Automação Módulo III Introdução (histórico, objetivos, efeitos)

Automação Módulo III Introdução (histórico, objetivos, efeitos)
Controle de Processos (definições, classificação, realimentação) Medição de Variáveis do Processo (definições, simbologia, medição de temperatura, nível, pressão, vazão) Controlador Lógico-Programável (histórico, características, fabricantes, constituição, funcionamento, programação, aplicações)

Sistemas Manuais Máquinas à Vapor, Eólicas e Hidráulicas;
INTRODUÇÃO Sistemas Manuais Máquinas à Vapor, Eólicas e Hidráulicas; Comando feito por Operadores (Maquinismo ou Mecanização); Ex. Maquinismo (Torneiro Mecânico) Cadeia de Produção em massa.

Sistemas Automáticos INTRODUÇÃO
Entende-se por automático todo processo que se desenvolve sem a necessidade de intervenção humana (medição, decisão e ação corretiva). Aplicações Doméstica Comercial Industrial Climatização Eletrodomésticos inteligentes (lavadoras, aspiradores, etc.) Monitoramento de alarmes Prédios inteligentes Caixas automáticos (bancários) Centrais telefônicas Controle de tráfego e estacionamento Sistema de cobrança (etiqueta inteligente) Sistemas de segurança Controle automático de processos industriais Intertravamento Gerenciamento de energia Sistemas de Transporte Doméstica Comercial Industrial

Aplicações no Setor Primário
INTRODUÇÃO Sistemas Automáticos Aplicações no Setor Primário Agricultura Pecuária Mineração Agricultura de Precisão: Plantio e Colheita Aplicação de Defensivos Dosagem de Fertilizante Irrigação Aplicação de Medicamento Rastreabilidade Controle da ordenha Automação de máquinas Controle da Produção Sistemas de Transporte Agricultura Pecuária Mineração

INTRODUÇÃO Histórico Tear de Jacquard (1804)

INTRODUÇÃO Histórico Regulador Centrífugo Watt (1769)

Objetivos INTRODUÇÃO Aumentar e controlar a qualidade do produto
Incrementar a produtividade Aumentar a confiabilidade do processo Disponibilizar dos dados referentes ao processo para análise Aumento da segurança em relação às pessoas e ao ambiente

INTRODUÇÃO Efeitos Redução no nível de emprego de atividades repetitivas e/ou que requerem pouca qualificação Desaparecimento de algumas profissões Aumento da qualidade e padronização de produtos Redução de custos de produção

CONTROLE DE PROCESSOS Definições

Definições CONTROLE DE PROCESSOS
Variável controlada – propriedade que se deseja controlar, corresponde a saída do processo. Variável manipulada – propriedade que pode ser modificada diretamente pela ação do controlador e cuja variação irá afetar a variável controlada, corresponde a entrada do processo. Valor desejado (setpoint) – valor de referência para a variável controlada. Em geral é determinado por um operador baseado nas necessidades do processo. Elemento primário (sensor) – dispositivo que utiliza a energia do processo para proporcionar uma medida da variável controlada.

Transmissor – elemento que transforma a medida do sensor em um sinal padronizado que pode ser transmitido e interpretado pelo controlador. Elemento Final de Controle (atuador) – dispositivo que recebe o sinal do controlador e, desta forma, altera a variável manipulada (ex. válvulas, relés, etc.). Controlador – dispositivo que compara o valor da variável controlada com o valor desejado, calcula a ação corretiva necessária e emite o sinal de correção para o atuador.

Conversor - Dispositivo que recebe uma informação na forma de um sinal, altera a forma da informação e o emite como um sinal de saída. O conversor é referido também como transdutor. Todavia o transdutor é um termo genérico cujo emprego específico para a conversão de sinal não é recomendado.

Sistemas Especialistas
CONTROLE DE PROCESSOS Definições Controle Contínuo Discreto Linear Não-Linear Condicional Seqüencial Booleano Sistemas Especialistas Temporal Baseados em Eventos Ex. PID Ex. Fuzzy Ex. Timers Ex. Contadores Híbrido

Definições CONTROLE DE PROCESSOS Controlador Processo Atuador
Transmissor Sensor Setpoint desvio correção variável manipulada variável controlada realimentação + –-

• Faixa de medida (range) – faixa de valores compreendida entre os limites inferior e superior da capacidade de medição do instrumento. • Alcance (span) – diferença algébrica entre os valores superior e inferior do range. Erro – diferença entre o valor lido pelo instrumento e o valor real da variável. • Precisão – limite de erro de medição do instrumento. • Sensibilidade – valor mínimo de mudança na variável detectável pelo instrumento. • Zona morta (dead zone) – faixa de valores da variável que não provoca variação da indicação ou sinal de saída do instrumento.

• Repetibilidade – capacidade de reprodução da indicação, ao se medir, repetidamente, valores idênticos de uma variável . Histerese – diferença observada entre a medição de uma variável quando esta percorre a escala no sentido crescente e no decrescente. • Elevação de zero – quantidade com que o zero da variável supera o valor inferior do range. • Tempo morto (dead time) – atraso verificado entre a ocorrência de uma alteração na variável e a sua percepção pelo instrumento, também chamado de atraso de transporte. Supressão de zero – quantidade com que o valor inferior do range supera o zero da variável.

MEDIÇÃO DE VARIÁVEIS DO PROCESSO
Simbologia

Nível MEDIÇÃO DE VARIÁVEIS DO PROCESSO 3.4.1 Sonda
unidade de comprimento linear (cm, m), unidade de volume (L, galão), unidade de massa (kg, ton, lb). 3.4.1 Sonda Normalmente é feita de uma vara, haste ou fita métrica metálica graduadas.

Nível MEDIÇÃO DE VARIÁVEIS DO PROCESSO 3.4.2 Visor de Nível
Visor de vidro tubular: recomendados para pressões de até 2 bar e temperaturas de até 100ºC. b) Visor de vidro plano: Mais empregado atualmente por questões de segurança.

Nível 3.4.3 Flutuador

Nível MEDIÇÃO DE VARIÁVEIS DO PROCESSO Medidor de Diafragma
3.4.4 Baseado na Pressão Medidor de Diafragma b) Medidor por Pressão Diferencial

Nível Borbulhamento

Nível MEDIÇÃO DE VARIÁVEIS DO PROCESSO 3.4.5 Propriedades Elétricas
Condutividade Capacitância

Nível MEDIÇÃO DE VARIÁVEIS DO PROCESSO 3.4.6 Outras Propriedades
Ultrassom (>20kHz) Radioativo

Nível

Temperatura MEDIÇÃO DE VARIÁVEIS DO PROCESSO 3.3.1 Conceitos
Temperatura – É o grau de agitação molecular de um corpo; Energia Térmica – É o somatório de energia cinética das moléculas do corpo; Calor – Energia térmica em trânsito, desloca-se, normalmente, do corpo mais quente ao corpo mais frio.

Temperatura MEDIÇÃO DE VARIÁVEIS DO PROCESSO
3.3.2 Escalas Termométricas

3.3.3 Termômetro de Bulbo de Vidro • Compartimentos cobertos ou fechados e nos quais a leitura é local; • Apresenta erros de até 1% de escala; • Possui tempo de resposta elevado; • Aplicados na faixa de -150ºC a 350ºC.

Material do par bimetálico
MEDIÇÃO DE VARIÁVEIS DO PROCESSO Temperatura 3.3.4 Termômetro Bimetálico • Baixo custo; • Leitura apenas local; • Construção robusta; • Possui tempo de resposta elevado; • Aplicados na faixa de -50ºC a 500ºC Material do par bimetálico Faixa de Medição Coef. Dilatação linear [10-6 1/K] Invar (64%Fe + 36%Ni) -50 a 800ºC 0,7 Latão 19

3.3.5 Termômetro Bulbo Capilar • Classe I: cheio de líquido volátil (-100ºC a +300ºC); (xileno, tolueno, álcool) • Classe II: cheio de vapor (-200ºC a +300ºC); (cloreto de metila, butano, éter etílico, tolueno, dióxido de enxofre, propano) • Classe III: cheio de gás (-260ºC a +760ºC); (hélio, nitrogênio, hidrogênio, dióxido de carbono) • Classe V: cheio de mercúrio (-40ºC a 600ºC).

3.3.5 Termômetro Bulbo Capilar

3.3.6 Termômetros de Resistência a) Resistência de Fio Metálico Pt100 R = 100Ω a 0°C

a) Resistência de Fio Metálico Cobre: Faixa de medição de -80ºC a 260ºC. Possui linearidade de 0,1ºC em um intervalo de 200ºC, entretanto sua resistência a oxidação é muito baixa e limita sua faixa de aplicação Níquel: Faixa de medição de -60ºC a 180ºC. Os principais atrativos na sua utilização são seu baixo custo e a alta sensibilidade. Sua principal desvantagem é a baixa linearidade. Platina: Faixa de medição de -250ºC a 950ºC. É o metal mais utilizados na construção de termômetros de resistência, pela sua ampla faixa de utilização, boa linearidade e melhor resistência a oxidação.

31/03/2017 Temperatura a) Resistência de Fio Metálico Esquemas de ligação: 2, 3 e 4 fios

31/03/2017 Temperatura a) Resistência de Fio Metálico - Tempo de resposta

31/03/2017 Temperatura b) Termistores (resistores termicamente sensíveis) são dispositivos semicondutores fabricados a partir de óxido de Níquel, Manganês, Cobalto, Ferro e Titânio apresentando grandes variações da resistência com a temperatura. Esta variação poderá ser negativa: NTC (Negative Thermal Coefficient), ou positiva: PTC (Positive Thermal Coefficient) com aplicação entre -100°C e +300°C Podem ser encontrados no mercado modelos de baixa precisão (5 a 10%) para uso como proteção ou de alta precisão (±0,05°C) para uso em medição.

Temperatura 3.3.7 Termopar

Temperatura

Temperatura 3.3.8 Pirômetros

Temperatura MEDIÇÃO DE VARIÁVEIS DO PROCESSO 3.3.8 Pirômetros
Vantagens: Resposta rápida (na faixa de ms) Uso em objetos perigosos ou fisicamente inacessíveis Facilidade de medição do alvo em movimento Medições de altas temperaturas Não há risco de contaminação e efeito mecânico na superfície dos objetos. Aplicações: Verificações de conexões elétricas, motores, disjuntores, fusíveis, transformadores, etc. Verificação de rolamentos, detectando falta de lubrificação Uso em ambientes perigosos como: Refinarias, Exploração de petróleo, siderúrgicas, etc.

Temperatura Pirômetro Ótico

Temperatura Pirômetro de Radiação

Temperatura Calibração

Pressão

Pressão MEDIÇÃO DE VARIÁVEIS DO PROCESSO Tipos
Pressão absoluta - É a pressão positiva a partir do vácuo perfeito, ou seja, a soma da pressão atmosférica do local e a pressão manométrica. Pressão manométrica - É a pressão medida em relação à pressão atmosférica, podendo ser positiva ou negativa. Quando se fala em uma pressão negativa, em relação a pressão atmosférica é chamada de vácuo. Pressão diferencial - É o resultado da diferença de duas pressões medidas. Pressão Estática - É o peso exercido por uma coluna líquida em repouso ou que esteja fluindo perpendicularmente a tomada de impulso. Pressão Dinâmica - É a pressão exercida por um fluído em movimento paralelo à sua corrente. Pressão total - É a pressão resultante da somatória das pressões estáticas e dinâmicas exercidas por um fluido que se encontra em movimento.

Pressão Unidades

Pressão

Pressão MEDIÇÃO DE VARIÁVEIS DO PROCESSO Coluna de Líquido
É um instrumento de medição e indicação local de pressão baseado na equação manométrica. Sua construção é simples e de baixo custo. Basicamente é constituído por tubo de vidro com área seccional uniforme, uma escala graduada, um líquido de enchimento e suportados por uma estrutura de sustentação.

Pressão MEDIÇÃO DE VARIÁVEIS DO PROCESSO Tubo de Bourdon
Tubo de Bourdon consiste em um tubo com seção oval, que poderá estar disposto em forma de “C”, espiral ou helicoidal. Apresenta uma de sua extremidade fechada, estando a outra aberta à pressão a ser medida. Com a pressão agindo em seu interior, o tubo tende a tomar uma seção circular resultando um movimento em sua extremidade fechada. Esse movimento através de engrenagens é transmitido a um ponteiro que irá indicar uma medida de pressão em uma escala graduada.

Pressão MEDIÇÃO DE VARIÁVEIS DO PROCESSO Diafragma
É constituído pôr um disco de material elástico (metálico ou não), fixo pela borda. Uma haste fixa ao centro do disco está ligada a um mecanismo de indicação. Quando uma pressão é aplicada, a membrana se desloca e esse deslocamento é proporcional à pressão aplicada.

Pressão MEDIÇÃO DE VARIÁVEIS DO PROCESSO Fole
O fole é basicamente um cilindro metálico, corrugado ou sanfonado. Quando uma pressão é aplicada no interior do fole, provoca sua distensão, e como ela tem que vencer a flexibilidade do material e a força de oposição da mola, o deslocamento é proporcional à pressão aplicada à parte interna

Pressão MEDIÇÃO DE VARIÁVEIS DO PROCESSO Piezoresistivo - Strain Gage
O strain gage consiste de um fio firmemente colado sobre uma lâmina de base é de medir a variação da resistência de um sensor que sofre uma elongação. O elemento sensor é colado num elemento, chamado célula de carga, que uma vez submetido a uma pressão sofre uma deformação, observada pela variação de seu comprimento. A célula pode ser acoplada a um diafragma ou a elementos elásticos.

Pressão MEDIÇÃO DE VARIÁVEIS DO PROCESSO Piezoelétrico Capacititvo
A pressão é diretamente transmitida ao diafragma sensor através do fluido de enchimento provocando a sua deflexão. O diafragma sensor é um eletrodo móvel. As duas superfícies metalizadas são eletrodos fixos. A deflexão do diafragma sensor é percebida através da variação da capacitância entre os dois eletrodos fixos e o móvel. O Sensor Piezoelétrico é considerado um sensor ativo porque a pressão que atua sobre o elemento sensor, um cristal, gera uma f.e.m. proporcional. Pode ser empregado para captar pressão sonora, como em microfones, para perturbações aerodinâmicas, entre outros. Os elementos piezoelétricos são cristais, como o quartzo , a turmalina e o titanato que acumulam cargas elétricas em certas áreas da estrutura cristalina, quando sofrem uma deformação física, por ação de uma pressão.

Pressão Calibração

Vazão MEDIÇÃO DE VARIÁVEIS DO PROCESSO
vazão volumétrica, em termos de volume - m3/h, L/min, GPM vazão mássica (gravimétrica), em termos de massa - kg/h, lb/min. 1 m3 = 1000 litros → 1 galão (americano) = 3,785 litros 1 pé cúbico = 0, m3 → 1 libra = 0,4536 kg

3.6.1 Baseada em Pressão Diferencial a) Placa de Orifício

Vazão b) Pitot c) Bocal

Vazão d) Venturi

3.6.2 Dispositivos de Área Variável a) Rotâmetro

Vazão b) Cilindro e Pistão

Vazão MEDIÇÃO DE VARIÁVEIS DO PROCESSO 3.6.3 Medidores Volumétricos
a) Disco Nutante b) Turbina

Vazão MEDIÇÃO DE VARIÁVEIS DO PROCESSO 3.6.3 Medidores Volumétricos
c) Rotor

Vazão MEDIÇÃO DE VARIÁVEIS DO PROCESSO 3.6.4 Medidor Eletromagnético
3.6.5 Instrumento Radioativo

Sensores Indutivos SENSORES E TRANSDUTORES
São equipamentos eletrônicos capazes de detectar a aproximação de peças metálicas;

Sensores Indutivos Princípio de Funcionamento: SENSORES E TRANSDUTORES
Com a aproximação de peças metálicas, ocorre uma variação na tensão gerada por um oscilador; Um comparador monitora esta tensão e envia um sinal para o transistor caso ocorra variação.

SENSORES E TRANSDUTORES
Sensores Indutivos Aplicações:

Sensores Capacitivos SENSORES E TRANSDUTORES
Equipamentos eletrônicos capazes de detectar aproximação de materiais orgânicos, plásticos, pós, Iíquidos, madeiras, papéis, metais, etc.

Sensores Capacitivos Princípio de Funcionamento:
SENSORES E TRANSDUTORES Sensores Capacitivos Princípio de Funcionamento: Baseia-se na geração de um campo elétrico, desenvolvido por um oscilador controlado por capacitor.

Sensores Capacitivos Tabela de Constantes dielétricas:
SENSORES E TRANSDUTORES Sensores Capacitivos Tabela de Constantes dielétricas:

Sensores Capacitivos Exemplo de distância de detecção (10mm):
SENSORES E TRANSDUTORES Sensores Capacitivos Exemplo de distância de detecção (10mm):

Sensores Capacitivos Aplicações

Sensores Fotoelétricos
SENSORES E TRANSDUTORES Sensores Fotoelétricos Também conhecidos por sensores ópticos, manipulam a luz de forma a detectar a presença de objetos.

SENSORES E TRANSDUTORES Sensores Fotoelétricos Baseiam-se na transmissão e recepção de luz infravermelha que pode ser refletida ou interrompida por um objeto a ser detectado.

SENSORES E TRANSDUTORES Sensores Fotoelétricos Principais Tipos:

SENSORES E TRANSDUTORES Sensores Fotoelétricos Aplicações:

Sensores Ultrassônicos
SENSORES E TRANSDUTORES Sensores Ultrassônicos Utilizam ondas sonoras de alta frequência para detectar objetos.

SENSORES E TRANSDUTORES Sensores Ultrassônicos Princípio de Funcionamento. O emissor envia impulsos ultrassônicos sobre o objeto analisado. As ondas sonoras voltam ao detetor depois de um certo tempo, proporcional a distância.

SENSORES E TRANSDUTORES Sensores Ultrassônicos Aplicações:

Sensor de Fumaça Óptico Iônico

Sensores SENSORES E TRANSDUTORES Sensor de Gás
Quando a mistura de gás ou vapor inflamável e ar entra em contato com o filamento ativo, reage com o oxigênio, aumentando da temperatura e aumentando a resistência. Isso provoca o desequilíbrio da ponte de Wheatstone, gerando um sinal elétrico proporcional à concentração de gás ou vapor inflamável no ar.

Sensores SENSORES E TRANSDUTORES Umidade Umidade Relativa
Umidade do Solo

Sensores SENSORES E TRANSDUTORES
Sensor Magnético (reed switch) Quando um ímã aproxima-se do sensor, o campo magnético atrai as chapas de metal, fazendo com que o contato elétrico se feche.

Sensores SENSORES E TRANSDUTORES Sensores Mecânicos
são interruptores ou mesmo chaves comutadoras que atuam sobre um circuito no modo liga / desliga quando uma ação mecânica acontece no seu elemento atuador.

Sensores SENSORES E TRANSDUTORES
O efeito Hall foi descoberto em 1879 por E. H. Hall, que submeteu um condutor elétrico a um campo magnético perpendicular a direção da corrente elétrica. Hall verificou que uma diferença de potencial elétrico aparecia nas laterais deste condutor na presença do campo magnético. Este efeito ocorre devido a cargas elétricas tenderem a desviar-se de sua trajetória por causa da força de Lorentz. Desta forma cria-se um acúmulo de cargas nas superfícies laterais do condutor produzindo uma diferença de potencial. Sensor de Efeito Hall Quando um campo magnético atua sobre uma placa de material condutor através da qual passa uma corrente elétrica, os elétrons são desviados causando um acúmulo de elétrons e, portanto uma diferença de potencial numa direção transversal à passagem da corrente.

Sensores SENSORES E TRANSDUTORES Sensor de Efeito Hall
Os sensores Hall apresentam: linearidade, boa sensibilidade e tempo de resposta reduzido. Suas aplicações mais comuns são na detecção de movimento ou medição de velocidade de máquinas mas, podem ser encontrados, também, na medição de campo magnético.

Sensores SENSORES E TRANSDUTORES Encoder
Um encoder é um dispositivo eletromecânico que pode monitorar movimento ou posição. Um típico encoder usa sensores ópticos para fornecer uma série de pulsos que podem ser traduzidos em movimento, posição ou direção.

ATUADORES Relés

ATUADORES Válvulas Solenoides

Conversores de Frequência
ATUADORES Conversores de Frequência

Válvulas Proporcionais
ATUADORES Válvulas Proporcionais

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