Comandos e Controles Lógicos

Até a metade do século XX, a maioria dos sistemas ou eram mecânicos ou eram eletrônicos: vejam como exemplos, os veículos automotores, rádios, televisões etc. Com o avanço da teoria de controle e das técnicas de projeto tanto de mecanismos mecânicos quanto de dispositivos eletrônicos, surge uma integração destas duas áreas da engenharia. É necessário destinguir estes projetos que integram mecânica, eletrônica e informática, dos projetos de dispositivos eletromecânicos como motores, sensores ou atuadores. Estes últimos, na maioria dos casos, são projetos de sistemas para conversão de energia, seja elétrica para mecânica, seja mecânica para elétrica. Não que eles apresentem qualquer tipo de demérito, mas porque eles são claramente diferentes de robots, sistemas aviônicos, ...

No projeto de sistemas podemos adotar duas abordagens diferentes.

1. O comando do sistema atua sobre o sistema sem realimentação das suas variáveis de estado: sistema não realimentado.
2. O comando do sistema atua sobre o sistema assim como o estado de algumas de suas variáveis de estado: sistema realimentado.

Geralmente, os projetos de mecatrônica estarão agindo nos sistemas realimentados. Um projeto mecânico simples como um sistema de transferência de liquidos pode ter um controle realimentado puramente mecânico como uma bóia acionando um comando de válvulas. Se a precisão e a velocidade do sistema for satisfatória, este sistema é uma solução ótima. Mas num sistema em que pequenas variações podem causar grandes mudanças muita rápidas, nenhum sistema puramente mecânico poderá resolver o problema, nesses casos, o processamento pode ser feito eletronicamente aproveitando a velocidade dos elétrons e das ondas eletromagnéticas. Outra situação importante para se usar uma solução mecatrônica surge quando o função de controle é muito complexa para ser realizada por meios puramente mecânicos ou mesmo eletrônicos, neste caso, o processamento de como os atuadores devem ser acionados para se obter uma determinada resposta devem ser feitos por computadores.

Definição de mecatrônica dada pelo prof. M.M. Polonskii:

Mecatrônica é uma tecnologia de projeto que, à base de níveis modernos de microeletrônica, eletrônica de potência, motores, mecânica de alta precisão e informática, nos dá a possibilidade de executar os projetos, os sistemas eletromecânicos, que são controlados por computador, satisfazendo determinadas condições e com custos mínimos.

Problema: como dividir todas as funções do sistema entre as partes da mecânica, da eletrônica e da informática?

Princípios óbvios para o projeto de sistemas de mecatrônica:

1. minimizar o número de eixos; não usar, se possível, redutores e acoplamentos
2. usar sensores multifuncionais
3. usar sensores com saídas digitais que podem ser ligados ao computador sem transformação adicional da informação
4. usar diretamente o controle digital por computador

Exemplo de Uso de eletrônica com mecânica num projeto.

Veja também a página de medidores.

Nesta parte do curso vamos apresentar alguns dos principais sensores usados para a automação de sistemas industriais.

O princípio de funcionamento de um sensor é relativamente simples: o valor de estado de uma grandeza deve ser quantificado por alguma grandeza física, intensidade de luz, calor, som ou posição, força, pressão ou velocidade. Uma variação da grandeza física provoca no sensor uma variação do seu sinal elétrico de saída. Assim, deve-se classificar os sensores segundo:

• faixa operacional (range): faixa de medida em que os valores são válidos.
• resolução: menor incremento da grandeza medida que provoca mudanças na saída do sensor.
• sensibilidade: relação entre a variação da grandeza de saída (tensão, corrente, ...) e a variação da grandeza medida.
• linearidade: se a razão entre as variações das grandezas medidas pelas variações das grandeza de saída são constantes, o sensor é linear. Em instrumentos analógicos, isto corresponde a escalas lineares. Uma outra possibilidade muito frequente é ter-se uma escala logaritmica, o que indica um sensor usando uma conversão de energia exponencial.
• histerese: fenômeno em que ao se alterar uma grandeza numa direção (por exemplo, de um valor baixo para um valor alto), a medida segue uma curva e ao se alterar a grandeza na direção contrária, a curva é diferente. Exemplos, a magnetização de materiais ferromagnéticos com ligas de aço costumam apresentar este efeito e por isso são usados como memória não volátil em diversas aplicações eletrônicas; a folga dos dentes de um sistema de engrenagens faz com que numa direção tenhamos uma medida e ao mudar de direção, tenhamos uma zona morta; o relé da ventoinha de automóveis é ligado numa temperatura mais alta do que a de desligamento.
• exatidão ou erro: diferença absoluta entre o valor medido pelo sensor de uma grandeza física e o valor real dela.
• relação sinal/ruído: relação entre a potência do sinal entregue pelo sensor e a potência do ruído, isto é, a potência de saida caso a grandeza medida não troque nenhuma energia com o sensor.
• resposta em freqüência: as freqüências das variações da grandeza medida que o sensor é capaz de acompanhar. Geralmente, representado por um diagrama ganho vs. freqüência, diagrama de Bode.

1. Sensores de temperatura

• par bimetálico: usa os coeficientes diferentes de dilatação de duas liminas metálicas, em geral não é usado para medir temperatura mas para comutar uma chave elétrica. Exemplo de uso, relé de acionamento de ventoinhas nos automóveis, pisca alerta, cafeteira elétrica.
• resistência elétrica: a resistência elétrica de muitos materiais varia quase linearmente com a temperatura:
  ro = ro0(1+a1dT+a2dT²)
  Onde ro é a resistividade intrínsica do material e dT=T-T0, T0 é a temperatura ambiente. Tipicamente, se usa platina.
• termistores: certos materiais possuem condutividade que varia com o exponencial da temperatura. Caso a resistência aumente com a temperatura, a resistência é dita PTC - coeficiente de temperatura positivo e caso a temperatura diminua com a temperatura, NTC.
  R = AeB/T
  Onde A e B são constantes que dependem do tipo de óxido.
• junção semi-condutora: a corrente que atravessa um diodo diretamente polarizado é uma função exponencial da temperatura, as imprecisões associadas com os parâmetros que influenciam as medidas com uma junção fazem com que na prática eles não sejam usados para fins de medidas. Eles são usados contudo como fusíveis ou pseudo-fusíveis em diversas situações quando temperaturas limites são atingidas. Exemplos são os circuitos de proteção de processadores modernos para altas temperaturas, um diodo colocado no chip funciona de sensor de temperatura e um circuito externo deve reduzir ou cortar o relógio quando o processador está superaquecido.
• termopares: a diferença de potenciais eletroquímicos varia com a temperatura. São os sensores de temperatura mais usados. Dois materiais metálicos são colocados em contato provocando uma diferença de tensão entre eles. Eles são principalmente interessantes em altas temperaturas.

2. Sensores de presença

• micro-switches: pequenas chaves elétricas. São colocadas nos pontos onde se deseja estabelecer a presença de algum objeto.
• reed switches: chaves com contatos em material ferro-magnético que se fecham com a proximidade de um campo magnético (imã).
• sensores óticos: usam diodos emissores de luz (LEDs) e foto-transistores (vide figura).
• sensores indutivos: usam bobinas e a variação da permeabilidade magnética ou variações de campo magnético (imãs) que induzem mudanças na corrente das bobinas.
• sensores capacitivos: usam a variação da capacitância com a aproximação de lâminas carregadas eletricamente ou mudanças na área efetiva das lâminas que induzem mudança na tensão entre as placas.

Sensor ótico de barreira

3. Sensores de Posição

De uma forma geral, os sensores de posição também podem ser usados como sensores de presença, embora o contrário seja falso.

• Sensores potenciométricos: uso de resistências com um cursor metálico que acompanha a posição de um objeto.
• Sensores indutivos e capacitivos
• Encoders (vide figuras)
  Também são chamados de codificadores, são sensores de posição constituídos de um ou mais sensores óticos de barreira que detectam a passagem de uma roda furada. Quando o sensor estiver sobre um furo, vai detectar a luz (estado 1, p.ex.). A roda está ligada mecanicamente ao eixo de um motor ou de uma peça giratória. A medida que o eixo gira, os sensores vão indicando diferentes combinações de 0's e 1's. O encoder incremental usa dois sensores para ir contando os furos e a direção do giro, o que permite determinar uma posição relativa. Para o encoder incremental poder determinar posições absolutas um outro sensor ótico pode ser incluído para avisar que está no ponto de referência.
• Sensores de Ultra-som: usam um emissor de ultra-som, tipicamente, um cristal piezo-elétrico, e um receptor, um microfone. Uma onda de som ultra-sônica, acima de 20 kHz é emitida e refletida por um obstáculo, através do cálculo do tempo de ida e volta é possível determinar a presença dos obstáculos e a sua posição.
• Síncronos e resolvers: sincro é um transdutor de posição e de medida de ângulo de rotação de eixos de precisão (10' de arco). Esses sensores são baseados na indução de tensão alternada entre 2 conjuntos de bobinas, um rotor e um estator. A diferença entre o resolver e o sincro está na implementação do estator, no resolver o estator é constituído de duas bobinas ligadas a 90º, no sincro, são 3 bobinas a 120º.

Encoder usando código binário e código de Gray

Encoder incremental, observe-se os dois sensores deslocados de modo a gerar pulsos defasados de 90º e o sensor de referência.

4. Sensores de Força

• Extensômetros: são baseado na lei de Hooke segundo a qual um material elástico sobre uma deformação linear diretamente proporcional à força aplicada no material (princípio das molas usadas para medir força). Um tipo especial de extensômetro (chamado de strain gauge) usa esta propriedade para medir a força axial ou de tração aplicada a uma peça medindo a deformação através da variação da resistência de um sensor resistivo colado sobre a superfície da peça.

5. Sensores de Velocidade

• Tacômetro: funciona no mesmo princípio do gerador elétrico, ou seja, tem o funcionamento inverso de um motor elétrico. Uma bobina presa a um eixo dentro de um campo magnético estático gerado por imãs permanentes, faz com que apareça uma tensão nos terminais da bobina que é proporcional à velocidade de rotação do eixo.
• Contadores: um circuito ou programa pode contar furos ou marcas deixadas em distâncias regulares por um certo intervalo de tempo e com isto determinar a velocidade de locomoção das marcas.
• Radares de ultra-som: baseados no efeito Dopper, um sensor de som junto com um emissor de ultra-som podem determinar a velocidade de um objeto.

6. Sensores de Luz

• LDR - resistência sensível à luz, efeito foto-elétrico inerente a todos os materiais descoberto por Albert Einstein.
• Foto-transistor - a corrente através do transistor varia exponencialmente com a quantidade de luz incidente.
• CCD - detetor com carga acoplada, usada em filmadoras e câmaras digitais.

7. Sensores de Pressão

• Sensor capacitivo: uma membrana com uma lâmina metalica sobre uma outra lâmina metálica fixa paralela à primeira forma um capacitor cuja capacitância depende da pressão sobre a membrana. Outra possibilidade é o uso de duas lâminas metálicas paralelas com um material elástico não condutor entre elas, a pressão sobre uma das lâminas fará variar a distância entre as lâminas e, em conseqüência, a capacitância entre as lâminas.
• Transdutor piezo-elétrico: alguns materiais têm propriedade piezo-elétrica, isto é, se eles forem comprimidos, eles geram diferença de potencial em terminais colocados nas suas superfícies. O exemplo mais comum de uso deste efeito é o MagiClick usado em cozinha para acender fogões. O material mais comum com efeito piezo-elétrico é o cristal, mas atualmente existem plásticos que também exibem esta propriedade com níveis de tensão muito mais controlados.

8. Sensores de Som

• Microfones: existem pelo menos 3 tipos de microfones: o magnético, o de cristal piezo-elétrico e o de carvão ativado. O magnético funciona com uma bobina presa a uma membrana que vibra com o som. A bobina está dentro de um campo magnético estático criado por imãs ou outras bobinas, assim uma diferença de potencial aparece nos seus terminais se a membrana vibra. O de cristal usa a propriedade piezo-elétrica descrita acima, as ondas sonoras provocam variações de pressão sobre a superfície do cristal piezo-elétrico que gera diferenças de tensão no terminais ligados nas superfícies do cristal. O de carvão ativado era usado nos antigos telefones e funciona com uma membrana pressionando grãos de carvão ativado dentro do microfone de maneira a provocar variações de resistência em dois terminais imersos dentro do carvão.

9. Acelerômetro

Raramente, num sistema de automação industrial ou num robô será necessário o uso de acelerômetros, mas se eles forem necessários as alternativas são:

• Giroscópio mecânicos ou a laser.
• Uso de medidores de força sobre massa conhecida: F = m * a

10. Sensores de gases

Eles podem ser necessários em automação industrial onde gases tóxicos ou explosivos podem ser libberados e precisam ser controlados. Geralmente, eles dependem do tipo de gás e usa-se algum material (substância) que reaja com o gás e mede-se a reação.

Atuadores são dispositivos que transformam um determinado tipo de energia num outro tipo diferente. São usados em automação para entregar à planta a excitação necessária para seu funcionamento, na forma do tupo de energia adequado. Se o funcionamento da planta estiver baseado em algum movimento de um de suas partes, serão necessários atuadores para fornecer energia mecânica para o movimento. Se a planta for um sistema térmico, será necessário um atuador que forneça energia térmica para atingir um temperatura desejada.

Os atuadores se dividem em atuadores 1) hidráulicos, 2) pneumáticos ou 3) elétricos. Os hidráulicos se caracterizam por terem como fonte de energia um líquido que se desloca por um duto com uma pressão adequada. O líquido é geralmente óleo ou água. O pneumático têm como fonte de energia um gás pressurizado, geralmente ar comprimido. Os atuadores elétricos usam energia elétrica.

1. Motores elétricos

Os motores elétricos são dispositivos que transformam energia elétrica em energia mecânica. Essa energia mecânica é desenvolvida através da rotação de um eixo que gira com uma determinada velocidade e torque.

Existem diferentes tipos de motores elétricos: motores CA, motores CC e motores de passo. Os de corrente alternada são os menos usados na robótica por serem relativamente grandes e pela dificuldade de se fazer um controle de velocidade e torque eficiente. Porém, em aplicações industriais, que exigem torque elevado, motores trifásicos de corrente alternada são freqüentemente utilizados.

Os motores de corrente contínua têm um par de terminais que devem ser ligados a uma fonte de alimentação, a polaridade da fonte determina o sentido de rotação do eixo do motor. Seu movimento é, geralmente, suave e contínuo e, com uma redução mecânica apropriada, podem desenvolver torques elevados em volumes reduzidos. As principais desvantagens consistem na dificuldade para o controlador conhecer a posição exata do eixo e a velocidade de rotação que depende fortemente da carga. Assim, não é possível controlar estes motores em malha aberta, geralmente, o controle se faz em malha fechada com sensores de posição e/ou velocidade.

Os motores de passo têm seu funcionamento baseado na alimentação caracterizada por uma seqüência de pulsos elétricos. A cada pulso da seqüência, o eixo gira um ângulo fixomuito preciso. Dessa maneira, o controlador pode conhecer exatamente a posição do eixo sem a necessidade de um sensor. Ao controlar o tempo entre um pulso e o seguinte, o controlador pode controlar a velocidade de giro do motor sem o uso de tacômetros. A relação entre o torque e o volume do motor, quando está em movimento, é menor do que a dos motores CC, mas têm a vantagem que quando estão parados numa determinada posição, eles detêm um alto torque de retenção que impede seu movimento.

Grandezas físicas básicas: potência, torque e velocidade.

Clique aqui para uma outra página sobre motores elétricos.

1.1 Motores CC: Pricípio de funcionamento

Os motores de corrente contínua são compostos de duas partes básicas. A primeira é fixa (sem movimento), chamada de estator, destinada a produzir um campo magnético constante. Seja com um eletroimã ou com um imã permanente. A segunda parte é rotatória, chamada de rotor ou armadura, tem um enrolamento (bobina) através do qual circula a corrente elétrica contínua.

Princípio de funcionamento do motor elétrico CC.

1.2 Diferentes tipos de motores CC

Motor série

Este tipo de motor se caracteriza por girar muito lentamente quando deve movimentar uma carga grande e girar muito rápido no vazio.

Motor Paralelo

Observe que um aumento de carga não provoca uma redução grande na velocidade. Esta característica o torna ideal para aplicações em máquina ferramenta. Para mudar a velocidade deste tipo de motor é necessário mudar a tensão de entrada, o que muda a potência aplicada.

Motores compostos (compound)

1.3 Motores com imã permanete

1.4 Motores de corrente alternada

Os motores de corrente alternada têm grande uso na indústria, principalmente os motores tri-fásicos de potência relativamente alta. Em robótica, onde geralmente a potência envolvida não é tão grande, eles não são tão populares.

Diferente do motor CC que possui o campo do estator fixo, o campo do estator gira devido à corrente alternada. Isto impõe restrições sobre quais velocidades podem ser usadas num motor AC. O motor AC deve rodar a uma velocidade fixa que é função da freqüência da tensão alternada de alimentação do motor. Para variar a velocidade de um motor AC é necessário alterar a freqüência da fonte de alimentação.

1.5 Motores de passo

Os motores de passo, como o próprio nome sugere, fazem movimentos discretos. Eles têm posições estáveis em ângulos bem definidos. Devido a esta característica, eles têm grande aplicação onde esta propriedade é importante, por exemplo, para movimentar o avanços das folhas ou a posição do cartucho de tinta de uma impressora de jato de tinta.

O motor de passo por não poder desenvolver uma grande potência, normalmente, não tem grande aplicação na automação industrial, mas é muito usado em robótica e em diversos sistemas eletro-mecânicos de baixa potência.

1.6 Servor motores

Na verdade não é uma outra categoria de motores mas um arranjo de motor com sensor de posição e realimentação que é muito usado em robótica e outros sistemas automáticos.

2. Atuadores hidráulicos

Tem como objetivo gerar um movimento que pode ser linear ou axial. Este movimento é provocado pela injeção de um líquido a alta pressão num recipiente perfeitamente selado onde está uma haste ou um eixo, o líquido movimenta a haste ou o eixo.

2.1 Princípio de funcionamento

Lei de Pascal para fluídos incompressíveis, se uma pressão externa é aplicada ao fluído, esta pressão é transferida para todas as superfícies em contato com o fluído sem perda de energia.

Exemplos de atuadores hidráulicos:

• Pistões hidráulicos
• Motores hidráulicos

A principal vantagem dos dispositivos hidráulicos é poderem entregar uma força (no caso dos pistões) ou um torque (no caso do motores) muito maior do que os seus similares eletro-mecânicos com o mesmo tamanho.

As principais desvantagens são:

• é necessário um tamanho mínimo para os dispositivos maior do que as micro-máquinas elétricas,
• eles precisam de um sistema de geração de energia (bomba hidráulica) e
• precisam de um sistema de transmissão de energia (mangueiras) que impossibilitam o uso de dispositivos hidráulicos em diversas aplicações.

3. Atuadores pneumáticos

Embora não sejam tão precisos quanto os hidráulicos, nem possam gerar tanto torque ou força, ainda assim, são adequados para muitas aplicações industriais.

História dos CLPs

Na década de 60, a indústria automotiva procurava aumentar o desempenho das linhas de produção: Um grande problema encontrado envolvia o amplo uso de lógica de relés para controlar a linha de produção. Ao se modificar qualquer aspecto da linha de montagem, era necessário refazer uma parte do cabeamento e a lógica de relés. O PLC - Programmeable Logic Controller - foi proposto para substituir este sistema por um sistema mais flexível controlado por computadores. A Divisão Hydramatic da GM determinou os critérios para o projeto de PLCs e a Gould Modicon em 1969 desenvolveu os primeiros PLCs a atenderem os critérios da GM:

• preço competitivo em relação a sistemas a relés
• dispositivos de entrada e saída facilmente substituíveis
• funcionamento em ambiente industrial (vibração, calor, poeira, ruídos)
• facilidade de programação e manutenção por técnicos e engenheiros
• repetibilidade de operações e uso

Nos anos que se seguiram, foram acrescentadas outras funcionalidades aos PLCs:

• 1972 - funções de temporização e contagem
• 1973 - operações aritméticas, manipulação de dados e comunicação com computadores
• 1974 - maior capacidade de memória, controles analógicos e controle PID
• 1979/80 - módulos de E/S remotos, módulos inteligentes e controle de posicionamento

Além disso, os PLCs começaram a se comunicar em rede a partir de 1981 e foram miniaturizados em 1982 dando origem a mini e micro PLCs.

Os PLCs de hoje são microcomputadores com entradas e saídas um pouco diferentes das de um PC. No lugar de complexas entradas e saídas como teclado, vídeo, serial, paralela, etc. o PLC tem umas poucas entradas, geralmente digitais, e outras poucas saídas digitais. Alguns PLCs possuem embutidos conversores análogo-digitais, fornecendo canais de entrada analógicos, e conversores digital-analógicos, fornecendo saídas analógica.

Esquema da montagem de Comando Lógico Programável usado no laboratório de CCL.

Ligações dos terminais do CLP na montagem do laboratório.