SENSORES, ATUADORES E CONTROLADORES

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FACULDADE ANHANGUERA - FACNET
CURSO DE ENGENHARIA ELETRICA
9º PERÍODO A- NOTURNO
DISCIPLINA: AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
PROFESSOR: MOACIR
SENSORES, ATUADORES E CONTROLADORES
	Cirisley F. de Moraes
	RA 6.653.344.302
	Erasmo Carlos S. de Araújo
	RA 3.245.510.985
	Roberto da Silva Chagas
	RA 3.227.004.764
	Solange Alves de O. França
	RA 7.420.675.193
	Wallace Batista da Rocha
	RA 3.217.515.634
	Marcos Paulo Nunes
	RA 3.200.490.811
	Roberto Teixeira Neto
	RA 3.227.004.591
	
TAGUATINGA – DF
2015
	Cirisley F. de Moraes
	RA 6.653.344.302
	Erasmo Carlos S. de Araujo
	RA 3.245.510.985
	Roberto da Silva Chagas
	RA 3.227.004.764
	Solange Alves de O. França
	RA 7.420.675.193
	Wallace Batista da Rocha
	RA 3.217.515.634
	Marcos Paulo Nunes
	RA 3.200.490.811
	Roberto Teixeira Neto
	RA 3.227.004.591
	
	
	
	
	
	
	
SENSORES, ATUADORES E CONTROLADORES
Este trabalho de pesquisa bibliográfica, proposto pela disciplina de Automação Industrial tem como objetivo informar aos acadêmicos a evolução do sistema de equipamentos utilizados em processos de automação. Sendo apresentado para Faculdade Anhanguera de Taguatinga, Brasília – DF, FACNET, pelo curso de Engenharia Elétrica 9A do período noturno.
Professor – Moacir
TAGUATINGA – DF
2015
SUMÁRIO
SENSORES						PÁGINA - 4
ATUADORES	 					PÁGINA – 17
CONTROLADORES					PAGINA – 19
REFERENCIA						PAGINA – 26
 
SENSORES
Sensores são utilizados em aplicações que variam desde controle de processos até aplicações para segurança de um operador. Portanto, diversos detalhes devem ser levados em consideração durante o processo de especificação do sensor adequado para cada aplicação. 
 
Diagrama de blocos de um sistema de controle.
 
1.1 Definição correta do tipo de sensor a ser utilizado:
Qual é o tipo de material a ser detectado?
Onde o sensor será aplicado?
Quais características fundamentais esse sensor deverá possuir?
Para a última pergunta deve ser considerado o tipo de sinal que o sensor deverá fornecer (digital ou analógico), o tipo de chaveamento elétrico desse sensor (transistor NF ou NA, dois fios, etc.), a distância de acionamento, ou se deve possuir algumas características diferenciadas como: alta temperatura, alta pressão, resistência a agentes químicos ou alto grau de proteção.
 
1.2 Tipo de sinal de saída:
Digital: Esse tipo de sensor pode assumir somente dois valores no seu sinal de saída, que podem ser interpretados como 0 (zero) ou 1.
Analógico: O sinal de saída desse tipo de sensor varia ao longo do tempo, assumindo valores dentro de sua faixa de operação. Normalmente os sinais utilizados são 4...20 mA ou 0...10 V. Esse sinal pode variar de acordo com a distância de acionamento ou com movimento de um atuador.
 
A tensão de saída (V) varia em função da distância de acionamento (mm).
.
Tipos de chaveamento encontrados em sensores
3 fios PNP: São sensores com saída a transistor, chaveando o terminal positivo da fonte. 
 
Chaveamento a 3 fios PNP.
 
3 fios NPN: São sensores com saída a transistor, chaveando o terminal negativo da fonte.  
Chaveamento a 3 fios NPN.
 
2 fios corrente contínua: São sensores alimentados com tensão contínua, que vão ligados em série com uma carga, chaveando quando ocorre a detecção do objeto.
 
Chaveamento a 2 fios – corrente contínua.
 
2 fios corrente alternada: São sensores alimentados com tensão alternada, que vão ligados em série com uma carga, chaveando quando ocorre a detecção do objeto. 
 
Chaveamento a 2 fios – corrente alternada.
 
2 fios AC/DC. 
 
Chaveamento a 2 fios AC/DC
 
NAMUR: Os sensores NAMUR têm função semelhante aos sensores convencionais, porém não possuem transistor de chaveamento na saída e trabalham em baixa corrente. São usados em ambientes críticos, potencialmente explosivos. 
 
Sensor NAMUR.
1.4 Sensor de proximidade indutivo
Os sensores indutivos são equipamentos eletrônicos capazes de detectar objetos metálicos. Surgiram com o objetivo de substituir as tradicionais chaves “fim de curso”. A detecção ocorre sem que haja o contato físico entre o sensor e o objeto metálico, não havendo desgaste e aumentando a vida útil de ambas as partes. O princípio de funcionamento é baseado na geração de um campo eletromagnético de alta frequência, desenvolvido por uma bobina em um núcleo de ferrite e um circuito oscilador.
 
Sensor indutivo.
 
Esses sensores podem ser encontrados para instalação faceada ou não faceada no metal. É necessário consultar o data sheet do fabricante para uma instalação correta dos sensores.
 
Sensor para instalação faceada.
 
Sensor para instalação não faceada.
Sensor de proximidade capacitivo
Sensores capacitivos são sensores que detectam qualquer tipo de massa, portanto são capazes de detectar a presença de objetos plásticos, líquidos, orgânicos e também os metálicos detectados pelos sensores indutivos. A detecção também ocorre sem que haja contato físico e, além de distância e posição, os sensores capacitivos podem medir deformação, espessura, nível em tanques, desgaste ou vibração, por exemplo.
O seu princípio de funcionamento é baseado na variação de capacitância, na qual é gerado um campo eletrostático através de um oscilador controlado por capacitor. Quando um objeto é detectado, o valor da capacitância varia ocorrendo o chaveamento. 
 
Sensor de proximidade capacitivo.
 
1.6 Sensor de campo magnético
Estes sensores são ativados por campos magnéticos e são adequados especialmente para detecção de pistões em cilindros pneumáticos. Devido ao fato de que campos magnéticos podem penetrar metais não magnetizados, esse tipo de sensor detecta ímãs permanentes instalados em um pistão através do corpo de alumínio do cilindro.
1.7 Sensor de temperatura
A temperatura é um fator crítico para muitos processos industriais e tem de ser constantemente monitorada a fim de operar máquinas e sistemas com segurança e eficiência. Uma solução confiável e prática para medição de temperatura são os sensores e transmissores eletrônicos de temperatura (sensores de temperatura). A confiabilidade não é apenas alcançada através de alta precisão e repetitividade, mas também através de diversas opções de interfaces disponíveis entre o processo e o operador.
Em aplicações industriais, a temperatura pode ser medida com termômetros de resistência ou termopares. Os Termômetros de resistência alcançam este objetivo através de resistências elétricas sensíveis à temperatura. Enquanto a resistência das PTCs aumenta com a elevação da temperatura, as NTCs comportam-se de modo contrário. 
 
PTC & NTC.
 
1.8 Sensor de pressão
A pressão necessita ser medida e monitorada em aplicações de controle de processos e indústrias de manufatura. Sendo em sistemas-padrão ou em ambientes com condições especiais, cada aplicação requer a solução perfeita para cada aspecto. Materiais de alta qualidade, variadas conexões mecânicas ao processo, facilidade de programação (IO-Link), alta precisão e várias opções de exibição de funções são, portanto, padrões essenciais para a medição eletrônica
da pressão.
A medição da pressão pode ser relativa, absoluta ou diferencial. Na medição da pressão relativa, a pressão zero é a pressão do ambiente, ou seja, mede a pressão em relação à pressão externa. Já a medição de pressão absoluta começa no vácuo absoluto. Finalmente, a medição de pressão diferencial mostra a diferença de pressão entre dois pontos. 
Diagramas de medição de pressão relativa, absoluta e diferencial.
 
Detalhe de instalação do sensor de pressão.
1.9 Sensores fotoelétricos
Sensores fotoelétricos usam luz visível ou infravermelha para detectar diferentes tipos de objetos sem contato, independentemente de sua consistência. Ao contrário dos sensores indutivos ou capacitivos, eles possuem distâncias sensores bem maiores.
As suas aplicações mais comuns são controle de posição, contagem, triagem e classificação. Eles são aplicados principalmente na indústria automotiva, construção de máquinas, linhas de montagem, sistemas de armazenamento e transporte.
Sensores fotoelétricos operam com o princípio de emissão e recepção de luz. Um diodo emite luz que é cortada ou refletida por um objeto e o evento é posteriormente processado.
Existem alguns modos desse processo ser realizado: modo oposto, retro refletivo, modo difuso ou via sistemas de fibra ótica, que deve ser escolhido analisando vários fatores da aplicação.
 
1.10 Sensores Ultrassônicos
Sensores ultrassônicos detectam uma infinidade de objetos sem contato e sem desgaste, com ondas ultrassônicas. Ao contrário de outras tecnologias de detecção, não importa se o objeto é transparente ou opaco (fotoelétricos), metálico ou não metálico (indutivos), sólido, líquido ou em pó, o mais importante é a superfície do objeto. Quanto mais lisa a superfície, melhor a refletividade da onda e maior a distância sensora.
As possibilidades de aplicações dos sensores ultrassônicos são quase infinitas. Seja medição de nível ou altura, medição de distância de um objeto ou mesmo contagem de objetos, os sensores ultrassônicos detectam objetos de diferentes materiais e propriedades e em longas distâncias. Condições do local, tais como sprays, poeiras ou chuva afetam insignificantemente seu funcionamento.
 
 “cone sônico”.
 
1.11 Sensores de Fluxo ou Vazão
Os Sensores de fluxo são aplicados na produção automatizada para detectar variações da velocidade do fluxo de gases e líquidos de forma rápida e confiável. Eles monitoram circuitos de refrigeração, proteção de bombas ou controle do fluxo de ar de dutos de exaustão e sistemas de ar condicionado.
Eles podem ser aplicados tanto para executar medições precisas quanto para controlar valores- limite e padrões de fluxo, em outras palavras, o aumento ou diminuição da velocidade do fluxo. O sinal de saída pode ser analógico ou binário, dependendo da necessidade de medir fluxo continuamente ou apenas valores limites. 
 
Sensor magnetostritivo Turck.
1.12 Sensores de posicionamento linear
Também conhecido como Transdutor linear, esse sensor transmite um sinal analógico de acordo com o posicionamento de seu elemento atuador. É possível encontrar diferentes tipos de transdutores lineares para aplicações na indústria, cada um com diferentes princípios de funcionamento: princípio indutivo, magnetostritivo, ou potenciométrico são os mais usuais.
Princípio de funcionamento do sensor magnetostritivo:
O elemento de medição é o guia de onda (tubo com cobre no seu interior), é também utilizado um elemento atuador (ímã permanente).
Aplica-se um pulso de corrente, gerando um campo magnético em torno do guia de onda. Através de um efeito magnetostritivo cria-se uma onda mecânica (deformação).
A distância é determinada a partir do tempo que essa onda leva para chegar ao conversor de sinal. 
Princípio de funcionamento do sensor magnetostritivo.
 
Aspecto físico do sensor.
 
Alta repetitividade e linearidade, precisão, robustez e medição sem contato com o elemento atuador são as principais características deste tipo de sensor, que acaba sendo utilizado em aplicações de controle de movimento em máquinas, cilindros pneumáticos ou mesmo para controle de nível de tanques, por exemplo.
 
1.13 Sensor de inclinação
Também conhecido como Inclinômetro, é um instrumento utilizado para medir ângulos de inclinação e elevação. Ele utiliza a aceleração gravitacional como referência para medir o ângulo de inclinação.
É um sensor muito utilizado para aplicações em veículos, maquinas agrícolas, aeronaves e robôs industriais. Normalmente oferecem sinal analógico de saída diretamente proporcional ao ângulo medido, com alto grau de precisão.
ATUADORES
Os atuadores são componentes que realizam a conversão da energia elétrica, hidráulica, pneumática em energia mecânica. A potência mecânica gerada pelos atuadores é enviada aos elos através dos sistemas de transmissão para que os mesmos se movimentem. 
É possível classificar os atuadores de acordo com o tipo de energia que utiliza. A escolha do tipo de atuador mais indicado está relacionada com a esta classificação.
Atuadores Hidráulicos: 
Utilizam um fluido à pressão para movimentar o braço. São utilizados em robô que operam grandes cargas, onde é necessária grande potência e velocidade, mas oferecem baixa precisão.
Atuadores Pneumáticos: 
Utilizam um gás à pressão para movimentar o braço. São mais baratos que os hidráulicos, sendo usados em robôs de pequeno porte.  Oferecem baixa precisão, ficando limitados a operações do tipo pega-e-coloca (do inglês, pick and place).
Atuadores Eletromagnéticos: 
Motores elétricos (de passo, servos, Corrente Continua ou Corrente Alternada) ou músculos artificiais, usados em robôs de pequeno e médio porte. 
Os motores de corrente contínua (CC) são compactos e geralmente o valor de torque mantém-se numa faixa constante para grandes variações de velocidade, porém necessitam de sensores de posição angular (encoder) ou de velocidade (tacômetro) para controle de posição ou velocidade em malha fechada (servocontrole).
Uma alternativa mais simples consiste em usar motores de passo. Os mesmo podem funcionar em controle de malha aberta (posição e velocidade), e são facilmente interligados a unidades de comando de baixo custo, porém a curva de torque decresce com o aumento da velocidade e, em baixas velocidades, podem gerar vibrações mecânicas. São mais empregados na movimentação de garras.
2.4 Unidade de Controle
Um sistema de controle consiste de subsistemas e processos (ou plantas) reunidos com o propósito de controlar as saídas dos processos, onde uma entrada de referência é comparada com a saída do sistema, gerando um sinal de erro. O elemento controlador trata estes sinais que posteriormente são amplificados e enviados aos atuadores do sistema.
Assim, a unidade de controle responde pelo gerenciamento e monitoramento dos parâmetros operacionais requeridos para realizar as tarefas do robô. Os comandos de movimentação enviados aos atuadores são originados de controladores de movimento e baseados em informações obtidas pelos sensores.
	
	Sistema de Controle de Posição de um Robô Industrial
	Fonte: Adaptado de Ogata (1997)
Como exemplo de unidade controle, citam-se os computadores industriais, CLP, placa controladora de passo e os sistemas embarcados.
3.CONTROLADORES
3.1 Controladores de Processos Industriais
Imaginem um processo onde haja a necessidade de controle de temperatura , a ser feita manualmente por um operador. O operador teria que sentir a temperatura d’água de saída e, conforme a temperatura sentida, abriria ou fecharia a válvula
Controle de temperatura.
Este instrumento faz a função do operador, onde um sinal de temperatura (PV) é transmitido ao controlador, a temperatura é comparada com a temperatura desejada (SP) e, conforme o erro entre PV e SP, é transmitido um sinal de abertura ou fechamento de um elemento final de controle. Note que:
PV (variável do processo) é a variável que é controlada no processo. Por exemplo:
temperatura.
SP (set point) é o valor desejado para a variável do processo.
MV (variável manipulada) é a variável onde o controlador atua para controlar o processo. Por exemplo: vazão de vapor.
3.1 Funcionamento
0s controladores podem funcionar com alguns tipos de controle, como controle ON-OFF, ON-OFF com histerese, por largura de pulsos e PID.
ON-OFF: Neste tipo de controle, o controlador apresenta apenas dois níveis de saída: 0% ou 100%. Conforme a diferença entre set point (SP) e a variável do processo (PV), o controlador envia um sinal para abrir ou fechar a válvula .
 
Controle ON-OFF.
ON-OFF com histerese: Neste tipo de controle a saída do controlador também apresenta apenas dois níveis de saída, mas é acrescentado um valor de histerese para que o processo tenha uma oscilação menor. A histerese é um valor que tem a finalidade de antecipar o acionamento da saída na chegada da PV no SP .
 
Controle ON-OFF com histerese.
ON-OFF por largura de pulsos: Num controle por largura de pulsos, o controlador apresenta dois níveis de saída, mas o tempo em que a saída fica acionada e desacionada depende da amplitude do erro.
 
Controle ON-OFF por largura de pulsos.
3.3 Controle automático PID
 Esta técnica consiste em calcular um valor de atuação sobre o processo a partir das informações do valor do SP e da PV. Este valor de atuação pode ser um sinal que aciona um posicionador de uma válvula de controle, um sinal de tensão aplicada numa resistência de aquecimento, etc. O PID consiste em três ações que tem a finalidade de controlar o processo:
P (proporcional) - Esta ação faz a correção proporcional ao erro entre SP e PV (Kp x E(t)). Onde Kp é o ganho da ação proporcional;
I (integral) - A correção é feita na proporção do erro x tempo (Ki x E(t)dt). Onde Ki é o ganho da ação integral;
D (derivativa) - Correção proporcional a velocidade da variação do erro (Kd x dE(t) / dt). Onde Kd é o ganho da ação derivativa.
3.4 Tipos de Controladores
Existem dois tipos de controladores de processos no mercado, os controladores single loop e multi loops.
Single Loop (Não programáveis): Os controladores single loop são utilizados para o controle de apenas uma malha de controle. Na maioria desses controladores não é possível fazer uma programação de controle, somente é possível realizar uma configuração do controlador com os parâmetros pré-estabelecidos pelo fabricante, como mudança do range do sensor da entrada analógica, acionamento de um alarme, configuração das rampas e patamares, etc.
Multi Loop (Programáveis): Controladores que são usados para o controle de mais de uma malha de controle, normalmente encontrados para o controle de até quatro malhas de controle simultaneamente. São controladores mais avançados, pois possuem o artifício de programação de controle através de blocos de funções PID, alarme, registro, totalizadores, extrator de raiz, limitadores, temporizadores, etc., onde a programação pode ser feita via frontal do controlador, software de programação com comunicação serial e por hand helds.
O emprego deste controlador facilita na implantação de algum tipo de malha de controle, como cascata, split range, controle de relação e controle a três elementos de caldeira, pois no mesmo equipamento é possível centralizar o controle necessário.
 
Exemplo de uma programação em blocos de controle simples com: entrada analógica 1 (AIN 1), bloco de controle PID (PID 1), bloco de linearização (LIN 1) e saída analógica (AOUT 1).
3.5 Sinais de Entrada e Saída dos Controladores
Os sinais de entrada dos controladores de processos são normalmente todos os tipos de sinais analógicos de entrada, como:
- Termopares - K, J, R, S, B, E, N, T;
- Termo resistências - PT100, PT50;
- Analógico - 4 a 20 mA, 0 a 20 mA, 1 a 5 Vcc, 0 a 10 Vcc e Frequência.
Os sinais analógicos de saída são - 4 a 20 mA, 0 a 20 mA, 0 a 10 Vcc, 1 a 5 Vcc.
3.6 Simbologia
A simbologia do controlador conforme a ISA 5., sendo o controlador e indicador de temperatura instalados no painel de controle.
 
Simbologia do controlador single loop – convencional (a) e do controlador multi loop – compartilhado (b).
3.7 Tendência
A tendência que está ocorrendo quanto ao uso do controlador seria na sua aplicação para a comunicação com sistemas supervisórios, pois possuem comunicação serial. Tendência que facilita a operação em uma sala de controle, onde é possível a modificação dos parâmetros de PID, valores de alarmes e até mesmo alterar a sua programação via supervisório e software de programação.
4.REFERENCIAS
MATIAS, Juliano. Encoders. Mecatrônica Atual. São Paulo, n. 3, p. 36-42, Abril de 2002.
MORAES, Airton Almeida de Moraes. Robótica. Departamento de Meios Educacionais e Gerência de Educação, Diretoria Técnica do SENAI-SP. Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial, 2003. Apostila. Disponível em < http://www.adororobotica.com/RBSENAI.pdf>. Acessado em: 24/09/2015 15h43min.
OGATA, Katsuhiko. Engenharia de Controle Moderno. Tradução de Prof. Bernardo Severo. Rio de Janeiro: LTC Editora, 1998.