Sistemas Hidráulicos Pneumáticos Controle Automação HPContAutP2

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LABORATÓRIO DE SISTEMAS HIDRÁULICOS E PNEUMÁTICOS

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Sistemas Hidráulicos e Pneumáticos para Automação e Controle PARTE I - Sistemas Pneumáticos para Automação

Prof. Victor Juliano De Negri, Dr. Eng.

Florianópolis, Março de 2001

Sistemas Pneumáticos para Automação – LASHIP/EMC/UFSCii

1 Introdução1
2 Fontes de Ar Comprimido e Sistemas Pneumáticos2
3 Sistemas de Atuação Pneumáticos6
3.1Cilindros de simples ação com válvulas direcionais6
3.1.1 Componentes pneumáticos8
3.2Cilindros de dupla ação com válvulas direcionais1
3.2.1 Componentes pneumáticos13
3.2.2 Controle de velocidade13
4 Estrutura Global dos Sistemas Pneumáticos15
5Modelagem e Dimensionamento Estático dos Circuitos de Atuação18
5.1 Introdução18
5.2 Fundamentação Teórica18
5.3 Embasamento para o Dimensionamento de Válvulas2
5.4Normas para determinação da vazão em válvulas pneumáticas25
5.4.1 Norma VDI 329025
5.4.2 Norma ISO 635826
5.4.3 Norma ANSI/(NFPA) T3.21.327
5.4.4 Correlação entre normas28
5.5Método de Seleção do Conjunto Válvula Direcional e Cilindro29
6Projeto do Sistema de Processamento de Informações35
6.1 Introdução: Métodos de projeto3 5
6.2Método intuitivo para pneumática pura e eletropneumática38
6.2.1 Pneumática pura38
6.2.2 Eletropneumática40
6.3 Métodos cascata e seqüência mínima42
6.3.1 Método cascata para pneumática pura42
6.3.2 Método seqüência mínima para eletropneumática46
6.4 Programação Convencional de CLP’s49
sequencia máxima)50
6.5.1 Princípios para construção do diagrama funcional51
6.5.2Solução empregando pneumática pura (Passo-a-passo da pneumática pura)5
6.5.3 Solução empregando eletropneumática (Seqüência Máxima)57
6.5.4 Solução empregando CLP59
6.6Exemplo de projeto do sistema de processamento de informação61

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1 Introdução

Conforme estabelecido na ISO 5598 – Sistemas e Componentes Hidráulicos e Pneumáticos –

Terminologia, a pneumática refere-se a ciência e tecnologia que trata do uso do ar ou gases neutros como meio de transmissão de potência.

Dentro deste contexto, pode-se identificar dois domínios tecnológicos distintos. O primeiro refere-se a produção, condicionamento e distribuição do ar comprimido, compreendendo o estudo de processos de compressão, filtragem e secagem, assim como o desenvolvimento tecnológico e dimensionamento dos componentes para realizar estas funções.

Alimentados pela fonte de ar comprimido estão os circuitos pneumáticos, que incluem válvulas e cilindros interligados através de tubulações, tendo como objetivo a conversão, de forma controlada, da energia pneumática em energia mecânica de translação ou de rotação. O circuito pneumático é entendido como parte de um sistema pneumático o qual engloba também os sensores, controladores, circuitos elétricos e demais componentes que viabilizam a automação ou controle de um processo.

A pneumática vem ampliando cada vez mais sua presença na indústria em face da capacidade de realizar ações rápidas e de forma segura, principalmente quando se trata de servir como atuação mecânica em equipamentos com ciclos operacionais complexos.

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2 Fontes de Ar Comprimido e Sistemas Pneumáticos

Os circuitos pneumáticos presentes em máquinas industriais, veículos, consultórios ondotológicos etc. necessitam de uma fonte de ar comprimido com pressão constante e com capacidade de fornecer a vazão consumida pelos componentes do circuito. Esta fonte inclui unidade de produção, distribuição e condicionamento de ar comprimido conforme ilustrado na figura 2.1.

Figura 2.1 – Fonte de ar comprimido incluindo: Produção, distribuição e condicionamento.

A unidade de produção inclui tipicamente os seguintes elementos: - Compressor com filtro de admissão e, para compressores de dois estágios, de um resfriador intermediário; - Resfriador posterior;

- Secador.

A figura 2.2 exemplifica separadamente uma unidade de produção.

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Figura 2.2 – Unidade de produção de ar comprimido.

Uma unidade de distribuição compõe-se de uma tubulação preferencialmente aérea composta de uma rede principal de onde derivam redes secundárias que alimentam os pontos de ligação dos circuitos pneumáticos conforme ilustrado na figura 2.1. Nas extremidades das tubulações de alimentação da rede secundária são instaladas unidades de condicionamento específicas para cada equipamento incluindo válvula reguladora de pressão, purgador (para extração de água condensada na rede) e filtro.

Os compressores, como qualquer outra bomba, são fontes de vazão e não de pressão. Ou seja, os compressores fornecem uma determinada vazão de ar para o reservatório e a rede de distribuição que, em função da alta compressibilidade do ar, acumula-se nestes provocando o aumento de pressão. Assim, nas tomadas de consumo há ar comprimido a uma pressão constante normalmente da ordem de

7 a 10 bar com flutuações na ordem de ± 1 bar.

A pressão na rede é assegurada de diferentes formas, sendo mais comum para compressores de pequeno porte a partida e parada automática do motor de acionamento do compressor. Outras soluções como a descarga para a atmosfera, readmissão do ar comprimido, variação da velocidade do motor de acionamento, variação do rendimento volumétrico e alívio nas válvulas de admissão são aplicáveis para compressores industriais. Todos estes métodos de controle objetivam a redução ou interrupção da vazão fornecida para o reservatório e rede para compatibilizá-la com a vazão que está sendo consumida pelos circuitos pneumáticos e, consequentemente, manter a pressão o mais estável possível (SCHRADER, 19--).

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a) b) d) e)

V1 V1.1 V1.2

S1 S2

A1 A1

V1 V1.2V1.1

V1.1 V1.2 S1 S2

V1 V1.2V1.1

V1.1S1

S2 V1.2 org S1 sai V1.1 org S2 sai V1.2

S1 S2 12

Figura 2.3 – Sistema de automação pneumático: a) Esboço do equipamento; b) Diagrama Trajeto-passo; c) Sistema pneumático puro; d) Sistema eletro-pneumático; e) Sistema pneutrônico.

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O escopo deste trabalho é o estudo dos sistemas pneumáticos para os quais pressupõe-se a existência de uma tomada de ar comprimido proveniente de uma fonte de ar comprimido. Conforme será detalhado nas seções subsequentes, estes sistemas podem resultar da combinação de dispositivos pneumáticos, elétricos e eletrônicos a fim de atender as especificações de determinada aplicação. De toda a forma, os elementos fundamentais são os cilindros, motores e/ou ventosas que realizam as ações mecânicas.

Na figura 2.3 apresenta-se três soluções para uma automação pneumática de elevação de produtos onde o circuito pneumático, composto pelos cilindros e suas válvulas de comando, é comum a todas elas. Visando a fundamentação acerca do projeto destes sistemas, descreve-se a seguir os sistemas de atuação básicos e, posteriormente, estabelece-se a estrutura global dos sistemas pneumáticos. No capítulo 5 apresentam-se os métodos correntes de projeto do sistema de processamento de informações, parte fundamental encarregada de integrar a operação dos vários atuadores.

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3 Sistemas de Atuação Pneumáticos

No contexto do projeto de sistemas de automação e controle, um sistema de atuação corresponde ao conjunto de elementos capaz de receber uma informação proveniente de um circuito elétrico, hidráulico ou pneumático, de um programa de CLP ou mesmo de um operador estabelecendo qual a ação que deve ser executada. O sistema de atuação é alimentado com energia elétrica, hidráulica ou pneumática e controla a energia em uma ou mais portas de saída.

A figura 3.1 apresenta um sistema de atuação pneumático genérico que deverá receber ar comprimido a uma pressão constante e fornecer energia mecânica manifestada através das variáveis força (F), velocidade (v) e deslocamento (posição) (x).

Energia Pneumática Energia Mecânica

Sinal

Figura 3.1 – Sistema de atuação pneumático genérico

Nas seções seguintes apresentam-se as principais soluções técnicas de circuitos pneumáticos presentes em sistemas de atuação pneumáticos, voltadas principalmente aos equipamentos industriais.

3.1 Cilindros de simples ação com válvulas direcionais

O princípio mais comum para atuação pneumática constitui-se de um cilindro de simples ação com retorno por mola, comandado por uma válvula de controle direcional de três vias e duas posições (3/2) acionada mecanicamente e também com retorno por mola. A figura 3.2 apresenta opções de diagramas de circuitos pneumáticos em diferentes configurações do cilindro e válvula.

Outra alternativa para o acionamento do cilindro é o emprego de uma válvula 3/2 sem retorno por mola podendo ser com acionamento mecânico, por duplo piloto ou duplo solenóide,. conforme apresentado na figura 3.3.

Sistemas Pneumáticos para Automação – LASHIP/EMC/UFSC7 a) b) c) d) Figura 3.2 – Cilindro de simples ação comandado por válvula direcional 3/2 com retorno por mola.

a) b) c) d) Figura 3.3 – Cilindro de simples ação comandado por válvula direcional 3/2 sem retorno por mola.

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Uma típica aplicação de cilindro de simples ação é mostrada na figura 3.4 onde é executado esforço somente no avanço do cilindro que expulsa o frasco que estiver sem tampa.

Figura 3.4 – Exemplo de aplicação de cilindro de simples ação.

Destaca-se que os diagramas de circuitos pneumáticos e hidráulicos são representados segundo as normas internacionais ISO 1219-1 (ISO, 1991) e ISO1219-2 (ISO, 1995). O ANEXO A apresenta os principais símbolos gráficos e regras para a elaboração destes diagramas.

3.1.1 Componentes pneumáticos

O número de vias mencionado acima corresponde ao número de conexões principais existente em uma válvula nas quais são conectadas as tubulações pneumáticas (ou hidráulicas); Exclui-se neste número as conexões de pilotagem. Por sua vez, o número de posições corresponde à quantidade de posições específicas que o elemento móvel da válvula é capaz de assumir.

Como exemplos construtivos para a válvula empregada nos circuitos da figura 3.2 têm-se as válvulas de carretel deslizante e de assento mostradas na figura 3.5. Observa-se que a posição de repouso, ou seja, quando não acionada, varia conforme detalhes construtivos

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Figura 3.5 – Válvulas direcionais 3/2 com acionamento mecânico e retorno por mola; a) Tipo carretel deslizante (normalmente fechada); b) Tipo assento (normalmente fechada); c) Tipo carretel deslizante (normalmente aberta).

Na figura 3.6 exemplifica-se válvulas 3/2 com acionamento por sinal pneumático (pilotadas pneumaticamente) e com acionamento por solenóide, ambas com retorno por mola. As válvulas utilizadas na figura 3.3 podem ser da forma mostrada na figura 3.7

Figura 3.6 – Válvulas direcionais 3/2 com retorno por mola; a) Pilotada; b) Acionamento por solenúide.

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Figura 3.7 – Válvulas direcionais 3/2: a) Com acionamento mecânico e detente; b) Duplo piloto; c) Duplo solenóide

As válvulas com retorno por mola têm como vantagem não necessitar de um novo sinal para mudar de posição, bastando eliminar o sinal de acionamento existente. Este fato é bastante apropriado quando estas válvulas são utilizadas como dispositivos para envio de sinais pneumáticos, conforme será visto posteriormente, ou em circuitos simples em que o operador avança e retorna o cilindro diretamente. No caso de válvulas acionadas por solenóide, normalmente este possui um tempo de comutação menor do que ocorre com a ação da mola. Como o tempo de comutação de uma válvula provoca atrasos na operação de uma máquina, este fato deve ser ponderado quando da construção de equipamentos com um grande número de sistemas de atuação.

Com respeito aos cilindros pneumáticos, apresenta-se na figura 3.8 a forma mais comum de cilindros de simples ação, com o corpo construído em alumínio e o êmbolo em aço.

Figura 3.8 – Cilindro de simples efeito

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Observa-se que um cilindro de simples ação somente dispõe de energia pneumática para o avanço ou para o retorno decorrente da pressão existente no suprimento da válvula direcional e da capacidade de vazão da fonte de ar comprimido. Para a ação no sentido contrário, dispõe-se somente da força decorrente da compressão da mola ou então de uma força externa como uma massa elevada em um cilindro na vertical. Deste modo, os cilindros de simples ação são bastante empregados para fixação e expulsão de peças, elevação de cargas, movimentação de peças etc. onde pouquíssimo ou nenhum esforço é requerido no movimento contrário.

3.2 Cilindros de dupla ação com válvulas direcionais

Para haver um efetivo controle do avanço e retorno de um cilindro, as duas portas precisam ser conectadas às linhas de pressão e de escape em diferentes momentos. Para tal, comumente empregase um cilindro de dupla ação conectado a uma válvula direcional de quatro vias e duas posições (4/2) ou cinco vias e duas posições (5/2). A forma de acionamento da válvula é bastante variada, como visto para as válvulas 3/2, sendo que na figura 3.9 utiliza-se uma válvula com retorno por mola e outra com duplo solenóide. Funcionalmente as válvulas de quatro ou cinco vias são iguais sendo a última configuração efetivamente necessária quando se deseja regular a velocidade do cilindro através de válvulas reguladoras de vazão instaladas nas portas de retorno, conforme será visto na seção 3.2.2.

a) b)

Figura 3.9 - Cilindro de dupla ação comandado por: a) Válvula direcional 4/2 com acionamento por alavanca e retorno por mola; b) Válvula direcional 5/2 com duplo solenóide.

È também comum o uso de válvulas de três posições, existindo normalmente duas molas que provocam o retorno da válvula para a posição central quando cessa o sinal de acionamento. Com este tipo de válvula (figura 3.10) é possível alcançar uma condição intermediária para o cilindro. No circuito da figura 3.10a ambas as câmaras do cilindro estão conectadas para o escape quando a válvula está na posição de repouso, fazendo com que o cilindro possa ser movimentado por ação externa.

No caso da figura 3.10b, através da posição central é possível colocar o cilindro em uma posição

Sistemas Pneumáticos para Automação – LASHIP/EMC/UFSC12 intermediária bloqueando as duas câmaras. Esta situação aplica-se para condições de emergência, em ajustes da máquina para entrada em operação ou em situações em que há grande tolerância quanto ao posicionamento. Não é aplicável em operações típicas de automação como fixação, fechamento/abertura de embalagens, transferência de produtos etc. uma vez que não é possível o posicionamento preciso da haste devido à compressibilidade do ar.

a) b)

Figura 3.10 – Cilindro de dupla ação comandado por válvula de três posições: a) Válvula de centro aberto; b) Válvula de centro fechado.

A figura 3.11a ilustra uma aplicação própria de cilindros de duplo efeito onde há esforços em ambos os sentidos e em que a parada do cilindro ocorre através de batentes externos ou pelo fato do êmbolo atingir as tampas laterais do cilindro. No item 3.11b o cilindro deve realizar paradas intermediárias mas que não necessitam ser precisas, podendo-se empregar uma válvula de centro fechado com um cilindro de dupla ação.

a)b)

Figura 3.1 – Aplicações de cilindros de dupla ação: a) Sem posicionamento intermediário; b ) com posicionamento intermediário sem precisão.

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3.2.1 Componentes pneumáticos

A figura 3.12 apresenta exemplos para as válvulas empregadas nos circuitos da figura 3.9. São válvulas de dois estágios, isto é, a válvula principal (segundo estágio ou estágio principal) não é acionada diretamente pelo elemento de comando externo (mecânico, solenóide ou piloto) mas através de uma outra válvula (primeiro estágio ou estágio piloto) de menor porte. A válvula da figura 3.12a possui as seguintes características construtivas:

No caso da figura 3.12b tem-se: • Estágio principal: Tipo assento

a) b)

Figura 3.12 – Válvulas direcionais 4/2: a) Com acionamento por duplo solenóide; b) com acionamento por solenóide e retorno pneumático

3.2.2 Controle de velocidade

Nos circuitos da atuação é comum o emprego de válvulas redutoras de vazão para o ajuste de velocidade no avanço e retorno do cilindro. Em princípio existem três possibilidades de instalação das válvulas que são:

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