MARINHA DO BRASIL DIRETORIA DE PORTOS E COSTAS ENSINO PROFISSIONAL MARTIMO

MDULO DE AUTOMAO UEA-11 UNIDADE DE ESTUDO AUTNOMO

2.edio Rio de Janeiro 2009

Autor: Francisco DIOCLIO Alencar de Oliveira Reviso Pedaggica: Francisco DIOCLIO Alencar de Oliveira Reviso Ortogrfica:Luiz Fernando

Concesso de Publicao de

____________ exemplares a:

Diretoria de Portos e Costas Rua Tefilo Otoni, no 4 Centro Rio de Janeiro, RJ 20090-070 http://www.dpc.mar.mil.br secom@dpc.mar.mil.br

Depsito legal na Biblioteca Nacional conforme Decreto no 1825, de 20 de dezembro de 1907 IMPRESSO NO BRASIL / PRINTED IN BRAZIL

MENSAGEM AOS ALUNOSEnsina-nos a Pedagogia que na aprendizagem h duas operaes distintas: a compreenso e a fixao. No aprendizado de uma tecnologia, os alunos tm de observar e agir, de raciocinar e concluir, e cabe ao professor gui-los e orient-los nessas tarefas. Na fase da compreenso, a misso do professor criar condies para os alunos compreenderem os assuntos ministrados. Assim, nessa fase necessrio que os alunos observem os fenmenos, os objetos ou as imagens filmadas, fotografadas, desenhadas ou esquematizadas, alm de vivenciarem atividades prticas, aplicando os conhecimentos construdos, conforme o assunto ministrado. O recurso ao livro s deveria ser feito por necessidade de observar esquemas que completassem as folhas tarefas. Na fase da avaliao da aprendizagem, indispensvel o uso do(s) livro(s), pois esse(s) tero como objetivo facilitar-lhes a recordao dos fundamentos que apreenderam, mas que no puderam reter. Mas tais livros, de acordo com a Psicologia e a Didtica atual, tero de ser necessariamente concisos e com linguagem de fcil entendimento porque, uma vez compreendido o assunto, a sua sedimentao passa a ser funo do nmero de leituras e de observaes esquemticas, nmero esse que inversamente proporcional extenso. No ensino a distncia (EAD), estas recomendaes sobre os livros, tornam-se mais necessrias, pois o contato do aluno com o professor limitado. Assim, pretendemos, com esse livro-texto, propiciar ao estudante ou ao leitor interessado snteses claras dos princpios e explicaes sucintas dos assuntos que envolvem a automao industrial. Por outro lado, defendemos a tese de que um livro comum ou eletrnico (CD), ou qualquer outro material didtico elaborado com base no programa de curso da disciplina, no deve ser encarado como o nico meio de se atingir os objetivos. Outros livros devem ser consultados periodicamente, assim como imprescindvel o apoio de meios auxiliares, tais como: audiovisuais, filmes e experincias de laboratrios, vivenciando a construo do conhecimento. Analisando os cursos anteriores, verificamos que muitos alunos no respondem determinadas questes em provas ou no sabem executar algumas tarefas, simplesmente por no terem dado importncia a contextualizao histrica ou mesmo no ter entendido os princpios bsicos. Assim sendo, recomendarmos aos estudantes que no desprezem os contedos que tratam da histria sobre como determinadas tecnologias evoluram. Lembramos que todo o contedo exposto neste material didtico, mesmo no tendo sido estabelecido no sumrio (programa) da disciplina, de valiosa importncia para quem deseja obter um conhecimento slido sobre automao de processos industriais. Esta edio tem como propsito oferecer-lhes conhecimentos cientficos e tecnolgicos especificados no currculo do Curso de Aperfeioamento de Aquavirios de Mquinas Martimos a fim de alcanar determinadas competncias e habilidades. Desta forma este livro-texto se propem a:

I

Proporcionar ao aluno conhecimento para interpretar, monitorar, operar e efetuar a manuteno em sistemas de automao aplicados a navios com mquinas propulsoras de ate 3.000 kW de potncia. Algumas figuras so apenas para reflexo ilustrando a descrio outras so especficas do contedo estudado necessitando, portanto, de maior ateno. Por fim, ao final de cada captulo apresentamos um exerccio para que voc possa fazer uma auto-avaliao do conhecimento adquirido. Caso voc tenha dificuldade para responder as questes propostas ou queira que faamos a correo, entre em contato atravs de carta ou de e-mail, que teremos a maior boa vontade em lhe ajudar. Esforamo-nos para que este livro texto fosse claro e atendesse a todas as recomendaes didticas. Oxal o tenhamos conseguido. Caso seja do agrado do leitor nos escrever, dando conta da aplicabilidade deste material didtico ou fazendo algumas sugestes construtivas, ficaremos gratos pela sua ateno.Francisco DIOCLIO Alencar de Oliveira, concluiu o Mestrado em Educao na rea de Administrao e Superviso Escolar na UNICAMP em 1996, com a Dissertao: A Formao do Oficial de Mquinas da Marinha Mercante do Brasil; concluiu o Curso (superior) de Aperfeioamento para Oficial de Mquinas no CIABA (1985); Graduado pela UFPA (1978) como Professor da rea de mecnica de: tecnologia, fabricao e desenho tcnico mecnico; formado pela EMMPA (1972) como Oficial de Mquinas da Marinha Mercante. Possui diversos cursos de automao industrial especficos, desenvolvidos pelo IBP: Automao e Robtica Industrial. (FEM-UNICAMP 1992); Produtividade e Tecnologia de Grupo nos Sistemas de Manufatura. (FEM-UNICAMP 1992); Controladores Lgicos Programveis. (SENAI 1996); Instrumentao e Controle de Caldeiras. (ISQP 1997); Bsico de Instrumentao e Controle (IBP 2000); Instrumentao Analtica Aplicada a Analisadores de Processo (IBP 2000); Avanado de Instrumentao e Controle (IBP 2002); Projeto de Instrumentao (IPB 2004); Sistemas Inteligentes para Controle, Automao e Otimizao de Processos (IBP 2005). Foi Oficial de Mquinas nos navios do extinto Loide Brasileiro; Professor do CIABA; Professor de Mecnica em Escola Profissional do Estado do Par; Perito da ONU agncia da IMO, como Professor e Diretor do Departamento de Mquinas da Escola Nutica da Repblica de Cabo Verde (1985-1991); e professor da disciplina Aspectos Scio-filosfico da Educao, da Universidade ABEU. Atualmente professor das disciplinas especficas de mquinas e automao industrial e, Chefe do Departamento de Ensino de Mquinas do CIAGA.IOCLIO FRANCISCO DIOCLIO ALENCAR DE OLIVEIRA

E-mail: dioclevelis@ig.com.br

II

COMO USAR O LIVRO TEXTOAntes de cada unidade de ensino especificado as competncias que o aluno deve alcana com o estudo. No final de cada captulo disponibilizado um exerccio para autoavaliao, desenvolvido com base nas habilidades propostas para serem adquiridas, conforme definidas no Sumrio da disciplina. 1. Como voc deve estudar cada unidade? Ler a viso geral da unidade. Estudar os conceitos, as definies, as caractersticas e explicao de funcionamento e anlise dos exemplos contemplados em cada unidade. Responder s questes para reflexo. Realizar a auto-avaliao. Realizar as tarefas. Comparar a chave de respostas e encaminhar as respostas dos exerccios para o Orientador de Aprendizagem. 2. Viso geral da unidade A viso geral do assunto apresenta as competncias que devem ser alcanadas com os estudos. 3. Contedos da unidade Leia com ateno o contedo, procurando entender e fixar os conhecimentos por meio dos exerccios propostos. Se voc no entender, refaa a leitura e os exerccios. muito importante que voc entenda e domine os conhecimentos. 4. Questes para reflexo So questes que ressaltam a idia principal do texto, levando-o a refletir sobre os temas mais importantes deste material. 5. Auto-avaliao So testes que o ajudaro a se auto-avaliar, evidenciando o seu progresso. Realize-os medida que apaream e, se houver qualquer dvida, volte ao contedo e reestude-o. 6. Tarefa D a oportunidade para voc colocar em prtica o que j foi ensinado, testando seu desempenho de aprendizagem. 7. Respostas dos testes de auto-avaliao D a oportunidade de voc verificar o seu desempenho, comparando as respostas com o gabarito que se encontra no final do Manual.III

8. Competncias a serem adquiridas Aps estudar todas as Unidades de Estudo Autnomo (UEA) deste mdulo, voc estar apto a realizar uma avaliao da aprendizagem. 9. Smbolos utilizados Existem alguns smbolos no manual para gui-lo em seus estudos. Observe o que cada um quer dizer ou significa.

Este lhe diz que h uma viso geral da unidade e do que ela trata. Ou melhor, define a competncia que voc dever alcanar. Este lhe diz que h, no texto, uma pergunta para voc pensar e responder a respeito do assunto. Este lhe diz para anotar ou lembrar-se de um ponto importante. Este lhe diz que h um exerccio resolvido Este lhe diz que h uma tarefa a ser feita por escrito. Este lhe diz que h um teste de auto-avaliao para voc fazer. Este lhe diz que esta a chave das respostas para os testes de auto-avaliao, perguntas e tarefas.

IV

SUMRIO1 EVOLUO DA TECNOLOGIA DE CONTROLE........................................................................1 1.1 DEFINIES, CONCEITOS E IMPORTNCIA DA AUTOMAO .......................................2 1.2 A CONCEPO HUMANA DO TRABALHO ..........................................................................5 1.3 EVOLUO DAS TCNICAS INDUSTRIAIS.........................................................................6 1.4 EVOLUO DO EMPREGO DAS FONTES DE ENERGIA FLUIDAS..................................11 1.5 DESENVOLVIMENTO DO COMRCIO E DA INDSTRIA..................................................17 1.5.1 1.6.1 1.7.1 1.7.2 1.7.3 1.7.4 1.8.1 Desenvolvimento da Manufatura ...............................................................................20 Desenvolvimento dos Motores de Combusto Interna ..............................................30 Sistema.......................................................................................................................32 Perodo Emprico ou Experimental ............................................................................33 Perodo da Mecanizao ou Automatizao..............................................................34 Perodo da Automao Propriamente Dita ................................................................41 Implicaes Tcnicas e Sociais da Automao dos Navios ......................................50 1.6 DESENVOLVIMENTO DA CINCIA DAS MQUINAS ........................................................23 1.7 IMPORTNCIA DOS SISTEMAS DE CONTROLE INDUSTRIAL ........................................32

1.8 EVOLUO DA AUTOMAO NOS NAVIOS.....................................................................471.8.1.1 Normas Tcnicas Aplicadas a Praa de Mquinas Desguarnecidas.......................................................52

1.9 DESENVOLVIMENTO DA INFORMTICA ..........................................................................56 1.10 TESTE DE AUTOAVALIAO DA UNIDADE 1 .................................................................63 2 FUNDAMENTOS DO CONTROLE AUTOMTICO ...................................................................66 2.1 ELEMENTOS DOS SISTEMAS DE AUTOMAO INDUSTRIAL........................................67 2.2 NORMAS TCNICAS ...........................................................................................................70 2.2.1 2.2.2 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4 Norma Tcnica S5.1 da ISA.......................................................................................71 Padres de Comunicaes ........................................................................................74 Classificao dos Controles de Processos ................................................................79 Controle Manual .........................................................................................................81 Malha Aberta (open-loop)...........................................................................................82 Comando Automtico Industrial .................................................................................82

2.3 TCNICAS DE CONTROLE DE PROCESSO ......................................................................79

2.3.4.1 Comando Simples..................................................................................................................................83 2.3.4.2 Comando com Neutralizao.................................................................................................................83 2.3.4.3 Comando de Entrada Fixa .....................................................................................................................84 2.3.4.4 Comando de Entrada Varivel...............................................................................................................84 2.3.4.4.1 Comando Temporizado............................................................................................. 84 2.3.4.4.2 Comando Seqenciado............................................................................................. 84

2.3.5 2.3.6 2.3.7

Malha Fechada (close-loop).......................................................................................84 Controle Automtico de Processos Industriais ..........................................................85 Classificao dos Tipos de Controle Automtico.......................................................86

2.3.7.1 Controle Auto-operado..........................................................................................................................88 2.3.7.2 Automatizao.......................................................................................................................................88 2.3.7.3 Automao ............................................................................................................................................90

2.4 CARACTERSTICAS BSICAS DOS PROCESSOS ...........................................................90V

2.4.1 2.4.2

Mudana na Carga do Processo............................................................................... 91 Inrcia do Processo................................................................................................... 92

2.4.2.1 Resistncia............................................................................................................................................ 92 2.4.2.2 Capacitncia ......................................................................................................................................... 92 2.4.2.3 Tempo Morto........................................................................................................................................ 94

2.5 ESTRATGIAS DE AUTOMAO DE PROCESSOS INDUSTRIAIS................................. 94 2.5.1 2.5.2 Controle Antecipativo (Feedforward)......................................................................... 96 Controle Automtico Descontnuo (on-off) ................................................................ 97

2.5.2.1 Controle Automtico Descontnuo (on-off) com Zona Morta............................................................... 98 2.5.2.2 Controle Descontnuo (on-off) por Vlvula Termosttica................................................................... 101

2.5.3

Controle Automtico Contnuo ................................................................................ 101

2.5.3.1 Controle Proporcional (P)................................................................................................................... 102 2.5.3.2 Controle Integral................................................................................................................................. 105 2.5.3.3 Controle Derivativo ............................................................................................................................ 105 2.5.3.4 Controle Proporcional mais Integral (PI)............................................................................................ 105 2.5.3.5 Controle Proporcional mais Derivativo (PD)...................................................................................... 107 2.5.3.6 Controle PID....................................................................................................................................... 108

2.6 TESTE DE AUTOAVALIAO DA UNIDADE 2................................................................. 108 3 INSTRUMENTAO DE CONTROLE .................................................................................... 110 3.1 GENERALIDADES .................................................................................................................. 111 3.2 TERMINOLOGIA TCNICA DA INSTRUMENTAO INDUSTRIAL .................................................... 113 3.2.1 3.2.2 3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.3.4 3.3.5 3.3.6 Segurana Intrnseca .............................................................................................. 116 Unidades Fundamentais. ........................................................................................ 117 Definio de Presso .............................................................................................. 120 Escala de Presso................................................................................................... 122 Classificao dos Instrumentos Medidores de Presso ......................................... 126 Manmetro de Coluna Lquida. ............................................................................... 127 Manmetro de Tubo em L Inclinado. .................................................................... 128 Barmetro ................................................................................................................ 129

3.3 MEDIDORES DE PRESSO ..................................................................................................... 119

3.3.6.1 Barmetro de Cisterna ........................................................................................................................ 130 3.3.6.2 Barmetro Metlico ou Aneride. ...................................................................................................... 130

3.3.7

Manmetros por Deformao Elstica (Mecnicos) ............................................... 131

3.3.7.1 Manmetro de Diafragma................................................................................................................... 132 3.3.7.2 Manmetro de Fole............................................................................................................................. 133 3.3.7.3 Manmetro de Bourdon...................................................................................................................... 134

3.3.8

Medidores e Sensores de Presso Eltricos. ......................................................... 135

3.3.8.1 Calibre de Tenso ............................................................................................................................... 136 3.3.8.2 Sensores Piezeltricos......................................................................................................................... 137 3.3.8.3 Sensores Piezoresistivos ..................................................................................................................... 138

3.4 MEDIDORES DE TEMPERATURA ............................................................................................. 138 3.4.1 Temperatura ............................................................................................................ 1393.4.1.1 Escalas de Temperatura ...................................................................................................................... 140 3.4.1.2 Pontos Fixos de Temperatura ............................................................................................................. 142

3.4.2 3.4.3 3.4.4 3.4.5

Classificao dos Medidores de Temperatura ........................................................ 143 Termmetro de Lquido com Bulbo de Vidro........................................................... 143 Termmetro Bimetlico ........................................................................................... 145 Termmetro Tipo Presso Mola.............................................................................. 147

3.4.5.1 Termmetro de Bourdon Enchimento com Lquido ........................................................................... 148 3.4.5.2 Termmetro de Bourdon de Enchimento Lquido e Vapor................................................................. 150

3.4.6

Termmetro de Bourdon de Enchimento Lquido e Gs......................................... 150VI

3.4.6.1 Sistemas de Compensao...................................................................................................................151

3.4.7

Termopar ..................................................................................................................153

3.4.7.1 Principio de Funcionamento do Termopar ..........................................................................................154 3.4.7.2 A f.e.m. de Peltier................................................................................................................................154 3.4.7.3 A f. e. m. Thomson..............................................................................................................................155 3.4.7.4 Material dos Termopares .....................................................................................................................155

3.4.8 3.4.9 3.5.1

Pirmetro ..................................................................................................................161 Termoresistncia......................................................................................................162 Medidores Diretos ....................................................................................................166

3.5 MEDIDORES DE NVEL .....................................................................................................1633.5.1.1 Sonda...................................................................................................................................................166 3.5.1.2 Visor....................................................................................................................................................166 3.5.1.3 Bias....................................................................................................................................................168

3.5.2

Medidores Indiretos Baseados na Presso Hidrosttica .........................................171

3.5.2.1 Tipo Caixa de Diafragma ....................................................................................................................171 3.5.2.2 Tipo Presso Diferencial .....................................................................................................................172 3.5.2.3 Tipo DP-Cell .......................................................................................................................................172 3.5.2.4 Tipo Manomtrico com Sistema Pneumtico (Borbulhamento)..........................................................173 3.5.2.5 Medidores de Nvel Baseados no Deslocamento.................................................................................174

3.5.3

Medidores de Nvel Eltricos ...................................................................................175

3.5.3.1 Medidores de nvel por condutividade eltrica....................................................................................175 3.5.3.2 Medidores de Nvel Capacitivos..........................................................................................................176

3.5.4 3.5.5 3.6.1 3.6.2

Medidor de Nvel Radioativo ....................................................................................176 Medio de Nvel de Slidos....................................................................................177 Grandezas Fsicas e Caractersticas dos Lquidos.................................................178 Princpios Fsicos .....................................................................................................182

3.6 MEDIDORES DE VAZO ...................................................................................................178

3.6.2.1 Quantidade em volume de lquido num determinado perodo de tempo..............................................184 3.6.2.2 Medio da vazo do lquido na unidade de tempo .............................................................................185

3.6.3

Medidores de Vazo do Tipo Presso Diferencial ...................................................186

3.6.3.1 Tomada Piezomtrica ..........................................................................................................................187 3.6.3.2 Tubo Pitot............................................................................................................................................187 3.6.3.3 Tubo Venturi .......................................................................................................................................188 3.6.3.4 Bocal ou Tubo de Vazo .....................................................................................................................189 3.6.3.5 Placa de Orifcios ................................................................................................................................189

3.6.4 3.6.5

Medidores de Vazo de rea Varivel.....................................................................190 Medidores Volumtricos...........................................................................................191

3.6.4.1 Rotmetros ..........................................................................................................................................190 3.6.5.1 Tanque Medidor ..................................................................................................................................191 3.6.5.2 Disco Nutante......................................................................................................................................191 3.6.5.3 Movimento Alternativo .......................................................................................................................192 3.6.5.4 Movimento rotativo oscilante..............................................................................................................192

3.6.6 3.6.7 3.6.8 3.7.1 3.7.2 3.7.3

Deslocamento Positivo do Fluido.............................................................................192 Medidores Eletromagntico......................................................................................195 Medidor de Vazo Ultra-Snico ...............................................................................196 Vlvula de Deslocamento Linear .............................................................................198 Vlvula de Deslocamento Rotativo ..........................................................................199 Componentes da Vlvula de Controle .....................................................................199

3.6.6.1 Medidores de turbina...........................................................................................................................193

3.7 ELEMENTO FINAL DE CONTROLE ..................................................................................197

3.7.3.1 Conjunto de Corpo ..............................................................................................................................199 3.7.3.2 Sedes de Vlvulas................................................................................................................................200 3.7.3.3 Obturador ............................................................................................................................................201 3.7.3.4 Conjunto do Atuador ...........................................................................................................................202 VII

3.8 TESTE DE AUTOAVALIAO DA UNIDADE 3................................................................. 204 4 CONTROLADORES................................................................................................................. 207 4.1 CONTROLADOR PNEUMTICO ...................................................................................... 208 4.1.1 Ar de Controle ......................................................................................................... 2104.1.1.1 Fundamentos Fsicos do Ar ................................................................................................................ 210 4.1.1.2 Propriedades do Ar de Controle.......................................................................................................... 211 4.1.1.3 Produo do Ar Comprimido.............................................................................................................. 212 4.1.1.4 Mtodos de Tratamento de Ar Comprimido ....................................................................................... 213 4.1.1.5 Resfriamento do Ar ............................................................................................................................ 214 4.1.1.6 Reservatrio de Ar.............................................................................................................................. 215 4.1.1.7 Secagem do Ar.................................................................................................................................... 215 4.1.1.7.1 Secagem por Absoro........................................................................................... 216 4.1.1.7.2 Secagem por Adsoro ou Regenerao ............................................................... 216 4.1.1.7.3 Secagem a Frio....................................................................................................... 217 4.1.1.7.4 Pr-aquecimento do Ar ........................................................................................... 217 4.1.1.8 Filtros de Ar de Controle .................................................................................................................... 217 4.1.1.9 Dreno Automtico do Condensado..................................................................................................... 219 4.1.1.10 Unidade de Conservao .................................................................................................................. 219 4.1.1.11 Vlvulas Reguladora de Presso....................................................................................................... 221 4.1.1.12 Distribuio de Ar de Controle em Navio......................................................................................... 222

4.1.2 4.1.3 4.1.4 4.1.5 4.1.6 4.1.7

Bico Palheta ............................................................................................................ 225 Transmissor Pneumtico......................................................................................... 226 Amortecedor de Oscilao ...................................................................................... 228 Amplificador de Sinal Pneumtico........................................................................... 228 Extrator de Raiz Quadrada...................................................................................... 229 Controlador Pneumtico.......................................................................................... 231

4.1.7.1 Detector de Erro.................................................................................................................................. 231 4.1.7.2 Controlador Pneumtico de Duas Posies (on-off) ........................................................................... 231 4.1.7.3 Controlador Pneumtico Proporcional................................................................................................ 233 4.1.7.4 Controlador Pneumtico Proporcional e Integral (PI)......................................................................... 234

4.2 SISTEMA DIGITAL DE CONTROLE DISTRIBUDO (SDCD) ............................................ 235 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.2.4 4.3.1 4.3.2 4.3.3 Origem do SDCD..................................................................................................... 235 Configurao do SDCD ........................................................................................... 237 Comunicao de um SDCD .................................................................................... 238 Controladores Autnomos Interligados ao SDCD................................................... 238 Benefcios do Uso de CLPs .................................................................................... 240 Operao do CLP.................................................................................................... 241 Componentes do CLP ............................................................................................. 242

4.3 CONTROLADOR LGICO PROGRAMVEL (CLP) ......................................................... 238

4.3.3.1 Fonte de alimentao .......................................................................................................................... 242 4.3.3.2 Unidade Central de Processamento (CPU) ......................................................................................... 243 4.3.3.3 Relgio de Tempo Real ...................................................................................................................... 243 4.3.3.4 Bateria ................................................................................................................................................ 243 4.3.3.5 Memria do Programa Monitor .......................................................................................................... 243 4.3.3.6 Memria do usurio............................................................................................................................ 243 4.3.3.7 Memria de dados .............................................................................................................................. 244 4.3.3.8 Memria imagem dos mdulos de entradas........................................................................................ 244 4.3.3.9 Memria imagem das entradas e sadas .............................................................................................. 244 4.3.3.10 Circuitos auxiliares ........................................................................................................................... 244 4.3.3.11 Mdulos de Entrada.......................................................................................................................... 245 4.3.3.12 Mdulos ou interfaces de sada......................................................................................................... 246

4.3.4 4.3.5

Capacidade do CLP ................................................................................................ 247 Linguagens de Programao Para CLP.................................................................. 248VIII

4.3.5.1 Intercambialidade Entre Representaes .............................................................................................248 4.3.5.2 Estrutura da Linguagem e Representaes ..........................................................................................249 4.3.5.2.1 lgebra de Boole..................................................................................................... 249 4.3.5.2.2 Portas lgicas.......................................................................................................... 250 4.3.5.2.3 Instrues Bsicas .................................................................................................. 251 4.3.5.2.4 Instrues e Blocos Especiais................................................................................. 252

4.3.6

Passos para a Automao de um Processo com CLP ............................................255

4.4 TESTE DE AUTOAVALIAO DA UNIDADE 4 .................................................................256 5 COMANDO E CONTROLE PNEUMTICO..............................................................................258 5.1 CARACTERSTICAS DOS CIRCUITOS PNEUMTICOS .................................................259 5.1.1 Identificao dos Elementos dos Circuitos Pneumticos ........................................2615.1.1.1 Identificao por Algarismo ................................................................................................................262 5.1.1.2 Identificao por Letras.......................................................................................................................263

5.2 VLVULAS DE CONTROLE DIRECIONAL (VCD).............................................................264 5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.2.4 Normalizao da Simbologia das VCDs Segundo DIN 24300 ................................264 Elementos de Acionamento ou de Comando...........................................................267 Caractersticas de Construo.................................................................................270 Vlvulas de Sede .....................................................................................................271

5.2.4.1 Vlvulas de Sede Tipo Esfera..............................................................................................................271 5.2.4.2 Vlvula de Sede Tipo Prato .................................................................................................................272 5.2.4.3 Sede Prato (Assento) Flutuante ...........................................................................................................275 5.2.4.4 Sede de Prato Servocomandada...........................................................................................................276

5.2.5

Vlvulas Corredias .................................................................................................277

5.2.5.1 Vlvula Corredia Longitudinal ..........................................................................................................278 5.2.5.2 Vlvula Corredia Plana Longitudinal ................................................................................................279 5.2.5.3 Vlvula Corredia Giratria ................................................................................................................280

5.2.6 5.3.1 5.3.2 5.3.3 5.3.4 5.3.5 5.3.6 5.3.7 5.3.8 5.4.1 5.4.2 5.4.3 5.5.1 5.5.2 5.5.3 5.5.4 5.6.1 5.6.2

Valores de Vazo nas Vlvulas ...............................................................................281 Vlvula de Reteno ................................................................................................282 Vlvula Alternadora (OU) .........................................................................................282 Vlvula Reguladora de Fluxo Unidirecional (VRU) ..................................................283 Vlvula de Escape Rpido .......................................................................................285 Vlvulas de Simultaneidade .....................................................................................285 Vlvula Limitadora de Presso ................................................................................286 Vlvula de Seqncia...............................................................................................286 Vlvulas Reguladoras de Fluxo ...............................................................................286 Bloco de Comando Pneumtico...............................................................................287 Bloco Temporizador NF (comutao retardada)......................................................287 Bloco Temporizado Normalmente Aberto ................................................................288 Conhecimentos Eltricos Necessrios.....................................................................289 Principais componentes de comando eletropneumticos........................................290 Vlvulas Solenides de Comando Direto.................................................................293 Vlvulas Solenides com Servocomando................................................................294 Simbologia dos Atuadores .......................................................................................295 Atuadores Pneumticos Lineares ............................................................................296IX

5.3 VLVULAS DE BLOQUEIO................................................................................................282

5.3.3.1 VRU com Acionamento Mecnico......................................................................................................284

5.4 COMBINAES DE VLVULAS........................................................................................287

5.5 COMANDO E CONTROLE ELETROPNEUMTICO..........................................................289

5.6 ATUADORES PNEUMTICOS ..........................................................................................295

5.7 CIRCUITOS PNEUMTICOS E ELETROPNEUMTICOS................................................297

5.7.1 5.7.2 5.7.3

Circuitos Pneumticos de Comando Direto ............................................................ 298 Circuitos Pneumticos de Comando Indireto .......................................................... 300 Circuitos de Comando Eletropneumtico................................................................ 302

5.8 TESTE DE AUTOAVALIAO DA UNIDADE 5................................................................. 305 6 COMANDO E CONTROLE ELETRO-HIDRULICO............................................................... 307 6.1 HIDRULICA ..................................................................................................................... 308 6.1.1 6.1.2 Fundamentos Fsicos da Hidrulica. ....................................................................... 309 Fluido Hidrulico...................................................................................................... 310

6.1.2.1 Propriedades do Fluido de Presso ..................................................................................................... 310 6.1.2.2 Tipos de leos Hidrulicos................................................................................................................. 312

6.2 ELEMENTOS HIDRULICOS E ELETRO-HIDRULICOS ............................................... 313 6.2.1 Simbologia Grfica de Hidrulica Segundo DIN ISO 1219 ..................................... 3136.2.1.1 Smbolos Bsicos................................................................................................................................ 314 6.2.1.2 Smbolos Funcionais........................................................................................................................... 315 6.2.1.3 Tipos de Atuao ................................................................................................................................ 316 6.2.1.4 Converso de Energia e Armazenamento de Energia ......................................................................... 317 6.2.1.5 Comando e Regulagem de Energia..................................................................................................... 318

6.2.2 6.2.3

Unidade Hidrulica / Reservatrio........................................................................... 321 Bombas Hidrulicas................................................................................................. 323

6.2.3.1 Bombas de Engrenagens..................................................................................................................... 324 6.2.3.2 Bombas de Palhetas ............................................................................................................................ 326

6.2.4 6.2.5 6.2.6 6.3.1 6.3.2 6.3.3

Regulador de Presso............................................................................................. 328 Regulador de Vazo................................................................................................ 329 Filtros de Circuitos Hidrulicos................................................................................ 330 Circuito Aberto......................................................................................................... 332 Circuito Fechado ..................................................................................................... 332 Exemplos de Circuitos Hidrulicos.......................................................................... 333

6.3 CIRCUITOS DE COMANDO/CONTROLE HIDRULICO ............................................................. 331

6.4 TESTE DE AUTOAVALIAO DA UNIDADE 6................................................................. 335 7 BIBLIOGRAFIA ........................................................................................................................ 338 8 RESPOSTAS DOS TESTES DE AUTOAVALIAO ............................................................. 339

X

UNIDADE DE ENSINO 11

EVOLUO DA TECNOLOGIA DE CONTROLE

O meio em que o homem vive, ampliado em funo de novos conhecimentos, novas opes e, conseqentemente, novas tecnologias. As sociedades humanas no s selecionam um meio como tambm fazem os seus meios (USHE 1973, p.17)

Nesta unidade, voc deve adquirir as seguintes competncias

-

Conhecer como evoluiu a tecnologia do controle automtico industrial; e Compreender a importncia da automao industrial para a sociedade.

1 AUT

1.1 DEFINIES, CONCEITOS E IMPORTNCI A DA AUTOMA ONesta subunidade, voc deve adquirir as seguintes competncias:

-

Entender o que automao industrial; Conhecer a evoluo da automao industrial; e Compreender a importncia da aplicao da automao industrial para o capitalista, o trabalhador e a sociedade. Compreender como o ser humano concebe e realiza um trabalho; e Analisar a concepo do trabalho na tica do ser humano.

Provavelmente voc j trabalhou com equipamentos, mquinas e sistemas automatizados. Talvez j tenha lido algumas publicaes que tratam do assunto ou escutado algumas explicaes sobre a automao industrial.

Mas,

voc

seria

capaz

de

definir

ou

conceituar

tecnicamente

Automao? bem provvel que para alguns estudantes responder essa questo ser tarefa fcil, porm para outros haver dificuldade. Ento, vamos ajud-los. A AUTOMAO, como denominado o controle automtico nos dias atuais, toma por referncia o desenvolvimento de um programa para que o controlador do processo execute a monitorao e tem por base as tcnicas da eletrnica digital. Para formalizar esse entendimento, vamos analisar o controle do funcionamento do sistema de resfriamento do motor principal (MCP) de um determinado navio, conforme ilustrado na figura a seguir.

Fig.1.1 -

Sistema de resfriamento do MCP controlado por CLP.

Durante as manobras de fundeio, atracao ou desatracao de um navio, operando com controle manual, as temperaturas e presses do MCP se modificam em funo de maior 2

ou menor regime de rotao, obrigando o Oficial de Mquinas ou seu auxiliar a manter uma ateno especial na operao, abrindo ou fechando as vlvulas do referido sistema, isto , aumentando ou reduzindo o fluxo para os aparelhos trocadores de calor (resfriadores), a fim de conservar o MCP operando dentro das faixas desejveis de temperatura. No caso de uma falha humana, esta acarretar choques trmicos, ou seja, se o operador abrir demasiadamente a vlvula e/ou fech-la imediatamente, causar variaes elevadas dos mximos e mnimos da temperatura. Um operador humano, limitado pelas suas capacidades, utiliza o conhecimento adquirido e as informaes sensoriais, para pensar, analisar e executa a ao mais apropriada de controle do processo. Porm, se deixarmos aos cuidados de um controlador lgico programvel (CLP), devidamente programado, a anlise dos valores das variveis enviados pelos transmissores e medidos por sensores (S) adequados e a deciso de como deve atuar os acionadores (motores) eltricos, pneumticos ou hidrulicos das vlvulas de trs vias de controle (CV) do fluxo de gua dos resfriadores, teremos um sistema de automao, minimizando assim as tarefas e os riscos de acidentes. Na automao, h auto-adaptao a condies diferentes de modo a que as aes do sistema de maquinismos conduzam a resultados timos. O rgo central de um sistema de automao , na maior parte dos casos, o computador eletrnico. O professor portugus Horta Santos conceitua a AUTOMAO da seguinte forma: Automao o conjunto das tcnicas que permitiram a criao de dispositivos capazes de estender o nosso sistema nervoso e a capacidade de pensar. Ele considera tambm que a automao s foi possvel graas ao aparecimento de uma nova cincia, a CIBERNTICA, e suas realizaes concretas apoiadas pelo avano da eletrnica (ROBTICA), especialmente no domnio dos COMPUTADORES. a CIBERNTICA uma cincia que corta transversalmente os entrincheirados departamentos da cincia natural: o cu, a terra, os animais e as plantas. Seu carter interdisciplinar emerge quando considera a Economia no como um economista, a Biologia no como um bilogo, e as Mquinas no como um engenheiro. Em cada caso seu tema permanece o mesmo, isto , como os sistemas se regulam, se reproduzem, evoluem e aprendem. Seu ponto alto de como os sistemas se organizam. Gordon Pask (1961), A ciberntica est ligada inteligncia artificial, na medida em que a sua concretizao prtica. A inteligncia artificial teoriza, e a ciberntica encontra formas de materializar e de aplicar esses modelos tericos. A ciberntica, ligada robtica, encontra modelos em que os sistemas criados pela Inteligncia artificial se alojam. Assim, a inteligncia artificial relacionada com as cincias cognitivas compreende e reproduz os processos mentais, ao mesmo tempo em que a ciberntica e a robtica compreendem e reproduzem os processos biolgicos e motores dos seres humanos. Ao longo da histria da ciberntica e da robtica, mquinas cada vez mais prximas dos comportamentos humanos foram substituindo, progressivamente, os autmatos que caracterizaram os primeiros passos dessa cincia. 3 AUT

Atualmente, vemos robs que jogam futebol em equipe, que dobram folhas de papel, atribuindo-lhes formas; que conseguem passar linhas por buracos de agulha, etc.; que conseguem realizar tarefas to minuciosas e to particulares, que at h bem pouco tempo apenas eram do domnio humano. As investigaes, em ciberntica e robtica, caminham no sentido de aperfeioar a percepo visual e o controle motor dos robs e de encontrar linguagens de programao que permitam uma melhor comunicao homem-mquina, mquina-mquina e mquina-homem. Esses assuntos so estudados em cursos avanados de automao. Diversos Engenheiros e autores, de livros sobre controle automtico de processos, consideram a necessidade de fazer distino idiomtica dos vocbulos AUTOMAO e AUTOMATISMO, para melhor entendimento do controle automtico nos dias atuais. automao significa a dinmica organizada dos automatismo, ou seja, suas associaes de uma forma otimizada e direcionada consecuo dos objetivos do progresso humano. FIALHO1, automatismo, so os meios, os instrumentos, mquinas, processos de trabalho, ferramentas ou recursos, capazes de potencializar, reduzir, ou at mesmo eliminar a ao humana (FIALHO) Por outro lado, sabe-se que as inovaes mecnicas e as modernas tecnologias produzem desemprego nas reas industriais; porm, os economistas, os socilogos e outros estudiosos do assunto nunca chegaram a um consenso sobre esse desemprego ser transitrio ou permanente. Da mesma forma, no sabemos se a automao contribui para a promoo ou o aviltamento dos trabalhadores. O importante que voc saiba que a automao destina-se a estimular a produtividade e a reduzir o custo unitrio da produo. Por essas caractersticas, ela tem sido o grande propulsor da chamada globalizao, interferindo nos canais de comunicao, na diplomacia e, por fim, no volume do comrcio internacional. Quais fatos explicam a evoluo do controle automtico de processos industriais? Ao recorrermos aos registros histricos da humanidade, verificamos que, nos primrdios, os sistemas de controle de processos industriais foram projetados e desenvolvidos por meio de procedimentos empricos baseados na intuio e na experincia cumulativa, ou seja, a maioria dos raciocnios envolvidos no tinha por base clculos matemticos ou aplicao de conhecimentos da fsica. Contudo, esta aproximao no cientifica e por tentativas, como ocorreu, satisfez as necessidades de controle por longo tempo. Da mesma forma, os historiadores consideram que o maior desenvolvimento tecnolgico que a humanidade j presenciou ocorreu no sculo XX e que uma das tecnologias que mais repercusso alcanou e se mantm em constante desenvolvimento a de controle automtico de processos industriais, ou seja, da automao industrial.

1

Fialho, Arivelto Bustamante (2003).

4

Os principais cientistas dedicados ao estudo do desenvolvimento tecnolgico consideram que a evoluo do controle automtico ocorreu devido necessidade de o ser humano superar as suas limitaes.

Fig.1.2 -

O ser humano e seu ambiente artificial

Na atualidade, esta importncia sustenta-se em dois fatos principais:

1. substituir o trabalho humano nas tarefas montonas, repetitivas, inseguras ecansativas; e 2. permitir, com baixo custo de investimento, sensvel melhoria na qualidade de operao dos processos, o que possibilita ao produto fabricado ser competitivo no mercado, gerando lucros razoveis. Para Horta Santos, desde os seus primrdios, o ser humano vem criando dispositivos que possibilitem estender as suas capacidades, ou seja, seus poderes, tais como: - habitaes e vesturios para se proteger, como extenso de sua epiderme; - a piroga (canoa), carroa, carro, trem, avio, foguete, etc., ampliando a sua capacidade de locomoo; - as mquinas para ampliar o poder de seus msculos e agir sobre a natureza; - o rdio e o telefone, para ouvir e falar mais longe; - o telescpico, a televiso e o radar, para amplificar a sua prpria capacidade de ver; e - o computador, que aumentou e aperfeioou o seu poder de comunicao e controle. Neste momento importante que voc faa uma reflexo sobre o que lhe foi apresentado. Anote os pontos de que discorda, justificando-os a seguir crie exemplos para os fatos com que concorda, etc.

1.2 A CONCEPO HUMAN A DO TRABALHOO processo de evoluo de uma inveno tecnolgica envolve um trabalho humano que, quase sempre, implica a alterao do meio ambiente e do padro de comportamento da humanidade, originando nova fase de desenvolvimento.

Como se define o trabalho humano?O trabalho uma atividade que consiste em atuar sobre as matrias primas encontradas na natureza, com o objetivo de transform-las, para melhor satisfazer as necessidades das espcies. 5 AUT

O trabalhador no transforma apenas o material sobre o qual opera; ele imprime ao material o projeto que tinha conscientemente em mira, o qual constitui a lei determinante do seu modo de operar ao qual tem de subordinar sua vontade (Aristteles) O que regula o trabalho nos outros animais a sua caracterstica instintiva, que lhe inata, antes de aprendida. J no trabalho humano, o mecanismo regulador o poder do pensamento conceptual, que tem origem em todo um excepcional sistema nervoso. Assim sendo, s a espcie humana capaz de fazer um trabalho propositadamente orientado pela inteligncia. esse modo de trabalho que faz a humanidade evoluir e que mantm a evoluo. As diversas formas sociais que conhecemos e as que ainda ho de surgir dependem da caracterstica distintiva do trabalho humano. O processo de trabalho comea com um contrato ou acordo que estabelece as condies da venda das foras de trabalho pelo trabalhador e sua compra pelo empregador. Portanto, no contrato normal de trabalho: O que o trabalhador vende e o que o capitalista compra no uma quantidade contratada de trabalho, mas a fora para trabalhar por um perodo contratado de tempo. (MAX, 1985)

1.3 EVOLUO DAS TCNICAS INDUSTRI AISNesta subunidade, voc deve adquirir as seguintes competncias: - Reconhecer os principais inventos relacionados s mquinas contriburam para o desenvolvimento dos sistemas de controle. - Compreender como ocorreu a evoluo das tcnicas industriais. No mundo ocidental, a evoluo industrial ocorreu com grande lentido at o incio do emprego das mquinas trmicas, pois as sociedades antigas viviam da economia agrria e artesanal, com produes domiciliares, voltadas para um pequeno mercado interno. que

Fig.1.3 -

Ferramentas primitivas

Fig.1.4 -

Ferramentas para trabalho em madeira

As tcnicas predominantes eram rudimentares, baseadas em processos empricos, transmitidos de gerao em gerao, e empregavam apenas ferramentas simples (manuais), inventadas com base na utilizao da energia muscular de origem humana ou animal, pois essas no se diferenciavam. Os resultados alcanados satisfizeram as necessidades especficas do momento e, por razes relacionadas ao sobrenatural religioso, as investigaes praticamente pararam no tempo. 6

Antes de prosseguirmos, importante que saibamos as definies tcnicas de ferramentas e mquinas, para obtermos uma melhor compreenso dos fatos relacionados as tcnicas industriais de controle. ferramentas so os utenslios empregados para execuo direta de certos trabalhos que envolvam os atos de bater, esfregar e cortar. Marx O termo mquina de difcil definio tendo em vista a sua diversidade de aplicao. Adotamos a definio de de Karl Marx2, que acreditamos ser a mais concisa, pois ele tomou por base os pensamentos de Poncelet, Ure e Babbage. Porm, tambm citaremos as definies de Willis e Releaux, que fazem distines entre a parte e o todo. toda a maquinaria inteiramente aperfeioada consiste em trs partes essencialmente diferentes: o mecanismo motor, o mecanismo de transmisso e, por fim, a ferramenta ou mquina de acionamento. Marx toda mquina consiste em uma srie de peas ligadas entre si de formas variadas que, ao se movimentar uma delas, todas elas recebem um movimento, cuja relao com o da primeira governada pela natureza da conexo. Willis uma mquina uma combinao de corpos resistentes, dispostos de tal forma que, por seu intermdio, as foras mecnicas da natureza podem ser coagidas a efetuar trabalhos, acompanhados por certos e determinados movimentos. Releaux12345678910 11 12 13 14 15 16 calafetar 17 -

Fig.1.5 -

Ferramentas embarcaes

manuais

para

Observando a figura 1.5, consulte um dicionrio tcnico ou mesmo um colega, para identificar os nomes das ferramentas enumeradas de 1 a 17. Mas, foi no tratado de Hero de Alexandria, sobre Mecnica, que comearam a ser definidas matematicamente as aplicaes das mquinas ferramentas simples. No seu estudo sobre levantamento de grandes pesos, ele demonstrou como cinco mquinas simples poderiam movimentar um peso por meio de uma determinada fora. Por mais que as ferramentas tenham sido criadas para serem utilizadas com as mos, muitas delas foram adaptadas a mquinas, sem grandes alteraes da forma ou da finalidade. O aperfeioamento tcnico delas ocorreu por acaso, em cima das prprias dificuldades e

2

Karl Marx, Capital. Vol I, p. 407. Chicago: , 1912

7 AUT

necessidades do trabalhador, em peas e ferramentas de seu uso, buscando diminuir o esforo empregado, melhorar a performance de seu trabalho e a qualidade de vida. No houve anlise da aplicao prtica, porque no havia nenhuma preocupao com a produtividade e com a incidncia da mo-de-obra no custo do produto final ou coisa parecida j que esses conceitos eram desconhecidos antes da era industrial. Os historiadores da Antiguidade consideram que tenha sido a alavanca a primeira ferramenta mecnica empregada pelo ser humano. Nas figuras a seguir so ilustradas ferramentas, as mquinas-ferramentas simples e algumas aplicaes de instrumentos ou equipamentos simples da Antiguidade

Fig.1.7 -

Alavanca

Fig.1.6 -

Ferramentas para trabalho manual em oficinas

Fig.1.8 -

Alavanca

Fig.1.9 -

Cunha

Fig.1.10 - Roda e eixo

Fig.1.11 - Parafuso

Fig.1.12 - Roldana

Fig.1.13 - Plano Inclinado Fig.1.14 - Nora romana aperfeioada

8

Fig.1.15 - Parafuso de gua de Arquimedes Tambm era empregado para esgotar os pores dos navios. Fig.1.16 - Cadeia de alcatruzes

Fig.1.18 - Guindaste romano Fig.1.17 - Guincho romano

Fig.1.19 - Picota (shafus). A picota, tambm conhecida como cegonha, era utilizada no Egito (550a.C.), para tirar gua de poos ou de rios. Ao lado, uma foto, onde vemos egpcios utilizando-as na captao de gua do rio Nilo para se usada na irrigao das plantaes agrcolas. Fig.1.20 - Exemplo do emprego da picota

9 AUT

Conforme as dificuldades iam surgindo, os homens usavam de sua inteligncia para estud-las e superlas. Assim, foram criadas as mquinas primitivas e as formas de control-las, ou melhor, iniciaram-se os estudos que originaram os tratados sobre mecnica pura e aplicada.

Fig.1.21 - Transmisso mecnica por meio de engrenagens, acionada por roda dgua. Inveno romana do sculo IV. Tratados so os escritos dos inventores ou cientistas sobre os estudos que fizeram sobre os seus inventos, que precederam a intuio ou foram feitos depois da concepo da idia Dentre os tratados da Antiguidade, destacamos os de:

-

Filon de Bizncio (270-200 a.C.); Marcus Vitruvius Pollio (Sc. II a.C.); Aristteles (384-322 a.C.);

-

Euclides (Sc. III a.C.); Hero de Alexandria (Sc. II d.C.); e Pappus de Alexandria (284-305 d.C.).

AGORA TEMOS UM DESAFIO! Escolha um dos cientistas mencionados, para fazer uma pesquisa sobre o que eles estudaram em seus tratados. As bases para a anlise e a concepo dos mecanismos de engrenagens, elementos principais dos primeiros sistemas de controle, foram definidas pelos fabricantes de relgios3. Comeou com os tratados do sculo XIII em rabe e castelhano sobre os relgios de gua, os quais foram empregados desde o antigo Egito at o sculo XVIII. No sculo XIV, sugiram os relgios mecnicos, destacando-se o tratado de Giovanni Dondi sobre o seu relgio planetrio e o relgio do Palcio da Justia de Paris, no Fig.1.22 - Relgio martimo de Christian reinado de Carlos V. Huygens (1661)

3 Outras informaes consultem USHE (Histria das Invenes Mecnicas, 1973).

10

Nesta evoluo, devemos destacar, tambm, a inveno da imprensa, que se deu na Alemanha por volta de 14574 e espalhou-se por toda a Europa, propiciando o registro das grandes invenes e os desenhos precisos das mquinas e mecanismos de Leonardo da Vinci (1451-1519), alm de alguns tratados da mecnica.

Fig.1.23 - Imprensa medieval O aperfeioamento das tcnicas da metalurgia, principalmente daquelas aplicadas fundio de peas de ferro, que contribuiu para o desenvolvimento da mais importante mquinaferramenta que o homem inventou, o torno mecnico. A partir de ento, foi possvel construir com mais preciso as peas dos seus conjuntos mecnicos, como eixos, polias, engrenagens, cames etc., assim como outras mquinas, propiciando a confiabilidade dos mecanismos e a automatizao dos seus funcionamentos. Fig.1.24 - Torno de veio (eixo) (1785)

1.4 EVOLUO DO EMPREGO DAS FONTES DE ENERGIA FLUIDASNesta subunidade, voc deve adquirir a seguinte competncia: - Compreender a evoluo do emprego das fontes de energia fludas conhecidas; - Conhecer os aspectos bsicos relacionados a energia; e - Entender os tipos de energia. Energia o termo tcnico, originrio da Fsica, mais empregado em nossa vida cotidiana. Foi estudado no Mdulo Mecnica Tcnica, porm vamos rever o assunto, na perspectiva de dirimir qualquer dvida que tenha ficado com relao a questo das energia pneumtica e energia hidrulica. Por ser uma palavra muito abrangente e, por isso mesmo, muito abstrata energia difcil de ser definida com poucas palavras de um modo preciso.

4 O mais antigo livro impresso de que temos noticias o Livro de Salmos de Mogncia, de 1457 (fonte de consulta: Grandes Imprios e Civilizaes A Europa Medieval. Vol. II Edies Delprado)

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Usando apenas a experincia do nosso cotidiano, poderamos conceituar energia como algo que capaz de originar mudanas no mundo. Exemplos: O deslocamento de uma embarcao. A queda de uma folha. A correnteza de um rio. A rachadura em uma parede. O vo de um inseto. A remoo de uma colina. A construo de uma represa. Em todos esses casos, e em uma infinidade de outros que voc pode imaginar, a intervenincia da energia um requisito comum. Como j visto, muitos livros definem energia como capacidade de realizar trabalho. Mas esta uma definio limitada a uma rea restrita da fsica: a Mecnica. medida que procuramos abranger outras reas da Fsica (calor, luz, eletricidade, por exemplo) no conceito de energia, avolumam-se as dificuldades para se encontrar uma definio concisa e geral. Mais fcil descrever aspectos que se relacionam energia e que, individualmente e como um todo, nos ajudam a ter uma compreenso cada vez melhor do seu significado. - Converso de energia: A quantidade que chamamos energia pode ocorrer em diversas formas. Ou seja a energia pode ser transformada, ou convertida, de uma forma em outra. Exemplo: A energia mecnica de uma queda dgua convertida em energia eltrica a qual, por exemplo, utilizada para estabilizar a temperatura de um aqurio (converso em calor) aumentando, com isso, a energia interna do sistema em relao que teria temperatura ambiente. As molculas do meio, por sua vez, recebem do aqurio energia que causa um aumento em sua energia cintica de rotao e translao. - Transferncia de energia: Cada corpo e igualmente cada sistema de corpos contm energia. Energia pode ser transferida de um sistema para outro. Exemplo: Um sistema massa/mola mantido em repouso com a mola distendida. Nestas condies, ele armazena energia potencial. Quando o sistema solto, ele oscila durante um determinado tempo mas acaba parando por causa do atrito e da resistncia do ar. A energia mecnica que o sistema possua inicialmente acaba transferida para o meio que o circunda (ar) na forma de um aumento da energia cintica de translao e rotao das molculas do ar. - Conservao de energia: Quando energia transferida de um sistema para outro, ou quando ela convertida de uma forma em outra, a quantidade de energia no muda . Exemplo: A energia cintica de um automvel que pra igual soma das diversas formas de energia nas quais ela se converte durante o acionamento do sistema de freios que detm o carro por atrito nas rodas. - Degradao de energia: Na converso, a energia pode transformar-se em energia de menor qualidade, no aproveitvel para o consumo. Por isso, h necessidade de produo de energia apesar da lei de conservao. Dizemos que a energia se degrada. Exemplo: Em nenhum dos trs exemplos anteriores, a energia pode refluir e assumir sua condio inicial. Nunca se viu automvel arrancar reutilizando a energia convertida devido ao acionamento dos freios quando parou. Ela se degradou. Da resulta a necessidade de produo constante (e crescente) de energia. 12

- Energia Mecnica so todas as formas de energia relacionadas com o movimento de corpos ou com a capacidade de coloc-los em movimento ou deform-los As classes de energia mecnica so: 1. Energia potencial (Ep): a que tem um corpo que, em virtude de sua posio ou estado, capaz de realizar trabalho; 2. Energia Cintica (EC) : a que todo corpo em movimento tem associada a esse movimento que pode vir a realizar um trabalho (em uma coliso por exemplo). - Manifestao da energia - As foras, que integradas manifestam a existncia do Universo esto associadas as trs formas de energia existentes: a Energia Gravitacional, a Energia Eletromagntica e a Energia Nuclear. Juntas, elas criam o todo e tudo que existe formado por elas. 1. A energia gravitacional manifestada pela fora de atrao entre corpos que possuem massa, produzindo uma ao sobre toda a matria existente. Apesar da fora da gravidade ser a mais fraca de todas, possui uma intensidade de longo alcance atuando no Universo como um todo. A gravitao solar participa - em conjunto com a energia eletromagntica e a nuclear - na composio da energia solar. Por meio da gravitao terrestre, causa influncia no movimento das massas de ar e gua, contribuindo para formao da energia fludica. 2. A energia eletromagntica se origina da fonte de interao da fora da carga eltrica. Resulta numa fora de atrao ou repulso entre partculas, conforme suas polaridades A energia eletromagntica participa da composio da energia solar e a sua prpria manifestao, pois por meio dela que a energia radiante do sol chega at ns. Pelas ligaes atmico-moleculares forma a energia qumica, que em conjunto com o sol origina a biomassa. 3. A energia nuclear resulta das foras que atuam entre as partculas que compem o ncleo da matria. A fuso nuclear possibilita a liberao de energia no interior do sol, contribuindo para formao da energia solar. As ligaes nucleares originam os elementos radioativos, que pela fisso nuclear produzem grandes quantidades de energia em forma de calor. Esse processo resulta em produo de resduos de alto impacto social e ambiental, inviabilizando o uso dessa fonte como substituta da gerao termeltrica. A alternativa para o aproveitamento dessa fonte energtica por meio da energia geotrmica. 4. A energia solar formada pela gravitao solar, juntamente com a energia eletromagntica e as reaes nucleares (fuso=juno; fisso=separao) no interior do sol. A parcela da energia solar que chega at a terra contribui na composio do planeta e manifesta a vida.

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A energia solar pode ser armazenada pelos vegetais atravs da fotossntese na forma de hidratos de carbono, originando a biomassa. Tambm chamada massa da vida, compreende toda matria orgnica animal (zoomassa) ou vegetal (fitomassa). Restos e rejeitos orgnicos industriais, urbanos e rurais, dejetos oriundos do sistema de esgoto e aterros sanitrios, so tambm fonte de biomassa energtica. O petrleo biomassa fssil, possuindo um perodo de formao de milhes de anos . As energias qumica, mecnica e eltrica compreendem trs formas de energia que esto diretamente associadas com as energias que forma o todo: energia eletromagntica, energia nuclear e energia gravitacional. Devido a essa caracterstica, toda manifestao de vida na biosfera resultante da transformao da energia solar em energia qumica (produo de hidratos de carbono, gorduras e protenas a partir da fotossntese) e da energia qumica em energia mecnica e calor no metabolismo celular. A origem dos recursos abiticos produto das reaes nucleares e qumicas nas diferentes fases de formao geolgica da Terra (STI/MIC, 1979). 5. A energia fludica ou fluxo, como os fsico preferem, originada pela influncia da energia solar no aquecimento e evaporao das massas de ar e martimas, e pela fora de gravitao terrestre devido energia gravitacional. Atravs da fotossntese, forma a biomassa. Portanto, a converso da energia solar em fludica e biomassa fundamental para existncia da Terra. Energia de fluxo composta da energia hdrica e da energia elica. gua e ar so elementos equivalentes com densidades diferentes, ambos so chamados fludos. Como j mencionado, o Homem desde o prprio processo de hominizao (formao do ser humano), que busca superar suas dificuldades, assim primitivamente utilizou-se do fogo como fonte de calor e luz, tanto para cozinhar os alimentos quanto, para iluminar os ambientes. Mais tarde o fogo passou a ser empregado no tratamento trmico de materiais e tornou-se elemento constitutivo do prprio crescimento da humanidade, em sua vida material, cotidiana e simblica. Na sua evoluo o Homem, para realizao de trabalhos que empreguem fora e movimento no compatvel com o ser humano, passou a utilizar-se das diversas fontes de energia disponvel na natureza. Os estudos pioneiros sobre a mecnica permitiram que, aos poucos, houvesse uma evoluo da utilizao da energia muscular dos animais e dos homens para as energias fluidas (fluxo): elica e hidrulica, depois para a pneumtica e, mais tarde com estudos modernos, para as energias trmica e eltrica. Sabe-se que os chineses, nos primrdios da civilizao, foram os primeiros seres humanos a fazer uso da energia elica sobre as velas, para propulso das embarcaes, e que permaneceram at os dias atuais. No Ocidente, os primeiros estudos sobre emprego do ar comprimido (pneumtica) so encontrados nos trabalhos de Filom, de Bizncio, e de Hero, de Alexandria. Mas, sabe-se que as primeiras aplicaes da pneumtica ocorreram por volta do ano 2.500 a.C. em foles e mais tarde, tambm, foi utilizado em equipamentos de minerao, em usinas siderrgicas e em rgos musicais.

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Fig.1.25 - Emprego da energia elica na propulso de embarcaes a vela. Depois, no final do sculo XV, a elica foi utilizada nos moinhos de vento da agricultura europia e nas azenhas. O aperfeioamento do funcionamento do moinho de vento fez aparecer um dos primeiros instrumentos de controle automtico: O aparelho de posicionamento automtico do hlice do moinho de vento (mostrado na figura a seguir), inventado por Meikle em 1750. Esse aparelho fazia o ajuste automtico do eixo do hlice, visando a uma melhor posio relativa ao vento. Funcionamento: O pequeno hlice h um motor que gira enquanto o vento no est a 90 de seu eixo. Sua rotao gira toda a estrutura superior e carrega o eixo do hlice principal, H. Quando o pequeno hlice (h) pra com seu eixo a 90 do vento, o hlice grande (H) pra na direo do vento, obtendo assim a posio de mxima captao de energia.

Fig.1.26 - Moinho de vento Meikle

Porm, a aplicao da pneumtica na indstria, passou a ocorrer sistematicamente somente em meados do sculo XIX em ferramentas de perfurar, em locomotivas, em correio de tubos e outros dispositivos acionados por ar comprimido. Por volta de 1920, comeou a ser empregado como ar de controle na automatizao e racionalizao dos processos de trabalho, tendo se acentuado a partir de 1950. Nos dias atuais a energia elica bastante aproveitada no acionamento de geradores de energia eltrica, de construo semelhante aos moinhos de vento. A palavra Pneumtica provm da expresso pneuma, do antigo grego, que significa flego (respirao), vento e humanidade. Nos dias atuais, nos navios e na Indstria trata especificamente do ar de controle. Todos os gases so facilmente compressveis, e esta propriedade que mais os diferencia dos lquidos como meio de transmisso de energia. 15 AUT

Exemplos: O comportamento de um gs, ao transmitir energia, pode ser entendido facilmente, analisando-se os exemplos a seguir:

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Se pegarmos uma bomba comum de bicicleta, puxarmos o cabo para fora e cobrirmos com o dedo a sada, o ar no interior comportar-se- de forma muito semelhante a uma mola; um peso colocado sobre o cabo oscilar para cima e para baixo. Se colocarmos um corpo razoavelmente pesado sobre uma mesa e empurrarmos com o cabo da bomba, ainda com a sada fechada, notar-se- que o mbolo entra ou sai medida que varia o atrito do corpo contra a mesa. Sacudir para cima e para baixo o cabo da bomba no produzir nenhum aquecimento aprecivel; mas, se a bomba for usada continuamente para forar a sada de ar sobre presso, ela acabar ficando bastante quente, assim como o ar que a deixa. Ao se esvaziar um pneu de bicicleta, o ar que sai dar a sensao de estar bastante frio. Pode mesmo tornar a vlvula to fria, que far aparecer uma camada de gelo.

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A energia hidrulica que, no tendo o inconveniente de depender da irregularidade do vento, e sim dos leitos regulares dos rios e de suas caractersticas menos caprichosas, evolu ao longo do tempo, da simples nora (figura 1.17), empregada para retirar (bombear) gua do rio para abastecer os canais de irrigao agrcola, aos sofisticados engenhos de rodas hidrulicas aliada transmisso mecnica por meio de engrenagens (figura 1.27) que convertiam-na em de energia mecnica para mover os pesados martelos de forjar o ferro, os foles das forjas, as ms de moer o trigo e afiar as ferramentas, etc. As rodas hidrulicas, mais tarde, passaram a bombear gua tanto para as cidades como para o campo. Atualmente, a hidrulica empregada para acionar as turbinas das hidreltricas, para produzirem energia eltrica, como o caso da hidreltrica de Xing, mostrado na figura a seguir.

Fig.1.27 - Rodas hidrulicas de Babegal, Fig.1.28 - Hidroeltrica do Xing cidade romana do sculo IV 16

A gravura da figura 1.27 mostra uma parte dos moinhos de gua de Babegal, cidade romana do sculo IV, vizinha da capital imperial Arles. As rodas tinham mais de 2m de dimetro, eram acionadas pela gua que corriam nos aquedutos e caam sobre elas a um ngulo descendente de 30 O movimento er a convertido para acionamento . das rodas de moer (mos) horizontais por meio de um conjunto de engrenagens. Um outro engenho famoso que empregava este tipo de energia foi a A mquina de Marly, que acionava as fontes de Versalhes. Tinha 14 rodas hidrulicas que forneciam o mnimo de 75 cavalos-vapor (CV). Provavelmente, a dificuldade encontrada para o emprego das energias elica e hidrulica em grandes quantidades residiu no alto custo de produo, se comparado com o trabalho produzido pelos animais, pelos homens e pelas mquinas trmicas, o que justifica essas energias terem sido pouco exploradas. A tabela a seguir demonstra o resultado do estudo desenvolvido por Rankine5, comparando as potncias das energias, baseados nos nmeros de dAubuisson6, para oito horas de servio. Fontes de Energia Potncia da Energia Exercida em (CV) 0,036 0,04 0,078 0,0047 0,267 0,578 25 28 6 - 14

- Homem acionando uma bomba - Homem acionando uma manivela - Homem acionando um cabrestante - Cavalo fazendo girar um molinete a passo - Rodas acionadas pela parte superior, de 5,5 m - Moinho de poste - Moinho de torre

Os contedos que acabamos de estudar sero de grande valia para compreenso dos sistemas de controle industrial. Por essa razo faa um estudo mais detalhado sobre o que lhe foi apresentado, consulte outras publicaes, anote os pontos importantes e associe no que for possvel com as tcnicas de controle automtico.

1.5 DESENVOLVIMENTO DO COMRCIO E DA INDSTRI ANesta subunidade, voc deve adquirir a seguinte competncia: Compreender a importncia do desenvolvimento do comrcio e da industria para a evoluo da tecnologia de automao industrial. So as grandes crises que levam a humanidade a descobrir novas tecnologias, novas formas de trabalho e novas relaes trabalhistas.

5 Rankine, W. J. M. Useful rules and tables. Londres: 1873 6 DAubuisson de Voisins. Boston, 1852.

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Se voc analisar esse pensamento em funo da automao industrial concluir que assim como ela tem se comportado ao longo da sua evoluo. Vejamos alguns fatos importantes da humanidade. Assim aconteceu na Idade Mdia, com a Guerra dos Cem Anos (1346-1450, entre Frana e Inglaterra), com a Peste Negra e as revoltas populares que provocaram a escassez da mo-de-obra, antes to abundante, causando o desequilbrio da oferta de mercadoria. A soluo encontrada foi aproveitar os conhecimentos tcnicos existentes para introduzir novas formas de trabalho por meio das quais os homens pudessem produzir mais. Na produo feudal, foi adotado o arrendamento das terras e liberdade aos servos, para venderem seus excedentes nos mercados das cidades. Com isso, ocorreu o incremento de tcnicas para o aumento da produo, como a charrua e a rotao trienal das culturas. Surgiram ento povoamentos rurais independentes dos domnios dos senhores feudais, que, no tendo quem trabalhasse em suas terras, alm das despesas com as guerras, foram se endividando e acabaram por se desfazer delas. Assim, liberaram os seus servos, aumentando ainda mais o xodo para as grandes cidades, favorecendo os mercadores e os financistas. s crises do sculo XIV provocaram um desequilbrio da oferta de mercadoria e mudanas na economia dos Estados europeus, de forma tal que s os Pases de regime poltico centralizados conseguiram se adequar e puderam levar adiante um empreendimento de carter estatal, que se transformou em um instrumento de riqueza e poder: a expanso ultramarina.

Fig.1.29 - Piloto quinhentista e uso da bolina. Fig.1.30 - Navio Espanhol do sculo XV (Caraa). Portugal, sob a dinastia de Dom Dinis e seus sucessores, na busca de superar as suas dificuldades, deu incio expanso ultramarina, que foi consolidada pelo Infante D. Henrique. Este incentivou o desenvolvimento de instrumentos que facilitaram a arte de navegar e atraiu para Portugal, precisamente para a Ponta de Sagres, os melhores navegadores da Europa, marinheiros experientes e estudiosos da arte de navegar, os quais propiciaram ao Estado portugus expandir e manter um domnio do comrcio martimo por quase cem anos, 18

tornando-se o maior imprio martimo colonial j existente e o primeiro Estado moderno europeu. Com a consolidao da monarquia na Espanha, em 1492, os reis catlicos deram incio s grandes navegaes martimas que levaram a esse pas descobrir e conquistar novas terras, as quais lhes propiciaram muito ouro e rpido enriquecimento, o que a tornou dona de inmeras colnias nas Amricas. A disputa com a Frana obrigou a Espanha a formar uma frota para proteger sua costa e seus navios comerciais, criando assim a sua famosa invencvel armada, que lhe deu o ttulo de a senhora dos mares europeus. Frana, Inglaterra, Holanda e Alemanha, a exemplo de Portugal e Espanha se dedicaram s conquistas martimas. Mas a cobia, a ambio e o desejo de ser o melhor, o dominador, fizeram esses principais pases europeus travarem entre si um jogo de guerra, que levou a destruio econmica de uns e o crescimento de outros. Aps o desastre da invencvel armada espanhola, em 1588, quando tentavam conquistar a Inglaterra, as diversas batalhas perdidas nos anos seguintes e a aliana dos ingleses com os Pases Baixos levaram a Espanha perda da liderana dos mares e ascenso dos holandeses e ingleses. A Holanda, devido qualidade de suas terras, no produzia o suficiente para sustentar a sua populao. Ento, fez do comrcio martimo o sangue vital de sua sobrevivncia, tornando-se a nao dominadora do mercantilismo e a principal construtora naval da Europa no sculo XVII. A Inglaterra, tambm dona de um poderio martimo e almejando expandir-se, criou mecanismos que levaram a uma rivalidade martima entre essas naes. O principal foi o Ato da Navegao, de 1651, o qual determinava que s os navios britnicos tinham autorizao para levar carregamentos para a Gr-Bretanha, com exceo dos navios que conduziam produtos de seu prprio pas; todo navio que navegasse pelo Canal da Mancha deveria saudar seus navios de guerra e que a pesca de arenques, a 30 milhas de sua costa, pagaria impostos. Essa deciso britnica foi a causa principal que levou guerra contra a Holanda e contra a Frana. O resultado destas lutas foi entregar aos ingleses, por volta da segunda metade do sculo XVII, o domnio dos mares. Controlando os mares e aperfeioando as suas companhias monopolistas, pouco tempo levou para que a Inglaterra se tornasse a soberana dos mercados coloniais. A expanso martima quatrocentista e quinhentista, capitaneada por Portugal e Espanha, seguidas pela Holanda, Inglaterra e Frana, foi batizada como mercantilismo e pode ser considerada como uma Revoluo Comercial. Os descobrimentos martimos provocaram mudanas na economia, fizeram aparecer uma reserva de capital e propiciaram uma outra concepo do universo, ampliando as idias geogrficas do homem. Trouxeram tona novas matrias-primas, novas especiarias, novos mercados consumidores e a necessidade de acelerar a produo.

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1.5.1 Desenvolvimento da ManufaturaO comrcio martimo no s ajudou as igrejas a aumentarem o seu entesouramento como tambm fez surgir uma classe de negociantes ricos, desejosos de aumentar suas riquezas. Por isso, investiam seus ganhos em todas as atividades que acreditavam dar lucros. A exigncia de grandes quantidades de objetos fabricados para que houvesse o intercmbio comercial entre os pases ou com suas colnias, aliada ao enriquecimento de uma camada da populao, aumentou a procura de produtos essenciais e de luxo, aguando a curiosidade do homem europeu, promovendo debates e estudos que forosamente levaram a descobertas de novas tecnologias e aperfeioamento de todas as artes j conhecidas, surgindo ento as primeiras indstrias e os primeiros estaleiros.

Voc sabe como evoluram as indstrias?As primeiras indstrias foram pequenas oficinas, denominadas de artesanato das guildas, onde o arteso trabalhava duramente, ao mesmo tempo em que dirigia outros trabalhadores da oficina Esse mtodo de produo no foi capaz de atender ao aumento da demanda, sendo obrigado a se modificar. Apareceu, ento, a manufatura, o embrio do capitalismo industrial, em que um significativo nmero de trabalhadores passa a ser empregado de um patro, que detm o controle da comercializao da produo. As primeiras unidades eram pequenas e a produo tinha como insumo a l de carneiro. As unidades de manufatura, para proteo de seus interesses, organizavam-se em associaes corporativistas com o capitalista financiando a produo (compra das matrias primas, pagamento dos empregados diaristas, aprendizes e do arteso), ou formavam uma cooperativa de trabalhadores. Com a evoluo da manufatura e a intensificao do comrcio martimo, apareceram outras unidades de produo que dependiam da importao de matria-prima, das tcnicas estrangeiras, como por exemplo, o algodo importado da ndia, do linho e da seda e da exportao da sua produo. Na Inglaterra, as primeiras fbricas que trabalhavam com algodo no foram bem recebidas pelos industriais e trabalhadores da l. Estes, alegando que haveria queda no preo dos produtos baseados na l, incendiaram as indstrias e conseguiram, no ano de 1700, que o governo ingls proibisse a importao de tecidos de algodo. Essa proibio incentivou a produo de algodo na prpria Inglaterra, fez surgir diversos inventos mecnicos e agrcolas que levaram ao grande desenvolvimento da indstria txtil. As invenes no campo da indstria txtil fizeram aparecer as primeiras tcnicas de controle automtico na produo industrial e, conseqentemente os primeiros choques entre os trabalhadores e a tecnologia, ou melhor, entre o trabalho manual e a mquina. Dessas invenes as que consideramos mais importantes foram:

a ) O tear mecnico de fazer meias, inventado por volta de 1589, por William Lee, proco deCalverton. Nesse tipo de tear, o operador era no s uma fonte de energia, mas tambm um meio de coordenar os movimentos das diversas peas da mquina. 20

As vantagens da mquina inventada foram: fazer a teia da meia para costura at o p; fabricar finas meias de seda e de fantasia, sem perder a velocidade de funcionamento; produzir de 1000 a 1500 malhas por minuto, enquanto que as pessoas que faziam malhas manuais chegavam no mximo a 100 malhas por minutos; e por fim podia ser operada por uma criana de doze ou treze anos, que acionava a mquina por meio de um pedal e com as mos controlava a fiao.

b ) O tear mecnico de fazer fita, originrio do Oriente, que, no Ocidente, porm, tem duasverses sobre sua inveno: 1. segundo um escritor veneziano de 1629, a primeira verso foi em Danzing, por volta de 1579, inventado um tear para tecer diversos comprimentos de fitas simultaneamente, por um s operrio. O conselho da cidade ficou apreensivo e, receando que muitos teceles pobres ficassem sem trabalho, mandou estrangular o inventor secretamente; e 2. a segunda de um escritor holands que afirma que esse tipo de tear foi inventado em Leyden, por volta de 1621.

c ) O aperfeioamento do tear de fitas foi feito por John Kay e Vaucanson, em 1745. Elespatentearam um sistema mecnico que tornou possvel fazer a lanadeira movimentar-se de uma extremidade da tela outra: John Kay criou a lanadeira volante (uma espcie de corredeira). Esta era acionada por cordas e alavancas comandadas por meio excntricos (cames) movimentados por pedais, sincronizando, assim, os movimentos da mquina. Por causa desse invento, sua casa foi depredada por trabalhadores da indstria txtil, e ele teve de fugir da Inglaterra. Vaucanson criou a barra de acionamento, o movimento de cremalheira e a roda dentada para acionar os eixos. Exemplo: tcnica de comando por eixo e excntricos (cames) usado, em anos recentes, no controle automtico de purificadores de leo em navio mercantes (figura a seguir). Funcionamento: Um sinal de ao (manual, pneumtico, hidrulico, eltrico) atua no disjuntor (T), colocando o motor eltrico (M) em funcionamento, o qual faz o eixo de cames girar at que os contatos (K1) e (K2) fechem os seus respectivos circuitos eltricos. K2 alimenta a solenide que atua abrindo a vlvula de controle da gua de selagem do purificador. O tempo que a Fig.1.31 - Comando eltrico do funcionamento vlvula ficar aberta regulado pela rotao de um purificador de leo de navio. do eixo de cames.

d ) Fuso (spinning-jenny) de Hargreaves. Este tecelo e carpinteiro inventou, na dcada de1760, uma roda de fiar com vrios fusos, que funcionava mo, mas propiciava o aumento da produo. Uma pessoa que antes fiava um fio por vez, aps esta inveno, passou a fabricar oito ou mais fios. Porm, o fio era pouco resistente, servindo apenas para o tranado;

e ) A fiandeira de Arkwright. Barbeiro e fabricante de peruca, Richard Arkwright patenteou,em 1769, a mquina wat