Noes Bsicas

Sumrio

REDES DE COMUNICAO INDUSTRIAIS 2

SISTEMA DE SUPERVISO 3

CONTROLADOR LGICO PROGRAMVEL - CLP OU PLC 6

INTERFACE HOMEM-MQUINA 7

INSTRUMENTAO 9

SENSOR DE CARGA 11

SENSOR DE DESLOCAMENTO 12

SISTEMAS DE CONTROLE 13

DEFINIES 13

PRINCPIOS BSICOS DE PROJETO DE SISTEMAS DE CONTROLE 14

ETAPAS DO PROJETO DE UM SISTEMA DE CONTROLE 15

AES DE CONTROLE BSICAS 16

EFEITOS DAS AES DE CONTROLE INTEGRAL E DERIVATIVA SOBRE O

DESEMPENHO DO SISTEMA 17

CONTROLADOR AUTOMTICO, ATUADOR E SENSOR 19

CONTROLADORES PNEUMTICOS 20

TIPOS DE ATUADOR 20

INDUTOR ELETROMAGNTICO 20

CILINDRO HIDRULICO 22

CILINDRO PNEUMTICO 26

CILINDRO ELTRICO 26

SISTEMAS PNEUMTICOS X SISTEMAS HIDRULICOS 27

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REDES DE COMUNICAO INDUSTRIAIS

Os sistemas de automao e controle tem se apoiado cada vez mais em redes de

comunicao industriais, seja pela crescente complexibilidade dos processos industriais,

seja pela distribuio geogrfica que se tem acentuado nas novas instalaes industriais.

Assim, praticamente no tem sido implementados sistemas que no incluam alguma forma

de comunicao de dados, seja local, atravs de redes industriais, seja remota,

implementadas em sistemas SCADA - sistema para aquisio, superviso e controle de

processos. Embora essa disseminao de aplicao de comunicao seja recente, j de h muito que

tem sido desenvolvidos diferentes esquemas de comunicao de dados em ambientes

industriais, buscando sempre estruturas que garantam a segurana na transmisso dos

dados, bem como a velocidade de comunicao. Um modelo bastante abrangente para os

vrios requisitos de comunicao no ambiente industrial o de trs nveis diferentes de

requisito:

- Nvel de informao: caracterizado por grandes volumes de troca de dados com

constantes de tempo da ordem de grandeza de segundos (tempo no crtico).

Essencialmente de domnio da informtica;

- Nvel de automao e controle: caracterizado por volumes moderados de dados com constantes de tempo da ordem de grandeza de centenas de milisegundos. Orientado

para integrao entre unidades inteligentes, de natureza diversa. Aplicaes de

caracterstica contnua, de baixa velocidade e alta segurana. Mensagens complexas,

com razovel nvel de informaes de diferentes propsitos;

- Nvel de dispositivos de campo: caracterizado por volumes menores de dados com constantes de tempo da ordem de grandeza de dezenas de milisegundos (tempos de

resposta muito curtos). Orientada a sensores e atuadores, tipicamente de natureza

discreta. Aes executadas no nvel dos dispositivos, sem necessidade de interao com

nveis superiores;

Dificilmente uma nica rede de comunicao local poder atender todos os trs nveis,

havendo em geral, uma implementao de diferentes redes para atender cada caracterstica

especfica. De forma geral, quando se est analisando o desempenho da rede, usual

colocar-se como primeira questo, qual a taxa de transmisso de bits, para depois inquirir

sobre o protocolo usado, e finalmente, sobre o mecanismo de troca de dados. Entretanto, o

impacto sobre o desempenho de uma rede nesse aspecto exatamente oposto a essa

considerao: o efeito maior sobre o desempenho dado pelo modelo, seguido pelo

protocolo e finalmente pela taxa de transmisso. Concludo-se, no adianta comunicar a

altas velocidades, com informaes mal dispostas ou redundantes.

A camada de enlace, responsvel pelo mecanismo de entrega de pacotes, tem sido

implementada tradicionalmente em redes industrias com a estrutura origem/destino. Essa

implementao agrega a cada mensagem enviada o endereo da estao de destino. Observe-se que esta implementao, em determinadas circunstncias, pode ser ineficiente:

suponha-se que um mesmo dado deve ser transmitido a vrios ns de uma mesma rede. O

dispositivo que est transmitindo este dado dever emitir uma mensagem com ambos

endereos origem/destino para cada n que deva receber tal mensagem. Portanto,

aumentando o trfego da rede e constituindo um operao repetitiva em conter sempre o

endereo do dispositivo a ser enviado tal mensagem. Alm disso, caso haja necessidade de

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sincronizar vrios dispositivos pertencentes a uma mesma rede, havendo alguma

dificuldade em fazer tal sincronismo, uma vez que ao ser necessrio mandar mensagens

consecutivas a todos os dispositivos a serem sincronizados, ocorre um deslocamento desse

instante de sincronismo. Redes industriais mais recentes usam um modelo diferente para implementar a camada de

enlace, chamado produtor/consumidor. Esta implementao est baseada no conceito de

que alguns dispositivos so produtores de informaes e outros so consumidores dessas.

Nessa implementao, quando um produtor disponibiliza sua informao, esta colocada

na rede disponvel para todos os dispositivos que sejam seus consumidores ao mesmo

tempo, reduzindo o nmero de mensagens a serem emitidas, bem como reduzindo o

prprio comprimento da mensagem, uma vez que no ser necessrio incluir ambos

endereos de remetente e destinatrio, sendo necessrio to somente identificar a

informao a ser transmitida. Logo, o modelo produtor/consumidor, empregado nas redes

de mercado mais recentes como Foundation Fieldbus, WorldFIP, ControlNet e DeviceNet,

apresentam um modelo de rede eficiente, quanto a maximizao de troca de dados, alm de

se ter um aumento da flexibilidade da rede.

SISTEMA DE SUPERVISO O software de superviso, localizado no nvel de controle do processo das redes de

comunicao, o responsvel pela aquisio de dados diretamente dos controladores

lgico programveis - CLP para o computador, pela sua organizao, utilizao e

gerenciamento dos dados. Poder ser configurado para taxas de varredura diferentes entre

CLP's e inclusive, entre pontos de um mesmo CLP.

Os dados adquiridos devem ser condicionados e convertidos em unidades de engenharia

adequadas, em formato simples ou de ponto flutuante, armazenando-os em um banco de

dados operacional. A configurao individual de cada ponto supervisionado ou controlado,

permite ao usurio definir limites para alarmes, condies e textos para cada estado

diferente de um ponto, valores para converso em unidade de engenharia, etc..

O software deve permitir que estratgias de controle possam ser desenvolvidas utilizando-

se de funes avanadas, atravs de mdulos dedicados para implementao de funes

matemticas e booleanas, por exemplo. Atravs destes mdulos, poder ser feito no

software aplicativo de superviso, o controle das funes do processo. Os dados adquiridos podem ser manipulados de modo a gerar valores para parmetros de

controle como "set-point's". Os dados so armazenados em arquivos de dados

padronizados. Estes arquivos podero ser acessados por programas de usurios para

realizao de clculos, alterao de parmetros e dos seus prprios valores. O software supervisrio visto como o conjunto de programas gerado e configurado no

software bsico de superviso, implementando as estratgias de controle e superviso, as

telas grficas de interfaceamento homem-mquina, a aquisio e tratamento de dados do

processo, a gerncia de relatrios e alarmes. Este software deve ter entrada de dados

manual, atravs de teclado. Os dados sero requisitados atravs de telas com campos pr-

formatados que o operador dever preencher. Estes dados devero ser auto-explicativos e

possurem limites para as faixas vlidas. A entrada dos dados deve ser realizada por telas

individuais, seqencialmente, com seleo automtica da prxima entrada. Aps todos os

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dados de um grupo ser inserido, esses podero ser alterados ou adicionados pelo operador,

que ser o responsvel pela validao das alteraes.

A estratgia de superviso e controle desenvolvida com o software bsico de superviso

que cria um banco de dados operacional com todos os dados de configurao do sistema.

Os dados podem ser referentes a configurao da prpria estratgia ou referentes aos

pontos supervisionados (ou controlados). Em ambos os casos, o mtodo e recursos

utilizados para entrada de dados deve ser composta por ferramentas do tipo "Windows",

com menus dirigidos, preenchimento de campos pr-formatados e mltiplas janelas.

Os dados da estratgia so gerais, afetando todo o banco, como por exemplo, a

configurao de impressoras, os tipos de equipamentos conectados, as senhas, etc.. Os

dados referentes aos pontos so individuais e abrangem os "TAG" (variveis de

entrada/sada - I/O - ou internas), as descries, os limites de alarme, a taxa de varredura,

etc.. Alteraes podem ser realizadas com o sistema "on -line" (ligado ou quente). Aps a

estratgia configurada, o software bsico deve executar, gerenciar e armazenar o resultado

de clculos e operaes realizadas, o estado dos pontos e todas as informaes necessrias

neste banco de dados. O conjunto de telas do software de superviso deve permitir os operadores, controlar e

supervisionar completamente toda a planta. As telas devero ser organizadas em estrutura

hierrquica do tipo rvore, permitindo um acesso seqencial e rpido. A seguir, descrito

as principais telas que o aplicativo deve conter: - Telas de viso geral: so telas que apresentaro ao operador uma viso global de um

processo, sob visualizao imediata na operao da planta. Nestas telas so

apresentados os dados mais significantes operao e objetos que representam o

processo. Os objetivos devem ser dotados de caractersticas dinmicas, representando o

estado de grupos de equipamentos e reas do processos apresentado. Os dados devem

procurar resumir de forma significativa os principais parmetros a serem controlados

(ou monitorados) do processo especfico;

- Telas de grupo: so telas representativas de cada processo ou unidade, apresentando objetos e dados de uma determinada rea de modo a relacionar funes estanques dos

processos. Os objetos devem ser dotados de caractersticas dinmicas representado o

estado e/ou condio dos equipamentos da rea apresentada. Os dados apresentados

devem representar valores quantitativos dos parmetros supervisionados (ou

controlados). As telas de grupo tambm possibilita ao operador, acionar os

equipamentos da rea atravs de comandos do tipo abrir/fechar ou ligar/desligar. Alm

disso, o operador poder alterar os parmetros de controle ou superviso, tais como

"set-point's", limites de alarme, modos de controle, etc.;

- Telas de detalhe: so telas que atendem a pontos e equipamentos controlados (ou monitorados) individualmente. Sero compostas, quando possvel, por objetos com

caractersticas dinmicas, representando o estado do equipamento. Os dados

apresentam todos os parmetros do ponto supervisionado (ou monitorado). As telas

devem possibilitar ao operador alterar os parmetros do equipamento, seus limites, os

seus dados de configurao, etc.;

- Telas de malhas: so telas que apresentam o estado das malhas de controle. Todas as telas devem apresentar os dados das variveis controladas exibidas, como "set-point's",

limites e condio dos alarmes, valor atual e valor calculado, etc., em forma de grfico

de barras e em valores numricos;

- Telas de tendncia - histrica e real: so telas normalmente padro do software bsico de superviso. Estas telas apresentam vrias ( em mdia seis) variveis

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simultaneamente, na forma grfica, com valores coletados em tempo real ("on-line"),

na forma de tendncia real e na forma histrica "off-line" - valores de arquivos pr-

armazenados em disco. Estas tendncias podem ser apresentadas em forma de grficos

ou em forma tabular, com os ltimos valores coletados para cada varivel;

- Telas de manuteno: so compostas por informaes de problemas, alarmes, defeitos e dados de manuteno das diversas reas referentes ao processo e equipamentos destes,

incluindo o prprio sistema de controle. As informaes so do tipo histrico de falhas,

programa de manuteno dos equipamentos (corretiva e preventiva), e informaes

gerais dos equipamentos (comerciais, assistncias tcnica, etc.). O histrico de falhas

por equipamento ou rea fica armazenado em arquivos no banco de dados do software

de superviso, possibilitando o tratamento destas informaes atravs de telas

orientativas manuteno, ou atravs de programas de usurio para estatsticas de

utilizao e defeitos. O software bsico de superviso possui um mdulo para desenvolvimento de relatrios.

Criados em formatos padro, para os relatrios do tipo histricos, permitem ao operador a

escolha de quais variveis deseja visualizar. Os dados podem ser apresentados nas telas das

estaes com campos de identificao para "TAG", data, hora e descrio do ponto. Os

relatrios podero ser solicitados manualmente pelo operador e destinados para

impressoras ou terminais de vdeo. Os dados histricos so armazenados em arquivos de

modo que podem ser acessados pelos programas de relatrios, para serem trabalhados e

apresentados operao. Deste modo, os arquivos podem ser armazenados em meios

magnticos para utilizao futura.

Dentro deste perfil de aplicativos de superviso, encontram-se vrios fabricantes como:

WIZCON e WIZFACTORY- PC Soft International, Inc., RSI - Rockwell Automation,

LabVIEW - National Instruments e ELIPSE WINDOWS - Elipse Software Ltda. O Elipse Windows um software para criao de aplicativos de superviso e controle de

processos nas mais diversas reas, tais como: qumica, automao predial, manufatura,

eltrica, segurana, laboratrios de testes, saneamento e mquinas. Desenvolvido em um

ambiente avanado, orientado a objetos e de fcil configurao, permite a visualizao e

acionamento de variveis, bancos de dados, relatrios, receitas e conectividade com todo

tipo de sistemas, inclusive via Internet. Este aplicativo oferece sofisticados recursos que

otimizam o tempo de desenvolvimento e a manuteno dos sistemas:

- Interface clara, lgica e intuitiva; - Conectividade com a maioria dos equipamentos disponveis no mercado ou mesmo

com outros aplicativos Windows;

- Biblioteca grfica para criao de telas; Suporte rede e arquitetura cliente/servidor; - Configurao e reconhecimento de alarmes; - Relatrios formatados, graficamente customizados pelo usurio; - Registro de dados em disco e anlise histrica; - Receitas que permitem a programao de valores para o envio ao processo; - Scripts que permitem a criao de rotinas exclusivas, definindo lgicas e criando

seqncias de atitudes atravs de uma linguagem de programao interativa,

personalizando ao mximo o aplicativo;

- Suporte a banco de dados via ODBC (Open Data Base Connectivity) - Access, SQL Server, Oracle, dBase, etc.;

- CEP (Controle Estatstico de Processos); - Mdulo matemtico para a formulao de equaes;

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- Controle de acesso por nvel de usurio; - Acesso remoto via Internet; - Captura, registro e transmisso digital de imagens; - Aquisio de eventos com preciso de 1ms; - Criao de instrumentos virtuais.

O aplicativo Elipse Windows contm vrios aplicativos que possibilitam a adequao do

software, ao tamanho e complexibilidade do processo. A verso recomendada para o caso

especfico desse projeto o Elipse MMI (MAN MACHINE INTERFACE). Esta verso

indicada para aplicaes de mdio porte, onde necessria a coleta de dados e o tratamento

de informaes. Este um software de superviso completo com banco de dados

proprietrio, relatrios formatados, histricos, receitas, alarmes e controle estatstico de

processos. Este aplicativo no possui ODBC, no permite Cliente NetDDE e no Cliente

de Rede, isto , no possui aplicaes remotas. A TAB. 1 apresenta a configurao exigida

pelo software Elipse MMI.

TABELA 1 Configurao exigida pelo software Elipse MMI CONFIGURAO MNIMA CONFIGURAO RECOMENDADA

PC 486DX2 66MHz Pentium 133MHz

30 Mb de espao livre em disco 30 Mb de espao livre em disco

8 Mb RAM 32 Mb RAM

Monitor VGA Monitor SVGA colorido

Windows 3.11 Windows 95 / NT

1 porta paralela para o Hardkey 1 porta paralela para o Hardkey

Mouse (para configurao) Mouse (para configurao)

FONTE: Elipse Software Ltda., 1998

CONTROLADOR LGICO PROGRAMVEL - CLP OU PLC

Os Controladores Lgicos Programveis - CLP - so um microcomputador de propsito

especfico dedicado para o controle de processos. Os CLP's foram desenvolvidos para o

controle de sistemas com entradas e sadas binrias (de dois estados apenas: ligado -

desligado, alto - baixo, etc.); porm, hoje tm adquirido muitas outras funes com alta

confiabilidade, como o caso de tratamento de sinais analgicos, controle contnuo multi-

variveis, controle de posio de alta preciso, etc. Os CLP's nasceram para substituir reles

na implementao de intertravamentos e controle seqencial se especializando no

tratamento de variveis digitais. Algumas caractersticas mais relevantes dos CLP's so:

Carter modular dos CLP's: permite adequar o controlador para qualquer aplicao, j que o projetista especifica s o nmero e tipos de mdulos que precisa de acordo com o

nmero de entradas, sadas e outras funes, que requer o processo a ser controlado, se

adequando o controlador aplicao; Flexibilidade dada pela programao: pode ser aplicado a qualquer tipo de processo e

facilmente mudadas as funes atravs do programa, sem mexer na instalao; Comunicao: cada fabricante possui redes de comunicao proprietrias e

possibilidades para comunicao com outros CLP's ou componentes como inversores

de freqncia, o que possibilita a distribuio de tarefas de controle e a centralizao

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das informaes atravs de computadores onde rodam aplicativos de superviso.

Diversos meios fsicos so possveis: fios tranados, fibras pticas ou ondas de rdio; Redundncia: quando o sistema assim o requer, so fornecidos mdulos e CPU's

(Unidade Central de Processamento) redundantes (com mais de uma CPU) que

garantem uma altssima confiabilidade de operao at nos processos mais exigentes. As linguagens de programao desenvolvidos para eles so fundamentalmente

representados de trs formas:

- Redes de contatos: similar aos esquemas eltricos de rels e contatores; - Blocos funcionais: similares aos esquemas eltricos de circuitos digitais (AND, OR,

XOR, etc.);

- Lista de instruo mnemnicas: similares aos programas escritos em assembler.

Os CLP's nasceram para substituir rels na implementao de intertravamentos e controle

seqencial, se especializando no tratamento de variveis digitais. caracterizado por:

- Fornecimento via projeto de integrao; - Sistema divido em diversas CPU's de CLP's a fim de obter melhor performance em

aplicaes crticas. Redundncia proporcionada pela duplicao de cartes de I/O

(entrada / sada), fontes e CPU's;

- Redes de comunicao antes proprietrias, agora buscam obedecer a padres internacionais. Uso recente de fibras ticas;

- Total liberdade de escolha de parceiros de equipamentos e engenharia; - Programao do supervisrio independente da programao do CLP; - As variveis devem ser definidas duas vezes: na base de dados do SCADA e no

programa do CLP;

- Tecnologia em geral aberta; - Muito eficiente no tratamento de variveis discretas com poder e flexibilidade

crescentes no tratamento de variveis analgicas;

- Hardware e software padres de mercado; - Custos globais baixos quando comparado a SDCD - Sistemas Distribudos para

Controle Digital.

INTERFACE HOMEM-MQUINA

Embora existam diversas tecnologias de controle, deve existir o interfaceamento entre o

controle com o comando, proporcionando uma melhor integrao do homem com a

maquina. Para esta finalidade, utilizou-se com freqncia anunciadores de alarmes,

sinaleiros chaves seletoras botoeiras, etc..., que nos permitiam comandar ou visualizar

estados definidos com ligado e desligado, alto ou baixo, temperatura elevada ou normal,

mas no nos permitia visualizar os valores de alto, quanto alto, ou normal quo normal.

Surgiram ento os displays e chaves digitais ("thumbweel switchs"). Os displays nos permitiam visualizar os valores das variveis do processo, bem como mudar parmetros

pr definidos, como por exemplo, temporizaes atravs das chaves digitais.

No entanto, este tipo de interface trazia dois problemas claros, o primeiro a dimenso da

superfcie do painel, que por muitas vezes necessitava de ser ampliada, somente para alojar

tantos botes, ou informaes que eram necessrias. Com o desenvolvimento das interfaces

homem-mquina IHM - com visores alfanumricos, teclados de funes e

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comunicao via serial com o dispositivo de controle, o qual muitas vezes era um

computador pessoal PC - estas traziam consigo os seguintes benefcios: - Economia de fiao e acessrios, pois a comunicao com o CP seria serial com um ou

dois pares de fio transados, economizando vrios pontos de entrada ou sada do CP, e a

fiao deste com os sinaleiros e botes.

- Reduo da mo-de-obra para montagem, pois ao invs de vrios dispositivos, agora seria montado apenas a IHM.

- Diminuio das dimenses fsicas do painel - Aumento da capacidade de comando e controle, pois a IHM pode ajudar em algumas

funes o CP, com por exemplo massa de memria para armazenar dados, etc.

- Maior flexibilidade frente a alteraes no campo. - Operao amigvel - Fcil programao e manuteno.

A evoluo seguinte foi a utilizao de interfaces grficas ao invs de alfanumricas.

Quando utilizadas, as interfaces grficas, em alguns casos mais simples substituem os

sistemas supervisrios, ou quando usadas em sistemas de controle, integradas a sistemas

supervisrios, estas alm das funes das IHMs alfanumricas j citadas, executam tambm funes de visualizao que aliviam o sistema supervisrio para que a

performance das funes de superviso, alarme, tendncias, controle estatstico de processo

entre outras possa ser elevada.

Logo, os softwares que tem a finalidade de servir como uma Interface Homem Maquina,

no tem a finalidade de controlar nenhuma parte da maquina ou processo, ou seja, se

ocorrer qualquer problema durante a sua execuo, no prejudicar a automao da

mquina ou processo. Normalmente estes softwares apresentam facilidades de

configurao, mas esto limitados em segurana de dados, comunicao em rede,

comunicao remota, controles de processo, etc.

Os softwares que possuem as mesmas funes dos softwares IHM, alm de poderem

efetuar controle, distribuir informaes entres estaes via rede com performance e

segurana, etc., so os softwares do tipo sistema de controle e aquisio de dados-SCADA. Estes softwares normalmente so mais robustos e confiveis para aplicaes de

grandes porte e para aplicaes distribudas em varias estaes.

Uma tipo de IHM o indicador de alta frequncia modelo 2300, fabricado pela Gefran

Brasil. A FIG. 1 apresenta a fotografia deste componente. Algumas de suas especificaes

tcnicas: - Dimenso: 96mm x 48mm por 152mm de profundidade; - Tecnologia: microprocessador de 16 bits; - Entradas: duas entradas analgicas 0...10V, 4...20mA; - Faixa de indicao: -1999...+9999; - Resoluo: 4.000 steps; - Comunicao serial: RS485 4fios; - Tempo de aquisio: 2ms.

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Figura 1 Indicador de alta frequncia (IHM) FONTE: Gefran Brasil, 1997.

INSTRUMENTAO

Instrumentao a cincia que aplica e desenvolve tcnicas de medio, indicao, registro

e controle de processos de fabricao, visando a otimizao na eficincia desses processos.

A utilizao de instrumentos nos permite: - Incrementar e controlar a qualidade do produto; - Aumentar a produo e o rendimento; - Obter e fornecer dados seguros da matria prima e da qualidade produzida, alm de ter

em mos dados relativos a economia dos processos.

Com o advento da eletrnica dos semicondutores, no incio dos anos 50, surgiram os

instrumentos eletrnicos analgicos, sendo ento os instrumentos pneumticos substitudos

gradativamente pelos eletrnicos nos processos onde no existia o risco de exploso.

Embora atualmente as indstrias estejam optando por sistemas eletrnicos mais modernos

que utilizam instrumentos digitais, microprocessadores e, mais recentemente o "single-

loop", o "multi-loop" e o sistema de controle distribudo - SDCD - os instrumentos

pneumticos ainda encontram aplicaes nos processos industriais. Entretanto, j se

fabricam instrumentos eletrnicos cujo risco de exploses no existe. De um modo geral,

os elementos de controle so divididos em dois grupos: de campo e de painel. Os elementos de campo so:

a) Elementos primrios: so dispositivos com os quais conseguimos detectar alteraes na

varivel de determinado processo;

b) Transmissor: instrumento que mede uma determinada varivel e a envia distncia para um instrumento receptor, normalmente localizado no painel. O elemento primrio

pode ser ou no parte integrante do transmissor;

c) Elemento final de controle: dispositivo que atua e modifica diretamente o valor da

varivel manipulada de uma malha de controle.

Os elementos de painel so:

a) Indicador: instrumento que nos fornece uma indicao visual da situao das variveis

no processo. Um indicador pode se apresentar na forma analgica ou digital;

b) Registrador: instrumento que registra a varivel atravs do trao contnuo, pontos de um grfico, etc.;

c) Conversor: instrumento que recebe uma informao na forma de um sinal, altera a forma da informao e o emite como um sinal de sada. O conversor tambm

conhecido como transdutor. Todavia, transdutor um termo genrico cujo emprego

especfico para a converso de sinal no recomendada;

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d) Controlador: instrumento que tem um sinal de sada que pode ser varivel para manter a varivel de processo (presso, temperatura, vazo, nvel, etc.) dentro do "set-point"

estabelecido, ou para alter-la de um valor previamente determinado. Pode ser dividido

em:

- Analgico - possuem construo de tecnologia analgica, pneumtica ou eletrnica; - Digital - possuem construo de tecnologia digital, podendo ser do tipo "single-loop"

(controlador que atua apenas em uma malha de determinada varivel - presso,

temperatura, vazo, nvel, etc.) ou "multi-loop" (controlador que atua em vrias

variveis - com um controlador pode-se controlar uma malha de presso e uma de

temperatura, simultaneamente, por exemplo).

e) SDCD: sistema digital de controle distribudo

- Sistema: conjunto integrado de dispositivos que se completam no cumprimento das suas funes;

- Digital: utiliza tcnicas de processamento digital (discreto) em contraposio ao anlogo (contnuo);

- de Controle: com vistas a manter o comportamento de um dado processo dentro do preestabelecido;

- Distribudo: descentralizado dos dados, do processamento e das decises (estaes remotas). Alm de oferecer ima interface homem-mquina - IHM - de grande

resoluo, permite o interfaceamento com controladores lgicos programveis - CLP,

equipamentos inteligentes (comunicao digital) e sistemas em rede. Para a escolha apropriada de sensores eletrnicos, a seguinte terminologia adotada:

a) Faixa de medida (RANGE): conjunto de valores da varivel medida que esto

compreendidos dentro dos limites inferior e superior da capacidade de medida ou de

transmisso do instrumento. Expressa-se determinando os valores extremos; b) Alcance (SPAN): a diferena algbrica entre os valores superior e inferior da faixa de

medida do instrumento. Por exemplo, um instrumento com faixa de medida de 100C a

250C, possui um alcance de 150C. c) Erro: a diferena entre o valor medido ou transmitido pelo instrumento, em relao ao

valor real da varivel medida. Se tivermos o processo em regime permanente, estvel,

chamaremos de "erro esttico" que ser positivo ou negativo, dependendo da indicao

do instrumento que poder estar indicando a mais ou a menos. Quando tivermos a

varivel se alterando, teremos um atraso na transferncia de energia do meio para o

medidor, onde o valor medido estar geralmente atrasado em relao ao valor real da

varivel. Esta diferena chamada de "erro dinmico";

d) Preciso: define-se como sendo o maior valor de erro esttico que um instrumento pode ter ao longo de sua faixa de trabalho. Pode ser expressa de diversas maneiras como:

porcentagem do alcance, unidade da varivel e porcentagem do valor medido; e) Zona morta: a no alterao na indicao ou no sinal de sada de um instrumento ou

em valores absolutos da faixa de medida do mesmo, apesar de ter ocorrido uma

sensvel variao da varivel. Por exemplo, um instrumento com faixa de medida entre

0C a 200C possui uma zona morta de 0,1% do alcance, ou seja 0,2C. Portanto, para variaes inferiores a este valor, o instrumento no apresentar alterao da

medida;

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f) Sensibilidade (linearity): a razo entre a variao do valor medido ou transmitido para

um instrumento e a variao da varivel que o acionou, aps ter alcanado o estado de

repouso. Pode ser expressa em unidades de medida de sada e de entrada. Por exemplo,

um termmetro de vidro com faixa de medida de 0C a 500C possui uma escala de

leitura de 50cm, portanto, a sua sensibilidade de 0,1cm/C;

g) Histerese: a diferena mxima apresentada por um instrumento, para um mesmo

valor, em qualquer ponto da faixa de trabalho, quando a varivel percorre toda a escala

nos sentidos ascendente e descendente; h) Repetibilidade: a mxima diferena entre diversas medidas de um mesmo valor da

varivel, adotando sempre o mesmo sentido de variao. Expressa-se em porcentagem

do alcance; i) Resoluo: a menor variao que se pode detectar. A resoluo est relacionada com

o nmero de "bit" do instrumento: quanto maior o nmero de "bit" melhor a resoluo. O clculo da resoluo de um instrumento dado pelo quociente da faixa de medida

por 2nmero de "bit" do mesmo

. Por exemplo, para um transdutor linear de 100mm e 12

bit, tem-se uma resoluo de 0,024mm.

SENSOR DE CARGA

As clulas de carga so sensores projetados para medir cargas estticas e dinmicas de

trao e compresso, princpio extensomtrico e cargas de 0 a 300t. As clulas so

totalmente estanques (proteo IP67) e podem ser utilizadas em atmosferas agressivas.

Externamente o transdutor usinado a partir de um nico bloco de ao inoxidvel sem

qualquer parte soldada. As clulas de carga so, ainda, resistentes vibrao e impacto. O

seu tamanho compacto permite sua aplicao em pequenos espaos e em locais de difcil

acesso.

Um tipo de clula de carga a Doc 438, modelo TU-K5C, para cargas de trao e

compresso da Gefran Brasil, com flange para a aplicao de cargas suspensas, FLA703, e

articulao esfrica, SND022. A FIG. 2 apresenta as dimenses mecnicas da clula de

carga Doc 438 e sua montagem com junta esfrica dupla e flange para cargas suspensas.

Algumas especificaes tcnicas desta clula:

- Preciso: 0,2%; - Faixa de medio: 0 a 500Kg; - Sensibilidade: 2mV/V; - Erro combinado - no linearidade/histerese/repetibilidade: 0,2% do fundo de escala; - Tenso nominal de alimentao: 10V; - Tenso mxima de alimentao: 15V; - Faixa de temperatura permissvel: -20C a 60C; - Carga esttica mxima: 130% a capacidade mxima; - Carga dinmica mxima: 100% a capacidade mxima; - Carga mxima aplicvel: 150% a capacidade mxima; - Carga de ruptura: 300% a capacidade mxima; - Grau de proteo (DIN 40050): IP67; - Ligaes eltricas: cabo blindado 4x0,25 / 3m;

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- Material do elemento elstico: ao inoxidvel.

Figura 2 - Clula de Carga FONTE: Gefran Brasil, 1997.

Embora a resoluo da clula de carga seja infinita, pois depende da IHM (GEFRAN,

1997), o conjunto clula de carga IHM (FIG. 1) permitir uma resoluo de 0,015Kg.

SENSOR DE DESLOCAMENTO Transdutores lineares de deslocamento so sensores projetados para medir deslocamentos, pelo princpio da fita plstica condutiva (filme espesso), para cursos de 10mm a 2.000mm.

A mxima velocidade de deslocamento de 10m/s, com vida til de 25x106 metros de

deslocamento percorrido, ou 100x106 operaes, vlido para aquele que ocorrer primeiro.

Um tipo de transdutor linear de deslocamento o Doc 074, modelo PZ 34F da Gefran

Brasil, com fixao atravs de flange. A FIG. 3 apresenta a fotografia deste transdutor

linear de deslocamento. Algumas de suas especificaes tcnicas: - Curso eltrico til (mm): 25 a 250; - Linearidade independente: 0,2% / 25mm

0,1% / 50mm a 100mm

0,05% / 125mm a 250mm - Faixa de temperatura permissvel: -30C a 100C; - Velocidade mxima de deslocamento: 10m/s; - Fora de acionamento:

SISTEMAS DE CONTROLE

Geralmente, existem vrias condies internas e externas que afetam o desempenho de um

processo. Estas condies so denominadas de variveis de processo, tais como:

temperatura, presso, nvel, vazo, volume, etc. Um processo pode ser controlado atravs

de um sistema de controle medindo-se variveis, parmetros que representam o estado

deste processo, ajustando-as automaticamente de maneira a se conseguir um valor que

representa o estado desejado para este processo. As condies de ambiente devem sempre

ser includas na relao de variveis do processo.

DEFINIES

A) Varivel controlada: a grandeza ou condio que medida ou controlada. Normalmente a sada do sistema;

B) Varivel manipulada: a grandeza ou condio que variada pelo controlador de modo a afetar o valor da varivel controlada;

C) Controle: medio do valor da varivel controlada do sistema e aplicao da varivel manipulada ao sistema para corrigir ou limitar o desvio do valor medido de um valor

desejado;

D) Plantas: uma parte do equipamento ou um conjunto de itens de uma mquina que funcionam juntos, cuja finalidade desempenhar uma dada operao (qualquer objeto

fsico a ser controlado);

E) Processo: qualquer operao a ser controlada; F) Sistema: uma combinao de componentes que atuam conjuntamente e realizam um

certo objetivo;

G) Perturbao ou distrbio: um sinal que tende a afetar adversamente o valor da sada do sistema. Uma perturbao considerada externa quando gerada fora do sistema e

constitui uma entrada;

H) Sistema de controle de processos: um sistema regulador automtico no qual a sada uma varivel controlada;

I) Sistema regulador automtico: um sistema de controle em que a entrada de referncia ou a sada desejada, ou constante ou varia lentamente com o tempo. Alm disso, a

tarefa principal consiste em manter a sada real no valor desejado na presena de

perturbaes;

J) Servossistema ou servomecanismo: um controle em que a sada uma posio mecnica, velocidade ou acelerao;

K) Sistema de controle em malha fechada: muitas vezes tambm chamado de sistema de controle realimentado, est intimamente relacionado com o erro do sistema. O sinal de

erro atuante, que a diferena entre o sinal de entrada e o sinal realimentado (que pode

ser o prprio sinal de sada ou uma funo do sinal de sada e suas derivadas),

introduzido no controlador de modo a reduzir o erro, trazendo a sada do sistema a um

valor desejado;

L) Sistema de controle em malha aberta: o sistema em que a sada no tem nenhum efeito sobre a ao de controle, ou seja, a sada no medida nem realimentada para

comparao com a entrada;

M) Sistema de controle adaptativo: o sistema que possui a capacidade de detectar variaes nos parmetros da planta, fazendo os ajustes necessrios nos parmetros do

controlador a fim de manter um desempenho timo. Adaptao significa auto-ajustar,

uma vez que em muitos sistemas, as caractersticas dinmicas no so constantes

13

devido a vrias razes (deteriorao de componentes ao longo do tempo ou variaes

nos parmetros e no ambiente). Portanto, so sistemas que levam em conta as suas

caractersticas dinmicas, desde modo, aumentando a sua confiabilidade;

N) Sistema de controle de aprendizado: so sistemas de controle que possuem uma

habilidade para aprender;

PRINCPIOS BSICOS DE PROJETO DE SISTEMAS DE

CONTROLE

Qualquer sistema de controle deve ser estvel. Esta uma exigncia primordial. Alm da

estabilidade absoluta, um sistema de controle deve Ter uma estabilidade relativamente

razovel; assim, a resposta deve apresentar amortecimento razovel. Alm disso, a

velocidade de resposta deve ser razoavelmente rpida e o sistema de controle deve ser

capaz de reduzir erros a zero ou a algum valor pequeno tolervel.

A exigncia da estabilidade relativa razovel est relacionada a exigncia de preciso no

estado estacionrio, razo de incompatibilidade entre esses dois fatores. Portanto, no

projeto de sistemas de controle, necessrio fazer o compromisso mais efetivo entre estas

duas exigncias. Existem duas teorias de controle: clssica e moderna. A primeira teoria utiliza o conceito

de funo de transferncia. A anlise e projeto so feitos no domnio "s" e/ou no domnio

de freqncia, entretanto, no pode manipular sistemas de controle com entradas e sadas

mltiplas. A Segunda, baseia-se no conceito de espao de estados, utilizando-se a anlise

vetorial-matricial. A anlise e o projeto so feitos no domnio do tempo

Os componentes envolvidos nos sistemas de controle so amplamente diferentes. Eles

podem ser eletromecnicos, hidrulicos, pneumticos, eletrnicos, etc. Em engenharia de

controle, em vez de tratar os dispositivos de "hardware", substitui-se os tais dispositivos ou

componentes pelos seus modelos matemticos. Obter um modelo matemtico razoavelmente preciso de um componente fsico um dos

problemas mais importantes em engenharia de controle. Um modelo matemtico no deve

ser nem muito complicado nem muito simplificado. Um modelo matemtico deve

representar os aspectos essenciais de um componente fsico. As previses do

comportamento do sistema baseadas no modelo matemtico devem ser razoavelmente

precisas. Embora as relaes entre entrada-sada de muitos componentes sejam no-

lineares, normalmente lineariza-se tais relaes em torno de pontos de operao, limitando

a faixa de variveis para ser pequena - facilitando o tratamento analtico e computacional. A anlise de um sistema de controle corresponde a investigao, sob condies especficas,

do desempenho do sistema cujo modelo matemtico conhecido. Visto que qualquer

sistema constitudo de componente, a anlise deve comear por uma descrio

matemtica de cada componente. Uma vez que o modelo matemtico do sistema completo

tenha sido deduzido, a maneira pela qual a anlise executada independe do fato do

sistema fsico ser pneumtico, eltrico, mecnico, etc. Por anlise da resposta transitria

geralmente determina-se as respostas de uma planta para comandar entradas e entradas de

perturbaes. Por anlise no estado estacionrio determina-se a resposta depois da resposta

transitria ter desaparecido.

14

Projetar um sistema significa achar um sistema que realize uma dada tarefa. Se as

caractersticas da resposta dinmica e/ou as caractersticas no estado estacionrio no

forem satisfatrias, deve-se adicionar um compensador ao sistema. Em geral, um projeto

de um compensador adequado no direto, mas exigir mtodos experimentais. Nos ltimos anos, os computadores digitais tm representado um papel importante na

anlise, no projeto e na operao de sistemas de controle. O computador pode ser usado

para executar computaes necessrias, para simular uma planta ou componentes de

sistema, ou para controlar um sistema. O controle por computador tem se tornado cada vez

mais comum, e muitos sistemas de controle industriais, sistemas de aviao e sistemas de

controle de robs utilizam controladores digitais.

O mtodo bsico para o projeto de qualquer sistema de controle prtico necessariamente

envolver procedimentos experimentais. A sntese de sistemas de controle linear

teoricamente possvel, e o engenheiro de controle pode determinar sistematicamente os

componentes necessrios para desempenhar o objetivo dado. Na prtica, no entanto, o

sistema pode ser submetido a muitas restries ou pode ser no-linear, e em tais casos

nenhum dos mtodos de sntese est disponvel atualmente. Alm disso, as caractersticas

dos componentes podem no ser precisamente conhecidas. Assim, procedimentos

experimentais so sempre necessrios.

O engenheiro de controle deve satisfazer as especificaes dadas na realizao de uma

tarefa. Estas especificaes podem incluir fatores tais como a velocidade de resposta,

amortecimento razovel, preciso do estado estacionrio, confiabilidade e custos. Todos os

requisitos devem ser interpretados em termos matemticos, no se esquecendo de certificar

de que o sistema de malha fechada estvel e tem caractersticas aceitveis na resposta

transitria (velocidade e amortecimento razovel) e preciso aceitvel no estado

estacionrio. A especificao do sinal de controle sobre o intervalo de tempo de operao chamado lei

de controle. Matematicamente, o problema bsico de controle determinar a lei do

controle timo, sujeita a vrias restries de engenharia e de economia, o que minimiza (ou

maximiza, conforme possa ser o caso) um dado ndice de desempenho. Este ndice de

desempenho pode ser uma integral de uma funo varivel de erro que deve ser

minimizada.

ETAPAS DO PROJETO DE UM SISTEMA DE CONTROLE

Dada uma planta, deve-se primeiro escolher sensores e atuadores apropriados. Deve-se

obter modelos matemticos da planta, dos atuadores e dos sensores. Ento, usando o

modelo matemtico obtido, projeta-se um controlador tal que o sistema em malha fechada

satisfaa as especificaes dadas. O controlador projetado a soluo para a verso

matemtica do problema de projeto. Neste estgio, a teoria de controle timo muito til

porque fornece o limite superior de desempenho do sistema para um dado ndice de

desempenho.

Depois do projeto matemtico ter sido concludo, o engenheiro de controle simula o

modelo em um computador para testar o comportamento do sistema resultante em resposta

a vrios sinais e perturbaes. Usualmente, a configurao inicial do sistema no

satisfatria. Ento o sistema deve ser reprojetado e a anlise correspondente concluda.

15

Este processo de projeto e anlise repetido at que um sistema satisfatrio seja obtido.

Ento, pode-se concluir o sistema fsico do prottipo.

Este processo de construo de um prottipo o inverso daquele de modelamento. O

prottipo um sistema fsico que representa o modelo matemtico com razovel preciso.

Uma vez que o prottipo tenha sido construdo, o engenheiro o testa para ver se ele ou

no satisfatrio. Se for, o projeto est concludo. Se no, o prottipo deve ser modificado e

testado novamente. Este processo continua at que o prottipo seja completamente

satisfatrio.

No caso de alguns sistemas de controle de processo, formas padronizadas de controladores,

tais como controladores PD (proporcional-mais-derivativo), PI (proporcional-mais-

integral) e PID (proporcional-mais-integral-mais -derivativo) podem ser usados. Os

parmetros do controlador so determinados experimentalmente seguindo um

procedimento padro estabelecido. Neste caso, no so necessrios modelos matemticos.

No entanto, este um caso tanto especial..

AES DE CONTROLE BSICAS Os controladores analgicos industriais podem ser classificados, de acordo com a ao de

controle, como:

Controladores de duas posies ou liga-desliga (on-off); Controladores proporcionais; Controladores do tipo integral; Controladores do tipo proporcional-mais-integral; Controladores do tipo proporcional-mais-derivativo; Controladores do tipo proporcional-mais-integral-mais derivativo;

Em um sistema de controle de duas posies, o elemento atuante possui apenas duas

posies fixas que so, em muitos casos, simplesmente ligado e desligado (do ingls, on-

off). O controle de duas posies relativamente simples e barato e, por esta razo,

extremamente utilizado, tanto em sistemas de controle industriais, como domsticos. So

geralmente dispositivos eltricos, e uma vlvula operada por solenide eltrico

extensivamente usada nestes controladores. O tamanho do intervalo diferencial deve ser

determinado a partir de consideraes relativas preciso exigida e vida do componente.

Para um controlador com ao de controle proporcional, a relao entre a sada do

controlador, u(t), e o sinal de erro atuante, e(t), igual a uma constante, Kp, denominada

sensibilidade proporcional ou ganho. Independentemente do mecanismo real, ou da forma da potncia de operao, o controlador proporcional essencialmente um amplificador com um ganho ajustvel.

Em um controlador com ao de controle integral, o valor da sada do controlador, u(t)

variado em uma taxa proporcional ao sinal de erro atuante, e(t). A Eq. 1 apresenta esta taxa

de variao, onde Ki a constante ajustvel do controlador integral. A ao de controle

integral muitas vezes denominada controle de restabelecimento (reset).

16

du(t) Ki e(t)

d

ou (1)

t u(t) Ki e(t) dt

0

A ao de controle de um controlador proporcional-mais-integral definida pela Eq. 2,

onde Ti chamado tempo integral. Tanto Kp como Ti so ajustveis. O tempo integral

ajusta a ao de controle integral, enquanto uma mudana no valor de Kp afeta tanto a

parte proporcional, como a parte integral da ao de controle. O inverso do tempo integral

Ti denominado taxa de restabelecimento (reset), que o nmero de vezes, por minuto,

que a parte proporcional da ao de controle duplicada. Esta taxa medida em termos de

repeties por minuto.

Kp t

u(t) Kp e(t) e(t) dt (2)

Ti 0

A ao de controle de um controlador proporcional-mais-derivativo definida pela Eq. 3,

onde Td chamado tempo derivativo. Tanto Kp como Td so ajustveis. O tempo

derivativo o intervalo de tempo pelo qual a ao de taxa avana o efeito da ao de

controle proporcional. A ao de controle derivativa, algumas vezes denominada controle

de taxa, onde a magnitude da sada do controlador proporcional taxa de variao do

sinal de erro atuante. Sua ao tem o carter antecipatrio, entretanto, a ao de controle

derivativo nunca pode antecipar uma ao que ainda no ocorreu. Porm, possui a

desvantagem de amplificar os sinais de rudo e causar efeito de saturao no atuador. Logo,

nunca se usa este controle sozinho porque somente efetivo durante os perodos

transitrios.

u(t) Kp e(t) Kp Td de(t)

(3) dt

A ao de controle de um controlador proporcional-mais-integral-mais-derivativa uma

combinao da ao de controle proporcional, ao de controle integral e ao de controle

derivativa, definida pela Eq. 4. Esta ao combinada possui as vantagens de cada uma das

trs aes de controle individuais.

t

u(t) Kp e(t) Kp e(t) dt Kp Td de(t)

(4)

Ti 0 dt

EFEITOS DAS AES DE CONTROLE INTEGRAL E DERIVATIVA SOBRE O DESEMPENHO DO SISTEMA

No controle proporcional de um processo cuja funo de transferncia no possui um

integrador, 1/s, h um erro em regime estacionrio, ou desajuste, na resposta entrada ao

degrau. Este desajuste pode ser eliminado se for includa no controlador uma ao de

controle integral.

17

No controle integral de um processo, o sinal de sada do controlador, em qualquer instante

igual rea sob a curva sinal de erro atuante at aquele instante. A FIG. 4 mostra os

efeitos de um controlador integral e de um controlador proporcional em um sistema.

Observa-se que a ao de controle integral, embora remova o desajuste ou erro em regime

estacionrio, pode resultar em uma resposta oscilatria com amplitude lentamente

decrescente ou mesmo com amplitude crescente, ambas usualmente indesejveis.

Figura 4 - Curvas de erro, e(t), e sinal de sada, u(t), de controlador (A) Controle integral (B) Controle proporcional

FONTE: Ogata, 1993, p.175

O erro em regime estacionrio pode ser reduzido pelo aumento do valor do ganho Kp. O

aumento deste valor, entretanto, resultar em uma resposta mais oscilatria do sistema. J

que o valor do ganho no pode ser demasiadamente aumentado, desejvel modificar o

controle proporcional para um controle proporcional-mais-integral. Curvas de respostas

tpicas para um pequeno e um grande valor de Kp so mostrados na FIG. 5:

Figura 5 - Curvas de resposta tpicas para o distrbio de torque em degrau

FONTE: Ogata, 1993, p.176

18

Se for adicionado ao controlador uma ao de controle integral, ento, enquanto houver um

sinal de erro, haver um sinal desenvolvido pelo controlador para reduzir este erro, desde

que o sistema de controle seja estvel. Logo, a ao de controle proporcional tende a

estabilizar o sistema, enquanto a ao de controle integral tende a eliminar ou reduzir o

erro em regime estacionrio em resposta a vrias entradas.

A ao de controle derivativa, quando adicionada a um controlador proporcional,

possibilita um meio de obter um controlador com alta sensibilidade. Uma vantagem em

usar ao de controle derivativa que ela responde taxa de variao do erro atuante e

pode produzir uma correo significativa antes de o valor do erro atuante tornar-se

demasiadamente grande. O controle derivativo, portanto, antecipa o erro atuante e inicia

uma ao corretiva mais cedo, tendendo a aumentar a estabilidade do sistema.

Embora o controle derivativo no afete diretamente o erro em regime estacionrio, ele

produz amortecimento no sistema e portanto, permite o usos de um valor maior de ganho

do sistema, o que resulta em uma melhora na preciso em regime estacionrio. Devido ao fato de o controle derivativo operar sobre a taxa de variao do erro atuante e

no sobre o prprio erro atuante, este modo nunca usado sozinho. sempre utilizado em

combinao com ao proporcional ou ao proporcional-mais-integral.

CONTROLADOR AUTOMTICO, ATUADOR E SENSOR A FIG. 6 um diagrama de blocos de um sistema de controle industrial, que consiste em

um controlador automtico, um atuador, uma planta e um sensor (elemento de medio). O

controlador detecta o sinal de erro atuante, que usualmente est em um nvel de potncia

muito baixo, e o amplifica at um nvel suficientemente alto. Junto com o amplificador,

pode-se alterar o sinal de erro atuante amplificando-o e s vezes diferenciando e/ou

integrando-o para produzir um melhor sinal de controle.

Figura 6 - Diagrama de blocos de um sistema de controle automtico

FONTE: Ogata, 1993, p.147 O atuador um dispositivo de potncia que produz a entrada para a planta de acordo com o

sinal de controle, de modo que o sinal de realimentao corresponder ao sinal de entrada

de referncia. A sada de um controlador automtico introduzida em um atuador, tal

como um motor hidrulico ou vlvula pneumtica ou motor eltrico.

19

O sensor ou elemento de medio um que converte a varivel de sada em uma outra

varivel adequada, tal como um deslocamento, uma presso ou uma tenso (voltagem), que

pode ser usada para comparar a sada ao sistema de entrada de referncia. Este elemento

est no caminho de realimentao do sistema de malha-fechada. O ponto de ajuste do

controlador deve ser convertido a uma entrada de referncia com as mesmas unidades que

o sinal de realimentao proveniente do sensor ou elemento de medio.

CONTROLADORES PNEUMTICOS Os sistemas pneumticos so extensivamente utizados na automao industrial,

convertendo a energia de fludos (geralmente ar comprimido) em energia mecnica.

Portanto, envolvem o fluxo de ar atravs de tubulaes e recipientes com presso em

coneco. Para se desenvolver o modelo matemtico de um sistema pneumtico, deve-se

fazer as seguintes consideraes:

- O fluxo de gs atravs de uma restrio uma funo da diferena de presso, pi - p0,

do gs;

- A resistncia do fluxo, R, definida como a razo entre a variao da diferena de presso de gs, pela variao na taxa de fluxo de gs. O clculo desta resistncia pode

ser bastante demorado. Experimentalmente, entretanto, pode ser facilmente

determinado atravs de um grfico relacionando a diferena de presso com o fluxo, e

calculando-se a inclinao desta curva em uma dada condio de operao;

- A capacitncia do recipiente sob presso dada como a razo entre a variao no gs armazenado, pela variao na presso do gs. Portanto, depende do tipo de processo de

expanso envolvido, podendo ser calculada pelo uso da lei dos gases ideais. Logo, a

capacitncia do recipiente constante se a temperatura permanecer constante

O modelo matemtico que descreve um sistema pneumtico dado pela Eq. 5, onde pi a

entrada do sistema, e p0 a sada do sistema. Os passos seguintes para o projeto de um

controlador pneumtico, foram discutidos no item "Sistemas de Controle", sendo que as aes de controle ir depender do tipo de controlador (vlvula pneumtica) a ser utilizado.

pi p0 R C dp0

(5) dt

TIPOS DE ATUADOR

INDUTOR ELETROMAGNTICO

O movimento das cargas eltricas, e em particular a corrente eltrica, responsvel por um

fenmeno de atrao ou repulso designado por fora magntica. Dois condutores

percorridos por uma corrente eltrica atraem-se um ao outro se os sentidos dos respectivos

fluxos forem concordantes, e repelem-se no caso contrrio. A fora magntica, encontram-

se associados o campo magntico, o fluxo e a densidade de fluxo magntico, a

permeabilidade magntica, a indutncia ou coeficiente de auto-induo, e o coeficiente de

induo mtua.

20

Considerem-se os dois fios condutores paralelos e imersos no espao vazio representados na FIG. 7, e admita-se que o comprimento, l, muito superior distncia respectiva (l>>d), que a seco infinitesimal (r

A anlise de um circuito com bobinas exige a obteno e a resoluo de uma ou vrias

equaes diferenciais. As condies iniciais da corrente, do fluxo magntico e da energia

armazenada, em conjunto com a imposio da sua continuidade, constituem a informao

necessria para determinar os valores das constantes da soluo da equao diferencial.

A FIG. 8 ilustra os diversos caminhos fechados de corrente vulgarmente utilizados na

realizao de bobinas: a espira (a), a bobina com N espiras e ncleo cilndrico (b) e a

bobina com N espiras e ncleo toroidal (c).

Figura 8 - Caminhos fechados de corrente utilizados na realizao de bobinas (a) Espira (b) Bobinas com ncleo cilndrico (c) Toroidal

CILINDRO HIDRULICO

O cilindro hidrulico componente do sistema hidrulico que recebe o fludo, sob presso,

de uma linha de alimentao. No cilindro, o fludo atua sobre um pisto para realizar

trabalho numa direo retilnea. O trabalho realizado o produto da presso do fludo pela

rea do orifcio do cilindro, como ilustrado pela FIG. 9. A velocidade ou razo de

realizao de trabalho depende da quantidade de fludo distribuda para o cilindro.

22

Figura 9 - Diagrama esquemtico de um cilindro hidrulico FONTE: Stewart, 1981a, p.289

As funes de um fludo hidrulico so a de transmitir uma fora aplicada em um ponto do

sistema de fludo para outro ponto do sistema e reproduzir rapidamente qualquer variao

na fora aplicada. Assim, o fludo deve fluir prontamente, e deve ser relativamente

incompressvel. A escolha do fludo hidrulico mais satisfatria a uma aplicao industrial

envolve duas condies distintas: o fludo para cada sistema deve possuir certas

caractersticas e propriedades fsicas essenciais de fluxo e funcionamento; e o fludo deve

apresentar convenientes caractersticas de operao durante um perodo de tempo (evitar a

variao do efeito desejado em projeto).

O fludo hidrulico deve proporcionar uma vedao ou pelcula adequada entre as peas

mveis, para reduzir o atrito. aconselhvel que o fludo no produza variaes fsicas ou

qumicas adversas enquanto estiver no sistema hidrulico. O fludo no deve provocar

oxidao ou corroso no sistema, e deve atuar como um lubrificante adequado para criar

uma pelcula resistente o bastante para separar as peas mveis e minimizar o desgaste

entre elas.

Os cilindros hidrulicos podem ser de simples ou dupla ao. No primeiro tipo, o fludo

exerce presso em apenas um lado do cilindro, sendo o seu retorno por ao de uma mola,

ou pelo peso prprio da haste, aps o alvio da presso fludica. A aplicao do cilindro

hidrulico de simples ao recomendada somente quando possvel aceitar pequena

passagem de leo entre cmaras, pois no existe cilindro hidrulico com vazamento "zero".

No segundo tipo, o fludo exerce presso em ambos os lados do cilindro, de forma que o

trabalho possa ser realizado em ambos os sentidos.

A forma e as dimenses da haste do cilindro varia de acordo com a aplicao desejada.

Segundo a PARKER, os tipos de haste de cilindro mais comuns so: haste simples e haste

passante. O primeiro tipo possui uma rea de aplicao de presso fludica diferente em

cada lado do cilindro, portanto, o trabalho realizado em um sentido superior ao trabalho

realizado no sentido oposto. O segundo tipo possui a mesma rea de aplicao de presso,

e o trabalho realizado o mesmo em ambos os sentidos. A grande vantagem da utilizao

da haste passante em cilindros a possibilidade de montagem de outros sistemas ou

componentes de mquina. Para a especificao de um cilindro hidrulico, so necessrios os seguintes dados:

Designao da srie; Dimetro do cilindro; Conexes; Dimetro da haste;

23

Rosca na extremidade da haste; Amortecimento; Opes (caractersticas opcionais ou especiais); Tipo de montagem; Curso; Acessrios;

Todos esse dados so obtidos nos catlogos de fabricante de cilindros hidrulicos. Especial

ateno deve ser tomada com relao a especificao da capacidade do cilindro, velocidade

do pisto e dimenso da haste. Apesar dos fabricantes seguirem a norma ISO 6431 que

garante a intercambiabilidade do conjunto montado, o projeto e fabricao dos cilindros

de responsabilidade do fabricante. Logo, as caractersticas tcnicas e os fatores de

segurana (ou servio ou de trabalho) a ser utilizado so diferentes entre os fabricantes, no

se devendo especificar um cilindro com grficos e frmulas fornecidos por outro

fabricante.

O desempenho de um sistema, consistindo de vrios componentes, muito importante,

razo pela qual os sistemas de controle automticos tm se tornado muito comuns

(STEWART, 1981b). O controle automtico pode envolver a regulagem de uma dada

funo ou varivel, como temperatura, velocidade, presso, fora, deslocamento ou

acelerao, de acordo com uma operao desejada que possa ser realizada sem ao ou

ateno humana direta. Os sistema de controle so usados para regular ou orientar um

fluxo de energia.

O dispositivo de leitura diferencial (deteco de diferena ou erro) uma pea importante

de um sistema de controle. O dispositivo funciona da mesma maneira que o operador atua

em um sistema de controle manual. Os detetores de erros podem ser usados para

determinar quantidades diferentes de deslocamento lineares e angulares mecnicos. A FIG. 10a ilustra um servossistema hidrulico, mostrando o controle automtico e o diagrama de blocos de operaes funcionais. O fludo hidrulico de uma bomba pode ser usado para mover um motor de fludo rotativo. O motor de fludo, por sua vez, move uma carga de sada. A bobina da vlvula de controle pode ser virada para parar o fluxo de fludo; ento a rotao da carga de sada zero. A bobina da vlvula pode ser virada para vrias posies para girar o eixo de sada em vrios sentidos em diferentes valores da

rotao de sada, N0. Um dispositivo de leitura de erro colocado na carga de sada. A

rotao de carga, N0, comparada com a rotao de comando ou de entrada, N1, por um

dispositivo diferencial ou de leitura de erro (um sistema de alavancas ou de engrenagens diferenciais). O dispositivo diferencial desenvolve um sinal de erro que retorna vlvula de controle. Se o sinal de erro envolver a rotao de um eixo, a rotao do eixo poder ser ligada haste de impulso da vlvula por um arranjo, como o de cremalheira pinho. O sinal de erro pode acionar a vlvula e mudar o fluxo de fludo para o motor rotativo, assim mudando a rotao da carga de sada impulsionada. O objetivo principal projetar um sistema de controle para reduzir o erro. A FIG. 10b mostra o diagrama de blocos de operaes ou atividades funcionais.

24

Figura 10 - Diagrama para um servossistema hidrulico (A) - Controle automtico (B) - Diagrama de blocos de operaes funcionais

FONTE: Stewart, 1981b, p.426

Na seleo, projeto e desenvolvimento dos servossitemas, caractersticas como

estabilidade, velocidade de resposta e preciso da resposta devem ser considerados, em

adio aos fatores de custos usuais - disponibilidade, confiabilidade e manuteno. Uma anlise completa de um servossitema pode tornar-se muito intricada e bastante

complicada. Vrias tcnicas analticas tm sido imaginadas para estudar a estabilidade dos

servossitemas. Em geral, uma equao diferencial mostrada para o sistema, e as

caractersticas da soluo so estudadas para determinar a estabilidade.

25

Com relao ao diagrama de blocos do servossitema (FIG. 10b), um sinal de erro vindo do

detetor de erro, B, retorna para o controlador e fonte de potncia, D. A ao de controle,

por sua vez, determina a sada, C, da carga movida. Vrios tipos de controladores so

possveis, dependendo dos componentes utilizados e do arranjo dos componentes. Se um

sinal de erro, N, for levado ao controlador, D, ser possvel arranjar um controle ou ao de

correo diretamente proporcional ao erro. A correo pequena para um erro pequeno;

para um grande erro, a correo maior.

Tambm possvel arranjar um controle ou ao de correo diretamente proporcional

razo temporal do erro. Se o erro variar rapidamente, a correo ser grande, se o erro

variar lentamente, a correo ser menor. Este tipo de correo envolve um

reconhecimento de um possvel erro futuro. Uma ao de controle diretamente

proporcional soma de tempo ou integral do tempo de erro possvel; neste caso, o

produto do erro multiplicado pela variao do tempo totalizado para um intervalo de

tempo. Este tipo de correo envolve um reconhecimento do histrico do erro anterior.

Vrias combinaes de controle podem ser arranjadas, como a combinao de erro, a taxa

de erro, e integral do erro. O atrito tambm pode ser includo. Em cada caso, deve ser feito

um estudo das caractersticas resultantes, e deve-se chegar a uma deciso quanto

combinao mais adequada para os requisitos de funo desejada.

CILINDRO PNEUMTICO

O cilindro pneumtico possui as mesmas caractersticas e funes descritas no item sobre o

cilindro hidrulico. A principal diferena o fludo usado para realizar trabalho: no

cilindro pneumtico o ar. Portanto, o princpio de funcionamento o mesmo. Entretanto,

principalmente a capacidade de carga e a velocidade do mbolo - dentre outros parmetros

- so diferentes.

No caso de um sistema pneumtico, a presso do ar exercida por um compressor. O

sistema de compressor pode incluir um ps-esfriador, uma vlvula de segurana, um

separador de gua e um receptor. O ar comprimido que sai do sistema compressor

distribudo ento atravs da tubulao para os cilindros pneumticos. Em um sistema pneumtico, o ar deve passar por um filtro de ar, um regulador de presso e

um lubrificador em linha, antes de ser distribudo para o dispositivo ou mquina que realiza

trabalho. s vezes recomendado que no mais de dois cilindros sejam servidas por um

nico filtro, regulador ou lubrificador.

CILINDRO ELTRICO

O cilindro eltrico consiste de um cilindro cujo trabalho fornecido por um motor eltrico.

O motor eltrico pode ser um motor de passo ou um servo motor, garantindo ao sistema

preciso de posicionamento, deslocamento suave e livre de ressonncia em operao. A

acelerao e desacelerao realizada de maneira suave elimina os problemas de vibrao,

impacto e erro do sistema. O controle do sistema realizado atravs de um driver de

interface homem-mquina (IHM) de grande flexibilidade, capaz de programar aes passo-

a-passo. A FIG. 11 mostra um cilindro eltrico em corte, onde pode-se ver todos os

componentes do sistema.

26

Figura 11 - Cilindro eltrico FONTE: Parker, 1998

As principais caractersticas do cilindro eltrico so:

- Preciso em deslocamentos; - Deslocamento suaves; - Funcionamento sem golpes, vibrao ou deslizamentos indesejveis; - Baixa manuteno; - Baixo nvel de rudo; - Suporta carregamentos radial e longitudinal (em relao a haste); - Alta eficincia (baixo atrito do sistema); - Deslocamentos de 50mm a 1500mm, velocidade mxima de 1588mm/s e fora

mxima (de avano) de 23.500N, faixa de temperatura de operao entre 0-

60C, repetibilidade do sistema de 0,013mm;

SISTEMAS PNEUMTICOS x SISTEMAS HIDRULICOS

As principais diferenas entre estes sistemas esta relacionado com as propriedades dos

fludos envolvidos. O fludo geralmente achado em sistema pneumticos o ar; em

sistemas hidrulicos o leo. Essas diferenas podem ser relacionadas da seguinte forma: A) O ar e os gases so compressveis, enquanto o leo incompressvel;

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B) O ar no tem propriedades lubrificantes e sempre contm vapor d'gua. O leo funciona como um fludo hidrulico bem como um lubrificador, alm de levar o calor

gerado no sistema para um trocador de calor conveniente;

C) A presso de operao normal de sistemas pneumticos muitssimo mais baixa do que a dos sistemas hidrulicos;

D) As potncias de sada dos sistemas pneumticos so consideravelmente menores do que as dos sistemas hidrulicos;

E) A preciso dos atuadores pneumticos deficiente nas baixas velocidades, enquanto que a preciso dos atuadores hidrulicos pode ser feita satisfatoriamente em todas as

velocidades;

F) Em sistemas pneumticos a fuga externa permissvel at um certo ponto, mas a fuga interna deve ser evitada porque a diferena de presso efetiva um tanto pequena. Nos

sistemas hidrulicos a fuga interna permissvel at um certo ponto, mas a fuga

externa deve ser evitada;

G) No so requeridas tubulaes de retorno em sistemas pneumticos quando usado o ar, enquanto que elas so sempre necessrias em sistema hidrulicos. Alm disso, os

sistemas hidrulicos necessitam de tubulaes especiais;

H) A temperatura de operao normal em sistema hidrulicos de 5 a 60C. O sistema pneumtico, no entanto, pode ser operado na faixa de 0 a 200C. Sistemas pneumticos

so insensveis s variaes de temperatura, em contraste com os sistemas hidrulicos,

onde o atrito dos fludos devido viscosidade depende grandemente da temperatura;

I) Sistemas pneumticos so prova de fogo e exploso, enquanto que os sistemas hidrulicos no o so;

J) A potncia hidrulica no prontamente disponvel, comparada potncia eltrica; K) O custo de um sistema hidrulico pode ser mais alto do que um sistema eltrico ou

pneumtico, comparvel que desempenhe uma funo similar;

L) Perigos de fogo e de exploses existem, a menos que sejam usados fludos resistentes ao fogo;

M) Devido a ser difcil manter um sistema hidrulico que esteja livre de fugas, o sistema tende a ser desarranjado. Consequentemente, o projeto de controle sofisticados est

comprometido devido as suas caractersticas no-lineares;

N) leo contaminado pode causar falhas no funcionamento adequado de um sistema

hidrulico;

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