DEFINIÇÕES BÁSICAS ...................................................................................................................... 3 MONITORAMENTO, AUTOMAÇÃO E CONTROLE DE SISTEMAS ......................................................... 5 VANTAGENS E DESVANTAGENS DO SISTEMA MECATRÔNICO .......................................................... 7 SISTEMA MECÂNICO PASSIVO......................................................................................................... 8 SISTEMA MECÂNICO ATIVO ............................................................................................................ 8 COMPLEXIDADE DE SISTEMAS MECATRÔNICOS .............................................................................. 9 DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA MECATRÔNICO ................................................................... 10 DEFINIÇÕES BÁSICAS .................................................................................................................... 11
FUNDAMENTOS DE SENSORES E ATUADORES ................................................................. 14 3.1 SENSORES ..................................................................................................................................... 14 3.1.1 Especificações Estáticas ..................................................................................................... 14 3.1.2 Especificações Dinâmicas .................................................................................................. 16 3.1.3 Outras Características de Sensores .................................................................................... 16 3.1.4 Tipos de Sensores ............................................................................................................... 17 3.2 SISTEMA DE CONDICIONAMENTO DE SINAIS .................................................................................. 23 3.3 ATUADORES .................................................................................................................................. 23 3.3.1 Atuadores Pneumáticos e Hidráulicos ............................................................................... 23 3.3.2 Atuadores Elétricos e Magnéticos ...................................................................................... 24 3.3.3 Atuadores Piezelétricos ...................................................................................................... 25 3.4 CABOS DE CONEXÃO .................................................................................................................... 26
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INTERFACEAMENTO DE DISPOSITIVOS: HARDWARE ................................................... 27 4.1 TIPOS DE SINAIS ............................................................................................................................ 28 4.2 PLACAS E SISTEMAS DE AQUISIÇÃO DE DADOS ............................................................................ 29 4.2.1 Capacidade de Processamento ........................................................................................... 29 4.2.2 Resolução dos Canais de Entrada e Saída ......................................................................... 30 4.2.3 Máxima taxa de amostragem .............................................................................................. 30 4.2.4 Número e Tipo dos Canais de Entrada e Saída .................................................................. 31 4.3 TIPOS DE ENTRADA E SAÍDA .......................................................................................................... 32 4.4 PROCESSADORES DSP .................................................................................................................. 32 4.5 CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL (CLP)............................................................................ 33 4.6 MICROCONTROLADORES ............................................................................................................... 34
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TÓPICOS DE ARQUITETURA E PROGRAMAÇÃO DE COMPUTADORES .................... 35 5.1 CONFIGURAÇÃO DA AQUISIÇÃO DE DADOS .................................................................................. 35 5.1.1 Definições Iniciais .............................................................................................................. 36 5.1.2 General Purpose Interface Bus .......................................................................................... 37 5.1.3 TIA/EIA - RS-232 - F .......................................................................................................... 37 5.1.4 TIA/EIA - RS-422-B ............................................................................................................ 38 5.1.5 TIA/EIA - RS-485 - A .......................................................................................................... 39 5.2 COMUNICAÇÃO REMOTA .............................................................................................................. 39 5.3 REDES DE COMUNICAÇÃO INDUSTRIAL ........................................................................................ 40 5.3.1 Protocolo TCP/IP ............................................................................................................... 40 5.3.2 FieldBus.............................................................................................................................. 41
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REPRESENTAÇÃO DE SISTEMAS MECATRÔNICOS ......................................................... 42 6.1 6.2
FREIOS ABS.................................................................................................................................. 47 PROJETO DE SISTEMAS - DOMÓTICA ............................................................................................. 47 AUTOMAÇÃO DE SISTEMAS - ROVER ............................................................................................ 47 AUTOMAÇÃO DE SISTEMAS – IDENTIFICAÇÃO DE PONTO DE IMPACTO .......................................... 47
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Capítulo 1
1 Introdução à Mecatrônica A mecatrônica pode ser compreendida como uma filosofia relacionada à aplicação combinada de conhecimentos de áreas tradicionais, como a engenharia mecânica, a eletrônica, controle e a computação, de forma integrada e concorrente. A mecatrônica pode ser entendida como a integração sinergética da engenharia mecânica com a eletrônica e o controle por computador no projeto de produtos e processos. O profissional formado nesta área do conhecimento humano deverá estar habilitado para projetar e produzir produtos inteligentes baseados em microprocessadores e em sistemas de controle.
1.1 Definições básicas Uma comparação entre um sistema biológico e um sistema mecatônico pode ser visto na Tabela 1-1. Observa-se que um sistema mecatônico é muito parecido com um sistema biológico. Porém, pode haver diferenças significativas entre eles, isso irá depender basicamente do tipo de aplicação do sistema mecatrônico. Tabela 1-1: Equivalência entre um sistema biológico e um sistema mecatrônico Sistema Biológico Sistema Mecatrônico Cérebro
Computador, CLP, Microcontrolador
Conhecimento
Software e base de dados
Órgãos dos Sentidos
Sensores
Membros Inferiores e Superiores
Atuadores, cilindros, garras, motores
Sistema Nervoso Central
Rede de comunicação e de transmissão de dados
Alimentação
Energia do sistema, ar ou óleo, eletricidade
Sistema Sanguíneo
Condutores de energia, tubos, cabeamento estruturado
Esqueleto
Estrutura mecânica
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Controlador Lógico Programável (CLP): é um dispositivo programável com entradas e saídas analógicas ou digitais, muito utilizado para a automação industrial. Nele podem ser implementadas lógicas Combinatórias e Seqüenciais e Controladores. De maneira geral, os CLPs podem receber armazenar manipular e enviar dados.
Figura 1-1: Exemplo de CLP da HI Tecnologia Sensores: são os dispositivos que representam a percepção do sistema mecatrônico, isto é, eles são capazes de medir uma determinada variável, como deslocamento, velocidade, aceleração, tempo, posição, temperatura, pressão, etc. São representados por termopares, câmeras de vídeo, sensores de fim de curso, acelerômetros, vibrômetros laser, sensores de proximidade, etc. Atuadores: são os dispositivos que executam os comandos fornecidos pelo computador ou CLP, estes comandos podem ser a aplicação de um deslocamento, uma força, ligar um aviso, dar um alerta, abrir ou fechar portas, acionar cilindros, etc. São representados por cilindros pneumáticos, motores elétricos, motores de passo, etc. De modo geral, um sistema mecatrônico pode ser representado como apresentado na Figura 1-2. Neste caso, o sistema mecânico foi equipado com sensores e atuadores e um processamento digital. Isto foi feito para melhorar o desempenho do sistema mecânico ou para torná-lo mais flexível, isto é, aumentar a sua gama de aplicações.
Figura 1-2: Sistema mecatrônico
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1.2 Monitoramento, Automação e Controle de Sistemas O Monitoramento de Sistemas consiste na retirada de informação pertinente de um determinado sistema através de sensores. Estas informações podem ser utilizadas imediatamente para correções ou armazenadas para utilização posterior. Exemplos deste sistema podem ser representados pelo monitoramento de temperatura em caldeiras, pressão em autoclaves, etc.
Figura 1-3: Sistema de Monitoração A Automação de Sistemas visa tornar um processo automático, por exemplo, um sistema de embalagem de produtos, conhecida popularmente por embaladora, onde os produtos recebem um rótulo, depois são acondicionados em embalagens individuais e, finalmente, são colocados em caixas contendo vários produtos. Aquilo que antes era um processo manual torna-se agora um processo automático feito por uma máquina.
Figura 1-4: Sistema Automático sem sistema de monitoração Sistema automático sem monitoração é muito difícil de serem encontrados na prática, em geral os sistemas automáticos possuem um sistema de sensores para fornecer informação da situação atual do processo automático. Por exemplo, no caso da embaladora, haverá sensores que darão informação do posicionamento do produto, se há produto e qual a posição dele, etc. Outro exemplo é o portão automático em que sensores informam a posição do portão, se há a presença de um objeto na frente, etc. Portanto, um sistema automático é constituído por,
Figura 1-5: Sistema Automático com rede de sensores
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Neste caso, o processamento digital colhe as informações e processa para uma tomada de decisão para aplicação da ação. São utilizados para isso a lógica combinatória, na qual a saída é formada por uma cominação da entrada, e a lógica sequencial, onde as saídas são formadas pela combinação das entradas e das saídas ocorrendo um sequenciamento de atuações. É importante salientar que um sistema automático não corrige eventuais problemas que o sistema possa apresentar, isto é, um sistema automático apenas verifica a presença de peça, se há embalagens disponíveis, em que posição um determinado atuador está. Por isso, costuma-se representar um sistema automático conforme a figura abaixo, onde o processador da tarefa em geral é um CLP.
Figura 1-6: Elementos básicos de um sistema automatizado Já o Controle de Sistemas é atuar de uma forma satisfatória em um processo ou sistema físico com o intuito de melhorar o seu desempenho ou para corrigir determinados desvios da posição de trabalho. Neste tipo de atividade está associada uma referência a ser seguida pelo sistema controlado. Exemplos deste caso são os controladores industriais como os utilizados em cilindros de laminação, onde se deseja que os rolos se mantenham a uma determinada distância, esta é a referencia a ser seguida, independente da entrada de material. Manter uma sala climatizada há uma determinada temperatura e umidade, que são as referencias a serem seguidas. Estas referências podem ser zero, como no caso de controle de vibração que há em helicópteros onde se deseja que a vibração proveniente das pás do rotor não entre na cabine.
Figura 1-7: Sistema de Controle
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Uma forma conveniente de entender um processo de controle de sistemas é como descrito abaixo, onde o ambiente computacional adquire os dados provenientes do sensor, compara com uma resposta desejável, calcula uma correção através do controlador, gerando assim a chamada lei de controle que é implementada no sistema mecânico através do atuador. Note que neste tipo de estratégia ocorre rejeição à distúrbios, pois espera-se que a resposta obtida seja sempre igual à resposta desejada.
Figura 1-8: Elementos básicos de um sistema de controle Sendo assim, pode-se definir que a diferença entre um sistema automático de um sistema de controle é o tipo de entrada. Isto é, para o sistema automático a entrada é um comando, por exemplo, um botão “iniciar”, já para o sistema de controle a entrada é uma referencia a ser seguida. Observe que na prática, poderá haver sistemas automatizados e controlados ao mesmo tempo. Porém, tanto o controlado quanto o automatizado possui um sistema de monitoramento associado.
1.3 Vantagens e desvantagens do sistema Mecatrônico Um sistema mecatrônico, de modo geral, é um sistema flexível que pode abranger uma ou mais das seguintes vantagens: Facilidade de introduzir modificações ou novas capacidades; Flexibilidade de operação, programabilidade; Inteligência introduzida por sensores, atuadores e centro de processamento, permitindo a adaptação a diferentes condições de operação; Automonitoramento e prevenção ativa de acidentes e falhas; Elevado grau de precisão e confiabilidade. Desvantagens dos sistemas mecatrônicos: Manutenção especializada; Custo financeiro maior; Solução tecnológica muitas vezes de difícil aceitação, na maioria dos casos o sistema passivo, sem automação ou controle, é aceito para o projeto.
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Capítulo 2 2 Concepção de Sistemas Mecatrônicos A capacidade de um sistema mecânico de se adaptar a novas exigências depende de como ele foi projetado. Nesse sentido, observando o universo dos sistemas mecânicos existentes, podem-se identificar duas concepções básicas a serem adotadas no projeto de um sistema mecânico, sistema mecânico passivo e ativo.
2.1 Sistema Mecânico Passivo Os sistemas mecânicos passivos são os sistemas que não possuem eletrônica embarcada e são constituídos puramente por componentes mecânicos simples, como engrenagens, motores de acionamento, estrutura metálica, etc. Para que o sistema execute da melhor forma possível a sua tarefa, o seu projeto é feito baseado na cinemática, dinâmica, resistência dos materiais, etc.
2.2 Sistema Mecânico Ativo Um sistema mecânico ativo possui exatamente os mesmos componentes que o sistema mecânico passivo e, além disso, possui um mecanismo de ajuste para melhorar o seu desempenho, isto é, no sistema mecânico ativo ocorre a intervenção humana para uma determinada regulagem automática. Um exemplo deste tipo de sistema é a locomotiva equipada com um regulador automático de velocidade criado por James Watt 1788, Figura 2-1. Neste regulador a posição das massas é contrabalanceada por uma mola, regulando a velocidade de passagem de vapor.
Figura 2-1: Regulador Automático de Velocidade Observe que, no caso da Figura 2-1, ocorre uma realimentação mecânica que é feita pelo parafuso que posiciona as massas, isto é, a alteração da velocidade é feita pela posição do parafuso. Então, pode ser dito que um sistema mecânico ativo consiste de vários sistemas mecânicos passivos.
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2.3 Complexidade de Sistemas Mecatrônicos A mecatrônica pode estar presente em diversos níveis;
Componente (circuitos integrados, sensores atuadores, mecanismos); Máquina (Máquinas de usinagem, medição, inspeção, movimentação, embalagem); Sistema (FMS – Sistema Flexível de Manufatura, FAZ – Sistema de Automação de Fábrica, CIM – Sistema Integrados de Manufatura)
Figura 2-2: Complexidade de um sistema mecatrônico A figura acima diz que é muito difícil se desenvolver um componente, como por exemplo, um sensor específico para um determinado fim do que utilizá-lo em uma máquina. Porém, a complexidade lógica necessária do sistema que utilizará o sensor desenvolvido é muito elevada.
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2.4 Desenvolvimento de um Sistema Mecatrônico Pode-se definir agora que um sistema mecatrônico é um sistema mecânico ativo com uma realimentação feita por um dispositivo que posiciona o parafuso do exemplo mostrado na Figura 2-1 no qual o dispositivo é controlado via um processamento elétrico de informações. Com esta configuração, espera-se que o sistema apresente desempenho superior ao sistema puramente mecânico. Para um projeto adequado de um sistema mecatrônico, o engenheiro deverá ter conhecimento nas seguintes áreas, 1. 2. 3. 4. 5.
Modelagem de sistemas físicos; Sensores e Atuadores; Sistemas e Sinais; Computadores e Sistemas Lógicos; Aquisição e Processamento de Dados.
Figura 2-3: Área de conhecimento de um Engenheiro para projetar um sistema mecatrônico
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2.5 Definições básicas Supondo um sistema básico de controle, o diagrama de blocos do sistema de controle pode ser representado conforme a Figura 2.4, porém, poderia ser um sistema de automação. Também deve ser mencionado que alguns componentes abaixo podem não existir, pois dependerá do tipo de aplicação na qual se encaixa.
Figura 2.4: Diagrama de blocos de um sistema de controle Ambiente Físico é o ambiente no qual será implementado o sistema de controle, é o ambiente real onde o processo físico ocorre. Ambiente Computacional é o ambiente onde o sistema de controle é implementado, isto é, onde ocorre o processo de síntese do controlador e é calculada a lei de controle. Este ambiente representa o hardware e software onde o sistema de controle é implementado, como por exemplo no Matlab/Simulink, placa de aquisição de dados, micro controlador, CLP, etc..
Figura 2.5: Componentes básicos de um sistema de medida A parte relacionada com a medição consiste basicamente dos componentes apresentado na Figura 2.5, onde, Variável Física é a quantidade física que se deseja medir para ser usada no sistema de controle/monitoramento, por exemplo, deslocamento, velocidade, aceleração, temperatura, pressão, etc. Transdutor é o dispositivo capaz de transformar uma quantidade física de entrada em outra quantidade de saída. Sensor é um transdutor que transforma a quantidade física de entrada em uma voltagem de saída. Portanto, é o dispositivo que tem a capacidade de medir a variável física e transformá-la em voltagem para ser utilizado como informação pelo sistema de controle, em outras palavras, é simplesmente o sensor, como acelerômetros, vibrômetros laser, células de carga, sensores de posição, tacômetros, microfones, etc.
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Condicionador de sinais é o dispositivo que “condiciona” o sinal medido pelo transdutor para ser adequadamente interpretado pelo sistema de aquisição de dados ou de medição. Os condicionadores de sinais podem incluir um amplificador operacional como fonte de alimentação básica, um sistema de amplificação, filtros analógicos, integradores, derivadores, etc. Filtros Analógicos são dispositivos que modificam o sinal de entrada, isto é, eles atenuam ou amplificam determinadas faixas de frequência do sinal de entrada. Alguns filtros podem incluir um sistema de amplificação, mas não substituem o sistema de condicionamento de sinal. Multiplexador Analógico normalmente é parte integrante da placa de aquisição de sinais e é o dispositivo que conecta os canais de entrada da placa de aquisição de dados ao circuito “Sample and hold”. Normalmente uma placa de aquisição de sinais contém vários canais de entrada e apenas um multiplexador analógico. Circuito Sample-and-Hold é dispositivo que faz a amostragem, sample, e mantém o sinal amostrado por um determinado período de tempo, hold, para que o sistema tenha tempo suficiente para o conversor A/D possa operar adequadamente. Este dispositivo é aquele que dá o tempo de amostragem. Conversor Analógico/Digital é o dispositivo que realmente realiza o processo de amostragem e quantificação do sinal analógico, isto é, a saída do conversor A/D é um sinal binário, normalmente o multiplexador analógico e circuito sample-and-hold são partes integrantes do conversor A/D. A parte relacionada com a atuação consiste basicamente dos componentes apresentados na Figura 2.6, onde,
Figura 2.6: Componentes básicos de um sistema de atuação Demultiplexador é dispositivo que conecta a saída de dados da placa de aquisição de sinais com os respectivos canais de saída. Esta conexão é sincronizada com o respectivo tempo de amostragem. Conversor Digital/Analógico é o dispositivo que transforma uma entrada digital, neste caso um número binário, em uma saída analógica. Hold é um dispositivo que mantém o sinal de saída do conversor D/A seguindo uma determinada função, isto é, o hold mais comum é o zero-order hold (ZOH), segurador de ordem zero, ele mantém o sinal constante entre um sinal e outro. Este dispositivo é parte integrante do conversor D/A.
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Filtro de reconstrução é um filtro analógico adicionado na saída do conversor D/A com o intuito de eliminar as frequências introduzidas pelo circuito Hold, normalmente “escadas” feitas pelo ZOH. Este filtro pode ser eliminado do processo se necessário. Sistema de condicionamento de sinal do atuador é um dispositivo parecido com o condicionador de sinais apresentado anteriormente e serve para alimentar, filtrar e amplificar o sinal que será enviado ao atuador. Atuador é o dispositivo responsável por implementar a lei de controle no sistema físico, isto é, é o dispositivo que impõe deslocamento, força, tensão, corrente, etc. no sistema físico. Exemplo 2.1: Montagem experimental de um sistema de controle.
Figura 2.7: Exemplo de um sistema de controle
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Capítulo 3
3 Fundamentos de Sensores e Atuadores Geralmente, sistemas mecatrônicos são dotados de sensores e atuadores. Sensores são os dispositivos responsáveis pela realização de medidas ou de adquirir informações dos estados do sistema, tais como posição, deslocamento, temperatura, ângulo, etc. Atuadores são os dispositivos responsáveis pela alteração dos estados de um sistema, tal como aplicação de uma força, um deslocamento, uma rotação, etc. Estados de um sistema é o conjunto de variáveis responsáveis pela sua completa descrição matemática. Deve ser lembrado que um sistema físico linear e invariante no tempo altera a quantidade física de entrada em amplitude e fase como apresentado na Figura 3.1. Usualmente, os fabricantes especificam os sensores através de suas especificações estáticas e dinâmicas.
Figura 3.1: Característica de um sistema físico linear
3.1 Sensores Transdutores são elementos que transformam uma quantidade física em outra. Sensores transformam uma quantidade física em uma voltagem. Portanto, todo sensor é um transdutor, mas nem todo transdutor é um sensor. Sensores ou transdutores são dispositivos que transformam uma determinada quantidade física em outra, normalmente aquilo que se deseja medir em voltagem. Portanto, eles essencialmente medem grandezas físicas tais como temperatura, pressão, força, deslocamento, velocidade, etc. Usualmente, os fabricantes especificam os sensores através de suas especificações estáticas e dinâmicas.
3.1.1 Especificações Estáticas Acuracidade, que pode ser definida como a capacidade do sensor em representar adequadamente o valor verdadeiro de uma medida. Ela é definida como a diferença entre o “valor verdadeiro” do mensurando e o “valor medido”. Resolução, relação da escala utilizada, isto é, é definida como a precisão do sensor ou com a menor variação da quantidade medida capaz de ser detectada pelo sensor. 14
Repetibilidade é a capacidade do sensor tem em medir uma mesma entrada aplicada várias vezes. Linearidade, se a quantidade física a ser medida varia linearmente, a medida apresentada pelo sensor deve manter a mesma característica, isto é, é a relação entre a entrada e a saída do sensor. Sensibilidade é uma quantidade parecida com a acuracidade e com a resolução. Ela é uma relação entre a saída do sensor em voltagem com a quantidade física a ser medida. Pode ser dada de duas formas, UE/Volts ou Volts/UE onde UE representa a unidade de engenharia utilizada. A sensibilidade normalmente é colocada diretamente no sistema de aquisição de dados.
Figura 3.2: Exemplo de curva de sensibilidade de um sensor A sensibilidade é dada, em geral por uma carta de calibração. Nela são apresentadas medidas variando a variável física e verificando qual a resposta do sensor, então é traçada uma reta através de regressão linear, e a sensibilidade é a inclinação desta reta conforme apresentado na Figura 3.3.
Figura 3.3: Exemplo de calibração de um sensor
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3.1.2 Especificações Dinâmicas Neste caso, pode haver várias especificações a serem feitas. Especificações dinâmicas são especificações ligadas com a dinâmica do sensor, isto é, imaginando que uma quantidade física a ser medida varia com o tempo tanto em amplitude quanto em freqüência e são dadas por, Tempo de subida é o tempo requerido para que a resposta do sistema suba de 10% para 90% ou de 5% para 95% da resposta em regime permanente. Constante de tempo é o tempo que o sistema leva para atingir 63% da amplitude final. Tempo morto é o tempo necessário para o sistema detectar uma mudança no sinal de entrada. Tempo de estabilização é o tempo necessário para a resposta do sistema alcance e permaneça dentro de uma porcentagem da resposta em regime permanente, usualmente 2%. Características da Resposta em Frequência neste caso pode haver mais de um significado. Pode ser a menor e a maior frequência que o sensor é capaz de medir e também pode ser a sua característica em frequência. Saturação representa os limites máximos e mínimos para os quais o sensor pode representar a medida a ser feita. Banda Morta é a região na qual o sensor não apresenta resposta.
Figura 3.4: Exemplos de saturação e banda morta
3.1.3 Outras Características de Sensores Erros Sistemáticos: são erros que aparecem em todas as medidas feitas utilizando um determinado sensor. Significando que ele existira em todas as medidas realizadas pelo mesmo sensor. O mais típico é o erro devido a polarização.
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Figura 3-5: Exemplos de erro de polarização e de acuracidade
Figura 3-6: Exemplo de erro de não-linearidade
3.1.4 Tipos de Sensores Há uma infinidade de tipos de sensores, e aqui será apresentada apenas uma lista classificando-os de acordo com a sua função. Elementos de Comando: Botões, pedais, interruptores, alavancas, chaves de fim de curso, solenoides, reles, etc. Estes instrumentos são encontrados na forma normalmente aberto ou fechado. São utilizados para dar início ou fim a um determinado processo. Uma chave fim de curso, ou do inglês microswitch, é um termo genérico usado para se referir a um comutador elétrico que é capaz de ser atuado por uma força física muito pequena.
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Figura 3-7: Exemplo botão e de uma chave de fim de curso O solenoide ou bobina longa é um fio condutor dobrado em forma de hélice ou pode ser definido como um conjunto de espiras de mesmo eixo espaçadas uniformemente. Aplicando uma corrente elétrica neste fio condutor ele irá gerar um campo magnético ao redor e no interior do solenoide. O campo magnético no seu interior é uniforme e as linhas do campo são paralelas ao seu eixo. O campo do solenoide é bem semelhante ao campo de um ímã em forma de barra, onde a extremidade por onde saem as linhas de campo é o polo norte, e a extremidade por onde entram as linhas de campo é o polo sul.
Figura 3-8: Funcionamento do solenoide Acionamento por solenoide é basicamente um acionamento elétrico que gera um campo magnético que por sua vez realiza alguma tarefa que pode ser a aproximação de dois terminais para passagem de corrente elétrica, abertura ou fechamento de válvulas, ou reposicionamento de válvulas pneumáticas e hidráulicas. Um relé (do francês relais), por vezes pronunciado como relê (por influência do inglês relay) é um interruptor acionado eletricamente. A movimentação física deste "interruptor" ocorre quando a corrente elétrica percorre as espiras da bobina do relé,
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criando assim um campo magnético que por sua vez atrai a alavanca responsável pela mudança do estado dos contatos. O relé é um dispositivo eletromecânico ou não, com inúmeras aplicações possíveis em comutação de contatos elétricos. Servindo para ligar ou desligar dispositivos. Basicamente o relé pode ser entendido como um sistema de processamento de sinais, os elementos de processamento de sinais são responsáveis por manipular os sinais de entrada, de forma a fornecer os sinais de saída de acordo com a especificação do sistema de comando. Os próprios contatos dos relés auxiliares podem ser utilizados como elementos de saída de sinal, caso estejam conectados à alimentação de máquinas e outros equipamentos. Ao se energizar a bobina, os contatos elétricos são comutados, ou seja, os contatos NA são fechados e os contatos NF são abertos. Geralmente os relés auxiliares são compostos de quatro contatos, que podem ser NA, NF ou combinações. Na figura abaixo, ao se energizar os contatos A1 e A2, os contatos NA 13-14, 23-24 e 33-34 são fechados, enquanto o contato NF 41-42 é aberto.
Figura 3-9: Exemplo de relé Elementos de Proximidade: Fotodiodo, sensores infravermelho, ultra-sônicos, magnéticos, etc. Verificam a presença ou proximidade de um evento, normalmente são sensores que não requerem o contado direto para serem acionados, podem ser utilizados para verificação, contagem de peças, alarmes, etc. Elementos de Medida: Sensores de Posição: medem distância em relação a um sistema de eixos. Encoders: são dispositivos para medidas de ângulo ou rotação. Acelerômetros: medem aceleração. Transdutores de Força: medem força. Termopares: medem temperatura. Pontes Extensométricas: medem deformação. Termopares: são dispositivos que medem temperatura, são baseados no efeito Peltier-Seebeck ou efeito termelétrico. Efeito Peltier é a produção de um gradiente de temperatura em duas junções de dois condutores (ou semicondutores) de materiais diferentes quando submetidos a uma tensão elétrica em um circuito fechado (consequentemente, percorrido por uma corrente elétrica). É também conhecido como Força eletromotriz de Peltier e é o reverso do efeito Seebeck em que ocorre produção de diferença de potencial devido à diferença de temperatura neste mesmo tipo de circuito. Estes dois efeitos podem ser também considerados como um só e denominado
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de efeito Peltier-Seebeck ou efeito termelétrico. Na verdade, são dois efeitos que podem ser considerados como diferentes manifestações do mesmo fenômeno físico.
Figura 3.10: Circuito de um termopar Compensação da junta fria do termopar é feito por um circuito onde se mantém um dos terminais do termopar em uma temperatura conhecida.
Figura 3.11: Circuito de um termopar e compensação da junta fria Extensômetros: são dispositivos para medir deformação. São fixados na estrutura e é baseado no princípio que um metal quando deformado muda a sua resistência à passagem de corrente elétrica. Fixação por contato com cola ou fita adesiva.
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Figura 3.12: Configuração do extensômetro
Figura 3.13: Implementação do extensômetro Sensores Piezelétricos (PZT): são sensores que medem deformação e são baseados no princípio piezelétrico, isto é, ele é uma cerâmica que quando deformada gera um diferencial elétrico nas suas faces. Fixação por cola, este sensor normalmente não pode ser retirado da estrutura.
Figura 3.14: Sensor ou atuador piezelétrico
Figura 3.15: Montagem de sensores piezelétricos Acelerômetros: são dispositivos utilizados para medir aceleração. Os acelerômetros são escolhidos baseados na sua sensibilidade, faixa de freqüência de operação, tamanho, peso e o tipo (normal ou triaxial). Ele é baseado no princípio que se a freqüência natural de um sistema massa-mola é muito alta, a resposta é proporcional à aceleração. Fixação por cola, cera de abelha ou fita adesiva. 21
Figura 3.16: Acelerômetros Vibrômetro Laser Doopler: é um sensor que mede velocidade, é baseado em um sistema à laser que divide o feixe de luz em duas partes, uma vai para a estrutura, quando esta volta, ela é comparada com o feixe de referência e por interferometria consegue-se medir a velocidade da estrutura. Excelente método de medida sem contato ou para realizar uma varredura em toda a estrutura. Encoders ópticos: são sensores que medem ângulo de rotação. Nele há uma fonte emissora de luz que passa através de um disco com raias, as raias de luz são projetadas no receptor óptico que transforma o sinal óptico em elétrico. Observe que este sensor é baseado na utilização de um atuador, fonte emissora de luz, e de um fotodiodo, receptor óptico. Os encoders podem ser incrementais e absolutos e são caracterizados pela resolução mínima de giro capaz de ser detectada.
Figura 3.17: Princípio de funcionamento de um encoder óptico Os encoders óticos incrementais não fornecem informação sobre a localização absoluta do eixo de movimento no espaço. Mais precisamente, eles fornecem a quantidade de movimento executada pelo eixo, começando do momento em que o computador é ativado e o movimento começa. Se o sistema é desligado ou ocorre uma queda de energia, a informação da localização do eixo de movimento é perdida. Quando o sistema for religado, a posição dos eixos de movimento deve ser fixada novamente. Somente após isto ser feito, o controlador poderá identificar a posição do robô novamente.
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Os encoders óticos absolutos fornecem informações mais rigorosas que os encoders óticos incrementais. Possuem a capacidade de informar a posição física do robô assim que ele é ativado, sem a necessidade de fixação da posição inicial. Isto é possível porque o encoder transmite, para o controlador, um sinal diferente para cada posição da junta.
3.2 Sistema de condicionamento de sinais A maioria dos sensores precisa de um sistema de alimentação próprio para o seu tipo, conhecida como condicionador de sinais. De modo geral, o condicionador é um dispositivo que altera a saída do sensor para deixá-lo de uma forma aceitável que possa ser utilizada por um sistema de medida. As operações básicas que um sistema de condicionamento pode fazer com o sinal proveniente do sensor por ser:
Casamento de Impedâncias; Conversão de voltagem para corrente e vice-versa; Conversão de voltagem para freqüência e vice-versa; Amplificação do sinal; Isolação e aterramento; Filtragem; Integração; Diferenciação; Teste de cabos; Identificação de sinal baixo ou sobresinal;
3.3 Atuadores Os atuadores ou conversores de energia são os dispositivos que impõe uma determinada ação ao sistema a ser controlado ou automatizado, eles representam também a implementação de uma tomada de decisão pelo sistema supervisório. Em geral, o tipo de acionamento pode ser classificado como pneumático, hidráulico, elétrico, magnético ou piezelétrico. Quanto à forma de atuação, podem ser classificados como atuadores que produzem movimento líneo, rotativo ou oscilante.
3.3.1 Atuadores Pneumáticos e Hidráulicos Atuadores Pneumáticos são atuadores que utilizam a força pneumática, ar comprimido, para a realização de um determinado trabalho. E os atuadores Hidráulicos utilizam a força proporcionada por um fluído, em geral óleo. De modo geral, atuadores pneumáticos são mais rápidos que os hidráulicos, porém sua capacidade de força é menor. Em sua grande maioria, os atuadores pneumáticos e hidráulicos são do tipo linear de ação simples ou dupla. Alguns tipos são apresentados na Figura 3-18.
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Figura 3-18: Representação esquemática de atuadores pneumáticos e hidráulicos
3.3.2 Atuadores Elétricos e Magnéticos Os atuadores desta categoria utilizam o acionamento elétrico ou magnético para realizar a transmissão de força ou torque. Os representantes mais conhecidos são os motores elétricos de corrente contínua ou alternada. Servomotores são máquinas síncronas1. De um servomotor são exigidos, entre outros, dinâmica, controle de rotação, torque constante e precisão de posicionamento. As características mais desejadas nos servomotores são o torque constante em larga faixa de rotação, até 4.500 rpm, uma larga faixa de controle da rotação e variação, até 1:3.000, e alta capacidade de sobrecarga. Motor de Passo é um tipo de motor elétrico de corrente contínua em que é possível controlar exatamente a posição de parada, isto é, o ângulo de rotação. Controlado por pulsos em que cada pulso corresponde a uma determinada rotação angular. Ambos os motores podem girar nas duas direções e gerar diferentes torques dependendo do modelo. Além disso, podem parar exatamente em uma determinada posição, o servomotor requer um sistema em realimentação para que isso seja feito, enquanto que no motor de passo isso é feito por um controle em avanço.
Figura 3-19: Representação de um motor de passo
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Motor elétrico de corrente alternada cuja velocidade de rotação é proporcional à freqüência da sua alimentação.
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Figura 3-20: Representação esquemática dos sistemas de controle dos atuadores
3.3.3 Atuadores Piezelétricos Atuadores Piezelétricos (PZT) são atuadores baseados no princípio piezelétrico, isto é, ele é uma cerâmica que quando aplicado um diferencial elétrico nas suas faces gera uma deformação. Também podem ser utilizados como sensores.
Figura 3-21: Sensor ou atuador piezelétrico
Figura 3-22: Aplicação de PZTs como atuadores 25
3.4 Cabos de Conexão Cabos são extremamente importantes no sistema de aquisição de dados, deve-se utilizar de preferência cabos coaxiais, que possui vantagens em relação aos outros condutores utilizados tradicionalmente em linhas de transmissão por causa de sua blindagem adicional, que o protege contra o fenômeno da indução, causado por interferências elétricas ou magnéticas externas. Essa blindagem constitui-se de uma malha metálica (condutor externo) que envolve um condutor interno isolado.
Figura 3-23: Cabo coaxial: A - revestimento de plástico; B - tela de cobre; C - isolador dielétrico interno; D - núcleo de cobre
Figura 3-24: Conectores para instrumentação: BNC jack (fêmea); BNC plug (macho), tipo lemo e micro-BNC ou 10-32.
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Capítulo 4
4 Interfaceamento de Dispositivos: Hardware Nesta parte, serão tratados todos os dispositivos de hardware utilizados para a automação e controle de processos ou sistemas. Em geral, o esquema de montagem dos sistemas mecatrônicos é feito de acordo com a Figura 4-1.
Figura 4-1: Composição básica de um sistema mecatrônico Aqui serão utilizadas duas terminologias, uma para placas de aquisição e outra para sistemas de aquisição de dados. Um sistema de aquisição de dados se diferencia de uma placa de aquisição de dados pela adição de componentes específicos para determinados fins, como sistemas de condicionamento de sinais, entradas e saídas específicas e programação dedicada a determinadas tarefas. Portanto, um sistema de aquisição de dados normalmente é um sistema dedicado a realizar certas tarefas, como por exemplo, um sistema para realizar medidas de Função de Resposta em Freqüência (FRFs) conhecidas como analisadores espectrais enquanto que uma placa de aquisição de dados pode ser utilizada em aplicações diversas, com apresentado na figura abaixo.
Figura 4.2: Sistema de controle utilizando computadores
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4.1 Tipos de Sinais Para iniciar o processo de medição ou atuação é necessário saber os tipos de sinais que podem ser encontrados.
Sinais em tempo contínuos são sinais contínuos definidos em qualquer instante de tempo cuja amplitude varia continuamente, Figura 4-3(a). Sinal em tempo contínuo quantizado é um sinal cuja amplitude só pode assumir valores pré-determinados, Figura 4-3(b). Sinais discretizados são sinais que só podem assumir valores em determinados instantes de tempo. Figura 4-3(c). Sinais discretizados e quantizados são sinais discretizados que só podem assumir determinados valores de amplitude. Figura 4-3(d).
(a) Sinal contínuo
(b) Sinal contínuo quantizado
(c) Sinal discretizado
(d) Sinal discretizado quantizado Figura 4-3: Tipos de sinais
A Figura 4-3(a) representa um sinal analógico enquanto a Figura 4-3(d) representa um sinal digital adquirido por uma placa ou sistema de aquisição de dados. Isso significa que existirão erros entre a passagem de um sinal contínuo para um sinal digital ou comumente utilizado sinal discreto. Aqui o termo sinal contínuo se referirá sempre ao da Figura 4-3(a) enquanto que um sinal discreto ou em tempo discreto ou sinal digital a um sinal igual ao da Figura 4-3(d).
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4.2 Placas e Sistemas de Aquisição de Dados As placas de aquisição de dados representam a interface entre a programação, puramente digital, com o meio físico ou parte analógica. Em geral, elas são as responsáveis pela implementação do sistema supervisório ou de controle em tempo real. Possuem a capacidade de adquirir um sinal analógico, digitalizá-lo, processá-lo, e devolvê-lo em forma de uma atuação. As placas de aquisição de dados são caracterizadas por: Capacidade de processamento. Resolução dos canais de entrada e de saída; Máxima taxa de amostragem; Número e tipo de canais de entrada e saída;
4.2.1 Capacidade de Processamento De modo geral, as placas de aquisição de dados são mais baratas que os sistemas de aquisição de dados e algumas placas podem não ter sistema de processamento embarcado, isto é, elas são apenas um sistema que adquire ou emite sinais e todo o processamento é feito por um computador ao qual ela está instalada. Elas são conhecidas como placas de aquisição de dados SEM sistema de processamento, exemplos deste tipo são algumas placas de som e de vídeo de um computador pessoal, placas de comunicação serial, etc. Porém, não significa que ela não tenha algum processador embutido, apenas significa que ela não opera separada de um computador, isto é, o seu desempenho está ligado ao desempenho do processador do computado no qual a placa está instalada. Portanto, quanto mais rápido for o processador do computador, melhor o desempenho da placa de aquisição. Placas de aquisição de dados COM sistema de processamento são placas que possuem processadores dedicados embutidos e os mais comuns são do tipo DSP (Digital Signal Processor) que são processadores que utilizam código binário e conseguem realizar funções como multiplicação de matrizes e vetores utilizando apenas uma operação, portanto tendem a serem mais rápidos, porém são mais caros. Neste caso, o computador serve para fornecer a energia, visualizar os resultados e comandar a placa, porém ela pode trabalhar independente do computador, e a velocidade do computador não interfere na velocidade da placa e a placa pode ser instalada dentro do computador através dos slots ISA ou PCI, ou então conectada utilizando portas paralela, serial ou USB. Estas placas são em geral para aplicações que requerem vários canais de entrada e de saída e são freqüentemente utilizadas em sistema de controle, medindo um sinal, processando e gerando uma saída. Algumas placas são modulares e permitem o acoplamento de sistemas de condicionamento de sinais específico para determinados sensores, por exemplo, a alimentação ICP para acelerômetros e microfones de instrumentação, amplificadores para termopares e pontes de Wheatstone para extensômetros.
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Sistemas de Aquisição de Dados são equipamentos que em geral são completamente independentes do computador, e é uma junção de uma placa de aquisição de dados com sistema de processamento embutido juntamente com sistemas de condicionamento de sinais. Além disso, podem ser pré-programados para realizarem determinadas funções como medidas de Função de Resposta em Freqüência, que são os sistemas conhecidos como analisadores espectrais.
4.2.2 Resolução dos Canais de Entrada e Saída A resolução dos canais de entrada e saída são dadas pelos conversores A/D (Analógico/Digital) e D/A (Digital/Analógico). O conversor Analógico/Digital ou ADC (Analog Digital Converter) é dispositivo que permite a digitalização de um sinal analógico. O conversor Digital/Analógico é o dispositivo que transforma sinais digitais gerados pelo sistema de aquisição de dados para sinais analógicos, em outras palavras, o conversor D/A gera uma saída analógica em voltagem em função de uma dada voltagem digital. Exemplo 4.1: Um conversor A/D com 4 bits, ajustado para medir um sinal que pode variar em ± 10 Volts. Qual a precisão do conversor A/D? Solução: A faixa de voltagem esperada é de 20 Volts, então, cada bit será, 20 20 1.25 V 2 n 16 Isto significa que o conversor pode medir os sinais em voltagem de -10, -8.75, 7.5, -6.25, -5, -3.75, -2.5, -1.25, 0, 1.25, 2.5, 3.75, 5, 6.25, 7.5 e 8.75. E só são alterado os valores se o sinal passar de uma faixa para outra.
4.2.3 Máxima taxa de amostragem Taxa de amostragem é o intervalo de tempo entre uma aquisição e a aquisição seguinte, chamado de tempo de amostragem Ta. Normalmente, a taxa de amostragem é dada em freqüência de amostragem fa = 1/Ta Hz. A questão é dizer qual o tempo de amostragem adequado para cada situação.
(a) Sinal contínuo (b) Sinal amostrado Figura 4-4: Sinal contínuo e sinal amostrado 30
Exemplo 4.2:Supor um sinal analógico com apenas uma freqüência igual a 400 Hz. Se a amostragem for feita com uma freqüência de amostragem fa = 1600 Hz. Pede-se: a) Qual o tempo de amostragem? Solução: O tempo de amostragem T é dados por, 1 1 T 0.625 ms fa 1600 b) Quantos pontos por período? Solução: Como o sinal contínuo tem f = 400 Hz e a amostragem foi feita com 1600 Hz, então o número de pontos por período é dado por, Número de pontos por período n = 1600/400 = 4. c) Gráfico do sinal contínuo e do sinal amostrado:
Figura 4.5: Sinal contínuo e sinal amostrado
4.2.4 Número e Tipo dos Canais de Entrada e Saída As placas de aquisição de dados podem possuir canais de entrada e de saída analógicos e digitais, podem ainda possuir entradas específicas para medir encoders, extensômetros e acelerômetros e controlar motores de passo. Exemplo 4.3: Um conversor A/D com freqüência de amostragem de 10 KHz utiliza um multiplexador para 32 canais, qual a freqüência de amostragem máxima quando apenas 20 canais estão sendo utilizados e se fossem os 32 canais? Solução: 10.000 Para os 20 canais, fa para 20 canais fa 500 Hz 20 10.000 Para os 32 canais, fa para 32 canais fa 312.5 Hz 32
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Exemplo 4.4: Supondo que um conversor A/D trabalhando ao mesmo tempo com 32 canais ativos a sua fa seja de 10 KHz, se fossem utilizados apenas 20 canais, qual seria nova fa? Solução: 10.000 Para os 20 canais, fa para 20 canais fa 32 16 KHz 20
4.3 Tipos de entrada e saída Várias podem ser as entradas e saídas da placas e dos sistemas de aquisição de dados, isso vai depender do objetivo a ser atingido com o sistema. De maneira geral, as entradas e as saídas podem ser do tipo analógicas ou digitais. Além disso, podem possuir entradas específicas para determinados tipos de aplicações, como entradas para encoders, termopares, acelerômetros, comunicação serial e paralela, etc. Estas entradas e saídas específicas podem ser classificadas simplesmente como entradas e saídas analógicas e digitais com um determinado tipo de condicionamento de sinal, que podem possuir até filtros analógicos como é o caso dos sistemas de aquisição de dados.
4.4 Processadores DSP DSPs (Digital Signal Processor) são microprocessadores especializados em processamento digital usados para processamento de sinais em tempo real, comumente conhecidos como processos “on-line” ou em simulações, processos off-line. Outra grande característica do DSP é sua alta velocidade comparada a outros microprocessadores. As aplicações mais usuais em que se empregam DSP são o processamento de áudio e vídeo, no entanto pode ser usado em qualquer outra aplicação que requeira o processamento em tempo real, como controle e automação de dispositivos. Em outras palavras, o processador DSP é um processador dedicado para a realização de determinadas tarefas, como por exemplo, cálculos matemáticos complexos que requeiram alta velocidade como implementação de FFTs, IFFTs, cálculos de filtros digitais tipo FIR (Finite Impulse Response) e IIR (Infinite Impulse Response).
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4.5 Controlador Lógico Programável (CLP) O Controlador Lógico Programável (CLP) é um dispositivo programável com entradas e saídas analógicas ou digitais, muito utilizado para a automação industrial. Nele podem ser implementadas lógicas Combinatórias e Seqüenciais e Controladores. De maneira geral, os CLPs podem receber, armazenar, manipular e enviar dados.
Figura 4.6: Exemplo de CLP Ele pode realizar tarefas associadas a comandos lógicos utilizando análise combinatória ou seqüenciamento de comandos, para isso, são geralmente programados em linguagem específica como a linguagem Ladder.
Figura 4.7: Exemplo de Linguagem Ladder
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4.6 Microcontroladores Um microcontrolador é um computador programável, em um chip otimizado para controlar dispositivos eletrônicos. É uma espécie de microprocessador, com memória e interfaces de Entrada e Saída integrados, possuindo toda a lógica para se projetar qualquer tipo de circuito encontrado, enfatizando a autosuficiência, em contraste com um microprocessador de propósito geral, o mesmo tipo usado nos PCs, que requer chips adicionais para prover as funções necessárias.
Figura 4.8: O microcontrolador PIC16F84 Os microcontroladores foram projetados para comandarem equipamentos específicos. Estes equipamentos são conhecidos como Sistemas Embutidos, do inglês Embedded System, pois o microcontrolador é embutido dentro de um sistema fechado e como funções bem específicas. Em geral, estes sistemas exigem um controle preciso do tempo, pois trabalham em tempo real. A capacidade de processamento e de memória varia de acordo com a aplicação. A aplicação pode ser um simples relógio ou um equipamento industrial complexo que envolve até uma camada de sistema operacional executando sobre o microcontrolador. Normalmente são programados em linguagem C e C++, feitas em um computador e transmitidas ao microcontrolador utilizando um gravador de dados.
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Capítulo 5
5 Tópicos de Arquitetura Computadores
e
Programação
de
Computadores industriais são diferentes dos computadores pessoais. Geralmente, os computadores industriais são modulares, confiáveis e robustos e preparados para trabalhar em um ambiente hostil.
Figura 5.1: Exemplos de computadores a acessórios industriais Tudo isso significa que o preço de um computador industrial é substancialmente mais caro que os PCs de uso doméstico, além disso, eles podem ser específicos para um determinado uso como os CLPs e os computadores presentes em máquinas CNC. Em ambientes industriais modernos, todos os computadores, seja este de uma estação de trabalho dos projetistas, dos computadores para aquisição de dados do ambiente de trabalho, de uma máquina CNC ou de um CLP, estão conectados em rede. Outro fator a ser levado em conta é que os computadores que realizam as operações de aquisição de dados podem não estar na proximidade dos sensores e atuadores, gerando assim configurações conforme descrita abaixo.
5.1 Configuração da Aquisição de Dados Dependendo da posição do sistema de aquisição de dados em relação aos sensores e atuadores, pode-se classificar os sistemas em: “Local Data Acquisitions” designada para as aplicações em que o computador e a aplicação estão a menos de 3 metros. Neste caso, a maioria dos componentes está dentro do computador ou em uma caixa de expansão imediatamente ao lado. “Room-Local Data Acquisistion” o computador industrial está mais afastado da aplicação, isto é, ele está posicionado em uma sala próxima do local das medidas separada de no máximo 30 metros. Neste caso, os componentes necessários geralmente estão acondicionados em caixas de expansão fora do computador.
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“Remote Data Acquisition” o computador e a aplicação estão afastados, podem do variar de 100 metros a 100 km. Neste caso é necessária a utilização de redes de comunicação para o envio e recebimento de dados.
Figura 5.2: Sistema de comunicação
5.1.1 Definições Iniciais “Data Termination Equipment (DTE)” são os dispositivos que originam ou recebem os dados, como impressoras, computadores, multiplexadores, e transmitem para outros equipamentos. “Data Circuit-terminationg Equipament (DCE)” é o ponto mais próximo da linha de comunicação externa ao equipamento, como modens, sensores e atuadores industriais, etc. Padrão Serial TIA/EIA (Telecommunications Industries Association / Electronic Industries Association) é um padrão que estabelece a interface elétrica ou mecânica entre o DCE e DTE.
Figura 5.3: Exemplo de conectores e placas GPIB Simplex, Half-Duplex e Full-Duplex. Uma comunicação simples pode ser estabelecida utilizando um simples par de fios. Se os dados são transmitidos em uma única direção, ela é chamada de Simplex ou canal unidirecional. Se a comunicação é feita em ambas as direções, mas em apenas uma direção de cada vez, ela é chamada de Half-Duples, e isso é conseguido utilizando circuitos especiais em ambas as
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terminações. Se a comunicação é feita em ambas as direções ao mesmo tempo, ela é chamada de Full-Duplex.
5.1.2 General Purpose Interface Bus Conceito de automação laboratorial envolve o acesso remoto a equipamentos pelo uso de controladores e acessá-los digitalmente. Este conceito foi introduzido originalmente pela Hewlett-Packard e é chamado de General Purpose Interface Bus (GPIB). Assim, laboratórios com equipamentos com interface GPIB permitem ser acessados remotamente e enviam os dados coletados digitalmente para o computador. Com a intenção de tornar um padrão, surgiram as placas de comunicação HP-IB e o IEE 488. Os dispositivos permitem a conexão até com 15 componentes ao mesmo tempo.
Figura 5.4: Exemplo de conectores e placas GPIB A construção da comunicação segue os seguintes critérios, 1. Toda comunicação é digital; 2. Não mais de 15 dispositivos podem ser conectados; 3. A extensão do cabo não pode exceder 20 metros ou 2 metros por dispositivo; 4. A máxima taxa de transmissão é de 1 Mbps.
5.1.3 TIA/EIA - RS-232 - F RS 232 é um padrão antigo de comunicação serial, mas que ainda está em funcionamento por ser de baixo custo, hoje está na versão F. Ela permite que apenas um dispositivo seja conectado, comunicação ponto-a-ponto, permite distâncias entre 15 a 70 metros, dependendo do fabricante.
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Figura 5.5: Conector Fêmea RS-232 de 9 pinos, mas pode ser de 25 pinos RS-232 nada mais é que um conjunto de normas que definem comunicação serial ponto a ponto entre dois dispositivos. A norma RS-232 define os níveis de tensão, a temporização, o protocolo de troca de dados e a disposição mecânica dos conectores. A interface RS-232 tem como principal atrativo a sua implementação simples e barata, sendo disponível como padrão na maioria dos computadores atuais e antigos. As principais limitações da interface RS-232 se devem ao fato da mesma operar por níveis de tensão, sendo extremamente suscetível a ruídos, o que inviabiliza a comunicação de maneira confiável em distâncias superiores a 10 ou 15 metros2. Outra limitação é que o padrão RS-232 foi desenvolvido para ser uma comunicação ponto a ponto, não permitindo que mais de dois dispositivos usem a mesma “linha de dados”.
Figura 5.6: Normas de conexão do padrão RS 232
5.1.4 TIA/EIA - RS-422-B É um padrão recente de comunicação serial que ganha em velocidade e distância se comparada com o padrão RS 232, permitindo comunicação de até 1,2 Km. Mas 2
A distância depende do fabricante
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mantém a comunicação ponto-a-ponto, neste caso multi-drop, não permite múltiplos emissores somente múltipilos recebedores. RS422 é uma evolução do padrão RS232 e tem como principal novidade a implementação de linhas de transmissão balanceadas ou diferenciais, o que torna a comunicação extremamente imune a ruídos, permitindo o envio de informações à distâncias de até 1200 metros de maneira extremamente confiável. O balanceamento significa que o final da linha tem a mesma impedância do terra, muito alta, o recebedor observa apenas a diferença entre as linhas e não seus valores absolutos. O padrão RS-422 é mais utilizado em comunicações ponto a ponto, embora seja possível utilizar o mesmo em pequenas redes com até 16 dispositivos DCE, conhecida como multi-drop, mas apenas com um único emissor DTE. Também não é possível a utilização de um único par de fios para operar como "barramento", ou seja, os dados são transmitidos por uma linha e recebidos por outra. O principal uso do padrão RS-422 é para estender a comunicação RS 232 a grandes distâncias com maior velocidade, de maneira transparente ao usuário sem a necessidade de alterar a programação e protocolos.
5.1.5 TIA/EIA - RS-485 - A É um padrão recente de comunicação para distâncias de até 1,2 Km é rápida se comparada com a RS 232 e permite conexão com vários dispositivos ao mesmo tempo, multi-ponto. Possui melhor imunidade ao ruído que a RS 232. EIA RS 485 é uma evolução do padrão RS 422, tendo como principal enfoque a comunicação em rede, ou seja, com apenas um par de fios é possível se comunicar com diversos equipamentos em rede usando o mesmo barramento, par de fios. Assim como o RS 422, o RS 485 utiliza linha de dados balanceada, bastante similar as linhas de dados da interface RS 422, logo também permite comunicação em distâncias de até 1200 metros de maneira extremamente confiável a uma taxa de 10 Mbps (baud rate) e com redes de até 32 emissores.
5.2 Comunicação Remota Em se tratando de comunicação remota, isto é, o computador está afastado da aplicação, deve-se construir os sistema de comunicação com a aplicação sabendo-se que, Interface RS-232 RS-422 RS-485
Distância 20 metros 1200 metros 1200 metros
Capacidade de comunicação 20 kbps 100 kbps 100 kbps
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Há um compromisso entre a distância e a capacidade de comunicação, para aumentar a distância, deve-se diminuir a capacidade de comunicação. Caso não seja possível diminuir a capacidade de comunicação devido ao tipo de aplicação, então uma alternativa é utilizar repetidores. Repetidores podem ser utilizados juntamente com os RS-422 e RS-485, e os repetidores devem ser colocados a cada 1 km, sendo no máximo 4 repetidores pois são equipamentos caros e o custo de instalação pode ser proibitivo.
Figura 5.7: Uso de RS-422 e RS-485 com repetidores Caso haja a necessidade de transmitir dados a distâncias maiores, pode-se utilizar outras formas de comunicação, como a internet, cabos de fibra óptica e modens.
Figura 5.8: Utilização de modens
5.3 Redes de Comunicação Industrial Elas podem ser classificadas como, LAN – Local Area Network; CAN – Campus Area Network; MAN – Metropolitan Area Network; WAN – Wide Area Network.
5.3.1 Protocolo TCP/IP O TCP/IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol) é o protocolo mais utilizado em redes locais. Devido basicamente à popularização da internet, pois ele foi criado para este fim. Uma das vantagens deste protocolo é que ele é roteável, isto é, ele foi concebido para trabalhar em grandes redes e a longas distâncias, onde pode haver vários caminhos para se atingir o destinatário. Além disso, é um protocolo aberto, isto é, qualquer fabricante pode incorporar este protocolo em seus produtos.
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Este protocolo consiste em dar um número de identificação para cada equipamento, endereço IP, o qual indica o equipamento e a qual rede ele pertence. Para isso, cada componente da rede deve possuir um endereço IP. O modelo TCP/IP necessita de um protocolo de aplicação chamado DNS (Domain Name System), que permite dar nome a endereços IP, ou seja, um apelido que facilita a sua identificação. Cada rede local precisa ter pelo menos um servidor DNS, para o qual são feitos todos os pedidos de conversão de nomes para IPs.
5.3.2 FieldBus Fieldbus ou barramento de campo, www.fieldbus.org, é um sistema de rede de comunicação industrial para controle em tempo real. Em meados de 1960 surgiu o padrão analógico 4-20mA o qual foi introduzido para realizar o controle de dispositivos industriais. Aproximadamente em 1980, os sensores inteligentes começaram a ser desenvolvidos e implementados usando um controle digital. Isso motivou a necessidade de integrar vários tipos de instrumentações digitais. Fieldbus é um termo genérico empregado para descrever tecnologias de comunicação industrial; o termo fieldbus abrange muitos diferentes protocolos para redes industriais. A decisão sobre fornecer o tal padrão partiu de: Instrument Society of America (ISA), a International Electrotechnical Commission (IEC), Profibus (German national standard) e French national standard (FIP), formando a IEC/ISA SP50 Fieldbus committee. O padrão a ser desenvolvido deveria integrar uma grande variedade de dispositivos de controle. A tecnologia tem como promessa melhorar a qualidade e reduzir custos. Com a tecnologia fieldbus há uma economia significativa na fiação empregada, dado que usando o sinal analógico de 4-20mA é necessário que cada dispositivo tenha seu próprio conjunto de fios e seu próprio ponto de conexão. Fieldbus elimina tal necessidade empregando um esquema que necessita somente de um par trançado ou de uma fibra óptica e de uma topologia de rede multiponto, um mestre comanda os escravos por meio de sinais seriais, por exemplo, o padrão RS 485. Fieldbus não é um aplicativo, mas uma forma de padronização, os protocolos para a implementação do fieldbus recebem nomes diferentes dependendo da empresa, por exemplo, o Probibus - www.profibus.com, o Interbus e o Device Net e Remote I/O criados pela Allen Bradley.
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Capítulo 6
6 Representação de sistemas mecatrônicos Várias formas são utilizadas para a representação de um sistema mecatrônico isso vai depender da área na qual ele é desenvolvido.
6.1 Equacionamento Matemático Para encontrar as relações estáticas ou dinâmicas que regem o sistema a ser modelado, pode-se aplicar as leis de Newton, Lagrange, Hamilton, etc. Por exemplo, para a modelagem matemática de uma suspensão ativa, a sua representação é dada por,
Figura 6-1: Esquema de uma suspensão ativa ms – massa de ¼ de veículo; mn – massa da roda; cs – constante de amortecimento da suspensão, dada pelo amortecedor; ks – constante de rigidez da mola da suspensão; kp – constante de rigidez do pneu; ys(t) – deslocamento da massa de ¼ de veículo; yn(t) – deslocamento da roda; w(t) – distúrbio, perfil da via u(t) – força de atuação de controle
m S 0
0 y S ( t ) c S m N y N ( t ) c S
c S y S ( t ) k S c S y N ( t ) k S
k S y S ( t ) 1 0 u (t ) k S k P y N ( t ) 1 k P w ( t )
Equações de Movimento na forma matricial
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6.2 Representações Típicas Para a aplicação de sistemas de controle, a equação de movimento ou equação dinâmica que descreve o sistema é reescrito na seguinte representação de blocos utilizando-se da Transformada de Laplace, Transformada Z, representação em Espaço de Estados, etc.
Figura 6-2: Representação em Diagrama de Blocos
0 x 1 0 x k 2 S m S x 3 k x 4 S mN
0 1 0 0 kS c S mS mS k k P c S S mN mN
0 0 x 0 1 1 c S x 2 1 m S x 3 m S 1 c S x 4 mN mN
0 0 u 0 w kP mN
x1 y n ( t ) 1 0 0 0 x 2 0 0 u y s ( t ) 0 1 0 0 x 3 0 0 w x 4 Representação em Espaço de Estados N1(s) N 2(s) U(s) W (s) D(s) D(s) N3(s) N 4(s) Yn (s) U(s) W (s) D(s) D(s) Representação em Função de Transferência em Laplace Ys(s)
Observe que as excitações ou entradas do sistema são representadas pela força de controle u(t) e pelo distúrbio imposto pela via w(t). Para as saídas do sistema, será necessário identificar aquilo que se deseja controlar ou medir, supondo que sejam o que está representado na figura, então são dadas pelos deslocamentos e acelerações. Desta forma, o sistema será conhecido como sistema:
SISO (Single Input Single Output); MISO (Multiple Inputs Single Output); SIMO (Single Input Multiple Outputs). MIMO (Multiple Inputs Multiple Outputs);
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Assim como o sistema a ser controlado, o sistema de controle também pode ser do tipo MIMO. Por exemplo, no caso da suspensão, pode-se considerar que o sistema de controle irá atuar para diminuir a aceleração e o deslocamento da massa suspensa, mas a sua atuação será apenas a saída em força u(t), então o sistema de controle será do tipo MISO. Observe que w(t) é a variável de distúrbio do sistema, pois ela não pode ser impedida de entrar no sistema.
6.3 Representação em Diagrama de Blocos
Figura 6-3: Diagrama de Blocos I
Figura 6-4: Diagrama de Blocos II
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6.4 Automação A automação de sistemas pode ser feita utilizando a pneumática pura através dos comandos de entrada e saída, utilizando CLPs ou microcontroladores, todos utilizando lógica combinatória ou seqüencial.
6.4.1 Lógica Combinatória
Figura 6-5: Exemplos de (a) Comando direto, (b) Comando indireto
Figura 6-6: Exemplo de acionamentos utilizando válvulas “e” e “ou”
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6.4.2 Lógica Seqüencial
Figura 6-7: Exemplo de acionamento B-
A- A+ B+
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Capítulo 7
7 Projetos 7.1 Freios ABS Fazer uma pesquisa sobre freios ABS. Identificar: a) Definição; b) Lógica de Controle; c) Componentes básicos; d) Implementação da Lógica de Controle;
7.2 Projeto de Sistemas - Domótica Domótica: Automação Residencial. Projetar e automatizar um sistema para aplicações residenciais. O projeto deve conter: a) Aplicação escolhida; b) Desenhos esquemáticos; b) Sensores, atuadores e sistema para automação.
7.3 Automação de Sistemas - Rover Automação veicular. Projetar um veículo que será controlado remotamente para exploração. O projeto deve conter: a) Aplicação escolhida, isto é, para qual finalidade ele será projetado; b) Desenho esquemático; c) Funções necessárias.
7.4 Automação de Sistemas – Identificação de ponto de impacto Projetar um sistema que tem a capacidade de identificar ponto de impacto. O projeto deve conter: a) Forma de identificação, isto é, formulação; b) Desenho esquemático; c) Funções necessárias.
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Referências Bibliográficas 1. JM Rosário. Princípios de Mecatrônica. Prentice Hall. 2005 2. RH Bishop. The Mechatronics Handbook. CRC Press. 2002 3. JG Webster. The Measurement, Instrumentation and Sensors Handbook. CRC Press. 1999. 4. T Ozkul. Data acquisition and process control using personal computers. Marcel Dekker. 1996. 5. LM Thompson. Industrial Data Communications. ISA – The Instrumentation, Systems, and Automation, 3rd Ed. 2002.