01 - AUTOMAÇÃO 1

Setor de Eletricidade e Automao

Reviso 1 : Texto Roberto sobre Amp-Op; Texto Giovanni sobre controle

Reviso 1

Data 17-02-03

Descrio

Notas de Aula InstrumentaoEmisso Inicial Realizado Conferido Cliente Roberto Giovanni Luciano Ttulo : Notas de Aula Disciplinas Instrumentao (Graduao e PG) Data 28-05-02

Eletricidade e Automao DEG / UFLA

Princpios de Automao1 Introduo A automao uma tendncia natural no setor produtivo, e por mais que existam posies contrrias, e muitas delas em funo da reduo dos postos de trabalho, o que se observa que ela veio de forma irreversvel. O que se pode fazer ento buscar adaptar-se aos novos tempos. O trabalhador deve manter-se atualizado e em sintonia com as evolues dos postos de trabalho, e ao setor produtivo, cabe manter-se competitivo e modernizado. A automao traz uma srie de benefcios como: - a substituio do homem em tarefas perigosas e insalubres; - a capacidade de realizar as tarefas de forma repetitiva; - o aumento da produo; - a maior preciso nas tarefas e - a reduo de custos. A automao costuma ser dividida em automao e automatizao. A automatizao pode ser entendida como a ao que visa atender a aes repetitivas e mecnicas, e a automao concerne de um processo que baseia-se em um sistema que capaz de substituir aes mais complexas, aes que se adaptam a realidade do processo. Porm para uniformizar a nomenclatura se definir que a automao passa a ser o termo genrico que engloba inclusive a automatizao.

Giovanni Francisco Rabelo & Roberto Alves Braga Jr


NVEL 4Gesto Global

NVEL 3Gesto da Produo

NVEL 2

Controle de Processo Sistema de Superviso Sistema de Controle Individual Controladores,Computadores d P Aquisio de dados Atuadores, Detectores

NVEL 1

NVEL 0

Figura 1 Nveis de Automao No meio rural, a automao ainda est aqum do que se aplicado na indstria, com isso, o resultado o aumento dos custos de produo, reduo da qualidade dos produtos e reduo da competitividade. Nos pases desenvolvidos o nvel de automao muito maior, e est bem mais prximo do setor industrial.



Componentes EletrnicosOs componentes podem ser : Discretos ou Integrados Os componentes podem formar circuitos : Analgicos ou Digitais

A eletrnica uma cincia que se dedica construo e ao desenvolvimento de equipamentos eletro/eletrnicos que fazem parte do nosso dia-a-dia, tornando nossa vida mais confortvel e contribuindo para a melhoria da qualidade de vida. Os conceitos utilizados em eletrnica so os mesmos utilizados em eletricidade, porm o que separa essas duas cincias so os nveis de tenso, corrente e potncia envolvidos. Podemos considerar que a eletrnica bsica envolve nveis de baixa tenso e baixa potncia, normalmente operando em corrente contnua. Entretanto, existe uma parte da eletrnica, a eletrnica de potncia, que opera com nveis de potncia elevados, dedicada principalmente ao acionamento de mquinas eltricas.

RESISTOR O resistor um componente indispensvel para o funcionamento de um aparelho eletrnico, pois ele que permite controlar a corrente em determinados pontos de um circuito eletrnico. A caracterstica principal de um resistor a capacidade de resistir a passagem da corrente eltrica, denominada resistncia e, sua unidade de medida ohm, cujo smbolo a letra grega mega []. Existem vrios tipos de resistores destinados a vrias aplicaes. Esses tipos variam desde o material de construo at o valor da potncia dissipada. Os tipos mais comuns de resistores so: os de fio, carvo, metalfilm dentre outros. O valor do resistor indicado por nmeros ou atravs de um cdigo de cores. Os resistores de carvo so normalmente identificados pelo cdigo de cor. A figura 1 mostra a simbologia e a representao de um resistor.



Fig. 1 Smbolo e representao de um resistor

TABELA 1 Cdigo de cores para resistores de carvo 1 faixa 2 faixa 3 faixa Nmero Nmero Multiplicador significativo significativo 0 X 1 1 1 X 10 2 2 X 100 3 3 X 1000 4 4 X 10000 5 5 X 100000 6 6 X 1000000 7 7 8 8 9 9 -

4 faixa Tolerncia 1% 2%

Ouro 5% Prata 10%

Os resistores de carvo apresentam valores de potncia entre 1/8W a 2W, j os de fio so resistores com maior potncia 5, 10, 25, 200W, etc. Existem resistores com valores ajustveis, denominados potencimetros, que podem ser de carvo ou de fio. Outros tipos de resistores especiais, podem ter seu valor varivel de acordo com alguma grandeza fsica, como intensidade de luz (LDR) e temperatura (NTC e PTC). Resistividade R=*l/A = resistividade do material l = comprimento A = rea



Unidade - ohm ( ) Aplicaes : limitao de corrente, diviso de tenso, sintonia de filtros, instrumentao Os resistores apresentam variao de sua resistncia com a temperatura, que depende tambm do material a ser utilizado.

Tipos de Resistores Fixos Variveis Fixos de Carvo - comum na eletrnica O carvo recoberto por isolante e verniz. Para potncias de 1/8W, 1/4 W, 1/2 W, at 10 W. Valores de resistncia de alguns ohms at mega ohms A determinao do valor por cdigo de cores. Resistores Variveis - Reostato - Potencimetros - Varistores - Termistores - Extensmetros

CAPACITOR Como o resistor o capacitor usado em quase todos os circuitos eletrnicos com finalidade de armazenar e filtrar as correntes eltricas em circuitos eletrnicos. Os tipos de capacitores so os cermicos, poliester, tntalo, plate e eletrolticos. A unidade de medida de um capacitor denominada capacitncia, expressa em Farad. Como um Farad um valor muito elevado, so usados os submltiplos com F (microfarad), nF (nonofarad) e pF (picofarad). Os capacitores operam em corrente contnua, entretanto, os capacitores eletrolticos so os nicos que operam polarizados, ou seja, existe um terminal positivo e um terminal negativo. Caso haja inverso dessa polaridade, o capacitor ir danificar-se permanentemente, com risco de exploso.



Fig. 2 Smbolo e representao de um capacitor Para identificar o valor de um capacitor so utilizados nmeros ou cdigo de cores, semelhante ao dos resistores. A tabela 2 apresenta o cdigo de cores para capacitores cermicos e de poliester.

TABELA 2 Cdigo de cores para capacitores 1 faixa 2 faixa 2 faixa numero numero multiplicador significativo significativo 0 X 1 1 1 X 10 2 2 X 100 3 3 X 1000 4 4 X 10000 5 5 X 100000 6 6 7 7 8 8 9 9 -

3 faixa tolerncia

4 faixa tenso mxima

10% 20%

250 V 400 V

Capacitncia q=CVGiovanni Francisco Rabelo & Roberto Alves Braga Jr


q = carga C = capacitncia V = ptencial ( ddp ) Onde C = S/d = constante dieltrica Unidade : Coulomb /Volt = Farad Os capacitores podem ser utilizados em CC e CA Tipos : Fixos ou Varivies



DIODO O diodo um componente eletrnico que serve para transformar as correntes alternadas em correntes contnuas. H pouco tempo atrs os diodos eram a vcuo, conhecidos como vlvulas retificadoras. Atualmente os diodos so todos construdos com materiais semicondutores, como silcio, germnio, e arseniato de glio. Algumas aplicaes especficas ainda utilizam vlvulas a vcuo, como nas estaes de transmisso de rdio e televiso e em amplificadores de alta potncia.A K A

K

Fig. 3 Representao da simbologia e forma bsica de um diodo retificador

Os diodos tem uma caracterstica de deixar a corrente passar em um s sentido, do anodo (positivo) para o catodo (negativo), onde geralmente existe uma marca identificadora na sua cpsula. Existem vrios tipos de diodos, entretanto os mais comuns so os retificadores e os estabilizadores de tenso (zener) e os diodos emissores de luz (LED). Pode ser encontrado ainda, outras aplicaes especficas, que utilizam diodos especiais, como os diodos de comutao, de alta freqncia, diodos PIN e diodos MIN.



TRANSISTOR

O transistor um dos responsveis pelo grande avano da eletrnica nos dias de hoje. O transistor nada mais do que uma chave eletrnica esttica, que recebendo um sinal em um dos seus terminais, conduz corrente eltrica. Existem vrios tipos de transistores e, basicamente suas aplicaes so ou como chave ou como amplificador. Os transistores apresentam trs terminais, denominados base, emissor e coletor. A grande vantagem dos transistores, que pode-se controlar suas caractersticas de funcionamento, adicionando outros componentes eletrnicos externamente, para controle de, por exemplo, tempo de resposta e ganho de amplificao. Quanto polarizao, um transistor pode ser tipo NPN ou PNP, sendo que a juno base-emissor, sempre trabalha reversamente polarizada, independentemente do tipo. A figura 4 apresenta a simbologia e aparncia fsica de dois tipos de transistores.

coletor

coletor

base

base

emissor

emissor

Fig. 4 Representao e simbologia de transistores



THYRISTOR Thyristores so chaves controladas de silcio, tambm conhecidas pela sigla SCR. um dispositivo de 3 terminais, denominados anodo, catodo e gatilho ou gate. O controle de potncia para a carga, feito atravs da variao do valor eficaz da tenso eltrica, controlando-se o instante em que se dispara o gatilho. Para disparar o gatilho, basta fornecer um pequeno valor de tenso, denominado pulso de gatilho. Um SCR, conduz apenas meio ciclo da tenso, ou seja, o semiciclo positivo. Para conduzir um ciclo completo, necessrio colocar dois SCR em antiparalelo, ou utilizar outro componente, composto dessa forma, denominado TRIAC. Ento, o TRIAC pode ser considerado como um componente obtido pela ligao de dois SCRs em oposio (antiparalelo), tendo em comum um eletrodo de disparo (gate), mas que ligado em uma corrente alternada conduz os dois semiciclos. Esses componentes eletrnicos so bastante teis para controlar a potncia de lmpadas, a temperatura em chuveiros, a velocidade de motores e a potncia de qualquer equipamentos que trabalhe diretamente conectado na rede de alimentao alternada. A figura 5 apresenta o smbolo de um SCR, de um TRIAC e sua pinagem.

SCR

A

TRIAC

A

G C

G

C

C A G

Fig. 5 - Simbologia, representao e pinagem dos thyristores



TRANSFORMADOR Os transformadores so mquinas estticas utilizadas para abaixar ou elevar a tenso. O princpio de funcionamento baseado na Lei de Lenz, onde dois enrolamentos eletricamente isolados, so submetidos ao mesmo circuito magntico. Aplicando-se uma tenso eltrica alternada em um dos enrolamentos, cria-se um campo eletromagntico varivel. O outro enrolamento, submetido a esse campo varivel, d origem a uma fem (fora eletromotriz ou tenso eltrica) em seus terminais, ou seja, aparecer uma tenso eltrica tambm alternada nos terminais do outro enrolamento. Esse valor de tenso ir depender da relao do nmero de espiras dos dois enrolamentos. O enrolamento conectado na fonte (rede eltrica) denominado enrolamento primrio e o outro, conectado carga, denominado enrolamento secundrio. Se um transformador apresenta 200 espiras no lado primrio e 400 espiras no lado secundrio, a tenso no secundrio ser o dobro da tenso no lado primrio. O lado de maior tenso constitudo de muitas espiras de fio fino, enquanto que o lado de menor tenso constitudo de poucas espiras de fio grosso. A figura 6 mostra a simbologia e a representao de um transformador.

V1

V2

Ncleo Magntico

Fig. 6 - Simbologia e representao de um transformador

INDUTOR Os indutores so elementos de dois terminais enrolados em forma de espiras, que quando percorrido por uma corrente eltrica produz um fluxo magntico , formando um loop fechado envolvendo o indutor. O fluxo total que envolve as espiras denotado por e, esse fluxo proporcional a corrente que atravessa o indutor. A unidade de medida do



indutor Henry, entretanto, por ser 1 Henry um valor muito elevado, utiliza-se o submltiplos, como o H (micro henry). Muitas so as aplicaes dos indutores, entretanto, pode-se destacar seu emprego em bobinas de transformadores, de contatores, de reles e bobinas isoladoras, filtros dentre outros.

+ V _

=Li

Fig. 7 Simbologia e representao de um indutor



REL O rel uma chave eletromagntica que suporta cargas mais altas e permite vrias ligaes simultneas. O rel tem uma bobina que, ao ser energizada cria, um campo magntico que atrai uma parte mvel, onde esto afixados os contatos. Essa bobina consome pouca energia e o valor de tenso deve ser observado, pois varia dependendo da aplicao do rel. Normalmente, para circuitos eletrnicos, os valores de tenso so de 6V, 12V e 24V. Um rel pode possuir muitos contatos que so normalmente abertos (NA) e muitos contatos que so normalmente fechados (NF). Sempre que a bobina for energizada, esses contatos mudam de estado, ou seja, os NA, se fecham e os NF se abrem. A figura 8 mostra a representao de um rel com 1 contato NA e um contato NF.

A

NF

Bobina

Comum NA

A

B

B

Fig. 8 Simbologia e representao de um rel

CIRCUITO INTEGRADO

Circuitos integrados so componentes constitudo pela associao de um conjunto de componentes bsicos em uma mesma pastilha e encapsulados em um mesmo invlucro. Os circuitos integrados apresentam funes especficas. Eles substituem alguns circuitos discretos, reduzindo o tamanho do circuito, bem como o nmero de componentes. Existem dois tipos bsicos, que se referem ao nvel de tenso de operao, bem como a sua robustez, que so as duas famlias de circuitos integrado, a famlia TTL e a famlia CMOS.



Os CIs TTL operam com a tenso contnua de 5V, enquanto que os CIs CMOS operam com tenso contnua na faixa de 12V a 18V. Assim, pode-se notar uma vantagem em se trabalhar com componentes CMOS, pois no necessrio que a tenso da fonte seja estabilizada, o que no ocorre com os TTL, que so mais exigentes. Alguns CIs so largamente empregados em muitos circuitos eletrnicos. Dentre eles, pode-se destacar o LM555 e LM741. O LM555 trata-se de um oscilador, cuja freqncia de oscilao pode ser variada adicionando-se componentes externos a ele, para formar um circuito de relgio ou clock. O LM741 trata-se de um circuito amplificador, cujo ganho pode ser controlado atravs da adio de resistores externos. Ambos os CIs descritos acima apresentam-se em um encapsulamento (invlucro) DIL de 8 pinos. A figura 9 apresenta a simbologia e a representao de um CI LM 741, que um amplificador operacional.

2 741 3

7 6 sada

4

Fig. 9 Representao e simbologia CI LM 741



Amplificador Operacional Amp-Op

O amplificador operacional um dispositivo constituinte da maioria dos circuitos eletrnicos. O Amp-Op um amplificador diferencial de ganho muito elevado que permite controle. Usos: mudana de escala operaes de computador analgico instrumentao filtros ativos

Simbologia

Entrada

Sada



Aplicaes Mudana de Escala R1 V1 Vo Rf

Rf V0 = V1 R1



Instrumentao

R1

R4 R10 V1

R20

V2

V0

R30 R2 R3 R40

V1 =

R3 R4 + R3R 20 R10

V2 =

R2 R1 + R2

V 0 = (V 1 V 2)



BATERIA

Baterias so acumuladores de energia muito utilizados para alimentar os circuitos eletrnicos de baixa potncia. Existem vrios tipos de bateria dependendo da sua utilizao e construo, podendo ser recarregveis ou no. O princpio de acmulo de energia, se baseia em reaes qumicas, que provocam a separao de cargas, nos terminais da bateria. A figura 10 apresenta a simbologia e representao de um acumulador tipo pilha de carvo.

+

+

-

Fig. 10 - Simbologia e representao de uma bateria



MULTMETRO

O multmetro um instrumento indispensvel na eletrnica, constitudo de 2 terminais, utilizado para efetuar as medidas de corrente, tenso e resistncia. Existem dois tipos de multmetro, o analgico e o digital. Uma caracterstica importante de um multmetro a sua resistncia interna, a qual deve ser o mais elevada possvel, para no interferir na medio de tenso, quando ele opera como voltmetro. Como voltmetro, os terminais do aparelho devem ser conectados em paralelo com o circuito, enquanto que para medir corrente (ampermetro), os terminais so conectados em srie com a carga. Existe ainda um ampermetro sem terminais de acesso, onde o circuito de medio colocado de forma a abraar o condutor onde ser deseja medir a corrente. Esse tipo, designado como ampermetro alicate. A figura 11 apresenta o desenho de um multmetro analgico.

Fig. 11 Representao de um multmetro analgico

OSCILOSCPIO

O osciloscpio pode ser considerado como o instrumento mais importante de uma bancada de eletrnica. Esse tipo de instrumento permite a visualizao da forma de onda de um sinal de alta ou de baixa freqncia e ainda, a medida de da amplitude do sinal. Os osciloscpio mais simples constitudo por um nico canal de medida. Um bom osciloscpio deve ter no mnimo dois canais, de forma a permitir a visualizao de um sinalGiovanni Francisco Rabelo & Roberto Alves Braga Jr


de entrada e o sinal de sada simultaneamente. A tela do osciloscpio apresenta divises em centmetros, que correspondem base de tempo na horizontal e amplitude do sinal no eixo vertical. Esses valores so controlados atravs de um dial de ajuste, onde se tem o valor de tempo e da tenso em funo das divises centimtricas na tela. A figura 12 apresenta a tela de um osciloscpio, com as formas de onda da tenso alternada e da tenso contnua.

ca

cc

0 Tenso alternada

0 Tenso contnua

Fig. 12 - Tela de um osciloscpio apresentando uma tenso alternada e um tenso contnua

MATRIZ DE CONTATOS

As matrizes de contatos so placas destinadas montagem de prottipos, bastante utilizadas em bancada. Essas matrizes so conhecidas vulgarmente como PROTOBOARD. So construdas de forma que os terminais verticais so cuto-circuitados entre si e isolados dos terminais horizontais. Elas possuem um linha de terra e uma linha de tenso, onde o curto-circuito dos terminais so horizontais e isolados dos verticais. A figura 13 apresenta o esquema de uma matriz de contatos.



Fig. 13 Representao de uma Matriz de Contatos



MONTAGEM EXPERIMENTAL DE CIRCUITOS

A partir de agora, j temos condies de montar alguns circuitos prticos, bastante teis para o nosso dia-a-dia. O primeiro deles trata-se de um controlador de luminosidade de lmpadas incandescentes. Esse tipo de circuito conhecido como DIMMER e poder controlar lmpadas com potncia at 400 W em 127 V. O segundo circuito trata-se de um sensor multiuso. Uma das aplicaes deste sensor como sensor de umidade, que pode ser utilizado para controlar automaticamente a irrigao em um vaso de planta. Ele tambm pode ser utilizado para acionar automaticamente a iluminao, quando anoitece e ainda, acionar o sistema de ventilao, quando a temperatura ambiente ultrapassar um valor predeterminado. Um outro circuito que ser montado nesse curso um circuito de temporizao do sistema de iluminao, tambm conhecido como minuteria.

DimmerL1

127V

47K

Tic 226

330 R Placa circuito impresso

4K7 10K 100nF

N1

100nF

100nF

N1 Neon L1 Lmpada



Sensor

A B C

R1

D1

K1 R2

C1 P1 Q1 Q2 D2 C2 R3

R1 100 K R2 1 K R3 22 R C1 100 nF C2 100 nF P1 1 M D1 1N4148 D2 LED Q1, Q2 BC 548 K1 Rel 12 V



Minuteria:C2 R4 C1 R6 SCR1 R1 - 1 M R2 150 K R3 2,2 K R4 47 K W R6 - 470 K C1,C2 10 K cermica C3 - .033 K C4 47 / 16 eletroltico Q1,Q3 BC 548 Q2 BC 558 SCR TIC 226 LD1 LED

Q2 C4 Q3 LD1

D1/D4 Q1 R3 R2

C3 R1



Eletrnica DigitalDefinio: Eletrnica que trabalha com valores eltricos discretos ( 0 e 5 V ); Objetivo : A eletrnica digital possibilita a confeco de circuitos lgicos, utilizando os elementos bsicos da eletrnica, porm cada vez mais miniaturizados. Esta reduo em escala permite reduo de espao e consumo de energia.. Os aparelhos passam ento a ter um crebro, unidade de controle, e que recebe e passa informaes e comandos para os elementos de maior consumo de potncia. A eletrnica digital a base para o grande crescimento dos microcomputadores e sua grande utilizao nos mais diversos equipamentos. Lgica A lgica a base da eletrnica digital, e funciona a partir de elementos bsicos, que chamamos de portas lgicas, ou funes lgicas. As portas utilizam a operao em dois estados ( 0 e 5 V ), uma vez que baseiam-se na operao mais segura de elementos semicondutores ( diodos e transistores ), onde os nveis alto e baixo so facilmente reconhecidos permitindo maior confiabilidade no processamento de dados. Funes lgicas : Inversor

Smbolo :A B

Funo : Inverter o sinal de entrada. Se o sinal 5 V, ou seja, 1 no cdigo binrio, ele ser 0 V na sada, ou seja, 0 no cdigo binario. representa o sinal lgico A aps um inversor.

Se A = 1 Se A = 0

B = 0; B = 1.



Eletrnica :5V

B A R1 R2

-

E (.)

Smbolo :A C B

Funo :

A 0 0 1 1

B 0 1 0 1

C 0 0 0 1


Eletricidade e Automao DEG / UFLA +Vcc

EletrnicaR

+ _ A

R

+ _ C B + _



-

OU ( + )A C B

Smbolo :

Funo :

A 0 0 1 1

B 0 1 0 1

C 0 1 1 1

Eletrnica :+ _ A C B + R R



lgebra Booleana A+B=B+A A. B=B. A

Sistema de Numerao 123 em decimal = 1 x 102 + 2 x 101 + 3 x 100 123 1 2 61 1

2 30 0

2 15 1 4 4 1

2 7 1 3 5 0

7 6 Nmero binrio 2 1 1 1

5 3 1

2 3 1 2 6 1

2 1 1 7 1

1 x 26 + 1 x 25 + 1 x 24 + 1 x 23 + 0 x 22 + 1 x 21 + 1 x 20



Medio e Erro( Referncia Helfrick, A.D. & Cooper, W.D. Instrumentao Eletrnica Moderna e Tcnicas de Medio )

Medio : Determinar valor de grandeza fsica atravs de um equipamento, que denominado instrumento. Medio X Ceticismo Toda a medio deve ser cercada de um sistemtico planejamento prvio que permita uma correta execuo em campo. O custo de mobilizao de equipe de medio com aparelhos razoavelmente caro e pode ser perdido se no houver planejamento. Todo resultado de medio deve ser questionado, e somente o resultado advindo de um correto planejamento e execuo deve ser considerado como aceitvel. Na automao, a medio proveniente dos sensores de grandezas fsicas e qumicas deve ser tambm realizada de forma a representar o mximo o valor real da grandeza, e acompanhar sua evoluo sem distores que prejudiquem o controle e monitoramento. Os erros de medies devem ento ser muito bem definidos e conhecidos para evitar o controle de uma varivel alm dos limites desejveis.Definies Instrumento : determinar grandeza fsica Exatido : grau de concordncia entre o valor real e o medido Preciso : grau de reprodutibilidade da medida ( concordncia + algarismos significativos ) Sensibilidade : razo entre sinal de sada e entrada Resoluo : menor variao capaz de ser indicada Erro : desvio entre o real e o medido Tipos de Erros Grosseiros : Podem ser eliminados, so normalmente erros humanos causados por problemas na leitura, na instalao e correta utilizao e especificao do instrumento. Para eliminar estes erros, o que deve fazer planejar minimamente a medio;

Sistemticos : Podem ser minimizados, e so provenientes de caractersticas dos instrumentos utilizados, como exatido dos componentes eletrnicos utilizados, variao da medio em funo de grandezas ambientais, como a temperatura. As medidas para minimizar so a calibrao de instrumentos, a escolha do instrumento mais adequado, o conhecimento das grandezas ambientais que podem influenciar os resultados, entre outras medidas; Aleatrios : Podem ser minimizados e so provenientes de fenmenos que no momentoda medio so desconhecidos ou impossveis de serem controlados e/ou monitorados. ParaGiovanni Francisco Rabelo & Roberto Alves Braga Jr


resolver este problema, deve-se utilizar a anlise estatstica, que em alguns casos conhecida como Anlise de Sinais. Anlise de Sinais Sinal aleatrio Filtragem Domnio da Frequncia



Aquisio de DadosQdo se fala em aquisio de dados, e principalmente quando o termo sistema de aquisio de dados, normalmente est se referindo a utilizao de microcomputadores para obter informaes de grandezas eltricas produzidas por transdutores. Esta associao imediata no a mais correta uma vez que, realizar a aquisio de sinais eltricos pode ser realizada sem a presena de um microcomputador. Pode ser um registrador (datalogger), ou um controlador programvel. Realizar a aquisio de dados implica implicitamente tambm que alm de coletar os dados ( sinais eltricos ), os mesmos estaro sendo arquivados para anlise posterior. Como um sistema de aquisio de dados ento baseado no uso de microcomputadores, pode-se concluir que o que ser feito dos dados algo muito flexivel, uma vez que de acordo com o programa desenvolvido para coletar os dados, estes podem at ser descartados imediatamente sem nenhum arquivamento. Flexibilidade ento, o termo mais correto, que pode caracterizar um sistema de aquisio de dados, e que composto dos seguintes constituintes:

Condicionadores Transdutores de Sinal Placa de Aquisio

Programa de computador

Micro computador



Condicionadores Transdutores de Sinal DataLogger

Micro computador ou Impressora



TransdutoresSo responsveis pela transformao de grandezas ou fenmenos fsicos em sinais eltricos. A forma como conseguida esta transformao varia muito e depende diretamente da grandeza a ser transformada, mas tambm depende da exatido desejada, do tempo de resposta e tambm das condies ambientais onde o transdutor estar instalado. Desta forma existem uma infinidade de transdutores e cada um com uma aplicao mais adequada. Assim, ao especificar um transdutor se faz necessrio um bom conhecimento das condies listadas para a transformao da grandeza em questo. Alguns transdutores produzem o sinal eltrico de forma independente, como o caso de termopares, porm outrso necessitam de excitao ezterna, e que normalmente vem de um dispositivo conhecido como condicionador de sinal.

Condicionador de Sinal

O condicionador de sinal fundamental em sistemas de aquisio de dados, uma vez que os sinais eltricos precisam ser colocados em nveis e condies adequadas para estarem em condies de ser coletados pelas placas de aquisio. Os condicionadores promovem a amplificao de sinais, a isolao entre o transdutor e a placa de aquisio para evitar interferncias, promovem tambm a filtragem dos sinais eltricos, alm de alguns casos serem responsveis pela excitao do transdutor.Amplificao A maioria dos sinais provenientes de transdutores necessita de amplificao que produzida por meio de circuitos eletrnicos normalmente constitudos de amplificadores operacionais e que esto disponveis no mercado em forma de placas que contm tambm outras funes. O objetivo da amplificao permitir que o sinal seja percebido pela placa de aquisio aumentando a resoluo. Um ponto importante a necessidade de no deformao do sinal, assim o amplificador deve atuar sem afetar a forma.

Isolao A isolao tambm outra funo bsica de um condicionador, e tem 2 objetivos : - Evitar que alguma alta tenso produzida por um transiente danifique o computador, eGiovanni Francisco Rabelo & Roberto Alves Braga Jr


Garantir que exista uma completa separao de terras entre a transdutor e a placa de aquisio, o que poderia afetar o valor lido. A isolao da mesma forma que a amplificao realizada comumente por amplificadores operacionais que proporcionam uma elevada impedncia de entrada para o sinal.Filtragem

-

A filtragem tem como fim eliminar rudos presentes no sinal a ser analisado. Desta forma, se utiliza comumente filtros tipo passa baixa. Estes filtros evitam que o sinal ruidoso passe adiante, por meio de um aumento de imped6ancia srie ou uma sensvel reduo de impedncia paralela. O filtro em paralelo mais eficiente e para garantir boas filtragens apresenta caractersticas ativas, chamados ento de filtros ativos. Os filtros ativos tm como constituinte bsico o amplificador operacional. O filtro passivo composto por elementos como resistores, capaciotres e indutores em diversas configuraes. Existem tambm filtragens digitais, onde o sinal filtrado aps ser digitalizado por programas especficos, isso sem eliminar a filtragem, fsica, realizada antes da aquisio.

Excitao Alguns transdutores necessitam de excitao para permitir externar variao normalmente de resistncia ( ou impedncia ). Nestes casos, alguns condicionadores excitam eletricamente o sensor por meio de fontes de tenso ou corrente. Um strain-gauge, por exemplo, precisa ser ligado a uma ponte de weathstone e esta ser alimentada em tenso. No caso de um sensor capacitivo, por exemplo, encontra-se condicionadores de sinal que alimentam em tenso o trandutor que com a variao da capacitncia proporciona uma variao de corrente que padronizada ( 4 a 20 mA ). Esta corrente transformada por sua vez em um sinal de tenso atravs de um resistor.



Placa de Aquisio de DadosA placa de aquisio de dados o elemento que ir transformar os sinais analgicos em digitais e assim permitir sua passagem para o microcomputador. Existem placas que j vem com a interface necessria entre o microcomputador e o e placa Analgica-Digital ( A/D ). Neste caso a placa de aquisio vai junto ao port (slot) do microcomputador. Da mesma maneira existem placas que tem estas duas funes separadas e a placa A/D fica fora do microcomputador e a interface fica no slot. Na interface ocorre o endereamento que permitir ao microcomputador acessar os dados digitalizados. Existem placas que trabalham no modo free-running, que se refere a permanente aquisio e digitalizao dos sinais e sua disponibilizao para o microcomputador. Outras ficam esperando um comando vindo do micro para efetuar a captura e digitalizao do sinal. Algumas informaes so importantes para se especificar um sistema de aquisio de dados: - nmero de canais - taxa de amostragem - resoluo e - faixa de sinal de entrada A taxa de amostragem um importante tem para se especificar um sistema. Caso o sinal desejado tenha componentes de frequncia incompatveis com a taxa de amostragem, acabar ocorrendo o fenmeno do aliasing, que seria um mascaramento do sinal. Para se evitar este fenmeno a taxa de amostragem deve ser no mnimo 2 vezes superior que a maior a frequncia presente no sinal. Um exemplo de como ocorre o alising pode ser visto na Figura a seguir.



Taxa de amostragem correta

Baixa taxa de amostragem O sinal a ser medido ser diferente do que ocorre



Multiplexao

Em alguns casos se faz necessrio o acesso a mais sinais do que o nmero de canais disponveis em uma placa de aquisio. Neste caso existem dispositivos conhecidos como multiplexadores que permitem o chaveamento destes sinais em uma frequncia que no atrapalhe o sinal ( taxa de aquisio ). Na Figura a seguir se observa um esquema de um multiplexador.

Figura. Esquema de Multiplezador



TransdutoresO sensor um elemento fundamental dentro de uma necessidade de controle, pois ele quem ir coletar as informaes sobre o processo a conhecer e controlar. O sensor est presente no nvel zero ( 0 ) da pirmide apresentada na Figura l. Um sensor pode ser definido como um dispositivo que transforma grandezas fsicas em outras, normalmente em mecnicas e eltricas. As grandezas mecnicas so utilizadas em instrumentos analgicos, e as eltricas so a base para a automao. As grandezas eltricas podem apresentar-se em forma de tenso e corrente. Os sensores permitem acompanhar as mais diversas grandezas como : - o nvel; - a umidade do solo; - a umidade relativa do ar; - a temperatura; - a vazo; - a condutividade de um lquido; - a presso; - a alimentao eltrica; - entre outras.

A escolha de um sensor deve considerar os seguintes aspectos: - a varivel fsica a ser monitorada, - o princpio de transduo; - a exatido; - o tempo de resposta. A seguir, sero apresentados alguns sensores importantes, como o caso do sensor de nvel, de temperatura, de fluxo e de umidade. 1 Sensor de Nvel A medio de nvel de um lquido em um recipiente uma necessidade na grande maioria dos processos, e portanto com as mais diversas finalidades. A medio de nvel pode ser por ponto ou contnua. A medio por ponto significa avaliar se o nvel atingiu um valor previamente desejado. E a medio contnua permite avaliar a evoluo do nvel do lquido ao longo de todo o recipiente. Os sensores paraGiovanni Francisco Rabelo & Roberto Alves Braga Jr


atender estas alternativas so os mais diversos, porm estas no so as nicas informaes necessrias para medir o nvel. Deve-se saber, por exemplo, qual o tipo de lquido, se o mesmo muito viscoso, ou at se existe a formao de espuma. Os sensores por ponto podem ser do tipo bia ou pticos. Os sensores do tipo bia podem ser simples como o sensor tipo pra ou do tipo haste-boia. O sensor tipo pera chamado assim pelo seu formato, e tem em seu interior o mercrio e dois contatos como mostra a Figura 2.

Figura 2 Sensor tipo bia

Este sensor muito utilizado para indicar nvel baixo de reservatrio e assim comandar uma bomba. Quando o nvel est baixo, no existe conduo eltrica entre os dois eletrodos e esta informao pode ser utilizada para acionar uma bomba. Por outro lado, quando o nvel atinge um valor desejado a bia flutua e gira permitindo o fechamento de contato entre os eletrodos atravs do mercrio. O sensor haste-boia composto por uma haste onde em seu interior se encontra(m) chave(s) [SWITCH] que so fechadas quando a bia, constituda de um im, est sobre esta(s), como pode ser visto na Figura 3.



Figura 3 Esquema de um sensor haste-boia O fechamento e a abertura do contato (SWITCH) permitir uma ao de comando.



O sensor tipo ptico baseia-se no princpio da refrao da luz. Quando o lquido encobre o sensor ocorre a refrao da luz (Infravermelho). E quando o sensor est descoberto a luz refletida nas paredes do sensor permitindo que um outro sensor foto energtico seja ativado, como mostra a Figura 4.

Figura 4 Sensor ptico



Com um nmero maior de sensores pticos ou SWITCHES em uma haste possvel monitorar mais de um ponto do reservatrio, o que uma aplicao tpica para comandar a ao e sua interrupo em pontos diferentes, como mostra a Figura 5.

Figura 5 Esquema de duplo ponto com haste-bia ou ptico Neste caso, poderia-se comandar a ligao da moto-bomba para encher a caixa quando o nvel atingir o SWITCH, ou fica abaixo do sensor ptico no ponto inferior da caixa. E quando o nvel estiver junto ao SWITCH mais alto ao encobrir o sensor ptico comanda-se o desligamento da bomba. No caso de medio contnua do nvel do lquido utiliza-se sensores como: Capacitivo e Ultra-som

O sensor capacitivo baseia-se na mudana da capacitncia em funo da mudana do dieltrico.



A medida em que vai ocorrendo uma mudana no nvel, ocorre tambm uma mudana no valor do dieltrico e assim no valor da capacitncia. Normalmente o sinal de sada de 4 a 20 mA. Este tipo de sinal padro na instrumentao, e permite relacionar a corrente com a varivel monitorada, neste caso o nvel. Os extremos da escala de corrente so os valores 4 e 20 mA onde os valores intermedirios da corrente representam a excurso do nvel dentro da faixa escolhida. Neste caso pelo tamanho das hastes que representam as placas do capacitor.

Figura 6 Sensor capacitivo



2 Sensor de Temperatura

Os sensores de temperatura podem ser representados pelos mais diversos tipos, porm aqueles que permitem maior facilidade de trabalho com o sinal eltrico so: - termopares; - termistores; - termoresistores. O termopar um sensor muito utilizado e permite o monitoramento de uma grande faixa de temperatura, ,maior que as faixas do termoresistor e termistor. Ele baseia-se no princpio que permite o aparecimento de diferenas de potencial eltrico quando uma juno composta por materiais diferentes exposta a diversas temperaturas. Na Figura 3.7 tem-se o esquema de funcionamento do termopar.

Juno fria

Juno quente

Figura 7 Termopar O termoresistor um sensor que apresenta uma drstica variao na resistncia eltrica com o aumento da temperatura. Esta variao pode ser positiva ou negativa dependendo do material semicondutor envolvido. Quando a variao negativa o termistor conhecido como NTC e quando positiva PTC. Na Figura 8 podem ser vistos os smbolos dos dois tipos de termistor.



Figura 8 NTC e PTC Na Figura 9 mostrado o comportamento da resistncia com a temperatura.

R ( Ohms ) 100k NTC PTC

100

10 40 120 160 T (oC)

Figura 9 Comportamento da resistncia O termo-resistor baseia-se no princpio que um metal tem de variar sua resistncia com a temperatura. O metal mais utilizado como termo-resistor a platina.



3 Sensor de Fluxo

A medio da vazo (fluxo) fundamental na grande maioria monitorando os mais diversos fludos.

dos processos,

Existem uma srie de sensores de vazo que podem ser divididos em algumas categorias: medidores de presso diferencial medidores de rea varivel medidores de deslocamento positivo medidores de ultra-som medidores de arraste

Vale ressaltar que do ponto de vista de automao estes sensores precisam dispor as informaes atravs de sinais eltricos.O que se pretende ao apresentar os sensores evidenciar seu princpio de medio, e quando possvel apresentar a forma de sinal eltrico presente.Medidores de presso diferencial

Estes dispositivos baseiam-se na diferena de presso em dois pontos de uma tubulao, onde entre os quais encontram-se uma restrio. Esta restrio pode ser produzida por placas de orifcio, bocais e pelos tubos de Venturi, entre outros. O princpio de funcionamento destes dispositivos pode ser observado na Figura 10, onde a presso existente varia de acordo com o grfico apresentado. Esta diferena de presso utilizada para achar a vazo.



Figura 10 Tubo com orifcio

Medidor de rea varivel O sensor de rea varivel tem um funcionamento muito simples e est relacionado a capacidade que o fluxo tem de arrastar um corpo variando a rea de passagem do fluxo. Um esquema bsico de um dispositivo destes pode ser visto na Figura 11.



Figura 11 Sensor de rea varivel

Medidores de deslocamento positivo Os dispositivos que medem do deslocamento positivo so conhecidos medidores de vazo pelo mtodo direto. Os dois tipos mais conhecidos so: turbina palhetas rotativas (paddle wheel) como

Na Figura 12 verifica-se o esquema bsico destes dois tipos de sensores, onde a informao (sinal eltrico) retirada normalmente atravs de pulsos produzidos pela passagem de um im (fixo nas hlices ou palhetas) por um acoplamento magntico.



Figura 12 Sensores turbina e paddle whell

Medio por ultra-som A medio por ultra-som um mtodo no invasivo permitindo assim a medio de lquidos sem a necessidade de contato com o fluido. Fluidos com grande impureza, por exemplo, so prprios para este tipo de medio.

Figura 13 Ultra som



4 Sensor de Umidade

A umidade uma varivel muito importante, por exemplo, na irrigao onde desejase saber da necessidade ou no de irrigar uma certa parcela. A gua do solo pode ser medida atravs de instrumentos que medem o teor de gua ou o potencial de gua do solo. O teor de gua a quantidade de gua por volume de solo ou peso de solo seco. O potencial de gua do solo a fora necessria para remover uma determinada quantidade de gua do solo, expressa em kPa. Para se promover a reposio de gua no solo, de forma automtica procura-se basear em dois tipos de procedimentos : a) direto e b) indireto. O procedimento indireto baseia-se em mtodos como o do tanque classe A. Neste mtodo, necessita-se monitorar a evaporao da gua do tanque, e correlacionar o nvel com a necessidade de gua da cultura. O sensor associado ao tanque pode ser o capacitivo, onde o nvel passa a ser monitorado. O controle do nvel do tanque classe A considerado um bom mtodo para automatizar a irrigao de uma cultura. Os procedimentos diretos baseiam-se em sensores que diretamente avaliam o contedo de gua no solo, ou o potencial de gua no solo. Mtodos para determinao do contedo de gua do solo: a. b. c. d. e. f. g. mtodo sensitivo, gravimtrico, sonda de neutrons, reflectometria com base em tempo de resposta (TDR), sensores de capacitncia, sensores de dissipao de calor, diferencial de velocidade (VDD)

Mtodos de determinao do potencial da gua no solo: a. b. c. d. Tensimetros, Blocos de gesso, Sensores de matriz granular (SMG), Psicrmetros,Giovanni Francisco Rabelo & Roberto Alves Braga Jr


e.

Extrator de placa porosa.

No existe o sensor perfeito que represente baixo custo e estimativas mais precisas da condio de umidade do solo, para todas as culturas em todos os solos. Um sensor efetivo para uma aplicao particular deve responder precisamente a uma faixa de umidade do solo, crtica para uma resposta econmica da cultura, em um solo de interesse. Em uma situao de produo comercial, os procedimentos diretos ainda apresentam deficincias devido ao alto custo, grande quantidade de sensores necessrios, e at mesmo em reproduzir de forma confivel o potencial ou o contedo de gua no solo.



ControladoresOs controladores so fundamentais para um sistema automatizado, onde este busca simular o comportamento humano, ou seja, atravs de informaes visuais ou tteis o homem percebe o que ocorre com um processo e busca atuar no mesmo com objetivo de corrigi-lo de acordo com seu sentimento e experincia. As informaes que entram em um controlador so provenientes de sensores, e so chamadas variveis de entrada, o controlador, ento, atravs de um programa que busca reproduzir a experincia humana, atua atravs dos mdulos de sada. A Figura 14 mostra esquematicamente este funcionamento.

Entrada Controlador Sensores

Sada

Atuadores

Figura 14 Esquema de um controlador Os controladores podem ser dedicados ou programados, onde os dedicados so fabricados para atender a funes especficas de um processo, como por exemplo o controle de temperatura. Neste caso, o controlador de temperatura no pode ser utilizado para outro tipo de controle. Em um controlador programvel, o que se tem um computador preparado para o ambiente industrial e que permite a programao de qualquer ao de controle. As variveis a serem controladas podem ser as mais diversas e podem ser todas controladas ao mesmo tempo. Alm dos controladores deve ser lembrado outro equipamento que de grande utilidade para o monitoramento de um processo, o registrador.



1 Dedicados Os controladores dedicados tm um grande espao nos processos produtivos, onde controlam de forma especfica alguma varivel. Estes apresentam-se com grandes variaes atendendo ao controle dos mais diversos processos. Existem controladores prprios para irrigao, estufas, temperatura, fluxo, atendendo aos requisitos especficos de muitas aplicaes. Por isso, estes controladores so chamados de dedicados. Sua limitao est no fato de no permitir variao na estratgia de controle alm do que est previsto no equipamento. Os controladores podem apresentar uma ao contnua ou descontnua. Na ao descontnua no existe uma grande complexidade no controle, que baseia-se em aes liga/desliga ( On-Off ). Nos controladores contnuos existe uma ao baseada em microprocessadores que implementam lgicas mais complexas buscando seguir o valor de referncia selecionado ( set-up ). Nestes controladores encontram-se funes do tipo PID ( Proporcional-Integral-Derivativo ) que so muito importantes para garantir o atendimento do controle. No controle descontnuo existe o risco de ocorrer um liga-desliga muito acentuado, chamado de ping-pong, que sinal de instabilidade. A instabilidade tambm pode ocorrer no controle contnuo desde que haja um mau ajuste dos parmetros de controle. Os controladores podem apresentar capacidade de controle de apenas um lao ( single-loop ) ou mais de um lao ( multi-loop ).

2 Programveis Os controladores programveis so conhecidos como CLP's, que significa, Controlador Lgico Programvel. Esta terminologia vem desde a criao deste controlador em 1968 pela General Motors Corporation com o objetivo de reduzir alto custo com lgica de rels. No incio o controlador realizava apenas funes lgicas, da o nome. Porm com o uso de novas tecnologias como a de microprocessadores em 1970, as funes do controlador passaram a ser ampliadas. Vieram melhorias em hardware e software, como aumento de memria, aumento de entradas e sadas ( E/S ), comunicao, entre muitas outras, entre 1975 e 1979. A partir de 1979 apareceram os Data High Ways, com redes de comunicao de alta velocidade, e comunicao com nveis superiores. Hoje o CLP tambm chamado de CP, pois a unidade de lgica passou a ser apenas uma das caractersticas do CP, que capaz de operar com nmeros, realizar operaes aritmticas, realizar aquisio e manusear dados e se comunicar. Ficou mais fcil tambm a manuteno do Hardware e do Software. O hardware mais modular e com sistema de auto diagnstico, e o software com interfaces mais amigveis.Giovanni Francisco Rabelo & Roberto Alves Braga Jr


O Controlador Programvel pode ser definido como um aparelho digital que utiliza memria programvel para armazenamento interno de instrues para implementar funes como lgica, sequenciamento, temporizao, contagem e operaes aritmticas no controle de mquinas e/ou processos atravs de blocos de E/S analgica e digital.

CPU Entrada Sensores Sinais: mV 4a 20mA pulso contato digital

Memria

Sada Atuadores Sinais: Digital Pulso 4 a 20 mA mV contato

Fonte

Figura 16 Diagrama de um CP Atualmente existem vrios tipos de controladores desde aqueles de pequena capacidade at os mais sofisticados . Entre um computador e um controlador programvel as diferenas so pequenas, pois a arquitetura basicamente a mesma. Todos os CPS so computadores por definio, porm nem todos os computadores so CPS. A diferena est nos mtodos de programao, operao, condies ambientais de funcionamento e manuteno. O CP foi projetado para operar em ambientes industriais, reas com quantidades substanciais de rudos eltricos, interferncias eletro-magnticas, vibraes mecnicas, temperaturas elevadas e umidades diversas. Especificao tpica inclui temperatura na faixa de 0o a 60oC e umidade relativa de 5% a 95%. Nos CPS e HARD e SOFT so operados por tcnicos no especializados, manuteno com troca de mdulos e soft com auto diagnose. Os CP's apresentam ainda, circuitos de interfaces modulares com auto-diagnose facilitando a troca e a localizao de defeitos. Programao



em linguagem parecida com os diagramas de rels ou outra linguagem de fcil aprendizagem.

REQUISITOS PARA ESPECIFICAR PLC 1. nmero E/S de campo 2. nmero E/S no painel e internas 3. Tipos E/S [ 24 Vdc, 110 Vac, 48 Vdc, 4 a 20 mA, + ou - 5 Vdc] 4. Consumo 5. Relao homem-mquina dirio 6. Memria 7. Processo 8. Manuteno Software 9. Perifricos 10. UPS 11. Ambiente 12. Acondicionamento 13. rea 14. Tecnologia 15. Preo 16. Peso 17. Treinamento 18. Assistncia de montagem 19. Assistncia Start-up 20. Assistncia tcnica permanente 21. Documentao 22. Garantia 23. Prazo de entrega 24. Preo de mdulos sobressalentes.



Exemplo de como funcionaria um CP para o controle de duas caixas d'gua.E2

E1

E1

E2

S1 S2 S3 S4

A 0 0 1 1 Sadas

B 0 1 0 1

Sada Tudo cheio Aciona bomba Falta gua na cx A Tudo vazio

S1 : Tudo Cheio Lmpada Verde S2 : Acionar bomba S3 : Falta gua na caixa A ( de baixo ) Lmpada Amarela S4 : Tudo Vazio Lmpada Vermelha, Sirene



3 Registradores

Os registradores so fundamentais em um processo produtivo, sendo que muitas vezes as funes de registro fazem parte do controlador. Porm existem alguns equipamentos dedicados s funes de registro, sendo chamados tambm de data-loggers. Os data-loggers so a verso mais sofisticada dos registradores mecnicos, como os de pena ( grficos ). Os data loggers encontrados no mercado realizam a funo de armazenar de forma digital o sinal eltrico correspondente a variao da grandeza fsica desejada. Esta informao pode ser descarregada em um microcomputador de forma direta ou indireta, atravs de disquete.4 Atuadores

Os atuadores so equipamentos responsveis pela ao de correo promovida pelo controlador. Os atuadores mais comuns so os motores eltricos, rels eletromecnicos e vlvulas solenoides. Os motores eltricos so acionados via contatores que atravs de suas bobinas so comandados a ligar ou desligar. Os cotroladores tambm enviam sinais de comandos para vlvulas que podem ser do tipo On-Off ou permitirem um ajuste de abertura. No caso de vlvulas pneumticas, a ao do controlador realizada junto ao sistema pneumtico que aumenta ou diminui a presso no sistema, responsvel pelo fechamento ou abertura das vlvulas



Introduo ao ControleControle um conceito bastante comum. O termo se refere a tipos especiais de interaes entre homem e mquina. Por exemplo, para um simples ato de dirigir um automvel, necessrio que se controle a velocidade do veculo para chegar em segurana a um destino, bem como evitar o choque com outros veculos. Este tipo de sistema requer um controle manual, embora o que se usa neste caso especfico seja o p. Os controles automticos envolvem apenas mquinas, como controle de temperatura ambiente, onde a temperatura controlada por um sistema de calefao no inverno e por um condicionador de ar no vero. Ambas as mquinas so controladas tipo bang-bang ou tudo-ou-nada. Assim, pode-se generalizar a definio de controle. Controle o processo de causar variaes no sistema para obter um valor desejado denominado valor de referncia. No caso do controle de temperatura ambiente, a varivel de controle a temperatura. O diagrama em blocos de um sistema de controle denominado de malha de controle. A figura 1 representa a malha de controle de um sistema de controle de velocidade de um veculo, onde as variveis responsveis pela variao da velocidade so a inclinao da trajetria, denominada de distrbio e a acelerao fornecida pelo motorista. Este tipo de controle denominado de controle em malha aberta.

Distrbio Valor de referncia Atuador Planta Velocidade de sada

Qualquer sistema de controle necessita de um modelo, o qual se trata de um conjunto de relaes matemticas entre as variveis de entrada e de sada. Neste exemplo, vamos ignorar a resposta dinmica do veculo, considerando apenas seu comportamento em regime permanente. Considera-se tambm que para uma faixa de velocidade, as relaes entre as variveis so lineares. Suponha que ao medir a velocidade em 90 km/h, encontrou-se que 1 grau de variao no acelerador, produzia uma um acrscimo de 16 km/h na velocidade. Quando a inclinao variava de 1%, observou-se uma queda de 8 km/h na velocidade do veculo. Atravs dessas relaes, pode-se construir o diagrama funcional , como representado na figura 2.

w0,5

ru

y Giovanni Francisco Rabelo & Roberto Alves Braga Jr 16

+


r = velociade de referncia , km/h u = ngulo do acelerador, graus y = velociade atual, km/h w = inclinao em % O diagrama em blocos representa as relaes matemticas, onde as linhas funcionam como condutores de sinal e os blocos como amplificadores, que multiplicam o sinal em sua entrada por um ganho marcado no bloco. Para somar dois ou mais sinais, se utilizam blocos circulares com a letra grega sigma, que significa soma. Um sinal algbrico (mais ou menos) ao lado de cada linha do bloco somador indica se esse sinal ser somado ou subtrado. Ser feita a seguir uma anlise do diagrama da figura 2, denominado sistema de controle em malha aberta.

w0,5 r

u

+

16

y

Neste caso, no se utiliza a informao de velocidade do odmetro e adota-se u = r/16, como mostrado na figura 3. O termo malha aberta significa que no h um caminho fechado atravs do qual os sinais de sada possa retornar entrada, o que em outras palavras, a velocidade de sada no utilizada como informao adicional na entrada. Neste caso a velocidade de sada dada por: y = 16 (u 0,5 w) = 16 ( r/16 0,5 w) =r8w Se w = 0, e r = 80km/h, a velocidade ir permanecer neste valor e no h um erro entre a sada e o valor de referncia. Entretanto, se w = 1 (1% inclinao), ento a velocidade ser de 72km/h, e teremos um erro de 8km/h, ou seja 10%. Para uma inclinao de 2%, o erro ser de 16 km/h, ou seja, 20%.


Eletricidade e Automao DEG / UFLA Desta forma, se conseguirmos atuar no valor de referncia, podemos corrigir esse erro, ou em outras palavras, manter a velocidade constante. O motorista pode fazer isso atravs da observao da velocidade marcada no odmetro e atuar no acelerador. Na realidade esta uma operao de controle me malha fechada. Um sistema em malha fechada aquele em que medimos a sada e ajustamos a entrada utilizando uma realimentao, como apresentado no diagrama da figura 4.

w0,5Controlador

r

+ -

u

+

16

y

y = 16u 5w u = 100(r y) combinando estas equaes, obtm-se: y = 1600r 1600y 5w 1601y = 1600r 5w y = 0,999r 0,003w No valor de referncia de 80 km/h e w = 1%, teremos: Giovanni Francisco Rabelo & Roberto Alves Braga Jr

Eletricidade e Automao DEG / UFLA y = 0,999(80) 0,003(1) = 79,99 km/h, que eqivale a um erro de 0,104%. Caso a declividade for de 10%, teremos: y = 0,999(80) 0,003(10) = 79,89, o que eqivale a um erro de 0,138%. Desta forma observa-se que em um controle tipo malha fechada reduziu drasticamente a sensibilidade do erro na velocidade declividade por um fator 100 comparado com o controle em malha aberta. Note, entretanto, que agora existe um pequeno erro na velocidade no nvel do cho, pois quando w = 0, y = 0,999r = 79,92 km/h, ou seja, 0,1%. Este erro ser pequeno to grande for o valor do ganho de malha fechada ou ganho de realimentao (=100), erro grande. Infelizmente no caso de malha aberta, um erro no ganho da planta causa um pequeno erro. Se o ganho da planta fosse 15, ao invs de 16, a equao de realimentao iria provocar uma velocidade de km/h, enquanto que na malho aberta, o controle seria de km/h. O erro resultante na situao em que no h distrbio parte do erro de regime (steady-state error) de uma sistema de realimentao. A grande reduo da \sensibilidade variao dos distrbio de inclinao e o ganho da planta no nosso exemplo devido ao ganho relativamente grande (100) escolhido para a realimentao. Infelizmente, h limites mximos para esses ganhos, quando a dinmica do sistema introduzida, pois a realimentao pode tornar a resposta pior ou tornar o sistema instvel. Esse efeito bem familiar em sistemas de som pblicos, onde um microfone colocado frente a uma caixa de som e o volume aumentado. Aumentar o volume o mesmo que elevar o ganho do amplificador. O microfone realimenta o amplificador, podendo causar o fenmeno da microfonia. Modelagem de sistemas: Modelar um sistema significa escrever suas equaes; se for um sistema mecnico, podemos iniciar escrevendo suas equaes de movimento. MODELOS TRMICOS E HIDRULICOS O mais importante nesses casos representar a interao dinmica entre as variveis. So necessrios normalmente alguns experimentos para determinar os valores atuais dos parmetros e, ento, completar o modelo dinmico pra projetar o sistema de controle. Modelo Trmico: Alguns sistemas trmicos envolvem a regulao de temperatura em determinadas partes do sistema. O modelo dinmico de sistemas de controle de temperatura envolvem fluxo, armazenamento de energia calorfica, onde o calor flui de substncias a uma taxa proporcional diferena de temperatura no caminho dessa onda. Q = 1/R (T1-T2) Em que, Q = fluxo de calor (J/Seg) R resistncia trmica (oC/J.sec) T temperatura (oC) A energia dentro do material afeta a temperatura deste de acordo com a seguinte relao: T = 1/C q Equao de fluxo de calor Giovanni Francisco Rabelo & Roberto Alves Braga Jr

Eletricidade e Automao DEG / UFLA Seja um ambiente com todos os lados isolado termicamente (1/R=0). Encontre as equaes diferenciais que determinam a temperatura desse ambiente. Soluo: Q = 1/R(T1 T2) Q = (1/R1 1/R2) (T0 T1) T = 1/C1 (1/R1 1/R2) (T0 T1) Em que, C1 capacidade trmica do ar dentro do ambiente T0 temperatura do lado de fora do ambiente T1 temperatura dentro do ambiente R2 resistncia trmica do ambiente R1 resistncia trmica da pares O calor especfico Cv pode ser convertido em capacidade pr C = mCv, onde m a massa. A condutividade trmica (k) relacionada resistncia trmica por: 1/R = kA/l, em que, A rea de seo da trajetria da onda de calor L comprimento da trajetria da onda de calor Alm do mais o calor pode ser transferido atravs da interao de uma massa aquecida, atravessando uma massa fria ou vice-versa, o que neste caso, torna-se: Q = mCv (T1 T2), em que m freqentemente representado por (w), que a taxa de fluxo de massa de um fluido temperatura de T1, fluindo dentro de um reservatrio temperatura T2.

As relaes fsicas que regem fluidos so continuidade, equilbrio de fora e resistncia. A relao de continuidade simplesmente um caso de conservao da matria. M = win wout Em que, M massa do fluido dentro do sistema Win fluxo de massa que entra Wout fluxo de massa que sai H = 1/A (win w out) Em que, A rea do tanque - densidade da gua h = m/A - altura do tanque Giovanni Francisco Rabelo & Roberto Alves Braga Jr

Eletricidade e Automao DEG / UFLA m massa do fluido

A fora aplicada ser: F = p.A, em que P presso do fluido A rea onde o fluido atua

Resposta dinmica Existem 3 maneira (domnios) para analisar resposta de sistemas, a saber: Plano s Resposta em freqncia Espao estado (equaes de estado) A Transformada de Laplace transforma equaes diferenciais em equaes algbricas. Determinando a funo de transferncia pode-se determinar os plos e zeros que nos informam sobre algumas caractersticas do sistema, a saber: 1 a resposta de um sistema linear obedece o princpio da superposio; 2 A resposta de um sistema linear constante pode ser expressa como a convoluo da entrada com a resposta do sistema ao impulso unitrio. A resposta de um sistema linear constante a uma entrada exponencial tambm exponencial.

Funo de Transferncia de um Sistema Um entrada est resulta em uma sada H(s). est. A funo H(s) chamada de funo de transferncia. A constante (s) deve ser complexa s = + jw. U(t) = est

H(s) = / h(t)dt essa integral no precisa ser resolvida para se encontrar a funo de transferncia, onde assumimos a equao na forma y(t) = H(s). est, substituindo ela dentro da equao diferencial do sistema, para resolver a funo de transferncia H(s). Exemplo: Encontre a funo de transfer6encia


Eletricidade e Automao DEG / UFLA Y=? U = est Y(t) + ky(t) = u(t) = est Assumimos que a soluo de y(t) ser: Y(t) = H(s) . est, ento, Y(t) = sH(s). est, que substituindo em (1), resulta: SH(s). est + k.H(s). est = est H(s) (s + k) = 1 H(s) = 1/ s + k, ou seja, y(t) = (1/s + k) . est

(1)

Resposta em freqncia: Uma maneira muito comum de se utilizar a resposta em exponencial de um sistema linear encontrar a sua resposta em freqncia ou resposta entrada senoidal. Primeiro, expressamos a senide como uma soma de duas exponencial (relao de Euler). A cos(wt) = A/2 (ejwt + e-jwt) Se fizermos s = jw, na sua equao bsica da funo de transferncia y(t) = H(s).u(t), ento a resposta u(t) = ejwt : Y(t) = H(jw) ejwt Similarmente, a resposta e-jwt : Y(t) = H(-jw).e-jwt. Por superposio, a resposta s duas exponenciais, que formam a funo coseno, ser: Y(t) = A/2[H(jw).ejwt + H(-jw).e-jwt] A funo de transfer6encia H(jw) um nmero complexo que pode ser representado na forma polar ou em magnitude (mdulo) e ngulo de fase, dado por: H9jw) = M(w).ej(w) ou H = M.ej Y(t) = A/2 M (ej(wt +) Y = AMcos(wt + ) Isto significa que o sistema representado pela funo de transferncia tem uma entrada senoidal de magnitude A, tem uma resposta senoidal de magnitude AM, na mesma freqncia, porm defasada de um ngulo (). Giovanni Francisco Rabelo & Roberto Alves Braga Jr+

e-j(wt + ))

Eletricidade e Automao DEG / UFLA Exemplo: Encontre a resposta do exemplo anterior uma entrada senoidal do tipo u = Acos(wt) Y+ ky = u H(s) = 1/s +k H = 1/jw +k M = 1/raiz(w2 + k2) = tang-1 (-w/k) Y(t) = AM cos(wt + )



O Grfico a seguir mostra o resultado de um controle on-off de temperatura de uma caixa dgua por meio de um controlador dedicado de controle proporcional. Grfico da evoluo da temperatura de uma caixa dgua por meio de um controlador dedicado e com controle tipo proporcional.35,00

34,00

33,00

32,00

31,00

30,00

Seqncia1

29,00

28,00

27,00

26,00

25,00 1 43 85 127 169 211 253 295 337 379 421 463 505 547 589 631 673 715 757 799 841 883 925 967


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