Ríscos elétricos

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Processo de inscrições para Vestibulinho Centro Paula Souza

    

     Devido a problemas no site, o Centro Paula Souza decidiu reabrir o processo de inscrições para o Processo Seletivo – Vestibulinho, do 1º semestre de 2013.
      O novo período de inscrições será de 30/10/2012 a 05/11/2012, às 15h.

http://www.centropaulasouza.sp.gov.br/vestibulinho/

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Sinais elétricos em telecomunicações

     Para que as informações sejam transmitidas em um sistema de comunicação, é necessário transformá-las em sinais elétricos. Esses sinais são variações de tensões elétricas no decorrer do tempo e podem ser de dois tipos:
     a) Sinal analógico – O sinal pode assumir infinitos valores de amplitude no decorrer do tempo (figura 1).

Figura 1 sinal analógico

     b) Sinal digital – O sinal pode assumir valores de amplitude predeterminados no decorrer do tempo (figura 2).

Figura 2 sinal digital

     O sinal digital mais comum em transmissão de dados é o trem de pulsos. Trata-se de um conjunto de bits transmitido sequencialmente no tempo, em determinada velocidade, expresso em bits por segundo (figura 3). 

Figura 3 Trem de pulsos

      Um sinal elétrico pode ser denominado:
     a) Periódico – Quando é repetitivo em intervalos de tempo iguais. O intervalo de repetição é chamado de período (T), dado em segundos. O período equivale ao tempo de realização de um ciclo. Já o número de ciclos realizados por segundo é denominado frequência, medida em hertz (Hz).
     b) Aperiódico – Quando não é repetitivo.
     c) Finito – Quando ocorre em um espaço de tempo finito.
     d) Aleatório – Quando tem comportamento imprevisível. Ex.: o ruído elétrico.
     e) Pseudoaleatório – Aparentemente aleatório, mas de certa maneira previsível.
     Ex.: criptografia.

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Sistema de comunicação

      Para que haja comunicação entre pelo menos dois pontos, são necessários basicamente:
     • Informação: voz, imagem e dados.
     • Alguém ou algo que transmita a informação: terminal fonte.
     • Alguém ou algo capaz de receber a informação: terminal destino.
     • Um meio físico para transmitir a informação: canal de comunicação.
     Esse conjunto de elementos para estabelecer uma comunicação é denominado sistema de comunicação. A rede de telefonia e a internet permitem a troca de informações diversas entre usuários, utilizando terminais tecnicamente compatíveis com cada sistema. O diagrama da figura 1 representa um sistema de comunicação analógico elementar.

Figura 1    Diagrama de sistema de comunicação
analógico elementar.

     Cada um desses estágios tem funções específicas no sistema de comunicação:
     • Fonte de informação – Gera a informação. Ex.: um locutor narrando um jogo de futebol ou uma pessoa falando ao telefone.
     • Transdutor da transmissão – Converte um tipo de energia em outra. Ex.: microfone, que converte as ondas sonoras da voz em sinais elétricos, e câmera de vídeo, que converte a imagem em sinais elétricos.
     • Transmissor (Tx) – Fornece a potência necessária para amplificar o sinal elétrico, a fim de que ele percorra longas distâncias, uma vez que sua energia vai se perdendo ao longo da transmissão pelo canal de comunicação (fios elétricos ou espaço livre) até ao receptor. Também é responsável pelos processos de modulação e codificação, que serão detalhados nos próximos capítulos.
     • Canal de comunicação – É o meio físico entre o transmissor e o receptor, pelo qual transitam os sinais elétricos ou eletromagnéticos da informação. Ex.: par trançado, fibra óptica, cabo coaxial, espaço livre.
     • Receptor (Rx) – Recebe os sinais da informação, faz sua demodulação e decodificação e o direciona ao transdutor da recepção.
     • Transdutor da recepção – Converte os sinais da informação em imagem, som, texto etc. Ex.: alto-falante e tela de TV.
     • Destinatário – É aquele a quem a mensagem se destina. Ex.: o ouvinte de uma rádio ou o telespectador de uma emissora de TV.
     Exemplos de sistemas de comunicação:
     • Telefonia móvel celular.
     • Sistema de comunicação via satélite.
     • Sistema de rádio ponto a ponto em micro-ondas.
     • Sistemas UHF e VHF de televisão.
     • Redes ópticas de comunicação. 

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Telecomunicações

     Telecomunicações pode ser definida como a transmissão de informações entre pontos distantes, por meio de sistemas eletrônicos e meios físicos. Seu desenvolvimento ocorreu de maneira gradativa, impulsionado por invenções como:
     • O telégrafo, em 1844, por Samuel Morse (1791-1872), utilizado pela primeira vez para transmitir mensagens por código Morse entre as cidades de Washington e Baltimore, nos Estados Unidos.
     • O telefone, em 1876, por Alexander Graham Bell (1847-1922), capaz de transmitir a voz de modo inteligível usando sinais elétricos por fios condutores.
     • O rádio, em 1895, por Marchese Guglielmo Marconi (1874-1937), aparelho que transmite sinais telegráficos sem fios condutores.
     • O telefone celular, em 1956, por técnicos da empresa Ericsson, modelo que ficou conhecido como MTA (Mobile Telephony A).
     • O satélite artificial Sputnik, lançado em 1957.
     • O satélite de comunicações Telstar, em 1962, que permitiu a transmissão de conversações telefônicas, telefoto e sinais de televisão em cores.
     • A rede Arpanet, depois chamada de internet, em 1969, pelo governo dos Estados Unidos, para a comunicação entre instituições de pesquisa norte-americanas.
     Até meados dos anos 1990, a telefonia fixa foi o meio de comunicação mais utilizado para troca de informações entre usuários distantes. Nessa mesma década, com o popularização da internet e da telefonia celular, ocorreu uma revolução não apenas tecnológica, mas também cultural, na forma como as pessoas passaram a trocar informações.
     Hoje, se for conveniente, não precisamos mais sair de casa para fazer compras, pagar uma conta ou ler um jornal. Graças ao desenvolvimento das telecomunicações, temos a notícia em tempo real, podemos conhecer lugares distantes, aprender outras culturas, fazer novos amigos, tudo isso sem sair da frente da tela do computador. Quem imaginaria ser possível escrever uma “carta” que em poucos segundos chega ao destinatário? O e-mail é capaz disso.
     A telefonia também ampliou a forma de comunicação, ou seja, ela acontece sem fio e sem fronteiras. O telefone deixou de ser um simples aparelho para falarmos e passou a ser um computador em tamanho reduzido. Além de utilizarmos o telefone para falar a longas distâncias, podemos usar a internet associada à tecnologia VoIP ( Sigla de Voice over Internet Protocol voz sobre IP). As novas tecnologias estão mudando o modo de nos comunicarmos.

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Indução eletromagnética

     Com as experiências de Öersted e Ampère, descobriu-se que uma corrente elétrica pode gerar magnetismo. O físico inglês Michael Faraday realizou experimentos que comprovaram o efeito contrário: o magnetismo poderia gerar eletricidade (naquela época, a eletricidade só era obtida por meio de baterias e pilhas).
     Faraday montou o circuito apresentado na figura 1.

Figura 1   Experiência de Faraday.

 
     Nele, a bateria fornece corrente elétrica para um enrolamento, gerando, consequentemente, um campo magnético que seria transportado para outro enrolamento ligado a um galvanômetro. O detalhe é que, como os dois enrolamentos compartilhariam o mesmo núcleo magnético – o anel –, o segundo receberia o campo magnético do primeiro, fazendo surgir uma corrente que seria lida pelo galvanômetro.
      A experiência, porém, não deu certo, porque, pelo que vimos antes, faltou um componente importantíssimo.
     Portanto, para gerar eletricidade, não basta o magnetismo; é necessário também o movimento. Como as baterias e pilhas fornecem tensão contínua, para obter o movimento (variação), é necessário incluir um interruptor. Foi o que Faraday fez, anos depois (figura 2).
     No instante em que a chave (interruptor) fecha, ocorre uma variação – a corrente da bateria passa de zero a um valor qualquer – e, durante o intervalo do fechamento da chave, é gerada no segundo enrolamento uma corrente elétrica, chamada corrente induzida.

Figura 2

     Após esse tempo, não existe mais corrente no galvanômetro. Se a chave é aberta, durante o tempo de abertura (movimento), surge uma corrente no galvanômetro, mas com sentido contrário ao do caso anterior (figura 3).

Figura 3

     Faraday concluiu então que só há geração de eletricidade se ocorrer variação de uma grandeza associada ao campo magnético. Essa grandeza é o fluxo magnético (Φ), que nada mais é do que o número de linhas de indução dentro de uma área conhecida.

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Galvômetro de bobina móvel

     Os instrumentos de medição elétrica de ponteiro possuem um galvanômetro, no qual se observa o mesmo fenômeno do motor CC. Quando a corrente elétrica percorre a bobina, a força magnética movimenta o ponteiro. No entanto, uma mola que age em força contrária à força magnética faz com que o ponteiro pare, revelando o valor da grandeza a ser medida. Quanto maior essa grandeza, maior a deflexão. A figura 1 apresenta um modelo-padrão de galvanômetro.

Figura 1

     

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Aplicações práticas da força magnética

     O motor elétrico, o galvanômetro de bobina móvel, o relé, o disjuntor, o alto- -falante e a gravação magnética são alguns exemplos de aplicações da força magnética.

     Motor elétrico

     Trata-se de um dispositivo que transforma energia elétrica em energia mecânica (movimento de rotação). É composto basicamente de um conjunto de espiras (rotor) imerso em um campo magnético uniforme (estator).
     Ao fornecer corrente elétrica às espiras (representadas na figura 1 por uma única espira), surge um binário de forças magnéticas que provocam um movimento giratório.

Figura 1

     Uma volta completa de uma espira está descrita na figura 2, a partir da posição A até a E.

Figura 2 Princípio de funcionamento de um
motor de corrente contínua (CC).

     Como podemos notar, o sentido da força magnética, que é possível determinar pela regra da mão esquerda, faz com que a espira gire. Se o sentido da corrente é invertido, invertem-se o sentido da força e, por conseguinte, o de rotação.
     Observando as posições A e C, verificamos que a corrente, apesar de contínua, inverte de sentido na espira (na posição A ela entra pelo lado escuro e sai pelo lado claro, enquanto na C ocorre o contrário). Isso acontece porque o binário de forças deve ser sempre mantido no mesmo sentido, para que a espira possa completar sua volta.
     Para isso, os fios que conduzem a corrente são ligados à espira em um dispositivo que permite essa inversão de sentido de corrente, o comutador, utilizado em um motor CC.
     O comutador é um anel com um corte, em contato com dispositivos fixos no eixo, denominados escovas, por onde a corrente será fornecida. A cada meia volta, os lados da espira (claro e escuro) sempre estarão em contato com escovas diferentes, invertendo então a corrente elétrica na espira. No caso de um motor de corrente alternada (CA), o comutador não é necessário, pois os anéis são separados.
 

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A relação entre eletricidade e magnetismo

     Em 1820, o professor dinamarquês Hans Christian Öersted realizou uma experiência – conhecida, mais tarde, como experiência de Öersted – em que demonstrou pela primeira vez a relação entre eletricidade e magnetismo .
     A experiência consistia em colocar uma agulha imantada paralela a um fio que seria percorrido por uma corrente elétrica. Öersted observou que, ao fechar a chave do circuito, o fio era percorrido por uma corrente elétrica e, nesse momento, a agulha imantada desviava sua orientação norte-sul (figura 1), fenômeno já observado quando se aproximava um ímã de uma agulha imantada.
     Ao abrir a chave, o fluxo de corrente cessava e a agulha voltava a sua posição normal. Com isso, descobriu-se a relação entre eletricidade e magnetismo.

Figura 1 (a) Circuito elétrico que pode demonstrar a experiência de Öersted;
(b) Após a ligação da bateria fechando o circuito, a passagem de corrente provoca a
deflexão da bússola.

     No século XVIII, o cientista norte-americano Benjamin Franklin havia tentado explicar os fenômenos elétricos de atração e repulsão. Em sua teoria, admitia que todos os corpos possuíam uma espécie de “fluido elétrico”, responsável por tais fenômenos. Ao serem atritados, alguns corpos perdiam esse fluido (corpos negativos), outros o recebiam (corpos positivos). Sem o atrito, esses corpos permaneciam em seu estado neutro com número igual de fluidos negativos e positivos.
     De acordo com essas ideias, por se tratar de transferência de eletricidade de um corpo para outro, não haveria nem criação nem destruição de cargas elétricas, permanecendo constante a quantidade total de fluido elétrico.
     Atualmente, sabemos que o processo de separação de cargas elétricas ocorre por transferência de elétrons sem que o número de elétrons e prótons se altere e que a corrente elétrica em um fio está associada ao movimento de elétrons livres.

Figura 2  Elétrons em movimento
desordenado em um condutor metálico.

     Analisando a figura 2, podemos notar que os elétrons livres estão em movimento desordenado, não produzindo efeito externo algum. Esse condutor está em equilíbrio eletrostático, apresentando as seguintes características:
          • O campo elétrico resultante em seus pontos internos é nulo.
         • O potencial elétrico em todos os seus pontos internos e superficiais é constante.
          • Os elétrons livres distribuem-se em sua superfície externa.
     Se as extremidades do condutor são ligadas a uma bateria, passa a existir em seu interior um campo elétrico com sentido do polo positivo para o negativo, como mostra a figura 3.

Figura 3  Elétrons em movimento ordenado em um condutor
metálico e manifestação da corrente elétrica.

     Com o surgimento desse campo elétrico no interior do condutor, os elétrons livres ficam submetidos a uma força elétrica – cujo sentido é contrário ao do campo elétrico, pois a carga dos elétrons é negativa –, o que altera seu deslocamento: eles se movem com direção e sentido iguais aos da força elétrica. Esse movimento ordenado é denominado corrente elétrica, medida em ampere (A).
     Então, é correto dizer que a corrente elétrica possui magnetismo?
     Sabemos que uma carga elétrica imóvel no espaço origina um campo elétrico .
     Quando essa carga elétrica passa a se mover, surge a seu redor uma região com propriedades magnéticas, chamada campo magnético.

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Retificador de meia onda com filtro capacitivo

      Esse tipo de retificador apresenta, além do diodo retificador, um capacitor associado em paralelo com a carga. A função do capacitor é diminuir o ripple. Quanto menor for o ripple da tensão de saída de um retificador, melhor será sua qualidade. A figura 1 ajuda a entender o que é ripple. Nela, uma tensão senoidal de 1 V de pico está sobreposta a uma tensão CC (também chamada de nível de offset) de 4 V. Se usarmos um voltímetro CC para medir essa tensão, ele indicará exatamente 4 V.

Figura1 Tensão senoidal com nível de offset ilustrando
o conceito de ripple.

     Para uma tensão retificada de meia onda, se o valor de pico for muito maior que o ripple, este pode ser estimado aproximadamente por:

     em que:
          • VP é o valor da tensão de pico alternada (em volts),
          • C o valor da capacitância do capacitor (em farads),
          • f a frequência (em Hz) do riplle (meia onda de 60 Hz e onda completa de 120 Hz) e
          • R o valor da carga (em ohms).
     A figura 2 mostra o circuito e as formas de onda da tensão na carga (RL) e na entrada do retificador, para uma tensão senoidal de alimentação.

Figura 2

     Na figura 2, durante o intervalo de tempo T1, o diodo conduz, porque o valor da tensão de entrada é maior que o valor da tensão na carga. Desse modo, o capacitor se carrega até atingir o valor de pico da tensão de entrada.
     Durante o intervalo de tempo T2, a tensão de entrada é menor que a tensão na carga. Assim, o diodo corta a corrente e o capacitor se descarrega na carga RL (na prática, a carga é um circuito qualquer que consome corrente, como um receptor de rádio). Quando novamente a tensão de entrada passa a ser maior que a tensão na carga, o diodo volta a conduzir, repondo a carga perdida durante o intervalo T2.
     Observe que, ao aumentar a capacitância, o tempo de carga diminui e, consequentemente, o valor de pico da corrente no diodo aumenta. Por isso, é preciso ter cuidado ao projetar circuitos com valores de capacitância elevados.

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Tensão elétrica (U) ou diferença de potencial (ddp)

     Uma carga imersa em um campo elétrico fica sujeita a uma força e pode vir a se movimentar. Em outras palavras, essa carga adquire uma energia potencial elétrica ep, que pode ser transformada em energia de movimento (cinética), ou seja, pode realizar trabalho. Quanto maior a carga, maior a força e maior a energia potencial ep. 
     O fator ep/Q indica a quantidade de energia por unidade de carga. Essa razão é conhecida como potencial elétrico. Observe que é possível calcular o potencial em cada ponto do campo elétrico. Sua unidade é o joule/coulomb (J/C), batizado de volt (V).
      Particularmente importante é a definição de tensão ou diferença de potencial (ddp) entre dois pontos. Dados dois pontos A e B, com potenciais VA e VB respectivamente, define-se tensão entre os pontos A e B ou diferença de potencial entre os pontos A e B como:
                                                     UAB = VA – VB (1.3)
     Em circuitos elétricos, a diferença de potencial é imposta por geradores ou baterias. A figura 1 ilustra o símbolo de um gerador de tensão contínua, com a ponta da f lecha; o traço maior do símbolo indica o ponto de maior potencial (terminal positivo, +).

Figura 1

     Os instrumentos de medida em eletricidade, na maioria das vezes, recebem o nome de acordo com a grandeza mensurada. Assim, o instrumento que mede a tensão elétrica é o voltímetro, que deve ser ligado em paralelo com o elemento a ser medido (figura 2). No caso de um sinal contínuo, é preciso prestar atenção à polaridade das pontas de prova.

Figura 2

     A analogia com um sistema hidráulico é bastante útil para entender o significado da tensão elétrica. A figura 3 ilustra dois reservatórios de água interligados a um registro: o reservatório A está cheio de água, enquanto o B permanece vazio.

Figura 3

     O lado esquerdo da válvula está sujeito à pressão da coluna de água no reservatório A (análogo ao potencial no terminal positivo da bateria). O lado direito da válvula tem apenas a pressão atmosférica (equivalente ao potencial no terminal negativo da bateria), que é muito menor que a pressão no lado esquerdo da válvula.
     Quando se abre a válvula, a água sai do reservatório A em direção ao B, até que o nível nos dois reservatórios fique exatamente o mesmo, ou seja, deixa de existir a diferença de pressão (diferença de potencial) entre eles (figura 4).

Figura 4

 

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Periféricos de interface com o usuário

     A maioria das aplicações com controladores lógicos programáveis necessita de uma interface homem-máquina (IHM). Em um processo produtivo, o operador precisa interagir com o processo ou a máquina, comandando operações, alterando parâmetros, visualizando situações e recebendo diagnósticos.
     Quando se iniciou o desenvolvimento dos CLPs, a interface com o usuário era praticamente igual à existente nos painéis de relés. Funções booleanas podiam ser introduzidas por meio de botoeiras e visualizadas com o uso de lâmpadas de sinalização. Os CLPs com grande número de bits de entrada e capacidade de processamento aritmético permitiam a leitura de dados numéricos utilizando chaves thumbwheel. Tratava-se de chaves com dez posições, cada uma delas representando um número. Quando conectada às entradas digitais do CLP, a thumbwheel indicava qual número o usuário escolheu. A indicação podia ser em código hexadecimal ou BCD. Várias chaves podiam ser combinadas para a entrada de números com vários dígitos.
     Com a redução do custo dos displays de cristal líquido, surgiram as interfaces homem-máquina (IHMs) conforme mostra a figura. Esses dispositivos eram constituídos de teclado, display e processador, conectados por meio de uma rede de comunicação de dados a um ou mais CLPs.

Periféricos de interface com o usuário

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Sistema digital de controle distribuído (SDCD)

     O sistema digital de controle distribuído (SDCD) não é um único produto, mas um conjunto de dispositivos e elementos interligados em redes de comunicação de alta velocidade e confiabilidade, utilizados em sistemas e plantas industriais mais complexas. Esse conjunto de dispositivos possui certa independência da parte do processo para a qual foi destinado, porém, obedece a uma lógica única em um nível superior hierárquico no controle do sistema. O SDCD é um sistema complexo e redundante, no qual eventuais falhas são corrigidas de maneira automática por outros elementos previamente programados que assumem o controle em caso de falhas.
     A programação desse tipo de topologia é avançada, exigindo conhecimento muito claro do processo a ser controlado. A programação de cada elemento do processo deve ser sincronizada com a programação digital do sistema. Sistemas desse porte são utilizados em indústrias petroquímicas e químicas, que exigem grande capacidade de processamento, distribuição da inteligência no processo e velocidade no tratamento das informações. Um esquema de interligação de um SDCD.

Diagrama em blocos
de um SDCD

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Como funciona a memória

     Memória é o local em que são armazenados instruções e dados, ou seja, as informações necessárias para o funcionamento do CLP. As memórias podem ser classificadas em:
     • Memória executiva ou do programa monitor.
     • Memória do sistema.
     • Memória imagem das entradas e saídas (E/S).
     • Memória de dados.
     • Memória do usuário ou de aplicação.
     As primeiras memórias foram desenvolvidas usando pequenos anéis de ferro magnético, cada um com 1,5 mm de diâmetro. Quando o anel era magnetizado em certo sentido, a direção de magnetização indicava o estado “0” ou “1” do bit associado a esse núcleo. Os núcleos de ferrite eram bem maiores que os chips hoje utilizados para armazenar dados. A memória com esse tipo de núcleo era bastante rápida: um bit nela armazenado era lido em um milionésimo de segundo. No entanto, essa memória era cara, volumosa e de leitura destrutiva, pois apagava os dados armazenados no núcleo, tornando necessário armazená-los novamente cada vez que fossem lidos. 

     A primeira memória de semicondutores foi produzida em 1970 pela Fairchild. Tratava-se de uma pastilha que tinha quase o tamanho de um núcleo de ferrite, podia conter até 256 bits de memória, era de leitura não destrutiva e muito mais rápida do que o núcleo de ferrite, mas volumosa quando comparada com as memórias existentes hoje em dia. Apenas 70 bilionésimos de segundo eram necessários para ler um bit. O custo do bit da memória de semicondutor, entretanto, era mais alto do que o do núcleo de ferrite. Já em 1974, o preço por bit da memória de semicondutores tornou-se menor do que o da memória de núcleo de ferrite. Em seguida, houve rápido declínio do custo de memória e aumento da densidade da memória física.
     A evolução da microeletrônica viabilizou o uso de memórias semicondutoras.
     No início, foram utilizadas as memórias RAM (random access memory), que, por serem intrinsecamente voláteis, eram acompanhadas de baterias que as mantinham permanentemente alimentadas. Depois, as memórias PROM (programmable read only memory) passaram a ser empregadas, porém, não eram reprogramáveis.
     O próximo passo foi adotar as memórias não voláteis EPROM (erasable programmable read only memory), que eram apagadas pela exposição à luz ultravioleta.
     Surgiram, então, as memórias EEPROM (electrically erasable read only memory), que podiam ser apagadas eletricamente.
     O desenvolvimento tecnológico da memória e do microprocessador melhorou significativamente o desempenho dos CLPs.

 

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UCP Unidade Central de Processamento

     A unidade central de processamento (UCP) gerencia todo o sistema, controlando
as operações realizadas pelas diferentes unidades funcionais.
     A principal função da UCP é controlar e executar instruções presentes na memória. Ela é responsável pelo gerenciamento total do sistema, controlando os barramentos de endereços, de dados e de controle.
     O microprocessador é um dos componentes vitais da UCP. O primeiro microprocessador fabricado foi o Intel 4004, lançado em 1971. Somente depois de esses dispositivos adquirirem confiabilidade é que passaram a ser utilizados na fabricação dos controladores lógicos programáveis.

      Os primeiros CLPs usavam microprocessadores com lógica discreta. Alguns microprocessadores possuíam uma característica conhecida como microcoded, que foi muito importante para o desenvolvimento dos CLPs. Esses microprocessadores tinham seu conjunto de instruções formado pela combinação de um conjunto de operações básicas.
     O preço dos microprocessadores no final dos anos 1970 e início dos 1980 caiu muito e eles se tornaram componentes permanentes do CLP.
     Na década de 1980, os CLPs já eram utilizados normalmente em sistemas de automação que envolviam lógica e sequenciamento. Surgia, então, a necessidade de desenvolver novas aplicações para esses equipamentos. O crescimento do mercado fez com que eles começassem a migrar para aplicações como:
     • controle de processo;
     • comunicações entre homens e máquinas;
     • processamento numérico.
     O surgimento de novas aplicações fez com que os CLPs sofressem evoluções, de início em razão da insuficiência de memória, dos limitações do barramento e do aumento da complexidade do sistema. Para melhorar seu desempenho, associado à necessidade de maior processamento, os CLPs passaram a realizar multiprocessamento.
    A introdução significativa de novos produtos e das redes de comunicação de CLPs e a disponibilidade de processadores cada vez mais poderosos fizeram com que muitas das tarefas executadas por processadores, antes localizados em módulos de entrada e saída inteligentes, fossem executadas em software pela unidade central de processamento.

Esquema de controle de processo em indústria

 
 

 

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CLP Controlador Lógico Programável

      A estrutura física do CLP é um conjunto de circuitos eletrônicos interligados formados por processadores, memórias, barramentos, dispositivos de entrada e saída, fonte de alimentação e terminal de programação.
     Ao analisarmos o CLP quanto a sua arquitetura e forma construtiva, podemos compará-lo com um computador especialmente adaptado para aplicações industriais.
     Em razão de suas características físicas, ele pode funcionar em ambientes industriais agressivos, pois suporta variações de temperatura, vibrações, ruídos elétricos, pequenas variações na tensão etc. Por tudo isso, é considerado um equipamento robusto.
     Na maioria das vezes, os CLPs são disponibilizados em módulos, ou seja, cada configuração pode ser montada pelo usuário de acordo com sua necessidade.
     Existem também modelos na forma compacta, cuja configuração o usuário não consegue alterar. Independentemente de serem compactos ou modulares, todos os CLPs têm a mesma arquitetura e seus blocos principais são:
          • Unidade central de processamento (UCP).
          • Memórias.
          • Módulos de entrada e saída.

      Outros componentes secundários de hardware podem ser adicionados à arquitetura
do CLP:
          • Periféricos de interface com o usuário.
          • Terminal de programação.
 


 

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A automação industrial

     A automação industrial é uma área de pesquisa que vem ampliando sua atuação gradativamente nos últimos anos. O uso de dispositivos e a aplicação de soluções desenvolvidos em automação industrial tem grande repercussão sobretudo no setor industrial. As aplicações não se resumem a substituir o trabalho humano em tarefas exaustivas, monótonas e perigosas; elas trazem melhoria na qualidade de processos, otimização dos espaços, redução no tempo de produção e custos.
     Existem diversos equipamentos utilizados na automação industrial, porém, o controlador lógico programável (CLP) é um dos mais importantes. O CLP surgiu no final da década de 1960 e revolucionou os comandos e controles industriais.
     Nessa época, a automação era executada quase totalmente por relés com base em lógica fixa, ou lógica hardwired, o que resultava em enormes armários de relés eletromecânicos interligados por circuitos elétricos e extensas fiações.
     O primeiro CLP foi criado em 1968 por Dick Morley, funcionário da empresa Bedford Associates. Ele foi desenvolvido com o objetivo de substituir os armários empregados para controlar operações sequenciais e repetitivas na linha de montagem da indústria automobilística General Motors.
     Essa primeira geração de CLPs usava componentes discretos e tinha baixa escala de integração. Sua utilização só era viável quando substituía painéis que continham mais de 300 relés. Tal equipamento ficou conhecido pela sigla PLC (programmable logic controller) – em português, CLP (controlador lógico programável).
     Segundo a Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), CLP é um “equipamento eletrônico digital com hardware e software compatíveis com aplicações industriais”. Já para a National Electrical Manufacturers Association (NEMA), trata-se de um “aparelho eletrônico digital que utiliza uma memória programável para o armazenamento interno de instruções para implementações específicas, tais como lógica, sequenciamento, temporização, contagem e aritmética, para controlar através de módulos de entrada e saída vários tipos de máquinas e processos”.
     Com o surgimento dos circuitos integrados, foi possível viabilizar e difundir a utilização do CLP em grande escala, melhorando o poder de processamento e diminuindo o tamanho dos equipamentos. Esse avanço está atrelado, em grande parte, ao desenvolvimento tecnológico dos computadores, até mesmo em sua arquitetura de hardware e software. O uso de microprocessadores e microcontroladores de última geração e o de arquitetura híbrida, aliada às novas técnicas de processamento paralelo e às redes de comunicação, contribuíram para o sucesso desse equipamento industrial.
     Há pouco tempo o CLP possuía arquitetura proprietária, na qual cada fabricante produzia o próprio modelo e desenvolvia os softwares de programação e simulação exclusivos para seus equipamentos, ou seja, não existia portabilidade.
     Com a adoção da norma IEC 61131-3, ocorreu a padronização da linguagem de programação e a solução para softwares e aplicativos foi alcançada.
     Atualmente, os CLPs possuem funções específicas de controle e canais de comunicação que permitem interligá-los entre si e a computadores em rede, formando um sistema integrado. Enquanto se estudavam as propostas de padronização do fieldbus (barramento de campo), as redes wireless suplantaram essa tecnologia e se incorporaram aos CLPs como opção de coleta de sinais de chão de fábrica.
     Dessa maneira, eliminaram-se os condutores usados para interligá-los, propiciando troca de informações e distribuição de dados por todo o processo.
     As vantagens da utilização do CLP em aplicações industriais são inúmeras e cada dia surgem novas, que resultam em maior economia, superando o custo do equipamento. Essa evolução oferece grande número de benefícios, por exemplo:
     • Maior produtividade.
     • Otimização de espaço nas fábricas.
     • Melhoria na qualidade do produto final.
     • Alto MTBF (tempo médio entre falhas).
     • Baixo MTTR (tempo de máquina parada).
     • Maior segurança para os operadores.
     • Menor consumo de energia.
     • Redução de refugos.
     • Reutilização do cabeamento.
     • Fácil manutenção.
     • Projeto de sistema mais rápido.
     • Maior flexibilidade, satisfazendo maior número de aplicações.
     • Interface com outros CLPs através de rede de comunicação.

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Transformador monofásico

     O transformador é uma máquina elétrica estática, que altera a tensão e a corrente elétrica para valores adequados de acordo com a aplicação específica do projeto. Na figura 1, um transformador monofásico representado de maneira elementar.

Figura 1

     O enrolamento que recebe a tensão da rede é o enrolamento primário, e o que fornece tensão para a carga, o secundário. Os enrolamentos primário e secundário estão enrolados em um núcleo ferromagnético, porém eletricamente isolados.
     Essa separação entre o primário e o secundário está representada na figura 2.

Figura 2

     Na figura, as grandezas indicadas são:
         • U1, a tensão elétrica primária (V);
         • I1, a corrente elétrica primária (A);
         • N1, o número de espiras do enrolamento primário;
         • U2, a tensão elétrica secundária (V);
         • I2, a corrente elétrica secundária (A);
         • N2, o número de espiras do enrolamento secundário.
      Vamos analisar a figura 2a. Quando se aplica ao enrolamento primário uma tensão elétrica, cria-se uma corrente. Surge, então, um campo magnético, que alcança o enrolamento secundário, pois ambos compartilham o mesmo núcleo.
     Observando agora a figura 2b, percebemos que, ao inverter o sentido da tensão no primário, o campo magnético também inverte de sentido. A inversão de sentido pode ser interpretada como movimento, e, de acordo com o princípio da indução eletromagnética, magnetismo associado a movimento gera eletricidade.
     Portanto, no enrolamento secundário, gera-se uma tensão elétrica, que, ao ser aplicada em uma carga, fornece uma corrente elétrica.
     O transformador apresenta dispersão do fluxo magnético por correntes parasitas.
     Para minimizar essas perdas por histerese, seu núcleo é composto por lâminas, feitas de uma liga metálica especial.
     O transformador monofásico é construído de maneira diferente do transformador elementar (figura 3).

Figura 3

     Uma das aplicações dos transformadores é na alteração da tensão e da corrente elétrica nas usinas geradoras de energia elétrica, possibilitando que elas atendam o maior número possível de consumidores finais que utilizam a tensão em diferentes valores: industrial, comercial e residencial. As usinas hidroelétricas usam a água dos reservatórios de grandes lagos ou rios para mover as turbinas. Já as usinas termoelétricas empregam combustíveis fósseis ou energia nuclear, cujo vapor faz girar as turbinas. Em geral, as usinas hidroelétricas e termoelétricas ficam distantes dos grandes consumidores de energia elétrica, e esta chega até eles por meio de linhas de transmissão, estações e subestações. Durante o percurso, são utilizados inúmeros transformadores, que não apenas alteram o valor da tensão e controlam a corrente, como mantêm a potência elétrica estável e reduzem as perdas por efeito Joule. Outra vantagem dos transformadores é que os cabos usados na linha de transmissão não precisam ser muito grossos.
     Vamos acompanhar o percurso desde a usina de geração de energia até os consumidores.
     Normalmente, a usina gera tensão na ordem de 10 000 V, que o transformador elevador de tensão aumenta para 150 000 a 400 000 V. Não se eleva a tensão acima de 400 000 V para evitar o efeito corona (uma espécie de descarga elétrica através do ar), que causa perda de energia.
     Para ser transportada em grandes distâncias, a energia elétrica segue por cabos instalados em linhas de transmissão. Por ficarem suspensos, os cabos da linha de transmissão não oferecem risco às pessoas, motivo pelo qual não recebem revestimento isolante. Eles são compostos por um trançado de alumínio com aço que garante a condutibilidade e resistência mecânica para suportar o próprio peso, as mudanças climáticas e os fortes ventos.
     Durante a transmissão, ocorrem perdas de energia nos cabos, porque estes, apesar de apresentarem baixa resistência elétrica, são muito longos. Para amenizar as perdas, instalam-se subestações de energia. Assim, quando a tensão é mais uma vez elevada, as perdas são compensadas.
     Ao chegar próximo aos consumidores, a tensão deve ser reduzida, para não oferecer risco à vida e também para fazer funcionar os aparelhos elétricos, eletrônicos e eletroeletrônicos na tensão adequada.

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Capacitância

     Carga de um capacitor é a carga elétrica armazenada na armadura positiva. Capacitância ou capacidade eletrostática é a grandeza que indica a capacidade do componente de armazenar cargas, expressa pela relação:

      em que:
          • V é a tensão entre as armaduras do capacitor, medida em volt;
          • Q a carga da armadura positiva do capacitor, em coulomb;
          • C a capacitância do capacitor, dada em farad.
     Essa unidade é de ordem de grandeza elevada, por isso costuma-se trabalhar com seus submúltiplos:
          • Microfarad: 1 mF = 10–6 F
          • Nanofarad: 1 nF = 10–9 F
          • Picofarad: 1 pF = 10–12 F
     De maneira análoga aos resistores, os capacitores têm valores padronizados de capacitância: 1 – 1,2 – 1,5 – 1,8 – 2,2 – 2,7 – 3,3 – 4,7 – 5,6 – 6,8 – 8,2 com fatores multiplicativos da base 10, de modo a obter valores dentro da faixa estabelecida anteriormente (μF até pF).
     Sob tensão excessiva, os capacitores podem sofrer danos irreparáveis. A tensão máxima que eles são capazes de suportar entre suas armaduras sem que isso ocorra é chamada tensão de isolação. Tanto os valores da capacitância como da tensão de isolação são indicados pelos fabricantes no próprio capacitor. Em alguns deles, a identificação é feita mediante um código de cores associado a algarismos.

Figura 1

Tabela 1

     
     Exemplo;
          Identifique a capacitância e a tensão dos capacitores indicados nas tabelas 2 e 3.

Tabela 2

Tabela 3

      Solução:
     Tabela 10.2: (10 · 103 + 10%) pF ou (10 + 10%) nF e 250 V.
     Tabela 10.3: (22 · 104 + 10%) pF ou (220 + 10%) nF e 400 V.
     Atualmente, os capacitores de poliéster metalizado apresentam encapsulamento na cor laranja e seus valores podem estar impressos de forma direta, com a seguinte codificação:
          • Se for número inteiro, está expresso em nF.
          • Se for número fracionário, está expresso em mF.
     A letra que acompanha o valor numérico representa a tolerância, de acordo com o código:
          • J = 5%
          • K = 10%
          • M = 20%
     O valor da tensão de isolação é impresso integralmente, sem código.
     A figura 2 apresenta dois exemplos desse tipo de capacitor.

Figura 2

     
 

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Indutores

     São dispositivos constituídos de espiras ou fios enrolados sobre um núcleo (bobinas) que têm por finalidade armazenar energia potencial elétrica com a criação
de um campo magnético.

 

     Vamos analisar um indutor desenergizado, ligado apenas a um amperímetro muito sensível (galvanômetro) de zero central (permitindo o deslocamento do ponteiro nos dois sentidos), sem qualquer tipo de gerador ligado ao indutor.
 

     Movimentando o ímã nas proximidades do indutor, o galvanômetro indica a existência de corrente elétrica no circuito, pelo deslocamento do ponteiro. Se o movimento do ímã cessar (com o ímã no interior do indutor ou em uma posição qualquer), a indicação do amperímetro passa a ser zero, ou seja, deixa de existir corrente elétrica no circuito.
     Considerando o ímã parado no centro do indutor, se o retirarmos, por exemplo, pelo mesmo lado pelo qual foi introduzido, o amperímetro registra novamente a existência de corrente elétrica no circuito, só que dessa vez o movimento do ponteiro se dá em sentido contrário ao anterior, indicando que a corrente elétrica possui sentido oposto ao da primeira.
     É comum, em vez de trabalhar com o campo magnético, utilizar o fluxo magnético (Φ), que está relacionado às linhas de força magnética existentes. No SI, a unidade de fluxo é o weber (Wb), em homenagem ao físico alemão Wilhelm Eduard Weber (1804-1891).

 
     Pode-se então concluir que o indutor reage a toda e qualquer variação do fluxo magnético em seu interior, ‘‘produzindo’’ uma tensão e corrente elétrica (induzidas). O sentido em que ambas se estabelecem é tal que elas se opõem à variação do fluxo. Isso pode ser explicado pela ação do campo magnético do ímã sobre as partículas no interior do condutor (fio), na forma de força magnética.
     O parâmetro que relaciona o campo magnético com a corrente induzida é denominado indutância (L), obtido pela expressão:

   

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