ELETROPNEUMÁTICA
ELETROPNEUMÁTICA Juliano Matias Phoenix Contact
Na área de Automação Industrial, um dos segmentos mais utilizados até hoje é sem dúvida o da Pneumática, pois esta possui características de velocidade e força para a realização de tarefas utilizando o ar comprimido como fonte de energia. Mas, como se diz que força não é nada sem controle, abordaremos neste artigo conceitos de elaboração de circuitos eletropneumáticos para controle de elementos pneumáticos como pistões, válvulas e motores, com o uso de elementos de comutações elétricas. Boa leitura!
COMPONENTES MAIS USADOS EM UMA AUTOMAÇÃO ELETROPNEUMÁTICA Botoeiras Esses elementos são destinados a comutação de sinais elétricos, isto é, permitem ou não a passagem de uma corrente elétrica, fazendo com isso a energização ou desener-gização de pontos de um circuito (figura 1). Os tipos mais comuns são: Push-Button – este permanece acionado quando pressionado e aberto quando liberado. Botão de Retenção – ao pressioná-lo, ele é acionado, porém
Figura 1 - Botão industrial desmontado.
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só será liberado quando for novamente pressionado. Botão tipo Cogumelo – ao pressioná-lo, ele é travado permanecendo acionado até quando o destravarmos girando o botão no sentido horário. Este tipo de botão é comum nas chamadas chaves de emergência. Nesse ponto, vale a pena abordarmos os conceitos NA (normalmente aberto) e NF (normalmente fechado).
Em um circuito elétrico um contato NA é um contato que permite a passagem de corrente elétrica quando o botão é acionado. Um contato NF é o contrário, isto é, quando o botão não está acionado ele já está permitindo a passagem da corrente elétrica e, ao acioná-lo, a passagem de corrente é interrompida (figura 2). Muito cuidado, pois esses conceitos valem somente para circuitos elétricos, para circuitos pneumáticos eles
Figura 2 - Dois circuitos comutadores: um NA e um NF.
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Figura 3- Temos um comparativo entre circuitos elétricos e pneumáticos NA e NF.
Figura 4 - Exemplos de chave fim-de-curso (a e b) e chave do tipo rolete da empresa Metaltex (c).
são invertidos, uma válvula NA em pneumática permite a passagem de ar com a válvula não acionada, enquanto uma válvula NF só permite a passagem de ar com ela acionada, como podemos ver na figura 3. Detectores de limite mecânico Por meio destes dispositivos é possível a detecção de posições intermediárias e finais das hastes dos cilindros pneumáticos ou dos elementos mecânicos que estes acionam. Roletes – são dispositivos que possuem a finalidade de permitir a passagem de corrente, sendo que
sua comutação se dá em qualquer sentido. Mostramos alguns exemplos na figura 4. Gatilhos – são similares aos roletes, porém, seu acionamento ocorre em apenas um sentido de movimento, e sua comutação é um pulso rápido.
Sensores indutivos – Este tipo de detector é muito interessante, pois permite que seja instalado onde as chaves fim-de-curso muitas vezes são inviáveis de colocar em uma máquina. Também é muito utilizado onde há necessidade de um alto número de chaveamentos. Os sensores indutivos são constituídos por um circuito oscilador, um circuito de disparo e um circuito amplificador, conforme podemos ver na figura 5. O circuito oscilador gera (através de uma bobina) um campo magnético que sobressai em forma de um círculo na face do sensor quando algum objeto metálico se aproxima da face do sensor, são geradas correntes parasitas no objeto metálico consumindo energia do oscilador e, em virtude disso, a tensão no oscilador cai. O circuito de disparo detecta essa queda na tensão e assume como circuito ativo, mas esse sinal não gera energia suficiente para acionar alguma carga elétrica, por isso se faz necessário um circuito amplificador para compatibilizar com a carga que será controlada. Temos alguns exemplos de sensores indutivos nas figuras 6 e 7.
Detectores sem contato mecânico Funcionam como detectores de limite mecânico, tendo como principais características o não contato físico com a máquina e a alta velocidade de comutação.
Figura 5 - Diagrama em blocos de um sensor indutivo.
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Figura 6 - Sensor Indutivo da empresa FESTO.
Figura 7 - Vários tipos de sensores indutivos.
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Figura 8 - Reed-Switch.
Figura 9 - Válvula com acionamento através de solenóides (a). Diferenciação da bobina e do conector do solenóide (b). Conectores para válvulas da empresa Phoenix Contact (c).
Contato Reed – Esses elementos são muito vantajosos em uma aplicação onde se requer um alto número de ciclos de acionamento ou quando não há espaço para a montagem de chaves fim-de-curso ou sensores convencionais. Seu funcionamento baseia-se em um elemento muito conhecido na área de eletrônica, que é o reed-switch. Ele é constituído por dois contatos elétricos dentro de uma ampola de vidro com gás inerte, e esses contatos se fecham mediante a presença de um campo magnético (figura 8). Os reed-switches são colocados no corpo de um cilindro pneumático, e o êmbolo do cilindro possui um anel pneumático que, ao passar pelo reedswitch, força-o a fechar os seus contatos provocando então a passagem da corrente elétrica por eles.
do uma corrente elétrica passa por esse condutor forma-se um campo magnético no interior do solenóide,
com isso criam-se forças dentro do solenóide que servem para a movimentação de cargas ferrosas, dando origem a aplicações eletromecânicas (relés, solenóides,...). Os elementos mais utilizados em aplicações eletropneumática são as válvulas solenóides (figura 9), as quais transformam sinais elétricos em sinais pneumáticos. A parte elétrica dessa válvula é constituída por um cabeçote no qual se encontra uma bobina com um núcleo metálico móvel. Ao receber o sinal elétrico, a bobina produz um campo magnético que movimenta o núcleo, este movimento provoca o acionamento elétrico da válvula pneumática. Existem várias versões de válvulas, cada qual para determinada aplicação. Nas válvulas de acionamento direto a força necessária para a movimentação do carretel tinha que ser realizada pela própria bobina da válvula, isto é, quanto maior fosse a válvula maior tinha que ser a bobina para acioná-la e, conseqüentemente, maior o consumo de energia. Para evitar esse problema criou-se o comando servopiloto. Este acionamento tem a função de acionar pneumaticamente a válvula principal, é como se fosse uma pequena válvula acionando uma vál-
Bobina tipo solenóide Nada mais é do que um condutor enrolado em forma helicoidal. Quan46
Figura 10- Válvula solenóide de 3/2 vias com acionamento por servopiloto.
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ELETROPNEUMÁTICA binários, podemos adotar o mesmo conceito da eletrônica digital. Para isso, na lógica existem dois estados possíveis: -
0: quando não há sinal; 1: quando há sinal.
Podemos fazer qualquer lógica combinacional utilizando apenas três funções lógicas básicas: -
“E”; “OU”; “NÃO” Função “E”
Figura 11 - Lógica "E". Tabela verdade (a), símbolo eletrônico de uma Lógica "E" de 4 entradas (b), circuito pneumático equivalente (c) e circuito elétrico equivalente (d).
Essa função se caracteriza por apresentar o nível lógico 1 na sua saída somente quando todas as suas entradas apresentarem nível lógico 1, como podemos ver pela sua tabela verdade da figura 11-a. Simbologia (figura 11-b). Circuito Pneumático Equivalente (figura 11-c). Circuito Elétrico Equivalente (figura 11-d). Função “OU” Essa função se caracteriza por apresentar o nível lógico 1 na sua saída quando alguma das suas entradas apresentar nível lógico 1, como podemos ver na sua tabela verdade da figura 12-a. Simbologia (figura 12-b). Circuito Pneumático Equivalente (figura 12-c). Circuito Elétrico Equivalente (figura 12-d). Função “NÃO”
Figura 12 - Lógica "OU". Tabela verdade (a), símbolo eletrônico de uma Lógica "OU" de 4 entradas (b), circuito pneumático equivalente (c) e circuito elétrico equivalente (d).
vula maior, com isso quem aciona a válvula principal é o ar que provém da válvula piloto (figura 10). Existem outros equipamentos básicos para utilização em eletropneumática, tais como relés auxiliares, relés temporizadores, entre alguns, porém sendo eles de conhecimento geral na área de
eletroeletrônica não abordaremos os seus conceitos neste artigo. COMANDOS PNEUMÁTICOS E ELETROPNEUMÁTICOS Existem várias formas e caminhos para se projetar um circuito eletropneumático. Sendo circuitos lógicos e
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Função também conhecida como inversora, isto é, o sinal de saída é o sinal de entrada invertido, como podemos ver na sua tabela verdade da figura 13-a. Simbologia (figura 13-b). Circuito Pneumático Equivalente (figura 13-c) Circuito Elétrico Equivalente (figura 13-d). Bem, como dissemos anteriormente, podemos fazer qualquer cir47
ELETROPNEUMÁTICA EXEMPLOS DE CIRCUITOS ELETROPNEUMÁTICOS EXEMPLO 1: Acionamento de um cilindro de simples ação. Acionado o botão b 1 , energizase s1 que pilota a válvula, fazendo com que o pistão avance, permanecendo assim até que o bot ã o b 1 s e j a d e s c o n e c t a d o. Desenergizando s 1 , a válvula volta à posição inicial e o cilindro recua (figura 16). EXEMPLO 2: Acionamento de um cilindro de dupla ação.
Figura 13 - Lógica "NÃO". Tabela verdade (a), símbolo eletrônico (b), circuito pneumático equivalente (c) e circuito elétrico equivalente (d).
cuito que envolva uma lógica combinacional com as lógicas “E”, “OU” e “NÃO”, tomemos o exemplo: S= ((E1 AND E2) OU NOT(E3)) AND E4 Essa equação também é conhecida no seguinte formato:
=
Temos nas figuras 14 e 15 a representação do circuito em blocos lógicos e em representação elétrica.
A c i o n a n d o - s e o b o t ã o b 1, energiza-se s 1 que pilota a válvula fazendo com que o pistão avance, permanecendo assim mesmo que o botão b 1 não esteja mais sendo acionado (pois o retorno da válvula não é a mola). Ao acionar o botão b 2 a válvula
+
Figura 16 - Exemplo 1 - acionamento de um cilindro de simples ação com retorno por mola. Figura 14 - Lógica combinacional do circuito.
Figura 15 - Diagrama de contatos elétricos.
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Figura 17- Exemplo 2 - acionamento de um cilindro com uma válvula de 2 posições eletropilotadas.
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ELETROPNEUMÁTICA retorna, fazendo com isso que o pistão recue (figura 17). EXEMPLO 3: Dosagem de Elementos.
Figura 18 - Exemplo 3 - dosador.
Esse último exemplo visa a real compreensão e execução do que seria uma máquina utilizando circuitos eletropneumáticos, na prática. Aqui temos um processo por batelada, este é um dosador de algum elemento cujo volume de material a ser dosado é a diferença entre as hastes dos cilin-
dros A e B, vezes o diâmetro da tubulação, como podemos ver na figura 18. O processo ocorre da seguinte forma: quando o operador pressiona o botão de start o cilindro B avança no sentido b, fechando com isso a tubulação; ao chegar na chave fim-de-curso b1, esta aciona a válvula solenóide s 3 fazendo com que o cilindro A recue enchendo a tubulação de material; quando o cilindro A achar o fim-de-curso b3, o circuito aciona a válvula solenóide de retorno do mesmo cilindro (s4) fazendo com que ele recue imediatamente dando tempo somente de encher a tubulação de material. O cilindro A avançado aciona o fim-de-curso b2, fazendo com que o cilindro B recue liberando o material e finalizando o processo (figura 19). l
Empresas que serviram de Referências Bibliográficas para a elaboração deste artigo: FESTO www.festo.com.br PARKER AUTOMATION www.parker.com\automation PHOENIX CONTACT www.phoenixcontact.com METALTEX www.metaltex.com.br Figura 19 - Exemplo 3 - circuito eletropneumático do dosador.
CONCLUSÃO Vimos neste artigo a facilidade de implementação de um circuito eletropneumático. É claro que demos exemplos de circuitos bem simples, mas eles são a base de qualquer circuito onde empregamos lógica binária de controle. Na área de Automação Industrial temos ainda vários circuitos onde utilizamos CLPs (Controladores Lógicos Programáveis) para implementar uma lógica de controle, entretanto, os conceitos são os mesmos que nós vimos até aqui, a diferença consiste em transcrever o circuito elétrico para alguma linguagem padrão de CLP como o Ladder, Lista de Instruções, entre outras... Esses temas serão abordados em outras edições da Mecatrônica Atual.
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