Automação CIABA, Notas de estudo de Engenharia Naval

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MARINHA DO BRASIL

DIRETORIA DE PORTOS E COSTAS

ENSINO PROFISSIONAL MARÍTIMO

AUTOMAÇÃO

(AUT)

1ª edição

Belém-PA

© 2009 direitos reservados à Diretoria de Portos e Costas

Autor: Carlos Rogério dos Santos Vidal

Revisão Pedagógica: Erika Ferreira Pinheiro Guimarães Suzana

Revisão Ortográfica: Esmaelino Neves de Farias

Digitação/Diagramação: Roberto Ramos Smith

Coordenação Geral: CF Maurício Cezar Josino de Castro e Souza

____________ exemplares

Diretoria de Portos e Costas

Rua Teófilo Otoni, no 4 – Centro

Rio de Janeiro, RJ

http://www.dpc.mar.mil.br

secom@dpc.mar.mil.br

Depósito legal na Biblioteca Nacional conforme Decreto n

o

1825, de 20 de dezembro de 1907

IMPRESSO NO BRASIL / PRINTED IN BRAZIL

3.11 MEDIÇÃO DE TEMPERATURA............................................................. 122

3.12 MEDIÇÃO DE VAZÃO............................................................................ 139

3.13 MEDIÇÃO DE NÍVEL.............................................................................. 152

Teste de autoavaliação da unidade 3..................................................... 163

Chave de respostas das tarefas e do teste de autoavaliação da

unidade 3 168

4 - COMANDOS PNEUMÁTICOS E ELETROPNEUMÁTICOS ......................... 173

DEFINIÇÕES..........................................................................................

ESTRUTURA DOS SISTEMAS PNEUMÁTICOS...................................

PRODUÇÃO DO AR COMPRIMIDO......................................................

DISTRIBUIÇÃO DO AR COMPRIMIDO..................................................

CONDICIONAMENTO DO AR COMPRIMIDO.......................................

VÁLVULAS DE CONTROLE...................................................................

ATUADORES PNEUMÁTICOS LINEARES............................................

SIMBOLOGIA PARA PNEUMÁTICA......................................................

CIRCUITOS PNEUMÁTICOS E ELETROPNEUMÁTICOS BÁSICOS...

Teste de autoavaliação da unidade 4.....................................................

Chave de respostas das tarefas e do teste de autoavaliação da

unidade 4.................................................................................................

5 - COMANDOS HIDRÁULICOS E ELETROHIDRÁULICOS ............................ 250

5.1 DEFINIÇÕES..........................................................................................

VANTAGENS E DESVANTAGENS DA HIDRÁULICA...........................

ESTRUTURA DOS SISTEMAS HIDRÁULICOS.....................................

GERAÇÃO HIDRÁULICA........................................................................

DISTRIBUIÇÃO HIDRÁULICA................................................................

VÁLVULAS DE CONTROLE...................................................................

ATUADORES HIDRÁULICOS................................................................

SIMBOLOGIA PARA HIDRÁULICA........................................................

CIRCUITOS HIDRÁULICOS E ELETROHIDRÁULICOS BÁSICOS.......

Teste de autoavaliação da unidade 5.....................................................

Chave de respostas das tarefas e do teste de autoavaliação da

unidade 5.................................................................................................

Chave de respostas das tarefas e do teste de autoavaliação da

• 6 – CONTROLADORES INDUSTRIAIS
• 6.1 CLASSIFICAÇÃO DOS CONTROLADORES INDUSTRIAIS.................
• 6.2 CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL.........................................
  • Teste de autoavaliação da unidade 6.....................................................
  • unidade 6.................................................................................................
• REFERÊNCIAS

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I I – – QQuuaall oo oobbjjeettiivvoo ddeessttee mmóódduulloo??

Proporcionar ao aluno conhecimentos básicos necessários sobre sistemas

automáticos utilizados nos navios mercantes.

I III – – QQuuaaiiss ssããoo ooss oobbjjeettiivvooss eessppeeccííffiiccooss ddeessttee mmóódduulloo??

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I IIIII – – CCoommoo eessttáá oorrggaanniizzaaddoo oo mmóódduulloo??

O módulo de Automação foi desenvolvido em seis unidades sequenciais de

estudo. Os conteúdos obedecem a uma sequencia lógica e, ao término de cada

unidade, é apresentado um teste de autoavaliação e a sua respectiva chave de

resposta (gabarito).

I IVV – – CCoommoo vvooccêê ddeevvee eessttuuddaarr ccaaddaa uunniiddaaddee??

1. Visão geral da unidade

A visão geral do assunto apresenta os objetivos específicos da unidade,

mostrando um panorama do assunto a ser desenvolvido.

2. Conteúdos da unidade

Leia com atenção o conteúdo, procurando entender e fixar os conceitos por meio

dos exercícios propostos. Se você não entender, refaça a leitura e os exercícios. É

muito importante que você entenda e domine os conceitos.

3. Questões para reflexão

São questões que ressaltam a idéia principal do texto, levando-o a refletir sobre

os temas mais importantes deste material.

4. Autoavaliação

São testes que o ajudarão a autoavaliar o seu desempenho de aprendizagem e,

assim, evidenciando o seu progresso nos estudos. Realize-os à medida que apareçam

e, se houver qualquer dúvida, volte ao conteúdo e reestude-o.

5. Tarefa

São atividades que dão a oportunidade para que você coloque em prática o que

já foi ensinado, testando seu desempenho de aprendizagem.

rede de chão-de-fábrica ou rede industrial. Parra compreender melhor o funcionamento

destas, são apresentadas as suas definições, a sua evolução, os seus tipos e as suas

principais características. Em seguida são apresentadas as definições das formas de

interação dos usuários com os sistemas de automação industrial. São estas: painel de

instrumentos, interface-homem-máquina e sistema supervisório. Para finalizar esta

unidade de ensino são apresentados os princípios de funcionamento dos instrumentos

de medição de pressão, temperatura, vazão e nível mais utilizados nas aplicações da

indústria naval na atualidade.

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Esta unidade apresenta os conceitos, a estrutura, os componentes e as

simbologias utilizadas nos sistemas de automação pneumática e eletropneumática.

Também apresenta alguns circuitos pneumáticos e eletropneumáticos básicos que

capacitarão a aluno afim de que o mesmo possa interpretar diagramas peneumáticos e

eletropneumáticos dos sistemas presentes nos navios atuais.

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Esta unidade é bastante semelhante à unidade 4 tanto na divisão dos itens de

estudo como no funcionamento dos seus sistemas e componentes. Portanto, durante o

seu estudo, o aluno conhecerá os conceitos, a estrutura, os componentes, as

simbologias utilizadas e conhecerá alguns circuitos hidráulicos e eletrohidráulicos

básicos que serão a base de funcionamento dos sistemas hidráulicos presentes nos

navios da atualidade.

U Unniiddaaddee 66 - - CCOONNTTRROOLLAADDOORREESS IINNDDUUSSTTRRIIAAIISS

E Essttaa uunniiddaaddee ddee eennssiinnoo aapprreesseennttaa ooss pprriinncciippaaiiss ttiippooss ddee eeqquuiippaammeennttooss ddee ccoonnttrroollee

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ee aa pprrooggrraammaaççããoo ddooss ccoonnttrroollaaddoorreess llóóggiiccooss pprrooggrraammáávveeiiss..

V VII – – AAvvaalliiaaççããoo ddoo mmóódduulloo

Após estudar todas as Unidades de Estudo Autônomo (UEA) deste módulo, você

estará apto a realizar uma avaliação da aprendizagem.

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Existem alguns símbolos no manual para guiá-lo em seus estudos. Observe o

que cada um quer dizer ou significa.

E Essttee llhhee ddiizz qquuee hháá uummaa vviissããoo ggeerraall ddaa uunniiddaaddee ee ddoo qquuee eellaa ttrraattaa..

E Essttee llhhee ddiizz qquuee hháá,, nnoo tteexxttoo,, uummaa ppeerrgguunnttaa ppaarraa vvooccêê ppeennssaarr ee rreessppoonnddeerr

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E Essttee llhhee ddiizz ppaarraa aannoottaarr oouu lleemmbbrraarr--ssee ddee uumm ppoonnttoo iimmppoorrttaannttee..

E Essttee llhhee ddiizz qquuee hháá uummaa ttaarreeffaa aa sseerr ffeeiittaa ppoorr eessccrriittoo..

E Essttee llhhee ddiizz qquuee hháá uumm eexxeerrccíícciioo rreessoollvviiddoo..

E Essttee llhhee ddiizz qquuee hháá uumm tteessttee ddee aauuttooaavvaalliiaaççããoo ppaarraa vvooccêê ffaazzeerr..

E Essttee llhhee ddiizz qquuee eessttaa éé aa cchhaavvee ddaass rreessppoossttaass ppaarraa ooss tteesstteess ddee

a auuttooaavvaalliiaaççããoo..

1.1 ASPECTOS INICIAIS

A automação faz parte do dia-a-dia do homem moderno. Diariamente nos

deparamos com situações simples que envolvem a automação em algum nível. Em

casa, por exemplo, pela manhã, o rádio-relógio automaticamente dispara o alarme para

acordarmos; nesse mesmo instante, alguém esquenta o pão para o café da manhã

numa torradeira elétrica, ajustando o tempo de aquecimento; ao final deste tempo,

pode-se saborear uma deliciosa torrada preparada sem a intervenção humana direta.

Esses simples fatos evidenciam como a automação faz parte da vida cotidiana.

A automação é uma associação de equipamentos eletrônicos e/ou mecânicos

que controlam seu próprio funcionamento, quase sempre sem a intervenção humana.

Difere da mecanização , pois esta consiste apenas no uso de máquinas para realizar

um trabalho substituindo o esforço físico do homem. A automação, por sua vez,

possibilita realizar um trabalho por meio de máquinas controladas automaticamente ou

capazes de se regularem sozinhas.

Foi na pré-história que surgiram as primeiras tentativas humanas para mecanizar

atividades manuais. Invenções como a roda, o moinho (movido por vento ou força animal) e as

rodas d’água foram as primeiras a demonstrar a criatividade do homem para poupar esforço

físico. Mas, somente a partir da segunda metade do século XVIII, a automação ganhou

destaque na sociedade quando ocorreu a chamada Revolução Industrial, inicialmente na

Inglaterra. Essa revolução veio substituir o sistema de produção agrário e artesanal pelo

sistema de produção industrial. A partir de então surgiram dispositivos industriais de operação

simples e semiautomáticos e somente no início do século XX surgiram os primeiros sistemas

inteiramente automáticos.

1.2 EVOLUÇÃO DAS TÉCNICAS INDUSTRIAIS

A necessidade de aumentar a produção e a produtividade industrial deu origem

ao surgimento de uma série de inovações tecnológicas: máquinas modernas, capazes

de produzir com maior precisão e rapidez em relação ao trabalho feito à mão; utilização

de fontes alternativas de energia, como o vapor, inicialmente aplicado a máquinas em

substituição às energias hidráulica e muscular.

Durante o século XX, os computadores, servomecanismos e controladores

programáveis passaram a integrar a tecnologia da automação industrial. Então, os

computadores passaram a ser os pilares de sustentação de toda a tecnologia da

automação contemporânea.

A necessidade de automatizar cálculos, evidenciada inicialmente no uso de ábacos

pelos babilônios, entre 2000 e 3000 a.C., a invenção da régua de cálculo e, posteriormente, da

máquina aritmética, que efetuava somas e subtrações por transmissões de engrenagens foram

alguns dos fatores diretamente relacionados com as idéias para criação do computador. De

todas as descobertas humanas é a álgebra booleana, desenvolvida por George Boole, que

estabelece os princípios aplicados às operações internas dos computadores (princípios

binários).

Atualmente os computadores têm aplicação em praticamente todas as áreas do

conhecimento e atividade humana. Por exemplo, ao entrarmos num banco para retirar

um simples extrato somos obrigados a interagir com um computador da seguinte forma:

passamos o cartão magnético, informamos nossa senha e em poucos segundos

obtemos a movimentação bancária impressa. Esse procedimento cotidiano é ilustrado

na figura a seguir.

Figura 1.1 Fluxo de operações automáticas para retirada de extrato bancário.

A tabela a seguir resume as principais descobertas da humanidade diretamente

relacionadas com a evolução tecnológica da automação industrial.

Tabela 1.1 Evolução das técnicas de automação industrial (continuação).

Época Inovação tecnológica

anos 70

Os primeiros frutos das pesquisas desenvolvidas na década anterior começaram a surgir.

Setores governamentais e industriais passaram a reconhecer a importância da

computação gráfica como forma de aumentar a sua produtividade

1975

Surgiram os chamados chips (circuitos integrados em escala muito grande - VLSI). Os

mesmos foram utilizados na construção da quarta geração de computadores

(computadores pessoais, de tamanho reduzido e baixo custo de fabricação) capazes de

realizar 50 milhões de cálculos por segundo no mesmo tempo em que o Eniac fazia

apenas 5 mil cálculos.

anos 80

Deu inicio às pesquisas voltadas à integração e/ou automatização dos diversos elementos

de projeto e produção industrial a fim de se desenvolver o ambiente industrial moderno.

As principais metas das pesquisas nessa época foram: a expansão das aplicações dos

sistemas CAD/CAM (Projeto e Manufatura Auxiliados por Computador) e a modelagem

geométrica tridimensional com mais aplicações de engenharia (CAE – Engenharia

Auxiliada por Computador).

1990

O grupo ISA formou o SP50 Fieldbus Committee para desenvolver um padrão de

comunicação para integração dos vários tipos de dispositivos de campo utilizados na

automação industrial.

dias

atuais

Atualmente os processos industriais estão interligados a sistemas de supervisão que

possibilitam gerenciar e interferir nos mesmos a partir de uma sala de controle. Essa área

ainda está em plena expansão.

1.3 ELEMENTOS DA AUTOMAÇÃO INDUSTRAL

Grande parte dos sistemas automáticos modernos é extremamente complexa e

requer muitos ciclos de retroação (realimentação). Independentemente do grau de

complexidade, os sistemas de automação compõe-se de cinco elementos:

acionamentos, sensoriamentos, controles, comparadores e programas.

Os elementos de acionamentos são aqueles que fornecem ao sistema

automático energia para atingir determinado objetivo. É o caso dos motores elétricos,

pistões hidráulicos etc.

Os elementos de sensoriamento medem o desempenho do sistema de

automação ou uma propriedade particular de algum de seus componentes ou grandeza

física controlada. Como exemplos, têm-se: termopares para medição de temperatura e

encoders para medição de velocidade.

Os elementos de controle são aqueles que utilizam as informações dos

sensores para regular o funcionamento dos elementos de acionamento. Por exemplo:

num sistema de controle de nível o controlador é o elemento responsável por abrir e

fechar uma válvula para abastecer uma caixa d’água.

O elemento comparador também é denominado de elemento de decisão e é

aquele responsável por comparar os valores medidos com valores preestabelecidos no

processo industrial e informar o elemento de controle a fim de que este tome a decisão

de quando atuar no sistema. Como exemplos, podemos citar os termostatos e os

programas de computadores;

Os programas contêm informações de processo e permitem controlar as

interações entre os diversos componentes. Os programas também são denominados

de “softwares”, são conjuntos de instruções lógicas, organizadas de maneira

sequencial, que indicam ao controlador a função que o mesmo deve desempenhar.

Figura 1.2 Ciclo de funcionamento dos sistemas automáticos.

1.5 AUTOMAÇÃO APLICADA A NAVIOS

A automação aplicada na indústria naval está presente em dois níveis: a

construção e a operação do navio. Tem como objetivos principais: minimizar o esforço

humano, aumentar a qualidade, diminuir custos e aumentar a segurança e a

comodidade.

A automação naval teve seu início na indústria naval japonesa. Em meados da

década de 60 (século passado), os construtores de navios do Japão passaram a

possuir a maior e mais moderna indústria naval do mundo, porém os fatores

econômicos do Japão naquela época (inflação elevada) e os altos salários dos

trabalhadores altamente qualificados forçaram a substituição da mão-de-obra por

técnicas de fabricação automatizadas. A partir de então, os estaleiros japoneses

passaram a construir embarcações em módulos, através do método de construção em

blocos, o que permitiu uma redução altamente significativa no tempo de construção de

um navio. Com o passar dos anos e o desenvolvimento acelerado dos dispositivos de

instrumentação e controle industrial essas técnicas passaram a ser incorporadas

também na operação da embarcação.

Ao nível da operação dos navios, a automação envolve os seguintes aspectos

principais:

• sistemas navegação
• gestão dos motores
• controle e monitoração da carga
• gerenciamento de energia e de potência
• posicionamento dinâmico

Os sistemas de navegação dos navios são sistemas complexos e de alto grau

de redundância, possuem estações de trabalho (Workstations) interligadas através de

uma rede de transmissão de dados (rede Ethernet , Fieldbus ou Profibus ), cujo objetivo

é: planejar a navegação, corrigir desvios de rota, prevenir e evitar colisões, informar

dados altamente relevantes para navegação, tais como velocidade do vento,

velocidade da embarcação, profundidade, posição etc. Para isso, esse sistema possui

RADAR, GPS, cartas náuticas, mapas, medidores de velocidade, sistemas de governo

etc.

Figura 1.3 Exemplo de interligação do sistema de navegação de um navio.

O sistema de gestão dos motores de um navio é formado por dispositivos

elétricos, hidráulicos e pneumáticos interligados entre si de tal forma que todo o

comando dos motores de propulsão é automático. Em outras palavras, o sistema de

gestão comanda automaticamente motores, sistemas de ignição, arranque, aceleração,

reversão (inversão de marcha) e parada do MCP.

O sistema de controle e monitoração da carga de um navio tem a função de

automatizar o carregamento e descarregamento de produtos dos tanques e porões dos

navios. Para isso, em geral, utiliza a tecnologia de medição de nível por RADAR para

medir os níveis de produtos armazenados nos tanques ou porões. Esse sistema de

medição de nível é então conectado via rede a uma estação de trabalho ( workstation )

instalada no passadiço, onde é possível, por exemplo, conhecer o estado atual da

estabilidade do navio bem como prever fatores que, potencialmente, possam alterá-la.