SISTEMAS PNEUM üTICOS

SISTEMAS PNEUM üTICOS

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LABORATÓRIO DE SISTEMAS HIDRÁULICOS E PNEUMÁTICOS

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 Pedido de Direitos Autorais sob número de protocolo 192/2004.

Campus Universitário - Cx. P. 476 - CEP 88040-900 - Florianópolis - S.C. - Brasil Fone: (48) 3319396 - Fax: (48) 2341519 - e-mail: victor@emc.ufsc.br - http://www.emc.ufsc.br/laship/victor

Parte I - Sistemas Pneumáticos para Automação – LASHIP/EMC/UFSC i

1 Introdução1
2 Fontes de Ar Comprimido e Sistemas Pneumáticos2
3 Sistemas de Atuação Pneumáticos6
3.1 Cilindros de simples ação com válvulas direcionais6
3.1.1 Componentes pneumáticos8
3.2 Cilindros de dupla ação com válvulas direcionais1
3.2.1 Componentes pneumáticos13
3.2.2 Controle de velocidade13
4 Estrutura Global dos Sistemas Pneumáticos15
5 Modelagem e Dimensionamento Estático dos Circuitos de Atuação18
5.1 Introdução18
5.2 Fundamentação Teórica18
5.3 Embasamento para o Dimensionamento de Válvulas2
5.4 Normas 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
5.5 Método de Seleção do Conjunto Válvula Direcional e Cilindro29
6 Projeto do Sistema de Processamento de Informações35
6.1 Introdução: Métodos de projeto35
6.2 Método 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
6.5.2 Solução 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
6.6 Exemplo de projeto do sistema de processamento de informação61

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.

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 (PINCHES & CALLEAR, 1996).

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;

- Separador de condensado;

- Reservatório com válvula de segurança;

- Secador.

A figura 2.2 exemplifica separadamente uma unidade de produção.

Figura 2.2 – Unidade de produção de ar comprimido (PINCHES & CALLEAR, 1996).

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--).

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 (FESTO, 199-); b) Diagrama Trajeto-passo; c) Sistema pneumático puro; d) Sistema eletro-pneumático; e) Sistema pneutrônico.

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.

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.

Parte I - Sistemas Pneumáticos para Automação – LASHIP/EMC/UFSC 7 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.

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.

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