Automação+2018+ +aula+05

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Automação	
  Industrial
Aula	
  05	
  – Componentes	
  de	
  hardware	
  para	
  automação	
  
de	
  processos	
  industriais
Professor	
  João	
  Gustav0
Componentes	
  de	
  hardware	
  para	
  automação	
  e	
  controle	
  de	
  processos	
  industriais
Principais tópicos a	
  serem	
  abordados:
-­‐ Sensores;
-­‐ Atuadores;
-­‐ Conversores analógico-­‐digital;
-­‐ Conversores digital-­‐analógico;
-­‐ Dispositivos de	
  entrada/saída para	
  dados	
  discretos;
Componentes	
  de	
  hardware	
  para	
  automação	
  e	
  controle	
  de	
  processos	
  industriais
Para	
  implementar a	
  automação e o	
  controle de	
  processos,	
  o	
  computador de	
  controle deve:
• coletar dados	
  do	
  processo de	
  produção
• e	
  transmitir sinais de	
  comando ao	
  processo	
  de	
  produção.
O	
  problema é	
  que	
  o	
  computador	
  digital	
  opera	
  com	
  dados	
  digitais	
  (binários),	
  enquanto	
  que	
  os	
  dados	
  
de	
  processo	
  são	
  contínuos	
  (analógicos)	
  e	
  outros	
  discretos	
  (digitais).
Por	
  essa	
  razão,	
  é	
  necessário	
  uma	
  interface	
  entre	
  o	
  processo	
  e	
  o	
  computador	
  e	
  entre	
  o	
  computador	
  
e	
  o	
  processo.
Os componentes necessários à implementação dessa interface	
  são os seguintes:	
  	
  
• Sensores para	
  medir as	
  variáveis contínuas e	
  discretas do	
  processo
• Atuadores que	
  acionam os parâmetros contínuos e	
  discretos do	
  processo
• Dispositivos que	
  convertem sinais analógicos contínuos em dados	
  digitais
• Dispositivos que	
  convertem dados	
  digitais em sinais analógicos
• Dispositivos de	
  entrada/saída para	
  dados	
  discretos
Componentes	
  de	
  hardware	
  para	
  automação	
  e	
  controle	
  de	
  processos	
  industriais
Sensores
Um	
  instrumento de	
  medição é	
  o	
  nome	
  dado	
  aos	
  vários	
  tipos	
  de	
  dispositivos	
  usados	
  
na	
  medição	
  de	
  grandezas	
  físicas.	
  
Um	
  instrumento	
  de	
  medição,	
  em	
  geral,	
  é	
  composto	
  por	
  três	
  componentes:
• Elemento	
  sensor	
  -­‐ dispositivo	
  capaz	
  de	
  detectar	
  as	
  variáveis	
  físicas	
  
fornecendo	
  um	
  sinal	
  mensurável	
  que	
  varia	
  de	
  acordo	
  com	
  as	
  variações	
  da	
  
variável	
  física	
  em	
  questão.	
  Exemplos	
  de	
  grandezas	
  físicas:	
  temperatura,	
  
pressão,	
  nível,	
  força,	
  deslocamento,	
  velocidade,	
  posição,	
  pH,	
  luminosidade	
  
etc.
• Transdutor – são	
  dispositivos	
  que	
  podem	
  converter	
  uma	
  forma	
  de	
  energia	
  
em	
  outra.	
  Observação:	
  muitos	
  transdutores	
  são	
  classificados	
  como	
  sensores.
• Transmissor -­‐ elemento	
  utilizado	
  para	
  amplificar	
  e	
  formatar	
  sinais,	
  sendo	
  
adequados	
  para	
  transmissão	
  em	
  grandes	
  distâncias	
  sem	
  perda	
  de	
  
informação.
Sensores
Para	
  nós,	
  um	
  instrumento	
  de	
  medição	
  será	
  chamado	
  de	
  sensor	
  que	
  é	
  um	
  dispositivo	
  que	
  converte	
  um	
  estímulo	
  
físico	
  em	
  uma	
  variável	
  (informação	
  de	
  interesse)	
  	
  mais	
  conveniente	
  para	
  o	
  propósito	
  de	
  medir	
  o	
  estímulo	
  físico.
Os	
  sensores,	
  em	
  geral,	
  podem	
  ser	
  classificados	
  em:
• Contínuos	
  (analógicos)	
  vs.	
  Discretos	
  (binários	
  ou	
  digitais)
• Categoria	
  física
CATEGORIA DO	
  
ESTÍMULO
EXEMPLOS	
  DE	
  VARIÁVEIS	
  FÍSICAS
MECÂNICO Posição	
  (deslocamento	
  linear	
  ou	
  angular),	
  velocidade,	
  aceleração,	
  força,	
  pressão,	
  
desgaste, tensão,	
  massa,	
  densidade.
ELÉTRICO Tensão, corrente,	
  carga,	
  resistência,	
  condutividade,	
  capacitância,	
  indutância,	
  frequência.
TÉRMICO Temperatura,	
  calor,	
  fluxo	
  de	
  calor,	
  condutividade	
  térmica,	
  calor	
  específico.
RADIAÇÃO Tipo	
  de	
  radiação	
  (exemplo: raios	
  gama,	
  raios	
  X,	
  luz	
  visível),	
  intensidade,	
  comprimento	
  
de	
  onda.
MAGNÉTICO Campo	
  magnético,	
  fluxo,	
  condutividade,	
  permeabilidade.
QUÍMICO Identidades	
  de	
  componentes,	
  concentração,	
  níveis	
  de	
  pH,	
  presença	
  de	
  ingredientes	
  
tóxicos,	
  poluente.
Características	
  desejáveis	
  para	
  seleção	
  dos	
  dispositivos	
  de	
  medição	
  utilizados	
  em	
  
sistemas	
  automatizados:
Característica	
  
desejável
Definição	
  e	
  comentários
Alta	
  exatidão Erro	
  sistemático	
  pequeno
Alta	
  precisão Erro	
  estatístico	
  pequeno
Ampla	
  área	
  de	
  
operação
Exatidão	
  e	
  precisão	
  preservados	
  ao	
  longo	
  de	
  uma	
  ampla	
  faixa	
  de	
  
medição
Alta	
  velocidade	
  de	
  
resposta
O dispositivo	
  reage	
  rapidamente	
  às	
  mudanças	
  nas	
  variáveis	
  físicas	
  
medidas
Facilidade	
  de	
  
calibragem
Deve	
  ser	
  rápida	
  e	
  fácil
Desvio	
  mínimo O	
  desvio	
  se	
  refere	
  à	
  perda	
  gradual da	
  exatidão	
  ao	
  longo	
  do	
  tempo,	
  
forçando	
  ao	
  aumento	
  na	
  frequência	
  de	
  calibragem	
  do	
  equipamento.
Alta	
  confiabilidade Robustez,	
  reprodutibilidade	
  e	
  repetitividade
Baixo	
  custo Quanto à	
  aquisição,	
  instalação,	
  alimentação,	
  manutenção	
  e	
  troca
Para	
  automação,	
  o	
  principal	
  objetivo	
  é	
  comandar	
  eventos,	
  por	
  exemplo,	
  a	
  chegada	
  de	
  um	
  objeto	
  a	
  uma	
  
posição,	
  um	
  nível	
  de	
  líquido	
  a	
  um	
  valor,	
  alarmar	
  à	
  temperatura	
  máxima	
  ou	
  à	
  mínima	
  pressão	
  etc.
Suas	
  saídas,	
  portanto,	
  são	
  do	
  tipo:	
  	
  “ZERO	
  ou	
  UM”,	
  “On/Off”,	
  isto	
  é,	
  binárias.
É	
  a	
  esses	
  sensores	
  que	
  designamos	
  o	
  termo	
  sensores	
  discretos.
Entre	
  os	
  sensores	
  discretos,	
  há	
  duas	
  grandes	
  classes:
q De	
  contato	
  mecânico	
  (entre	
  o	
  processo	
  e	
  o	
  sensor);
q De	
  proximidade	
  (sem	
  contato	
  mecânico	
  entre	
  o	
  processo	
  e	
  o	
  sensor).
Em	
  geral,	
  os	
  sensores	
  de	
  proximidade	
  são	
  mais	
  importantes,	
  tanto	
  pela	
  flexibilidade	
  na	
  solução	
  de	
  
problemas	
  de	
  instalação	
  quanto	
  pelo	
  menor	
  desgaste	
  em	
  uso,	
  o	
  que	
  significa	
  maior	
  confiabilidade.
Sensores	
  de	
  contato	
  mecânico:
Nesses	
  sensores,	
  uma	
  força	
  entre	
  o	
  sensor	
  e	
  o	
  objeto	
  é	
  necessária	
  para	
  efetuar	
  a	
  detecção	
  do	
  objeto.
Um	
  exemplo	
  é	
  a	
  chave	
  de	
  contato,	
  um	
  dispositivo	
  eletromecânico	
  que	
  consiste	
  em	
  um	
  atuador	
  
mecanicamente	
  ligado	
  a	
  um	
  conjunto	
  de	
  contatos.	
  Quando	
  um	
  objeto	
  entra	
  em	
  contato	
  físico	
  com	
  o	
  atuador,	
  o	
  
dispositivo	
  opera	
  os	
  contatos	
  para	
  abrir	
  ou	
  fechar	
  uma	
  conexão	
  elétrica.
Os	
  sensores	
  de	
  contato	
  mecânico	
  normalmente	
  têm	
  um	
  corpo	
  reforçado	
  para	
  suportar	
  forças	
  mecânicas	
  
decorrentes	
  do	
  contato	
  com	
  os	
  objetos	
  e	
  apresentam	
  rodas	
  e	
  amortecedores	
  para	
  diminuir	
  o	
  desgaste	
  do	
  
ponto	
  de	
  contato.
Sensores	
  de	
  proximidade:
Nesses	
  sensores,o	
  objeto	
  é	
  detectado	
  pela	
  proximidade	
  ao	
  sensor.	
  
Há	
  pelo	
  menos	
  cinco	
  princípios	
  de	
  funcionamento	
  para	
  sensores	
  discretos	
  “sem	
  contato”:
o Indutivo:	
  detecta	
  alterações	
  em	
  um	
  campo	
  eletromagnético;	
  é	
  próprio	
  para	
  objetos	
  metálicos;
o Capacitivo:	
  detecta	
  alterações	
  em	
  um	
  campo	
  eletrostático;	
  é	
  próprio	
  para	
  objetos	
  isolantes;	
  
Ultrassônico:	
  usa	
  ondas	
  acústicas	
  e	
  ecos;	
  é	
  próprio	
  para	
  objetos	
  de	
  grandes	
  proporções;
o Fotoelétrico:	
  detecta	
  variações	
  de	
  luz	
  infravermelha	
  recebida;
o Efeito	
  Hall:	
  detecta	
  alterações	
  de	
  campo	
  magnético.
Sensores	
  de	
  contato	
  mecânico:
Exemplos:	
  
• chaves	
  eletromecânicas;	
  
• Chaves	
  manipuladas	
  pelo	
  operador	
  de	
  processo;
• chaves-­‐limite	
  ou	
  de	
  fim	
  de	
  curso;
• chaves	
  de	
  nível;
• chaves	
  de	
  fluxo;	
  
• chaves	
  de	
  pressão;	
  
• chaves	
  de	
  temperatura
Sensores	
  de	
  proximidade
Exemplos:
• Sensores	
  indutivo	
  e	
  sensores	
  Reed;
• Sensores	
  capacitivos;
• Sensores	
  ultra-­‐sônicos;
• Sensores	
  Óticos:	
  
v sensor	
  ótico	
  difuso
v sensor	
  ótico	
  de	
  barreira	
  
v sensor	
  ótico	
  retrorflexivo;	
  
o sensores	
  de	
  fibra	
  ótica;	
  
o Encoders:
§ lineares	
  
§ angulares;
• Sensores	
  Hall	
  
Sensores	
  de	
  contato	
  mecânico
Exemplos:	
  
• chaves	
  eletromecânicas;	
  
• Chaves	
  manipuladas	
  pelo	
  operador	
  de	
  processo;
• chaves-­‐limite	
  ou	
  de	
  fim	
  de	
  curso;
• chaves	
  de	
  nível;
• chaves	
  de	
  fluxo;	
  
• chaves	
  de	
  pressão;	
  
• chaves	
  de	
  temperatura
Sensores	
  de	
  proximidade	
  do	
  tipo	
  indutivo	
  e	
  do	
  tipo	
  Reed
Sensores indutivos -­‐ usam correntes induzidas por campos magnéticos com o objetivo de detectar objetos
metálicos por perto.
A presença do objeto metálico perto do campo magnético do sensor interfere no campo magnético original do
sensor possibilitando a detecção.
Sensores Reed – consiste em duas lâminas de contato elétrico no interior de uma ampola preenchida com gás
inerte; quando o relé é colocado em um campo magnético, as lâminas se unem e fecham contato sinalizando o
evento. Usados para detecção de abertura de portas e janelas e aplicações de segurança e para detecção de
fim de curso de cilindros.
Sensor	
  de	
  proximidade	
  indutivo Sensor	
  de	
  proximidade	
  do	
  tipo	
  Reed
Sensores	
  de	
  proximidade	
  do	
  tipo	
  capacitivo
Sensores capacitivo – um sensor capacitivo é formado por duas placas paralelas separadas por um material
dielétrico. Em geral, produz um campo eletrostático que quando modificado pela presença de um objeto acusa
sua presença.
Os sensores discretos capacitivos podem detectar objetos metálicos e não-­‐metálicos, como papel, vidro,
líquidos e tecidos, à uma distância de até alguns centímetros.
Sensor	
  de	
  proximidade	
  capacitivo
Sensores	
  de	
  proximidade	
  do	
  tipo	
  ótico
São sensores que emitem um feixe de luz e detectam alterações da intensidade de luz recebida em
consequência do movimento de objetos opacos. Possuem um elemento emissor e um receptor de luz.
Sensores óticos podem detectar objetos desde distâncias grandes (10 m) até curtas (de apenas 1mm).
Escolhidos adequadamente podem detectar qualquer tipo de material.
Sensores	
  de	
  proximidade	
  do	
  tipo	
  ótico
Sensor	
  ótico	
  de	
  reflexão	
  difusa
Sensor	
  ótico	
  de	
  barreira Sensor	
  ótico	
  retroreflexivo
Sensor difuso – O emissor e o receptor estão numa
mesma peça. O receptor reage ao sinal luminoso
refletido pela superfície do objeto a detectar.
Sensor de barreira – O emissor e o receptor estão
montados separadamente. O objeto a ser detectado
interrompe o feixe de luz ao receptor.
Sensor de retroreflexivo – O emissor e o receptor
estão numa mesma peça. O feixe de luz emitido é
refletido de volta ao receptor, por uma superfície
refletora, enquanto não houver nenhum objeto
interposto.
Sensores	
  de	
  proximidade	
  do	
  tipo	
  ótico
Cabos	
  de	
  fibra	
  ótica	
  para	
  sensores	
  fotoelétricos
Sensores com fibra ótica:
• São dispositivos de grande utilidade.
• A função do cabo de fibra ótica é fazer a transmissão do sinal luminoso do sensor ao local onde se deseja
realizar a detecção do objeto.
• Os cabos de fibra ótica reproduzem os efeitos dos sensores por reflexão difusa, barreira de luz e
retroreflexão.
Encoders
Um método direto para medição da posição ou deslocamento angular em eixos é a utilização de codificadores
digitais angulares (encoders).
Podem ser de dois tipos:
• Incrementais – são aqueles que requerem um sistema de contagem de incrementos gerados por um disco
girante;
• Absolutos – fornecem uma saída digital para qualquer posição angular do eixo.
Sensores	
  discretos	
  de	
  proximidade	
  do	
  tipo	
  ultrassônicos:
O método ultrassônico -­‐ o sensor emite pulsos de ultrassom numa frequência acima de 18 kHz, retornando um
eco cujo tempo de trânsito é proporcional à distância do objeto ao sensor. A faixa de detecção é escolhida
dentro do alcance desejável para detecção do alvo (sob flutuações de temperatura e tensão).
Há dois modos básicos de operação:
• Modo por oposição – um sensor emite a onda e um outro (montado em lado oposto) recebe a onda sonora;
• Modo por eco – o mesmo sensor emite a onda e escuta o eco refletido por um objeto.
Modo	
  por	
  oposição
Modo	
  por	
  eco
Sensores	
  discretos	
  de	
  proximidade	
  do	
  Hall
Constitui-­‐se tipicamente de uma placa pequena de metal sobra a qual quando percorrida por uma corrente
elétrica sob a influência de um fluxo magnético induz uma tensão elétrica proporcional nos contatos laterais.
São semelhantes aos sensores do tipo Reed tendo como vantagem o fato de serem elementos de estado sólido
sendo portanto uma alternativa mais robusta em ambientes sujeito à vibrações e choques mecânicos.
Usados para detecção de abertura de portas e janelas e aplicações de segurança e para detecção de fim de curso
de cilindros.
Atuadores:
Um  atuador é um  dispositivo de  hardware  que  converte um  sinal de  comando controlador
em uma mudança em um  parâmetro físico.
• A  mudança é normalmente mecânica (por exemplo,  posição ou velocidade);;
• Um  atuador é um  transdutor,  visto que  transforma um  tipo de  quantidade física em
outro  tipo de  quantidade física;;
•
• O  sinal de  comando do  controlador costuma ser de  baixo nível e,  portanto,  um  
atuador pode demandar também um  amplificador que  aumente o  sinal até que  ele
seja capaz de  acionar o  atuador;;
Atuadores:
A maioria dos atuadores pode ser classificada em três categorias, segundo o tipo de
amplificador utilizado:
• Elétrico;;
• Hidráulico;;
• Pneumático;;
Ø Os atuadores elétricos são os mais comuns. Exemplos: motores de passo e solenóides.
Ø Os atuadores hidráulicos normalmente são recomendados quando grandes forças são
necessárias. Utilizam fluidos hidráulicos para amplificar o sinal de comendo do controlador.
Ø Os atuadores pneumáticos utilizam ar comprimido como energia propulsora. São utilizados em
aplicações de força relativamente baixa se comparada com a dos atuadores hidráulicos.
v Motores elétricos: converte energia elétrica em energia mecânica. A maioria é do tipo
rotativo.
o Em geral, dentre os tipos mais largamente utilizados na automação industrial estão:
• motores de corrente contínua:
ü exemploclássico é o servo-­‐motor utilizado em sistemas mecanizados e
automatizados. O servo-­‐motor possui uma malha de controle útil para controle de
velocidade. O servo-­‐motor pode ser conectado diretamente ou por meio de uma
engrenagem de redução a um equipamento como ventilador, bomba, fuso de uma
mesa etc. Ideal em aplicações nas quais frequentemente é necessário iniciar e
parar a rotação do motor ou reverter sua direção.
• motores de corrente alternada: os de indução são os mais utilizados especialmente
quando associados com inversores de frequência. Neste caso, competem com
aplicações tradicionalmente reservados aos motores de corrente contínua.
• motores de passo: essa classe de motor fornece rotação na forma de deslocamentos
angulares discretos chamados de passos. Cada passo angular é atuado por um pulso
elétrico discreto. A rotação angular total é controlada pelo número de pulsos recebidos
pelo motor, e a velocidade de rotação é controlada pela frequência dos pulsos. São
utilizados em sistemas de controle em malha aberta para aplicações nas quais o torque
e os requisitos de energia são modestos. São largamente utilizados em máquinas-­‐
ferramenta e em outras máquinas de produção, robôs industriais, plotadores x-­‐y,
instrumentos médicos e científicos, periféricos de computadores, impressoras etc.
v Outros tipos de atuadores elétricos:
o Solenóides: em geral utilizados para abrir e fechar válvulas em sistemas de fluxo de fluído
tais como equipamentos de processamento químico.
• É formado por um pistão móvel dentro de uma bobina de fios estacionária.
• Quando uma corrente é aplicada à bobina, ela age como um ímã, atraindo o pistão para
os fios.
• Quando a corrente é desligada, uma mola é responsável por fazer o pistão retornar à
sua posição de repouso.
o Relé eletromecânico: é um interruptor elétrico liga/desliga formado por dois componentes
principais: uma bobina estacionária e um braço móvel que pode ser feito para abrir ou
fechar um contato elétrico por meio de um campo magnético gerado quando a corrente
passa pela bobina. É utilizado para ligar e desligar remotamente um equipamento.
Solenoide
v Atuadores hidráulicos e pneumáticos:
ü Essas duas categorias de atuadores são energizadas por fluxos pressurizados.
ü O óleo é utilizado nos sistemas hidráulicos e ar comprimido nos sistemas pneumáticos.
ü O funcionamento de ambos é semelhante, mas há diferenças construtivas devido às
propriedades do óleo e do ar.
ü Estão disponíveis tanto para movimentação linear quanto rotativa.
ü Há ainda os motores rotativos acionados por fluidos os quais os hidráulicos são bons para
desenvolvimento de torques altos enquanto os pneumáticos podem ser aplicados quando
se deseja alta velocidade de resposta.
Cilindro e	
  pistão:	
  (a)	
  ação simples	
  com	
  
mola de	
  retorno e	
  (b)	
  ação dupla
Conversores analógico-­‐digitais (ADC)
Um conversor analógico/digital converte um sinal analógico contínuo de um transdutor em um código digital
para ser usado pelo computador
O conversor analógico/digital consiste de três fases:
1. Amostragem – converte o sinal contínuo em uma série de sinais analógicos discretos a intervalos
periódicos;
2. Quantização – cada sinal analógico discreto é convertido a um dos números finitos dos níveis de
amplitude previamente definidos;
3. Codificação – níveis de amplitude discretos são convertidos em código;
Etapas da conversão analógico-­‐digital
de sinais analógicos contínuos do
processo
Na escolha do conversor analógico-­‐digital é
importante levar em consideração:
• Taxa de amostragem
• Tempo de conversão
• Resolução
• Método de conversão (aproximação)
Conversores digital-­‐analógicos
O conversor digital/analógico converte a saída digital do computador em um sinal analógico
contínuo que aciona um atuador ou outro dispositivo analógico.
O conversor digital/analógico consiste de dois passos:
1. Decodificação – saída digital é convertida em uma série de valores analógicos em momentos
discretos de tempo;
2. Exploração de dados – cada valor sucessivo é transformado em um sinal contínuo usado para
acionar o atuador analógico durante o intervalo de amostragem ;
Dispositivos de entrada/saída para dados discretos
Dados	
  binários:
• Interface	
  de	
  contato de	
  entrada	
  – dados	
  de	
  entrada	
  para	
  o	
  computado;r
• Interface	
  de	
  contato de	
  saída – dados	
  de	
  saída do	
  computador ;	
  
Dados	
  discretos que	
  não são binários:
• Interface	
  de	
  contato de	
  entrada	
  – dados	
  de	
  entrada	
  para	
  o	
  computador
• Interface	
  de	
  contato de	
  saída – dados	
  de	
  saída do	
  computador
Dados	
  de	
  pulso:	
  
• Contadores de	
  pulsos – dados	
  de	
  saída para	
  o	
  computador
• Geradores de	
  pulsos – dados	
  de	
  saída do	
  computador
Interfaces	
  de	
  contato	
  de	
  entrada/saída
Interface	
  de	
  contato de	
  entrada	
  – séries de	
  contatos que	
  são abertos ou fechados para	
  indicar o	
  
status de	
  dispositivos binários individuais como chaves fim-­‐de-­‐curso e	
  válvulas
• O	
  computador verifica periodicamente o	
  estado atual dos	
  contatos para	
  atualizar os valores
armazenados emmemória
• Também pode ser usada na entrada	
  de	
  dados	
  discretos que	
  não sejam binários (por
exemplo,	
  uma matriz de	
  sensor	
  fotoelétrico)
• Interface	
  de	
  contato de	
  saída – comunica os sinais ligados/desligados do	
  computador para	
  o	
  
processo
• Essas posições são mantidas até que	
  sejam alteradas pelo computador
Contadores e	
  geradores de	
  pulsos
Contador	
  de	
  pulsos – converte uma série de	
  pulsos (trem de	
  pulsos)	
  em um	
  valor	
  digital
• O	
  valor	
  digital	
  é então passado para	
  o	
  computador por um	
  canal	
  de	
  entrada	
  
• Mais comum – tipo que	
  conta pulsos elétricos
• Usados para	
  aplicações de	
  contagem e	
  medição
• Gerador de	
  pulsos – um	
  dispositivo que	
  produz uma série de	
  sinais elétricos
• O	
  número de	
  pulsos ou frequência do	
  trem de	
  pulsos é especificado pelo computador