Aula 05 - Sensores e Atuadores

7/17/2019 Aula 05 - Sensores e Atuadores

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AULA 05

SENSORES E ATUADORES

INFORMÁTICA INDUSTRIAL I – ENG1016

PROF. LETÍCIA CHAVES



1. Cadeia de comando

Sensores, botoeiras, fim de curso decame ou rolete, barreiraspneumáticas ou fotoelétricas, pedais

Motores, cilindros, atuadores emgeral.

Válvulas, contatores de potência

Válvulas, relés, CLP, contatores.

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Elementos de

Controle

Elementos de

Comando

Elementos de

Trabalho

Elementos de

sinais



2. Sensores3

A indústria trabalha continuamente para desenvolverprodutos com mais velocidade e menor custo. Pelaautomação de processo, é possível alcançar estes

objetivos mantendo altos níveis de qualidade econfiabilidade.

O uso de sensores e chaves para detecção de posição é

fundamental para monitorar, regular e controlar aautomação das máquinas envolvidas nos processos defabricação.



2. Sensores4

Um sensor é um aparelho para detectar e sinalizar umacondição que se altera. Pode ser a presença ou ausênciade um objeto. Pode ser uma quantidade mensurável como

uma distância. Esta informação que se obtém a partir dasaída de um sensor é a base para a monitoração econtrole de processos.



2. Sensores5

São dispositivos amplamente utilizados na automaçãoindustrial que transformam variáveis físicas, como posição,velocidade, temperatura, nível, etc., em variáveis

convenientes.

Se as variáveis são elétricas, a informação pode ser detensão ou corrente.

As de corrente são mais utilizadas por possuírem maiorimunidade à captação de ruído eletromagnéticos.



Cuidados nas especificações de sensores

Conexão Modelos de sensores

Especificações das entradas do CLP Produtos com adequação ao ambiente

6

?

2. Sensores



2. Sensores7

Para a automação o principal objetivo é comandareventos, por exemplo, a chegada de um objeto a umaposição, um nível de um líquido a um valor, etc.

Suas saídas são então do tipo 0 – 1, “on” – “off”, isto é,binárias.

São estes sensores que damos o nome de Sensoresdiscretos



2. Sensores8

Sensores discretos se dividem em:

Contato mecânico (entre o processo e o sensor);

Sem contato (sensores de proximidade):São mais importantes pela flexibilidade na solução de

problemas de instalação quanto pelo menor desgaste em

uso, o que significa maior confiabilidade.



2.1 Sensores de Contato Mecânico9

Uma força entre o sensor e o objeto é necessária paraefetuar a detecção do objeto.

Quanto um objeto entra em contato físico com o atuador,o dispositivo opera os contatos para abrir ou fechar umaconexão elétrica.

Possuem corpo reforçado para suportas forças mecânicasdecorrentes do contato com os objetos.



2.1 Sensores de Contato Mecânico10

Dispositivos primários para comunicar uma detecção deevento, seja uma intervenção do operador ou um aviso deque um certo estado foi atingido, por alguma variávelfísica do processo.

Fecham grupo de contatos para permitir a passagem decorrente elétrica.

Sinal decorrente do fechamento está sujeito ao ruídoprovocado pela vibração da parte mecânica (rotina doCLP deve filtrar).



2.1.1 Chave Botoeira

A chave mais comumente utilizada na indústria é abotoeira. Existem dois tipos de chaves botoeira: a deimpulso e a de trava (ou retenção).

A botoeira de impulso (push-button) é ativada quando obotão é pressionado e desativada quando o botão é solto,sendo a desativação feita por uma mola interna.

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O botão de trava (ou retenção) é ativado quando épressionado, e se mantém ativado quando é liberado. Para

desativá-lo é necessário pressioná-lo uma segunda vez.

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Dentro das chaves há dois tipos de contatos:

Normalmente aberto: NA ou NO (do inglês normally open)

Normalmente fechado: NF ou NC (do inglês normally closed).

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2.1.1 Chave Botoeira14

RELAÇÃO DAS CORES E SIGNIFICADOS DAS BOTOEIRAS

Cor Significado Explicação Ex. aplicação

Vermelha Emergência Atuar no caso de condições perigosas ouemergência

Parada de emergência. Início de umafunção de emergência

Amarela Anormal Atuar no caso de um evento anormal Intervenção para suprir condições

anormais. Intervenção para rearmarum ciclo automático interrompido

Verde Normal Atuar no caso de um evento normal

Azul Obrigatório Atuar em condições que requerem ações

obrigatórias

Função de reset

Branca Sem designaçãoespecífica

Para uso geral, menos emergência Marcha / ON (preferível)Parada / OFF

Cinzenta Sem designaçãoespecífica

Para uso geral, menos emergência Marcha / ON: preferívelParada / OFF

Preta Sem designaçãoespecífica

Para uso geral, menos emergência Marcha / ONParada / OFF (preferível)



2.1.2 Chaves de pé (pedal) e seletoras

Chaves de pé (ou pedal): utilizadasquando o operador necessita das mãospara exercer outra atividade.

Chaves seletoras: apresentam váriasposições.

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2.1.3 Chaves-limite ou de Fim de curso

Detectam posição de objetos ou materiais Estabelece ou interrompe um contato elétrico

Micro-switch: vida média de 10 milhões de

operações.

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2.1.4 Chaves de nível

Monitora o nível de tanques oudepósitos (condutiva, capacitiva,magnéticas, etc).

A alteração do nível o dispositivode flutuação se desloca, acionandoum contato.

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2.1.4 Chaves de nível18



2.1.5 Chaves de fluxo

Detectar vazão de fluidos (como ar, água, óleo ou gás);

O rotor se movimenta com a vazão do fluido e ativa umcontato;

Faixa de regulagem.

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2.1.5 Chaves de fluxo20



2.1.6 Chaves de pressão - Pressostatos

Detectam nível de pressão deum fluido ou recipiente.

Usam um fole que acionacontatos elétricos.

Quando a pressão no foleultrapassa a tensãopredeterminada em mola, ocontato é ativado.

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2.1.7 Chaves de temperatura - Termostatos

Bimetálicos e bulbocapilar para contatosde chaveamentos

Fornecem um contatoquando uma

determinadatemperatura éultrapassada

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2.2 Sensores de proximidade23

Opera eletronicamente sem contato físico, por aproximação Insensível a vibrações Ponto de acionamento constante

Indutivos

Magnéticos Capacitivos Fotoelétricos ou óticos Sensor ótico de reflexão difusa ou sensor difusoÓtico de barreiraÓtico retrorreflexão ou retrorreflexivo Fibra ótica

Ultra-sônicos



2.2.1 Indutivos

Detecta objeto metálicos

Princípio: Variação de campomagnético

NPN ou PNP

Vantagens Desvantagens- Resiste a ambiente severos- Vida longa- Fácil instalação- Não depende da cor do objeto alvo

- Limitação de distância- Somente detectam objetos metálicos- Sensível a interferências

eletromagnéticas

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25

2.2.1 Indutivos



2.2.1 Indutivos26



2.2.1 Indutivos27

Bobinas: a bobina e a montagem em núcleo de ferritegeram um campo eletromagnético a partir da energia dooscilador.

Oscilador: fornece a energia necessária para a geraçãodo campo magnético nas bobinas.



2.2.1 Indutivos28

Circuito de disparo: detecta mudanças na amplitude deoscilação. As mudanças ocorrem quando um alvo demetal se aproxima do campo magnético irradiado pelosensor.

Circuito de saída: quando uma mudança suficiente nocampo magnético é detectada, a saída em estado sólido

fornece um sinal a uma interface para um CLP oumáquina. O sinal indica a presença ou ausência de umalvo de metal na distância do sensor.



2.2.1 Indutivos29



2.2.1 Indutivos30

Os catálogos dos fabricantes sempre descrevem adistância sensora nominal considerando um objeto-alvopadrão de aço, denominado alvo-padrão. Distânciasensora é a distância máxima de operação para a qualo sensor é projetado.

Metais distintos têm valores diferentes de resistividade,

assim o tipo de metal afeta a distância sensora. Deacordo com o tipo de material a ser utilizado, énecessário um fator de correção da distância sensora.



2.2.1 Indutivos31



2.2.2 Sensores Magnéticos

São mais robustos e duráveis.

Consiste de duas lâminas de contato elétrico no interior deuma ampola preenchida com gás inerte.

Quando há a aproximação de um ímã externo, as lâminas seunem e fecham contato.

Muito utilizados em cilindros pneumáticos.

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2.2.3 Capacitivos

Formados por duas placas paralelas separadas por ummaterial dielétrico, com capacitância dada por:

As estruturas para montagem de sensores capacitivospodem utilizar elementos com variação na separaçãoentre as placas (δ [m]), com variação na área comum

entre as placas (A [m2]) ou com variação no dielétrico (ε[F/m]).

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2.2.3 Capacitivos

Em geral a área das placas e sua distância são fixas,porém a constante dielétrica ao redor varia de acordocom o material do objeto que se encontra na proximidadedo sensor.

São similares aos sensores indutivos com a diferença queproduzem um campo eletrostático, em lugar do campo

eletromagnético.

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2.2.3 Capacitivos

Detectam objetos metálicos e não-metálicos, como papel,vidro, líquidos e tecidos, a distâncias de até algunscentímetros.

Pequena distância sensora. Taxa de comutação alta para a resposta rápida em

aplicações de contagem de objetos.

Detectam alvos líquidos através de barreiras não

metálicas (como vidro e plástico), Longa vida operacional, com um número virtualmente

ilimitado de ciclos de funcionamento.

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2.2.3 Capacitivos

Constante dielétricas típicas (tabela abaixo):

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2.2.3 Capacitivos - Aplicações

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2.2.4 Sensores fotoelétricos

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Emitem um feixe de luz e detectam as alteraçõesda intensidade de luz recebida em consequênciado movimento de objetos opacos.

Possuem emissor de impulsos rápidos de luzinfravermelha e um receptor.

1 mm a 10 m

Sem contato com o objeto Qualquer tipo de material



2.2.4.1 Reflexão difusa

Reage ao sinal luminoso refletido pela superfície doobjeto a detectar. A distância de detecção depende dasqualidades reflexivas da sua superfície.

Emissor e Receptor estão numa mesma peça.

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2.2.4.2 Ótico retro reflexivo

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Emissor e Receptor estão são montados juntos. O feixe de luz emitido é refletido de volta ao o receptor,

por uma superfície refletora, enquanto não houver nenhumobjeto interposto.

Detecta proximidade em até 10m. Interrompida a reflexão da luz pelo objeto a detectar,

fecha-se ou abre-se um contato elétrico.



2.2.4.3 Barreira

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Emissor e Receptor estão são montados separadamente. O objeto a ser detectado interrompe o feixe de luz

enviado ao receptor.

Detecta proximidade em até 10m.



2.2.4.4 Ótico – fibra ótica

Grande sensibilidade

São dispositivos de grande utilidade. A função do cabo

de fibra ótica é fazer a transmissão do sinal luminoso dosensor ao local onde se deseja a detecção do objeto.

Os cabos de fibra ótica reproduzem os efeitos dos

sensores por reflexão difusa, retrorreflexão ou barreirade luz.

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2.2.4.4 Ótico – fibra ótica43



2.2.4.4 Óticos - Aplicações

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2.2.5 Sensores Ultrassônicos

A medida de deslocamentos ou distâncias por meio deultrassom utiliza um circuito eletrônico que gera um trem depulsos para excitar um transdutor piezoelétrico*. Este geraum pulso de pressão acústica que se propaga no ar até

atingir o alvo.

Parte da energia acústica do pulso retorna ao transdutorem forma de eco após um certo intervalo de tempo.

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Medindo-se este intervalo detempo e sabendo avelocidade do som no arpode-se calcular a distância

entre o transdutor e oanteparo

Vários materiais

Não depende da cor ou domaterial

Presença ou nível

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Existem dois tipos básicos de geradores ultrassônicos:

Eletrostáticos: utilizam efeitos capacitivos para a geração

do ultrassom. Apresentam fundos de escala maiores, maiorbanda passante, porém são muito sensíveis a parâmetrosambientais, como umidade.

Piezoelétricos: baseiam-se nas tensões mecânicas quecristais e cerâmicas sofrem quando submetidos a camposelétricos. São bastante resistentes e baratos.

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2.2.5 Encoders

São Codificadores Digitais Angulares para medição diretade posição ou de deslocamento angular.

Podem ser Incrementais (requerem um sistema decontagem de incrementos gerados por um disco girante) ouAbsolutos (fornecem uma saída digital para qq. posiçãoangular do eixo).

Os Absolutos podem ser construídos com técnicas de SlipRing (anel com contatos deslizantes), técnicas magnéticas ouóticas.

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2.2.5 Encoders

O encoder absoluto possui codificação binária no discocom um sistema ótico para extração da informação.

Usa uma fonte de luz (LED, emissor UV ou IV) e um sistemade dispositivos fotossensíveis (fotocélulas, fotodiodos,detectores de UV ou IV) com uma fenda ou máscara paradefinir a região ativa.

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3. Atuadores

Atuadores ou Dispositivos desaída são elementos de campousados para executar asinstruções do elemento decomando (Ex.: PLC).

São como mãos do CLP quegeralmente tem capacidadepara ativar uma grande

variedade de elementos queatuarão sobre uma plantaindustrial.

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(Atuadores)

Músculos



3.1 Atuador eletromecânico

Solenoides Dispositivo composto de uma bobina e um elemento

mecânico de acionamento (induzido), que produz ummovimento de translação.

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3.1 Atuadores eletromecânicos

Solenoides

Movimento contínuo Solenoides proporcionais.

O deslocamento é linearao sinal de tensão(analógico).

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3.1Atuadores eletromecânicos

Solenoides

Movimento discreto Possui duas posições

preferenciais: aberto eoutra fechada (digital).

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3.2 Relés54

Dispositivo que, alimentado eletricamente (correntebaixa) resulta o chaveamento de um sinal elétrico(corrente alta).

Tipos Eletromecânicos

Semicondutores



3.2.1 Relés eletromecânicos

Uma corrente elétricapassando por umabobina provoca força

mecânica em um núcleometálico que comutacontatos

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3.2.2 Relés semicondutores

Dispositivos comotransistores, FET’s, triacsque utilizam uma saída

de baixa corrente doCLP para chavear umacarga mais alta

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3.3 Contatores

Capacidade de chavearaltas cargas de corrente(>10A)

Em alguns casos a bobina échaveada por um contato arelé (montagem em cascata) Isto quando o I da bobina é

maior que I da saída do CLP

Motores, aquecedores etc.

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4. Exercícios

1. A esteira de uma linha de produção transporta canecasnas cores vermelha, branca, azul e preta. As canecasdevem ser automaticamente separadas e contadasconforme sua cor. Quantos sensores óticos trabalhando

por reflexão seriam necessários para tornar esse projetotecnicamente viável?

2. O que deve ser considerado na escolha de sensores do

tipo capacitivo e do tipo indutivo?

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4. Exercícios

3. Uma prensa industrial, quando aberta, apresenta um vãode 1m de largura por 1,2m de altura, por onde ooperador insere continuamente peças para seremestampadas. Como garantir que a prensa não seja

acionada enquanto as mãos do operador estiverem naárea de prensagem? Explique as características doequipamento utilizado nesse projeto.

4. No depósito de um supermercado queremos separarautomaticamente, na esteira transportadora, papelhigiênico de garrafas de água. Que sensor utilizar e porquê?

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Bibliografia

MORAES, Cícero Couto de; CASTRUCCI, Plínio de Lauro.Engenharia de Automação Industrial. 2. Ed. Rio de Janeiro: LTC,2012.

SOLOMAN, Sabrie. Sensores e sistemas de controle naindústria. 2.ed. Rio de Janeiro: LTC, 2012.

CAPELLI, Alexandre. Automação Industrial: Controle domovimento e processos contínuos. 2. ed. São Paulo: Érica, 2008.

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