FUMEP – Fundação Municipal de Ensino de Piracicaba
EEP – Escola de Engenharia de Piracicaba
COTIP – Colégio Técnico Industrial de Piracicaba
CURSO DE AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
Prof. Msc. Marcelo Eurípedes da Silva
Piracicaba, 05 de Setembro de 2007
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automaçao industrial, Notas de estudo de Engenharia de Produção
automaçao industrial
Tipologia: Notas de estudo
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FUMEP – Fundação Municipal de Ensino de Piracicaba
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COTIP – Colégio Técnico Industrial de Piracicaba
CURSO DE AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
Prof. Msc. Marcelo Eurípedes da Silva
Piracicaba, 05 de Setembro de 2007
1 - Introdução
A palavra automação está diretamente ligada ao controle automático, ou seja ações que não dependem da intervenção humana. Este conceito é discutível pois a “mão do homem” sempre será necessária, pois sem ela não seria possível a construção e implementação dos processos automáticos. Entretanto não é o objetivo deste trabalho este tipo de abordagem filosófica, ou sociológica. Historicamente, o surgimento da automação está ligado com a mecanização, sendo muito antigo, remontando da época de 3500 e 3200 a.C., com a utilização da roda. O objetivo era sempre o mesmo, o de simplificar o trabalho do homem, de forma a substituir o esforço braçal por outros meios e mecanismos, liberando o tempo disponível para outros afazeres, valorizando o tempo útil para as atividades do intelecto, das artes, lazer ou simplesmente entretenimento (Silveira & Santos, 1998). Enfim, nos tempos modernos, entende-se por automação qualquer sistema apoiado em microprocessadores que substitua o trabalho humano. Atualmente a automação industrial é muito aplicada para melhorar a produtividade e qualidade nos processos considerados repetitivos, estando presente no dia-a-dia das empresas para apoiar conceitos de produção tais como os Sistemas Flexíveis de Manufatura e até mesmo o famoso Sistema Toytota de Produção. Sob o ponto de vista produtivo, a automação industrial pode ser dividida em três classes: a rígida, a flexível e a programável, aplicadas a grandes, médios e pequenos lotes de fabricação, respectivamente (Rosário, 2005). Ainda segundo Rosário (2005), a automação industrial pode ser entendida como uma tecnologia integradora de três áreas: a eletrônica responsável pelo hardware, a mecânica na forma de dispositivos mecânicos (atuadores) e a informática responsável pelo software que irá controlar todo o sistema. Desse modo, para efetivar projetos nesta área exige-se uma grande gama de conhecimentos, impondo uma formação muito ampla e diversificada dos projetistas, ou então um trabalho de equipe muito bem coordenado com perfis interdisciplinares. Os grandes projetos neste campo envolvem uma infinidade de profissionais e os custos são suportados geralmente por grandes empresas. Recentemente, para formar profissionais aptos ao trabalho com automação, surgiu a disciplina “mecatrônica”. Entretanto é uma tarefa muito difícil a absorção de forma completa todos os conhecimentos necessários, e este profissional com certeza se torna um “generalista” que eventualmente pode precisar da ajuda de especialistas de outras áreas. Este ainda é um desafio didático a ser resolvido, mas ainda existe uma alternativa que é a criação de equipes multidisciplinares.
Figura 1.2 – Arquitetura de rede simplificada para um sistema automatizado
Nota-se que os elementos mostrados na figura 1.1 pertencem a primeira e segunda camadas. Na terceira camada estão os sistemas supervisórios, operados pela “mão humana”, onde são tomadas decisões importantes no processo, tal como paradas programadas de máquina e alterações no volume de produção. Esses também estão integrados com os sistemas gerenciais, responsáveis pela contabilidade dos produtos e recursos fabris. Dentro do contexto apresentado, o objetivo deste curso é o de estudar um sistema automatizado até o nível do elemento “controlador”. Apresenta-se a sua interface com os sensores e atuadores, bem como uma de suas possíveis linguagens de programação. Para finalizar é importante dizer que além dos conceitos aqui apresentados, de forma resumida, a Automação Industrial compreende um campo de atuação amplo e vasto. Para se ter uma noção, cada elemento sensor ou atuador tem o seu próprio funcionamento, que em algumas aplicações tem de ser bem entendidos. No caso dos sensores todo o comportamento é previsto através de efeitos físicos, existe uma disciplina denominada de “Instrumentação” cujo objetivo é o de somente estudar estes elementos. Para os atuadores, só para os motores de indução, existe uma grande quantidade de bibliografia disponível, e ainda tem-se os Motores de Passo e os Servomotores. Como foi dito, a cadeia de automação ainda consiste na comunicação de dados entre os elementos, o que leva um estudo a parte das redes industrias.
Primeira Camada
Segunda Camada
Terceira Camada
Sistemas Gerenciais^ Supervisório
CLP
Sensores e Atuadores
Primeira Camada
Segunda Camada
Terceira Camada
Sistemas Gerenciais^ Supervisório
CLP
Sensores e Atuadores
Algum tempo atrás, principalmente nas indústrias químicas, existia o esquema de controle centralizado, possível com a introdução da instrumentação eletrônica. Neste conceito existia uma sala localizada a grandes distâncias do núcleo operacional. Esta destinava-se a centralizar todo o controle efetuado ao longo do parque fabril. Atualmente existem diversas outras salas de controle, distribuídas geograficamente, interligadas entre si e a uma sala central de supervisão. Surgiu então o conceito do controle distribuído. Uma das derivações da estratégia de controle distribuído é a do SDCD – Sistema Digital de Controle Distribuído. Este se caracteriza pelos diferentes níveis hierárquicos estabelecidos pela comunicabilidade entre uma máquina de estado (processo propriamente dito) e outras. Enfim, devido a esta grande variedade de conhecimentos, como já dito anteriormente, o foco deste curso será na programação dos Controladores Lógico Programáveis (CLPs) que são o cérebro de todo o processo. Os demais elementos serão vistos de forma sucinta em capítulos subseqüentes.
Figura 2.2 – Estratégia de controle analógico com realimentação
A automação, como a imaginamos, tem a ver mais com o comando seqüencial de ações que visam a fabricação, transporte ou inspeção de produtos. Desse modo, trabalha- se muito mais com variáveis digitais, e por isso será as mesmas serão focalizadas no curso. O tratamento das variáveis analógicas são tema da disciplina “Engenharia de Controle”.
2.1 - Diferentes tipos de entradas e saídas
Como já dito antes, estaremos estudando o comportamento do controlador em um ambiente automatizado. Mas está bem claro que este comportamento é definido através de um programa do usuário e do comportamento das entradas e em alguns casos também das saídas. Assim neste tópico cita-se o exemplo de algumas entradas e saídas, que podem influenciar no comportamento do controlador. Lembrando que algumas destas entradas serão vistas em maiores detalhes posteriormente.
A) Entradas discretas : são aquelas que fornecem apenas um pulso ao controlador, ou seja, elas têm apenas um estado ligado ou desligado, nível alto ou nível baixo, remontando a álgebra boolena que trabalha com uns e zeros. Alguns exemplos são mostrados na figura 2.3, dentre elas: as botoeiras (2.3a), válvulas eletro-pneumáticas (2.3b) , os pressostatos (2.3c) e os termostatos (2.3d).
Figura 2.3 – Tipos de entradas discretas
CONTROLADOR PROCESSO Saídas
Entradas
Sensores
Referência +
-
CONTROLADOR PROCESSO Saídas
Entradas
Sensores
Referência +
-
B) Entradas multi-bits : são intermediárias as entradas discretas e as analógicas. Estas destinam-se a controles mais precisos como no caso do motor de passo ou servomotores. A diferença para as entradas analógicas é que estas não exigem um conversor analógico digital na entrada do controlador. Um exemplo clássico é o dos Encoders, utilizados para medição de velocidade e posicionamento (figura 2.4).
Figura 2.4 – Exemplos de entradas multi-bits – Encoders
C) Entradas analógicas : como o próprio nome já diz elas medem as grandezas de forma analógica. Para trabalhar com este tipo de entrada os controladores tem conversores analógico-digitais (A/D). Atualmente no mercado os conversores de 10 bits são os mais populares. As principais medidas feitas de forma analógica são a temperatura e pressão. Na figura 2.5 tem-se mostra-se o exemplo de sensores de pressão ou termopares.
Figura 2.5 – Exemplos de entradas analógicas – Termopares
D) Saídas discretas : são aquelas que exigem do controlador apenas um pulso que determinará o seu acionamento ou desacionamento. Como exemplo têm-se elementos mostrados na figura 2.6: Contatores (2.6a) que acionam os Motores de Indução (2.6b) e as Válvulas Eletro-pneumáticas (2.6c).
3 - Revisão de comandos elétricos
Conceitualmente o estudo da eletricidade é divido em três grandes áreas: a geração, a distribuição e o uso. Dentre elas a disciplina de comandos elétricos está direcionada ao uso desta energia, assim pressupõe-se neste texto que a energia já foi gerada, transportada a altas tensões e posteriormente reduzida aos valores de consumo, com o uso de transformadores apropriados. Por definição os comandos elétricos tem por finalidade a manobra de motores elétricos que são os elementos finais de potência em um circuito automatizado. Entende-se por manobra o estabelecimento e condução, ou a interrupção de corrente elétrica em condições normais e de sobre-carga. Os principais tipos de motores são:
- Motor de Indução
- Motor de corrente contínua
- Motores síncronos
- Servomotores
- Motores de Passo
Estima-se que 40% do consumo de energia no país é destinada ao acionamento dos motores elétricos (Filippo Filho, 2000). No setor industrial, mais da metade da energia é consumida por motores. Os Servomotores e Motores de Passo necessitam de um “driver” próprio para o seu acionamento, tais conceitos fogem do escopo deste curso. Dentre os motores restantes, os que ainda têm a maior aplicação no âmbito industrial são os motores de indução trifásicos, pois em comparação com os motores de corrente contínua, de mesma potência, eles tem menor tamanho, menor peso e exigem menos manutenção. A figura 3.1 mostra um motor de indução trifásico típico. Existem diversas aplicações para os motores de indução, dentre elas pode-se citar:
- O transporte de fluídos incompressíveis, onde se encontram as bombas de água e óleo;
- O processamento de materiais metálicos, representado pelas furadeiras, prensas, tornos;
- A manipulação de cargas feita pelos elevadores, pontes rolantes, talhas, guindastes, correias transportadoras, entre outros.
Figura 3.1 – Motor de Indução Trifásico
Havendo ressaltada a importância dos motores em sistemas automatizados, descreve-se nos próximos parágrafos, os conceitos de comandos, necessários a manobra dos mesmos. Um dos pontos fundamentais para o entendimento dos comandos elétricos é a noção de que “ os objetivos principais dos elementos em um painel elétrico são: a) proteger o operador e b) propiciar uma lógica de comando ”. Partindo do princípio da proteção do operador, mostra-se na figura 3.2, uma seqüência genérica dos elementos necessários a partida e manobra de motores, onde são encontrados os seguintes elementos:
- Seccionamento : só pode ser operado sem carga. Usado durante a manutenção e verificação do circuito.
- Proteção contra correntes de curto-circuito: destina-se a proteção dos condutores do circuito terminal.
- Proteção contra correntes de sobrecarga : para proteger as bobinas do enrolamento do motor.
- Dispositivos de manobra : destinam-se a ligar e desligar o motor de forma segura, ou seja, sem que haja o contato do operador no circuito de potência, onde circula a maior corrente.
Em comandos elétricos trabalhar-se-á bastante com um elemento simples que é o contato. A partir do mesmo é que se forma toda lógica de um circuito e também é ele quem dá ou não a condução de corrente. Basicamente existem dois tipos de contatos, listados a seguir:
i. Contato Normalmente Aberto (NA) : não há passagem de corrente elétrica na posição de repouso, como pode ser observado na figura 3.3(a). Desta forma a carga não estará acionada. ii. Contato Normalmente Fechado (NF) : há passagem de corrente elétrica na posição de repouso, como pode ser observado na figura 3.3(b). Desta forma a carga estará acionada.
Figura 3.3 – Representação dos contatos NA e NF
Os citados contatos podem ser associados para atingir uma determinada finalidade, como por exemplo, fazer com que uma carga seja acionada somente quando dois deles estiverem ligados. As principais associações entre contatos são descritas a seguir.
3.1 - Associação de contatos normalmente abertos
Basicamente existem dois tipos, a associação em série (figura 3.4a) e a associação em paralelo (3.4b). Quando se fala em associação de contatos é comum montar uma tabela contendo todas as combinações possíveis entre os contatos, esta é denominada de “ Tabela Verdade ”. As tabelas 3.1 e 3.2 referem-se as associações em série e paralelo. Nota-se que na combinação em série a carga estará acionada somente quando os dois contatos estiverem acionados e por isso é denominada de “ função E ”. Já na combinação em paralelo qualquer um dos contatos ligados aciona a carga e por isso é denominada de “ função OU ”.
Figura 3.4 – Associação de contatos NA
Tabela 3.1 – Associação em série de contatos NA CONTATO E1 CONTATO E2 CARGA repouso repouso desligada repouso acionado desligada acionado repouso desligada acionado acionado ligada
Tabela 3.2 – Associação em paralelo de contatos NA CONTATO E1 CONTATO E2 CARGA repouso repouso desligada repouso acionado ligada acionado repouso ligada acionado acionado ligada
3.2 - Associação de contatos normalmente fechados
Os contatos NF da mesma forma podem ser associados em série (figura 3.5a) e paralelo (figura 3.5b), as respectivas tabelas verdade são 3.3 e 3.4. Nota-se que a tabela 3.3 é exatamente inversa a tabela 3.2 e portanto a associação em série de contatos NF é denominada “ função não OU ”. Da mesma forma a associação em paralelo é chamada de “ função não E ”.
3.3.1 - Botoeira ou Botão de comando
Quando se fala em ligar um motor, o primeiro elemento que vem a mente é o de uma chave. Entretanto, no caso de comandos elétricos a “chave” que liga os motores é diferente de uma chave usual, destas encontradas em residências, utilizadas para ligar a luz, por exemplo. A diferença principal está no fato de que ao movimentar a “chave residencial” ela vai para uma posição e permanece nela, mesmo quando se retira a pressão do dedo. Na “chave industrial” ou botoeira há o retorno para a posição de repouso através de uma mola, como pode ser observado na figura 3.6a. O entendimento deste conceito é fundamental para compreender o porque da existência de um selo no circuito de comando.
Figura 3.6 – (a) Esquema de uma botoeira – (b) Exemplos de botoeiras comerciais
A botoeira faz parte da classe de componentes denominada “ elementos de sinais ”. Estes são dispositivos pilotos e nunca são aplicados no acionamento direto de motores. A figura 3.6a mostra o caso de uma botoeira para comutação de 4 pólos. O contato NA (Normalmente Aberto) pode ser utilizado como botão LIGA e o NF (Normalmente Fechado) como botão DESLIGA. Esta é uma forma elementar de intertravamento. Note que o retorno é feito de forma automática através de mola. Existem botoeiras com apenas um contato. Estas últimas podem ser do tipo NA ou NF. Ao substituir o botão manual por um rolete, tem-se a chave fim de curso, muito utilizada em circuitos pneumáticos e hidráulicos. Este é muito utilizado na movimentação de cargas, acionado no esbarro de um caixote, engradado, ou qualquer outra carga. Outros tipos de elementos de sinais são os Termostatos, Pressostatos, as Chaves de Nível e as chaves de fim de curso (que podem ser roletes).
Todos estes elementos exercem uma ação de controle discreta, ou seja, liga / desliga. Como por exemplo, se a pressão de um sistema atingir um valor máximo, a ação do Pressostato será o de mover os contatos desligando o sistema. Caso a pressão atinja novamente um valor mínimo atua-se re-ligando o mesmo.
3.3.2 - Relés
Os relés são os elementos fundamentais de manobra de cargas elétricas, pois permitem a combinação de lógicas no comando, bem como a separação dos circuitos de potência e comando. Os mais simples constituem-se de uma carcaça com cinco terminais. Os terminais (1) e (2) correspondem a bobina de excitação. O terminal (3) é o de entrada, e os terminais (4) e (5) correspondem aos contatos normalmente fechado (NF) e normalmente aberto (NA), respectivamente. Uma característica importante dos relés, como pode ser observado na figura 3.7 é que a tensão nos terminais (1) e (2) pode ser 5 Vcc, 12 Vcc ou 24 Vcc, enquanto simultâneamente os terminais (3), (4) e (5) podem trabalhar com 110 Vca ou 220 Vca. Ou seja não há contato físico entre os terminais de acionamento e os de trabalho. Este conceito permitiu o surgimento de dois circuitos em um painel elétrico:
i. Circuito de comando : neste encontra-se a interface com o operador da máquina ou dispositvo e portanto trabalha com baixas correntes (até 10 A) e/ou baixas tensões. ii. Circuito de Potência : é o circuito onde se encontram as cargas a serem acionadas, tais como motores, resistências de aquecimento, entre outras. Neste podem circular correntes elétricas da ordem de 10 A ou mais, e atingir tensões de até 760 V.
Figura 3.7 – Diagrama esquemático de um relé
Os contatores podem ser classificados como principais (CW, CWM) ou auxiliares (CAW). De forma simples pode-se afirmar que os contatores auxiliares tem corrente máxima de 10A e possuem de 4a 8 contatos, podendo chegar a 12 contatos. Os contatores principais tem corrente máxima de até 600A. De uma maneira geral possuem 3 contatos principais do tipo NA, para manobra de cargas trifásicas a 3 fios. Um fator importante a ser observando no uso dos contatores são as faíscas produzidas pelo impacto, durante a comutação dos contatos. Isso promove o desgaste natural dos mesmos, além de consistir em riscos a saúde humana. A intensidade das faíscas pode se agravar em ambientes úmidos e também com a quantidade de corrente circulando no painel. Dessa forma foram aplicadas diferentes formas de proteção, resultando em uma classificação destes elementos. Basicamente existem 4 categorias de emprego de contatores principais:
a. AC1 : é aplicada em cargas ôhmicas ou pouco indutivas, como aquecedores e fornos a resistência. b. AC2 : é para acionamento de motores de indução com rotor bobinado. c. AC3 : é aplicação de motores com rotor de gaiola em cargas normais como bombas, ventiladores e compressores. d. AC4: é para manobras pesadas, como acionar o motor de indução em plena carga, reversão em plena marcha e operação intermitente.
A figura 3.9 mostra o aspecto de um contator comum. Este elemento será mais detalhado em capítulos posteriores.
Figura 3.9 – Foto de contatores comerciais
3.3.4 - Fusíveis
Os fusíveis são elementos bem conhecidos pois se encontram em instalações residenciais, nos carros, em equipamentos eletrônicos, máquinas, entre outros. Tecnicamente falando estes são elementos que destinam-se a proteção contra correntes de curto-circuito. Entende-se por esta última aquela provocada pela falha de montagem do sistema, o que leva a impedância em determinado ponto a um valor quase nulo, causando assim um acréscimo significativo no valor da corrente. Sua atuação deve-se a a fusão de um elemento pelo efeito Joule , provocado pela súbita elevação de corrente em determinado circuito. O elemento fusível tem propriedades físicas tais que o seu ponto de fusão é inferior ao ponto de fusão do cobre. Este último é o material mais utilizado em condutores de aplicação geral.
3.3.5 - Disjuntores
Os disjuntores também estão presentes em algumas instalações residenciais, embora sejam menos comuns do que os fusíveis. Sua aplicação determinadas vezes interfere com a aplicação dos fusíveis, pois são elementos que também destinam-se a proteção do circuito contra correntes de curto-circuito. Em alguns casos, quando há o elemento térmico os disjuntores também podem se destinar a proteção contra correntes de sobrecarga. A corrente de sobrecarga pode ser causada por uma súbita elevação na carga mecânica, ou mesmo pela operação do motor em determinados ambientes fabris, onde a temperatura é elevada. A vantagem dos disjuntores é que permitem a re-ligação do sistema após a ocorrência da elevação da corrente, enquanto os fusíveis devem ser substituídos antes de uma nova operação. Para a proteção contra a sobrecarga existe um elemento térmico (bi-metálico). Para a proteção contra curto-circuito existe um elemento magnético. O disjuntor precisa ser caracterizado, além dos valores nominais de tensão, corrente e freqüência, ainda pela sua capacidade de interrupção, e pelas demais indicações de temperatura e altitude segundo a respectiva norma, e agrupamento de disjuntores, segundo informações do fabricante, e outros, que podem influir no seu dimensionamento. A figura 3.10 mostra o aspecto físico dos disjuntores comerciais.