispositivo, dentro de uma determinada faixa de valores, reconhecendo a presença do sinal, mas não sua amplitude. Os valores de tensão mais utilizados em entradas digitais são 24 Vcc e 110 a 220 Vca (Zancan, 2011). Para que a CPU possa interpretar corretamente as informações elétricas que chegam às entradas digitais, o CLP dispõe de módulos de entrada, responsáveis pela adequação elétrica dos sinais (Zancan, 2011). 2.1.1 Dispositivos para entradas digitais Os dispositivos para entradas digitais devem fornecer às entradas digitais do CLP informações elétricas binárias correspondentes a dois níveis diferentes de tensão, respeitando as especificações de valores do CLP. Como exemplo, podemos ter 0 Vcc para baixo nível (desativada) e 24 Vcc para alto nível (ativada) (Zancan, 2011). Como exemplo de dispositivos para entradas digitais, temos os interruptores, as botoeiras, chaves fim de curso, os termostatos, pressostatos, sensores digitais capacitivos, indutivos e fotoelétricos etc., conforme mostra a figura a seguir (Zancan, 2011). 07 Figura 4 – Dispositivos para entradas digitais: (1) interruptor; (2) botoeira; (3) chave fim de curso; (4) termostato; (5) pressostato; (6) sensor indutivo Fonte: Zancan (2011). 2.2 Saídas digitais As saídas digitais são as mais utilizadas em CLPs devido à sua simplicidade, uma vez que estas podem assumir somente duas situações: acionada ou desacionada. Quando uma saída digital está acionada, se comporta como uma chave fechada, energizando o dispositivo atuador. Quando desacionada, se comporta como uma chave aberta, desenergizando o dispositivo atuador. A comutação das saídas pode ser à transistor ou à relé, aplicando no dispositivo atuador a tensão fornecidaà saída, geralmente 24 Vcc, 127 Vca ou 220 Vca (Zancan, 2011). 2.2.1 Dispositivos para saídas digitais Como as saídas digitais comportam-se como chaves abertas ou fechadas, podemos utilizá-las para comutar um circuito elétrico com tensão compatível com os terminais do CLP e com os equipamentos elétricos conectados à saída, acionando-os ou os desacionando. Entretanto, o CLP é um equipamento lógico, projetado para acionar pequenas cargas elétricas, geralmente dispositivos eletromecânicos ou eletrônicos de acionamentos, tais como contatores, lâmpadas 08 de sinalização, soft-starters, válvulas eletro-hidráulicas ou eletropneumáticas etc., capazes de acionar cargas elétricas de maior potência, como mostra a figura a seguir. Figura 5 – Dispositivos para saídas digitais: (1) contator; (2) soft-starter; (3) lâmpadas de sinalização; (4) válvula eletro-hidráulica Fonte: Zancan (2011). TEMA 3 – ENTRADAS E SAÍDAS ANALÓGICAS Para que um CLP, por meio de um programa, controle adequadamente determinado processo, é necessário que ele apresente dispositivos de entrada e saída analógicas compatíveis com as variáveis do processo e com as estratégias de controle desejadas. 3.1 Entradas analógicas As entradas analógicas de um CLP são geralmente empregadas em processos que exigem um controle mais preciso, identificando e atualizando, a cada varredura, o valor instantâneo da variável de entrada. As principais variáveis físicas medidas por entradas analógicas são de temperatura e pressão. Para isso, são utilizados alguns dispositivos, tais como os sensores de pressão e 09 termopares, que convertem as variáveis físicas em sinais elétricos proporcionais, cujas amplitudes são reconhecidas pelas entradas analógicas do CLP. Esses sinais elétricos podem ser de tensão ou corrente, cuja faixa de valores mais utilizada é, respectivamente, 0 a 10 Vcc e 4 mA a 20 mA (Zancan, 2011). 3.1.1 Dispositivos para entradas analógicas Os dispositivos para entradas analógicas devem ser compatíveis com as entradas analógicas do CLP, em relação ao tipo de sinal (corrente ou tensão) e à faixa de valores deste sinal, fornecendo ao CLP sinais elétricos variáveis, proporcionais à variação da grandeza física que está sendo medida (Zancan, 2011). Como exemplo de dispositivos para entradas analógicas, temos os potenciômetros, os sensores de pressão, sensores de vazão, sensores de distância, termopares etc., conforme mostra a figura a seguir (Zancan, 2011). Figura 6 – Dispositivos para entradas analógicas: (1) potenciômetro; (2) sensor de pressão; (3) termopar; (4) sensor de vazão; (5) sensor de distância Fonte: Zancan (2011). 010 3.2 Saídas analógicas As saídas analógicas de um CLP são geralmente utilizadas em processos que exigem um controle mais preciso, ajustando o funcionamento dos atuadores às necessidades do processo. Os sinais elétricos das saídas analógicas podem ser de tensão ou corrente, cujas faixas de valores mais utilizadas são, respectivamente, 0 a 10 Vcc e 4 mA a 20 mA. Dessa forma, os atuadores receberão das saídas analógicas sinais elétricos variáveis, não apenas energizando os equipamentos, mas, principalmente, definindo a intensidade de sua atuação no processo (Zancan, 2011). 3.2.1 Dispositivos para saídas analógicas Os dispositivos para saídas analógicas recebem do CLP sinais elétricos variáveis, de tensão ou corrente, controlando a atuação de um equipamento elétrico. Temos como exemplos: controle de temperatura, controle de nível, controle de rotação de motores elétricos etc. Para isso, são necessários circuitos ou equipamentos eletrônicos auxiliares que recebem a informação analógica do CLP, atuando diretamente no funcionamento dos equipamentos elétricos, como um conversor de frequência, equipamento eletrônico destinado ao controle de rotação de motores de indução. A figura a seguir mostra um conversor de frequência (Zancan, 2011). Figura 7 – Inversor de frequência Fonte: O autor. 011 TEMA 4 – SENSORES DISCRETOS Sinal quantificado que indica a existência ou não de um evento. Pode assumir os valores 0 (zero) ou 1 (um), bem como uma combinação destes. Os sensores discretos são utilizados para monitorar a ocorrência ou não de determinado evento. Apresentam, em sua saída, dois estados distintos, como ligado (on) ou desligado (off), ou a presença ou ausência de determinada grandeza elétrica (Fluentes, 2005). Figura 8 – Fim de curso Fonte: O autor. Podem ser dispositivos eletromecânicos simples e de baixo custo, como microswitchs e interruptores fim de curso. Há também os eletrônicos, como os sensores de proximidade indutivos e capacitivos (Fluentes, 2005). Conheça as características dos Sensores Discretos eletromecânicos e eletrônicos, segundo Fluentes (2005): Eletromecânicos Necessidade de contato físico com o alvo; Baixa velocidade de resposta; Baixa frequência de comutação; Vida útil limitada dos contatos; Baixo custo. Eletrônicos Não necessita de contato físico com o alvo; Alta velocidade de repostas; Não apresenta limitações de ciclos de operação; Custo elevado. 012 Os sensores de proximidade discretos detectam a presença de um objeto em determinada posição do espaço. Muitos sistemas de produção utilizam chaves eletromecânicas para a determinação da posição dos movimentos executados. Entretanto, estes componentes necessitam de contato físico e apresentam limitações quanto à velocidade de atuação. A atual tecnologia eletrônica permitiu o desenvolvimento de diversos modelos de sensores de proximidade com características específicas para as mais variadas aplicações (Fluentes, 2005). Tipos de sensores discretos: Magnéticos; Indutivos; Capacitivos; Ópticos. A seguir, apresentaremos alguns exemplos de aplicações em que os sensores discretos podem ser utilizados. Figura 9 – Detecção de posição Fonte: Fluentes (2005). Figura 10 – Contagem de peças Fonte: Fluentes (2005). Figura 11 – Detecção de nível Fonte: Fluentes (2005). 013 4.1 Sensores indutivos Os sensores de proximidade indutivos são dispositivos eletrônicos capazes de detectar a aproximação de peças metálicas, em substituição às tradicionais chaves fim de curso. A detecção ocorre sem que haja contato físico, aumentando a vida útil do sensor por não possuir peças móveis sujeitas a desgastes mecânicos (Fluentes, 2005). 4.2 Sensores capacitivos O sensor capacitivo tem como principal vantagem poder detectar objetos metálicos e não metálicos, ao contrário do indutivo, que só detecta objetos metálicos. Outra vantagem é que essa detecção pode ser realizada com objetos que estejam dentro de recipientes não metálicos. Esses sensores são usados geralmente na indústria de alimentos e para verificar os níveis de fluidos e sólidos dentro de tanques. Os sensores capacitivos não são tão precisos quanto os indutivos, além de serem mais sensíveis à variação do ambiente. 4.3 Sensores fotoelétricos Os sensores fotoelétricos, também conhecidos por sensores ópticos, manipulam a luz de forma a detectar a presença do acionador, que, na maioria das aplicações, é o próprio produto (Fluentes, 2005). 4.3.1 Sistema de barreira O transmissor e o receptor estão em unidades distintas e devem ser dispostos um frente ao outro, de modo que o receptor possa constantemente receber a luz do transmissor. O acionamento da saída ocorre quando o objeto a ser detectado interrompe o feixe de luz. 014 Figura 12 – Barreia de luz instalada em uma prensa Fonte: O autor. 4.3.2 Sistema por difusão (fotosensor) Neste sistema, o transmissor e o receptor são montados na mesma unidade. O acionamento da saída ocorre quando o objeto a ser detectado entra na região de sensibilidade e reflete para o receptor o feixede luz emitido pelo transmissor (Fluentes, 2005). 4.3.3 Sistema retro-refletivo Este sistema apresenta o transmissor e o receptor em uma única unidade. O feixe de luz chega ao receptor somente após ser refletido por um espelho prismático, e o acionamento da saída ocorrerá quando o objeto a ser detectado interromper este feixe (Fluentes, 2005). 015 Figura 13 – Sensor retro-refletivo Fonte: Fluentes (2005). 4.3.4 Informações sobre os sensores ópticos A seguir serão apresentados alguns conceitos para a utilização de sensores ópticos. Background: Alguns sensores ópticos podem apresentar supressores de background, ou seja, serão insensíveis ao fundo brilhante. Portanto, se houver um fundo brilhante, isso pode confundir a detecção do objeto, mesmo que este fundo esteja fora da distância sensora máxima. Zona Morta: Existe uma área próxima ao sensor onde não é possível a detecção do objeto, pois, nesta região, a reflexão da luz não consegue chegar ao receptor. A zona morta normalmente é de 10 a 20% da distância sensora. Interferências do meio: Os sensores ópticos não são 100% imunes à iluminação do ambiente. Algumas recomendações são: não colocar lâmpada fluorescente muito próximo do sensor, nem deixar luz solar incidir diretamente sobre as lentes. Fator de redução: Alguns catálogos de sensores apresentam tabelas de fatores de correção em função do material e da cor do objeto a ser detectado. Ajuste de Sensibilidade: Todos os modelos fotossensores apresentam um potenciômetro para ajuste de sensibilidade, o qual tem como função ajustar a distância sensora de modo que o sensor discrimine somente o objeto a ser detectado. TEMA 5 – SENSORES ANALÓGICOS Os sensores analógicos produzem uma saída proporcional a uma propriedade de medida. Frequentemente, há compensações e erros lineares 016 associados aos sensores analógicos que ser precisam ser levados em conta ao se utilizar de medidas resultantes, e uma calibração em relação a um padrão conhecido costuma ser requerida (Lamb, 2015). 5.1 Ultrassônicos Os sensores ultrassônicos transmitem pulsos de som em uma alta frequência e avaliam o eco recebido de volta ao sensor. Os sensores calculam o intervalo de tempo entre o sinal e o eco recebido para determinar a distância na qual se encontra um objeto (Lamb, 2015). Os sensores ultrassônicos são usados para medir distâncias, sendo comuns em aplicações que medem líquidos e níveis de tanque. Essa tecnologia é limitada pelas formas das superfícies e pela densidade ou consistência de um material. Por exemplo, a espuma na superfície de um fluído em um tanque pode distorcer uma leitura (Lamb, 2015). Figura 14 – Sensor ultrassônico Fonte: O autor. 5.2 Sensor de temperatura O dispositivo mais comum para medir a temperatura é o termopar. Os termopares são empregados na ciência e na indústria. Algumas aplicações incluem medidas de temperatura de fornos e na moldagem de plásticos por injeção, medidas de temperatura exaustivas de turbinas a gás e vários outros processos industriais (Lamb, 2015). 017 Figura 15 – Sensor PT100 Fonte: O autor. 5.3 Sensor de pressão Os sensores de pressão são utilizados em aplicações que incluem medidas de pressão de tanques, rede de distribuição de água, circuitos hidráulicos e vários outros processos industriais. Figura 16 – Sensor de pressão Fonte: O autor. 5.4 Sensor radar Com os sensores radares, é possível medir os níveis, a velocidade e o volume, por exemplo, de um tanque. Os sensores radares funcionam em ambientes com muita poeira, podendo ser utilizados na medição de tanques, silos entre outras aplicações. Esse sensor possui a capacidade de isolar partículas soltas, assim como as características do ambiente de medição (tanques, silos entre outros), focando no nível real de material dentro dele. Figura 17 – Sensor radar Fonte: O autor. 018 FINALIZANDO Nesta segunda aula, apresentamos um pouco sobre os tipos de sinais existentes, que são interpretados pelos controladores lógicos programáveis, os tipos de interface (entradas e saídas) que os CLPs utilizam para aquisitar/comandar sinais de campo, e os tipos de sensores discretos e analógicos existentes para detecção de elementos e medições de variáveis de um processo, tais como: temperatura, níveis, pressão, entre outras. As análises dos dispositivos corretos para interface com os elementos de um processo nos impõem desafios que devem ser avaliados para que o resultado final do controle atinja necessidade e qualidade exigidas pelo cliente final. 019 REFERÊNCIAS CAPELLI, A. Automação Industrial: controle do movimento e processos contínuos. São Paulo, Erica, 2015. FLUENTES, R. C. Apostila de Automação Industrial. Santa Maria: Universidade Federal de Santa Maria; Colégio Técnico Industrial de Santa Maria, 2005. Disponível em: <http://w3.ufsm.br/fuentes/index_arquivos/CA03.pdf>. Acesso em: 2 nov. 2017. LAMB, F. Automação Industrial: na prática. Porto Alegre, RS: McGraw-Hill, 2015. ZANCAN, M. D. Controladores programáveis. 3 ed. Santa Maria, RS: Universidade Federal de Santa Maria; Colégio Técnico Industrial de Santa Maria, 2011.
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