Automação e Controle - Apostilas - Engenharia de Controle, Notas de estudo de Automação

Baixe Automação e Controle - Apostilas - Engenharia de Controle e outras Notas de estudo em PDF para Automação, somente na Docsity! Automação e Controle 1 COMANDOS ELETROMECÂNICOS 3 Contatos elétricos 4 Classificação dos contatos elétricos: 4 Dispositivos acionadores dos contatos: 5 Automação Eletromecânica 11 Tipos de Diagrama 12 CIRCUITOS BÁSICOS 14 Sensores Industriais 17 Sensores 17 Sensores Digitais podem apresentar as seguintes saídas : 19 Tipo de Sensores Digitais 20 Lógica Digital “Emprego dos Acionadores e Sensores Digitais” 26 Lógica dos contatos elétricos 26 Funções lógicas 27 Funções lógicas básicas e derivadas 29 Automação Industrial 33 Histórico da Automação Industrial 33 Anos 60 34 Anos 70 e 80 34 Anos 90 35 Conceitos Básicos 35 Definição dos Níveis de Automação 35 Os Controladores Lógicos Programáveis ( CLP’s ) 36 Princípio de funcionamento de um CLP 37 Ciclo de Varredura 37 Linguagens de Programação dos CLP`s 38 Noções Básicas sobre o Hardware 40 CLP’s não expansíveis – Linha FX1S 40 CLP’s expansíveis FX1N FX2N- FX2NC 40 Ligações Externas 42 Conexões dos Dispositivos de Saída 43 Software de Progamação GX Developer 45 Executando o GX 46 Conversão do Programa 56 Base de dados dos CLP`s da Família FX 59 Conjunto de Instruções Básicas 67 Exemplos : 68 Sensores Analógicos 73 Medição de Temperatura 74 Medição de temperatura com Termopar 74 Automação e Controle 2 Medição de Temperatura por Termoresistência As termoresistências Pt - 100 : Medição de pressão Dispositivos para medição de pressão 84 Medição de vazão 89 Medição de nível 96 Uso de simbologia de instrumentação e Controle 106 Nomenclatura de instrumentos em malhas de controle 106 Malhas de controle 108 Controle 111 1.0 Introdução 111 1.1 - Evolução Histórica do Controle Automático 112 2 - Conceitos e Considerações Básicas de Controle Automático 112 2.1 - Conceitos 112 2.1.1 - Como definir um sistema de controle 115 2.1.2 - Instrumentação dos sistemas de controle 117 2.2 – Tipos de Controle 118 2.2.1 - Controle Manual e Controle Automático 118 2.2.2 - Controle Auto-operado 119 2.2.3 - Controle em Malha Aberta e Malha Fechada 120 2.3 – Realimentação 121 2.4 – Diagrama de Blocos 121 2.5 – Atrasos no Processo 122 3 - Ações de Controle 124 3.1 - Modos de Acionamento 124 3.2 - Ação de Controle ON-OFF (Liga-Desliga) 125 3.3 – Ação Proporcional (Ação P) 127 3.4 – Ação Integral 132 3.5 – Ação Proporciona + Integral (Ação P+ I) 135 3.6 – Ação Derivativa (Ação D) 138 3.7 - Ação Proporcional + Integral + Derivativa ( PID ) 141 Automação e Controle 5 Contato reversível: Este tipo de contato possui características tanto de contato NA quanto de contato NF. Pode possuir um terminal de ponto comum ou terminais independentes. Dispositivos acionadores dos contatos: As ações responsáveis pela atuação dos contatos elétricos são provenientes de dispositivos acionadores (também conhecidos como "dispositivos auxiliares para comando") os quais dividimos essencialmente em dois tipos: Dispositivos auxiliares para comando manual (provocado) e Dispositivos auxiliares para comando automático. Os dispositivos acionadores são construídos para muitos tipos de aplicações diferentes, possuindo por isso, formatos e modos de operação variados. Dispositivos auxiliares para comando provocado: Geralmente recebem ação manual para seu acionamento, por exemplo: interruptores, comutadores e botões. Os interruptores são os aparelhos de comutação mais utilizados nas instalações elétricas interiores (para controle de iluminação). Esses aparelhos conservam a posição adquirida quando se deixa de agir sobre eles, apresentam portanto, dois estados estáveis. Interruptor acionado com Tecla Acionador tipo TECLA Contato elétrico (NA) Bornes de ligação NA NF Ação que atua o contato COMUM NA NF Ação que atua o contato NA NF Terminal de ponto comum Terminais independentes Automação e Controle 6 Os comutadores, assim como os interruptores, acionam contatos elétricos porém, estes dispositivos podem conter mais de um contato de tipos diferentes (NA e NF). Além disso, também podem assumir várias posições estáveis ou contar com mecanismo de retorno automático à posição original. Estes dispositivos podem ter acionadores do tipo manopla curta, manopla longa ou com chave. Exemplo de um comutador (com manopla longa) de 3 posições: Os botões, por sua vez, quanto ao tipo de aplicação, podem ter seus sistemas de acionamento embutidos no corpo (evitando acionamentos involuntários) ou externos (tipo pedal ou soco, proporcionando grande rapidez de manobra), os quais são utilizados, principalmente, em comandos no pé ou para desligamento das instalações em casos de emergência. Os botões podem ser classificados em dois tipos básicos: Botão de impulso (mais conhecido como botão pulsador): Possui apenas uma posição estável, isto é, quando se deixa de agir sobre ele a força de uma mola provoca seu retorno a posição original (de repouso). Botão de contato mantido (mais conhecido como botão liga/desliga) possui duas posições estáveis, ou seja, alterna os estados de seus contatos a cada acionamento realizado. 0 21 Vista frontal 1 0 2 Símbolo Vista lateral Automação e Controle 7 Dispositivos auxiliares para comando automático: Estes dispositivos são órgãos de detecção de informações, em função da ação de um operador, da variação de uma grandeza física ou da posição de um móvel, como por exemplo, chaves de fim de curso. As chaves de fim de curso (ou LIMIT SWTCHES) encontram-se dentre os dispositivos "mecânicos" auxiliares para comando automático mais encontrados em máquinas e processos. Estes dispositivos possuem muitas variações de formas construtivas e de especificações, tais como: Fabricante; Tamanho; Características elétricas (faixa de tensão, faixa de corrente, resistência de isolamento, arranjo dos contatos, tipo de terminais, ...); Características mecânicas (resistência a vibração, posição de trabalho, tipo de atuador,...),etc. Atuador Cabeça Corpo Tampa Limit Switch Automação e Controle 10 A caixa é o invólucro do relé, moldada em plástico endurecido pelo calor. Dá suporte a todos os componentes e possibilita a fixação do relé diretamente ao fundo de painéis, a perfis ou suportes. A bobina é um condutor de cobre eletrolítico estirado, isolado com verniz ou esmalte sintético, e bobinado num carretel isolante de matéria plástica. Tem como função produzir o campo magnético necessário a atração do circuito magnético móvel. O circuito magnético é composto por chapas de aço-silício ligadas entre si através de rebites para diminuir as perdas por correntes de Foucault. O circuito magnético compõe-se de 3 braços com um entreferro mediano. Constitui, com a bobina, o eletroímã que é o órgão motor do relé. Possui dois anéis de defasagem (espiras de Frager) que garantem um funcionamento silencioso eliminando as vibrações. Os contatores, também chamados de chaves contatoras, diferenciam-se dos relés principalmente por possuírem três contatos especiais (chamados de contatos de potência ou principais) além dos contatos comuns (chamados de contatos de comando ou auxiliares). Seus contatos principais (sempre do tipo NA) possuem um poder de corte importante, devido a forma, a disposição e a presença de um dispositivo eficaz de corte do arco voltaico, permitindo geralmente o corte de intensidades muito superiores à intensidade nominal. Destinam-se a partida de motores, circuitos de iluminação importantes, etc. utilizando uma potência de controle muito pequena. Símbolo gráfico: Símbolo gráfico: Automação e Controle 11 Identificação dos terminais: Os terminais da bobina geralmente trazem as marcações: "a e b" ou "A1 e A2" sendo, a ou A1 no terminal superior e b ou A2 no terminal inferior. Os terminais dos contatos principais trazem as marcações: "1 e 2, 3 e 4, 5 e 6" sendo, 1,3,5 nos terminais superiores e 2,4,6 nos terminais inferiores. Os terminais dos contatos auxiliares trazem marcações compostas por dois dígitos sendo que, o primeiro dígito indica a posição do contato e o segundo indica o tipo do contato. Marcação com final 1,2 = contato NF Marcação com final 3,4 = contato NA Exemplo: Automação Eletromecânica Antes da utilização de CLP’s para o controle de máquinas e sistemas, vários destes equipamentos eram inteiramente controlados por circuitos lógicos desenvolvidos a partir de relés. Ainda hoje, é possível encontrar este tipo de controle. Na verdade, quando do desenvolvimento dos CLP’s, a linguagem de programação criada era uma “imitação”, ou simulação, de um diagrama a relé. Sendo assim, é importante conhecer este tipo de controle e seu diagrama de funcionamento. Os diagramas elétricos têm por finalidade representar claramente os circuitos elétricos sob vários aspectos, de acordo com os objetivos: Funcionamento seqüencial dos circuitos. Representação dos elementos, suas funções e as interligações conforme as normas estabelecidas. Permitir uma visão analítica das partes do conjunto. Permitir a rápida localização física dos elementos a b 1 3 5 13 21 2 4 6 14 22 Automação e Controle 12 Tipos de Diagrama Diagrama tradicional ou multifilar completo É o que representa o circuito elétrico da forma como é realizado. É de difícil interpretação e elaboração, quando se trata de circuitos mais complexos, conforme pode ser observado na figura a seguir: Para a interpretação dos circuitos elétricos, três aspectos básicos são importantes, ou seja: Os caminhos da corrente, ou os circuitos que se estabelecem desde o início até o fim do processo de funcionamento; A função de cada elemento no conjunto, sua dependência e interdependência em relação a outros elementos; Automação e Controle 15 Quando se apertar as duas botoeiras “b12” e depois “b13”, no circuito da figura (a), que tem intertravamento mecânico, com os contatos normalmente fechados das botoeiras conjugadas, as lâmpadas não se acendem, e, no circuito da figura (b), o intertravamento é elétrico com os contatos normalmente fechados dos contatores. Neste caso, a lâmpada “h12” se acende e “h13” não se acende. Circuito Temporizado - Liga retardado No circuito a seguir, quando a chave seccionadora “a” é acionada, a lâmpada “h” se acende depois de um certo tempo “t”, ajustado no temporizador “d”. Liberando-se a chave “a”, a lâmpada “h” se apaga no mesmo instante. O circuito da figura (b) tem a mesma função do anterior, sendo que o acionamento é por botoeiras. Os diagramas de tempo são mostrados para cada circuito, respectivamente. Circuito Temporizado - Ação temporizada No circuito da figura a seguir, quando a chave seccionadora “a” é acionada, a lâmpada “h” se acende no mesmo instante e se mantém acesa durante um certo tempo “t”, ajustado no temporizador “d”. O circuito da figura (b) tem a mesma função do anterior, sendo que o acionamento é por botoeiras. Os diagramas de tempo são mostrados para cada circuito, respectivamente. Automação e Controle 16 Circuito Temporizado - Ação liga-desliga (pisca-pisca) Na figura seguinte (a), quando a chave seccionadora “a” é acionada, a lâmpada “h” se acende no mesmo instante e se mantém acesa durante um certo tempo “t1”, ajustado no temporizador “d1”, e se mantém apagada durante um certo tempo “t2”, ajustado no temporizador “d2”. A lâmpada “h” se mantém nesses estados, acesa e apagada, até que a chave seccionadora “a” seja liberada. O circuito da figura (b) tem a mesma função do anterior, só que o acionamento é por botoeiras. Os diagramas de tempo são mostrados para cada circuito, respectivamente. Automação e Controle 17 Além dos dispositivos de comandos automáticos mecânicos e eletromecânicos, também são muito utilizados, principalmente na indústria, os dispositivos eletrônicos sensores. Sensores Industriais Em um processo automático devem ser sentidas variáveis analógicas e digitais, para que, após o processamento das informações contidas nessas variáveis, o controlador tome decisões como : ligar/desligar um motor, acender uma lâmpada de alerta, ligar/desligar um sistema de aquecimento, entre outras. O elemento que "sente" o que ocorre no processo, fornecendo informações sobre o estado da variável monitorada é chamado de sensor. O elemento que executa a tarefa designada pelo controlador é chamado de atuador. Para controlar um processo onde é feita a manipulação de variáveis analógicas e/ou digitais, podem ser utilizados sistemas com CNC e com CLPs. Sensores Dispositivos que mudam seu comportamento sob a ação de uma grandeza física, podendo fornecer diretamente ou indiretamente um sinal que indica esta grandeza. Quando operam diretamente, convertendo uma forma de energia em outra, são chamados de transdutores. Os de operação indireta alteram suas propriedades, como a resistência, a capacitância ou a indutância, sob ação de uma grandeza, de forma mais ou menos proporcional. O sinal de um sensor pode ser usado para detectar e corrigir desvios em sistemas de controle, e nos instrumentos de medição, que freqüentemente estão associados aos sistemas de controle de malha aberta (não automáticos), orientando o usuário. Portanto, para tal definição, nos referimos àqueles dispositivos que transformam uma grandeza física em uma elétrica, com o mesmo significado de sensores. O diagrama de bloco genérico de um transdutor é mostrado na figura abaixo. Automação e Controle 20 Tipo de Sensores Digitais Sensores de Contato Físico (mecânicos) São sensores que necessitam estar em contato com a grandeza a ser monitorada. Por exemplo: chaves fim de curso, chave bóia, etc. Tais sensores não são muito confiáveis, uma vez que estão sujeitos a desgastes mecânicos, forças de atração e reação, oxidação, etc. Além de não manterem constantes o ponto de acionamento e desacionamento. Sensores de Aproximação São sensores que detectam o evento ou a grandeza sem que haja necessidade de estar em contato físico com a mesma, além do que, são blindados, são a prova de vibração, ect. Podem ser: Sensores Indutivos São sensores que executam uma comutação eletrônica, quando um objeto metálico entra dentro de um campo eletromagnético de alta freqüência, produzido por um oscilador eletrônico. Sua instalação se dá em máquinas ferramentas, máquinas operatrizes, de embalagens, têxteis, correias transportadoras e na indústria automobilística, para resolver problemas gerais de automação. Abaixo é visto o esquema construtivo, em blocos, de um sensor indutivo. Onde: Oscilador: diminui a freqüência de oscilação quando um evento for detectado. Demodulador: converte o sinal do oscilador em nível de tensão cc. Detector de nível de disparo: dispara quando o oscilador diminui a freqüência. Amplificador de saída: amplifica o sinal gerado pelo sensor e entrega-o a carga. Automação e Controle 21 Funcionamento: O oscilador com auxílio de uma bobina, gera um campo magnético de alta freqüência. Este campo é direcionado para fora do elemento ativo, formando uma região de sensibilidade denominada de face sensível, chamada de distancia de comutação. Quando um corpo metálico esta distante da face sensível e, dentro da distância de comutação, este metal amortece a oscilação, provocando a comutação eletrônica, ou seja, faz o sensor mudar de estado. Com a retirada do corpo metálico da distância de comutação, o oscilador volta a trabalhar normalmente e o sensor volta a seu estado normal. Sensores Capacitivos Assim como os sensores indutivos, os capacitivos também podem efetuar um chaveamento eletrônico sem qualquer contato físico. Estes sensores foram desenvolvidos para atuarem na presença de materiais orgânicos, plásticos, vidro, líquido, além de metais. Sua aplicação se dá em detectores de nível em tanques, contagem de garrafas ( cheias ou vazias ), contagem de embalagens plásticas, limitadores de carretéis, etc. Abaixo é visto o esquema construtivo, em blocos, de um sensor indutivo. Onde: Oscilador: diminui a freqüência de oscilação quando um evento for detectado. Demodulador: converte o sinal do oscilador em nível de tensão cc. Detetor de nível de disparo: dispara quando o oscilador diminui a freqüência. Amplificador de saída: amplifica o sinal gerado pelo sensor e entrega-o a carga. Funcionamento: Conforme pode ser notado na figura acima o esquema em blocos de um oscilador capacitivo é igual ao do indutivo. A diferença entre eles reside no fato de que no sensor capacitivo o principio de funcionamento está baseado na variação do dielétrico no meio em que o sensor está inserido. Quando nesta região penetrar algum objeto, este provoca a Automação e Controle 22 variação do dielétrico e, conseqüentemente a variação da freqüência do oscilador. Variação esta que é detectada e transformada em um nível de tensão cc. Com a retirada do objeto da distância de comutação, o oscilador volta a trabalhar normalmente e o sensor volta ao seu estado normal. Sensores de Luz Além de seu uso em fotometria (incluindo analisadores de radiação e químicos), é a parte do sistema de controle de luminosidade, como os relês fotoelétricos de iluminação pública e sensores indiretos ou de outra grandeza, como velocidade e posição (fim de recurso). LDR O LDR (resistor dependente de luz) tem sua resistência diminuída ao ser iluminado. É composto de um material semicondutor, o sulfeto de cádmio, CdS. A energia luminosa desloca elétrons da camada de valência para a de condução (mais longe do núcleo), aumentando o numero destes, diminuindo a resistência. A resistência varia de alguns MΩ, no escuro até centenas de Ω, com luz solar direta. Os usos mais comuns do LDR são os relês fotoelétricos, fotômetros e alarmes. Sua desvantagem está na lentidão de resposta, que limita sua operação. Fotodiodo É um diodo semicondutor em que a junção está exposta á luz. A energia luminosa desloca elétrons para a banda de condução, reduzindo a barreira de potencial pelo aumento do número de elétrons que podem circular. A corrente nos foto-diodos para todas as faixas de comprimentos de onda, do infravermelho ao ultravioleta, dependendo do material. Foto-diodo é usado como sensor em controle remoto, em sistemas de fibra ótica, leitoras de códigos de barra, scanner (digitalizador de imagens para computador), canetas óticas (que permitem escrever na tela do computador), toca discos CD, fotômetros e como sensor indireto de posição e velocidade. Automação e Controle 25 Encoder relativo Neste tipo de encoder a posição é demarcada por contagem de pulsos transmitidos, acumulados ao longo do tempo. Um encoder típico gera dois canais de informação denominados de canal A e canal B, além de um pulso a cada giro completo, que é a referência ou Z. Estes dois canais estão defasados entre si de 90 graus, para que se tenha uma maior precisão na resolução do sistema. No canal A e B a geração da quantidade de pulsos por volta, varia de 50 a 5000 pulsos, conforme a aplicação. Encoder absoluto Nos encoders absolutos, há um código digital gravado no disco ou trilho, lido por um conjunto de sensores ópticos (fonte de luz e sensor). O código adotado é o de gray, no qual de um número para o seguinte só muda em bit, o que facilita a identificação e correção de erros. A demarcação do disco ou trilho é feita através de furos ou ranhuras, ou por pintura num disco plástico transparente, que podem ser feitos através de técnicas fotolitográficas, permitindo grande precisão e dimensões micrométricas. A fonte de luz é geralmente o LED, e o sensor do fotodiodo ou fototransistor. Estes sensores são muito precisos e práticos em sistemas digitais, e usam-se em robôs, máquinas-ferramenta, CNC e outros. Automação e Controle 26 Lógica Digital “Emprego dos Acionadores e Sensores Digitais” Os sistemas lógicos são estudados pela "álgebra de chaveamentos" (um ramo da álgebra moderna), também conhecida como "álgebra de Boole", conceituada pelo lógico e matemático inglês George Boole (1815 - 1864). Boole construiu sua lógica a partir de símbolos, representando as expressões por letras e ligando-as através de símbolos algébricos chamados de "conectivos". A investigação de Boole volta-se prioritariamente para o estabelecimento de relações entre a lógica e a álgebra. Seu projeto é exprimir as operações lógicas valendo-se dos símbolos algébricos. Boole foi, ainda, o primeiro matemático a afirmar que os números e grandezas não constituem os únicos objetos matemáticos. A matemática pertencem, ainda, entidades de caráter geral, denominadas "classes". Este termo pode ser definido como um conjunto de entidades que possuem, pelo menos, uma característica em comum. A álgebra de Boole trabalha com apenas duas grandezas: falso ou verdadeiro. Essas grandezas são representadas pelos símbolos "0" e "1" que definem "estados lógicos". Estado lógico é um estado perfeitamente definido, não admitindo dúvidas. Assume apenas dois valores distintos, ou seja, "grandezas binárias". 0 = falso = aberto = GND = Lo = Off 1 = verdadeiro = fechado = Vcc = Hi = On Vimos anteriormente que os dispositivos acionadores também podem assumir dois estados distintos ("atuado" ou "não atuado") e que, em conseqüência disso, os contatos elétricos também podem assumir estados diferentes perfeitamente definidos ("aberto" ou "fechado") podendo, então, ter suas associações expressas na forma algébrica definida por Boole. Lógica dos contatos elétricos Para que possamos representar a lógica existente nas associações entre os contatos elétricos adotaremos o seguinte critério: Automação e Controle 27 Notamos que nesta convenção o estado lógico está relacionado com o estado elétrico do contato, ou seja, “0”=aberto e “1”=fechado, não levando em consideração o estado físico (atuado / não atuado) do dispositivo que o aciona. Já que o estado elétrico de um contato pode ser representado por uma variável binária (0 ou 1) podemos então identificar os conectivos (elementos lógicos ou funções lógicas) existentes nas associações destes contatos, e descrevê-los de forma algébrica. Funções lógicas Uma função lógica pode ser expressa de várias maneiras: 1- Sentença: Os circuitos realizam funções complexas, cuja representação geralmente não é óbvia. O processo para realização de uma função através de um circuito começa na sua descrição verbal (descrição do comportamento de suas possíveis saídas, em função das diversas combinações possíveis de seus sinais de entrada), como por exemplo: Para que a saída “S” de uma função “E” de duas entradas assuma o estado lógico “1 (verdadeiro)” suas variáveis de entrada “a” e “b” devem assumir o estado lógico “1 (verdadeiro)”. Contato tipo NA Não atuado = Circuito aberto = 0 Atuado = Circuito fechado = 1 Contato tipo NF Não atuado = Circuito fechado = 1 Atuado = Circuito aberto = 0 Automação e Controle 30 Função E (AND) Esta função combina dois ou mais sinais de entrada de forma equivalente a um circuito em série, para produzir um único sinal de saída, ou seja, ela produz uma saída 1, se todos os sinais de entrada forem "1"; caso qualquer um dos sinais de entrada for "0", o sinal de saída produzido será "0". Função OU (OR) Esta função combina dois ou mais sinais de entrada de forma equivalente a um circuito em paralelo, para produzir um único sinal de saída, ou seja, ela produz uma saída "1", se qualquer um dos sinais de entrada for igual a "1"; a função "OU" produzirá um sinal de saída igual a "0" apenas se todos os sinais de entrada forem "0". Automação e Controle 31 Função NÃO E (NAND) Esta função é equivalente a uma função "E" seguida por uma função "NÃO", isto é, ela produz uma saída que é o inverso da saída produzida pela função "E". Função NÃO OU (NOR) Esta função é equivalente a uma função "OU" seguida por uma função "NÃO", isto é, ela produz uma saída que é o inverso da saída produzida pela função "OU". Automação e Controle 32 Função OU EXCLUSIVO (XOR) Esta função compara os bits; ela produz saída "0" quando todos os bits de entrada são iguais e produz saída "1" quando um dos bits de entrada é diferente dos demais. Função COINCIDÊNCIA Esta função é equivalente a uma função "OU EXCLUSIVO" seguida por uma função "NÃO", isto é, compara os bits produzindo saída "1" quando todas as entradas são iguais e produzindo saída "0" quando pelo menos uma das entradas é diferente das demais. Automação e Controle 35 Com a constante redução do tamanho físico, aliada ao aumento da capacidade computacional e a redução dos preços, os equipamentos de automação puderam ser distribuídos ao longo das áreas de processo, interligados por redes a Estações de Supervisão. A tal estrutura, destinada a área de Controle de Processo, deu-se o nome de SDCD (Sistema Digital de Controle Distribuído). Os CLP’s, que a princípio foram desenvolvidos para substituir painéis de relés em automação de máquinas, incorporaram elementos de controle de processo, como entradas e saídas analógicas, entradas para termopares, instruções PID, etc..., tornando-se capazes de atuar tanto em Automação de Manufatura como em Controle de Processo. Anos 90 Com o contínuo avanço dos “Micro-Chip’s” e a conseqüente redução no tamanho e preço dos equipamentos, bem como aumento da velocidade de tratamento, surgem os MICRO- CLP’s. No que se refere a conectividade, duas grandes linhas estão em desenvolvimento, com possibilidades surpreendentes : Redes de altíssima velocidade para ligação entre CLP’s e CLP’s e Micros corporativos permitindo um grande tráfego de informações “ON-LINE”. Redes de Campo (“Field-Bus”), permitindo a ligação entre os CLP’s e os diversos elementos de campo ( sensores, inversores, interfaces, eletroválvulas, etc... ), com um simples “par de fios”, o que representa uma enorme redução nos custos de projeto e instalação. Conceitos Básicos Definição dos Níveis de Automação De uma forma geral, podemos dividir um sistema de Automação em 4 níveis, a saber : Nível 0 - Representa o “Chão – de - fábrica”, quer dizer, os equipamentos instalados direta- mente nas máquinas ou planta de processo. Exemplos: Motores, Sensores, Acionadores, Painéis de Comando, Sinalizações. Nível1 - Representa a parte lógica, ligada diretamente a animação e controle das máquinas ou planta de processo. Exemplos: CLP`s e sua programação, Interfaces- Homem-Máquina, Sistemas eletrônicos específicos de controle. Nível 2 - É o nível de supervisão, ou gestão, de um processo. Normalmente não participa diretamente na animação e controle, embora algumas vezes isto aconteça. Sua função Automação e Controle 36 principal é trabalhar na gestão dos dados envidados ou gerados pelo processo. Fisicamente, este nível é constituído por Microcomputadores ou Computadores de maior porte. Exemplos de funcionalidades N2: Gestão de receitas (parâmetros do processo) e envio destas ao N1 Geração de relatórios de produção, através de dados recebidos do N1 Geração de gráficos históricos ou de tendências de variáveis do processo. Gestão de eventos, mensagens de defeitos ou alarmes do processo. Nível 3 - É a interface entre o(s) processo(s) e os Sistemas Corporativos. Exemplos de funcionalidades N3: Gestão de estoque Gestão de produção Traçabilidade Controle estatístico do processo Desenho dos Níveis de Automação Os Controladores Lógicos Programáveis ( CLP’s ) Os CLP’s são os principais equipamentos dos atuais sistema de automação, tanto industrial como predial. O CLP é um dispositivo de controle lógico, de estado sólido, funcionalmente semelhante a um microcomputador, para aplicações bem definidas. Conforme indica o termo “programável”, sua memória pode ser facilmente alterada para atender as evoluções das diversas exigências de controle de um processo. Automação e Controle 37 Princípio de funcionamento de um CLP Conceitos básicos associados aos CLP`s As variáveis de estado de um processo são transmitidas à “CPU” do CLP através dos Pontos de Entrada, que após submetê-las à seqüência do programa, atualiza os Pontos de Saída, controlando desta forma os dispositivos a eles conectados. Ponto de Entrada - Todo sinal recebidos pelo CLP, a partir de dispositivos ou componentes externos: Sensores Botões Fins-de-curso Fotocélulas Chave de Comando Termopares, etc... Ponto de Saída - Todo sinal produzido pelo CLP para acionar dispositivos ou componentes externos: Lâmpadas Solenóides Relés ou Contatores, etc... Start e Stop de Inversores. Programa - É a lógica que define como serão atuados os pontos de saída, em função do estado dos diversos pontos de entrada. Ciclo de Varredura Um CLP realiza continuamente um “Ciclo de Varredura” que consiste em: 1 - Leitura das entradas 2 - Execução do programa, que consiste em determinar os novos estados das saídas, em função das entradas e de acordo com a seqüência de instruções. 3 - Atualização dos estados das saídas Automação e Controle 40 Noções Básicas sobre o Hardware Os CLP’s da MITSUBISHI estão divididos em duas famílias , sendo: Família dos CLP’s série FX e família dos CLP’s Série Q (não será objeto desse curso). Os CLP’s da série FX foram divididos em dois grupos, da seguinte forma: CLP’s não expansíveis – Linha FX1S CLP’s composto de CPU, pontos de entradas e saídas digitais discretas, entradas de alta velocidade, tensão de alimentação da CPU em versão AC 100 a 240V, tensão de alimentação dos pontos de entradas em 24Vcc e 82 à 132Vac optoacopladas, saídas relé ou transistorizada com tensões de trabalho ate 30Vcc e 250Vac chegando ate 8A. CLP’s expansíveis FX1N FX2N- FX2NC CLP’s compostos de CPU, pontos de entradas e saídas digitais discretas, entradas de alta velocidade tensão de alimentação da CPU em versão AC 100 a 240V, tensão de alimentação dos pontos de entrada em 24Vcc e 82 a 132Vac optoacopladas, saídas a relê, transistorizada ou triac, com tensões de trabalho podendo chegar à 30Vcc e 250Vac com capacidade de até 8A. Unidade Principal E composta por uma CPU, porta de comunicação RS422, fonte de alimentação 24Vcc e pontos de entradas e saídas podendo chegar a 256 pontos I/O. Módulo de Extensão Os módulos de extensão estão divididos em dois grupos, a seguir: Bloco de extensão Os blocos de extensão estão divididos em dois grupos: Bloco de Extensão I/O São utilizados nas extensões da unidade principal visando aumentar o número de pontos de entradas e saídas da aplicação. Automação e Controle 41 Bloco de Extensão Especiais São módulos especiais, utilizados para manipulação de dados de entradas ou saídas analógicas, cartas de rede, cartas seriais RS232 ou RS485 multidrop. Esses blocos abrem a possibilidade de comunicação com uma gama ilimitada de equipamentos. Alguns módulos especiais são montados do lado esquerdo da unidade principal. Unidades de extensão Pode ser utilizada na ampliação de pontos de entradas ou saídas com a vantagem de possuir fonte independente da unidade principal. Exemplo de Configuração possível A - Trilho DIN B - Furação para montagem direta na placa de montagem. C - Bloco de terminais de entrada. D/L - Protetor transparente de terminais. E - Led's indicadores de estado das entradas. F - Compartimento do conector para as unidades ou blocos de extensão G - Led's indicadores do estado da CPU. H - Compartimento do conector para dispositivos de programação ou comunicação coma CPU. J - Compartimento dos conectores para bateria de backup e cartucho de memória. K - Bloco de terminais de saídas. M - Trava para trilho DIN. N - Led's indicadores de estado das saídas. Automação e Controle 42 Definição de Modelos da Série FX FX2N 16 M R - ES Variantes de modelos Tecnologia das saídas (Rele , transistor, Triac) Tipo de unidade (Base ou extensao) Número de pontos de E/S Tipo do CLP ( FX1S, FX1N, FX2N, etc... ) Ligações Externas Conexão tipo Fonte ( Source ) Na conexão tipo SOURCE o chaveamento será positivo, onde "0" significará 0V no terminal X e "1" significará 24Vcc no terminal X. Uma conexão do tipo SOURCE pode ser montada utilizando-se a própria fonte da CPU como também uma fonte externa, conforme as figuras a seguir: Utilizando fonte de alimentação interna. Utilizando fonte de alimentação externa. Automação e Controle 45 Saídas com triac Diversas configurações podem ser utilizadas. Não oferece a mesma versatilidade de utilização de tensões variadas e configurações como as saídas à relé. Possui boa velocidade de chaveamento (entre 1 e 10ms), maior tempo de vida útil. Os mesmos cuidados deverão ser tomados quando da utilização dessas cargas. Alguns cuidados devem ser tomados quando saídas à triac são utilizadas devido à corrente de fuga do triac. Cargas de baixa potência podem ser ativadas por essa corrente. Segue abaixo alguns exemplos de aplicações com saídas à triac: Software de Progamação GX Developer O GX Developer é um software para plataforma windows que carinhosamente chamaremos de GX apenas, utilizado para a edição e monitoração, simulação de programas para todas as linhas de CLP`s MITSUBISHI. Sua instalação é feita traves de um arquivo “Setup” como qualquer outro programa cujo sua plataforma seja em windows. Possui varias ferramentas básicas como qualquer outro software como copiar e colar, desfazer a ação errada, etc. Permitindo ao usuário uma rápida adaptação e um fácil aprendizado. Automação e Controle 46 Executando o GX Para começarmos a executar o GX devemos ir ao nosso: Menu INICIAR PROGRAMAS MELSOFT Application GX Developer Como nos mostra a figura abaixo. Caminho para o GX Automação e Controle 47 Feito essas operações nosso software abrirá com a seguinte tela A partir da área de trabalho encontraremos com os seguintes campos: Project – Funções relativas aos nossos projetos: abrir, salvar, etc. View – Seleciona os atalhos a serem mostrados na área de edição. On Line – Funções de comunicação com a CPU. Diagnostics – Funções para diagnósticos de erro na CPU, Rede, etc. Tools – Ferramentas para a programação. Help – Menu de ajuda incluindo as memórias e registradores especiais. Menu das funções do GX Apartir de agora estudaremos as funções básicas para o desenvolvimento de software aplicativos em nossos controladores. Criando Novo Projeto Para criar um novo projeto basta seguir os seguintes passos: No Menu de função Project selecione “New preject” ou pressione as teclas Ctrl + N Selecione o Tipo de CPU – família de controlador [ PLC Series ] Selecione a CPU [ PLC types ] Automação e Controle 50 Dando Nome a um novo Projeto Caso não tenha dado nome ao projeto quando foi criado você tem a opção de dar nome ao mesmo: No Menu de função Project selecione “Save as...” Digite o nome e o titulo no lugar indicado e pressione [ save ] Automação e Controle 51 Imprimindo um Projeto Para imprimir o programa editado, lista de instruções, comentário, etc. No Menu de função Project selecione “Print” ou pressione as teclas Ctrl + P Selecione a parte do projeto a ser impressa e pressione [print ] Automação e Controle 52 Fechando o GX No Menu de função Project selecione “Exit GX Developer” Editando um Programa Em primeiro lugar devemos entrar em modo de edição No Menu de função Edit Selecione write mode ou pressione F2 Automação e Controle 55 Editando Funções Para colocarmos uma função em nosso programa podemos fazer de 2 maneiras: Clicando no atalho na barras de atalho Ou escrevendo diretamente no local a ser inserida Das duas formas abrirá caixa onde deveremos escrever as funções e suas partes. Como veremos no exemplo a seguir Na caixa de dialogo digite o endereço Automação e Controle 56 Conversão do Programa Após toda a edição do programa devemos converter do modo de edição para o modo leitura onde faremos, transferências, monitorações, testes, etc... E para isto devemos seguir estes passos: Menu edit Pressione Read mode Ou pressione F4 Funções de Transferência e Monitoração Escrevendo Programa na CPU Para escrever o programa que aprendemos de editar siga estes passos: No Menu de funções clique em On line Pressione Write to PLC Automação e Controle 57 Lendo um Programa na CPU Para Ler o programa que já está na CPU seguiremos estes passos: No Menu de funções clique em On line Pressione Read to PLC Automação e Controle 60 Elementos de Memória tipo BIT Os CLP`s MITSUBISHI FAMÍLIA FX, possuem os seguintes Elementos de Memória tipo BIT : Memória tipo X - Imagem das Entradas. Memória tipo Y - Imagem das Saídas. Memória tipo M - Memórias auxiliares, ou “flags”. Memória tipo S - Elementos especiais para programação STL (Grafcet) Elementos de Memória tipo X Os sinais de entrada dos CLP`s, após serem tratados pelo Hardware do processador, tem seus valores (0 ou 1 ) armazenados na memória deste, nos elementos de memória tipo X. Podemos então dizer que os elementos tipo X são a representação, em “tempo real”, do estado físico das entradas. O estado destes elementos são, normalmente, analisados pelo programa do usuário através das instruções Contato Aberto ( --] [-- ) , ou Contato Fechado ( --]/[-- ). O endereço destes elementos é representado em Base OCTAL, ou seja, X0 à X7, X10 à X17, X20 à X27, .... , até um máximo de 128 elementos. Elementos de Memória do tipo Y Estes elementos são utilizados pelo programa para armazenar os estados desejados das saídas do CLP, a cada instante. Após serem tratados pelo Hardware do processador, o estado destes elementos (0 ou 1 ) definirão o estado físico das saídas ( Ex. - relé de saída aberto ou fechado ). Estes elementos são, normalmente, manipulados pelo programa do usuário através das instruções Bobina Normal (--( )-- ), ou Relé Memória ( --[ SET ]-- , --[ RST ]-- ). O endereço destes elementos é representado em BASE OCTAL, ou seja, Y0 à Y7, Y10 à Y17, Y20 à Y27, .... , até um máximo de 128 elementos. Elementos de Memória tipo M São os Relés internos de uso geral, que podem ser comparados aos Relés Auxiliares utilizados nos circuitos de telecomando convencionais à relés. Sendo elementos de uso interno ao programa do usuário, não recebem diretamente informações sobre o estado das entradas físicas, nem acionam diretamente as saídas físicas do CLP. O endereçamento deste elemento é representado em BASE DECIMAL, sendo que a quantidade máxima de elementos depende do tipo de CLP empregado. Automação e Controle 61 Estes elementos são divididos em três categorias: Não “backupeados” (ou não retentivos), ou de uso geral - As informações memorizadas nestes elementos são perdidas quando o CLP deixa de ser alimentado, ou quando sai do modo “RUN”, ou seja, todos os valores memorizados são colocados a ZERO. “Backupeados” (ou retentivos) - As informações memorizadas são salvaguardadas por bateria, guardando o último estado, mesmo se a alimentação for cortada, ou se o CLP sair do modo “RUN”. Especiais - São “Flags” com informações diversas, geridas diretamente pelo CLP, independente do programa do usuário, ou para o uso específico de algumas instruções avançadas. Elementos de Memória tipo S São elementos similares aos do tipo M, utilizados para a programação STL ( Grafcet ). Não serão objetos deste curso. Elementos de Memória tipo Palavra Os CLP`s MITSUBISHI FAMÍLIA FX, possuem os seguintes Elementos de Memória tipo S Memória tipo D - Registros de uso geral. Memória tipo K e H - Constantes. Memória tipo T - Temporizadores. Memória tipo C - Contadores. Elementos de Memória tipo D Estes elementos são utilizados na manipulação de valores decimais inteiros. Cada registro do tipo D representa uma PALAVRA de 16 BITS da Tabela de Dados do CLP, podendo armazenar valores entre -32.768 e +32.767. Apesar disso, algumas instruções de programa permitem a manipulação de valores utilizando 32 BITS, ou seja, trabalhando com dois registros tipo D para manipular e armazenar estes valores, conseguindo assim trabalhar com valores entre -2.147.483.648 e +2.147.483.647. D0 TRABALHO EM 16 BITS BIT DE SINAL - SE = 0 , VALOR POSITIVO Automação e Controle 62 O endereçamento destes elementos é representado em BASE DECIMAL, sendo que a quantidade máxima de elementos depende do tipo de CLP empregado. Assim como os elementos tipo M, os elementos tipo D são divididos em três categorias: Não retentivos, ou de uso geral - As informações memorizadas nestes elementos são perdidas quando o CLP deixa de ser alimentado, ou quando sai do modo “RUN”, ou seja, todos os valores memorizados são colocados a ZERO. Retentivos - As informações memorizadas são salvaguardadas por bateria, guardando o último estado, mesmo se a alimentação for cortada, ou se o CLP sair do modo “RUN”. Especiais - São registros com informações diversas, geridas diretamente pelo CLP, independente do programa do usuário, ou para o uso específico de algumas instruções avançadas. Elementos de Memória tipo K e H São elementos utilizados para a representação de valores constantes. Pode-se utilizar tanto Constantes Decimais (tipo K), como Constantes Hexadecimais ( tipo H ). O emprego destas constantes é bastante amplo. Podemos citar: determinação da pré-seleção de temporizadores e contadores. determinação do número de elementos a serem manipulados por várias instruções. valores constantes em cálculos, utilizando instruções aritméticas. D0D1 TRABALHO EM 32 BITS BIT DE SINAL - SE = 0 , VALOR POSITIVO Automação e Controle 65 Elementos de Memória tipo C São os CONTADORES. Os contadores, em função do tipo de CPU utilizada, são divididos em 5 categorias, dependendo do número de Bits, da velocidade de contagem e de serem, ou não, retentivos. Unidirecionais, 16 Bits, não retentivos. Unidirecionais, 16 Bits, retentivos. Bidirecionais, 32 Bits, não retentivos. Bidirecionais, 32 Bits, retentivos. Contadores de alta velocidade. Estes elementos são, normalmente, manipulados pelo programa do usuário através das instruções BOBINA NORMAL (--( )-- ) e das instruções CONTATO ABERTO ( --] [-- ) , ou CONTATO FECHADO ( --]/[-- ), além de instruções RESET ( --[ RST ]-- ) para “zerar” sua contagem. Nos contadores Unidirecionais, o valor da contagem corrente é incrementado a cada vez que a bobina do contador passa da condição DESATUADA para ATUADA. Quando a contagem atinge o valor Pré-selecionado do contador (representado por um elemento K ou H), todos os contatos deste contador trocam de estado. A figura a seguir ilustra o funcionamento de um contador unidirecional: ( ) ( ) X2 K8 C11 C11 Y6 [ ] X3 RST C11 X2 1 0 8 7 6 5 4 3 2 1 1 0 Y6 C11 contagem 1 0 X3 Automação e Controle 66 Nos contadores Bidirecionais, o valor da contagem corrente é também incrementado a cada vez que a bobina do contador passa da condição DESATUADA para ATUADA. Entretanto, em função do estado de uma memória especial (M8200 a M8234 ), a contagem pode ser decrementada. A figura a seguir ilustra o funcionamento de um contador bidirecional: ( ) ( ) X0 K6 C210 C210 Y2 [ ] X3 RST C210 X0 C210 contagem ( ) X5 M8210 X5 M8210 1 0 5 6 4 7 6 5 4 3 2 1 1 0 Y2 1 0 X3 1 0 Automação e Controle 67 Os contadores retentivos tem o mesmo funcionamento dos não retentivos. Entretanto, o valor de contagem é “backupeado”, isto é, o valor é salvaguardado por bateria. Desta forma, mesmo se o CLP perde sua alimentação, ou sai do modo RUN, o valor é memorizado. Quando o CLP retorna ao modo RUN, a contagem será retomada do ponto onde foi interrompida. Os contadores rápidos não serão objeto deste curso. Elementos de Memórias Especiais Os CLP`s FAMÍLIA FX, possuem ainda outros Elementos de Memória para determinadas operações específicas : Memória tipo I - Sinalizadores de INTERRUPÇÃO. Memória tipo P - Apontadores para INSTRUÇÕES DE SALTO. Memória tipo V e Z - Elementos de INDEXAÇÃO. Estes elementos não serão objeto deste curso. Conjunto de Instruções Básicas Examina Bit a “1” Símbolo - Operandos - X, Y, M, S, T e C Exemplos : Funcionamento: Durante sua “varredura”, ao examinar esta instrução, o CLP verifica se o BIT especificado pela instrução esta à “1” na memória. Se estiver, o CLP considera a instrução VERDADEIRA, que na analogia do diagrama de relés equivale a CONTINUIDADE da linha. Examina Bit a “0” Símbolo - Operandos - X, Y, M, S, T e C Exemplos : Funcionamento - Durante sua “varredura” ao examinar esta instrução, o CLP verifica se o BIT especificado pela instrução esta à “0” na memória. Se estiver, o CLP considera a instrução verdadeira, que na analogia do diagrama de relés equivale a continuidade Y21 ???? X10 M121 ???? T8 Automação e Controle 70 Funcionamento para PLS - Caso todas as condições dêem CONTINUIDADE a linha, o BIT especificado pela instrução será colocado a “1” na memória do CLP, durante “um” ciclo de varredura. Mesmo se a instrução permanecer ativada, o BIT voltará à “0” na varredura seguinte. Funcionamento para PLF - Quando uma ou mais condições da linha DEIXAM DE DAR CONTINUIDADE a mesma, o BIT especificado pela instrução será colocado a “1” na memória do CLP, durante “um” ciclo de varredura, voltando a “0” na varredura seguinte. X1 X2 [ ] PLF M11 [ ] PLS M10 X1 1 Varredura 1 0 1 0 X2 M10 1 0 M11 1 Varredura 1 0 Automação e Controle 71 Instrução “Move” Símbolo - Operandos - Palavra FONTE ( Pal.1 ) - K, H, KnX, KnY, KnM, KnS, T, C, D, V, Z. Palavra DESTINO ( Pal.2 ) - KnY, KnM, KnS, T, C, D, V, Z. Exemplos : Funcionamento - Caso todas as condições dêem CONTINUIDADE a linha, o valor armazenado na PRIMEIRA PALAVRA é copiado para a SEGUNDA PALAVRA. Instrução de Comparação Símbolo - Operandos - Palavras 1 e 2 ( Pal.1 , Pal.2 ) - K, H, KnX, KnY, KnM, KnS, T, C, D, V, Z. BIT - Y, M, S. Exemplo : Funcionamento - Caso todas as condições dêem CONTINUIDADE a linha, o valor armazenado na PRIMEIRA PALAVRA é comparado com o da SEGUNDA PALAVRA. O resultado da comparação será indicado pelo estado de TRÊS BITS consecutivos, cujo primeiro está declarado na instrução. No caso do exemplo acima, teríamos : M10 = 1 se T10 < K50 M11 = 1 se T10 = K50 M12 = 1 se T10 > K50 Instrução de Zona de Comparação Símbolo - Operandos - Palavras ( Pal.1 , Pal.2 , Pal.3 ) - K, H, KnX, KnY, KnM, KnS, T, C, D, V e Z. BIT - Y, M, S. Exemplo : [ MOV D10 D11 ] [ MOV C20 D14 ] [ CMP Pal.1 Pal.2 Bit ] [ MOV Pal.1 Pal.2 ] [ CMP K50 T10 M10 ] [ ZCP Pal.1 Pal.2 Pal.3 Bit ] [ ZCP K50 K100 T10 M10 ] Automação e Controle 72 Funcionamento - Caso todas as condições dêem CONTINUIDADE a linha, o valor armazenado na PRIMEIRA PALAVRA é comparado com o da SEGUNDA PALAVRA. O resultado da comparação, que na verdade é uma zona de comparação será indicado pelo estado de TRÊS BITS consecutivos, cujo primeiro está declarado na instrução. No caso do exemplo acima, teríamos: M10 = 1 se o valor de T10 estiver abaixo de K50 M11 = 1 se o valor de T10 estiver entre K50 a K100 M12 = 1 se o valor de T10 estiver acima de K100 Comparação em Linha Símbolos Operandos - Palavras ( Pal.1 , Pal.2 ) - K, H, KnX, KnY, KnM, KnS, T, C, D, V e Z. Operações: == ; >= ; <= ; > ; <. Exemplo : Funcionamento - Caso todas as condições dêem CONTINUIDADE a linha, o valor armazenado na PRIMEIRA PALAVRA é comparado com o da SEGUNDA PALAVRA respeitando o sinal dab Operação. Se o resultado for verdadeiro o programa dará continuidade [ LD Operação | Pal. 1 | Pal.2 ] [ LD = K10 C1 ] [ LD < K10 C1 ] [ LD > K10 C1 ] Automação e Controle 75 Correlação da F.E.M. em Função da Temperatura Visto que a f.e.m. gerada em um termopar depende da composição química dos condutores e da diferença de temperatura entre as juntas, isto é, a cada grau de variação de temperatura, podemos observar uma variação da f.e.m. gerada pelo termopar, podemos, portanto, construir uma tabela de correlação entre temperatura e a f.e.m., por uma questão prática padronizou- se o levantamento destas curvas com a junta de referência à temperatura de 0°C. Essas tabelas foram padronizadas por diversas normas internacionais e levantadas de acordo com a Escala Prática Internacional de Temperatura de 1968 ( IPTS-68 ), recentemente atualizada pela ITS-90, para os termopares mais utilizados. Existem várias combinações de 2 metais condutores operando como termopares. Podemos dividir os termopares em três grupos, a saber: Termopares Básicos Termopares Nobres Termopares Especiais Termopares básicos São assim chamados os termopares de maior uso industrial, em que os fios são de custo relativamente baixo e sua aplicação admite um limite de erro maior. Automação e Controle 76 Tipo”T” Nomenclaturas: T - Adotado pela Norma ANSI CC - Adotado pela Norma JIS Cu - Co Cobre - Constantan Liga: ( + ) Cobre - ( 99,9 % ) ( - ) Constantan - São as ligas de Cu-Ni compreendidos no intervalo entre Cu (50%) e Cu ( 65 % ) Ni ( 35 % ). A composição mais utilizada para este tipo de termopar é de Cu ( 58 % ) e Ni ( 42 % ). Características: Faixa de utilização: - 200 °C a 370 °C F.e.m. produzida: - 5,603 mVMa 19,027 mV Aplicações: Criometria ( baixas temperaturas ), Indústrias de refrigeração, Pesquisas agronômicas e ambientais, Química e Petroquímica. Tipo”J” Nomenclaturas: J - Adotada pela Norma ANSI IC - Adotada pela Norma JIS Fe-Co Ferro - Constantan Liga: ( + ) Ferro - ( 99,5 % ) ( - ) Constantan - Cu ( 58 % ) e Ni ( 42 % ), normalmente se produz o ferro a partir de sua característica casa-se o constantan adequado. Características: Faixa de utilização: -40 °C a 760 °C f.e.m. produzida: - 1,960 mV a 42,922 mV Aplicações: Centrais de energia, Metalúrgica, Química, Petroquímica, indústrias em geral. Tipo”E” Nomenclatura: E - Adotada pela Norma ANSI CE - Adotada pela Norma JIS NiCr-Co Liga: ( + ) Chromel - Ni ( 90 % ) e Cr ( 10 % ) ( - ) Constantan - Cu ( 58 % ) e Ni ( 42 % ) Características: Faixa de utilização: -200 °C a 870 °C f.e.m. produzida: - 8,824 mV a 66,473 mV Aplicações: Química e Petroquímica Automação e Controle 77 Tipo”K” Nomenclaturas: K - Adotada pela Norma ANSI CA - Adotada pela Norma JIS Liga: ( + ) Chromel - Ni ( 90 % ) e Cr ( 10 % ) ( - ) Alumel - Ni( 95,4 % ), Mn( 1,8 % ), Si( 1,6 % ), Al( 1,2 % ) Características: Faixa de utilização: - 200 °C a 1260 °C f.e.m. produzida: - 5,891 mV a 50,99 mV Aplicações: Metalúrgicas, Siderúrgicas, Fundição, Usina de Cimento e Cal, Vidros, Cerâmica, Indústrias em geral. Termopares Nobres São aqueles que os pares são constituídos de platina. Embora possuam custo elevado e exijam instrumentos receptores de alta sensibilidade, devido à baixa potência termoelétrica, apresentam uma altíssima precisão, dada a homogeneidade e pureza dos fios dos termopares. Tipo”S” Nomenclaturas: S - Adotada pela Norma ANSI Pt Rh 10 % - Pt Liga: ( + ) Platina 90% Rhodio 10 % ( - ) Platina 100 % Características: Faixa de utilização: 0 °C a 1600 °C f.e.m. produzida: 0 mV a 16,771 mV Aplicações: Siderúrgica, Fundição, Metalúrgica, Usina de Cimento, Cerâmica, Vidro e Pesquisa Científica. Observação: É utilizado em sensores descartáveis na faixa de 1200 a 1768 °C, para medição de metais líquidos em Siderúrgicas e Fundições Tipo”R” Nomenclaturas: R - Adotada pela Norma ANSI PtRh 13 % - Pt Liga: ( + ) Platina 87 % Rhodio 13 % ( - ) Platina 100 % Características: Faixa de utilização: 0 °C a 1600 °C f.e.m. produzida: 0 mV a 18,842 mV Aplicações: As mesmas do tipo S Automação e Controle 80 Um valor típico de alfa para R100 = 138,50 Ω é de 3,850*10-3 Ω . Ω-1 . oC-1 segundo a DIN-IEC 751/85. As termoresistências Pt - 100 : São as mais utilizadas industrialmente, devido a sua grande estabilidade, larga faixa de utilização e alta precisão. Devido a alta estabilidade das termoresistências de platina, as mesmas são utilizadas como padrão de temperatura na faixa de -270 °C a 660 °C. A estabilidade é um fator de grande importância na indústria, pois é a capacidade do sensor manter e reproduzir suas características ( resistência - temperatura ) dentro da faixa especificada de operação. Outro fator importante num sensor Pt 100 é a repetibilidade, que é a característica de confiabilidade da termoresistência. Repetibilidade deve ser medida com leitura de temperaturas consecutivas, verificando-se a variação encontrada quando de medição novamente na mesma temperatura. O tempo de resposta é importante em aplicações onde a temperatura do meio em que se realiza a medição está sujeito a mudanças bruscas. Vantagens: Possuem maior precisão dentro da faixa de utilização do que outros tipo de sensores. Com ligação adequada não existe limitação para distância de operação. Dispensa utilização de fiação especial para ligação. Se adequadamente protegido, permite utilização em qualquer ambiente. Têm boas características de reprodutibilidade. Em alguns casos substitui o termopar com grande vantagem. Desvantagens: São mais caras do que os sensores utilizados nessa mesma faixa. Deteriora-se com mais facilidade, caso haja excesso na sua temperatura máxima de utilização. Temperatura máxima de utilização 630 °C. É necessário que todo o corpo do bulbo esteja com a temperatura equilibrada para indicar corretamente. Alto tempo de resposta. Automação e Controle 81 Princípio De Medição Para utilização deste circuito como instrumento de medida de Termoresistência, teremos as seguintes configurações: Ligação à 2 fios Como se vê na figura, dois condutores de resistência relativamente baixa RL1 e RL2 são usados para ligar o sensor Pt-100 (R4) à ponte do instrumento de medição. Nesta disposição, a resistência R4 compreende a resistência da Pt-100 mais a resistência dos condutores RL1 e RL2. Isto significa que os fios RL1 e RL2 a menos que sejam de muito baixa resistência, podem aumentar apreciavelmente a resistência do sensor. Tal disposição, resultará em erro na leitura da temperatura, a menos que algum tipo de compensação ou ajuste dos fios do sensor de modo a equilibrar esta diferença de resistência. Deve-se notar que, embora a resistência dos fios não se altere em função do tamanho dos fios uma vez já instalado, os mesmos estão sujeitos às variações da temperatura ambiente, o que introduz uma outra possível fonte de erro na medição. O método de ligação a dois fios, somente deve ser usado quando o sensor estiver á uma distância de aproximadamente 3 metros. Concluindo, neste tipo de medição a 2 fios, sempre que a temperatura ambiente ao longo dos fios de ligação variar, a leitura de temperatura do medidor introduzirá um erro, devido a variação da resistência de linha . Ligação à 3 fios Este é o método mais utilizado para termoresistências na indústria. Neste circuito a configuração elétrica é um pouco diferente, fazendo com que a alimentação fique o mais próximo possível do sensor, permitindo que a RL1 passe para o outro braço da ponte, balanceando o circuito. Na ligação a 2 fios, as resistências de linha estavam em série com o sensor, agora na ligação a 3 fios elas estão separadas. Automação e Controle 82 Nesta situação, tem-se a tensão EAB, variando linearmente em função da temperatura da PT-100 e independente da variação da temperatura ambiente ao longo dos fios de ligação . Este tipo de ligação, garante relativa precisão mesmo com grandes distâncias entre elemento sensor e circuito de medição. Medição de pressão Medição de pressão é o mais importante padrão de medida, pois as medidas de vazão, nível, etc. podem ser feitas utilizando-se esse princípio. Pressão é definida como uma força atuando em uma unidade de área. P = F onde P = Pressão A F = Força A = Área Pressão atmosférica É a pressão exercida pela atmosfera terrestre medida em um barômetro. Ao nível do mar esta pressão é aproximadamente de 760 mmHg. Pressão relativa É a pressão medida em relação à pressão atmosférica, tomada como unidade de referência. Pressão absoluta É a soma da pressão relativa e atmosférica, também se diz que é medida a partir do vácuo absoluto. Importante: Ao se exprimir um valor de pressão, determinar se a pressão é relativa ou absoluta. Exemplo : 3 Kgf/cm2 A BS Pressão Absoluta 4 Kgf/cm2 Pressão Relativa Automação e Controle 85 O diafragma geralmente é ondulado ou corrugado para aumentar sua área efetiva. Fole O fole é também muito empregado na medição de pressão. Ele é basicamente um cilindro metálico, corrugado ou sanfonado. Quando uma pressão é aplicada no interior do fole, provoca sua distensão, e como ela tem que vencer a flexibilidade do material e a força de oposição da mola, o deslocamento é proporcional à pressão aplicada à parte interna. Coluna de Líquido Consiste, basicamente, num tubo de vidro, contendo certa quantidade de líquido, fixado a uma base com uma escala graduada. As colunas podem ser basicamente de três tipos: coluna reta vertical, reta inclinada e em forma de “U”. Os líquidos mais utilizados nas colunas são: água (normalmente com um corante) e mercúrio. Quando se aplica uma pressão na coluna o líquido é deslocado, sendo que este deslocamento é proporcional a pressão aplicada. Sendo a fórmula : P1 – P2 = h . dr Automação e Controle 86 Manômetro de tubo em “U Manômetro de tubo inclinado Manômetro de Reservatório Tipo Capacitivo A principal característica dos sensores capacitivos é a completa eliminação dos sistemas de alavancas na transferência da força / deslocamento entre o processo e o sensor . Este tipo de sensor resume-se na deformação , diretamente pelo processo de uma das armaduras do capacitor . Tal deformação altera o valor da capacitância total que é medida por um circuito eletrônico . Esta montagem , se por um lado , elimina os problemas mecânicos das partes móveis , expõe a célula capacitiva às rudes condições do processo , principalmente a temperatura do processo . Este inconveniente pode ser superado através de circuitos sensíveis a temperatura, montado junto ao sensor . Outra característica inerente a montagem , é a falta de linearidade entre a capacitância e a distância das armaduras devido á deformação não linear , sendo necessário portanto , uma compensação ( linearização ) à cargo do circuito eletrônico . Automação e Controle 87 O sensor é formado pêlos seguintes componentes Armaduras fixas metalizadas sobre um isolante de vidro fundido Dielétrico formado pelo óleo de enchimento (silicone ou fluorube) Armadura móvel (Diafragma sensor) Uma diferença de pressão entre as câmaras de alta (High) e de baixa (Low) produz uma força no diafragma isolador que é transmitida pelo líquido de enchimento. A força atinge a armadura flexível (diafragma sensor) provocando sua deformação, alterando portanto , o valor das capacitâncias formadas pelas armaduras fixas e a armadura móvel . Esta alteração é medida pelo circuito eletrônico que gera um sinal proporcional à variação de pressão aplicada à câmara da cápsula de pressão diferencial capacitiva. Tipo Strain Gauge Baseia-se no princípio de variação da resistência de um fio, mudando-se as suas dimensões. Para variarmos a resistência de um condutor devemos analisar a equação geral da resistência: R = (ρ . L)/S R : Resistência do condutor ρ : Resistividade do material L : Comprimento do condutor S : Área da seção transversal Automação e Controle 90 Medidores de Quantidade por Pesagem São utilizados para medição de sólidos, que são as balanças industriais. Medidores de Quantidade Volumétrica São aqueles que o fluído, passando em quantidades sucessivas pelo mecanismo de medição faz com que o mesmo acione o mecanismo de indicação. São estes medidores que são utilizados para serem os elementos primários das bombas de gasolina e dos hidrômetros. Exemplo: disco nutante, tipo pistão rotativo oscilante, tipo pistão alternativo, tipo pás, tipo engrenagem, etc. Medidores volumétricos São aqueles que exprimem a vazão por unidade de tempo. Medição de Vazão por Pressão Diferencial A pressão diferencial é produzida por vários tipos de elementos primários colocados na tubulação de forma tal que o fluído passa através deles. A sua função é aumentar a velocidade do fluído diminuindo a área da seção em um pequeno comprimento para haver uma queda de pressão. A vazão pode então, ser medida a partir desta queda. Uma vantagem primordial dos medidores de vazão por DP, é que os mesmos podem ser aplicados numa grande variedade de medições, envolvendo a maioria dos gases e líquidos, inclusive fluídos com sólidos em suspensão, bem como fluídos viscosos, em uma faixa de temperatura e pressão bastante ampla. Um inconveniente deste tipo de medidor é a perda de carga que o mesmo causa ao processo , sendo a placa de orifício, o dispositivo que provoca a maior perda de carga "irrecuperável" ( de 40 a 80% do P gerado). Automação e Controle 91 Placa de orifício Dos muitos dispositivos inseridos numa tubulação para se criar uma pressão diferencial, o mais simples e mais comum empregado é o da placa de orifício. Consiste em uma placa precisamente perfurada, a qual é instalada perpendicularmente ao eixo da tubulação. É essencial que as bordas do orifício estejam sempre perfeitas, porque, se ficarem, imprecisas ou corroídas pelo fluído, a precisão da medição será comprometida. Costumeiramente são fabricados com aço inox, monel, latão, etc., dependendo do fluído Vantagens Desvantagens Instalação fácil Alta perda de carga Econômica Baixa Rangeabilidade Construção simples Manutenção e troca simples Tubo Venturi O tubo Venturi, combina dentro de uma unidade simples, uma curta garganta estreitada entre duas seções cônicas e está usualmente instalado entre duas flanges, de uma tubulação. Seu propósito é acelerar o fluído e temporariamente baixar sua pressão estática. Automação e Controle 92 A recuperação de pressão em um tubo Venturi é bastante eficiente, como podemos ver na figura a seguir, sendo seu uso recomendado quando se deseja um maior restabelecimento de pressão e quando o fluido medido carrega sólidos em suspensão. O Venturi produz um diferencial menor que uma placa de orifício para uma mesma vazão e diâmetro igual à sua garganta. Tubo Pitot É um dispositivo para medição de vazão através da velocidade detectada em um ponto da tubulação. O tubo de Pitot é um tubo com uma abertura em sua extremidade, sendo esta colocada na direção da corrente fluida de um duto. A diferença da pressão total e a pressão estática da linha nos dará a pressão dinâmica, a qual é proporcional ao quadrado da velocidade. Automação e Controle 95 As forças geradas pelos tubos criam uma certa oposição à passagem do fluido na sua região de entrada (região da bobina1) , e em oposição auxiliam o fluído na região de saída dos tubos. O atraso entre os dois lados é diretamente proporcional à vazão mássica. Um RTD é montado no tubo, monitorando a temperatura deste, a fim de compensar as vibrações das deformações elásticas sofridas com a oscilação da temperatura. Medidor Vortex Quando um anteparo de geometria definida é colocado de forma a obstruir parcialmente uma tubulação em que escoa um fluido, ocorre a formação de vórtices; que se desprendem alternadamente de cada lado do anteparo, como mostrado na figura abaixo. Este é um fenômeno muito conhecido e demonstrado em todos os livros de mecânica dos fluidos. Os vórtices também podem ser observados em situações freqüentes do nosso dia a dia, como por exemplo: O movimento oscilatório da plantas aquáticas, em razão da correnteza; As bandeiras flutuando ao vento; As oscilações das copas das árvores ou dos fios elétricos quando expostas ao vento. Medidores Ultra-sônicos Os medidores de vazão que usam a velocidade do som, como meio auxiliar de medição, podem ser divididos em dois tipos principais: Medidores a efeito doppler Medidores de tempo de trânsito. Existem medidores ultra-sônicos nos quais os transdutores são presos à superfície externa da tubulação, e outros com os transdutores em contato direto com o fluído. Os transdutores- emissores de ultra-sons consistem em cristais piezoelétricos que são usados como fonte de ultra-som, para enviar sinais acústicos que passam no fluído, antes de atingir os sensores correspondentes. Automação e Controle 96 Medidores de efeito Doppler O efeito Doppler é aparente variação de freqüência produzida pelo movimento relativo de um emissor e de um receptor de freqüência. No caso, esta variação de freqüência ocorre quando as ondas são refletidas pelas partículas móveis do fluído. Nos medidores baseados neste princípio ( ver figura abaixo ), os transdutores-emissores projetam um feixe contínuo de ultra-som na faixa das centenas de khz. Os ultra-sons refletidos por partículas veiculadas pelo fluído têm sua freqüência alterada proporcionalmente ao componente da velocidade das partículas na direção do feixe. Estes instrumentos são conseqüentemente adequados para medir vazão de fluídos que contêm partículas capazes de refletir ondas acústicas. Medição de nível Nível é a altura do conteúdo de um reservatório que pode ser sólido ou líquido. Trata-se de uma das principais variáveis utilizadas em controle de processos contínuos, pois através de sua medição torna-se possível: Avaliar o volume estocado de materiais em tanques de armazenamento. Realizar o balanço de materiais de processos contínuos onde existam volumes líquidos ou sólidos de acumulação temporária, reações, mistura, etc. Realizar a segurança e controle de alguns processos onde o nível do produto não pode ultrapassar determinados limites. Métodos de medição de nível de líquido Os três tipos básicos de medição de nível são: direto indireto descontínuo Medição direta É a medição que tomamos como referência a posição do plano superior da substância medida. Neste tipo de medição podemos utilizar réguas ou gabaritos, visores de nível, bóia ou flutuador. Régua ou Gabarito Consiste em uma régua graduada a qual tem um comprimento conveniente para ser introduzida dentro do reservatório a ser medido. Automação e Controle 97 A determinação do nível se efetuará através da leitura direta do comprimento molhado na régua pelo líquido. Visores de Nível Este medidor usa o princípio dos vasos comunicantes, o nível é observado por um visor de vidro especial, podendo haver uma escala graduada acompanhando o visor. Esta medição é feita em tanques abertos e tanques fechados. Bóia ou Flutuador Consiste numa bóia presa a um cabo que tem sua extremidade ligada a um contrapeso. No contrapeso está fixo um ponteiro que indicará diretamente o nível em uma escala. Esta medição é normalmente encontrada em tanques abertos.