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ACIONAMENTO DE DISPOSITIVOS ATUADORES série AUTOMAÇÃO iNDUsTriAL Volume 2 série AUTOMAÇÃO iNDUsTriAL ACIONAMENTO DE DISPOSITIVOS ATUADORES Volume 2 CONFEDERAÇÃO NACIONAL DA INDÚSTRIA – CNI Robson Braga de Andrade Presidente DIRETORIA DE EDuCAÇÃO E TECNOLOgIA Rafael Esmeraldo Lucchesi Ramacciotti Diretor de Educação e Tecnologia SENAI-DN – SERVIÇO NACIONAL DE APRENDIZAgEM INDuSTRIAL Conselho Nacional Robson Braga de Andrade Presidente SENAI – DEPARTAMENTO NACIONAL Rafael Esmeraldo Lucchesi Ramacciotti Diretor-Geral Gustavo Leal Sales Filho Diretor de Operações Série AUTOMAÇÃO iNDUSTriAL ACIONAMENTO DE DISPOSITIVOS ATUADORES VOLUME 2 SENAI Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial Departamento Nacional Sede Setor Bancário Norte . Quadra 1 . Bloco C . Edifício Roberto Simonsen . 70040-903 . Brasília – DF . Tel.: (0xx61)3317-9190 http://www.senai.br © 2012. SENAI – Departamento Nacional © 2012. SENAI – Departamento Regional do Rio Grande do Sul A reprodução total ou parcial desta publicação por quaisquer meios, seja eletrônico, mecânico, fotocópia, de gravação ou outros, somente será permitida com prévia autorização, por escrito, do SENAI – Departamento Regional do Rio Grande do Sul. Esta publicação foi elaborada pela equipe da Unidade Estratégica de Desenvolvimento Educacional – UEDE/Núcleo de Educação a Distância – NEAD, do SENAI do Rio Grande do Sul, com a coordenação do SENAI Departamento Nacional, para ser utilizada por todos os Departamentos Regionais do SENAI nos cursos presenciais e a distância. SENAI Departamento Nacional Unidade de Educação Profissional e Tecnológica – UNIEP SENAI Departamento Regional do Rio Grande do Sul Unidade Estratégica de Desenvolvimento Educacional – UEDE/Núcleo de Educação a Distância – NEAD FICHA CATALOGRÁFICA S491a Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial. Departamento Nacional Acionamento de dispositivos atuadores: volume 2/ Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial Departamento Nacional, Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial. Departamento Regional do Rio Grande do Sul. Brasília: SENAI/DN, 2012. 260 p. : il. (Série Automação Industrial) ISBN 978-85-7519-523-9 1. Geração. 2. Abastecimento. 3. Controle da eletricidade. I. Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial. Departamento Regional do Rio Grande do Sul. II. Titulo. III. Série. CDU 621.31 Bibliotecário Responsável: Enilda Hack- CRB 599/10 Lista de ilustrações Figura 1 - Elevação de plataforma por ar comprimido .......................................................................................21 Figura 2 - Usos do ar ambiente e ar comprimido .................................................................................................23 Figura 3 - Exemplo prático de pressão .....................................................................................................................23 Figura 4 - Manômetro .....................................................................................................................................................24 Figura 5 - Experimento da coluna de mercúrio .....................................................................................................24 Figura 6 - Lei geral do gases .........................................................................................................................................27 Figura 7 - Comparativo entre as escalas de temperatura em Celsius, Fahrenheit e Kelvin ...................29 Figura 8 - Blaise Pascal ....................................................................................................................................................31 Figura 9 - Experimento de Pascal ...............................................................................................................................31 Figura 10 - Boyle-Mariotte ............................................................................................................................................31 Figura 11 - Experimento de Boyle-Mariotte ...........................................................................................................31 Figura 12 - Gay-Lussac ....................................................................................................................................................32 Figura 13 - Experimento de Gay-Lussac ...................................................................................................................32 Figura 14 - Charles ...........................................................................................................................................................32 Figura 15 - Experimento de Charles ..........................................................................................................................32 Figura 16 - Produção, preparação e distribuição do ar comprimido .............................................................35 Figura 17 - Compressor tipo pistão (amarelo), com reservatório de 25L (preto). .....................................36 Figura 18 - Divisão dos compressores conforme a sua funcionalidade .......................................................37 Figura 19 - Compressor por pistão ............................................................................................................................37 Figura 20 - Compressor por diafragma ....................................................................................................................38 Figura 21 - Compressor tipo palheta ........................................................................................................................38 Figura 22 - Compressor tipo parafuso ......................................................................................................................39 Figura 23 - Compressor de lóbulo ou roots ............................................................................................................39 Figura 24 - Compressor de anel líquido ...................................................................................................................39 Figura 25 - Compressor radial ......................................................................................................................................40 Figura 26 - Compressor axial ........................................................................................................................................40 Figura 27 - Resfriador posterior com a sua simbologia ......................................................................................47 Figura 28 - Reservatório de ar comprimido com a sua simbologia ...............................................................47 Figura 29 - Secagem por refrigeração ......................................................................................................................51 Figura 30 - Secagem por absorção ............................................................................................................................51 Figura 31 - Secagem por adsorção ............................................................................................................................52 Figura 32 - Esquema da produção, armazenamento e limpeza do ar comprimido.................................53 Figura 33 - a) Rede de ar comprimido com circuito aberto; b) Circuito fechado e circuito misto ......54 Figura 34 - Colocação de dreno e inclinação das tubulações ..........................................................................55 Figura 35 - a) Tubo de polietileno; b) Tubo de nylon ...........................................................................................57 Figura 36 - Conexão instantânea ................................................................................................................................57Figura 37 - Unidade de conservação com as suas simbologias ......................................................................59 Figura 38 - Distribuição dos componentes de acordo com o tipo de elemento ......................................61 Figura 39 - Atuadores de simples ação com suas respectivas simbologias ................................................62 Figura 40 - Atuador de dupla ação ............................................................................................................................63 Figura 41 - Composição interna de um cilindro de dupla ação ......................................................................63 Figura 42 - a) Atuador com giro controlado; b) Atuador tipo motor (motor tipo palheta), com suas respectivas simbologias ..................................................................................................................................................63 Figura 43 - a) Atuadores com haste passante; b) Tandem; c) Sem haste; d) Com garra; e) Com músculos .64 Figura 44 - Válvula direcional 5/2 vias com duplo piloto e acionamento manual, com a sua simbologia ...64 Figura 45 - Válvula direcional com três direções...................................................................................................65 Figura 46 - Válvula direcional com cinco vias ........................................................................................................65 Figura 47 - Utilização de simbologias de leitura ...................................................................................................66 Figura 48 - Representação dos orifícios de uma válvula direcional ...............................................................67 Figura 49 - Válvula 3/2 vias com duplo piloto ........................................................................................................68 Figura 50 - Válvula de controle de fluxo variável unidirecional .......................................................................69 Figura 51 - Válvula de controle de fluxo variável bidirecional .........................................................................69 Figura 52 - Válvula alternadora ...................................................................................................................................70 Figura 53 - Válvula de simultaneidade .....................................................................................................................70 Figura 54 - Válvula de controle de fluxo com escape rápido............................................................................71 Figura 55 - Temporizador com suas simbologias .................................................................................................71 Figura 56 - Contador pneumático com a sua simbologia .................................................................................72 Figura 57 - a) Acionamento direto; b) Acionamento indireto ..........................................................................73 Figura 58 - Tipos de acionamentos musculares ....................................................................................................74 Figura 59 - Acionamento por pino .............................................................................................................................74 Figura 60 - Acionamento por rolete ..........................................................................................................................75 Figura 61 - Acionamento por rolete escamoteável .............................................................................................75 Figura 62 - Posicionamento dos acionamentos mecânicos. a) por pino; b) por rolete; c) por rolete escamoteável ......................................................................................................................................................................75 Figura 63 - Acionamentos pneumáticos: piloto negativo .................................................................................76 Figura 64 - Acionamentos pneumáticos: piloto positivo ...................................................................................76 Figura 65 - Acionamento combinado por eletroímã e válvula de pré-comando interno .....................77 Figura 66 - Acionamento combinado por eletroímã e válvula de pré-comando externo ....................77 Figura 67 - Acionamento combinado por solenoide e piloto ou botão ......................................................77 Figura 68 - Válvula direcional 2/2 vias NF com acionamento por rolete e retorno por mola ...............81 Figura 69 - Princípio de funcionamento de um vácuo .......................................................................................83 Figura 70 - Princípio do efeito de Venturi e ventosas..........................................................................................84 Figura 71 - Simbologias das ventosas de acordo com a sua aplicação ........................................................85 Figura 72 - Exemplo para aplicação da representação dos movimentos ....................................................87 Figura 73 - Diagrama trajeto-passo ...........................................................................................................................89 Figura 74 - Exemplo de diagrama trajeto-passo ...................................................................................................89 Figura 75 - Diagrama trajeto-tempo .........................................................................................................................89 Figura 76 - Diagrama de comando ............................................................................................................................90 Figura 77 - Divisão de um circuito pneumático, utilizando uma representação numérica e por letras ...92 Figura 78 - Exemplo para utilizar o método intuitivo: transporte de produtos ........................................92 Figura 79 - Sequência de funcionamento pelo método intuitivo ..................................................................94 Figura 80 - Acionamento indireto para avanço e retorno dos cilindros A e B............................................94 Figura 81 - Circuito pneumático com a representação em forma de letras e numérica ........................94 Figura 82 - Circuito 1 .......................................................................................................................................................95 Figura 83 - Circuito 2 .......................................................................................................................................................95 Figura 84 - Circuito 3 .......................................................................................................................................................96 Figura 85 - Circuito 4 .......................................................................................................................................................96 Figura 86 - Circuito 5 .......................................................................................................................................................97 Figura 87 - Circuito 6 .......................................................................................................................................................98 Figura 88 - Circuito 7 .......................................................................................................................................................98 Figura 89 - Circuito 8 .......................................................................................................................................................99 Figura 90 - Roda d’água .............................................................................................................................................. 101 Figura 91 - Princípio de uma prensa hidráulica ..................................................................................................103 Figura 92 - Aplicação da lei de Stevin .................................................................................................................... 104 Figura 93 - Força exercida sobre um objeto com sólido e sobre objeto com líquido .......................... 105 Figura 94 - Exemplo de um intensificador de pressão .................................................................................... 106 Figura 95 - Reservatórios de água ........................................................................................................................... 106 Figura 96 - Reservatório de água com três furos ............................................................................................... 106 Figura 97 - Aplicação do princípio de Bernouli .................................................................................................. 107 Figura 98 - Exemplo de fluxo laminar e turbulento .......................................................................................... 108 Figura 99 - a) Reservatório; b) Filtros ...................................................................................................................... 111 Figura 100 - Esquema de um reservatório ........................................................................................................... 112 Figura 101 - Tipos de reservatórios ......................................................................................................................... 113 Figura 102 - Resfriadores ............................................................................................................................................ 113 Figura 103 - Válvula direcional de centro aberto ............................................................................................... 115 Figura 104 - Válvula direcional de centro fechado ............................................................................................ 116 Figura 105 - Válvula direcional de centro em tandem ..................................................................................... 116 Figura 106 - Válvula direcional de centro aberto negativo ............................................................................ 117 Figura 107 - a) Válvula de desaceleração; b) Simbologia ................................................................................ 118 Figura 108 - a) Válvula reguladora de pressão; b) Um circuito utilizando uma válvula regu- ladora de pressão ......................................................................................................................................................... 118 Figura 109 - a) Válvula controladora de vazão com pressão compensada; b) Simbologia ............... 119 Figura 110 - Tipos de válvulas redutoras de pressão ........................................................................................ 119 Figura 111 - Acumulador ............................................................................................................................................ 120 Figura 112 - a) Atuador telescópico; b) Simbologia ......................................................................................... 122 Figura 113 - Circuito de descarga ............................................................................................................................ 123 Figura 114 - Circuito regenerativo .......................................................................................................................... 124 Figura 115 - Válvula limitadora de pressão de descarga diferencial ........................................................... 125 Figura 116 - Circuito de descarga de um acumulador .................................................................................... 126 Figura 117 - Circuito com aproximação rápida e avanço controlado ........................................................ 127 Figura 118 - Descarga automática da bomba..................................................................................................... 128 Figura 119 - Sistema alta-baixa ................................................................................................................................ 129 Figura 120 - Circuito de controle de entrada do fluxo ..................................................................................... 130 Figura 121 - Circuito de controle de saída de fluxo .......................................................................................... 131 Figura 122 - Controle de vazão por desvio do fluxo ......................................................................................... 132 Figura 123 - Válvula de contrabalanço .................................................................................................................. 133 Figura 124 - Circuito com redução de pressão ................................................................................................... 134 Figura 125 - Válvula de contrabalanço diferencial ............................................................................................ 135 Figura 126 - Válvula de retenção pilotada ............................................................................................................ 136 Figura 127 - Gráfico para estabelecer o diâmetro interno de uma mangueira ...................................... 158 Figura 128 - a) Funcionamento de uma botoeira; b) Botão pulsador; c) Botão giratório com trava; d) Botão cogumelo com trava. As imagens estão acompanhadas de suas simbologias ..................... 168 Figura 129 - a) Chave fim de curso tipo rolete; b) Chave fim de curso do tipo rolete escamoteável (gatilho) .............................................................................................................................................................................. 168 Figura 130 - a) Sensor capacitivo; b) Sensor indutivo; c) Sensor óptico. As imagens estão acompan- hadas de suas simbologias ......................................................................................................................................... 169 Figura 131 - Sensor magnético acoplado a um atuador com êmbolo magnético ............................... 169 Figura 132 - Pressostato com a sua simbologia ................................................................................................. 170 Figura 133 - a) Temporizador TON; b) Temporizador TOF. As imagens estão acompanhadas de suas simbologias ...................................................................................................................................................................... 171 Figura 134 - Contador com a sua simbologia ..................................................................................................... 171 Figura 135 - Válvula direcional 3/2 vias NF. a) Acionamento por solenoide; b) Retorno por mola com a sua simbologia ............................................................................................................................................................. 171 Figura 136 - Funcionamento de um solenoide com a sua simbologia ...................................................... 172 Figura 137 - Resolução do circuito 1 ...................................................................................................................... 172 Figura 138 - Resolução do circuito 2 ...................................................................................................................... 173 Figura 139 - Resolução do circuito 3 ...................................................................................................................... 174 Figura 140 - a) Circuito A; b) Circuito B; c) Circuito C; d) Circuito D ............................................................. 174 Figura 141 - a) Circuito A; b) Circuito B .................................................................................................................. 176 Figura142 - a) Circuito A; b) Circuito B .................................................................................................................. 177 Figura 143 - a) Circuito A; b) Circuito B .................................................................................................................. 179 Figura 144 - Diagrama trajeto-passo do circuito proposto ............................................................................ 180 Figura 145 - Sequência de funcionamento pelo método intuitivo ............................................................ 181 Figura 146 - Resolução do circuito 8 ...................................................................................................................... 181 Figura 147 - Diagrama trajeto-passo do circuito proposto ............................................................................ 182 Figura 148 - Sequência de funcionamento pelo método intuitivo ............................................................ 182 Figura 149 - Circuito 9 ................................................................................................................................................. 183 Figura 150 - Circuito de dois setores ...................................................................................................................... 184 Figura 151 - Circuito de três setores ....................................................................................................................... 185 Figura 152 - Circuito de quatro setores ................................................................................................................. 185 Figura 153 - Circuito de cinco setores.................................................................................................................... 186 Figura 154 - Circuito pelo método intuitivo ........................................................................................................ 187 Figura 155 - Circuito com a divisão em setores .................................................................................................. 187 Figura 156 - Fazendo a “transição” de um setor para outro ........................................................................... 187 Figura 157 - Fazendo a ativação ou desativação do contator K1 ................................................................ 188 Figura 158 - Fazendo a transição de um setor para outro .............................................................................. 188 Figura 159 - Esquema do circuito ............................................................................................................................ 189 Figura 160 - Sistema de controle utilizando um CLP ....................................................................................... 196 Figura 161 - Dispositivos de entrada e saída que podem ser conectados ao CLP ................................ 196 Figura 162 - Estrutura interna de um CLP ............................................................................................................ 199 Figura 163 - a) Entrada CC; b) Entrada CA ............................................................................................................ 201 Figura 164 - Saídas digitais: a) Relé; b) Transistor; c) Triac .............................................................................. 202 Figura 165 - Saída analógica ..................................................................................................................................... 203 Figura 166 - CLP compacto........................................................................................................................................ 208 Figura 167 - Arquitetura de um CLP modular ..................................................................................................... 208 Figura 168 - CLP modular ........................................................................................................................................... 208 Figura 169 - Diagrama em blocos do princípio de funcionamento de um CLP ..................................... 209 Figura 170 - Representação dos contatos: a) NA; b) NF .................................................................................. 216 Figura 171 - Estrutura de um diagrama Ladder ................................................................................................. 218 Figura 172 - Possíveis combinações das entradas para habilitar uma saída ........................................... 218 Figura 173 - Repetibilidade de entradas e saídas .............................................................................................. 219 Figura 174 - Representação de um circuito com relés eletromecânicos .................................................. 220 Figura 175 - a) Lógica Ladder simplificada; b) Lógica Ladder do circuito elétrico da figura 174 ..... 220 Figura 176 - Ligação das entradas e saídas do CLP........................................................................................... 221 Figura 177 - Leitura de um programa de CLP ..................................................................................................... 222 Figura 178 - Entradas dependente da energização dessa entrada ............................................................. 223 Figura 179 - Contato selo de um circuito em um diagrama Ladder ........................................................... 224 Figura 180 - Instruções SET e RESET ....................................................................................................................... 224 Figura 181 - Representação da porta lógica AND com o diagrama Ladder ............................................ 226 Figura 182 - Representação da porta lógica OR com o diagrama Ladder ................................................ 226 Figura 183 - Representação da porta lógica NOT com o diagrama Ladder ............................................. 226 Figura 184 - Representação da porta lógica XOR com o diagrama Ladder ............................................. 227 Figura 185 - Simplificação da tabela verdade pelo mapa de Karnaugh ................................................... 228 Tabela 1: Técnico em Automação Industrial ............................................................................................................18 Tabela 2: Conversão de pressão e vazão volumétrica ..........................................................................................30 Tabela 3: Consumo de potência de acordo com furos em tubulações de pneumática .........................56 Tabela 4: Comparação entre as normas ....................................................................................................................68 Tabela 5: Tamanho relativo das partículas ............................................................................................................. 111 Tabela 6: Comprimento de tubo equivalente à perda de carga por singularidades em metros ....... 140 Tabela 7: Comprimento de tubo equivalente à perda de carga por singularidades em metros ....... 141 Tabela 8: Tubo de aço para condução de fluidos e outros fins ...................................................................... 142 Tabela 9: Catálogo de cilindros FESTO .................................................................................................................... 147 Tabela 10: Catálogo de cilindros PARKER – forças (N) ....................................................................................... 148 Tabela 11: Tabela de velocidades.............................................................................................................................. 156 Quadro 1 - Propriedades físicas do ar comprimido ..............................................................................................26 Quadro 2 - Tipos de compressores ..............................................................................................................................36Quadro 3 - Tipo de Compressores ...............................................................................................................................41 Quadro 4 - Critérios para escolha de compressores .............................................................................................42 Quadro 5 - Consequências da presença de água condensada nas linhas de ar .........................................46 Quadro 6 - Secagem por refrigeração........................................................................................................................51 Quadro 7 - Secagem por absorção .............................................................................................................................51 Quadro 8 - Secagem por adsorção .............................................................................................................................52 Quadro 9 - Principais funções dos componentes da unidade de conservação ..........................................58 Quadro 10 - Identificação dos orifícios da válvula direcional ............................................................................67 Quadro 11 - Representação simbólica dos componentes .................................................................................82 Quadro 12 - Anotação em forma de quadro ...........................................................................................................88 Quadro 13 - Principais unidades utilizadas na hidráulica ................................................................................ 109 Quadro 14 - Composição de um sistema hidráulico ......................................................................................... 110 Quadro 15 - Composição de um sistema hidráulico ......................................................................................... 111 Quadro 16 - Comparação entre os tipos filtrantes hidráulicos ...................................................................... 112 Quadro 17 - Quadro comparativo entre os centros das válvulas direcionais ........................................... 117 Quadro 18 - Elementos construtivos das mangueiras ...................................................................................... 121 Quadro 19 - Dicas para instalação de mangueiras ............................................................................................. 122 Quadro 20 - Dicas para instalação de mangueiras ............................................................................................. 123 Quadro 21 - Fator de correção ................................................................................................................................... 146 Quadro 22 - Aplicações de cargas de Euler ........................................................................................................... 147 Quadro 23 - Comparação entre os sistemas elétrico, pneumático e hidráulico ..................................... 162 Quadro 24 - Comparação entre os sistemas pneumáticos, eletro-mecanico e eletrônicos ................ 163 Quadro 25 - Vantagens da utilização do sistema pneumático ...................................................................... 163 Quadro 26 - Vantagens da utilização do sistema hidráulico ........................................................................... 164 Quadro 27 - Mapeamento de posições de memória de um CLP .................................................................. 215 Quadro 28 - Símbolos Ladder para contatos NA e NF para diferentes tipos de fabricantes ............... 217 Quadro 29 - Símbolos Ladder para saídas de diferentes tipos de fabricantes ......................................... 217 Quadro 30 - Representação das entradas e saídas de acordo com a função mostrada na figura 174 .... 220 Quadro 31 - Letras para utilização nas entradas e saídas ................................................................................ 221 Quadro 32 - Funcionamento do SET e RESET ....................................................................................................... 225 Quadro 33 - Representação de portas lógicas ..................................................................................................... 225 Figura 186 - Representação do circuito simplificado (pelo mapa de Karnaugh) com o diagrama em Ladder ........................................................................................................................................................................ 228 Tabela 12: Tabela de valores ....................................................................................................................................... 157 Tabela 13: Tabela verdade da lógica AND .............................................................................................................. 225 Tabela 14: Tabela verdade da lógica OR ................................................................................................................. 226 Tabela 15: Tabela verdade da lógica NOT .............................................................................................................. 226 Tabela 16: Tabela verdade da lógica XOR .............................................................................................................. 227 Tabela 17: Tabela verdade ........................................................................................................................................... 227 1 Introdução ......................................................................................................................................................................17 2 Características da pneumática e do ar comprimido ........................................................................................21 2.1 Pneumática: características do ar comprimido ................................................................................22 2.2 Propriedades físicas do ar comprimido ..............................................................................................25 2.2.1 As leis utilizadas na pneumática ..........................................................................................26 3 Produção, preparação e distribuição do ar comprimido ...............................................................................35 3.1 Produção do ar comprimido ...................................................................................................................35 3.1.1 Compressores .............................................................................................................................36 3.1.2 Sistema de refrigeração ..........................................................................................................43 3.2 Preparação do ar comprimido ...............................................................................................................44 3.2.1 Umidade .......................................................................................................................................45 3.2.2 Resfriador posterior..................................................................................................................46 3.2.3 Reservatório de ar comprimido ...........................................................................................47 3.2.4 Filtros de ar comprimido ........................................................................................................48 3.2.5 Secadores de ar..........................................................................................................................49 3.2.6 Esquema completo de produção, armazenamento e limpeza do ar comprimido .....53 3.3 Distribuição do ar comprimido ..............................................................................................................54 3.3.1 Rede de distribuição ................................................................................................................543.3.2 Materiais utilizados nas redes de pressão ........................................................................56 4 Elementos pneumáticos ............................................................................................................................................61 4.1 Elementos pneumáticos de trabalho ..................................................................................................61 4.1.1 Atuadores pneumáticos .........................................................................................................62 4.2 Elementos de comando ............................................................................................................................64 4.2.1 Válvulas direcionais ..................................................................................................................64 4.3 Elementos de processamento de sinais..............................................................................................68 4.3.1 Temporizadores .........................................................................................................................71 4.3.2 Contadores ..................................................................................................................................72 4.4 Elementos de sinais ...................................................................................................................................72 4.4.1 Comandos diretos e indiretos ..............................................................................................73 4.4.2 Acionadores ................................................................................................................................73 5 Simbologias da pneumática e tecnologia do vácuo .......................................................................................81 5.1 Representação simbólica de acordo com o tipo de acionamento ...........................................81 5.1.1 Definição das posições (conforme VDI 3260) .................................................................81 5.1.2 Simbologia gráfica de circuitos pneumáticos conforme norma ISO 1219 (NBR 8896) ............................................................................................................................................82 5.2 Tecnologia do vácuo ..................................................................................................................................83 5.2.1 Efeito Venturi ..............................................................................................................................84 Sumário 6 Comandos pneumáticos sequenciais e circuitos práticos .............................................................................87 6.1 Formas de representação .........................................................................................................................88 6.1.1 Diagramas de movimentos ...................................................................................................89 6.1.2 Diagrama de comando ...........................................................................................................90 6.2 Representação da numeração das simbologias de um circuito pneumático ......................90 6.2.1 Elementos de produção, tratamento e distribuição ....................................................91 6.3 Método intuitivo de construção de circuitos pneumáticos ........................................................92 6.4 Circuitos pneumáticos práticos .............................................................................................................95 7 Hidráulica: características, componentes e circuitos práticos ................................................................... 101 7.1 Hidrostática ................................................................................................................................................ 102 7.1.1 Leis aplicadas à hidráulica .................................................................................................. 102 7.1.2 Outras características da hidráulica ................................................................................ 104 7.2 Hidrodinâmica .......................................................................................................................................... 107 7.2.1 Velocidade x vazão ................................................................................................................ 107 7.3 Composição de um sistema hidráulico ............................................................................................ 110 7.3.1 Filtros .......................................................................................................................................... 111 7.3.2 Reservatórios hidráulicos .................................................................................................... 112 7.3.3 Resfriadores (trocadores de calor) ................................................................................... 113 7.3.4 Bombas hidráulicas ............................................................................................................... 113 7.3.5 Válvulas direcionais ............................................................................................................... 115 7.3.6 Válvula de desaceleração .................................................................................................... 118 7.3.7 Acumuladores ......................................................................................................................... 120 7.3.8 Mangueiras ............................................................................................................................... 120 7.3.9 Atuadores hidráulicos .......................................................................................................... 122 7.4 Circuitos hidráulicos práticos............................................................................................................... 123 8 Dimensionamento de sistemas pneumáticos e hidráulicos ...................................................................... 139 8.1 Dimensionamento de sistemas pneumáticos ............................................................................... 139 8.2 Dimensionamento de sistemas hidráulicos ................................................................................... 152 9 Comparação entre os sistemas elétricos, pneumáticos e hidráulicos .................................................... 161 10 Eletropneumática e eletro-hidráulica .............................................................................................................. 167 10.1 Principais componentes dos sistemas eletropneumáticos e eletro-hidráulicos ........... 167 10.1.1 Equipamento de saída de sinal ...................................................................................... 171 10.2 Circuitos eletropneumáticos práticos ............................................................................................ 172 10.3 Método cascata elétrica ...................................................................................................................... 183 10.3.1 Etapas da cascata elétrica ................................................................................................. 184 11 História dos sistemas de controle, conceito e utilização do CLP ........................................................... 193 11.1 A era dos controladores de lógica programável ........................................................................ 195 11.2 Utilização de um CLP ........................................................................................................................... 196 11.3 Estrutura interna do CLP ..................................................................................................................... 199 12 Capacidade e tiposde CLP .................................................................................................................................. 207 12.1 Classificação dos CLPS ........................................................................................................................ 207 12.2 Modos de operação de um CLP ....................................................................................................... 208 12.2.1 Princípio de funcionamento: diagrama em blocos ................................................. 209 12.2.2 Modos para verificar se o programa está certo e limpar o CLP .......................... 210 12.3 Comparação do CLP com outros sistemas de controle ........................................................... 210 13 Linguagens de programação ............................................................................................................................. 213 13.1 Norma IEC 61131-3 ............................................................................................................................... 213 13.2 Lógica de contatos ................................................................................................................................ 216 13.2.1 Símbolos básicos ................................................................................................................. 216 13.3 Diagrama de contatos em Ladder ................................................................................................... 217 13.3.1 Ligação de um CLP .............................................................................................................. 221 13.3.2 Representação de portas lógicas com o diagrama Ladder .................................. 225 13.3.3 Utilização do mapa de Karnaugh para a simplificação de circuitos em Ladder ...... 227 Referências ........................................................................................................................................................................ 231 Anexos ................................................................................................................................................................................ 236 Minicurrículo do Autor ................................................................................................................................................. 254 Índice .................................................................................................................................................................................. 255 Esta unidade curricular “Acionamento de Dispositivos Atuadores” tem o objetivo de familiarizar o aluno com as características e o funcionamento de dispositivos atuadores em sistemas de controle e automação. Considera conhecimentos relativos à Eletricidade Industrial, Pneumática, Hidráulica e Controladores Lógicos Programáveis – CLPs (DCN-DN). Estudaremos as principais características da pneumática e do ar comprimido, e os processos relacionados a sua utilização em um sistema industrial. Conheceremos a produção, a preparação e a distribuição do ar comprimido, mostrando as etapas e características de geração do ar comprimido até seu estágio final. Abordaremos os principais elementos pneumáticos, suas diferenças e aplicações para o funcionamento em um circuito pneumático. Estudaremos as principais simbologias da pneumática utilizadas em um diagrama esquemático de um circuito pneumático real, além de mostrarmos o funcionamento da tecnologia do vácuo. Conheceremos, também, os comandos sequenciais pneumáticos e os circuitos práticos que podem ser utilizados na indústria, detalhando seu funcionamento, e apresentaremos as principais características da hidráulica, da hidrostática e da hidrodinâmica, mostrando os principais componentes e alguns circuitos práticos hidráulicos que podem ser utilizados na indústria. Estudaremos os conceitos e cálculos necessários para o dimensionamento dos componentes hidráulicos e pneumáticos, e faremos a comparação dos sistemas elétricos, pneumáticos e hidráulicos, suas semelhanças e diferenças e suas aplicações na indústria. Estudaremos, ainda, a eletropneumática e a eletro-hidráulica, mostrando suas principais vantagens com relação à pneumática e à hidráulica, bem como a simplificação dos circuitos, o método cascata elétrica e os principais circuitos que podem ser feitos com a elétrica. Em relação aos CLPs, conheceremos o histórico dos sistemas de controle, o conceito e a utilização do CLP, mostrando as gerações dos CLPs, conceitos e suas principais utilizações. Estudaremos os tipos de CLPs que existem, os seus modos de operação, a comparação do CLP com outros sistemas de controle, além do princípio de funcionamento do CLP. Aprenderemos as linguagens de programação utilizadas na indústria abordando as características de cada uma e especificando a lógica Ladder. Finalizando, entenderemos a transformação de uma cascata elétrica em um programa de CLP, mostrando as etapas dessa transformação. A seguir são descritos na matriz curricular os módulos e as unidades curriculares previstos e sua respectiva carga horária. Introdução 1 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL18 Tabela 1: Técnico em Automação Industrial Módulos denoMInAção unIdAdes CurrICulAres CArgA HorárIA CArgA HorárIA Módulo Módulo Básico Fundamentos técnicos e científicos • Fundamentos da Comunicação • Fundamentos da Eletrotécnica • Fundamentos da Mecânica 100 h 140 h 100 h 340 h Módulo Introdutório Fundamentos técnicos e científicos • Acionamento de Dispositivos Atuadores 160 h 180 h 340 h • Processamento de Sinais Específico I Manutenção e Implemen- tação de equipamentos e dispositivos • Gestão da Manutenção • Implementação de Equipamentos Dispositivos • Instrumentação e Controle • Manutenção de Equipamentos e Dispositivos 34 h 136 h 102 h 68 h 340 h Específico II Desenvolvimento de sistemas de controle e Automação • Desenvolvimento de Sistemas de Controle • Sistemas Lógicos Programáveis • Técnicas de Controle 100 h 160 h 80 h 340 h Fonte: SENAI 2 Características da pneumática e do ar comprimido O interesse pela Pneumática acompanha a humanidade há muito tempo. Desde a antiga Grécia, os princípios hidráulicos e pneumáticos têm sido utilizados em benefício da sociedade. O termo pneumática, que é de origem grega (pneumos ou pneuma), significa respiração, sopro. A Física sempre se interessou por estudar os fenômenos dinâmicos relacionados aos gases e aos vácuos. Atualmente, uma forma de utilizar a energia do ar para gerar energia mecânica pode ser vista nos elevadores de plataformas de cadeiras de rodas de alguns ônibus urbanos (Figura 1). Figura 1 - Elevação de plataforma por ar comprimido Fonte: Autor Ar atmosférico e ar comprimido A constante evolução tecnológica impulsiona o desenvolvimento de técnicas de trabalho que possibilitam o aprimoramento dos processos e dos equipamentos. Para isso, é fundamental o conhecimento acerca dos meios de transmissão de energia. Podemos transmitir energia de um meio para outro de forma pneumática, hidráulica, mecânica, elétrica e eletrônica. Em nosso estudo sobre as características dos sistemas pneumáticos, vamos descobrir como eles são criados, como são armazenadas e transmitidas as energias do ar, para que servem essas energias e como você pode utilizá-las. AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL22 Você deve saber que o ar atmosférico é constituído por uma mistura de diversos gases, por impurezas decorrentes de poluição (poeira, partículas de carbono provenientes de combustões incompletas, dióxido de enxofre e outros) e por vapor d’água. Enquanto o ar é um elemento abundante na natureza e, de certa forma, gratuito, o ar atmosférico comprimido é a energia dos equipamentos pneumáticos. Na indústria Embora os conceitos básicos da Pneumática e sua aplicação sejam bastante conhecidos pela humanidade, foi preciso aguardar até o século XIXpara o estudo contínuo de seu comportamento e de suas características. A introdução da pneumática na indústria só ocorreu em 1950. Antes dessa data, já havia alguns campos de aplicação e de aproveitamento da pneumática, como, por exemplo, a indústria de mineração, da construção civil e a indústria ferroviária (freios a ar comprimido). A introdução da pneumática na indústria começou com a necessidade de automatização e de racionalização dos processos de trabalho. Apesar de sua rejeição inicial, normalmente devido à falta de conhecimento e de instrução, a pneumática foi aceita, e a variedade de campos de aplicação aumentou cada vez mais com o passar do tempo. Como essa área de conhecimento é bastante ampla, vamos iniciar nosso estudo com algumas informações básicas. Começaremos com as características do ar comprimido. 2.1 PneumátICa: CaraCteríStICaS do ar ComPrImIdo Para que possamos obter ar comprimido, é necessária a combinação de força e de pressão. Mas, o que é ar comprimido? Como o nome já diz, é o ar atmosférico que encontramos normalmente na natureza sobre pressão em um objeto confinado. Comprimimos o ar em um objeto, que pode ser grande ou pequeno, para utilizar sua força de várias maneiras. Uma corneta, um frasco de desodorante spray, a porta do ônibus, um amortecedor de carro, todos esses objetos e equipamentos usam a força do ar que está confinado em reservatórios confinados. Também quando sopramos uma vuvuzela (Figura 2) utilizando a força do ar que sai de nossos pulmões, com pressão para gerar aquele som que reverbera nos estádios, estamos utilizando os princípios da Pneumática. De forma muito mais fácil, usamos a corneta de ar comprimido que já vem pronta, pois o ar atmosférico está comprimido no frasco e, quando apertamos o botão, sai com muita força e pressão – muito maior do que podemos produzir com os nossos pulmões. 2 CaraCterístiCas da pneumátiCa e do ar Comprimido 23 Figura 2 - Usos do ar ambiente e ar comprimido Fonte: Autor Então, como vimos, para transformar o ar comum em ar comprimido, precisamos combinar força e pressão. Vamos relembrar os conceitos relacionados a essas duas grandezas? • Força – É qualquer influência capaz de produzir uma alteração no movimento de um corpo. Quando alguém empurra um carro, por exemplo, uma força é gerada para que ocorra o deslocamento do veículo. Quanto mais pessoas ajudarem a empurrar o carro, maior será a força aplicada e, consequentemente, o deslocamento do veículo será maior em determinado período de tempo. No ramo industrial podem existir empurradores para expulsar um material de cima de uma esteira. Eles devem ter uma força maior do que a força que deixa o material em cima da esteira. • Pressão – É a força exercida por unidade de superfície. Quando enchemos um pneu de bicicleta temos um exemplo prático da pressão. Quanto mais enchemos um pneu, mais “duro” ele fica, aumentando, assim, sua pressão interna (Figura 3). Como o pneu tem um volume máximo de capacidade, quanto mais ar inserimos maior é a quantidade de ar em seu interior. Para podermos encher o pneu, a força do ar que entra deverá ser maior do que a força do ar que sai dele. Assim podemos enchê-lo. Figura 3 - Exemplo prático de pressão Fonte: Autor AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL24 Na indústria Em um ambiente ou local confinado em que a área é fixa, quanto maior for a pressão que exercermos maior será a força resultante. Veja o exemplo de um empurrador que funciona na indústria: quanto maior for a pressão do expulsador, maior será sua força. Ou seja, um material mais pesado pode ser expulso com o aumento da pressão, desde que o expulsador aceite aquela pressão exercida nele. Quando estudamos pressão, devemos levar em conta a pressão absoluta, que é a soma das pressões atmosférica e relativa. A pressão relativa, também conhecida como sobrepressão, pressão manométrica ou pressão instrumental, é a pressão medida no manômetro, conforme demonstra a Figura 4. 50 0 100 150 psi 350 400 300 250 200 Figura 4 - Manômetro Fonte: Autor A pressão atinge tudo o que está sobre a Terra. Sobre a superfície do planeta há uma camada de ar que exerce uma determinada pressão, mas que não é constante. Essa pressão muda de acordo com a situação geográfica e as condições atmosféricas. O zero de pressão absoluta é o ponto em que não existe pressão alguma sobre ele, conhecido como vácuo. A atmosfera exerce sobre nós uma força equivalente ao seu peso, mas não a sentimos, pois ela atua em todos os sentidos e direções com a mesma intensidade. A pressão atmosférica pode ser medida de diversas maneiras, mas todos os seus valores são equivalentes. Podemos medir a pressão atmosférica das seguintes formas: método da coluna de mercúrio, bar, Pascal ou quilograma-força (Figura 5). Figura 5 - Experimento da coluna de mercúrio Fonte: Autor O valor da pressão atmosférica ao nível do mar a uma temperatura de 20°C e a uma umidade relativa de 36% é de: 2 CaraCterístiCas da pneumátiCa e do ar Comprimido 25 • 1atm (atmosfera) = 760mm (torricelli, coluna de mercúrio); • 1atm (atmosfera) = 1 bar; • 1atm (atmosfera) = 14,5lbf/pol² (libras por polegadas); • 1atm (atmosfera) = 100.000 (105Pa) – Pascal (do físico Blaise Pascal); • 1atm (atmosfera) = 1kgf/cm² (quilogramas por centímetros). Agora, vamos ver como a indústria utiliza a pressão relativa, que é a pressão dos sistemas pneumáticos. Assim, entenderemos como a força do ar é utilizada nos processos da indústria. FIQUE ALERTA A pressão de trabalho na pneumática é perigosa e necessita de equipamentos de proteção para o seu correto manuseio. 2.2 ProPrIedadeS fíSICaS do ar ComPrImIdo Por causa de algumas propriedades físicas muito interessantes do ar comprimido, ele é utilizado na indústria em processos que precisam ser automatizados; isto é, algumas máquinas precisam trabalhar de forma automática exercendo uma força muito grande para empurrar outros objetos, gerar produtos, enfim, várias aplicações que vamos ver agora. Como o ar é de graça, a utilização da pneumática é uma atividade barata, limpa e rentável. Veremos, a seguir, as propriedades do ar comprimido para que tudo isso seja possível. O Quadro 1 mostra as principais propriedades, com exemplos. CoMPressIbIlIdAde Reduz o volume da estrutura do ar. F elAsTICIdAde Possibilita que o ar volte a seu volume inicial após aplicar uma força de compressão F dIFusIbIlIdAde Permite a mistura homogênea com qualquer meio gasoso que não seja saturado. Peso do Ar Se colocarmos dois recipientes em uma balança, um vazio e o outro com ar, notamos que o recipiente sem ar é mais leve do que o recipiente com ar. AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL26 Peso do Ar (CoM TeMPerATurA norMAl e AqueCIdo) Com dois recipientes, um aquecido e outro com temperatura ambiente, notaremos que o recipiente que teve elevação de temperatura ficou mais leve. exPAnsIbIlIdAde O ar se expande e se adapta a qualquer tipo de forma. Quadro 1 - Propriedades físicas do ar comprimido Fonte: PARKER, 2000 2.2.1 As leis utilizAdAs NA pNeumáticA A partir de várias experiências, os físicos verificaram que as propriedades físicas do ar comprimido apresentavam alguns padrões; isto é, sempre que se fazia determinada ação, o experimento respondia da mesma forma, por exemplo, na experiência do peso do ar. Os físicos notaram que sempre que se aquecia um recipiente, ele ficava mais leve do que o outro recipiente que não tinha sido aquecido. Assim, eles fizeram várias experiências e registraram os resultados, surgindo, assim, as leis que mostravam o comportamento de cada experiência. Essas leis são muito importantes, pois nos ajudam a saber como um equipamento vai se comportar se agirmos de determinado modo. Para trabalhar em uma máquina pneumática, você deve saber algumas dessas leis. Vamos ver a lei geral dos gases, pois esses princípios se aplicam a todas as leis. lei geral dos gases ideais Esta lei leva em consideração que o volume (V), a temperatura(T) e a pressão (P) são variáveis. Assim, para o caso de dois gases diferentes, de acordo com a lei geral dos gases (Figura 6), temos: P1.V1 P2.V2 T1 T2= Nessa fórmula temos as seguintes definições: • P1: pressão de um dos gases (em atm); • P2: pressão do outro gás (em atm); • V1: volume de um dos gases (em litros ou dm³); • V2: volume do outro gás (em litros ou dm³); • T1: temperatura de um dos gases (em kelvin); 2 CaraCterístiCas da pneumátiCa e do ar Comprimido 27 • T2: temperatura do outro gás (em kelvin). Condições iniciais de: pressão volume temperatura Transformação Condições �nais de: pressão volume temperatura (a) (b) Figura 6 - Lei geral do gases Fonte: Autor Ou seja, em relação a um gás, se multiplicarmos a pressão (P) pelo volume (V) e dividirmos por sua temperatura (T), o resultado desse cálculo terá um valor constante idêntico para qualquer outro gás ideal. Nesse tipo de transformação, é necessário saber qual o tipo de gás que está sendo utilizado, para que os cálculos possam ser feitos. Antes de continuar vendo as leis utilizadas na Pneumática, vamos conhecer algumas questões sobre transformações e temperaturas que os gases e os líquidos podem sofrer. medindo a temperatura dos gases Quando você estiver trabalhando com gases, terá de saber como podem ser medidas suas temperaturas e as transformações que eles sofrem ao serem aquecidos ou resfriados. Dependo da situação, você utilizará as medições baseadas em graus Celsius (°C) Fahrenheit (ºF) ou Kelvin (K). Vamos ver cada uma. temperatura em graus celsius (°c) A escala de temperatura de graus Celsius é dividida em 100 partes iguais. Zero grau Celsius (0°C) representa o congelamento da água, enquanto 100 graus Celsius (100°C) representa sua evaporação. temperatura em graus Fahrenheit (ºF) A escala de temperatura de graus Fahrenheit é dividida em 180 partes iguais. O congelamento da água acontece aos 32 graus Fahrenheit (32°F) e a evaporação, aos 212 graus Fahrenheit (212°F). A escala Fahrenheit foi utilizada principalmente pelos países colonizados pelos britânicos. Atualmente, seu uso se restringe a poucos países de língua inglesa, como os Estados Unidos e Belize. A escala Celsius é utilizada em países que adotam o SI, entre eles, o Brasil. VOCÊ SABIA? AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL28 CaSoS e reLatoS Nas férias de julho, um casal brasileiro resolveu viajar a Nova Iorque. Compraram as passagens de uma companhia aérea norte-americana, pois estava com uma boa promoção. Minutos antes de pousar no aeroporto da Big Apple, o piloto americano informou aos passageiros a temperatura local, que era de 30°. Ansiosos pela chegada a Nova Iorque, tiraram todos os casacos que vestiam e se prepararam para o desembarque. Pegaram as malas, passaram pela alfândega e, quando saíram do aeroporto, tomaram um tremendo susto. Estava um frio de bater os queixos! Foi aí que eles se lembraram de converter a temperatura que o piloto norte- americano tinha informado no avião. Os 30° de temperatura local a que o piloto se referiu era na escala Fahrenheit, que é o padrão para os EUA, enquanto no Brasil, o padrão é a escala Celsius. Fazendo rapidamente as contas, eles viram que 30°F equivale a 0°C! Estava explicada a confusão. temperatura em graus Kelvin (K) A escala de temperatura de graus Kelvin é dividida em 100 partes iguais. A temperatura em Kelvin também é conhecida como “zero absoluto”, pois é a mínima temperatura natural. Nessas condições, não ocorre mais a vibração de moléculas, de modo que é impossível chegar a uma temperatura inferior. A temperatura mínima em graus Kelvin corresponde a -273,15°C. Esse valor é resultado da conversão entre graus Celsius e graus Kelvin: • 0°C = 273,15K • 100°C = 373,15K Relação entre escalas de temperatura Tmax - T Tmax - Tmin Nessa fórmula, temos as seguintes definições: • Tmax significa temperatura máxima de uma das escalas; • Tmin significa temperatura mínima de uma das escalas; 2 CaraCterístiCas da pneumátiCa e do ar Comprimido 29 • T significa temperatura atual de uma das escalas. 100 - ºC 373,15 - K 100 - 0 373,15 - 273,15 = 212 - ºF 212 - 32 = Como vimos: • ºC significa temperatura em graus Celsius. • ºF significa temperatura em graus Fahrenheit. • K significa temperatura atual em Kelvin. 100 - ºC 373,15 - K 100 100 = 212 - ºF 180 = , dividindo os divisores por 20, temos: 100 - ºC 373,15 - K 5 5 = 212 - ºF 9 = comparação entre as escalas A Figura 7 mostra um comparativo entre as escalas. Notamos que a comparação entre elas é feita sempre de acordo com o congelamento e a evaporação da água. T Evaporação da água Congelamento da água 100 212 373,15 100 divisões 180 divisões 100 divisões 0 32 273,15 Celsius Fahrenheit Kelvin max minT Figura 7 - Comparativo entre as escalas de temperatura em Celsius, Fahrenheit e Kelvin Fonte: FESTO, 2012a Fases de transformação da água Como você sabe, quando aquecemos a água ela se transforma em vapor, e quando a resfriamos el se torna gelo. A esse processo damos o nome de transição de fase ou mudança de fase, que é a transformação de uma fase para outra. Uma característica bem interessante que pode ocorrer na mudança de fase é a mudança de temperatura. As principais mudanças que ocorrem são: • solidificação: transformação do estado líquido para o sólido; • fusão: transformação do estado sólido para o líquido; • condensação: transformação do vapor em água; AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL30 • evaporação/ebulição: transformação da água em vapor. A partir de várias experiências, os físicos criaram algumas medidas para facilitar o processo de análise de transformação dos líquidos e da própria água. Essas medidas são dadas por suas siglas: bar; atm (atmosfera); kgf (quilograma-força); N (newton); pé (medida de um pé); m (metro); dm (decímetro); gal (galão). Veja na Tabela 2 as unidades de medida e as equivalências relativas à conversão de pressão e vazão volumétrica. Em negrito, marcamos as equivalências que são mais utilizadas. Tabela 2: Conversão de pressão e vazão volumétrica Equivalências 1kgf/cm² 14,22lbf/pol² 0,98bar ≈ 1bar 10m.c.a (metros de coluna de água) 0,968atm ≈ 1atm 1atm 1,083kgf/cm² ≈ 1kgf/cm² 14,51psi ≈ 14,7psi 1bar 1bar 1,083kgf/cm² ≈ 1kgf/cm² 14,51psi ≈ 14,7psi 100 kPa 1N/m² 0,0001kgf/cm² 1pé³/min (ft³/min) 28,32 l/min 1m³/min 1000 l/min 35,32pés³/min 264,17ga l/min 1dm³/min 1 Galão/min (gpm) 1 l/min 3,78 l/min Fonte: PARKER, 2000 A partir da lei geral dos gases, vamos ver agora as leis aplicadas à Pneumática. Cada lei leva o nome de seus descobridores, os físicos Blaise Pascal, Boyle- Marriotte, Gay-Lussac e Charles. lei de pascal O físico Blaise Pascal (Figura 8) formulou a seguinte lei, que leva seu nome: “A pressão exercida em um líquido confinado em forma estática atua em todos os sentidos e direções, com a mesma intensidade, exercendo forças iguais em áreas iguais”. O que Pascal quer dizer com isso? Ora, como o ar é muito compressível (você se lembra da característica da compressibildiade que vimos antes?) quanto está sob a ação de pequenas forças contido em um recipiente fechado, ele exerce uma pressão igual sobre as paredes, em todos os sentidos. A experiência que Pascal fez está ilustrada na Figura 9. Ele viu que, ao pressionar a tampa da garrafa, a pressão era distribuída em todo o recipiente e em todas as direções. 2 CaraCterístiCas da pneumátiCa e do ar Comprimido 31 Figura 8 - Blaise Pascal Fonte: FILOSOFIA, 2011 P F A P A P A P Figura 9 - Experimento de Pascal Fonte: Autor lei de Boyle-mariotte Pela lei de Boyle-Mariotte (Figura 10) podemos saber como ocorre a transformação isotérmica, isto é, a transformação que ocorre sobre uma mesma temperatura (“iso”, em grego, significa igual). Como já vimos nas propriedades físicas do ar comprimido, o ar tem uma propriedade específica para se tornar comprimido. O ar pode ser pressionado, variando seu volume conforme a força exercida em um recipiente. Assim,de acordo com a lei de Boyle-Mariotte, “em um sistema isotérmico, quanto menor o volume de um recipiente, maior é a pressão aplicada” (Figura 11). Figura 10 - Boyle-Mariotte Fonte: Banco de imagens do google Figura 11 - Experimento de Boyle-Mariotte Fonte: Autor Quanto maior a pressão sobre o ar, maior a variação de seu volume. Nesse tipo de ação, notamos que a variação do volume e de pressão ocorre com uma temperatura constante. Sabemos que, no sistema isotérmico (mesma temperatura), a temperatura do gás 1 é igual à temperatura do gás 2; ou seja: T1 = T2. Assim, utilizando a fórmula geral dos gases, temos: P1 . V1 = P2 . V2 lei de Gay-lussac Pela lei Gay-Lussac (Figura 12) podemos saber como ocorre a transformação isobárica, isto é, a transformação que ocorre sobre uma mesma pressão. Segundo a Lei de Gay-Lussac, “em uma transformação isobárica, quanto maior a temperatura, maior será o volume utilizado” (Figura 13). AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL32 Figura 12 - Gay-Lussac Fonte: Banco de imagem do google (1,00 atm) (1,37 atm) Gelo Água Fervento Figura 13 - Experimento de Gay-Lussac Fonte: Autor No sistema isobárico, a pressão do gás 1 é igual à pressão do gás 2, P1 = P2. Assim, utilizando a lei geral dos gases, temos: P1 = P2 T1 > T2 V1 > V2 V2V1 T1 T2= , ou . lei de charles Pela lei de Charles (Figura 14) podemos saber como ocorre a transformação isocórica, ou isométrica, isto é, a transformação que ocorre sobre um mesmo volume. Segundo a lei de Charles, “quanto maior a pressão de um gás aplicada em um recipiente com um volume constante, maior será a temperatura desse gás” (Figura 15). Figura 14 - Charles Fonte: Banco de imagem do google Gás Líquido Figura 15 - Experimento de Charles Fonte: Autor No sistema isocórico (ou isométrico), o volume do gás 1 é igual ao volume do gás 2, V1 = V2. Utilizando a lei geral dos gases, temos: V1 = V2 P1 > P2 T1 > T2 P2P1 T1 T2= , ou . reCaPItuLando Estudamos neste capítulo as características dos sistemas pneumáticos que são usados, principalmente, como elementos de transmissão e força. Vimos as características do ar comprimido, além das características do próprio ar, que são atribuídas também ao ar comprimido. Conhecemos as formas de transformação de temperatura, pressão e volume que podem interferir na eficiência do ar comprimido, além das fases de transformação da água, que interferem também no rendimento do ar comprimido. 2 CaraCterístiCas da pneumátiCa e do ar Comprimido 33 Anotações: 3 Produção, preparação e distribuição do ar comprimido Agora que vimos as características e propriedades do ar comprimido, vamos estudar como ele é produzido, preparado e distribuído. Antes de tudo, você deve saber que, na pneumática, os gases sempre permanecem em seu estado, nas temperaturas e pressões normais. Isso quer dizer que, para produzir, preparar e distribuir o ar comprimido, ele sempre estará em seu estado normal, isto é, sem variações. Vamos ver como é a instalação de uma rede de ar comprimido. Na Figura 16 você acompanha todo o caminho que o ar natural percorre até se transformar em ar comprimido. 1 5 7 8 2 3 4 6 9 10 11 12 1. Compressor 2. Resfriador posterior ar/ar 3. Separador de condensados 4. Reservatório 5. Purgador automático 6. Pré - �ltro coalescente 7. Secador 8. Purgador automático eletrônico 9. Pré - �ltro coalescente grau x 10. Pré - �ltro coalescente grau y 11. Pré - �ltro coalescente z 12. Separador de água e óleo Figura 16 - Produção, preparação e distribuição do ar comprimido Fonte: FESTO, 2012a 3.1 Produção do ar ComPrImIdo A partir da Figura 16, apresentaremos cada elemento que compõe essa rede, que é formada por 12 elementos. AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL36 3.1.1 compressores Há vários tipos de compressores. Cada compressor deve ser escolhido de acordo com as características do ambiente em que será utilizado. O compressor tem como principais funções: • transformar o ar em ar comprimido; • filtrar o ar; • armazenar o ar. A Figura 17 mostra um exemplo de compressor com a sua simbologia. A compressão é feita pelo compressor, e o ar é armazenado no reservatório e sua simbologia ao lado direito. Figura 17 - Compressor tipo pistão (amarelo), com reservatório de 25L (preto). Fonte: Autor tipos de compressores No Quadro 2, temos os tipos de compressores. TIPo desCrIção Compressores volumétricos ou de deslocamento positivo Trabalham com a ajuda de uma rotação em conjunto com o movimento alternado do pistão. Nesses compressores se consegue a elevação da pressão por meio da redução do volume ocupado pelo ar. O funcionamento é o seguinte: inicialmente, entra uma certa quantidade de ar no interior de uma câmara de compressão, na qual ocorre uma força para diminuir o volume dessa câmara, aumentando consequente- mente a pressão do ar. Após essa fase, a câmara é liberada, de modo que o ar é liberado com uma pressão muito maior. Compressores dinâmicos ou turbocompressores Possuem duas partes principais: impelidor e difusor. O impelidor é uma parte rotativa munida de pás que transferem ao gás a energia recebida pelo acionador. Após essa fase, o escoamento feito pelo impelidor é recebido pelo difusor, que tem como principal função transformar a energia do gás em entalpia (transformação de energia), tendo assim um ganho de pressão. Quadro 2 - Tipos de compressores Fonte: PARKER, 2001 Os compressores volumétricos (ou de descolamento positivo) e dinâmicos (ou turbocompressores) possuem subdivisões. A Figura 18 mostra essa subdivisão. 3 Produção, PreParação e distribuição do ar comPrimido 37 Pistão Diafragma Palhetas Radiais Parafuso Lóbulos Anel Líquido Axiais Compressores Alternativos Rotativos Volumétricos Dinâmicos Figura 18 - Divisão dos compressores conforme a sua funcionalidade Fonte: PARKER, 2001 A seguir, veremos as características principais de cada tipo de compressor, iniciando pelo compressores volumétricos alternativos e os compressores volumétricos rotativos; posteriormente, teremos os compressores dinâmicos radiais e os compressores dinâmicos axiais. características dos compressores volumétricos alternativos Compressor de pistão O compressor de pistão, apresentado na Figura 19, leva o ar através do movimento do pistão (para cima e para baixo), comprimindo e descarregando o ar. Esses processos são controlados por válvulas de entrada e de descarga. Diferentes pressões são geradas por vários estágios de compressão em série e pelo uso de vários cilindros, e assim podem produzir diferentes volumes de ar. Os compressores de pistão podem ser construídos em vários modelos e com diferentes posicionamentos dos cilindros, como: vertical, horizontal, em V, em W ou horizontalmente oposto. Figura 19 - Compressor por pistão Fonte: FESTO, 2012a Compressor de diafragma O compressor de diafragma (Figura 20) usa eixos de ligação e diafragmas elásticos para compressão. Ao contrário do compressor de pistão, cujo pistão se move de um lado para outro entre duas posições, o compressor de diafragma é induzido a se mover em oscilações não lineares. O diafragma é fixo por sua extremidade e é movimentado pelo eixo de ligação, cujo comprimento depende da deformação do diafragma. AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL38 Figura 20 - Compressor por diafragma Fonte: FESTO, 2012a características dos compressores volumétricos rotativos Compressor tipo palheta O compressor tipo palheta (Figura 21) possui um rotor que gira excentricamente1 em relação à carcaça. Esse rotor possui rasgos radiais que se prolongam por todo o seu comprimento e nos quais são inseridas palhetas retangulares. Quando o rotor gira, as palhetas se deslocam radialmente sob a ação da força centrífuga e se mantêm em contato com a carcaça. O ar penetra pela abertura de sucção e ocupa os espaços definidos entre as palhetas. Devido à excentricidade do rotor e às posições das aberturas de sucção e descarga, os espaços entre as palhetas se reduzem,
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