Introdução a sensores e automação, Notas de estudo de Automação
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Introdução a sensores e automação, Notas de estudo de Automação

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APOSTILA DE INTRODUCAO A SENSORES E AUTOMACAO E CONTROLE.
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Microsoft Word - Automação e Controle.doc

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

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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

3

PID – Instrução de Controle Proporcional Integral e Derivativo do FX2N

Conversor AD – FX2N 4AD - Setup

Conversor DA – FX2N 4DA - Setup 152

Resumindo ações de controle 153

Ações de controle 153 Ação Proporcional 154 Ação Integral 155 Ação Derivativa 155

Comandos Eletromecânicos

Automação e Controle

4

Ação que atua o contato

Contatos elétricos

Contato elétrico é um meio condutor móvel destinado a fechar ou abrir circuitos elétricos, permitindo ou não a circulação de corrente elétrica.

Classificação dos contatos elétricos: Podemos classificar os contatos elétricos em três tipos, segundo suas características de fabricação:

Contato normalmente aberto (NA): Este tipo de contato é construído de maneira que permaneça aberto durante o repouso do aparelho ao qual pertença. Quando acionado o aparelho, o contato NA é fechado permitindo a circulação de corrente elétrica pelo circuito. Também é chamado decontato fechamento, contato de trabalho ou normally open contact (NO).

Contato normalmente fechado (NF): Este tipo de contato é construído de maneira que, quando acionado abreo circuito interrompendo a passagem da corrente elétrica. Também é chamado decontato abertura, contato de repouso ou normally closed contact (NC).

Ação que atua o contato

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

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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

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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

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Os limit switches compõem-se basicamente de: corpo (que contém os contatos, geralmente 1NA + 1NF) e cabeça ou cabeçote (que suporta o sistema atuador). O atuador é a parte responsável pelo contato com a superfície que acionará o limitswitch. Existe um atuador específico para cada tipo de superfície de contato e, normalmente, é permitida a troca do mecanismo atuador aproveitando-se o corpo. Exemplos de atuadores para limit switches:

Símbolos: Os dispositivos de comando são representados nos diagramas elétricos através de símbolos gráficos que definem os tipos de acionadores, de contatos utilizados, assim como, o estado inicial do dispositivo. Como por exemplo:

Botão pulsador

(com 1NA + 1NF) Chave de fim de curso acionada no repouso (com 1NA + 1NF)

Chave de fim de curso desacionada no repouso

(com 1NA + 1NF)

Tipo comando por roldana com atuação bidirecional com uma posição estável.

Tipo lira com atuação bidirecional e duas posições estáveis (memória do sentido do deslocamento).

Tipo haste ou vareta (rígida ou flexível) com atuação unidirecional ou bidirecional, com uma posição estável.

Tipo comando esférico com uma posição estável.

Tipo alavanca com roldana com atuação unidirecional, com uma posição estável.

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Os contatos elétricos também podem pertencer a dispositivos de comando eletromecânicos como Relés e Contatores. Vejamos, então, algumas características destes dispositivos. Os relés são interruptores com comando por eletroímã a distância. Possuem uma bobina que quando energizada, cria um campo magnético provocando o acionamento de seus contatos que podem formar a lógica de controle de um sistema ou serem utilizados para acionamento de pequenas cargas.

Principais partes de um relé:

Contato Suporte móvel

Circuito magnético

Caixa

Terminal da bobina

Terminal do contato

Bobina

Mola recuperadora

Espira de Frager

Comum NF

NA

Terminais da bobina

Mola

Núcleo

Símbolo gráfico: Esquema funcional

a

b

b

a

C

NA NF

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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:

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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

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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;

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A localização física dos elementos.

Em razão das dificuldades apresentadas pelo diagrama tradicional, esses três aspectos importantes foram separados em duas partes, representadas pelo diagrama funcional e pelo diagrama de execução ou de disposição.

Diagrama funcional ou de princípio Os caminhos da corrente, os elementos, as funções, a interdependência e a seqüência funcional são representadas de forma bastante prática e de fácil compreensão (diagrama funcional), conforme mostrado na figura a seguir :

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CIRCUITOS BÁSICOS A seguir são mostrados alguns circuitos básicos de comando e acionamento elétrico.

Circuito de Retenção Nos circuitos da figura a seguir, apertando-se a botoeira “b1”, a bobina do contator “d” é energizada, fazendo fechar os contatos de retenção “d” como também o contato “d” para a lâmpada e esta se acende. Liberando-se a botoeira “b1”, a bobina mantém-se energizada, e a lâmpada “h” permanece acesa. Quando se apertar a botoeira “b0”, a bobina será desenergizada, fazendo abrir os contatos de retenção para a lâmpada “h”, e esta se apaga. Libera-se “b0”, a lâmpada permanece apagada e o circuito volta à condição inicial.

Circuito de Intertravamento Nos circuitos ilustrados na figura seguinte, apertando-se a botoeira “b12” (ou ‘b13”), a bobina do contator “d1” (ou “d2”) é energizada, impossibilitando a energização da outra, e não deixando energizar as duas ao mesmo tempo, porque estão intertravadas.

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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.

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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.

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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.

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A grandeza elétrica de saída de um transdutor pode ser uma tensão, uma corrente, uma resistência, etc. Dependendo da natureza da grandeza elétrica de saída, os transdutores são subdivididos em analógicos e digitais: “Para uma natureza física contínua na entrada, um transdutor analógico faz corresponder uma grandeza elétrica contínua na saída e proporcional à grandeza física medida, no entanto um transdutor digital faz corresponder uma sucessão de sinais digitais.” Resumidamente podemos dizer que os sensores podem ser de dois tipos:

Digital : é aquele cuja saída assume apenas dois estados, ON / OFF.

Analógico : É aquele cuja saída varia proporcionalmente a variação física percebida pelo sensor. Os sinais elétricos de saída mais comuns são:

Corrente → 4 a 20 ma Tensão → 0 a 10 V

Características técnicas dos Sensores (transdutores) 1. Linearidade : É o grau de proporcionalidade entre o sinal gerado e a grandeza física.

Quanto maior, mais fiel é a resposta do sensor ao estímulo. Os sensores mais usados são os mais lineares, conferindo maior precisão ao sistema de controle. Os sensores não lineares são usados em faixas limitadas, em que os desvios são aceitáveis, ou com adaptadores especiais que corrigem o sinal.

2. Distância de Comutação (S) : É a distância registrada quando ocorre uma comutação aproximando-se o atuador padrão paralelamente à face sensível do sensor.

3. Distância Normal de Comutação (SN) : É a distância de comutação determinada em condição normais de temperatura e tensão, utilizando o atuador padrão.

4. Distância de Comutação de Trabalho (AS) : É a distância entre o elemento a ser detectado e a face sensível do sensor, que irá assegurar um acionamento seguro, levando-se em consideração os desvios de temperatura e tensão, bem como vibrações mecânicas que poderiam alterar o posicionamento do elemento a ser detectado. Esta distância deve ser no máximo 85% da distância normal de comutação (SN).

5. Distância de Comutação de Operação : Além de levar em consideração a distância de comutação de trabalho (AS), devemos observar em que aplicações normais na indústria não é utilizado o atuador padrão na comutação do sensor, sendo assim, devemos considerar o tipo de material de que é feito o elemento a ser detectado, o que acarretará num valor menor na distancia de atuação do sensor.

6. Repetibilidade : É o percentual de desvio da distância de comutação entre dois acionamentos consecutivos.

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7. Freqüência de Comutação : É o número máximo de acionamentos por segundo que um sensor pode responder, sem alterações ou falhas de pulsos, para a maioria dos sensores de aproximação este valor situa-se em torno de 1KHz.

Sensores Digitais podem apresentar as seguintes saídas :

NPN O estágio da saída é composto por um transistor NPN, fazendo o chaveamento do pólo negativo da carga.

PNP O estágio da saída é composto por um transistor PNP, fazendo o chaveamento do pólo positivo da carga.

CA a dois fios O sensor possui apenas dois fios que são ligados em série com a carga.

Corrente contínua Namur Utilizado em atmosferas potencialmente explosivas, não possuem em sua saída o estágio de amplificador incorporado, transmitindo apenas um sinal de corrente de que deve ser amplificado.

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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.

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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

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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 , 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.

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Fototransistor É um transistor, cuja junção coletor/ base fica exposta à luz e atua como um fotodiodo. O transistor amplifica a corrente, e fornece alguns mA com alta luminosidade. Sua velocidade é menor que a do fotodiodo. Suas aplicações são as do fotodiodo, exceto sistemas de fibra ótica, pela operação em alta freqüência.

Sensores Ópticos São sensores fabricados segundo a tecnologia da emissão de irradiação infravermelha modulada, sendo divididos em três sistemas. Independente do sistema que um sensor óptico é construído, ele é totalmente imune à iluminação ambiente, quer ele seja manual ou artificial, pelo motivo de ser o sensor sintonizado na mesma freqüência de modulação do emissor.

Sistema por Barreira (Unidirecionais) Neste sistema o elemento emissor da irradiação infravermelha, é alinhado frontalmente a um receptor de infravermelho, a uma distância pré-determinada e específica para cada tipo de sensor. Qualquer interrupção desta irradiação, deixará de atingir o receptor, o que ocasionará um chaveamento eletrônico.

Sistema por Difusão (Retroreflexivo) Neste sistema os elementos de emissão e recepção infravermelho, estão montados justapostos em um conjunto óptico, direcionados para a face sensível do sensor. Os raios infravermelhos emitidos refletem sobre a superfície de um objeto e retornam em direção de um receptor, a uma distância determinada como distância de comutação, que provoca o chaveamento eletrônico, desde que o objeto possua uma superfície não totalmente fosca.

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Sistema por Reflexão Este sistema possui características semelhantes ao sistema por difusão, diferindo no sistema óptico. Os raios infravermelhos emitidos, somente refletem em um espelho prismático especial, colocado em uma certa distância, dentro da distância de comutação, frontalmente a face sensível do sensor, e retornam em direção ao receptor, formando uma barreira óptica. A comutação ocorre quando se retira o espelho ou quando interrompe o feixe de raios infravermelho entre o sensor e o espelho com algum objeto de qualquer natureza.

Sensores de Velocidade Empregam-se nos controles e medidores de velocidade de motores dentro de máquinas industriais, eletrodomésticos como videocassete e CD, unidades de disquete e winchesters de computadores, na geração de eletricidade (garantindo a freqüência da CA), entre outros.

Tacogerador É um pequeno gerador elétrico de CC, com campo fornecido por imã permanente. A tensão gerada pela lei de Faraday é proporcional à velocidade com que o fluxo magnético é cortado pelo enrolamento do rotor. Assim, o tacogerador é um transdutor mecânico elétrico linear, no qual e tensão de saída é dada por: V= Kn onde: K é uma constante que depende do campo do imã, do número de espiras e pólos e das dimensões do rotor; n é a rotação do eixo ( por minuto, RPM, ou segundo, RPS). A polaridade da tensão gerada depende do sentido da rotação.

Sensores de posição específica Como vimos, estes indicam a posição atual da peça, num sistema posicionado e pode ser linear ou angular.

Potenciômetro Quando se aplica uma tensão nos extremos de um potenciômetro linear, a tensão entre o extremo inferior e o centro (eixo) é proporcional à posição linear (potenciômetro deslizante) ou angular (rotativo). Nos sistemas de controle usam-se potenciômetros especiais, de alta linearidade e dimensões adequadas, de fio metálico em geral, com menor desgaste.

Encoders São sensores que determinam a posição através de um disco ou trilho marcado, e se dividem em relativos e absolutos.

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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.

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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:

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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

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2- Tabela Verdade: Com a descrição do funcionamento do circuito é possível então, possível montar uma tabela verdade, considerando todas as combinações possíveis dos estados das entradas e anotando os resultados na saída, como mostrado a seguir.

a b S 0 0 0 0 1 0

1 0 0

1 1 1

3- Forma algébrica: A partir da tabela verdade produzida é possível chegar à expressão Booleana que representa o comportamento do circuito. Este procedimento será detalhado mais adiante. Na tabela verdade acima, a saída "S" só é igual a "1" se as variáveis de entrada "a" e "b" forem iguais a "1". Essa lógica pode ser expressa da seguinte maneira:

S = a . b , S = a x b , S = a b

As expressões Booleanas traduzem a relação existente entre o estado da variável de saída (receptor) e o estado das variáveis de entrada (dispositivos de controle). Na álgebra Booleana a função “OU” é representada pelo símbolo “+” (soma) referindo-se a dispositivos ligados em paralelo , enquanto que a função “E” é representada pelo símbolo “.” (multiplicação) referindo-se a dispositivos ligados em série.

4- Forma Simbólica: Tendo determinada a expressão algébrica, pode-se, então, construir o circuito utilizando símbolos gráficos.

- Blocos lógicos: - Portas lógicas:

b a

S

&

Tabela verdade da "função E" de 2 entradas

a a

b b & S S

Diagrama Elétrico

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No diagrama elétrico acima, notamos que a bobina "S" será acionada somente se os contatos "a" e "b" estiverem fechados, assim, este circuito representa uma função "E" de duas entradas (S = a . b), assim como, o bloco lógico e a porta lógica apresentados.

Funções lógicas básicas e derivadas

Existem três funções lógicas básicas: E (AND), OU (OR) e NÃO (NOT ou INVERSOR) e mais quatro derivadas destas que são as funções : NÃO E (NAND), NÃO OU (NOR), OU EXCLUSIVO (XOR) e a FUNÇÃO COINCIDÊNCIA (NEXOR) também conhecida como FUNÇÃO IGUALDADE. A seguir, estas funções serão detalhadas e mostradas nas formas algébrica, diagrama elétrico e bloco lógico.

Função NÃO (NOT ou INVERSOR) Esta função inverte o sinal de entrada (executa a NEGAÇÃO do sinal de entrada), ou seja, se o sinal de entrada for 0 ela produz uma saída 1, se a entrada for 1 ela produz uma saída 0.

Note que o círculo traçado ao nível da saída de uma função, indica que a função ou variável correspondente está complementada, ou seja, o seu estado lógico está invertido. Na forma de expressão algébrica essa complementação é representada por uma linha horizontal traçada sobre a variável, e na forma de diagrama elétrico é representada pelo contato "r" do relé "R".

Duas funções NÃO , agrupadas em série anulam-se:

Diagrama elétrico Expressão Bloco lógico

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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".

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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".

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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.

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Automação Industrial

Histórico da Automação Industrial

Automação no início da revolução industrial Sincronização mecânica de máquinas, onde, com apenas um acionador e todo um intrincado sistema mecânico, se conseguia realizar várias tarefas, como é o caso, ainda de hoje, de algumas máquinas. Ex.: Máquinas de Corte e Solda de Plástico - Um só motor para efetuar o avanço do produto e as operações de corte, soldagem e empilhagem do produto. Linha de Montagem, onde várias máquinas e/ou operadores eram colocados “em linha”, numa seqüência tal que, a partir de subprodutos se chegasse ao final da linha com um produto acabado. Cada máquina ou processo era desprovido de controles e a interação entre as máquinas era realizada pelos operadores. Nos processos que exigiam controle de grandezas físicas como temperatura, pressão, vazão, etc..., esses controles eram inteiramente manuais, baseados em instrumentos de medição rudimentares. Surgem os indicadores de temperatura, pressão, etc..., baseados em princípios físicos (ex.: dilatação de materiais), permitindo a visualização das grandezas. O controle continua a ser manual. O passo seguinte foi o surgimento dos instrumentos de controle automático (pneumáticos) que manobravam automaticamente os atuadores, visando manter a grandeza controlada em um valor definido (“Set-point”).

Segunda Guerra Mundial Durante a 2a Guerra a noção de controle de processo foi largamente expandida. Nesta época foram aprimorados, em nível de aplicação militar, os controles de servo mecanismos elétricos e hidráulicos. No pós-guerra, os princípios desenvolvidos para os armamentos foram adaptados as aplicações industriais. A indústria pode contar, ainda, com um grande contingente de mão- de-obra qualificada para o desenvolvimento e manutenção destes novos equipamentos.

As duas grandes divisões da Automação Industrial Automação de Manufatura: Segmento representado pelos equipamentos de controle da automação de máquinas, transporte de materiais, etc... (ANIMAÇÃO). Controle de Processo: Segmento representado pelos equipamentos de monitoração e controle de grandezas físicas de um processo.

Anos 50 Com a invenção do Transistor, surgem os instrumentos eletrônicos analógicos para o controle de processo, que rapidamente ganham terreno frente aos pneumáticos, devido a seu tamanho reduzido e a facilidade de calibração e transmissão dos sinais.

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Surgem os primeiros Variadores de Velocidade para motores cc, em substituição aos reostatos de controle manual.

Lógica de comando das máquinas (comando de motores, cilindros, etc...) feita com dispositivos Eletromecânicos (contatores e reles), conhecida como Lógica a Relés.

Anos 60 Surge o conceito de Eletrônica Digital, a princípio com o advento de Portas Lógicas Discretas e também os primeiros COMPUTADORES e as primeiras tentativas de utilização dos mesmos em controle de processo, sem muito sucesso, devido a:

custo elevado baixa velocidade de processamento memória de armazenamento de dados limitada linguagens de programação de domínio restrito baixa confiabilidade

No fim dos anos 60, com o advento dos CI’s, surgem os primeiros Controladores Lógicos Programáveis. Vantagens em relação a Lógica à Relés :

Podiam ser aplicados a diferentes processos e máquinas, ao contrario da lógica à relés que eram dedicados a cada processo.

Permitiam a alteração dos ciclos de máquina por modificação do programa, sem necessidade de alterações no cabeamento.

Problemas: Custo elevado Baixa confiabilidade

Anos 70 e 80 Desenvolvimento dos MICROPROCESSADORES, com possibilidades de aplicação a todos os equipamentos, tanto de Automação de Manufatura, como de Controle de Processo:

Desenvolvimento dos Microcomputadores, mais rápidos, menores, mais confiáveis e mais baratos.

O mesmo aconteceu com os CLP’s e Controladores de Processo (“Single-Loop’s” e “Multi-Loop’s”)

Simultaneamente, duas outras áreas apresentaram progressos surpreendentes:

Comunicação: Com o desenvolvimento de REDES que permitiam a comunicação entre elementos “inteligentes”, com velocidade de transmissão e segurança cada vez maior.

Software: com o desenvolvimento de “Linguagens” específicas para os profissionais da área da automação, como é o caso da Linguagem “LADDER”, usada em praticamente todos os CLP’s.

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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

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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.

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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

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Linguagens de Programação dos CLP`s Os primeiros CLP’s eram programados em linguagens de baixo nível (Assembler, por exemplo), o que gerava o inconveniente de ter-se que recorrer a profissionais de informática para programá-los. Com o avanço da tecnologia de Software, surgiram linguagens específicas visando permitir a programação e compreensão dos programas aos profissionais de Automação.

Linguagem de Relés (LADDER) Foi uma das primeiras linguagens específicas para CLP’s e é, sem dúvida, a mais difundida. A principal vocação dos CLP’s é substituir os sistemas de comando convencionais a relés. Desta forma, foi desenvolvida uma linguagem de progra- mação “imitando” os diagramas de comando a relés.

Lista de Instruções É a representação Termo-a-Termo de uma Equação Lógica. A Lista de Instruções não é uma representação gráfica, mas a descrição literal do programa.

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Diagrama Lógico É a representação gráfica das associações lógicas, utilizando a simbologia de PORTAS LÓGICAS.

GRAFCET O GRAFCET descreva todo sistema cujas evoluções podem ser expressas seqüencialmente, quer dizer, todo sistema em que é possível a decomposição em ETAPAS. O GRAFCET é uma ferramenta gráfica simples, não ambígua e rigorosa. Sua principal qualidade é permitir ao pessoal não especializado a compreensão de um processo automatizado. É um meio de comunicação entre pessoas de diferentes formações: produção, manutenção, projeto, etc...

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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.

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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.

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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.

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Conexão tipo Fonte ( Sink )Na conexão tipo SINK o chaveamento será negativo, onde "0" significará 24Vcc no terminal X e "1" significará 0V no terminal X. Uma conexão do tipo SINK, assim como a conexão 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.

Conexões dos Dispositivos de Saída Os circuitos de saída podem ser alimentados de acordo com as especificações de cada CLP. O estado de cada ponto de saída será indicado através de led's. Todos os pontos de saída são isolados eletricamente dos circuitos da CPU. Dependendo do tipo do CLP, três tipos de dispositivos poderão ser utilizados, a seguir:

Saídas a relé Podem ser utilizadas de formas variadas, respeitando-se os limites de corrente estabelecidos no equipamento. A vantagem da utilização de saídas à relé está na versatilidade das configurações e variações de tensões possíveis. Se as informações de saídas requerem alta velocidade de chaveamento, deve-se tomar cuidados relativos à vida útil dos relés e do tempo de resposta de comutação. Alguns cuidados devem ser tomados quando da aplicação de cargas indutivas.

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Saídas transistorizadas Diversas configurações podem ser utilizadas. Não oferece a mesma versatilidade de utilização de tensões variadas e configurações como as saídas à relé. Tem como vantagem a grande velocidade de chaveamento (~0.2ms) e maior vida útil, devido à ausência de centelhamento no chaveamento de cargas indutivas. Os mesmos cuidados deverão ser tomados quando da utilização dessas cargas.

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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.

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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

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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 ]

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Tipo de programação [ Program type ]

E se desejar coloque agora o Nome [Project name] e o titulo do projeto [Title].

Abrindo um projeto existente No Menu de função Project selecione “Open preject” ou pressione as teclas Ctrl + O Selecione o projeto a ser aberto E pressione [ Open ]

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Salvando um projeto Para efetuar a salvaguarda no diretório de trabalho de um novo programa:

No Menu de função Project selecione “Save” ou pressione as teclas Ctrl + S Aparecerá um indicador de que o programa está sendo salvo

Caso o programa não tenha nome, será necessário dar um nome ao mesmo

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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 ]

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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 ]

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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

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Editando um Contato Para editar um contato aberto ou fechado selecione nos botões na barra de atalho ou pressione as teclas:

F5 contato aberto Shift + F5 contato paralelo aberto F6 contato fechado Shift +F6 contato paralelo fechado.

Após pressionar as teclas descritas acima aparecerá a um caixa de dialogo onde colocaremos o endereço do nosso contato que pode ser [ X, Y, M, etc...].

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Editando uma Função Bobina Para editar uma função bobina selecione o atalho na barra ou pressione a teclas F7. Abrirá uma caixa de texto pedindo o endereço e este pode ser Y,M,S,T,C.

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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

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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

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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

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Monitorando o Programa e a CPU Para entrar no modo de monitoração do programa que está na CPU.

No Menu de funções clique em On line Monitor Monitor Mode ou F3

Para sair do modo de monitoração

No Menu de funções clique em On line Monitor Stop Monitor ou Alt + F3

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Base de dados dos CLP`s da Família FX A memória de um CLP é normalmente dividida em duas áreas:

Base de Dados (ou Tabela Imagem). Área de programa do usuário.

A Base de Dados contem todos os ELEMENTOS DE MEMÓRIA que podem ser utilizados nos programas, enquanto que a Área de Programa contem a lógica de funcionamento do sistema a ser controlado (programa).

Os Elementos de Memória da Base de Dados podem, por sua vez, ser divididos em duas grandes categorias:

Elementos de Memória tipo BIT. Elementos de Memória tipo PALAVRA.

Os Elementos de Memória tipo BIT são utilizados para tratar informações do tipo Tudo ou Nada (Ex. - Estado de um Fim-de-curso, comando de um contator, estado de um “flag”interno, etc...), enquanto os ELEMENTOS DE MEMÓRIA tipo PALAVRA tratam informações numéricas (Ex. - valor de temperatura , referência de velocidade , tempo decorrido , contagem de um evento , etc... ).

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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.

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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

63

Elementos de Memória tipo T São os TEMPORIZADORES. Os temporizadores, em função do tipo de CPU utilizada, são divididos em 5 categorias, dependendo da Base de Tempo utilizada e de serem, ou não, retentivos.

Não retentivos Base de tempo de 100 mseg Não retentivos Base de tempo de 10 mseg

Não retentivos Base de tempo de 1 mseg

Retentivos Base de tempo de 100 mseg

Retentivos Base de tempo de 1 mseg

Estes elementos são, normalmente, manipulados pelo programa do usuário através das instruções Bobina Normal ( --( )-- ) e das instruções Contato Aberto ( --] [-- ) , ou Contato Fechado ( --]/[-- ). O tempo decorrido entre a ativação da “bobina” do temporizador e a atuação de seus contatos depende da Base de Tempo do temporizador e da pré-seleção do mesmo (indicada através do uso de uma constante K ou H ). A figura a seguir ilustra o funcionamento de um temporizador não retentivo, com base de tempo de 100 mseg :

( )

( )

X2 K50 T15

T15

Y6

5 seg. 3 seg.

X2 1 0

1 0

Y6

T15 tempo

decorrido

Automação e Controle

64

Os temporizadores retentivos, além das instruções BOBINA e CONTATOS, necessitam de uma instrução RESET ( --[ RST ]-- ) para “zerar” sua contagem, visto que o valor da contagem permanece memorizado, mesmo após a desativação de sua bobina. A figura a seguir ilustra o funcionamento de um temporizador retentivo, com base de tempo de 1 mseg:

( )

( )

X4 K7000

T246

T246

Y3

[ ] X5

RST T246

2 seg. 5 seg.

X4 1 0

1 0

Y3

T246 tempo

decorrido

1 0

X5

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

68

da linha. Se o BIT estiver à “1”, a instrução simulará um contato aberto, não dando, portanto, continuidade a linha.

Instrução “Bobina” Símbolo - Operandos - Y, M, S, T e C Exemplos :

Funcionamento para Y, M e S - A ativação ou não ativação desta instrução depende da análise de todas as condições precedentes da linha que alimenta a instrução. Caso todas as condições dêem CONTINUIDADE a linha, o BIT especificado pela instrução será colocado à “1” na memória do CLP. Caso contrário, o BIT será colocado a “0”.

Funcionamento para T - Caso todas as condições dêem CONTINUIDADE a linha, o

Temporizador especificado pela instrução iniciará sua contagem. Quando o tempo decorrido atingir o valor pré-selecionado, todos os contatos (abertos ou fechados ) associados ao endereço de memória do temporizador trocarão de estado.

Funcionamento para C - A cada vez que o conjunto das condições da linha passarem da

condição FALSO para VERDADEIRO, o Contador especificado pela instrução incrementará de uma unidade sua contagem . Quando a contagem atingir o valor pré- selecionado, todos os contatos (abertos ou fechados ) associados ao endereço de memória do contador trocarão de estado.

Instruções de “Set” e “Reset” Símbolo - Operandos - SET - Y, M, S RESET - Y, M, S, D, T, C, V, Z

Exemplos :

[ SET ??? ] [ RST ??? ]

[ SET Y4 ] [ SET M35 ]

[ RST Y6 ] [ RST D13 ]

???? ( ??? )

Y7 ( ??? )

K300 ( T5 )

Automação e Controle

69

Funcionamento para SET - Caso todas as condições dêem CONTINUIDADE a linha, o BIT especificado pela instrução será colocado a “1” na memória do CLP. O mesmo permanecerá a “1” , mesmo após a desativação da instrução, só retornando à “0” pelo uso da instrução RESET.

Funcionamento para RESET - Caso todas as condições dêem CONTINUIDADE a

linha, o BIT, ou PALAVRA, especificado pela instrução será colocado a “0” na memória do CLP.

Instruções “PLS” e “PLF” Símbolo - Operandos - Y, M Exemplos :

[ PLS ??? ] [ PLF ??? ]

[ PLS Y2 ] [ PLF M15 ]

X1

X3

[ ] RST Y11

[ ] SET Y11

X1 1 0

1 0

X3

Y11 1 0

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

73

Sensores Analógicos Dispositivos que mudam seu comportamento sob a ação de uma grandeza física, convertendo a forma de energia detectada em um sinal elétrico padrão que é transmitido para um dispositivo de controle e ou monitoração. Esse tipo de transmissão é feita utilizando sinais elétricos de corrente ou tensão. Face a tecnologia disponível no mercado em relação a fabricação de instrumentos eletrônicos microprocessados, hoje, é esse tipo de transmissão largamente usado em todas as indústrias, onde não ocorre risco de explosão. Assim como na transmissão pneumática, o sinal é linearmente modulado em uma faixa padronizada representando o conjunto de valores entre o limite mínimo e máximo de uma variável de um processo qualquer. Como padrão para transmissão a longas distâncias são utilizados sinais em corrente contínua variando de (4 a 20 mA) e para distâncias até 15 metros aproximadamente, também utiliza- se sinais em tensão contínua de 1 a 5V e 0 a 10V

Vantagens

Permite transmissão para longas distâncias sem perdas. A alimentação pode ser feita pelos próprios fios que conduzem o sinal de transmissão. Não necessita de poucos equipamentos auxiliares. Permite fácil conexão aos computadores. Fácil instalação. Permite de forma mais fácil realização de operações matemáticas. Permite que o mesmo sinal (4~20mA) seja “lido” por mais de um instrumento, ligando

em série os instrumentos. Porém, existe um limite quanto à soma das resistências internas destes instrumentos, que não deve ultrapassar o valor estipulado pelo fabricante do transmissor.

Desvantagens

Necessita de técnico especializado para sua instalação e manutenção. Exige utilização de instrumentos e cuidados especiais em instalações localizadas em

áreas de riscos. Exige cuidados especiais na escolha do encaminhamento de cabos ou fios de sinais. Os cabos de sinal devem ser protegidos contra ruídos elétricos.

Automação e Controle

74

Medição de Temperatura

Medição de temperatura com Termopar

Um termopar consiste de dois condutores metálicos, de natureza distinta, na forma de metais puros ou de ligas homogêneas. Os fios são soldados em um extremo ao qual se dá o nome de junta quente ou junta de medição. A outra extremidade dos fios é levada ao instrumento de medição de f.e.m. (força eletromotriz), fechando um circuito elétrico por onde flui a corrente. O ponto onde os fios que formam o termopar se conectam ao instrumento de medição é chamado de junta fria ou de referência.

O aquecimento da junção de dois metais gera o aparecimento de uma f.e.m.. Este princípio conhecido por efeito Seebeck propiciou a utilização de termopares para a medição de temperatura. Nas aplicações práticas o termopar apresenta-se normalmente conforme a figura acima . O sinal de f.e.m. gerado pelo gradiente de temperatura ( ∆T ) existente entre as juntas quente e fria, será de um modo geral indicado, registrado ou transmitido.

Efeitos Termoelétricos O fenômeno da termoeletricidade foi descoberto em 1821 por T.J. Seebeck quando ele notou , que em um circuito fechado formado por dois condutores diferentes A e B, ocorre uma circulação de corrente enquanto existir uma diferença de temperatura “∆T” entre as suas extremidades.

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

78

Tipo”B” Nomenclaturas: B - Adotada pela Norma ANSI PtRh 30 % - PtRh 6 % Liga: ( + ) Platina 70 % Rhodio 30 % ( - ) Platina 94 % Rhodio 6 % Características: Faixa de utilização: 600 a 1700 °C f.e.m. produzida: 1,791 mV a 12,426 mV Aplicações: Vidro, Siderúrgica, alta temperatura em geral.

Termopares especiais Ao longo dos anos, os tipos de termopares produzidos oferecem, cada qual, uma característica especial porém, apresentam restrições de aplicação , que devem ser consideradas. Novos tipos de termopares foram desenvolvidos para atender as condições de processo onde os termopares básicos não podem ser utilizados.

Tungstênio – Rhênio Esses termopares podem ser usados continuamente até 2300 °C e por curto período até 2750 °C. Irídio 4 0 % - Rhodio / Irídio Esses termopares podem ser utilizados por períodos limitados até 2000 °C. Platina - 4 0% Rhodio / Platina - 2 0 % Rhodio Esses termopares são utilizados em substituição ao tipo B onde temperaturas um pouco mais elevadas são requeridas. Podem ser usados continuamente até 1600 °C e por curto período até 1800 °C ou 1850 °C.

Ouro- Ferro / Chromel Esses termopares são desenvolvidos para trabalhar em temperaturas criogênicas.

Nicrosil / Nisil Basicamente, este novo par termoelétrico é um substituto para o par tipo K, apresentando uma força eletromotriz um pouco menor em relação ao tipo K.

Automação e Controle

79

Medição de Temperatura por Termoresistência Esses sensores adquiriram espaço nos processos industriais por suas condições de alta estabilidade mecânica e térmica, resistência a contaminação, baixo índice de desvio pelo envelhecimento e tempo de uso. Devido a estas características, esse sensor é padrão internacional para a medição de temperatura na faixa de -270 °C a 660 °C. em seu modelo de laboratório.

Princípio de Funcionamento Os bulbos de resistência são sensores que se baseiam no princípio de variação da resistência em função da temperatura. Os materiais mais utilizados para a fabricação destes tipos de sensores são a platina, cobre ou níquel, que são metais que apresentam características de:

Alta resistividade, permitindo assim um melhor sensibilidade do sensor. Ter alto coeficiente de variação de resistência com a temperatura. Ter rigidez e ductilidade para ser transformado em fios finos.

A equação que rege o fenômeno é a seguinte: Para faixa de -200 a 0 oC: Rt = R0 . [ 1+ A. T + B . T2 + C . T3 . ( T – 100 ) ] Para faixa de 0 a 850 oC: Rt = R0 . [ 1+ A. T + B . T2 ] onde: Rt = resistência na temperatura T (Ω) R0= resistência a 0 oC (Ω) T = temperatura (oC ) A , B , C = coeficientes inerentes do material empregado A = 3,90802 . 10-3 B = -5,802 . 10-7 C = -4,2735 . 10-12 O número que expressa a variação de resistência em função da temperatura é chamado de alfa (α) e se relaciona da seguinte forma:

R RR oo

0.100 01

− =α

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

83

O fato de se omitir esta informação na indústria significa, que a maior parte dos instrumentos medem pressão relativa.

Pressão negativa ou vácuo É quando um sistema tem pressão relativa, menor que a pressão atmosférica.

Diagrama comparativo das escalas Pressão Absoluta Pressão Relativa Pressão Atmosférica Vácuo Vácuo Absoluto

Pressão diferencial É a diferença entre 2 pressões, sendo representada pelo símbolo ∆P (delta P). Essa diferença de pressão normalmente é utilizada para medir vazão, nível, pressão, etc.

Pressão estática É o peso exercido por um líquido em repouso ou que esteja fluindo perpendicularmente a tomada de impulso, por unidade de área exercida

Pressão dinâmica ou cinética É a pressão exercida por um fluído em movimento. É medida fazendo a tomada de impulso de tal forma que recebe o impacto do fluxo.

Unidades de pressão Como existem muitas unidades de Pressão é necessário saber a correspondência entre elas, pois nem sempre na indústria temos instrumentos padrões com todas as unidades e para isto é necessário saber fazer a conversão . Exemplo: 10 PSI = ______?______ Kgf/cm2 1 PSI = 0,0703 Kgf/cm2 De acordo com a tabela 10 x 0,0703 = 0,703 Kgf/cm2

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Dispositivos para medição de pressão O instrumento mais simples para se medir pressão é o manômetro, que pode ter vários elementos sensíveis e que podem ser utilizados também por transmissores e controladores. Vamos então ao estudo de alguns tipos de elementos sensíveis.

Tubo de Bourdon Consiste geralmente de um tubo com seção oval, disposto na forma de arco de circunferência tendo uma extremidade fechada, estando a outra aberta à pressão a ser medida. Com a pressão agindo em seu interior, o tubo tende a tomar uma seção circular resultando um movimento em sua extremidade fechada. Esse movimento através da engrenagem é transmitido a um ponteiro que vai indicar uma medida de pressão. Quanto à forma, o tubo de Bourdon pode se apresentar nas seguintes formas: tipo C, espiral e helicoidal. Tipos de Tubos “ Bourdon ” a) Tipo C b) Tipo Espiral C) Tipo Helicoidal

Membrana ou Diafragma É constituído por um disco de material elástico (metálico ou não), fixo pela borda. Uma haste fixa ao centro do disco está ligada a um mecanismo de indicação. Quando uma pressão é aplicada, a membrana se desloca e esse deslocamento é proporcional à pressão aplicada.

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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

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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 .

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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

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Sensor por Silício Ressonante O sensor consiste de uma cápsula de silício colocada estrategicamente em um diafragma , utilizando do diferencial de pressão para vibrar em maior ou menor intensidade, afim de que essa freqüência seja proporcional a pressão aplicada.

Tipo Piezoelétrico Os elementos piezelétricos são cristais, como o quartzo, a turmalina e o titanato que acumulam cargas elétricas em certas áreas da estrutura cristalina, quando sofrem uma deformação física, por ação de uma pressão. São elementos pequenos e de construção robusta. Seu sinal de resposta é linear com a variação de pressão, são capazes de fornecer sinais de altíssimas freqüências de milhões de ciclos por segundo. O efeito piezelétrico é um fenômeno reversível. Se for conectado a um potencial elétrico, resultará em uma correspondente alteração da forma cristalina. Este efeito é altamente estável e exato, por isso é utilizado em relógios de precisão. A carga devida à alteração da forma é gerada sem energia auxiliar, uma vez que o quartzo é um elemento transmissor ativo. Esta carga é conectada à entrada de um amplificador, sendo indicada ou convertida em um sinal de saída, para tratamento posterior.

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Medição de vazão A medição de vazão inclui no seu sentido mais amplo, a determinação da quantidade de líquidos, gases e sólidos que passa por um determinado local na unidade de tempo; podem também incluir instrumentos, que indicam a quantidade total movimentada num intervalo de tempo. A quantidade total movimentada pode ser medida em unidades de volume ( litros, mm3, cm3, m3, galões, pés cúbicos ) ou em unidades de massa (g, Kg, toneladas, libras). A vazão instantânea é dada por uma das unidades acima, dividida por uma unidade de tempo (litros/min, m3/hora, galões/min). No caso de gases e vapores, a vazão instantânea pode ser expressa, em Kg/h ou em m3/h. Quando se mede a vazão em unidades de volume, devem ser especificadas as "condições base" consideradas. Assim no caso de líquidos, é importante indicar que a vazão se considera "nas condições de operação", ou a 0 °C, 20 °C, ou a outra temperatura. qualquer. Na medição de gases ,é comum indicar a vazão em Nm3/h (metros cúbicos normais por hora, ou seja a temperatura. de 0 °C e a pressão atmosférica) ou em SCFM (pés cúbicos standard por minuto - temperatura. 60 °F e 14,696 PSIA de pressão atmosférica). Vale dizer que: 1 m3= 1000 litros 1 galão (americano) = 3,785 litros 1 pé cúbico = 0,0283168 m3 1 libra = 0,4536 Kg

Tipos de medidores de vazão Existem dois tipos de medidores de vazão, os medidores de quantidade e os medidores volumétricos.

Medidores de quantidade São aqueles que, a qualquer instante permitem saber que quantidade de fluxo passou mas não vazão do fluxo que está passando. Exemplo: bombas de gasolina, hidrômetros, balanças industriais, etc.

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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).

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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.

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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.

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Medidores especiais de vazão Os principais medidores especiais de vazão são: medidores magnéticos de vazão com eletrodos, tipo turbina, tipo Coriolis , Vortex e Ultra-sônico.

Medidor Eletromagnético de Vazão O medidor magnético de vazão é seguramente um dos medidores mais flexíveis e universais dentre os métodos de medição de vazão . Sua perda de carga é equivalente a de um trecho reto de tubulação, já que não possui qualquer obstrução. É virtualmente insensível à densidade e à viscosidade do fluido de medição. Medidores magnéticos são portanto, ideais para medições de produtos químicos altamente corrosivos, para fluídos com sólidos em suspensão, lama, água e polpa de papel. Sua aplicação estende-se desde saneamento até indústrias químicas, papel e celulose, mineração e indústrias alimentícias. A única restrição, em princípio é que o fluído tem que ser eletricamente condutivo. Tem ainda como limitação o fato de fluidos com propriedades magnéticas adicionarem um certo erro de medição.

Medidor tipo Turbina O medidor é constituído basicamente por um rotor montado axialmente na tubulação. O rotor é provido de aletas que o fazem girar quando passa um fluido na tubulação do processo. Uma bobina captadora com um imã permanente é montada externamente fora da trajetória do fluido.

Quando este se movimenta através do tubo, o rotor gira a uma velocidade determinada pela velocidade do fluido e pelo ângulo das lâminas do rotor. Á medida que cada lâmina passa diante da bobina e do imã, ocorre uma variação da relutância do circuito magnético e no fluxo magnético total a que está submetida a bobina . Verifica-se então a indução de um ciclo de tensão alternada.

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A freqüência dos pulsos gerados desta maneira é proporcional á velocidade do fluído e a Vazão pode ser determinada pela medição / totalização de pulsos .

Medidor por Efeito Coriolis É um instrumento de grande sucesso no momento, pois tem grande aplicabilidade desde indústria alimentícia, farmacêutica, química, papel, petróleo etc. e sua medição, independem das variáveis de processo - densidade, viscosidade, condutibilidade, pressão, temperatura, perfil do fluído. Resumidamente, um medidor Coriolis possui dois componentes: tubos de sensores de medição e transmissor. Os tubos de medição são submetidos a uma oscilação e ficam vibrando na sua própria freqüência natural à baixa amplitude, quase imperceptível a olho nu. Quando um fluído qualquer é introduzido no tubo em vibração, o efeito do Coriolis se manifesta causando uma deformação, isto é, uma torção, que é captada por meio de sensores magnéticos que geram uma tensão em formato de ondas senoidais.

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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.

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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.

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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.

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Medição de nível indireta Neste tipo de medição o nível é medido indiretamente em função de grandezas físicas como: pressão, empuxo , radiação e propriedades elétricas.

Medição de Nível por Pressão Hidrostática (pressão diferencial) Neste tipo de medição usamos a pressão exercida pela altura da coluna líquida, para medirmos indiretamente o nível, como mostra abaixo o Teorema de Stevin:

P = h . δ Onde: P = Pressão em mm H2O ou polegada H2O h = nível em mm ou em polegadas δ = densidade relativa do líquido na temperatura ambiente.

Essa técnica permite que a medição seja feita independente do formato do tanque seja ele aberto ou pressurizado.

δ

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Medição por Pressão Diferencial em Tanques Pressurizados Neste tipo de medição, a tubulação de impulso da parte de baixo do tanque é conectada à câmara de alta pressão do transmissor de nível. A pressão atuante na câmara de alta é a soma da pressão exercida sob a superfície do líquido e a pressão exercida pela coluna de líquido no fundo do reservatório. A câmara de baixa pressão do transmissor de nível, é conectada na tubulação de impulso da parte de cima do tanque onde mede somente a pressão exercida sob a superfície do líquido.

Supressão de Zero Para maior facilidade de manutenção e acesso ao instrumento, muitas vezes o transmissor é instalado abaixo do tanque. Outras vezes a falta de plataforma fixadora em torno de um tanque elevado resulta na instalação de um instrumento em um plano situado em nível inferior à tomada de alta pressão. Em ambos os casos, uma coluna líquida se formará com a altura do líquido dentro da tomada de impulso, se o problema não for contornado, o transmissor indicaria um nível superior ao real.

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Elevação de Zero Quando o fluído do processo possuir alta viscosidade, ou quando o fluído se condensa nas tubulações de impulso, ou ainda no caso do fluído ser corrosivo, devemos utilizar um sistema de selagem nas tubulações de impulso, das câmaras de baixa e alta pressão do transmissor de nível. Selam-se então ambas as tubulações de impulso, bem como as câmaras do instrumento. Na figura abaixo, apresenta-se um sistema de medição de nível com selagem, no qual deve ser feita a elevação, que consiste em anular-se a pressão da coluna líquida na tubulação de impulso da câmara de baixa pressão do transmissor de nível.

Medição de Nível com Borbulhador Como sistema de borbulhador podemos detectar o nível de líquidos viscosos, corrosivos, bem como de quaisquer líquidos à distância. Neste sistema necessitamos de um suprimento de ar ou gás e uma pressão ligeiramente superior à máxima pressão hidrostática exercida pelo líquido. Este valor normalmente é ajustado para aproximadamente 20% a mais que a máxima pressão hidrostática exercida pelo líquido. O sistema borbulhador engloba uma válvula agulha, um recipiente com líquido na qual o ar ou gás passará pelo mesmo e um indicador de pressão. Ajustamos a vazão de ar ou gás até que se observe a formação de bolhas em pequenas quantidades. Um tubo levará esta vazão de ar ou gás até o fundo do vaso a qual queremos medir seu nível, teremos então um borbulhamento bem sensível de ar ou gás no líquido o qual queremos medir o nível .Na tubulação pela qual fluirá o ar ou gás, instalamos um indicador de pressão que indicará um valor equivalente a pressão devido ao peso da coluna líquida . Nota-se que teremos condições de instalar o medidor a distância.

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Medição de Nível por Empuxo Baseia-se no princípio de Arquimedes: “Todo o corpo mergulhado em um fluido sofre a ação de uma força vertical dirigida de baixo para cima igual ao peso do volume do fluído deslocado.” A esta força exercida pelo fluído do corpo nele submerso ou flutuante chamamos de empuxo. E = V . δ onde: E = empuxo V = volume deslocado δ = densidade ou peso específico do líquido Baseado no princípio de Arquimedes usa-se um deslocador (displacer) que sofre o empuxo do nível de um líquido, transmitindo para um indicador este movimento, por meio de um tubo de torque. O medidor deve ter um dispositivo de ajuste para densidade do líquido cujo nível estamos medindo, pois o empuxo varia com a densidade.

Através dessa técnica podemos medir nivel de interface entre dois líquidos não miscíveis. Na indústria muitas vezes temos que medir o nível da interface em um tanque contendo 2 líquidos diferente. Este fato ocorre em torres de destilação, torres de lavagem, decantadores e etc. Um dos métodos mais utilizados para a medição da interface é através da variação do empuxo conforme citaremos a seguir. Consideremos um flutuador de forma cilíndrica mergulhado em 2 líquidos com pesos específicos diferentes δ1 e δ2. Desta forma, podemos considerar que o empuxo aplicado no flutuador, será a soma dos empuxos E1 e E2 aplicados no cilindro, pelos líquidos de pesos específicos δ1 e δ2, respectivamente.

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O empuxo será dado pôr: Et = E1 + E2 onde: E1 = V1 . δ1 e E2 = V2 . δ2 Assim para diferentes valores de altura de interface, teremos diferentes variações de empuxo.

Medição de Nível por Radiação Os medidores que utilizam radiações nucleares se distinguem pelo fato de serem completamente isentos do contato com os produtos que estão sendo medidos. Além disso, dispensando sondas ou outras técnicas que mantém contato com sólidos ou líquidos tornando-se possível, em qualquer momento, realizar a manutenção desses medidores, sem a interferência ou mesmo a paralisação do processo. Dessa forma os medidores que utilizam radiações podem ser usados para indicação e controle de materiais de manuseio extremamente difíceis, corrosivos, abrasivos, muito quentes, sob pressões elevadas ou de alta viscosidade. O sistema de medição por raios gamas consiste em uma emissão de raios montados verticalmente na lateral do tanque e do outro lado do tanque teremos uma câmara de ionização que transforma a radiação Gama recebida em um sinal elétrico de corrente contínua. Como a transmissão dos raios é inversamente proporcional a altura do líquido do tanque, a radiação captada pelo receptor é inversamente proporcional ao nível do líquido do tanque, já que o material bloquearia parte da energia emitida.

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Medição de Nível por Capacitância A capacitância é uma grandeza elétrica que existe entre 2 superfícies condutoras isoladas entre si. O medidor de nível capacitivo mede as capacidades do capacitor formado pelo eletrodo submergido no líquido em relação as paredes do tanque. A capacidade do conjunto depende do nível do líquido. O elemento sensor, geralmente é uma haste ou cabo flexível de metal. Em líquidos não condutores se emprega um eletrodo normal, em fluídos condutores o eletrodo é isolado normalmente com teflon. A medida que o nível do tanque for aumentando o valor da capacitância aumenta progressivamente a medida que o dielétrico ar é substituído pelo dielétrico líquido a medir.

A capacitância é convertida por um circuito eletrônico numa corrente elétrica, sendo este sinal indicado em um medidor. A medição de nível por capacitância também pode ser feita sem contato, através de sondas de proximidade. A sonda consiste de um disco compondo uma das placas do capacitor. A outra placa é a própria superfície do produto ou a base do tanque.

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Medição de nível por Ultra-som O ultra-som é uma onda sonora, cuja freqüência de oscilação é maior que aquela sensível pelo ouvido humano, isto é, acima de 20 Khz. A geração ocorre quando uma força externa excita as moléculas de um meio elástico, esta excitação é transferida de molécula a molécula do meio, com uma velocidade que depende da elasticidade e inércia das moléculas. A propagação do ultra-som depende portanto, do meio (sólido, líquido ou gasoso). Assim sendo, a velocidade do som é a base para a medição através da técnica de eco, usada nos dispositivos ultra-sônicos. As ondas de ultra-som são geradas e captadas pela excitação elétrica de materiais piezoelétricos. A característica marcante dos materiais piezoelétricos é a produção de uma freqüência quando aplicamos uma tensão elétrica. Assim sendo, eles podem ser usados como gerador de ultra-som, compondo, portanto, os transmissores. Inversamente, quando se aplica uma força em uma material piezoelétrico, ou seja, quando ele recebe um sinal de freqüência, resulta o aparecimento de uma tensão elétrica no seu terminal. Nesta modalidade, o material piezoelétrico é usado como receptor do ultra-som.

Os dispositivos do tipo ultra-sônico podem ser usados tanto na detecção contínua de nível como na descontínua. Os dispositivos destinados a detecção contínua de nível caracterizam-se, principalmente, pelo tipo de instalação, ou seja, os transdutores podem encontrar-se totalmente submersos no produto, ou instalados no topo do equipamento sem contato com o produto.

Medição de nível por Radar Possui uma antena cônica que emite impulsos eletromagnéticos de alta freqüência à superfície a ser detectada. A distância entre a antena e a superfície a ser medida será então calculada em função do tempo de atraso entre a emissão e a recepção do sinal. Essa técnica pode ser aplicada com sucesso na medição de nível de líquidos e sólidos em geral. A grande vantagem deste tipo de medidor em relação ao ultra-sônico é a

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imunidade à efeitos provocados por gases, pó, e espuma entre a superfície e o detetor, porém possuem um custo relativo alto.

Medição de nível Descontínua Estes medidores são empregados para fornecer indicação apenas quando o nível atinge certos pontos desejados como por exemplo em sistemas de alarme e segurança de nível alto ou baixo.

Medição de nível descontínua por condutividade Nos líquidos que conduzem eletricidade, podemos mergulhar eletrodos metálicos de comprimento diferente. Quando houver condução entre os eletrodos teremos a indicação de que o nível atingiu a altura do último eletrodo alcançado pelo líquido.

Medição de nível descontínua por bóia Diversas técnicas podem ser utilizadas para medição descontínua, desde simples bóia acoplada a contatos elétricos a sensores eletrônicos do tipo capacitivo ou ultra-sônico, onde se diferenciam entre si pela sensibilidade, tipo de fluido, características operacionais, instalação e custo.

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Medição de nível de sólidos É necessário medir o nível dos sólidos, geralmente em forma de pó ou grãos, em silos, alto- fornos etc., pelos mesmos motivos da medição de nível dos líquidos. Esta medição é comumente feita por dispositivos eletromecânicos, onde é colocada uma sonda sobre a carga ou conteúdo. O cabo da sonda movimenta um transdutor eletromecânico, que envia um sinal para um indicador, cuja escala é graduada para nível. Essa técnica apesar de simples tem como desvantagem a grande incidência de manutenção tornando-a inviável em muitos casos. Outros medidores como os radioativos, capacitivos, ultrassônicos, radares e sistemas de pesagem com células de carga podem ser utilizados com bastante eficiência e precisão apesar de possuírem em alguns casos o custo elevado.

Uso de simbologia de instrumentação e Controle

O uso correto da simbologia de representação de instrumentos é fundamental para a correta apresentação de documentos na área de controle e instrumentação. Toda esta simbologia foi padronizada pelos órgãos normativos, no caso a ISA (The international society for measurement and control, antiga Instrument Society of America) e a ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas). Em geral, esta notação é utilizada lado a lado com a representação dos equipamentos de processo, formando um documento denominado diagrama P&I (Process and Instrumentation/ Piping and Instrumentation).

Nomenclatura de instrumentos em malhas de controle Regras básicas : O nome de um instrumento é formado por um conjunto de letras que o identificam funcionalmente

Primeira letra: identifica a variável medida pelo instrumento Letras subseqüentes: descrevem funcionalidades adicionais do instrumento Número: Identifica o instrumento com uma malha de controle. Os instrumentos de

uma mesma malha, devem apresentar o mesmo número:

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Exemplo: Instrumento: Registrador controlador de temperatura.

As letras usadas na identificação estão codificadas na tabela 2. O que interessa na identificação é a função e não a construção do instrumento. Um registrador de pressão diferencial usado para registro de vazão é identificado como FR. Um indicador de pressão e um pressostato conectado à saída de um transmissor de nível são denominados: LI e LS. Malhas de controle: A primeira letra corresponde à variável medida. Uma válvula de controle que varia uma vazão para controlar um nível é denominada LV. Quando as letras C e V são usadas em conjunto, C (Control) deve preceder V (Valve): Válvula de controle Manual: HCV As letras modificadoras devem ser colocadas logo após as letras que modificam. Para cada função de um instrumento deverá ser colocado, junto ao desenho, círculo concêntrico tangencial.

Exemplo: Um controlador de temperatura com chave de nível alto. O instrumento pode ser designado como TIC/TSH-3

O número de letras não deve ultrapassar a 4. Se o instrumento é registrador e indicador da mesma variável, o I de Indicador pode ser omitido. Todas as letras devem ser maiúsculas.

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Malhas de controle Se uma malha possui mais de um instrumento com a mesma identificação, então adiciona- se um sufixo à malha: FV-2A, FV-2B, etc. Para o caso de registro de temperatura multiponto utiliza-se: TE-25-01, TE-25-02, TE-25-03, etc. Em fluxogramas não é obrigatório identificar todos os elementos de uma malha. Por exemplo, uma placa de orifício, uma válvula e elementos primários de temperatura podem ser omitidos para se representar instrumentos mais importantes.

Símbolo para linhas de instrumentação

O tipo do suprimento é designado por duas linhas encima da linha de alimentação:

Exemplo:

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Símbolos Gerais para instrumentos

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Controle

Quando desejamos manter uma variável dentro de uma faixa, abaixo ou acima de um determinado valor. Chamamos essa variável, de variável controlada ou variável de processo.

1.0 Introdução No início, a humanidade não conhecia os meios para se obter a energia a partir da matéria. Desse modo, a energia era fornecida pelo próprio trabalho humano ou pelos trabalhos de animais domésticos. Somente no século XVIII, com o advento das máquinas a vapor. conseguiu-se transformar a energia da matéria em trabalho. Porém, o homem apenas teve a sua condição de trabalho mudada, passando do trabalho puramente braçal ao trabalho mental. Nesse momento, cabia ao homem o esforço de tentar “controlar” esta nova fonte de energia, exigindo dele então muita intuição e experiência, além de expô-lo constantemente ao perigo devido a falta de segurança. No princípio, isso foi possível devido à baixa demanda. Entretanto, com o aumento acentuado da demanda, o homem viu-se obrigado a desenvolver técnicas e equipamentos capazes de substituí-lo nesta nova tarefa, libertando-o de grande parte deste esforço braçal e mental. Daí então surgiu o controle automático que, quanto à necessidade, pode assim ser classificado:

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1.1 - Evolução Histórica do Controle Automático O primeiro controlador automático industrial de que há notícia é o regulador centrífugo inventado em 1775, por James Watts, para o controle de velocidade das máquinas à vapor. Esta invenção foi puramente empírica. Nada mais aconteceu no campo de controle até 1868, quando Clerk Maxwell, utilizando o cálculo diferencial, estabeleceu a primeira análise matemática do comportamento de um sistema máquina-regulador. Por volta de 1900 aparecem outros reguladores e servomecanismos aplicados à máquina a vapor, a turbinas e a alguns processos. Durante a primeira guerra mundial, N. Minorsky cria o servocontrole, também baseado na realimentação, para a manutenção automática da rota dos navios e escreve um artigo intitulado “Directional Stability of Automatically Steered Bodies”. O trabalho pioneiro de Norbert Wiener (1948) sobre fenômenos neurológicos e os sistemas de controle no corpo humano abreviou o caminho para o desenvolvimento de sistemas complexos de automação.

2 - Conceitos e Considerações Básicas de Controle Automático

Justificativa para Controle

Aumentar produtividade Aumentar rendimento Diminuir consumo de energia Diminuir emissão de poluentes Reduzir produtos for a de especificação Segurança Aumentar vida dos equipamentos Operabilidade

2.1 - Conceitos O controle Automático tem como finalidade a manutenção de certa variável ou condição num certo valor (fixo ou variante). Este valor que pretendemos é o valor desejado. Para atingir esta finalidade o sistema de controle automático opera do seguinte modo: 1º . Medida do valor atual da variável que se quer regular.

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2º . Comparação do valor atual com o valor desejado (sendo este o último indicado ao sistema de controle pelo operador humano ou por um computador). Determinação do desvio. 3º . Utilização do desvio ( ou erro ) para gerar um sinal de correção. 4º . Aplicação do sinal de correção ao sistema a controlar de modo a ser eliminado o desvio, isto é, de maneira a reconduzir-se a variável ao valor desejado. O sinal de correção introduz variações de sentido contrário ao erro. Resumidamente podemos definir Controle Automático como a manutenção do valor de uma certa condição através da sua média, da determinação do desvio em relação ao valor desejado, e da utilização do desvio para se gerar e aplicar um ação de controle capaz de reduzir ou anular o desvio. Para concretizar vamos considerar o controle de temperatura da água contida num depósito, de uma maneira simplificada.

De todas as grandezas relativas ao sistema ( Nível, pressão, vazão, densidade, pH, energia fornecida, salinidade etc.) a grandeza que nos interessa, neste caso, regular é a temperatura da água. A temperatura é então a variável controlada. Um termômetro de bulbo permite medir o valor atual da variável controlada. As dilatações e contrações do fluido contido dentro do bulbo vão obrigar o “Bourdon”( Tubo curvo de seção elipsoidal) a enrolar ou desenrolar. Os movimentos do extremo do bourdon traduzem a temperatura da água, a qual pode ser lida numa escala. No diagrama representa-se um contato elétrico no extremo do bourdon e outro contato de posição ajustável à nossa vontade. Este conjunto constitui um “Termostato”. Admitamos que se quer manter a temperatura da água nas proximidades de 50°C. Este valor da temperatura da água é o valor desejado. Se a temperatura, por qualquer motivo, ultrapassar o valor desejado, o contato do termostato está aberto. A bobina do contator não está excitada e o contator mantém

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interrompida a alimentação da resistência de aquecimento. Não havendo fornecimento de calor , a temperatura da água vai descer devido às perdas. A temperatura aproxima-se do valor desejado. Quando, pelo contrário, a temperatura é inferior ao valor desejado o bourdon enrola e fecha o contato do termostato. O contator fecha e vai alimentar a resistência de aquecimento. Em conseqüência, a temperatura da água no depósito vai subir de modo a aproximar-se de novo do valor desejado. Normalmente as cadeias de controle são muito mais elaboradas. Neste exemplo simples encontramos contudo as funções essenciais de uma malha de controle. Medida - A cargo do sistema termométrico. Comparação Efetuada pelo sistema de Contatos ( Posição Relativa) Computação Geração do sinal de correção ( efetuada também pelo sistema de contatos e pelo resto do circuito elétrico do termostato. Correção - Desempenhada pelo órgão de Controle - Contator Observa-se que, para a correção da variável controlada ( temperatura) deve-se atuar sobre outra variável ( quantidade de calor fornecida ao depósito). A ação de controle, é aplicada normalmente a outra variável, da qual depende a variável controlada, que se designa com o nome de variável manipulada. No nosso exemplo, o “Sinal de Controle “ pode ser a corrente elétrica i. Como veremos mais tarde, estamos diante de uma malha de controle do tipo ON-OFF. O sinal de controle apenas pode assumir dois valores. Na maior parte dos casos a função que relaciona o sinal de controle com o desvio é muito mais elaborada. Podemos agora representar um diagrama simbólico das várias funções e variáveis encontradas (fig.2.2). Alguns dos elementos de medida e os elementos de comparação e de computação fazem normalmente parte do instrumento chamado de “CONTROLADOR”.

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Para facilitar o entendimento de alguns termos que aqui serão utilizados, a seguir, serão dadas de forma sucinta suas definições:

2.1.1 - Como definir um sistema de controle Primeiro passo é definir o que se quer controlar, monitorar e proteger no sistema. Para isso, temos que ter conhecimento básico do processo. Em geral podemos dizer que controlamos todas as variáveis cujo valor seja fundamental em um ponto determinado para a realização do processo desejado. Monitoramos tudo o que é controlado para que possamos acompanhar o desempenho do controle, ajustando quando necessário, ou mesmo, para que no caso de falha podermos assumir o controle manual do processo, acompanhando o seu desempenho através das variáveis monitoradas. Protegemos em geral com alarmes e sistemas de atuação automática, em caso de emergência, tudo o que ameaçar a segurança operacional e física do sistema ou puser em risco a vida humana.

Estratégia de controle A configuração de controle, ou seja, como os instrumentos de medição estão conectados aos elementos finais de controle define uma estratégia de controle. A mais usada é a estratégia de controle por malha fechada com realimentação.

Planta Uma planta é uma parte de um equipamento, eventualmente um conjunto de itens de uma máquina, que funciona conjuntamente, cuja finalidade é desenvolver uma dada operação. Processo Qualquer operação ou seqüência de operações, envolvendo uma mudança de estado, de composição, de dimensão ou outras propriedades que possam ser definidas relativamente a um padrão. Pode ser contínuo ou em batelada. Sistemas

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É uma combinação de componentes que atuam conjuntamente e realizam um certo objetivo.

Variável do Processo (PV) Qualquer quantidade, propriedade ou condição física medida a fim de que se possa efetuar a indicação e/ou controle do processo (neste caso, também chamada de variável controlada). Variável Manipulada ( MV) É a grandeza que é operada com a finalidade de manter a variável controlada no valor desejado. Set Point (SP) ou Set Valor (SV) É um valor desejado estabelecido previamente como referência de ponto de controle no qual o valor controlado deve permanecer. Distúrbio (Ruído) É um sinal que tende a afetar adversamente o valor da variável controlada. Desvio Representa o valor resultante da diferença entre o valor desejado e o valor da variável controlada. Ganho Representa o valor resultante do quociente entre a taxa de mudança na saída e a taxa de mudança na entrada que a causou. Ambas, a entrada e a saída devem ser expressas na mesma unidade.

Comparador Determina o desvio entre a variável controlada e o seu valor de referência.

Controlador Produz um sinal de saída (P) baseado no sinal de erro (E=SP-M) para corrigir desvio entre a variável controlada e seu valor de referência (set-point, SP). Este desvio é referido como erro de realimentação por ter sido realimentado do processo (a saída do processo, de corrente da ação do controlador, é a realimentação do controlador).

Elemento Primário O elemento de medição ligado ao processo (sensor) e o transmissor, que padroniza o sinal medido (para padrão pneumático, analógico ou digital).

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Elemento Final de Controle (ou atuador) Elemento atuando diretamente sobre o processo (quase sempre uma válvula), de acordo com o sinal proveniente do controlador (P). A saída do atuador é a variável de estímulo para o processo (freqüentemente uma vazão), M. O sensor, transmissor e elemento final de controle estão, normalmente localizados no campo enquanto o controlador é localizado na sala de controle.

2.1.2 - Instrumentação dos sistemas de controle

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Sistema de Medição A variável controlada precisa ser medida para que uma ação de controle possa ser tomada, já que só se pode controlar o que se pode medir. Esta tarefa é executada por um transdutor. Este consiste de um elemento sensor aliado a um acionador que converte a grandeza medida do processo em um sinal padronizado enviado ao controlador (transmissor). Um sensor está definido pelo princípio físico de medição, pelas faixas e pelo seu comportamento dinâmico.

Sinais de Transmissão Os sinais transmitidos pelo transdutor e recebidos pelos demais elementos da malha de controle devem estar padronizados. O padrão mais antigo utilizado industrialmente é o pneumático, na faixa de 3 a 15 psig. Atualmente, os projetos utilizam sinais eletrônicos padronizados na faixa de 4 a 20 mA (analógicos) ou 0 a 10 V (digitais).

Transmissores Dispositivo que traduz o seu sinal de entrada em sinal padrão para instrumentação (pneumático, analógico ou digital), com dinâmica desprezível. É a interface entre o controle e o processo. Convertem o sinal dos sensores (milivolt, movimento mecânico, etc) em sinal de controle (3 a 15 psig, 4 a 20 mA, 1a 5 V, etc).

Conversores I/P São dispositivos para converter o sinal analógico (sinal de corrente 4 a 20mA ) em pneumático, normalmente utilizados para acionamento de válvulas.

2.2 – Tipos de Controle

2.2.1 - Controle Manual e Controle Automático Para ilustrar o conceito de controle manual e automático vamos utilizar como processo típico o sistema térmico das figuras 2.3 e 2.4. Inicialmente considere o caso em que um

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operador detém a função de manter a temperatura da água quente em um dado valor. Neste caso, um termômetro está instalado na saída do sistema , medindo a temperatura da água quente. O operador observa a indicação do termômetro e baseado nela, efetua o fechamento ou abertura da válvula de controle de vapor para que a temperatura desejada seja mantida. Deste modo, o operador é que está efetuando o controle através de sua observação e de sua ação manual, sendo portanto, um caso de “Controle Manual”.

Considere agora o caso da figura 2.4, onde no lugar do operador foi instalado um instrumento capaz de substituí-lo no trabalho de manter a temperatura da água quente em um valor desejado. Neste caso, este sistema atua de modo similar ao operador, tendo então um detector de erro, uma unidade de controle e um atuador junto à válvula, que substituem respectivamente os olhos do operador, seu cérebro e seus músculos. Desse modo, o controle da temperatura da água quente, é feito sem a interferência direta do homem, atuando então de maneira automática, sendo portanto um caso de “Controle Automático”,fig.2.4.

2.2.2 - Controle Auto-operado Controle em que a energia necessária para movimentar a parte operacional pode ser obtida diretamente, através da região de detecção, do sistema controlado. Deste modo, este controle obtém toda a energia necessária ao seu funcionamento do próprio meio controlado. Este controle é largamente utilizado em aplicações de controle de pressão e menos

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comumente no controle de temperatura, nível, etc. A figura 2.5 mostra um exemplo típico de sistema de controle de pressão, utilizando uma válvula auto-operada.

2.2.3 - Controle em Malha Aberta e Malha Fechada Os sistemas de controle são classificados em dois tipos: sistemas de controle em malha aberta e sistemas de controle em malha fechada. A distinção entre eles é determinada pela ação de controle, que é componente responsável pela ativação do sistema para produzir a saída. a) Sistema de Controle em Malha Aberta É aquele sistema no qual a ação de controle é independente da saída, portanto a saída não tem efeito na ação de controle. Neste caso, conforme mostrado na fig. 2.6, a saída não é medida e nem comparada com a entrada. Um exemplo prático deste tipo de sistema , é a máquina de lavar roupa. Após ter sido programada, as operações de molhar, lavar e enxaguar são feitas baseadas nos tempos pré-determinados. Assim, após concluir cada etapa ela não verifica se esta foi efetuada de forma correta (por exemplo, após ela enxaguar, ela não verifica se a roupa está totalmente limpa).

b) Sistema de Controle em Malha Fechada

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É aquele no qual a ação de controle depende, de algum modo, da saída. Portanto, a saída possui um efeito direto na ação de controle. Neste caso, conforme pode ser visto através da figura 2.7, a saída é sempre medida e comparada com a entrada a fim de reduzir o erro e manter a saída do sistema em um valor desejado. Um exemplo prático deste tipo de controle, é o controle de temperatura da água de um chuveiro. Neste caso, o homem é o elemento responsável pela medição da temperatura e baseado nesta informação, determinar uma relação entre a água fria e a água quente com o objetivo de manter a temperatura da água no valor por ele tido como desejado para o banho.

2.3 – Realimentação É a característica do sistema de malha fechada que permite a saída ser comparada com a entrada. Geralmente a realimentação é produzida num sistema, quando existe uma seqüência fechada de relações de causa e efeito entre variáveis do sistema. Quando a realimentação se processa no sentido de eliminar a defasagem entre o valor desejado e o valor do processo, esta recebe o nome de realimentação negativa.

2.4 – Diagrama de Blocos Um sistema de controle pode consistir de vários componentes, o que o torna bastante difícil de ser analisado. Para facilitar o seu entendimento, e a fim de mostrar as funções desempenhadas por seus componentes, a engenharia de controle utiliza sempre um diagrama denominado “Diagrama de Blocos”. Diagrama de blocos de um sistema é uma representação das funções desempenhadas por cada componente e do fluxo de sinais. Assim, conforme pode ser visto na figura 2.8 , os componentes principais de um sistema são representados por blocos e são integrados por meio de linhas que indicam os sentidos de fluxos de sinais entre os blocos. Estes diagramas são, então utilizados para representar as relações de dependência entre as variáveis que interessam à cadeia de controle.

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2.5 – Atrasos no Processo Todo processo possui características que determinam atraso na transferência de energia e/ou massa, o que consequentemente dificulta a ação de controle, visto que elas são inerentes aos processos. Quando, então, vai se definir o sistema mais adequado de controle, deve-se levar em consideração estas características e suas intensidades. São elas: Tempo Morto, Capacitância e Resistência. 2.5.1 - Tempo Morto É o intervalo de tempo entre o instante em que o sistema sofre uma variação qualquer e o instante em que esta começa a ser detectada pelo elemento sensor. Como exemplo veja o caso do controle de temperatura apresentado na figura 2.9. Para facilitar, suponha que o comprimento do fio de resistência R seja desprezível em relação à distância l(m) que o separa do termômetro e que o diâmetro da tubulação seja suficientemente pequeno. Se uma tensão for aplicada em R como sinal de entrada fechando-se a chave S conforme a figura 2.10, a temperatura do líquido subirá imediatamente. No entanto, até que esta seja detectada pelo termômetro como sinal de saída, sendo V(m/min) a velocidade de fluxo de líquido, terá passado em tempo dado por L = l/V (min). Este valor L corresponde ao tempo que decorre até que a variação do sinal de entrada apareça como variação do sinal de saída recebe o nome de tempo morto. Este elemento tempo morto dá apenas a defasagem temporal sem variar a forma oscilatória do sinal.

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2.5.2) Capacitância A capacitância de um processo é um fator muito importante no controle automático. É uma medida das características próprias do processo para manter ou transferir uma quantidade de energia ou de material com relação a uma quantidade unitária de alguma variável de eferência. Em outras palavras, é uma mudança na quantidade contida, por unidade mudada na variável de referência. Como exemplo veja o caso dos tanques de armazenamento da figura 2.11. Neles a capacitância representa a relação entre a variação de volume e a variação de altura do material do tanque. Assim , observe que embora os tanques tenham a mesma capacidade ( por exemplo 100 m3), apresentam capacitâncias diferentes. Neste caso, a capacitância pode ser representada por :

2.5.3) Resistência A resistência é uma oposição total ou parcial à transferência de energia ou de material entre as capacitâncias. Na figura 2.12, está sendo mostrado o caso de um processo contendo uma resistência e uma capacitância.

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Observação : O efeito combinado de suprir uma capacitância através de uma resistência produz um tempo de retardo na transferência entre capacitâncias. Tal tempo de retardo devido à resistência-capacitância (RC) é frequentemente chamado de “atraso de transferência”.

3 - Ações de Controle Foi visto que no controle automático, efetua-se sempre a medição variável controlada (saída),compara-se este valor medido com o valor desejado e a diferença entre estes dois valores é então processada para finalmente modificar ou não a posição do elemento final de controle. O processamento é feito em uma unidade chamada unidade de controle através de cálculos matemáticos. Cada tipo de cálculo é denominado ação de controle e tem o objetivo de tornar os efeitos corretivos no processo em questão os mais adequados. Existem 4 tipos de ações básicas de controle que podem ser utilizados isoladamente ou associados entre si e dois modos de acionamento do controlador. Iniciaremos definindo estes dois modos para em seguida estudar cada tipo de ação e suas associações principais.

3.1 - Modos de Acionamento O sinal de saída do controlador depende de diferença entre a variável do processo (PV) e o valor desejado para aquele controle (SP ou SV). Assim, dependendo do resultado desta diferença, a saída pode aumentar ou diminuir. Baseado nisto um controlador pode ser designado a trabalhar de dois modos distintos chamados de “ação direta” e “ação indireta”. 3.1.1 - Ação direta (normal) Dizemos que um controlador está funcionando na ação direta quando um aumento na variável do processo em relação ao valor desejado, provoca um aumento no sinal de saída do mesmo.

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3.1.2 - Ação indireta (reversa)

Dizemos que um controlador está funcionando na “ação reversa” quando um aumento na variável do processo em relação ao valor desejado, provoca um decréscimo no sinal de saída do mesmo.

3.2 - Ação de Controle ON-OFF (Liga-Desliga) De todas as ações de controle, a ação em duas posições é a mais simples e também a mais barata, e por isso é extremamente utilizada tanto em sistemas de controle industrial como doméstico. Como o próprio nome indica, ela só permite duas posições para o elemento final de controle, ou seja: totalmente aberto ou totalmente fechado. Assim, a variável manipulada é rapidamente mudada para o valor máximo ou o valor mínimo, dependendo se a variável controlada está, maior ou menor, que o valor desejado. Devido a isto, o controle com este tipo de ação fica restrito a processos prejudiciais, pois este tipo de controle não proporciona balanço exato entre entrada e saída de energia. Para exemplificar um controle ON-OFF, recorremos ao sistema de controle de nível mostrado na figura 4.1. Neste sistema, para se efetuar o controle de nível utiliza-se um flutuado para abrir e fechar o contato (S) energia ou não o circuito de alimentação da bobina de um válvula do tipo solenóide. Este solenóide estando energizado permite passagem da vazão máxima e estando desenergizado bloqueia totalmente o fluxo do líquido para o tanque. Assim este sistema efetua o controle estando sempre em uma das posições extremas, ou seja, totalmente aberto ou totalmente fechado.

Observe que neste tipo de ação vai existir sempre um intervalo entre o comando “liga” e o comando “desliga”. Este intervalo diferencial faz com que a saída do controlador mantenha seu valor presente até que o sinal de erro tenha se movido ligeiramente além do valor zero. Em alguns casos este intervalo é proveniente de atritos e perdas de movimento não intencionalmente introduzido no sistema. Entretanto, normalmente ele é introduzido com a

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intenção de evitar uma operação de liga-desliga mais freqüente o que

certamente afetaria na vida útil do sistema. A figura 4.2, mostra através do gráfico, o que vem a ser este intervalo entre as ações liga/desliga.

O fato de este controle levar a variável manipulada sempre a uma das suas posições extremas, faz com que a variável controlada oscile continuamente em torno do valor desejado. Esta oscilação varia em freqüência e amplitude em função do intervalo entre as ações e também em função da variação da carga. Com isto, o valor médio da grandeza sob controle será sempre diferente do valor desejado, provocando o aparecimento de um desvio residual denominado erro de “off-set”. (vide fig. 4.3).

3.2.1 - Características básicas do controle ON-OFF Basicamente todo controlador do tipo ON-OFF apresenta as seguintes características: a) A correção independe da intensidade do desvio b) O ganho é infinito c) Provoca oscilações no processo d) Deixa sempre erro de off-set

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3.2.2 - Conclusão

Conforme já foi dito, o controle através da ação em duas posições é simples e, ainda, econômico, sendo portanto utilizado largamente nos dias atuais. Principalmente, os controles de temperatura nos fornos elétricos pequenos, fornos de secagem, etc, são realizados em sua maioria por este método. No entanto, por outro lado, apresenta certas desvantagens por provocar oscilações e “off-set” e, principalmente, quando provoca tempo morto muito grande, os resultados de controle por estes controles simples tornam-se acentuadamente inadequados. Assim, quando não é possível utilizar este tipo de controle, recorre-se a outros tipos de controle mais complexos, mas que eliminam os inconvenientes deste tipo.

3.3 – Ação Proporcional (Ação P) Foi visto anteriormente, que na ação liga-desliga, quando a variável controlada se desvia do valor ajustado, o elemento final de controle realiza um movimento brusco de ON (liga) para Off (desliga), provocando uma oscilação no resultado de controle. Para evitar tal tipo de movimento foi desenvolvido um tipo de ação no qual a ação corretiva produzida por este mecanismo é proporcional ao valor do desvio. Tal ação denominou-se ação proporcional. A figura 4.4 indica o movimento do elemento final de controle sujeito apenas à ação de controle proporcional em uma malha aberta, quando é aplicado um desvio em degrau num controlador ajustado para funcionar na ação direta.

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Note que mesmo quando o desvio é zero, há um sinal SO saindo do

controlador cuja finalidade é a de manter o elemento final de controle na posição de regime. E mais, para se obter o controle na ação direta ou reversa, basta mudar a relação de desvio. Assim, para DV = (PV - SV) tem-se a ação direta e DV = (SV - PV) tem-se a ação reversa. Um exemplo simples de controle utilizando apenas a ação proporcional é o mostrado na figura 4.5, onde a válvula de controle é aberta ou fechada proporcionalmente à amplitude do desvio.

Para melhor explicar este exemplo, considera-se que a válvula esteja aberta em 50% e que o nível do líquido deva ser mantido em 50cm de altura. E ainda, a válvula tem seu curso total conforme indicado na figura 4.6. Neste caso, o ponto suporte da alavanca deve estar no ponto b para que a relação ab : bc = 1:100 seja mantida.

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Então, se o nível do líquido descer 1 cm, o movimento da válvula

será 1/10, abrindo-se 0,1 cm a mais. Deste modo, se o nível do líquido descer 5cm a válvula ficará completamente aberta. Ou seja, a válvula se abrirá totalmente quando o nível do líquido atingir 45cm. Inversamente, quando o nível atingir 55cm, a válvula se fechará totalmente. Pode-se portanto concluir que a faixa na qual a válvula vai da situação totalmente aberta para totalmente fechada, isto é, a faixa em que se realiza a ação proporcional será 10cm. A seguir, se o ponto de apoio for transportado para a situação b’ e a relação passar a ser

, o movimento da válvula será 1/20 do nível do líquido se este descer 1cm. Neste caso, a válvula estará totalmente aberta na graduação 40cm e totalmente fechada em 60cm e então, a faixa em que a válvula passa de totalmente aberta para totalmente fechada será igual a 20cm. Assim, não é difícil concluir que a relação entre a variação máxima da grandeza a ser controlada e o curso total da válvula depende neste caso, do ponto de apoio escolhido. Este ponto de apoio vai determinar uma relação de proporcionalidade. E como existe uma faixa na qual a proporcionalidade é mantida, esta recebe o nome de faixa proporcional (também chamada de Banda Proporcional). 3.3.1 - Faixa Proporcional É definida como sendo a porcentagem de variação da variável controlada capaz de produzir a abertura ou fechamento total da válvula. Assim, por exemplo, se a faixa proporcional é 20%, significa que uma variação de 20% no desvio produzirá uma variação de 100% na saída, ou seja, a válvula se moverá de totalmente aberta par totalmente fechada quando o erro variar 20% da faixa de medição. A figura 4.7 mostra a relação entre a abertura da válvula e a variável controlada.

Observando a figura 4.7 chega-se a conclusão de que “quanto menor a faixa proporcional, maior será o movimento da válvula em relação ao mesmo desvio e, portanto, mais eficiente será a ação proporcional”.

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Porém, se a faixa proporcional for igual a zero, a ação proporcional deixa atuar, passando então a ser um controle de ação liga-desliga. Então, podemos concluir que existe uma relação bem definida entre a faixa proporcional (FP) e o ganho proporcional (Kp). Esta relação pode ser expressa da seguinte forma:

3.3.2 - Erro de Off-Set Verificamos até aqui que ao introduzirmos os mecanismos da ação proporcional, eliminamos as oscilações no processo provocadas pelo controle liga-desliga, porém o controle proporcional não consegue eliminar o erro de off-set, visto que quando houver um distúrbio qualquer no processo, a ação proporcional não consegue eliminar totalmente a diferença entre o valor desejado e o valor medido (variável controlada), conforme pode ser visto na figura 4.8.

Para melhor esclarecer como aparece este erro de “off-set”, voltemos à figura 4.6. Para tal, suponha que a válvula esteja aberta em 50% e que a variável controlada (nível) esteja igual ao valor desejado (50cm, por exemplo). Agora, suponha que ocorra uma variação de carga fazendo com que a vazão de saída aumente. O nível neste caso descerá e, portanto, a bóia também, abrindo mais a válvula de controle e assim aumentando a vazão de entrada até que o sistema entre em equilíbrio. Como houve alteração nas vazões de saída e de entrada de líquido, as condições de equilíbrio sofreram alteração e este será conseguido em outra posição. Esta mudança na posição de equilíbrio então provocará o aparecimento de uma diferença entre os valores medidos e desejados. Esta diferença permanecerá constante enquanto nenhum outro distúrbio acontecer, já que a ação proporcional só atua no momento em que o distúrbio aparece.

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Uma observação importante que deve ser feita é de que o valor do erro off-set depende diretamente da faixa proporcional, tornando assim cada vez menor à medida que a faixa proporcional diminuiu. No entanto, a medida que a faixa proporcional diminuiu, aumenta a possibilidade do aparecimento de oscilações, sendo portanto, importante estar atento quando escolher a faixa proporcional de controle. 3.3.3 - Características básicas do controle proporcional Basicamente todo controlador do tipo proporcional apresenta as seguintes características: a) Correção proporcional ao desvio b) Existência de uma realimentação negativa c) Deixa erro de off-set após uma variação de carga 3.3.4 - Esquema Básico de um Controlador Proporcional

3.3.5 - Conclusão Vimos que com a introdução da ação proporcional, se consegue eliminar as inconvenientes oscilações provocadas pelo controle “ON-OFF”. No entanto esta ação não consegue manter os sistema em equilíbrio sem provocar o aparecimento do erro de off-set caso haja variação na carga, que muitas vezes pode ser contornado pelo operador que de tempos em tempos manualmente faz o reajuste do controle eliminando este erro. Se, entretanto, isto ocorrer com freqüência, torna-se desvantajosa a ação de correção do operador e então outro dispositivo dever ser usado.

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Assim, sistemas de controle apenas com ação proporcional somente devem ser empregados em processos onde grandes variações de carga são improváveis, que permitem pequenas incidências de erros de off-set ou em processos com pequenos tempos mortos. Neste último caso, a faixa proporcional pode ser bem pequena (alto ganho) a qual reduz o erro de off-set.

3.4 – Ação Integral Ao utilizar o controle proporcional, conseguimos eliminar o problema das oscilações provocadas pela ação ON-OFF e este seria o controle aceitável na maioria das aplicações se não houvesse o inconveniente da não eliminação do erro de off-set sem a intervenção do operador. Esta intervenção em pequenos processos é aceitável, porém em grandes plantas industriais, isto se torna impraticável. Para resolver este problema e eliminar este erro de off-set, desenvolveu-se uma nova unidade denominada ação integral. A ação integral vai atuar no processo ao longo do tempo enquanto existir diferença entre o valor desejado e o valor medido. Assim, o sinal de correção é integrado no tempo e por isto enquanto a ação proporcional atua de forma instantânea quando acontece um distúrbio em degrau, a ação integral vai atuar de forma lenta até eliminar por completo o erro. Para melhor estudarmos como atua a ação integral em um sistema de controle, recorremos à figura 4.10, onde está sendo mostrado como se comporta esta ação quando o sistema é sensibilizado por um distúrbio do tipo degrau em uma malha aberta. Observe que a resposta da ação integral foi aumentando enquanto o desvio esteve presente, até atingir o valor máximo do sinal de saída (até entrar em saturação). Assim, quanto mais tempo o desvio perdurar, maior será a saída do controlador e ainda se o desvio fosse maior, sua resposta seria mais rápida, ou seja, a reta da figura 4.10 seria mais inclinada.

Percebemos então que a resposta desta ação de controle é função do tempo e do desvio e deste modo podemos analiticamente expressá-la pela seguinte equação:

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Na maioria das vezes o inverso de KI, chamado de tempo integral é usado para descrever a ação integral. [Ti = tempo necessário para que uma repetição do efeito proporcional seja obtido, sendo expresso em minuto por repetição (MPR) ou segundo por repetição (SPR)]. Integrando a equação (2), nós encontramos a saída atual do controlador em qualquer tempo como:

Esta equação mostra que a saída atual do controlador MV (t), depende do histórico dos desvios desde quando este começou a ser observado em t = 0 e, por conseguinte ao ser feita a correção do desvio, esta saída não mais retornará ao valor inicial, como ocorre na ação proporcional. Podemos ver pela equação (2), por exemplo, que se o desvio dobra, a razão de saída do controlador muda em dobro também. A constante KI significa que pequenos desvios produzem uma grande relação de mudanças de S e vice-versa. A figura 4.11(a) ilustra graficamente a relação ente S, a razão de mudança e o desvio para dois diferentes valores de KI. A figura 4.11(b) mostra como, para um desvio em degrau, os diferentes valores para MV como função do tempo conforme foi estabelecido pela equação (2). Portanto, podemos concluir que a rápida razão gerada por KI, causa uma saída do controlador muito maior para um particular tempo, depois que o desvio é gerado.(OBS.: Figura 4.11)

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3.4.1 - Características Básicas do Controle Integral: As principais características do controle integral são: a) Correção depende não só do erro mas também do tempo em que ele perdurar. b) Ausência do erro de off-set. c) Quanto maior o erro maior será velocidade de correção. d) No controle integral, o movimento da válvula não muda de sentido enquanto o sinal de desvio não se inverter. 3.4.2 - Esquema Básico de um Controlador Integral

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3.4.3 - Conclusão Vimos que a ação integral foi introduzida principalmente para eliminar o erro de off-set deixado pela ação proporcional, atuando então, até que o desvio volte a ser nulo. No entanto, como ela é uma função do tempo, sua resposta é lenta e por isto, desvios grandes em curtos espaços de tempo não são devidamente corrigidos. Um outro fator importante notado quando se usa este tipo de ação, é que enquanto o desvio não mudar de sentido, a correção (ou seja, o movimento da válvula) não mudará de sentido podendo provocar instabilidade no sistema. Tipicamente, a ação integral não é usada sozinha, vindo sempre associada à ação proporcional, pois deste modo tem-se o melhor das duas ações de controle. A ação proporcional corrige os erros instantaneamente e a integral se encarrega de eliminar a longo prazo qualquer desvio que permaneça (por exemplo, erro de off-set). Entretanto, às vezes ela pode ser utilizada sozinha quando o sistema se caracteriza por apresentar por pequenos atrasos de processos e correspondentemente pequenas capacitâncias.

3.5 – Ação Proporciona + Integral (Ação P+ I) Esta é a ação de controle resultante da combinação da ação proporcional e a ação integral. Esta combinação tem por objetivos principais, corrigir os desvios instantâneos (proporcional) e eliminar ao longo do tempo qualquer desvio que permaneça (integral). Matematicamente esta combinação é obtida pela combinação das equações (1) e (3), sendo então:

Na prática, como sempre desejamos conhecer a saída para um tempo conhecido e um erro constante, podemos significar esta equação (IV) que é então assim representada:

A figura 4.13 mostra como esta combinação faz atuar o elemento final de controle quando a variável controlada sofre um desvio em degrau em malha aberta. Em (b) temos o caso em que o controlador está ajustado apenas para atuar na ação proporcional, em (c) ele está ajustado para atuar na ação integral e finalmente em (d) temos as duas ações atuando de forma combinada.

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Vejamos agora o gráfico da figura 4.14 que representa o sinal de saída de um controlador (P+ I) sujeito a um distúrbio, em malha aberta, que após um determinado tempo é eliminado. Observe que neste caso, após cessado o distúrbio, a saída do controlador não mais retorna ao valor inicial. Isto acontece porque devido a atuação da ação integral, uma correção vai sendo incrementada (ou decrementada) enquanto o desvio permanecer. Observe que o sinal de correção é sempre incrementado (ou decrementado) enquanto o desvio se mantém no mesmo sentido.

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3.5.2) Conclusão Como notado, através da combinação das ações proporcional e integral, consegue-se eliminar as oscilações e o desvio de off-set e por isto essa associação é largamente utilizada em Controle de Processo. No entanto, deve-se estar atento ao utilizar a ação integral, pois se o processo se caracteriza por apresentar mudanças rápidas, esta ação pode vir a introduzir oscilações que implicaria em instabilidade do sistema. Outro tipo de processo no qual deve-se ter muito cuidado com a ação integral é o processo em batelada, pois no início de sua operação a ação integral pode causar “over-shoot” na variável sob controle. Por fim, em processo que se caracteriza por ter constante de tempo grande (mudanças lentas) esta associação torna-se ineficiente e uma terceira ação se faz necessário para acelerar a correção. A esta ação dá-se o nome de ação derivativa (ou diferencial).

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3.6 – Ação Derivativa (Ação D) Vimos até agora que o controlador proporcional tem sua ação proporcional ao desvio e que o controlador integral tem sua ação proporcional ao desvio versus tempo. Em resumo, eles só atuam em presença do desvio. O controlador ideal seria aquele que impedisse o aparecimento de desvios, o que na prática seria difícil. No entanto, pode ser obtida a ação de controle que reaja em função da velocidade do desvio, ou seja, não importa a amplitude do desvio, mas sim a velocidade com que ele aparece. Este tipo de ação é comumente chamado de ação derivativa. Ela atua, fornecendo uma correção antecipada do desvio, isto é, no instante em que o desvio tende a acontecer ela fornece uma correção de forma a prevenir o sistema quanto ao aumento do desvio, diminuindo assim o tempo de resposta. Matematicamente esta ação pode ser representada pela seguinte equação:

O tempo derivativo, também chamado de ganho derivativo, significa o tempo gasto para se obter a mesma quantidade operacional da ação proporcional somente pela ação derivativa, quando o desvio varia numa velocidade constante. As características deste dispositivo podem ser notadas através dos gráficos da figura 4.16. No caso (a), houve uma variação em degrau, isto é, a velocidade de variação foi infinita. Neste caso a ação derivativa que é proporcional à velocidade desvio causou uma mudança brusca considerável na variável manipulada. No caso (b), está sendo mostrada a resposta da ação derivativa para a situação na qual o valor medido é mudado numa razão constante (rampa). A saída derivativa é proporcional à razão de mudança deste desvio.

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Analisaremos agora a figura 4.17 que mostra a saída do controlador em função da razão de mudança de desvio. Observe que para uma dada razão de mudança do desvio, existe um único valor de saída do controlador. O tempo traçado do desvio e a nova resposta do controlador, mostram o comportamento desta ação conforme pode ser visto pela figura 4.18.

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3.6.1 - Características Básicas do Controle Derivativo As principais características do controle derivativo são: a) A correção é proporcional à velocidade de desvio. b) Não atua caso o desvio for constante. c) Quanto mais rápida a razão de mudança do desvio, maior será a correção. 3.6.2) Esquema Básico de um Controlador Derivativo

3.6.3 - Conclusão Como esta ação de controle depende somente da razão da variação do desvio e não da amplitude deste, não deve ser utilizada sozinha pois tende a produzir movimentos rápidos no elemento final de controle tornando o sistema instável. No entanto, para processos com grandes constantes de tempo, ela pode vir associada à ação proporcional e principalmente às ações proporcional e integral. Esta ação não deve ser utilizada em processos com resposta rápida e não pode ser utilizada em qualquer processo que apresente ruídos no sinal de medição, tal como vazão, pois neste caso a ação derivativa no controle irá provocar rápidas mudanças na medição devido a estes ruídos. Isto causará grandes e rápidas variações na saída do controlador, o qual irá manter a válvula em constante movimento, danificando-a e levando o processo à instabilidade.

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3.7 - Ação Proporcional + Integral + Derivativa ( PID ) O controle proporcional associado ao integral e ao derivativo, é o mais sofisticado tipo de controle utilizado em sistemas de malha fechada. A proporcional elimina as oscilações, a integral elimina o desvio de off-set, enquanto a derivativa fornece ao sistema uma ação antecipativa evitando previamente que o desvio se torne maior quando o processo se caracteriza por ter uma correção lenta comparada com a velocidade do desvio (por exemplo, alguns controles de temperatura). A figura 4.20 mostra dois tipos de desvios que aparecem num processo e como cada ação atua neste caso. Em (a), houve um desvio em degrau e a ação derivativa atuou de forma brusca fornecendo uma grande quantidade de energia de forma antecipada no sistema, que pode acarretar em instabilidade no sistema pois o sistema responde de forma rápida ao distúrbio. Já em (b), ocorreu um desvio em rampa, ou seja numa velocidade constante e a ação derivativa só irá atuar no ponto de inflexão quando aconteceu fornecendo também uma energia antecipada no sentido de acelerar a correção do sistema, pois agora pode-se observar que o sistema reage de forma lenta quando ocorre o distúrbio. Como este controle é feito pela associação das três ações de controle, a equação matemática que o representa será:

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3.7.2 - Conclusão A associação das três ações de controle permite-nos obter um tipo de controle que reúne todas as vantagens individuais de cada um deles e por isto, virtualmente ela pode ser utilizada para controle de qualquer condição do processo. Na prática, no entanto, esta associação é normalmente utilizada em processo com resposta lenta (constante de tempo grande) e sem muito ruído, tal como ocorre na maioria dos controles de temperatura.

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PID – Instrução de Controle Proporcional Integral e Derivativo do FX2N

Função : Recebe um Dado de entrada e calcula a ação de correção para um nível especificado baseado no controlador PID. [S1] - Set point [S2] – Variável do Processo [S3] – 25 registradores de parametrização do PID [D ] - Variável Manipulada Operação: Esta Instrução compara a Variável do Processo [S2] com o Set point [S1] . A diferença ou erro entre os dois valores e então processado através controlador PID que gera um fator de correção que também leva em conta interações anteriores e tendências do calculo de erro. O processo PID calcula um fator de correção na qual é aplicado para um valor de saída e armazenado como um valor de saída corrigido em [D]. Os Parâmetros do controle PID são armazenados em 25 registradores consecutivos ( S3 + 0 ate S3 +24 ).

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Parâmetros do PID

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Parâmetros Obrigatórios a serem setados no controle PID Mitsubishi ( S3+0 a S3+6) S3+0 - Tempo de Amostragem ( 1 a 32767 msec ) Intervalo de tempo de leitura da Variável do processo do sistema S3+1 – Direção e Controle de Alarme b0 = 0 – Ação direta b0 = 1 – Ação Reversa b1 = 0 – Alarme da variável de processo desativado b1 = 1 - Alarme da variável de processo ativado b2 = 0 – Alarme da variável manipulada desativado b2 = 1 – Alarme da variável manipulada ativado b3 – b15 – Reservado S3+2 – Filtro de entrada α ( 0 a 99%) Altera o efeito do filtro de entrada S3+3 – Ganho Proporcional (Kp) ( 1 a 32767% ) Definição pagina 35 item 4.3.1 S3+4 – Tempo de Integração (Ti) ( 0 a 32767 ) x 100msec Definição Pagina 37 item 4.4 Obs.: Selecionando 0 neste parâmetro, desabilitamos a integral do Sistema” S3+5 – Ganho Derivativo ( 1 a 100% ) Definição Pagina 42 item 4.6 S3+6 – Tempo Derivativo ( 0 a 32767 ) x 10 msec Definição Pagina 42 item 4.6 S3+7 a S3+19 - Reservado para uso interno do Processador

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S3+20 – Variação Maximo positivo da Variável do Processo ( 0 a 32767 ) Define o valor maximo da variável do processo [PVnf] . Se a variável do processo [PVnf] exceder o limite , S3+24, bit b0 é setado(on) Obs. Ativa quando S3+1, b1 esta ON S3+21 – Valor mínimo da Variável do Processo ( 0 a 32767 ) Define o Menor valor da variável do processo [PVnf] . Se o valor da variável do processo [PVnf] for abaixo do limite , S3+24, bit b1 é setado (on) Obs. Ativa quando S3+1, b1 esta ON S3+22 – Valor Maximo Positivo da variável Manipulada ( 0 a 32767 ) Define o limite Maximo da variação do valor positivo na qual pode ocorrer em um Scan do PID. Se o valor da variável manipulada ( MV) exceder . então S3+24, bit b2 é setado (on) Obs. Ativa quando S3+1, b2 esta ON S3+23 – Valor Maximo negativo da variável Manipulada ( 0 a 32767 ) Define o limite Maximo da variação do valor negativo na qual pode ocorrer em um Scan do PID. Se o valor da variável manipulada ( MV) exceder . então S3+24, bit b3 é setado (on) Obs. Ativa quando S3+1, b2 esta ON S3+24 – Flag de Alarmes ( Somente Leitura ) b0 – Limite alto excedido da Variável do Processo (PVnf) b1 – limite baixo da variável do Processo (PVnf) b2 – Excesso positivo na mudança da Variável Manipulada ( VM ) b3 – Excesso negativa na mudança da Variável Manipulada ( VM ) b4 – b5 – Reservado

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Configuração da Malha PID O PID pode ser configurado para diferentes tipos de controle PID

O uso efetivo do filtro α S3+2 Para impedir que o PID reaja imediatamente e descontroladamente para qualquer erro do valor atual , existe um mecanismo de filtragem na instrução PID para observar e esclarecer qualquer significativos flutuações sobre três amostragem. O efeito quantitativo do filtro de entrada é para calcular um valor que permita que essas variações sejam absorvidas de forma bem lenta ( filtrado de entrada ) para a instrução PID assuma um percentual definido do valor atual e de dois filtros de entrada anteriores Este tipo de filtragem é frequentemente chamado de Filtro de primeira ordem. Isso é particularmente usado para remover os efeitos dos ruídos de alta freqüência da qual devem aparecer na entrada do sinal recebida por um sensor. Um ótimo percentual de filtro de entrada é habilitado para um longo intervalo de tempo. Quando o filtro de entrada e habilitado para zero, isto remove efetivamente todos os filtros e permite que o valor atual seja usado diretamente como um valor de entrada Valores iniciais para uma malha PID A Instrução PID tem alguns parâmetros que devem ser setados e configurados para cada necessidade de uso. A dificuldade esta em encontrar bons valores para estes parâmetros, para iniciar um bom ajuste do PID para o requerido sistema. A seguinte sugestão não ser’;a ideal para todos as situações e aplicações, mais será a mínima contribuição para usar o controle PID . Um razoável ponto de partida. Um valor deve ser dado para todas as variáveis listadas abaixo antes de habilitar a Instrução PID Valores devem ser escolhidos para que a saída manipulada (MV) não ultrapasse ± 32767. Recomendações Iniciais Ts – deve ser igual ao tempo total da varredura do programa ou um múltiplo do tempo de varredura. Isto é : 2 vezes , 5 vezes, etc α = 50%

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Kp – Este deve ser ajustado para um valor dependente da ação máxima corretiva para se alcançar o ponto desejado. Valores devem ser experimentado arbritando 75% Ti – O ideal é ser de 4 a 10 vezes maior do que tempo TdKd – 50% Td – Este tempo e setado dependendo da resposta do sistema, isto é, não somente como a velocidade do CLP reage, mais também válvulas, motores ou bombas. Para uma rápida reação do sistema Td será setado para um tempo rápido e pequeno, isto jamais deverá ser menor do que Ts . Um sistema reagindo lentamente requererá que Td seja maior. Um valor inicial pode ser Td duas vezes o valor de TsExemplo de configuração PID Um Programa parcial mostrado abaixo demonstra como os parâmetros devem ser setados para as funções do FX2N. O primeiro passo a setar os valores de S3+0 ate S3+6. A Instrução PID irá ativar quando M4 for habilitada. Da Instrução PID do ladder abaixo, S1 = D200; S2 = D201; S3 = D500; e D ou MV = D525.

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Conversor AD – FX2N 4AD - Setup

O código de Identificação do bloco de funções especiais na posição “0” é lido no BFM 30 do bloco e armazenado em D4 na CPU. D4 é comparado com K2010 para checar que o bloco é um FX2N 4AD, se OK , M1 é acionada. Estes dois passos do programa não são estritamente necessário para um bom funcionamento da leitura analógica. Os Canais de entrada (CH1 , CH2 ) estão setados , por H3300 escrito no BFM #0 do FX2N 4AD. O numero de amostragem media ( tempo de amostragem ) setados no canal 1 e 2 esta escrito no BFM #1 e #2 respectivamente O status de funcionamento do FX2N 4AD e lido no BFM #29 e os bit de saída da unidade principal (CLP). Se existirem erros na operação do FX2N 4AD, então o BFM é lido. No caso deste exemplo o BFM #5 e #6 são lidos na CPU e armazenados nesta em D0 e D1. Estes registradores contem a amostragem media dos CH1 e CH2 respectivamente.

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Obs: Seleção de Canais A seleção de canais é feita por 4 caracteres Hexadecimal H0000 no buffer memory BFM#0. O Ultimo caracteres significa canal 1 e o 4° caracteres significa canal 4 Set de cada canal é mostrado a baixo: O= 0 ( -10V a + 10V ) O =1 (+4 mA a 20 mA ) O = 2 ( -20 mA a + 20mA ) O = 3 Canal não habilitado ( Desligado)

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Conversor DA – FX2N 4DA - Setup

O código de Identificação do bloco de funções especiais na posição “0” é lido no BFM 30 do bloco e armazenado em D4 na CPU D4 é comparado com K3020 para checar que o bloco é um FX2N 4DA, se OK , M1 é acionada. Estes dois passos do programa não são estritamente necessário para um bom funcionamento da leitura analógica. H2100 → BFM #0 (unit No.1) CH1 and CH2: Voltage output CH3: Current output (+4 mA to 20 mA) CH4: Current output (0 mA to +20 mA) D0 → BFM #1 (Saida CH1 ); D1 → BFM #2 ( Saida CH2 ); D2 → BFM #3 ( Saida CH3 ); D3 → BFM #4 ( Saida CH4). Leitura dos Status dos registros de saida BFM #29 (b15 to b0) → (M25 to M10). Saída Anormal. Observação BFM #0 – Seleciona o modo de trabalho dos canais de saída 0 – Saída em Voltagem (- 10V a + 10 V ) 1 – Saída em Corrente ( +4mA a + 20mA ) 2 – Saída em Corrente ( 0mA a + 20mA )

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Ex: H2100

1. Canal 1 – Saída em Voltagem 2. Canal 2 – Saída em Voltagem 3. Canal 3 – Saída em Corrente

BFM # 1 – Seleciona os Canais No exemplo acima como especificamos K4 . Estamos habilitando os 4 canais a partir de D0, ou seja DO , D1 , D2 , D3

Resumindo ações de controle

Ações de controle A ação do controlador feedback pode ser composta por combinações de três ações: Proporcional, Integral e Derivativa.

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Ação Proporcional Atua assim que identifica o sinal de erro: Não há necessidade de definir desvio do erro pois o erro no estado inicial é zero. Logo, o sinal do ganho determinará a ação do controlador. Para ganhos positivos, o controlador é dito de ação reversa (a saída do controlador aumenta com a redução do sinal da variável medida). Em caso contrário, o controlador é dito de ação direta.

A saída do controlador em função do erro tem o comportamento ideal limitado por efeitos de saturação do controlador.

Por sua simplicidade, sempre que adequado emprega-se o controlador proporcional. Contudo, este controle apresenta a desvantagem de não anular o sinal de erro restringindo o seu emprego.

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Ação Integral É muito empregada pela sua capacidade de eliminar o sinal de erro, pois, enquanto persistir o sinal de erro, haverá mudança da ação: Esta ação, ao contrário da proporcional, não pode ser usada isoladamente pois a saída do controlador só será significativa após o erro persistir por um certo intervalo de tempo. Conseqüentemente, a ação integral é usada com a ação proporcional e é a forma mais comum de controladores feedback, conhecida como controle PI: A saída do controlador muda assim que for detectada variação no erro devido à ação proporcional.

Ação Derivativa A ação derivativa contribui para a saída do controlador sempre que houver variação no erro (derivada do erro com o tempo). Esta característica torna-se inapropriado o seu uso em sinais com ruídos (a exemplo de sinais de nível e de vazão). Por outro lado, é muito usada em variáveis lentas, já que antecipa a saída do controlador. Esta ação é usada junto com a ação proporcional (controle PD) ou com a ação proporcional e integral (controle PID), quando tem a seguinte expressão matemática:

Ações e Sintonia A adição da ação proporcional atua no sentido de corrigir o erro. Quanto maior o ganho menor o desvio permanente ou off-set sem, contudo, conseguir anulá-lo. A ação integral garante eliminar o off-set mas introduz oscilação no sistema. Finalmente, a ação derivativa reduz as oscilações e acelera a resposta. O efeito das ações é apresentado graficamente abaixo:

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Na ação proporcional, o efeito do ganho é reduzir o off-set:

Na sintonia do controlador PI, um aumento de Kc introduz mais oscilação no sistema enquanto acelera a resposta. Para um mesmo ganho, a redução da constante integral aumenta a ação integral do controlador acentuando a característica oscilatória ao mesmo tempo que acelera a resposta:

No controlador PID, o efeito do tempo derivativo é acelerar a resposta:

Em resumo, um aumento do ganho acelera a resposta e reduz o off-set (desvio permanente).

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Se sintonizado muito alto fará a resposta muito oscilatória (indesejável) levando, inclusive, à instabilidade. Por outro lado, o aumento do tempo integral torna o controle mais "conservador" (lento) (o aumento da constante integral, equivale a redução da ação integral). Por último, a ação derivativa reduz o grau de oscilação e o tempo de resposta mas, em contra-partida, amplifica os ruídos de medição. A escolha do conjunto de valores, assumidos por estes parâmetros, é chamado de sintonia do controlador e determina o comportamento dinâmico da malha.

poderia postar um circuito com intertravamento de forma bem explicativa
o que são sensores
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