Introdução à pneumática e à eletropneumática

Introdução à pneumática
e eletropneumática
Lucínio Preza de Araújo

Introdução à pneumática e eletropneumática
Índice
Pneumática
Propriedades do ar 4
Sistemas de medida 6
Força, Pressão e Vazão 7
Vantagens e desvantagens do ar comprimido 8
Produção e distribuição do ar comprimido 9
Elementos de trabalho pneumáticos 11
Elementos de sinal e comando pneumático 12
Estrutura de um sistema pneumático 16
Circuitos pneumáticos elementares 17
Eletropneumática
Principais elementos eletropneumáticos 21
Montagens básicas 24
Circuitos básicos com sensores 26
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Introdução à pneumática e eletropneumática
Pneumática
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Introdução à pneumática e eletropneumática
Propriedades do ar
1. Compressibilidade: O ar tem a propriedade de ocupar todo o volume de
qualquer recipiente, adquirindo o seu formato, já que não tem forma própria.
Assim podemos fechá-lo num recipiente com um volume determinado e
posteriormente provocar-lhe uma redução de volume usando uma força exterior.
V1V0
3. Difusibilidade: Permite misturar-se homogeneamente com qualquer meio
gasoso que não esteja saturado.
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Introdução à pneumática e eletropneumática
4. Expansibilidade: Ocupa totalmente o volume de qualquer recipiente, adquirindo
o seu formato.
5. Peso do ar: Como toda matéria o ar tem peso. Um litro de ar, a 0ºC e ao nível do
mar, pesa 1,293 x 10 -3 Kgf.
O ar quente é mais leve (menos denso) do que o ar frio
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Sistema de Medidas
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Os sistemas de medidas usados na pneumática são: o internacional (SI) e o técnico.
Unidades do Sistema Internacional
Grandeza Unidade Símbolo
Massa Quilograma Kg
Intensidade de corrente Ampére A
Tempo Segundo s
Temperatura Kelvin K
Comprimento Metro m
Unidades derivadas
Grandeza Unidade Símbolo
Força newton (N) 1 N = 1kg.m.s -2 F
Pressão pascal (Pa) 1 Pa = 1 N/m 2 bar 1 bar =~ 10 N/cm 2 p
Trabalho joule (J) 1 J = 1 N.m T
Potência watt (w) 1 W = 1 N.m.s -1 P
Unidade de pressão nos sistemas
• Internacional
Pa
• Técnico Kgf/cm 2
• Inglês
Psi ou lb/pol 2 (pound square inch)
Unidade de força nos sistemas
• Internacional
• Técnico
• Inglês
newton
Kgf
lb (libra força)
Conversão:
1 kgf/cm 2 = 1 bar (0,981 bar)
1 bar = 14,22 psi
1 bar = 100 000 Pa = 100 Kpa
1 atm = 14,70 psi
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Força, pressão e vazão
Força: É toda causa capaz de modificar o estado de movimento ou causar
deformações. É uma grandeza vetorial, e para ser caracterizada devemos conhecer
a sua intensidade, sentido e direção.
Pressão: quando o ar ocupa um recipiente exerce sobre as suas paredes uma força
igual em todos os sentidos e direções. Ao chocarem-se as moléculas produzem um
tipo de bombardeio sobre essas paredes, gerando assim uma pressão.
P= Pressão
F= Força
A= Área
Força = Pressão x Área
Pressão = Força / Área
Vazão: quantidade de fluido que passa através de uma tubulação durante um
determinado intervalo de tempo. (Q = V/ t).
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Vantagens e desvantagens do ar comprimido
Vantagens
- Volume: o ar a ser comprimido encontra-se em quantidades ilimitadas.
- Transporte: é facilmente transportável por tubulações.
- Armazenagem: pode ser armazenado em reservatórios.
- Temperatura: é insensível às oscilações de temperatura.
- Segurança: não existe o perigo de explosão ou incêndio.
- Construção: os elementos de trabalho são de construção simples.
- Velocidade: permite alcançar altas velocidades de trabalho.
- Regulação: as velocidades e forças são reguláveis sem escala.
Desvantagens
- Preparação: impurezas e humidades devem ser evitadas, pois provocam
desgastes nos elementos pneumáticos.
- Compressibilidade: não é possível manterem-se constantes as velocidades de
elementos de trabalho.
- Potência: o ar é económico até uma determinada força, cujo limite é 3000 Kgf.
- Escape de ar: o escape é ruidoso.
- Custos: a produção do ar comprido é onerosa, pois depende de outra forma de
energia. O custo do ar comprimido torna-se elevado se na rede de distribuição e nos
equipamentos houverem vazamentos consideráveis.
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Produção e distribuição de ar comprimido
6
comprimido:
Principais componentes de
produção e distribuição de ar
1. Compressor
2. Resfriador
3. Reservatório
4. Secador
5. Tubagens – Rede de distribuição
6. Unidade de conservação
Compressor
Função:
Captar o ar comprimido;
Aprisionar o ar;
Elevar a pressão;
NOTA:
O sistema de compressão deve fornecer pelo
menos 6,5 a 7 bar para um nível de pressão
na utilização recomendado de 6 bar.
Resfriador
Função:
Resfriar o ar;
Reter impurezas nas suas aletas
Retirar a água do sistema (65% a 80%)
Reservatório
Em geral, o reservatório possui as seguintes funções
• Armazenar o ar comprimido.
• Resfriar o ar auxiliando a eliminação do condensado.
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• Compensar as flutuações de pressão em todo o sistema de distribuição.
• Estabilizar o fluxo de ar.
• Controlar as marchas dos compressores, etc.
Secador
Função: Efetuar a desumidificação do ar.
Tubagens - Rede de Distribuição
A rede possui duas funções básicas:
1. Comunicar a fonte produtora com os equipamentos consumidores.
2. Funcionar como um reservatório para atender às exigências locais
Válvula de
fechamento
Circuito aberto
Compressor
Circuito fechado
Circuito em malha
Unidade de conservação
A unidade de conservação é composta de:
1- Filtro
2- Regulador de pressão
3- Lubrificador
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Elementos de trabalho pneumático
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A energia pneumática é transformada em movimento e força através dos elementos de
trabalho. Esses movimentos podem ser lineares ou rotativos.
Os movimentos lineares são executados pelos cilindros e os movimentos rotativos pelos
motores pneumáticos e cilindros rotativos.
Movimentos lineares
Movimentos rotativos
- Cilindros de simples ação
- Cilindros de dupla ação
- Motores de rotação contínua
- Cilindros de rotação limitado
O cilindro pneumático é uma máquina que gera uma força mecânica de trajectória
linear, por acção da energia contida no ar comprimido sobre a superfície livre do
êmbolo que se desloca dentro do tubo. A força de impulso gerada é recolhida no
exterior através de uma haste solidária com o êmbolo.
Entrada do ar
comprimido
Saída do ar
Movimento de avanço
do cilindro pneumático.
A
Haste
Saída da haste
A+
Êmbolo
Mola
Quando o ar comprimido admitido no cilindro A provoca a saída da haste do êmbolo,
diz-se que o cilindro realiza o movimento de avanço (A+). Quando a haste recolhe,
considera-se que realiza o movimento de recuo (A-).
Distinguem-se dois tipos fundamentais de cilindros pneumáticos:
Cilindros A de efeito simples
Cilindros B de duplo efeito
A
B
B+
B-
Símbolo
Símbolo
Em qualquer deles, o impulso de avanço é produzido pela acção do ar comprimido.
No de duplo efeito o recuo é também provocado pela pressão do ar, mas no de
simples efeito o recuo é provocado pela acção da força de uma mola.
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Introdução à pneumática e eletropneumática
Elementos de sinal e comando pneumático
As válvulas são classificadas segundo as suas funções:
• Válvulas Direcionais
• Válvulas de Bloqueio (Anti-Retorno)
• Válvulas de Controlo de Pressão
• Válvulas de Controlo de Fluxo
• Válvulas de Fecho
Válvulas direcionais
Esses mecanismos são denominados atuadores, pois sua função é aplicar ou fazer
atuar energia mecânica sobre uma máquina, levando-a a realizar um determinado
trabalho.
Os atuadores que utilizam fluido sob pressão podem ser classificados segundo dois
critérios diferentes:
· Quanto ao tipo de fluido empregue, podem ser:
- Pneumáticos: quando utilizam ar comprimido;
- Hidráulicos: quando utilizam óleo sob pressão.
· Quanto ao movimento que realizam, podem ser:
- Lineares: quando o movimento realizado é linear (ou de translação);
- Rotativos: quando o movimento realizado é giratório (ou de rotação).
Simbologia das válvulas
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Introdução à pneumática e eletropneumática
Convencionou-se o seguinte:
Resumo das válvulas direcionais
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Tipos de acionamentos de válvulas
Introdução à pneumática e eletropneumática
Exemplos
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Introdução à pneumática e eletropneumática
Válvulas de retenção
Esta válvula pode fechar completamente a passagem numa direção.
Válvula alternadora – Função OU
Válvula de simultaneidade – Função E
Válvulas reguladores de pressão
Válvulas reguladores de fluxo
Também conhecida como "válvula reguladora de Velocidade". Nesta válvula, a
regulação do fluxo é feita somente numa direção.
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Introdução à pneumática e eletropneumática
Estrutura de um sistema pneumático
Cilindro de
dupla ação
Válvula 5/2 vias –
piloto simples
Válvula de simultaneidade
– Função E
Válvula direccional
3/2 vias
Nível de pressão
recomendado: 6 bar
O ar tem aproximadamente a
seguinte composição: 78% de
nitrogénio, 21 % de oxigénio e
1% de vapor de água.
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Circuitos pneumáticos elementares
Introdução à pneumática e eletropneumática
Acionamento de um cilindro de efeito simples
Cilindro de efeito simples
O pistão do cilindro é controlado por uma
válvula 3/2 (três vias / duas posições) NF (Normalmente fechada)
A válvula tem retorno por mola.
O acionamento da válvula é manual, através de um botão de pressão.
O cilindro de efeito simples tem uma mola no seu interior.
2
Válvula 3/2
1 3
Unidade de conservação de ar
Alimentação de ar comprimido
Cilindro de efeito simples
Acionamento de um cilindro de efeito simples
Lógica E
Devem-se acionar as duas válvulas 3/2 ao mesmo tempo
para que possa ser acionado o cilindro.
A valvula E de simultaneidade obriga que se pressionem
as duas válvulas 3/2.
A válvula reguladora de fluxo estrangula o fluxo de ar
que entra no cilindro, reduzindo a sua velocidade de avanço.
Válvula reguladora de fluxo de ar
2 Válvula de simultaneidade
1 1
Válvula 3/2
2
2 Válvula 3/2
1 3
1 3
Unidade de conservação de ar
Alimentação de ar comprimido
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Introdução à pneumática e eletropneumática
Acionamento de um cilindro de duplo efeito
Ao acionar a válvula 1.1 (3vias/2 posições), o cilindro de duplo efeito estende o seu pistão.
Ao soltar o botão de pressão da válvula 1,1, esta retorna, por efeito da mola, e o pistão permanece estendido.
Ao acionar a válvula 1.2 (3/2), o cilindro de duplo efeito retorna, isto é, volta atrás.
Ao soltar o botão de pressão da válvula 1.2, esta retorna, por efeito da mola, e o pistão permanece atrás.
Está pronto para repetir a sequência.
1 .0
2
2
1 .1 1 .2
Designação Descrição do componente
1.1 Válv ula de 3/n v ias
1.2 Válv ula de 3/n v ias
6 bar Alimentação de ar comprimido
UCA Unidade de conserv ação de ar, representação simplif icada
1.0 Cilindro de dupla ação
UCA
1 3
1 3
6 bar
Acionamento de um cilindro de duplo efeito com válvula 4/2
No estado inicial o cilindro 1.0 encontra-se recuado, e ao acionar a válvula 1.1, o cilindro sai.
Ao soltar o botão da válvula 1.1, o cilindro regressa de imediato.
Note-se que as válvulas 1.01 e 1.02 estrangulam o fluxo do ar que sai do cilindro,
reduzindo a sua velocidade de avanço ou de recuo.
1 .0
1. 01 1. 02
1 .1
4 2
Designação Descrição do componente
6 bar Alimentação de ar comprimido
UCA Unidade de conserv ação de ar, representação simplif icada
1.1 Válv ula de 4/n v ias
1.0 Cilindro de dupla ação
1.01 Válv ula reguladora de f luxo unidirecional
1.02 Válv ula reguladora de f luxo unidirecional
6 bar
UCA
1 3
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Introdução à pneumática e eletropneumática
Cilindro de duplo efeito acionado por válvula 4/2 eletropneumática
Na figura representa-se um cilindro de duplo efeito comandado por uma eletroválvula.
Conforme a posição da válvula, que é comandada por duas bobinas (KA1 e KA2), o cilindro avança ou recua.
4 2
KA1
1 3
KA2
UCA
6 bar
Designação Descrição do componente
6 bar Alimentação de ar comprimido
UCA Unidade de conserv ação de ar, representação simplif icada
Cilindro de dupla ação
Válv ula 4/2 - eletrov álv ula
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Introdução à pneumática e eletropneumática
Eletropneumática
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Introdução à pneumática e eletropneumática
Pode-se definir a eletropneumática, como uma fusão entre duas áreas, essenciais
na automação industrial, a eletricidade e a pneumática.
Principais elementos eletropneumáticos
Os elementos elétricos utilizados na pneumática estão divididos em três grupos, que
são:
Os elementos de entrada de sinais elétricos;
Os elementos de processamento de sinais;
Os elementos de saída de sinais elétricos.
Elementos de entrada de sinais elétricos
São elementos que quando acionados emitem um sinal elétrico, que tem como
função acionar ou desligar um circuito ou parte dele.
Entre os principais elementos de entrada de sinais estão:
Botoneiras – Equipamentos
acionados manualmente que
apresentam, geralmente, um
contato aberto e outro fechado.
Interrutores de fim de curso –
Possuem o mesmo funcionamento das
botoneiras, porém, o acionamento é
através do próprio equipamento, ou seja,
são acionadas mecanicamente. Os
interrutores fim de curso são,
geralmente, posicionadas no decorrer do
percurso de cabeçotes móveis de
máquinas e equipamentos industriais,
bem como das hastes de cilindros
hidráulicos ou pneumáticos.
Sensores – Não necessitam de contato manual ou mecânico para o envio de sinal,
são elementos mais sofisticados, porém, a sua função é a mesma dos elementos
anteriores. O acionamento dos sensores não depende de contato físico com as
partes móveis dos equipamentos, basta apenas que estas partes se aproximem dos
sensores a uma distância que varia de acordo com o tipo de sensor utilizado.
Para especificar um sensor deve-se conhecer o material do objeto à detetar. Os
tipos de sensores mais comuns são:
Magnéticos – São sensores que operam com campo magnético, detetam apenas
ímanes.
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Introdução à pneumática e eletropneumática
Indutivos – São sensores que operam com campo eletromagnético, portanto
detetam apenas materiais ferromagnéticos.
Capacitivos – São sensores que operam com o princípio de capacitância, detetam
todos os tipos de materiais.
Óticos – São sensores que operam com emissão de luz, estes detetam todos os
tipos de materiais.
Ultra-sónicos – São sensores que operam com emissão e reflexão de um feixe de
ondas acústicas. A saída comuta quando este feixe é refletido ou interrompido pelo
material a ser detetado.
Pneumáticos – São sensores que se baseiam no desequilíbrio da pressão numa
determinada ligação do sensor. A saída comuta quando um jato de ar através do
mesmo é alterado pela presença de um objeto.
Elementos de processamento de sinais
São elementos que recebem os sinais emitidos pelos elementos de entrada,
analisam estes sinais combinando-os entre si, para que a resposta seja a desejada
pelo projetista. Entre os principais elementos de processamento de sinais estão:
Relés – São dispositivos de
manobra mecânica, acionados
por eletromagnetismo. O seu
funcionamento é bastante
simples, aplicando tensão aos
terminais da sua bobina, cria-se
um campo eletromagnético que
atrai a sua parte móvel fechando ou abrindo os seus contatos que permitem ou
interrompem a passagem da corrente elétrica.
Contatores de potência – São como os relês, porém, construídos para grande
potência. O seu
funcionamento é
bastante simples,
aplicando tensão aos
terminais da sua bobina,
cria-se um campo
eletromagnético que atrai
a
sua parte móvel
fechando os seus
contatos principais e permitindo a passagem da corrente elétrica. Os contatores
também possuem contatos auxiliares que podem abrir ou fechar, de acordo com a
sua construção.
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Introdução à pneumática e eletropneumática
Relés temporizados – São conhecidos geralmente como temporizadores,
geralmente possuem um contato que comutará após um tempo, pré-ajustado pelo
projetista. Os relés temporizados podem ser temporizados ao trabalho ou
temporizados ao repouso.
Elementos de saída de sinais elétricos
Os componentes de saída de sinais elétricos são aqueles que recebem as ordens
processadas e enviadas pelo comando elétrico e, a partir delas, realizam o trabalho
final esperado do circuito. Entre os muitos elementos de saída de sinais disponíveis
no mercado, os que nos interessam mais diretamente são os sinalizadores
luminosos e sonoros, bem como os solenóides aplicados no acionamento
eletromagnético de válvulas hidráulicas e pneumáticas.
Sinalizadores – A principal função dos sinalizadores é demonstrar o que acontece
com o equipamento num determinado momento. Isso facilitará o entendimento da
função de cada um desses equipamentos, ou seja, a sinalização é uma mensagem
rápida que indica funcionamento. A sinalização pode ser de dois tipos: visual ou
sonora.
Visual – É obtida através de lâmpadas, sendo a sinalização mais
usada dentro de indústrias, devido ser de mais rápida visualização.
Mas, deve-se atentar para o tipo de cor da sinalização, onde cada
cor indica uma condição de operação.
Sonoro – É feito por meios de buzinas ou campainhas são
utilizadas para indicar início do ciclo de um equipamento ou
indicar qualquer anomalia da máquina. Este tipo de sinalização é
normalmente em locais onde não há ruídos e tem a função de
chamar a atenção para uma emergência.
usado
Solenóide – Os solenóides são bobinas eletromagnéticas que, quando se aplica uma
tensão, geram um campo eletromagnético capaz de atrair elementos
ferromagnéticos, comportando-se como um imã permanente.
O campo eletromagnético gerado pelo
solenóide (bobina) quando lhe é aplicada
uma tensão, atrai a parte móvel, libertando
a passagem do ar.
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Montagens básicas
Introdução à pneumática e eletropneumática
+24V
1 2
Ligando uma lâmpada diretamente com um botão de
pressão NA e NF
NF
NA
Pressionando o botão NA (normalmente aberto) a
lâmpada acende e soltando a lâmpada apaga.
Pressionando o botão NF (Normalmente fechado) a
lâmpada apaga e soltando a lâmpada volta a acender.
0V
+24V
1 2
Ligando a lâmpada indiretamente
B1
K1
K1
Pressionando o botão B1 passa corrente na bobina do
relé K1, fechando o seu respectivo contato e
acendendo a lâmpada, soltando o botão retira-se a
corrente da bobina do relé, fazendo com que o contato
K1 retorne a sua posição original (normalmente aberto)
e a lâmpada apaga.
0V
+24V
1 2 3
Ligando e apagando lâmpada
indiretamente
B1
K1
K1
K1
Pressionando o botão B1 passa corrente
na bobina do relé k1, e o seu contato NA
fecha acendendo a lâmpada respetiva,
simultaneamente o seu contato NF abre
apagando a outra lâmpada. Soltando o
botão retira-se a corrente da bobina e os
contatos voltam às suas posições iniciais.
0V
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Introdução à pneumática e eletropneumática
O circuito de auto-alimentação com botão de desligar.
+24V
1 3
B1
Os circuitos anteriores funcionam somente se estivermos
sempre a pressionar o botão B1, na indústria isso é
inviável. A auto-alimentação tem a função de manter a
bobina com corrente após o botão deixar de ser
pressionado.
B2
K1
K1
K1
0V
Ligando uma lâmpada e apagando outra
+24V
1 2 3 4
B1
Sem pressionarmos nada a lâmpada L2 estará
acesa e L1 apagada, no momento que
pressionamos B2 passa corrente na bobina do
relé K1 fechando e abrindo os seus respectivos
contatos, acendendo L1 e apagando L2.
B2
K1
K1
K1
K1
L1
L2
0V
Acionando uma válvula solenóide diretamente
+24V
1 2
B1
B2
4 2
B1 avança o pistão
B2 recua o pistão
S1
5 3
1
S2
S1
S2
0V
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Circuitos básicos com sensores
Introdução à pneumática e eletropneumática
Sensor indutivo: São sensores que operam com campo eletromagnético. Detectam apenas
materiais ferromagnéticos.
A
2
1 3
+24V
1
A
0V
Descrição de funcionamento: Pressionando o botão, o pistão ferromagnético do
cilindro de simples ação avança e o sensor, que está devidamente posicionado em A
deteta-o, enviando um sinal que aciona a sirene.
Sensor capacitivo: São sensores que operam com o princípio de capacitância,
detetam todos os tipos de materiais.
C1
+24V
1 2 3
4 2
2
S1
S2
C1
A
5
1
3
B
C
1 3
A
B
C
0V
Descrição de funcionamento: No início, o cilindro de simples ação estará avançado,
pois o sensor (C1) é colocado para detetar o cilindro de dupla ação na sua posição
“zero”. Pressionando o botão S1, no solenóide A passará corrente e o cilindro de
dupla ação avança, com o fluxo de ar controlado, e o cilindro de simples ação recua.
Pressionando S2 o cilindro de dupla ação recua e o de simples ação avança.
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PI PF
Introdução à pneumática e eletropneumática
Sensor magnético: São sensores que operam com o princípio do magnetismo,
detetando apenas ímanes.
4 2
+24V
1 2 4
S1
S2
BL
PF
PI
A
5
2
3
1
1 3
A
S1
S2
0V
Descrição de funcionamento: Pressionando BL, passa corrente no solenóide A,
permitindo a passagem do ar comprimido, avançando o cilindro de dupla ação que,
na sua posição final será detectado pelo sensor PF, que faz passar corrente por S1
fazendo-o recuar. Quando está na sua posição inicial outro sensor PI, faz passar
corrente por S2 fazendo-o novamente avançar.
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