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Atuadores, controladores e sensores industriais

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AUTOMAÇÃO 
INDUSTRIAL
Maikon Lucian Lenz
Atuadores, controladores 
e sensores industriais
Objetivos de aprendizagem
Ao final deste texto, você deve apresentar os seguintes aprendizados:
 � Descrever a instrumentação de sensores.
 � Identificar os princípios das conexões elétricas de sensores e atuadores 
industriais.
 � Analisar o funcionamento de atuadores e controlares industriais.
Introdução
Neste capítulo, você vai estudar os três elementos fundamentais da 
automação: atuadores, controladores e sensores. Os atuadores modificam 
o comportamento do sistema, oferecendo energia para manipular os ob-
jetos envolvidos. Já os controladores são dispositivos utilizados na tomada 
de decisão e correspondem ao cérebro da aplicação; eles orientam os 
atuadores sobre quando e como funcionar. Por fim, os sensores retornam 
informações relevantes do ambiente e dos objetos manipulados, para 
que estas sirvam de base para os controladores tomarem as decisões 
para as quais foram programados ou parametrizados.
1 Instrumentação de sensores
Os processos automatizados podem se apresentar em diferentes formas e 
naturezas. Um sistema de controle de vendas, por exemplo, exerce parte do 
trabalho que antes estava sob total responsabilidade de um operador, cal-
culando impostos, registrando mudanças de estoque, avaliando métricas de 
desempenho, produzindo relatórios e tantas outras funções. Nos ambientes 
industriais, no entanto, a automação se faz presente principalmente por meio 
de instrumentos para:
 � sensoriamento de máquinas;
 � acionamento de dispositivos que transformam de alguma forma os 
materiais envolvidos na produção ou o próprio ambiente que os cerca; e
 � controlar, organizar e orientar todos esses elementos.
É graças ao feedback dado pelos sensores que esses outros dispositivos, 
atuadores e controladores podem ser empregados para controlar e alterar o 
processo produtivo. A instrumentação, responsável por alimentar o sistema 
com informações a respeito do processo, é o ponto de partida de qualquer 
automação (DUNN, 2013). Essa automação, quando bem projetada, poderá 
não apenas diminuir os custos e aumentar a produtividade, como também 
garantir maior segurança e qualidade (LAMB, 2015).
Foi uma mudança de estrutura e natureza dos dispositivos utilizados que deu 
início à instrumentação industrial, que visa ao aperfeiçoamento do processo 
de automação. Tão logo a eletrônica começou a se desenvolver, a automação, 
antes essencialmente mecânica e pneumática, passou a ser substituída, a 
partir da metade do século XX, por componentes eletrônicos, em especial, 
sensores e controladores. Essa mudança possibilitou que formas mais com-
plexas de automação fossem desenvolvidas e reduziu parte dos problemas de 
confiabilidade e manutenção, antes corriqueiros, devido ao desgaste físico 
dos meios de controle.
Sensores e controladores que antes costumavam falhar com frequência ou 
apresentar vida útil reduzida, principalmente devido ao desgaste mecânico 
de todos os componentes envolvidos, foram gradualmente substituídos por 
componentes de estado sólido, em que partes móveis são empregadas somente 
quando estritamente necessário ou mais adequado ao tipo de aplicação desejada.
Tanto os métodos essencialmente mecânicos de controle quanto os métodos mo-
dernos, predominantemente eletrônicos, exercem o mesmo papel sob o ponto de 
vista da automação industrial: o de reduzir a necessidade de intervenções e tomadas 
de decisões humanas para guiar o processo de produção. 
Atuadores, controladores e sensores industriais2
Sensores
Os sensores são os elementos que alimentam o sistema com as informações 
necessárias para se modificar o processo, seja para sequenciar as operações 
na ordem correta ou para regular o comportamento de um mecanismo em 
diferentes intensidades, velocidades e formas de atuação. A seleção de sensores 
deve considerar a natureza da medida, para definir quais efeitos e tipos de 
sensores são mais adequados para cada situação. Existem inúmeras formas 
diferentes de se medir temperatura, deslocamento, velocidade, luminosidade 
e qualquer grandeza que seja (BOLTON, 2010).
Na sequência, o sensor deverá ser capaz de fornecer sinal no formato ou na 
intensidade que possa ser utilizada pelo restante do projeto ou, ao menos, que 
possa ser adequada por alguma interface (ALCIATORE; HISTAND, 2014). 
Assim, os sensores integram um componente maior da automação, denominado 
sistema de medição, em que podem se fazer presentes o elemento de senso-
riamento em si e também interfaces para condicionamento e adequação de 
sinais, além de um meio de exibição das informações no próprio equipamento.
Ao contrário da utilização de sensores em sistemas embarcados, cujo projeto 
visa, entre outros fatores, a diminuir redundâncias, gastos e, muitas vezes, 
espaço físico, no ambiente industrial, maior ênfase é dada à segurança, à 
recuperação e à manutenção dos componentes. Logo, um simples sensor de 
temperatura que seria empregado diretamente em uma placa e cuja interface 
provavelmente seria desenvolvida especificamente para ela, na indústria, se 
apresentaria em um módulo robusto, envolto em uma carcaça que o protegesse 
de ruídos, umidade, choques e outras interferências. Em muitos casos, contaria 
ainda com um visor que exibisse a informação, e o acesso se daria por meio de 
conexões padronizadas para um determinado tipo de comunicação, com níveis 
de tensão, de corrente e, até mesmo, de frequência adequados para o padrão 
esperado. A Figura 1 apresenta um sensor industrial de diferença de pressão.
3Atuadores, controladores e sensores industriais
Figura 1. Sensor de pressão industrial.
Fonte: ekipaj/Shutterstock.com.
As características mais relevantes que devem ser observadas em qualquer 
sensor utilizado são: faixa de operação, alcance, erro, precisão, sensibilidade, 
repetibilidade, estabilidade, resolução e, quando elétrico, também a impedância 
de saída (RODRIGUES, 2016). A faixa de operação descreve o conjunto de 
valores possíveis de serem mensurados pelo sensor, especificando valores de 
mínimo e máximo. O alcance, por sua vez, nada mais é que a diferença entre 
esses limites. Por exemplo, um sensor de temperatura cuja faixa de operação 
seja entre −4°C e 120°C terá um alcance de 124°C (DUNN, 2013).
O erro de um sensor pode se dar de diferentes formas:
 � o erro absoluto é a diferença entre o valor medido e o valor real;
 � o erro de histerese é a diferença de comportamento que um sensor 
apresenta conforme o sentido de variação da grandeza mensurada — 
em outras palavras, um mesmo valor pode ser mensurado de forma 
diferente, se a grandeza está em ascensão ou em declínio (Figura 2);
 � já o erro de não linearidade é a diferença existente entre uma linha 
reta da medição mínima até a máxima do sensor, para cada intervalo 
de medição, cujo valor representa a maior diferença esperada ao longo 
de toda a faixa de operação.
Atuadores, controladores e sensores industriais4
A precisão indica o quanto um valor medido pode estar errado, seja acima 
ou abaixo do esperado. Por exemplo, é esperado que um sensor de temperatura 
com precisão de 1°C tenha apenas 1°C de diferença entre o valor medido e o 
valor real, podendo ser até 1°C menor ou maior. Já a sensibilidade especifica 
a relação entre os sinais de entrada e de saída. O valor de entrada é dado em 
termos da unidade de grandeza mensurada, e o de saída é dado em termos da 
unidade de grandeza do sinal gerado pelo sensor — por exemplo, um sensor 
de temperatura com sensibilidade de 0,1 Ω/°C.
A repetibilidade é a capacidade que um sensor tem de fornecer a mesma 
saída repetidas vezes (RODRIGUES, 2016). Normalmente é expressa em termos 
percentuais da variação esperada para uma série de medições (equação 1).
 (1)
A estabilidade é similar à repetibilidade, porém, visa a determinar a ca-
pacidade de se retornar o mesmo valor de saída dentro de um dado intervalo 
de tempo de medições constantes. Em outras palavras, especifica a
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