Aula 05 - Sensores e Atuadores
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AULA 05
SENSORES E ATUADORES
INFORMÁTICA INDUSTRIAL I – ENG1016
PROF. LETÍCIA CHAVES
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1. Cadeia de comando
Sensores, botoeiras, fim de curso decame ou rolete, barreiraspneumáticas ou fotoelétricas, pedais
Motores, cilindros, atuadores emgeral.
Válvulas, contatores de potência
Válvulas, relés, CLP, contatores.
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Elementos de
Controle
Elementos de
Comando
Elementos de
Trabalho
Elementos de
sinais
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2. Sensores3
A indústria trabalha continuamente para desenvolverprodutos com mais velocidade e menor custo. Pelaautomação de processo, é possível alcançar estes
objetivos mantendo altos níveis de qualidade econfiabilidade.
O uso de sensores e chaves para detecção de posição é
fundamental para monitorar, regular e controlar aautomação das máquinas envolvidas nos processos defabricação.
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2. Sensores4
Um sensor é um aparelho para detectar e sinalizar umacondição que se altera. Pode ser a presença ou ausênciade um objeto. Pode ser uma quantidade mensurável como
uma distância. Esta informação que se obtém a partir dasaída de um sensor é a base para a monitoração econtrole de processos.
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2. Sensores5
São dispositivos amplamente utilizados na automaçãoindustrial que transformam variáveis físicas, como posição,velocidade, temperatura, nível, etc., em variáveis
convenientes.
Se as variáveis são elétricas, a informação pode ser detensão ou corrente.
As de corrente são mais utilizadas por possuírem maiorimunidade à captação de ruído eletromagnéticos.
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Cuidados nas especificações de sensores
Conexão Modelos de sensores
Especificações das entradas do CLP Produtos com adequação ao ambiente
6
?
2. Sensores
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2. Sensores7
Para a automação o principal objetivo é comandareventos, por exemplo, a chegada de um objeto a umaposição, um nível de um líquido a um valor, etc.
Suas saídas são então do tipo 0 – 1, “on” – “off”, isto é,binárias.
São estes sensores que damos o nome de Sensoresdiscretos
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2. Sensores8
Sensores discretos se dividem em:
Contato mecânico (entre o processo e o sensor);
Sem contato (sensores de proximidade):São mais importantes pela flexibilidade na solução de
problemas de instalação quanto pelo menor desgaste em
uso, o que significa maior confiabilidade.
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2.1 Sensores de Contato Mecânico9
Uma força entre o sensor e o objeto é necessária paraefetuar a detecção do objeto.
Quanto um objeto entra em contato físico com o atuador,o dispositivo opera os contatos para abrir ou fechar umaconexão elétrica.
Possuem corpo reforçado para suportas forças mecânicasdecorrentes do contato com os objetos.
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2.1 Sensores de Contato Mecânico10
Dispositivos primários para comunicar uma detecção deevento, seja uma intervenção do operador ou um aviso deque um certo estado foi atingido, por alguma variávelfísica do processo.
Fecham grupo de contatos para permitir a passagem decorrente elétrica.
Sinal decorrente do fechamento está sujeito ao ruídoprovocado pela vibração da parte mecânica (rotina doCLP deve filtrar).
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2.1.1 Chave Botoeira
A chave mais comumente utilizada na indústria é abotoeira. Existem dois tipos de chaves botoeira: a deimpulso e a de trava (ou retenção).
A botoeira de impulso (push-button) é ativada quando obotão é pressionado e desativada quando o botão é solto,sendo a desativação feita por uma mola interna.
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2.1.1 Chave Botoeira
O botão de trava (ou retenção) é ativado quando épressionado, e se mantém ativado quando é liberado. Para
desativá-lo é necessário pressioná-lo uma segunda vez.
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2.1.1 Chave Botoeira
Dentro das chaves há dois tipos de contatos:
Normalmente aberto: NA ou NO (do inglês normally open)
Normalmente fechado: NF ou NC (do inglês normally closed).
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2.1.1 Chave Botoeira14
RELAÇÃO DAS CORES E SIGNIFICADOS DAS BOTOEIRAS
Cor Significado Explicação Ex. aplicação
Vermelha Emergência Atuar no caso de condições perigosas ouemergência
Parada de emergência. Início de umafunção de emergência
Amarela Anormal Atuar no caso de um evento anormal Intervenção para suprir condições
anormais. Intervenção para rearmarum ciclo automático interrompido
Verde Normal Atuar no caso de um evento normal
Azul Obrigatório Atuar em condições que requerem ações
obrigatórias
Função de reset
Branca Sem designaçãoespecífica
Para uso geral, menos emergência Marcha / ON (preferível)Parada / OFF
Cinzenta Sem designaçãoespecífica
Para uso geral, menos emergência Marcha / ON: preferívelParada / OFF
Preta Sem designaçãoespecífica
Para uso geral, menos emergência Marcha / ONParada / OFF (preferível)
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2.1.2 Chaves de pé (pedal) e seletoras
Chaves de pé (ou pedal): utilizadasquando o operador necessita das mãospara exercer outra atividade.
Chaves seletoras: apresentam váriasposições.
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2.1.3 Chaves-limite ou de Fim de curso
Detectam posição de objetos ou materiais Estabelece ou interrompe um contato elétrico
Micro-switch: vida média de 10 milhões de
operações.
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2.1.4 Chaves de nível
Monitora o nível de tanques oudepósitos (condutiva, capacitiva,magnéticas, etc).
A alteração do nível o dispositivode flutuação se desloca, acionandoum contato.
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2.1.4 Chaves de nível18
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2.1.5 Chaves de fluxo
Detectar vazão de fluidos (como ar, água, óleo ou gás);
O rotor se movimenta com a vazão do fluido e ativa umcontato;
Faixa de regulagem.
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2.1.5 Chaves de fluxo20
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2.1.6 Chaves de pressão - Pressostatos
Detectam nível de pressão deum fluido ou recipiente.
Usam um fole que acionacontatos elétricos.
Quando a pressão no foleultrapassa a tensãopredeterminada em mola, ocontato é ativado.
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2.1.7 Chaves de temperatura - Termostatos
Bimetálicos e bulbocapilar para contatosde chaveamentos
Fornecem um contatoquando uma
determinadatemperatura éultrapassada
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2.2 Sensores de proximidade23
Opera eletronicamente sem contato físico, por aproximação Insensível a vibrações Ponto de acionamento constante
Indutivos
Magnéticos Capacitivos Fotoelétricos ou óticos Sensor ótico de reflexão difusa ou sensor difusoÓtico de barreiraÓtico retrorreflexão ou retrorreflexivo Fibra ótica
Ultra-sônicos
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2.2.1 Indutivos
Detecta objeto metálicos
Princípio: Variação de campomagnético
NPN ou PNP
Vantagens Desvantagens- Resiste a ambiente severos- Vida longa- Fácil instalação- Não depende da cor do objeto alvo
- Limitação de distância- Somente detectam objetos metálicos- Sensível a interferências
eletromagnéticas
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2.2.1 Indutivos
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2.2.1 Indutivos26
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2.2.1 Indutivos27
Bobinas: a bobina e a montagem em núcleo de ferritegeram um campo eletromagnético a partir da energia dooscilador.
Oscilador: fornece a energia necessária para a geraçãodo campo magnético nas bobinas.
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2.2.1 Indutivos28
Circuito de disparo: detecta mudanças na amplitude deoscilação. As mudanças ocorrem quando um alvo demetal se aproxima do campo magnético irradiado pelosensor.
Circuito de saída: quando uma mudança suficiente nocampo magnético é detectada, a saída em estado sólido
fornece um sinal a uma interface para um CLP oumáquina. O sinal indica a presença ou ausência de umalvo de metal na distância do sensor.
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2.2.1 Indutivos30
Os catálogos dos fabricantes sempre descrevem adistância sensora nominal considerando um objeto-alvopadrão de aço, denominado alvo-padrão. Distânciasensora é a distância máxima de operação para a qualo sensor é projetado.
Metais distintos têm valores diferentes de resistividade,
assim o tipo de metal afeta a distância sensora. Deacordo com o tipo de material a ser utilizado, énecessário um fator de correção da distância sensora.
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2.2.2 Sensores Magnéticos
São mais robustos e duráveis.
Consiste de duas lâminas de contato elétrico no interior deuma ampola preenchida com gás inerte.
Quando há a aproximação de um ímã externo, as lâminas seunem e fecham contato.
Muito utilizados em cilindros pneumáticos.
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2.2.3 Capacitivos
Formados por duas placas paralelas separadas por ummaterial dielétrico, com capacitância dada por:
As estruturas para montagem de sensores capacitivospodem utilizar elementos com variação na separaçãoentre as placas (δ [m]), com variação na área comum
entre as placas (A [m2]) ou com variação no dielétrico (ε[F/m]).
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2.2.3 Capacitivos
Em geral a área das placas e sua distância são fixas,porém a constante dielétrica ao redor varia de acordocom o material do objeto que se encontra na proximidadedo sensor.
São similares aos sensores indutivos com a diferença queproduzem um campo eletrostático, em lugar do campo
eletromagnético.
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2.2.3 Capacitivos
Detectam objetos metálicos e não-metálicos, como papel,vidro, líquidos e tecidos, a distâncias de até algunscentímetros.
Pequena distância sensora. Taxa de comutação alta para a resposta rápida em
aplicações de contagem de objetos.
Detectam alvos líquidos através de barreiras não
metálicas (como vidro e plástico), Longa vida operacional, com um número virtualmente
ilimitado de ciclos de funcionamento.
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2.2.3 Capacitivos
Constante dielétricas típicas (tabela abaixo):
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2.2.3 Capacitivos - Aplicações
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2.2.4 Sensores fotoelétricos
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Emitem um feixe de luz e detectam as alteraçõesda intensidade de luz recebida em consequênciado movimento de objetos opacos.
Possuem emissor de impulsos rápidos de luzinfravermelha e um receptor.
1 mm a 10 m
Sem contato com o objeto Qualquer tipo de material
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2.2.4.1 Reflexão difusa
Reage ao sinal luminoso refletido pela superfície doobjeto a detectar. A distância de detecção depende dasqualidades reflexivas da sua superfície.
Emissor e Receptor estão numa mesma peça.
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2.2.4.2 Ótico retro reflexivo
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Emissor e Receptor estão são montados juntos. O feixe de luz emitido é refletido de volta ao o receptor,
por uma superfície refletora, enquanto não houver nenhumobjeto interposto.
Detecta proximidade em até 10m. Interrompida a reflexão da luz pelo objeto a detectar,
fecha-se ou abre-se um contato elétrico.
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2.2.4.3 Barreira
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Emissor e Receptor estão são montados separadamente. O objeto a ser detectado interrompe o feixe de luz
enviado ao receptor.
Detecta proximidade em até 10m.
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2.2.4.4 Ótico – fibra ótica
Grande sensibilidade
São dispositivos de grande utilidade. A função do cabo
de fibra ótica é fazer a transmissão do sinal luminoso dosensor ao local onde se deseja a detecção do objeto.
Os cabos de fibra ótica reproduzem os efeitos dos
sensores por reflexão difusa, retrorreflexão ou barreirade luz.
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2.2.4.4 Ótico – fibra ótica43
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2.2.4.4 Óticos - Aplicações
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2.2.5 Sensores Ultrassônicos
A medida de deslocamentos ou distâncias por meio deultrassom utiliza um circuito eletrônico que gera um trem depulsos para excitar um transdutor piezoelétrico*. Este geraum pulso de pressão acústica que se propaga no ar até
atingir o alvo.
Parte da energia acústica do pulso retorna ao transdutorem forma de eco após um certo intervalo de tempo.
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2.2.5 Sensores Ultrassônicos
Medindo-se este intervalo detempo e sabendo avelocidade do som no arpode-se calcular a distância
entre o transdutor e oanteparo
Vários materiais
Não depende da cor ou domaterial
Presença ou nível
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2.2.5 Sensores Ultrassônicos
Existem dois tipos básicos de geradores ultrassônicos:
Eletrostáticos: utilizam efeitos capacitivos para a geração
do ultrassom. Apresentam fundos de escala maiores, maiorbanda passante, porém são muito sensíveis a parâmetrosambientais, como umidade.
Piezoelétricos: baseiam-se nas tensões mecânicas quecristais e cerâmicas sofrem quando submetidos a camposelétricos. São bastante resistentes e baratos.
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2.2.5 Encoders
São Codificadores Digitais Angulares para medição diretade posição ou de deslocamento angular.
Podem ser Incrementais (requerem um sistema decontagem de incrementos gerados por um disco girante) ouAbsolutos (fornecem uma saída digital para qq. posiçãoangular do eixo).
Os Absolutos podem ser construídos com técnicas de SlipRing (anel com contatos deslizantes), técnicas magnéticas ouóticas.
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2.2.5 Encoders
O encoder absoluto possui codificação binária no discocom um sistema ótico para extração da informação.
Usa uma fonte de luz (LED, emissor UV ou IV) e um sistemade dispositivos fotossensíveis (fotocélulas, fotodiodos,detectores de UV ou IV) com uma fenda ou máscara paradefinir a região ativa.
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3. Atuadores
Atuadores ou Dispositivos desaída são elementos de campousados para executar asinstruções do elemento decomando (Ex.: PLC).
São como mãos do CLP quegeralmente tem capacidadepara ativar uma grande
variedade de elementos queatuarão sobre uma plantaindustrial.
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(Atuadores)
Músculos
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3.1 Atuador eletromecânico
Solenoides Dispositivo composto de uma bobina e um elemento
mecânico de acionamento (induzido), que produz ummovimento de translação.
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3.1 Atuadores eletromecânicos
Solenoides
Movimento contínuo Solenoides proporcionais.
O deslocamento é linearao sinal de tensão(analógico).
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3.1Atuadores eletromecânicos
Solenoides
Movimento discreto Possui duas posições
preferenciais: aberto eoutra fechada (digital).
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3.2 Relés54
Dispositivo que, alimentado eletricamente (correntebaixa) resulta o chaveamento de um sinal elétrico(corrente alta).
Tipos Eletromecânicos
Semicondutores
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3.2.1 Relés eletromecânicos
Uma corrente elétricapassando por umabobina provoca força
mecânica em um núcleometálico que comutacontatos
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3.2.2 Relés semicondutores
Dispositivos comotransistores, FET’s, triacsque utilizam uma saída
de baixa corrente doCLP para chavear umacarga mais alta
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3.3 Contatores
Capacidade de chavearaltas cargas de corrente(>10A)
Em alguns casos a bobina échaveada por um contato arelé (montagem em cascata) Isto quando o I da bobina é
maior que I da saída do CLP
Motores, aquecedores etc.
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4. Exercícios
1. A esteira de uma linha de produção transporta canecasnas cores vermelha, branca, azul e preta. As canecasdevem ser automaticamente separadas e contadasconforme sua cor. Quantos sensores óticos trabalhando
por reflexão seriam necessários para tornar esse projetotecnicamente viável?
2. O que deve ser considerado na escolha de sensores do
tipo capacitivo e do tipo indutivo?
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4. Exercícios
3. Uma prensa industrial, quando aberta, apresenta um vãode 1m de largura por 1,2m de altura, por onde ooperador insere continuamente peças para seremestampadas. Como garantir que a prensa não seja
acionada enquanto as mãos do operador estiverem naárea de prensagem? Explique as características doequipamento utilizado nesse projeto.
4. No depósito de um supermercado queremos separarautomaticamente, na esteira transportadora, papelhigiênico de garrafas de água. Que sensor utilizar e porquê?
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Bibliografia
MORAES, Cícero Couto de; CASTRUCCI, Plínio de Lauro.Engenharia de Automação Industrial. 2. Ed. Rio de Janeiro: LTC,2012.
SOLOMAN, Sabrie. Sensores e sistemas de controle naindústria. 2.ed. Rio de Janeiro: LTC, 2012.
CAPELLI, Alexandre. Automação Industrial: Controle domovimento e processos contínuos. 2. ed. São Paulo: Érica, 2008.
60