Fundamentos da Automação, Notas de estudo de Tecnologia Industrial

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Fundamentos

da Automação

a

edição

Marco Antônio Ribeiro

Fundamentos da

Automação

a

edição

Marco Antônio Ribeiro

Dedicado a Ivan Alfredo Ivanovs , meu amigo e que conhece mais do que eu este

assunto

Quem pensa claramente e domina a fundo aquilo de que fala, exprime-se claramente e de modo compreensível. Quem se exprime de modo obscuro e pretensioso mostra logo que não entende muito bem o assunto em questão ou então, que tem razão para evitar falar claramente (Rosa Luxemburg)

©1 2003, Tek Treinamento & Consultoria Ltda Salvador, Verão 2003

Autor

Marco Antônio Ribeiro nasceu em Araxá, MG, no dia 27 de maio de 1943.

Formou-se pelo Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA), em Engenharia

Eletrônica, em 1969.

Entre 1973 e 1986, trabalhou na Foxboro, onde fez vários cursos nos Estados

Unidos (Foxboro, MA e Houston, TX) e em Buenos Aires, Argentina.

Desde 1987, dirige a Tek (

)Treinamento e Consultoria Ltda., firma pequeníssima

voltada para treinamento na área de Instrumentação, Controle de Processo, Medição

de Vazão, Cálculo de Incerteza na Medição, Metrologia Industrial, Instalações

Elétricas em Áreas Classificadas. É certamente difícil ser um especialista competente

em numerosos assuntos tão ecléticos, porém ele se esforça continuamente em sê-lo.

Gosta de xadrez, corrida, fotografia, música de Beethoven, leitura, trabalho, curtir

os filhos e a vida.

Já correu três maratonas, a melhor em 3 h 13 m 11 s e a pior em 3 h, 28 m 30 s.

Diariamente corre entre 8 e 12 km, às margens do oceano Atlântico. Semanalmente

participa de torneios de xadrez relâmpago e nas horas de taxa telefônica reduzida,

joga xadrez através da Internet. Possivelmente, é o melhor jogador de xadrez entre

os corredores e o melhor corredor entre os jogadores de xadrez, o que realmente

não é grande coisa e também não contribui nada para aAutomação Industrial.

) Tekinfim (Tek) foi seu apelido no ITA, pois só conseguiu entrar lá na terceira tentativa. Mas o que conta é que entrou e saiu engenheiro. O que foi um grande feito para um bóia fria do interior de Minas Gerais.

Fundamentos da Automação

Conteúdo

5. ALARME E INTERTRAVAMENTO

7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

• CONTEÚDO FUNDAMENTOS DA AUTOMAÇÃO
  • 1. AUTOMAÇÃO
    • 1. Objetivos
  • 1. Automação
    • 1.1. Conceito
    • 1.2. Automação e mão de obra
    • 1.3. Automação e controle
    • 1.4. Automação e eletrônica
  • 2. Graus de Automação
    • 2.1. Ferramentas manuais
    • 2.2. Ferramentas acionadas
    • 2.3. Quantificação da energia
    • 2.4. Controle programado
    • 2.5. Controle com realimentação negativa
    • 2.6. Controle da máquina com cálculo
    • 2.7. Controle lógico da máquina
    • 2.8. Controle Adaptativo
    • 2.9. Controle indutivo
    • 2.10. Máquina criativa
    • 2.11. Aprendendo pela máquina
  • 3. Sistemas de automação
  • 4. Conclusão
• ELETROMECÂNICOS 2. COMPONENTES
  • Objetivos de Ensino
  • 1. Introdução
  • 2. Chave
    • 2.1. Conceito
    • 2.2. Polos e Terminais
    • 2.3. Chave Liga-Desliga
    • 2.4. Chave Botoeira
    • 2.5. Chave Seletora
    • 2.6. Critérios de Seleção
      • 3. Chaves Automáticas
        • 3.1. Pressostato
        • 3.2. Termostato
        • 3.3. Chave de Vazão
        • 3.4. Chave de Nível
        • 3.5. Chave Limite ou Fim de Curso
      • 4. Solenóide
        • 4.1. Conceito
        • 4.2. Seleção
        • 4.3. Tipos
      • 5. Relés
        • 5.1. Definição e Funções
        • 5.2. Características
        • 5.3. Aplicações
        • 5.4. Tipos de Relés
        • 5.5. Seleção de Relés
      • 6. Temporizadores
        • 6.1. Atraso para ligar
        • 6.2. Atraso para desligar
      • 7. Contadores
        • 7.1. Contagem simples
        • 7.2. Dois contadores
        • 7.3. Número de peças
      • 8. Proteção de Circuitos
        • 8.1. Fusível
        • 8.2. Disjuntor (Circuit Breaker)
      • 3. SÍMBOLOS LÓGICOS
      • 1. Lógica
        • 1.1. Conceito
        • 1.2. Lógica de relé e programas
        • 1.3. Lógica Seqüencial
        • 1.4. Lógica CLP
      • 2. Conceituação e Execução
        • 2.1. Tipos de documentos
        • 2.2. Documentos lógicos conceituais
  • 3. Portas Lógicas Automação Industrial
    • 3.1. Porta OR
    • 3.2. Porta OR Exclusivo
    • 3.3. Porta AND
    • 3.4. Porta NOT
    • 3.5. Porta NAND
    • 3.6. Porta NOR
  • 4. Exemplos lógicos
    • 4.1. Circuito retentivo
• para operações de processo 5.4. ANSI/ISA S5.2: Diagrama lógico binário - 5.5. Diagrama lógico - 5.6. Aplicações das portas - Outros símbolos - e1 - e2 - f1 - f2 - f3 - f4 - f5 - Função especial
  • 6. Conclusão
  • 4. PROGRAMAÇÃO DIGITAL
  • 1. Introdução
  • 2. Ferramentas auxiliares
    • 2.1 Fluxograma (Flowchart)
• Sequential Function Chart) 2.2. Diagrama de Função Seqüencial (SFC –
  • 3. Linguagens Textuais
    • 3.1. Elementos comuns
    • 3.2. Lista de Instruções
    • 3.3. Linguagem de Texto Estruturado
  • 4. Linguagens Gráficas
    • 4.1. Elementos comuns
    • Definições (Cfr. Norma IEC 1131-3)
  • 5. DIAGRAMA LADDER
    • 5.1. Introdução
    • 5.2. Componentes
    • 5.3. Regras de composição
    • 5.4. Exemplos
    • 5.5. Desenvolvimento
    • 5.6. Análise
      • LADDER APLICAÇÕES DE DIAGRAMA - 1. Alarme de Alta Pressão - 1.1. Descrição - 1.2. Solução
      • com chave de nível 2. Controle de Bomba e duas lâmpadas piloto - 2.1. Descrição - 2.2. Solução - 3. Controle seqüencial de 3 motores - 3.1. Descrição - 3.2. Solução - 4. Controle temporizado de motores - 4.1. Descrição - 4.2. Solução
      • motores 5. Controle seqüencial temporizado de - 5.1. Descrição - 5.2. Solução - 6. Controle de Velocidade de motores - 6.1. Descrição - 6.2. Solução - 7. Unidade de Aquecimento de Óleo - 7.1. Descrição - 7.2. Solução
      • Tanque 8. Enchimento, Mistura e Esvaziamento de - 8.1. Descrição - 8.2. Solução - 8.3. Esquema do Processo - 8.4. Diagrama Ladder
      • Alternadas 9. Enchimento de Tanque com Duas Bombas - 9.1. Descrição - 9.2. Solução
      • controle contínuo e discreto 10. Sistema de Enchimento de garrafa: - 10.1. Descrição - 10.2. Diagrama Ladder - 10.3. Diagrama Ladder para a Operação - 11. Sistema de Esteira - 11.1. Descrição
        • de eventos 11.2. Fluxograma (Flowchart) da seqüência
• 12. Sistema de Elevador Automação Industrial
  • 12.1. Equipamento
  • 12.2. Descrição narrativa
  • 12.3. Solução
• 13. Enchimento de tanque
  • 13.1. Equipamentos
  • 13.2. Seqüência de eventos
  • 13.3. Explicação do ladder
  • 13.4. Diagrama Ladder
• 6. BLOCOS FUNCIONAIS
• 1. Conceitos Básicos
  • 1.1. Geral
  • 2.2. Combinação de elementos
  • 2.3. Ordem da avaliação do circuito
  • 2.4. Bloco de função
• 3. Blocos Funcionais Padrão
• 4. Blocos Personalizados
  • 4.1. Parâmetros dos blocos
• Objetivos
• 1. Terminologia
  • Ação de seqüência
  • Alarme
  • Alerta
  • Alto-Baixo (High-Low)
  • Anormal
  • Anunciador
  • Botoeira ( Push button )
  • Chave
  • Condição do processo
  • Conhecimento
  • Contato de campo
  • Desligamento (trip, shutdown, shut-off)
  • Diagrama de seqüência
  • Display visual
  • Equipamento sonoro ou audível
  • Estação
  • Estado de seqüência
  • Etiqueta (nameplate)
  • Falha
  • Flasher
  • Filtragem de alarme
  • First-out (First alert)
  • Intertravamento (interlock)
  • Janela (nameplate)
  • Limpar (Clear)
  • Local Perigoso
  • Memória ( Lock in ) - Módulo de alarme - Normal - Olho de boi - Piscamento (Flasher) - Plug in - Ponto de alarme - Pulso - Rearme (reset) - Relé de intertravamento - Reset - Ringback (alerta de retorno) - Saída auxiliar (Contato auxiliar) - Segurança Intrínseca - Selado (hermeticamente) - Sensor de campo - Seqüência - Silêncio - Sinal de alarme - Sistema de alarme - Tempo de resposta - Teste
    • 2. Segurança da Planta
      • 2.1. Projeto da planta
      • 2.2. Medição e Controle do processo
      • 2.3. Alarme do processo
      • 2.4. Desligamento de emergência
      • 2.4. Monitoração do fogo e gás
    • 3. Tecnologias do Sistema
      • 3.1. Tecnologias disponíveis
      • 3.2. Escolha do Sistema
    • Sistema
    • Confiabilidade
    • Custo
    • Flexibilidade
    • 4. Alarme do Processo
      • 4.1. Introdução
      • 4.2. Componentes
      • 4.3. Prioridade de alarmes
      • 4.4. Realização do Alarme
    • 5. Intertravamento do Processo
      • 5.1. Conceito
      • 5.2. Tipos de Falhas
      • 5.3. Análise do Intertravamento
      • 5.4. Segurança da malha de controle
      • 5.5. Projeto do Intertravamento
      • 5.6. Filtrando os alarmes
      • 5.7. Circuitos de Intertravamentos
      • 5.8. Sistema de Votação
      • 5.9. Falhas do Intertravamento
      • Sistema com relés
• Causas de desligamento falso Automação Industrial
• Causas de falha para perigo
  • Sistema com CLP
• Causas de desligamento falso
• Causas de falha para perigo
  • 5.10. Sistema de Falha Segura
• 6. Alarme e Cores
  • 6.1. Introdução
  • 6.2. Código de cores
• Cor
• Código
  • 6.3. Transmissão e projeção de cores
• 6. OPERAÇÃO DO PROCESSO
• 1. Introdução
• 2. Fatores Humanos no Projeto
  • 2.1. Temas em fatores humanos
  • 2.2. Fatores humanos na operação
• 3. Funções do operador de processo
• 4. Atributos Mentais do Operador
  • 4.1. Automatização
  • 4.2. Modelo mental do operador
  • 4.3. Representação espacial
• 5. Estudos do Operador
• 6. Alocação de função
• 7. Análise da tarefa
• 8. Display da informação
• 9. Falhas do Processo
  • 9.1. Sistema de Controle
  • 9.2. Características do Processo
  • 9.3. Características do Sistema
  • 9.4. Projeto da Instrumentação
  • 9.5. Falhas de Instrumentos
    • Modo de Falha do Instrumento
    • N o falhas
    • Válvula de Controle
    • Termopar
    • Falhas de malhas (por tipo)
    • Falhas/ano
    • % falhas
    • Instrumento
    • Número em Risco
    • No Falhas
    • Falhas/ano
    • P
    • Atividade
      • 9.6. Administração de Falhas
    • 10. Erro Humano
    • 11. Treinamento
    • 12. Display para o Operador
      • 12.1. Introdução
      • 12.2. Display da Medição
      • 12.3. Desempenho do instrumento
      • 12.4. Instrumentos Inteligentes
      • 12.5. Analógico e Digital
      • 12.6. Aspectos Psicológicos
      • 12.7. Computador de Processo
      • Conclusão

Automação

com robôs requer operadores para monitorar o desempenho desses robôs. Quem tira o dinheiro do caixa eletrônico, deve possuir um cartão apropriado, decorar uma determinada senha e executar uma série de comandos no teclado ou tela de toque. Muitas pessoas pensam e temem que a automação significa perda de empregos, quando pode ocorrer o contrário. De fato, falta de automação coloca muita gente para trabalhar. Porém, estas empresas não podem competir economicamente com outras por causa de sua baixa produtividade devida à falta de automação e por isso elas são forçadas a demitir gente ou mesmo encerrar suas atividades. Assim, automação pode significar ganho e estabilidade do emprego, por causa do aumento da produtividade, eficiência e economia. Muitas aplicações de automação não envolvem a substituição de pessoas por que a função ainda não existia antes ou é impossível de ser feita manualmente. Pode-se economizar muito dinheiro anualmente monitorando e controlando a concentração de oxigênio dos gases queimados em caldeiras e garantindo um consumo mais eficiente de combustível. Pode se colocar um sistema automático para recuperar alguma substância de gases jogados para atmosfera, diminuindo os custos e evitando a poluição do ar ambiente.

1.3. Automação e controle

A automação está intimamente ligada à instrumentação. Os diferentes instrumentos são usados para realizar a automação. Historicamente, o primeiro termo usado foi o de controle automático de processo. Foram usados instrumentos com as funções de medir, transmitir, comparar e atuar no processo, para se conseguir um produto desejado com pequena ou nenhuma ajuda humana. Isto é controle automático. Com o aumento da complexidade dos processos, tamanho das plantas, exigências de produtividade, segurança e proteção do meio ambiente, além do controle automático do processo, apareceu

a necessidade de monitorar o controle automático. A partir deste novo nível de instrumentos, com funções de monitoração, alarme e intertravamento, é que apareceu o termo automação. As funções predominantes neste nível são as de detecção, comparação, alarme e atuação lógica. Por isso, para o autor, principalmente para a preparação de seus cursos e divisão de assuntos, tem-se o controle automático aplicado a processo contínuo, com predominância de medição, controle PID (proporcional, integral e derivativo). O sistema de controle aplicado é o Sistema Digital de Controle Distribuído (SDCD), dedicado a grandes plantas ou o controlador single loop, para aplicações simples e com poucas malhas. Tem-se a automação associada ao controle automático, para fazer sua monitoração, incluindo as tarefas de alarme e intertravamento. A automação é também aplicada a processos discretos e de batelada, onde há muita operação lógica de ligar e desligar e o controle seqüencial. O sistema de controle aplicado é o Controlador Lógico Programável (CLP). Assim: controle automático e automação podem ter o mesmo significado ou podem ser diferentes, onde o controle regulatório se aplica a processos contínuos e a automação se aplica a operações lógicas, seqüenciais de alarme e intertravamento.

1.4. Automação e eletrônica

Na década de 1970, era clássica a comparação entre as instrumentações eletrônica e pneumática. Hoje, às vésperas do ano 2000, há a predominância da eletrônica microprocessada. Os sensores que medem o valor ou estado de variáveis importantes em um sistema de controle são as entradas do sistema, mas o coração do sistema é o controlador eletrônico microprocessado. Muitos sistemas de automação só se tornaram possíveis por causa dos recentes e grandes avanços na eletrônica. Sistemas de controle que não eram práticos por causa de custo há cinco anos atrás hoje se tornam obsoletos por causa do rápido avanço da tecnologia.

Automação

A chave do sucesso da automação é o uso da eletrônica microprocessada que pode fornecer sistemas eletrônicos programáveis. Por exemplo, a indústria aeronáutica constrói seus aviões comerciais em uma linha de montagem, mas personaliza o interior da cabine através de simples troca de um programa de computador. A indústria automobilística usa robôs para soldar pontos e fazer furos na estrutura do carro. A posição dos pontos de solda, o diâmetro e a profundidade dos furos e todas as outras especificações podem ser alteradas através da simples mudança do programa do computador. Como o programa do computador é armazenado em um chip de memória, a alteração de linhas do programa neste chip pode requerer somente alguns minutos. Mesmo quando se tem que reescrever o programa, o tempo e custo envolvidos são muitas vezes menores que o tempo e custo para alterar as ferramentas.

2. Graus de Automação

A história da humanidade é um longo processo de redução do esforço humano requerido para fazer trabalho. A sua preguiça é responsável pelo progresso e o aparecimento da automação. Pode-se classificar os graus de automação industrial em várias fases.

2.1. Ferramentas manuais

O primeiro progresso do homem da caverna foi usar uma ferramenta manual para substituir suas mãos. Esta ferramenta não substituiu o esforço humano, mas tornou este esforço mais conveniente. Exemplos de ferramentas: pá, serra, martelo, machado, enxada. Como não há máquina envolvida, considera-se que este nível não possui nenhuma automação. Na indústria, este nível significa alimentar manualmente um reator, moendo sólidos, despejando líquidos de containeres, misturando com espátula, aquecendo com a abertura manual de válvula de vapor.

2.2. Ferramentas acionadas

O próximo passo histórico foi energizar as ferramentas manuais. A energia foi suprida através de vapor d'água, eletricidade e ar comprimido. Este degrau foi chamado de Revolução Industrial. A serra se tornou elétrica, o martelo ficou hidráulico. Na indústria, usa-se um motor elétrico para acionar o agitador, a alimentação é feita por uma bomba, o aquecimento é feito por vapor ou por eletricidade.

2.3. Quantificação da energia

Com a energia fornecida para acionar as ferramentas, o passo seguinte foi quantificar esta energia. Um micrômetro associado à serra, indica quanto deve ser cortado. A medição torna-se parte do processo, embora ainda seja fornecida para o operador tomar a decisão. Na indústria, este nível significa colocar um medidor de quantidade na bomba para indicar quanto foi adicionado ao reator. Significa também colocar um cronômetro para medir o tempo de agitação, um termômetro para indicar o fim da reação. As variáveis indicadas ao operador ajudavam o operador determinar o status do processo.

2.4. Controle programado

A máquina foi programada para fazer uma série de operações, resultando em uma peça acabada. As operações são automáticas e expandidas para incluir outras funções. A máquina segue um programa predeterminado, em realimentação da informação. O operador deve observar a máquina para ver se tudo funciona bem. Na planta química, uma chave foi adicionada no medidor de vazão para gerar um sinal para desligar a bomba, quando uma determinada quantidade for adicionada. Uma alarme foi colocado no cronômetro para avisar que o tempo da batelada foi atingido.

Automação

lição, a máquina os faz voltar e estudar mais, antes de ir para a próxima lição. Assim, todos os graus de automação são disponíveis hoje, para ajudar na transferência de tarefas difíceis para a máquina e no alívio de fazer tarefas repetitivas e enfadonhas. Fazendo isso, a máquina aumenta a produtividade, melhora a qualidade do produto, torna a operação segura e reduz o impacto ambiental.

3. Sistemas de automação

A aplicação de automação eletrônica nos processos industriais resultou em vários tipos de sistemas, que podem ser geralmente classificados como:

1. Máquinas com controle numérico
2. Controlador lógico programável
3. Sistema automático de armazenagem e recuperação
4. Robótica
5. Sistemas flexíveis de manufatura.

3.1. Máquina com controle numérico

Uma máquina ferramenta é uma ferramenta ou conjunto de ferramentas acionadas por potência para remover material por furo, acabamento, modelagem ou para inserir peças em um conjunto. Uma máquina ferramenta pode ser controlada por algum dos seguintes modos:

1. Controle contínuo da trajetória da ferramenta onde o trabalho é contínuo ou quase contínuo no processo.
2. Controle ponto a ponto da trajetória da ferramenta onde o trabalho é feito somente em pontos discretos do conjunto. Em qualquer caso, as três coordenadas (x, y, z ou comprimento, largura e profundidade) devem ser especificadas para posicionar a ferramenta no local correto. Programas de computador existem para calcular a coordenada e produzir furos em papel ou fita magnética que contem os dados numéricos realmente usados para controlar a máquina. A produtividade com controle numérico pode triplicar. No controle numérico, exige- se pouca habilidade do operador e um único operador pode supervisionar mais de uma máquina.

Se em vez de usar uma fita para controlar a máquina, é usado um computador dedicado, então o sistema é tecnicamente chamado de máquina controlada numericamente com computador (CNC). Um centro com CNC pode selecionar de uma até vinte ferramentas e fazer várias operações diferentes, como furar, tapar, frezar, encaixar. Se o computador é usado para controlar mais de uma máquina, o sistema é chamado de máquina controlada numericamente e diretamente. A vantagem deste enfoque é a habilidade de integrar a produção de várias máquinas em um controle global de uma linha de montagem. A desvantagem é a dependência de várias máquinas debaixo de um único computador. 3.2. Controlador lógico programável O controlador lógico programável é um equipamento eletrônico, digital, microprocessado, que pode

1. controlar um processo ou uma máquina
2. ser programado ou reprogramado rapidamente e quando necessário
3. ter memória para guardar o programa. O programa é inserido no controlador através de microcomputador, teclado numérico portátil ou programador dedicado. O controlador lógico programável varia na complexidade da operação que eles podem controlar, mas eles podem ser interfaceados com microcomputador e operados como um DNC, para aumentar sua flexibilidade. Por outro lado, eles são relativamente baratos, fáceis de projetar e instalar. 3.3. Sistema de armazenagem e recuperação de dados Atividades de armazenar e guardar peças são centralizados em torno de inventário de peças ou materiais para, posteriormente, serem usadas, embaladas ou despachadas. Em sistemas automáticos, um computador remoto controla empilhadeiras e prateleiras para receber, armazenar e recuperar itens de almoxarifado. O controle da relação é

Automação

exato e os itens podem ser usados ou despachados de acordo com os dados recebidos. Os restaurantes da cadeia McDonald’s têm um dispensa automática para armazenar batatas fritas congeladas. Uma cadeia de supermercado, tipo Makro, usa um almoxarifado automatizado para a guarda e distribuição automática de itens.

3.4. Robótica

Um robô é um dispositivo controlado a computador capaz de se movimentar em uma ou mais direções, fazendo uma seqüência de operações. Uma máquina CNC pode ser considerada um robô, mas usualmente o uso do termo robô é restrito aos dispositivos que tenham movimentos parecidos com os dos humanos, principalmente os de braço e mão. As tarefas que os robôs fazem podem ser tarefas de usinagem, como furar, soldar, pegar e colocar, montar, inspecionar e pintar. Os primeiros robôs eram grandes, hoje eles podem ser pequeníssimos. Quando uma tarefa é relativamente simples, repetitiva ou perigosa para um humano, então o robô pode ser uma escolha apropriada. Os robôs estão aumentando em inteligência, com a adição dos sentidos de visão e audição e isto permite tarefas mais complexas a serem executadas por eles.

3.5. Sistema de manufatura flexível

A incorporação de máquinas NC, robótica e computadores em uma linha de montagem automatizada resulta no que é chamado sistema de manufatura flexível. Ele é considerado flexível por causa das muitas mudanças que podem ser feitas com relativamente pouco investimento de tempo e dinheiro. Em sua forma final, matéria prima entra em um lado e o produto acabado sai do almoxarifado em outro lado, pronto para embarque sem intervenção humana. Hoje isto existe somente em conceito, embora grandes partes deste sistema já existem.

4. Conclusão

1. Houve uma revolução industrial com automação de processos de manufatura.
2. Automação é o uso da potência elétrica ou mecânica controlada por um sistema de controle inteligente (geralmente eletrônico) para aumentar a produtividade e diminuir os custos.
3. A falta de automação pode aumentar o desemprego.
4. Automação é um meio para aumentar a produtividade.
5. A habilidade de controlar os passos de um processo é a chave da automação.
6. Avanços na eletrônica tornaram possível o controle de sistemas complexos, a um baixo custo.
7. Os vários tipos de sistemas de automação que podem ser aplicados a processos industriais são: ¾ máquina com controle numérico ¾ controlador lógico programável ¾ sistema de armazenagem e recuperação de peças ¾ robótica ¾ sistema de manufatura flexível

Apostila\Automação 10Automação.doc 14 ABR 01 (Substitui 23 FEV 99)

Componentes Eletromecânicos

Tab. 4.1. Símbolos usados em sistemas de segurança

Contato elétrico, normalmente aberto (NA)

Contato elétrico, normalmente fechado (NF)

Chave de vazão, normalmente aberta (NA) Chave de vazão, normalmente fechada (NF) Chave de nível, normalmente aberta (NA) Chave de nível, normalmente fechada (NF) Chave de pressão, normalmente aberta (NA) Chave de pressão, normalmente fechada (NF) Chave de temperatura, normalmente aberta (NA)

Chave de temperatura, normalmente fechada (NF)

Chave limite, normalmente aberta (NA) Chave limite, normalmente fechada (NF)

Lâmpada de sinalização

Buzina

Válvula solenóide de duas vias

Válvula solenóide de três vias

2. Chave

2.1. Conceito

A chave é um componente eletromecânico usado para ligar, desligar ou direcionar a corrente elétrica, através de um acionamento mecânico manual ou automático. A chave de duas posições é um componente binário de circuito simples e fundamental, com uma entrada e uma saída. A saída é alta quando a entrada é alta e a saída é baixa quando a entrada é baixa. A entrada da chave é uma força mecânica e a saída é uma tensão elétrica. A chave estática o semicondutor possui na entrada e saída sinais elétricos. A chave é adequada para teclados e entrada de dados em sistemas digitais.

Fig. 2. 2. Conceito de chave

O inversor é uma variação da chave. O inversor é também um dispositivo binário, com uma entrada e uma saída, de modo que a saída é alta, quando a entrada for baixa e saída é baixa, quando a entrada for alta. O inversor é um bloco construtivo do sistema digital mais poderoso e fundamental que a chave pois a chave pode ser construída a partir de dois inversores em série e nenhuma combinação de chaves pode produzir um inversor. As características desejáveis da chave

1. alta velocidade
2. alta confiabilidade
3. entrada e saída elétricas
4. pouca energia consumida
5. baixo custo Os tipos mais comuns de chaves manuais usadas em sistemas eletrônicos são os seguintes:
6. chave liga-desliga ( toggle )
7. chave botoeira ( push button )
8. chave seletora

Componentes Eletromecânicos

2.2. Polos e Terminais

Embora exista uma grande variedade de chaves elétricas, há vários termos que são comuns quando se descreve a construção de qualquer chave. A haste ou parte da chave que é movida para abrir ou fechar um circuito é chamada de pólo da chave. Se uma chave tem somente um pólo, ela é chamada de chave de único pólo (single pole switch). Se ela possui dois pólos, é chamada de chave de duplo pólo. A chave pode ter também três, quatro ou qualquer outro número de pólos, quando é chamada de triplo pólo, e multipolo. Se cada contato alternadamente abre e fecha somente um circuito, a chave é chamada de único terminal (single throw). Quando o contato é de dupla ação, ou seja, abre um circuito enquanto simultaneamente fecha outro, a chave é chamada de duplo terminal (doble throw).. Assim, pode haver uma combinação de pólos e terminais; tendo-se

1. single-pole, single-throw (SPST),
2. single-pole, double-throw (SPDT),
3. double-pole, doble-throw (DPDT). Esta nomenclatura se aplica também aos contatos de relés (relé é uma chave operada pela ação magnética). A chave elétrica básica é a de simples pólo e simples terminal, SPST. Quando a chave estiver na posição desligada (OFF), o circuito está eletricamente aberto entre M e N. Quando a chave é mudada para a posição ligada (ON), cria-se um circuito de ligação entre os pontos M e N. Esta chave pode ser normalmente aberta (NA) ou normalmente fechada (NF). A chave NF SPST é um curto-circuito entre M-N quando desligada e é um circuito aberto entre M-N quando ligada. É fundamental definir o tipo, NA ou NF, quando escolher a chave para uma aplicação. Outro tipo de chave possui polo simples e duplo terminal, abreviado SPDT. O circuito de M é chaveada entre N e O, quando a chave é ligada ou desligada. Quando se quer ligar dois circuitos separados em ON e OFF simultaneamente. Pode-se usar duas chaves SPST. Na prática, usa-se a chave DPST. Ela consiste de duas chaves SPST

em um único corpo. Quando se quer duas chaves simultaneamente em duplo polo, usa-se a chave DPDT. Este arranjo de chaveamento pode ser expandido para três pólos ou mais, como necessário. Dois outros tipos de configurações são:

1. retorno de mola
2. centro desligado Atuando a chave SPST com retorno de mola, fecha-se M-N. Porém, quando a chave é liberada, sua mola torna-a desligada. Ela não permanece na posição fechada, como uma chave normal o faz. A chave com centro desligado possui três posições. Ela também pode ter retorno por mola para a posição central desligada.

Fig. 2.3. Arranjos de chaveamento elétrico

2.3. Chave Liga-Desliga

A chave liga-desliga ( toggle ) possui uma haste ou alavanca que se move através de um pequeno arco fazendo os contatos de um circuito abrirem ou fecharem repentinamente. O fato de o contato abrir ou fechar muito rapidamente reduz o arco voltaico e garante um curto- circuito seguro. O acionamento da chave toggle é retentivo, ou seja, a chave é ligada por um movimento mecânico e os contatos permanecem na posição alterada, até que a chave seja acionada no sentido contrario. A chave toggle tem uma pequena protuberância saindo do eixo. O eixo toggle é empurrado para cima ou para baixo para produzir o chaveamento.

M^ N

SPST NF

SPDT Centro

N

C

O

M

N M O Q R

P

DPST DPDT

N

M O

SPDT

M N

SPST NA

Componentes Eletromecânicos

elétricas são feitas em um suporte que desliza no anel metálico, quando ele gira. O wafer é girado para posições específicas para conseguir o chaveamento. Na chave fechar-antes-abrir de não curto, indo de A para B, o circuito é completamente aberto na posição intermediária, como mostrado. Para a chave abrir-antes-fechar, fazendo curto, o anel giratório tem uma saliência mais larga. A largura da saliência excede a distância A-B. O circuito fica portanto ligado a A e B na posição intermediária. Um exemplo mostra onde cada tipo de chave deve ser usado. O voltímetro deve ter uma chave seletora que não provoque curto-circuito. Entre faixas, a chave desliga a tensão para o galvanômetro. Se fosse usada uma chave de fazendo curto- circuito, os resistores seriam em paralelo. A baixa resistência temporária, 19,3 kΩ, permitiria que o excesso de corrente fluísse no galvanômetro. Neste caso, o galvanômetro deveria suportar uma corrente cinco vezes maior. De modo contrario, o amperímetro deve ter uma chave que provoque curto-circuito. Se fosse usada uma chave que provocasse circuito aberto, o galvanômetro deveria suportar uma corrente 100 vezes maior que a especificada. Para cada faixa de corrente, um resistor paralelo é percorrido por uma corrente apropriada, com mostrado. Se não houvesse um resistor paralelo ligado no circuito entre as posições das faixas, toda a corrente da linha deveria passar pelo galvanômetro. Para uma corrente de linha de 100 mA, isto é 100 vezes a corrente especificada. Durante o chaveamento, com a chave apropriada que provoca curto-circuito, tem- se uma baixa resistência de alguns ohms.

2.6. Critérios de Seleção

O tipo de chave escolhida para uma determinada aplicação depende de muitos fatores, como:

1. a configuração, que determina número de pólos e terminais
2. a tensão a ser chaveada e o tipo de corrente (ca ou cc)
3. o valor da corrente a ser chaveada e a corrente a ser percorrida após o chaveamento 4. o ciclo de vida necessário em número de atuações 5. as considerações ambientes, como vibração, temperatura, umidade, agressividade do ambiente 6. o tamanho físico necessário 7. a velocidade de atuação 8. a capacitância parasita 9. opções, como lâmpada piloto embutida, chave de trava. 3. Chaves Automáticas As chaves vistas até agora eram acionadas manualmente. Assim que o operador aperta o seu acionamento, seus contatos mudam de estado. Quando os contatos são retentivos, eles permanecem mudados quando o operador retira a pressão de acionamento. Quando são não retentivos, os contatos voltam a posição original quando a chave deixa de ser apertada. Existem chaves automáticas, cuja operação é determinada pela posição de algum dispositivo ou pelo valor de alguma quantidade física. Sistemas mais complexos podem ter chaves ligadas de um modo intertravado, tal que a operação final de uma ou mais chave depende da posição das outras chaves individuais. As principais chaves automáticas são: pressostato, termostato, chave de vazão, chave de nível, chave fim de curso.

3.1. Pressostato

Pressostato é uma chave comandada pela pressão. Uma chave elétrica muda os estados dos seus contatos quando a pressão atinge determinados valores críticos. Por exemplo, por economia e segurança, um compressor de ar deve ser desligado quando a sua pressão atingir um valor alto determinado e deve ser religado quando a pressão atingir um valor baixo determinado. Ajustes convenientes no pressostato permitem que o compressor opere entre estes dois valores críticos de pressão.

Componentes Eletromecânicos

Fig. 2.6. Chave de pressão ou pressostato

O pressostato é um modo simples e barato de executar o controle liga-desliga de processos envolvendo pressão. O pressostato também pode servir de proteção de um sistema de controle de pressão. Um controlador convencional fornece uma pressão constante, dentro da banda proporcional. Quando, por algum problema do controlador ou do sistema, o controlador perde o controle e a pressão tende para um valor perigoso de alta pressão, um pressostato desliga o sistema. Deve-se diferenciar bem a proteção fornecida pelo pressostato e a proteção oferecida pela válvula de alivio ou de segurança. O pressostato protege o sistema de pressão desligando um motor elétrico que faz a pressão subir. A válvula de alivio e a de segurança protege o sistema de pressão diminuindo diretamente a pressão do sistema, jogando para a atmosfera o fluido de alta pressão. Como o pressostato é comandado pela pressão, ele deve ter um sensor de pressão, geralmente mecânico como o bourdon C, fole, espiral ou helicoidal.

3.2. Termostato

Termostato é uma chave comandada pela temperatura. Uma chave elétrica muda os estados dos seus contatos quando a temperatura atinge determinados valores críticos. Por exemplo, por economia e segurança, um condicionador de ar deve ser desligado quando a temperatura do ambiente atingir um valor alto determinado e deve ser religado quando a temperatura atingir um valor baixo determinado. Ajustes convenientes no termostato permitem que o

condicionador opere entre estes dois valores críticos de temperatura. O termostato é um modo simples e barato de executar o controle liga-desliga de processos envolvendo temperatura. O termostato também pode servir de proteção de um sistema de controle de temperatura. Um controlador convencional fornece uma temperatura constante, dentro da banda proporcional. Quando, por algum problema do controlador ou do sistema, o controlador perde o controle e a temperatura tende para valores perigosos de muito baixa ou muito alta temperatura, o pressostato desliga o sistema.

Fig. 2.7. Chave de temperatura ou termostato

Como o termostato é comandado pela temperatura, ele deve ter um sensor de temperatura, geralmente mecânico, como bimetal ou enchimento termal. Termostatos são comuns em condicionadores de ar, geladeiras e motores.

3.3. Chave de Vazão

Chave de vazão (flow switch) é uma chave comandada pela vazão. Uma chave elétrica muda os estados dos seus contatos quando a vazão de um fluido atinge determinados valores críticos. Por exemplo, por segurança, um sistema de lubrificação com óleo pode ser desligado por uma chave de vazão, quando a vazão do lubrificante ficar menor que um valor critico ajustado na chave. Ajustes convenientes na chave de vazão permitem que o sistema de lubrificação opere de modo seguro acima de um valor critico da vazão do lubrificante. A chave de vazão é um modo simples e barato de executar o controle liga-desliga de processos envolvendo vazão. A chave