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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 avariação de uma saída esperada ao longo do tempo. Já a resolução define a variação de entrada mínima perceptível e representável na saída do sensor — é o menor intervalo de medição. Por fim, a impedância se refere especificamente aos sensores cuja saída se dá na forma de um sinal elétrico. Quanto menor a impedância de saída, menor será o impacto do próprio sensor sobre o sinal de saída, sendo possível fornecer correntes maiores e transferir a maior parte do sinal para o elemento de controle ou qualquer outro dispositivo que esteja integrado ao sensor. Como se vê, parte das características envolve diretamente a grandeza a ser medida, como faixa de operação e precisão, outras têm impacto sobre os componentes que farão uso do sinal do sensor, como é o caso da impedância de saída. De qualquer forma, a seleção de sensores deve levar em consideração todo o sistema envolvido no processo de automação. Tendo sido elencados os possíveis sensores a serem utilizados, outras características ainda poderão ser consideradas, como tamanho, tempo de vida, custo e se o material ou o componente como um todo se adequa ao restante do projeto — por exemplo, suportando as condições do ambiente a que estará exposto (BOLTON, 2010). Em sistemas integrados, como é o caso da maioria das automações, é mais comum o uso de sensores cuja saída é um sinal elétrico, especialmente devido à necessidade de se utilizar controladores eletrônicos que possam processar essas informações. 5Atuadores, controladores e sensores industriais O sinal dos sensores elétricos pode ser do tipo analógico, com variações contínuas de valor e em proporção direta com o sinal de entrada — por exemplo, relacionando a umidade relativa do ar de 0 a 100% a um valor de tensão entre 0 e 5 V. Os sensores também podem ser do tipo digital, cujo valor medido é amostrado e codificado no tempo para representar, por meio de um número binário, um valor aproximado do mensurado. No caso dos sensores digitais, a resolução tem um impacto ainda maior sobre o sensor, uma vez que parte da informação medida é perdida naturalmente pelo processo de amostragem. Há ainda sensores cuja saída é apenas o estado de ligado ou desligado, muito utilizados para detectar a presença ou a posição de algum elemento do sistema. Por se tratar, na maioria das vezes, de sensores de resposta elétrica, os transdutores envolvidos terão a finalidade de relacionar a grandeza medida em uma mudança de tensão, corrente ou impedância elétrica. Um termopar, por exemplo, aproveita a diferença entre dois materiais condutores de diferentes coeficientes de temperatura para criar uma diferença de potencial que esteja relacionada a essa medida. A intensidade dessa tensão elétrica, no entanto, é baixa, da ordem de milivolts (mV), e dificilmente seria bem aproveitada por qualquer controlador ou processador utilizado. Assim, um sensor de tempe- ratura industrial, que faça uso de um termopar, fará o condicionamento desse sinal utilizando um elemento de amplificação de sinal e compatibilização de impedância. Afinal, quanto menor a impedância de saída, menor será o efeito de carga produzido pelo controlador sobre o sinal do sensor (BOLTON, 2010). Casos comuns de sensores envolvem a medição de deslocamento e po- sicionamento, situações em que podem ser utilizados simples potenciôme- tros, aproveitando o deslocamento de um cursor acoplado ao elemento em movimento, para variar a resistência em um circuito e, consequentemente, a queda de tensão sobre este. Extensômetros utilizam materiais que alteram sua resistência quando sujeitos a forças de compressão ou tração. Efeitos de capacitância e indutância também podem ser utilizados para modificar a tensão de saída, especialmente na detecção de movimento, des- locando uma placa ou dielétrico de um capacitor ou o núcleo ferromagnético de um conjunto de bobinas. Ambos os efeitos, apesar de não apresentarem respostas lineares, na maioria dos casos, são amplamente utilizados em sen- sores de proximidade, em que a saída é um sinal indicando a presença ou não do objeto/material próximo do sensor. Nesse caso, a não linearidade não influenciará na detecção, até porque o sensor é ajustado para atuar para uma distância específica, não importando a intensidade com que o campo elétrico ou magnético dos elementos varia para além desse limiar. Atuadores, controladores e sensores industriais6 Outros elementos reagem a variações de luminosidade, seja modificando a resistência de um material ou mesmo produzindo uma pequena corrente. Da mesma forma, esses sensores podem ser utilizados para mensurar a in- tensidade de luz presente no ambiente. É o caso das fotocélulas presentes em sistemas de iluminação urbana, que permitem que a lâmpada de um poste de luz seja acionada sempre que escurecer e desligada automaticamente ao amanhecer. São também usadas para indicar movimentação de objetos, como na contagem de elementos que passam entre o feixe de luz de um LED (light emitting diode, ou diodo emissor de luz) e um fotosensor, ou no deslocamento de uma máscara frente ao emissor e o receptor, que alterna pontos de trans- parência e opacidade. Podem ainda ser usadas para mensurar a frequência de um deslocamento angular, linear ou mesmo a posição de um objeto quando a máscara for devidamente codificada para tal, como no exemplo da Figura 2, em que se pode ver um encoder. Figura 2. Encoder de posição absoluta. 7Atuadores, controladores e sensores industriais Os mesmos efeitos, além de outros, podem ser utilizados ainda na men- suração de: � vazão ou velocidade, com um encoder incremental acoplado ao eixo de uma turbina, por exemplo; � presença de corpos quentes, utilizando sensores piroelétricos, muito comuns na detecção da presença de pessoas em um ambiente e no acionamento de mecanismos de segurança de um ambiente de produção, por exemplo; � nível de líquido, com auxílio de potenciômetros acoplados a uma boia; � tempo de reflexão de ultrassom; � distâncias ou variação da capacitância, utilizando o material de preen- chimento como dielétrico. Existem diversas outras combinações de efeitos e mecanismos que podem mensurar a grandeza alvo do sensor e transformá-la em um sinal de saída elé- trico proporcional à entrada, devidamente adequado aos níveis de intensidade e frequência empregados nos demais componentes do sistema. 2 Funcionamento de atuadores e controladores Nesta seção, você vai compreender o funcionamento dos atuadores e con- troladores, verificando onde esses dispositivos são aplicados e como é feita a sua implementação. Atuadores O atuador é, como o nome sugere, aquele que atua sobre o sistema, fornecendo energia para modificar o processo (BOLTON, 2010). Assim como os sensores, os atuadores podem ser elétricos ou de outro tipo, sendo muito comum a presença de atuadores pneumáticos e hidráulicos na indústria. Em geral, os atuadores são comandados em última instância por algum componente elétrico. Mesmo os cilindros pneumáticos, que se movem para a frente ou para trás de acordo com a pressão do ar comprimido em suas câmaras, são, na maior parte das vezes, controlados por uma válvula eletropneumática, que direciona o ar conforme a alimentação de suas bobinas. Assim, é possível utilizar diferentes formas de energia, mesmo que o sistema de sensoriamento e controle seja primordialmente elétrico. Atuadores, controladores e sensores industriais8 O motor elétrico é, sem sombra de dúvida, um dos atuadores mais comuns no ambiente industrial, sendo responsável pelo consumo de aproximadamente 29% de toda a energia elétrica produzida no Brasil (SEBRAE, 2016), por exem- plo. Outros atuadores podem envolver desde simples cilindros pneumáticos até braços robóticos articulados. Com exceção dos motores, grande parte dos demais atuadores industriais são pneumáticos ou hidráulicos. Os sistemas pneumáticos fazem uso de ar comprimido, portanto, fazem uso de matéria-prima abundante e disponívelem qualquer lugar, além de não poluírem, sujarem ou danificarem produtos e equipamentos envolvidos no processo. Comparadas ao sistema hidráulico, as instalações pneumáticas têm um custo inicial e uma manutenção muito menor. O sistema hidráulico é muito utilizado quando a intensidade da força necessária é elevada, o que demandaria muita energia em sistemas elétricos ou pneumáticos, devido à rápida expansão do ar. O ar utilizado para fazer funcionar um atuador qualquer pode ser simples- mente liberado de volta para a atmosfera, diminuindo a quantidade de conexões necessárias e aumentando a segurança (LAMB, 2015). Para comprimir o ar, são utilizados compressores e reservatórios, que mantêm a pressão constante até o momento em que o ar comprimido será utilizado. Para garantir a operação adequada dos equipamentos e prolongar a vida útil do sistema como um todo, o ar precisa ser filtrado de partículas de sujeira na entrada (SILVEIRA FILHO; SANTOS, 2018), antes de passar pelo compressor. Também se deve remover toda a umidade existente e o calor produzido pela compressão, que pode acelerar o desgaste das peças (Figura 3). Após devidamente tratado, o ar abastece um reservatório que é utilizado para alimentar o restante do sistema. Em contraste com o uso de um compressor acoplado diretamente aos demais componentes, a vantagem dessa abordagem é a facilidade de se regular a pressão e, também, de fornecer quantidades elevadas de ar comprimido em breves intervalos de tempo, que não seriam possíveis de serem produzidas em tempo real pelo compressor. Na saída do reservatório, é comum o uso de um regulador de pressão, mesmo porque o reservatório costuma ter pressões maiores do que a neces- sária para garantir a vazão necessária em momentos de pico de consumo. Os elementos que formam o restante do sistema costumam envolver válvulas de controle tanto de direção quanto de fluxo de ar e atuadores, sendo o mais comum deles um cilindro de movimentação linear. 9Atuadores, controladores e sensores industriais Figura 3. Componentes de um sistema pneumático. Fonte: Alciatore e Histand (2014, p. 478). Repare ainda na Figura 3 o uso da nomenclatura padrão para a válvula de controle: � P indica a fonte de alimentação (entrada de ar advinda do reservatório ou compressor); � A e B representam as portas de saída conectadas a algum atuador ou outra válvula utilizada em alguma composição lógica pneumática — no caso da Figura 3, a saída A é utilizada para recuar o cilindro, e a saída B, para avançar o cilindro; � R representa a exaustão pneumática, por onde o ar pode ser eliminado do atuador. A válvula da Figura 3 é do tipo direcional e tem por finalidade definir quais elementos receberão ar comprimido ou serão esvaziados. Válvulas direcionais são nomeadas conforme a quantidade de portas/vias e posições existentes (SILVEIRA FILHO; SANTOS, 2018). Em cada posição, há diferentes conexões entre as portas de entrada e saída. A Figura 4 apresenta uma válvula direcional 4/2-vias e a simbologia de acionamentos possíveis de serem utilizados. Atuadores, controladores e sensores industriais10 Figura 4. Eletroválvula de 4/2-vias e seus possíveis acionamentos. Fonte: Silveira Filho e Santos (2018, p. 57). As válvulas direcionais, como a da Figura 4, alternam posições conectadas ao sistema pneumático, conforme o acionamento é ativado de um dos lados dele. Por exemplo, a Figura 5 mostra um tipo comum de acionamento de cilindro, utilizando uma válvula de 4/2-vias que atua por solenoide de um lado e retorno por mola de outro. Em repouso (solenoide desligada), a válvula se encontra posicionada à esquerda, direcionando o fluxo de ar comprimido, conforme a imagem. Quando a solenoide à esquerda é ligada, a válvula se moverá para a direita, alterando as ligações pneumáticas para fazer o pistão avançar e esvaziar o outro lado deste. Ao desligar a solenoide, a válvula retornará para a posição inicial, devido à ação da mola à sua direita, fazendo com que o pistão esvazie o compartimento de avanço e receba ar no compartimento de recuo. 11Atuadores, controladores e sensores industriais Figura 5. Sistema pneumático com eletro- válvula de retorno por mola, para controlar um cilindro linear. Fonte: Silveira Filho e Santos (2018, p. 59). Outros tipos de válvula têm por função restringir o fluxo em um deter- minado sentido ou regular a intensidade deste. Sistemas hidráulicos possuem elementos e simbologias similares. Controladores O elemento de controle toma uma decisão a partir de um sinal de erro e pode ser programável ou não (RODRIGUES, 2016). O controle das atividades desempenhadas em um processo de automação é desempenhado majoritaria- mente por dispositivos eletrônicos. A eletrônica digital possibilitou meios eficazes e confiáveis de processamento, armazenamento e transmissão de dados. Com o tempo, mecanismos complexos começaram a ser substituídos, primeiramente, por lógica de relé, depois, por circuitos integrados de portas lógicas, e, por fim, por microprocessadores e seus derivados. Atuadores, controladores e sensores industriais12 Os microprocessadores reúnem diversas portas lógicas e blocos funcionais dentro de um único circuito integrado, compartilhando barramentos de dados e endereço para trocar informações entre eles e aproveitar diferentes formas de se manipular os dados para flexibilizar as operações. O comportamento e a sequência de operações são, então, definidos por meio da programação do dispositivo. Os microprocessadores são normalmente divididos em unidades de proces- samento e controle — o primeiro agrega as funções de lógicas e aritméticas disponíveis, enquanto o segundo gerencia o fluxo de dados entre cada elemento. O programa, ou a sequência de operações que devem ser executadas, é arma- zenado em uma unidade de memória digital separada do microprocessador. Parte do funcionamento envolve a leitura e a escrita de dados nos pinos do circuito integrado, alguns deles utilizados inclusive para se comunicar com as unidades de memória. Outros dispositivos mais elaborados incluem memória e microproces- sador em um único chip, além de outros periféricos, para exercer funções especializadas, repetitivas e que demandariam uso excessivo da unidade de processamento, atrasando a execução de outras tarefas. Esses dispositivos são conhecidos como microcontroladores e podem incluir periféricos como temporizadores, hardware de comunicação serial e paralela, gerador de sinais modulados, conversor de sinais analógicos, entre outros (BOLTON, 2010). Os microcontroladores são mais comuns em sistemas de automação do que os microprocessadores em si, porque há maior segurança e menor interferência na comunicação entre processador e memória. No entanto, os microcontrola- dores ainda carecem de interfaces que permitam uma conexão facilitada entre sensores e atuadores. Por esse motivo, controladores ainda mais elaborados costumam ser utilizados no ambiente industrial, como o controlador lógico programável (CLP). Além de se utilizar de eletrônica digital para manipular dados e orientar os dispositivos a ele acoplados, o CLP possui conexões mais próximas da realidade industrial e opera com níveis de tensão e corrente comuns a esse tipo de ambiente. Enquanto um microcontrolador demanda uma série de componentes e cuidados para simplesmente ser colocado em funcionamento, como o fornecimento de um sinal de clock e a tensão de alimentação regulada, o CLP está pronto para ser conectado na rede de alimentação convencional, pois já conta com circuito de retificação e regulação de tensão interno. 13Atuadores, controladores e sensores industriais As saídas do CLP também diferem do microcontrolador, que fornece níveis lógicos de tensão conforme programado para cada um dos pinos de entrada/ saída. No CLP, as saídas acionam chaves eletrônicas, que fecham um contato para que a alimentação do atuador seja fornecida pela fonte adequada para isso e o CLP apenascontrole o ligar/desligar dessa alimentação (RODRIGUES, 2016). Logo, a potência envolvida difere significativamente de um para o outro. Ainda, as entradas do CLP suportam níveis de sinal maiores do que um simples microcontrolador, que toleram, a depender do dispositivo, em média 20mA de corrente por pino de entrada/saída do dispositivo. Os controladores podem ser integrados entre si para trocar informações e controlar plantas ainda maiores, ou até mesmo enviar e receber informações para um sistema de gerenciamento administrativo ou de controle remoto. Em alguns casos, computadores convencionais são utilizados como contro- ladores, normalmente para reduzir o custo e pela praticidade que um compu- tador oferece na interação com o usuário/operador. Para tanto, são necessárias interfaces de comunicação com os demais dispositivos, o que demandará tanto placas quanto sistemas desenvolvidos para essa finalidade. Outra vantagem dos computadores é a facilidade de integrar o sistema de automação do chão de fábrica com aplicativos de gestão e controle administrativo da indústria. As maiores desvantagens desse método são a instabilidade de sistemas não desenvolvidos especificamente para o problema e a disputa entre aplicações pelos recursos do sistema, dificultando a execução em tempo real (LAMB, 2015). Existem ainda controladores específicos para determinadas soluções ou equipamentos, similares aos CLPs, já com entradas e saídas adequadas, display e botões para ajuste e parametrização, mas com menor flexibilidade de progra- mação. Estes são vastamente empregados em sistemas de controle distribuído, em que partes menores da planta têm algum nível de independência do restante, com parametrizações e tomadas de decisões próprias (LAMB, 2015). Os controladores podem ser do tipo PID (proporcional-integral-derivativo), lógico ou sequencial. No primeiro caso, as mudanças de comportamento dos atuadores são contínuas, enquanto, nos demais, os atuadores reagem de forma discreta. Em geral, qualquer controlador tem por finalidade executar cálculos que permitam controlar as saídas em que estão os atuadores, com base nos sinais de entrada em que estão os sensores (LAMB, 2015). Atuadores, controladores e sensores industriais14 Integração O condicionamento dos sinais é importante não apenas para permitir a comu- nicação entre os dispositivos, mas também para proteger e filtrar a entrada de sinais indesejados (BOLTON, 2010). Um dos dispositivos mais utilizados nas etapas de condicionamento é o amplificador operacional, capaz de elevar a intensidade, diminuir a impedância de saída, selecionar a faixa de operação, comparar, somar, integrar, inverter e, até mesmo, linearizar sinais. Outros dispositivos podem incluir: � diodos de retificação, para evitar correntes e tensões negativas, como as existentes em corrente alternada; � diodo zener, para limitar a amplitude máxima do sinal e restringir o impacto de sinais negativos; e � isoladores, que podem ser magnéticos ou ópticos, a depender da fina- lidade e da intensidade envolvidas. No aproveitamento de sinais analógicos por controladores digitais, é ne- cessária a conversão de sinal. O procedimento padrão envolve: � a amostragem e a retenção do sinal analógico, uma vez que a conversão não é instantânea e demanda tempo para que o conversor possa inter- pretar o sinal que não poderá estar variando nesse momento; � discretização e quantização, para encontrar o nível de tensão passível de representação de forma digital mais próximo do valor real na entrada; � codificação, quando é traduzido o valor discretizado para um número binário. É importante destacar que, no processo de conversão de sinais analógicos em digitais, deve-se obedecer ao critério de Nyquist. Segundo esse critério, para que um sinal analógico seja amostrado com quantidade suficiente de informação para tentar reconstruí-lo, é necessário que a frequência de amos- tragem seja de pelo menos duas vezes a frequência do sinal (ALCIATORE; HISTAND, 2014). 15Atuadores, controladores e sensores industriais O acionamento de cargas com valores contínuos demanda a conversão no sentido inverso, do digital para o analógico. No entanto, produzir um sinal perfeitamente analógico, em uma forma de onda senoidal, por exemplo, pode ser demasiadamente complexo. Assim, uma solução muito utilizada envolve a geração de tensões médias, a partir de moduladores por largura de pulso (pulse width modulation). Neles, a saída é chaveada, alternando entre tensão máxima e nula em uma frequência fixa, enquanto o tempo (ciclo de trabalho) em que o sinal permanece ligado (tensão máxima) e desligado (tensão nula) varia conforme a intensidade almejada (Figura 6). Figura 6. Modulador por largura de pulso com ciclo de trabalho (duty cycle) de 40%, produzindo uma tensão média de 2 V a partir dos picos de 5 V. Fonte: Maikon Lucian Lenz/Shutterstock.com. Ciclo de trabalho = 40% Saída principal Muitas vezes, as entradas e saídas não são suficientes para atender a todos os dispositivos, mesmo porque módulos específicos de controladores, como é o caso de conversores analógicos, costumam ser poucos. Assim, para que o mesmo controlador seja capaz de processar mais de um sinal em um mesmo pino de entrada ou saída, podem ser utilizados multiplexadores (Figura 7a), para selecionar diferentes fontes de sinal para uma entrada, e demultiplexadores (Figura 7b), para selecionar diferentes destinos para um mesmo pino de saída. Atuadores, controladores e sensores industriais16 Figura 7. (a) Multiplexador (Mux). (b) Demultiplexador (Demux). Fonte: Baddeley (2016, documento on-line). 3 Princípios de conexões elétricas e projeto Uma planta de automação é normalmente dividida em malhas, e em cada uma dessas malhas podem ser encontrados os elementos de sensoriamento, atuação e controle. A relação entre os componentes de uma malha diz respeito ao controle de processos, que envolvem conceitos mais elaborados de modela- gem de sistemas, primeiramente divididos em: malha aberta e malha fechada. A ênfase maior é dada ao processo de malha fechada, em que é definida claramente a relação e o fluxo de sinal entre sensor, atuador e controlador. O controlador aciona um atuador, na intenção de minimizar o erro medido pelos sensores disponíveis. Em uma malha aberta, o processo pode ocorrer sem a necessidade de um sensor ou controle, com um atuador parametrizado para agir de determinada forma, esperando que a resposta seja sempre a mesma. Ainda assim, uma planta pode conter processos de malha aberta dentro de outros processos Há que se diferenciar, ainda, as variáveis medidas e as variáveis manipu- ladas (DUNN, 2013). Por exemplo, um determinado processo pode monitorar a temperatura de uma reação química, mas agir manipulando a velocidade de um ventilador, um mecanismo de refrigeração ou mesmo a proporção de uma mistura química. 17Atuadores, controladores e sensores industriais No desenho de um projeto ou fluxograma, é essencial destacar os tipos de conexões associadas entre os elementos, não apenas elétricas, mas também toda a malha hidráulica, pneumática e mesmo eletromagnética sem qualquer conexão física. Nesse sentido, deve-se recordar, por exemplo, que, apesar de um atuador pneumático ser alimentado por ar comprimido, a maior parte das válvulas serão de acionamento elétrico, até para facilitar a integração com elementos de controle e sistemas de gestão maiores. Em geral, por mais que os atuadores sejam pneumáticos ou hidráulicos, é comum que uma instalação elétrica, dos componentes que controlam estes, esteja presente. Logo, deve-se ter em mente, primeiramente, que fontes elétri- cas devem estar presentes ao longo de toda a planta. Junto delas, devem estar elementos de proteção e segurança, como transformadores, para isolar os equipamentos da rede de alimentação e sistemas de suporte de energia, para compensar eventuais falhas de alimentação, já que, no mínimo, osdispositivos de controle são dependentes disso (DUNN, 2013). A distribuição de energia elétrica ao longo de uma área grande acarreta outros problemas, entre eles, a variação de potencial e, até mesmo, ruídos. Tais problemas podem ser sanados ou minimizados com técnicas de aterramento, para equalizar não apenas a alimentação, mas o sinal elétrico derivado desses elementos, que poderiam ocasionar, quando oscilantes, diferenças significativas de comportamento e erros de comunicação (DUNN, 2013). Um projeto de automação envolve, basicamente: � as análises da necessidade e do problema, que visam a delimitar a real necessidade do cliente, uma vez que a falta de conhecimento técnico do mesmo pode levá-lo a pedir por soluções inadequadas para o seu caso — cabe, portanto, ao projetista de automação reconhecer a natureza do problema e as possibilidades mais viáveis para solucioná-lo; � a especificação, elencando os processos e as características presentes no problema e as soluções que se pretende avaliar para solucionar o problema, como os tipos de movimento, as interfaces e as dimensões envolvidas; e � a seleção e validação da solução mais adequada, o que pode envolver simulações, modelos e até mesmo protótipos, quando necessários. Atuadores, controladores e sensores industriais18 Por fim, o projeto é concluído, e é feita a documentação, para que ele possa ser implementado rigorosamente, de acordo com aquilo que foi especificado e devidamente validado nas demais etapas (BOLTON, 2010). Não existe norma que determine o formato de diagramas elétricos em si, mas a simbologia recomendada para representar cada componente está presente na norma da Comissão Eletrotécnica Internacional nº. 60.617 (RODRIGUES, 2016). ALCIATORE, D. G.; HISTAND, M. B. Introdução à mecatrônica e aos sistemas de medições. 4. ed. Porto Alegre: AMGH, 2014. BADDELEY, B. Hackaday dictionary: mux/demux. In: HACKADAY. [S. l.], 2016. Disponível em: https://hackaday.com/2016/09/06/hackaday-dictionary-muxdemux/. Acesso em: 23 mar. 2020. BOLTON, W. Mecatrônica: uma abordagem multidisciplinar. 4. ed. Porto Alegre: Book- man, 2010. DUNN, W. C. Fundamentos da instrumentação industrial e controle de processos. Porto Alegre: Bookman, 2013. LAMB, F. Automação industrial na prática. Porto Alegre: AMGH, 2015. (Série Tekne). RODRIGUES, R. Controle e automação da produção. Porto Alegre: Sagah, 2016. SEBRAE. Eficiência energética para pequenos negócios. Mato Grosso: Sebrae, 2016. Dis- ponível em: http://sustentabilidade.sebrae.com.br/Sustentabilidade/Para%20sua%20 empresa/Publica%C3%A7%C3%B5es/WEB%20-%20Cartilha%20Efici%C3%AAncia%20 Energ%C3%A9tica_15x21cm4.pdf. Acesso em: 23 mar. 2020. SILVEIRA FILHO, E. D.; SANTOS, B. K. Sistemas hidráulicos e pneumáticos. Porto Alegre: Sagah, 2018. Os links para sites da web fornecidos neste capítulo foram todos testados, e seu fun- cionamento foi comprovado no momento da publicação do material. No entanto, a rede é extremamente dinâmica; suas páginas estão constantemente mudando de local e conteúdo. Assim, os editores declaram não ter qualquer responsabilidade sobre qualidade, precisão ou integralidade das informações referidas em tais links. 19Atuadores, controladores e sensores industriais
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