Prédios inteligentes desempenham
um papel importante na sociedade
moderna. A capacidade de oferecer
um ambiente de trabalho segura e
confortável é pré-requisito. A gestão
de grandes empreendimentos não
se mostra viável sem um moderno
sistema de Automação e Controle
Predial. Nesta apostila são
apresentados os conceitos básicos
de sensores, atuadores e
controladores DDC utilizados em
projetos de automação predial.
Automação Predial Conceitos Básicos
Eng.º Carlos André Barbosa de Almeida
Apostila Treinamento Automação Predial
Autor: Eng. Carlos A Barbosa
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SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ............................................................................................ 3
1.1. Prédios Inteligentes ............................................................................... 4
1.2. Sistemas de Automação Predial ........................................................... 4
1.2.1. Utilidades prediais – BMS ............................................................... 5
1.2.2. Controle ambiental - Ar condicionado (HAVC)................................ 6
1.2.3. Monitoramento - (CFTV) ................................................................. 6
1.2.4. Proteção - (SDAI) ........................................................................... 6
1.2.5. Segurança - (SAI e SCA) ................................................................ 7
2. SINAIS e SISTEMAS .................................................................................. 7
2.1. Controle de Processos .......................................................................... 7
2.2. Sinais .................................................................................................... 9
2.3. Condicionamento de sinais ................................................................. 10
2.4. Transdutores ....................................................................................... 11
2.5. Sensores ............................................................................................. 12
2.5.1. Sensores de Posição .................................................................... 13
2.5.2. Sensores de pressão .................................................................... 14
2.5.3. Sensores de nível ......................................................................... 16
2.5.4. Sensores de temperatura ............................................................. 18
3. ATUADORES ............................................................................................ 24
3.1. Sinais de controle ................................................................................ 25
3.2. Atuadores Elétricos ............................................................................. 25
3.3. Atuadores Pneumáticos ...................................................................... 25
3.4. Atuadores Hidráulicos ......................................................................... 25
3.5. Atuadores Combinados ....................................................................... 25
4. CONTROLADORES CLP e DDC .............................................................. 26
4.1. CLP ..................................................................................................... 26
4.2. Entradas digitais .................................................................................. 27
4.3. Entradas analógicas ............................................................................ 28
4.4. Saídas digitais ..................................................................................... 28
4.5. Saídas analógicas ............................................................................... 28
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5. EQUIPAMENTOS COMERCIAIS .............................................................. 28
5.1. Links para os fabricantes: ................................................................... 29
6. REDES COMUNICAÇÃO .......................................................................... 29
7. PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃO ....................................................... 30
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LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Disciplinas de um BAS. ..................................................................... 5
Figura 2 - Sistema em malha fechada. ............................................................... 8
Figura 3 - Sistema em malha aberta .................................................................. 8
Figura 4 - Processo controlado em malha fechada ............................................ 9
Figura 5 - Sinal analógico. .................................................................................. 9
Figura 6 - Sinal discretizado. ............................................................................ 10
Figura 7 - Linearização de Sinais. .................................................................... 11
Figura 8 – Transdutor. ...................................................................................... 12
Figura 9 - Sensor de Posição. .......................................................................... 13
Figura 10 - Aplicação de sensor de posição. .................................................... 13
Figura 11 - Encoder óptico rotativo. ................................................................. 14
Figura 12 - Encoder absoluto ........................................................................... 14
Figura 13 - Sensor Tubo de Bourdon ............................................................... 15
Figura 14 - Sensor tipo FOLE. .......................................................................... 16
Figura 15 - Sensor de pressão semicondutor. .................................................. 16
Figura 16 - Medidores de nível discreto. .......................................................... 17
Figura 17 - Medidores de nível contínuo. ......................................................... 18
Figura 18 - Termostato bimetal. ....................................................................... 19
Figura 19 - Termopar........................................................................................ 19
Figura 20 – RDT ............................................................................................... 19
Figura 21- Sensor de vazão placa de orifício ................................................... 20
Figura 22- Tubo Venturi.................................................................................... 20
Figura 23 - Tubo Pitot. ...................................................................................... 21
Figura 24 - Sensor tipo turbina. ........................................................................ 21
Figura 25 - Medidores magnéticos. .................................................................. 22
Figura 26 - Relé Sensor de Corrente. .............................................................. 23
Figura 27 - Sensor de corrente efeito Hall. ....................................................... 23
Figura 28-Monitor de tensão. ........................................................................... 24
Figura 29-Sensor de umidade. ......................................................................... 24
Figura 30 - Ciclo do CLP. ................................................................................. 26
Figura 31 - Arquitetura interna. ......................................................................... 27
Figura 32 - Entrada digital ................................................................................ 27
Figura 33 - Entrada analógica .......................................................................... 28
Figura 34 - Saídas digitais (tipos) ..................................................................... 28
Figura 35 - Saídas analógicas .......................................................................... 28
Figura 36 - Hierarquia de três níveis ................................................................ 30
1. INTRODUÇÃO
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Sistemas prediais de supervisão e controle são essenciais aos gerentes
de Facility, na medida em que possibilitam a gestão das funcionalidades do
empreendimento, reduzindo custos de manutenção e operação. Estudos
mostram que os custos de manutenção de um prédio, com todas as suas
utilidades e sistemas elétricos, hidráulicos, de transporte, iluminação, ar
condicionado e segurança podem chegar a 7% ao ano do custo de sua
construção (Wang, 2010).
1.1. Prédios Inteligentes
Existem interpretações diversas sobre o que conceitua um prédio
inteligente, de acordo com a abordagem adotada na avaliação, tais como
definições baseadas em desempenho, em serviços ou em sistemas.
Definições baseadas em desempenho, como a elaborada pelo European
Intelligent Buildind Group (EIBG), consideram os aspectos que tornam o
ambiente de trabalho mais eficiente, ao mesmo tempo em que permite um
gerenciamento eficaz sobre os recursos, reduzindo custos de manutenção e
operação (Moghaddan, 2012).
Para as definições baseadas em serviços, como a sugerida pelo
Japanese Intelligent Building Intitute (JIBI) são avaliadas a qualidade dos
serviços das facilidades de comunicações, automação de escritórios, automação
predial e a sua conveniência para atividades inteligentes (Mourinho, 2014).
Na abordagem baseada em sistemas, considera-se a necessidade da
existência de sistemas de automação predial, automação comercial, rede de
comunicações e uma composição otimizada de integração de infraestrutura,
serviços, sistemas e gerenciamento, proporcionando um prédio com alta
eficiência, conforto, conveniência e segurança aos usuários (Wang, 2010).
Para fins deste trabalho, adotando a definição de Wang (2010),
considera-se um prédio como sendo “inteligente” se dotado de um sistema
integrado de supervisão, controle e gerenciamento da operação, manutenção,
insumos, utilidades, segurança e que disponibilize ambientes adequados às
atividades humanas com eficiência, conforto, qualidade de vida e segurança.
1.2. Sistemas de Automação Predial
A automação predial compreende uma ampla gama de sistemas
especializados de supervisão e controle das diversas funcionalidades em um
prédio, reunidos sob a sigla BAS – Building Automation Systems, sendo
essenciais para a operação e manutenção segura do empreendimento.
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A figura 1 ilustra o conjunto de sistemas que compõem o BAS,
organizados em disciplinas de aplicação:
Figura 1 – Disciplinas de um BAS.
Fonte: O Autor (2015).
1.2.1. Utilidades prediais – BMS
O Building Management System - BMS ou Sistema de Gerenciamento
Predial é um destes sistemas especializados, compreendendo as utilidades
prediais, como sistemas elétricos, sistemas hidráulicos, controle de iluminação,
sistemas de transporte como elevadores e escadas rolantes, medição de
consumos de água, gás e energia elétrica. O BMS fornece informações e status
de todos os dispositivos em tempo real aos gerentes operacionais dos
empreendimentos, proporcionando meios de supervisão e controle
principalmente para melhoria na manutenção dos sistemas, através de históricos
de eventos, relatórios gerenciais bem como a interatividade entre os diversos
sistemas que o compõem.
O BEMS, um dos módulos do BMS compreende todas as funcionalidades
de medição de energia global e individual das unidades consumidoras, controle
de iluminação, controle de demanda e acionamento de fontes de energia
alternativas como geradores e unidades UPS, bem como a modulação do HVAC
para fins de otimização do consumo de energia (Wang, 2010).
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1.2.2. Controle ambiental - Ar condicionado (HAVC)
Os sistemas de controle ambiental, como o de condicionamento de
ar através do controle de temperatura, umidade, seja para conforto ambiental ou
para refrigeração de equipamentos eletrônicos são designados pela sigla HVAC
de Heating Ventilation and Air-Conditioning, incluem-se nesta disciplina os
sistemas de ventilação e exaustão, responsáveis por garantir qualidade do ar.
O HVAC é composto por uma parte mecânica com montagem de dutos
de circulação do ar, uma parte hidráulica para fornecimento do líquido
refrigerante adequado e por uma parte eletrônica composta por instrumentos de
campo, controladoras e gerenciadoras, todos estes componentes operam de
forma conjunta executando algoritmos especializados para disponibilizar no
ambiente um ar de qualidade e a uma temperatura confortável para que os
ocupantes possam desenvolver suas atividades com produtividade e qualidade
de vida (Sugarman, 2001).
1.2.3. Monitoramento - (CFTV)
O sistema de CFTV é uma ferramenta essencial no gerenciamento
predial, por oferecer a facilidade da quase onipresença dos elementos de
segurança e operadores do BMS, ao disponibilizar informações visuais em
tempo real sobre diversos locais dentro de uma instalação predial sem a perda
do tempo de deslocamento para verificação visual. O CFTV é muitas vezes
associado a eventos de alarme dos sistemas de SCA, SAI, SDAI ou BMS visando
a redução do tempo de resposta a eventos que exigem a intervenção dos
operadores, ampliando assim a eficácia do sistema BAS.
1.2.4. Proteção - (SDAI)
O SDAI é um sistema determinado por meio de normativas técnicas,
no Brasil a ABNT estabeleceu, através da NBR 17240:2012 as orientações para
elaboração e instalação de sistemas especializados de detecção e alarme de
incêndio.Estes sistemas são, de acordo com critérios específicos estabelecidos
por lei estaduais, interligados aos sistemas de HVAC e exaustão para o controle
de fumaça, e ao sistema BMS para fins de comando de elevadores, iluminação
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de emergência e outros, no sentido de proteção às pessoas, em primeiro lugar,
e ao patrimônio em segundo lugar (ABNT, 2015).
1.2.5. Segurança - (SAI e SCA)
Os Sistemas de Alarme de Intrusão - SAI possuem a finalidade precípua
de proteção patrimonial, estando associado às equipes de vigilância patrimonial
do prédio, enviando eventos para os sistemas de CFTV, SCA ou mesmo BMS
com a finalidade de, através da associação de eventos, gerar informações mais
consistentes sobre os eventos em andamento. Assim, lógicas de associação e
tratamento dos eventos podem oferecer ao operador da central de segurança
uma informação mais completa acerca de um determinado evento.
O sistema de controle de acesso - SCA é especializado no controle do
bloqueio ou liberação do acesso de pessoas, veículos e ativos, com objetivos de
segurança, mas que pode ser usado para fornecer ao BEMS informações
importantes para o gerenciamento de energia, uma vez que através do SCA
pode-se saber a localização das pessoas e ocupação das áreas e desta forma,
antecipar ações de controle sobre iluminação, HVAC e do BMS, permitindo
assim uma otimização dos recursos disponíveis.
2. SINAIS E SISTEMAS
2.1. Controle de Processos
Processos são definidos como uma sequência de tarefas ou atividades
que utilizam recursos e resultam em um determinado produto ou serviço. O
controle de processos pode ser manual ou automático. Como exemplo de
controle de processo manual podemos citar o ajuste de temperatura do chuveiro
residencial, realizado pelo usuário de acordo com a temperatura ambiente e da
água.
Segundo Ogata (1998) o controle de processo pode ser em malha
fechada ou em malha aberta. O controle em malha fechada utiliza uma amostra
do sinal de saída do processo, através de sensores, para realizar correções no
processo, visando manter o processo sob determinadas condições de operação
previstas para o correto funcionamento do processo, como ilustra a figura 2 com
um diagrama em blocos.
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Figura 2 - Sistema em malha fechada.
Fonte: O autor.
O controle em malha aberta não possui retroalimentação de informações,
de forma que o processo deve possuir um algoritmo que limite sua atuação sem
o uso de referências da saída produzida, geralmente empregado em controles
simples como por exemplo controle de ar condicionado automotivo não digital. A
figura 3 ilustra este processo.
Figura 3 - Sistema em malha aberta
Fonte: O autor
A figura 4 ilustra um digrama em blocos de um processo em malha
fechada completo, onde se observam as variáveis de processo, variáveis de
controle, o setpoint, que é o valor desejado, os atuadores, sensores, controlador
e o processo (CARRILHO, 2015).
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Figura 4 - Processo controlado em malha fechada
Fonte: Carrilho (2015).
2.2. Sinais
Sinais são informações sobre um dado domínio. Quando falamos, por
exemplo, usamos ondas mecânicas para modular o meio de transmissão, no
caso o ar que nos envolve, enviando informações de um transmissor para
receptor.
Cada domínio possui seus sinais característicos, ondas mecânicas no
domínio mecânico, ondas elétricas ou eletromagnéticas no domínio elétrico, etc.
Os sinais basicamente podem ser analógicos ou digitais. Os sinais
analógicos possuem a característica de serem contínuos no tempo enquanto os
digitais são em tempo discreto.
Segundo Oppenheim, Willsky & Nawab (1983), sinais são representados
por funções matemáticas com uma ou mais variáveis.
Figura 5 - Sinal analógico.
Fonte: Oppenheim (1983).
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Os sinais podem ser em tempo contínuo, como o sinal analógico ilustrado
na figura 5, ou em tempo discreto, como o ilustrado na figura 6:
Figura 6 - Sinal discretizado.
Fonte: Oppenheim (1983).
A digitalização de sinais compreende a quantização dos níveis da
discretização do sinal analógico, e sua representação correspondente em bits
para armazenamento em memória digital. Quando digitalizamos as informações,
estamos guardando uma representação do mundo real, e não a informação
original.
2.3. Condicionamento de sinais
Os sinais obtidos de sensores ou transdutores, na maioria dos casos
precisam ser processados para determinadas condições para poderem ser
utilizados pelos controladores de sistemas. Um exemplo clássico é a linearização
de um sinal não linear dentro de uma faixa de operação confiável para a coleta
das informações de medição.
A figura 7 ilustra um exemplo de linearização (L) de um sinal (S) que
possui uma característica não linear de operação. Para processar de forma
adequada o sinal, é preciso aplicar uma transformação no sinal, utilizando
apenas a parte linear indicada pela reta em vermelho. Esta linearização implica
em perda de informações pois não é a representação fiel do sinal, portanto
sempre há um certo erro nos processos, o que deve ser corrigido pelos
algoritmos de controle.
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Figura 7 - Linearização de Sinais.
Fonte: O autor.
Existem outras técnicas de condicionamento de sinais, como filtrar os
sinais para retirada de harmônicas, amplificação, compressão de amplitude, etc.
2.4. Transdutores
Transdutores são dispositivos que transformam grandezas de um
domínio para outro, como por exemplo do domínio mecânico para o elétrico. Um
diodo laser transforma um sinal elétrico (domínio elétrico) em um sinal óptico
(domínio óptico).
Podemos também definir um transdutor como um dispositivo que
transforma um tipo de energia em outro, utilizando-se de um elemento sensor e
uma saída. O transdutor é a interface entre estes domínios, transformando um
tipo de energia presente no domínio A para outro tipo de energia presente no
domínio B, conforme ilustra a figura 8.
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Figura 8 – Transdutor.
Fonte: O autor (2015).
2.5. Sensores
Sensores são transdutores destinados a capturar informações sobre um
determinado processo ou evento, transformando as grandezas físicas do
processo em grandezas elétricas, que são usadas como referência pelos
controladores eletrônicos KILIAN (2000).
Existem diversos tipos de sensores, cada qual desenvolvido para uma
aplicação especifica, como tipo de processo, ambiente de trabalho, grandeza
física a medir, faixa de operação, tipo de controlador, etc.
Os sensores podem disponibilizar em sua saída um sinal discreto, como
um contato seco, atuando como uma chave liga-desliga, ou podem disponibilizar
em sua saída um sinal analógico proporcional ao sinal de entrada, neste caso
são denominados como transmissores de sinal.
Existem sensores que possuem uma interface de comunicação digital,
que permite que o sensor se comunique com o controlador empregando um
protocolo digital, o que assegura maior confiabilidade e maior distância entre o
sensor e o controlador.
Existem três características importantes a serem consideradas em um
sensor:
Acuidade, Precisão, e repetibilidade:
A acuidade pode ser definida como quão próxima é a medida fornecida pelo
sensor da quantidade verdadeira que está sendo medida. A precisão determina
quão próximos são os valores fornecidos por diversos sensores ao medir uma
mesma variável. A repetibilidade é habilidade de um sensor de repetir suas
leituras precedentes.
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Com relação à sua aplicação, os sensores são basicamente
classificados em:
2.5.1. Sensores de Posição
Podem ser do tipo potenciômetro, que convertem movimento angular ou
linear em variação de resistência, usados por exemplo em dampers nos sistemas
de VAV (Volume de Ar Variável) para detectar sua posição instantânea.
Figura 9 - Sensor de Posição.
Fonte: Carrilho (2004)
A figura 10 ilustra a aplicação de um sensor de posição acoplado ao eixo
do motor, a posição angular do eixo pode ser informada em tempo real para o
controlador, permitindo um controle preciso de posição.
Figura 10 - Aplicação de sensor de posição.
Fonte: Carrilho (2004)
Sensores de posição podem ser do tipo encoder, onde um sensor óptico é
acionado por um disco. Existem dois tipos de encoders:
Encoder óptico rotativo incremental, que permite determinar variações de
posição e velocidade, porém não permitem determinar a posição
instantânea quando o sistema é iniciado, precisa de uma referência inicial.
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Figura 11 - Encoder óptico rotativo.
Fonte: Carrilho (2004).
Encoder absoluto, que permite determinar a posição inicial, variações
angulares de posição e velocidade instantânea, por meio de codificação
binária (código Grey), conforme ilustra a figura 12:
2.5.2. Sensores de pressão
Pressão é a razão entre uma força e a área sobre a qual é aplicada. A
medição da pressão envolve dois processos:
Transformação da pressão em uma força ou deslocamento;
Transformação da força ou deslocamento em sinal elétrico.
Tipos de medição de pressão:
Figura 12 - Encoder absoluto
Fonte: Carrilho (2004)
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Pressão Gauge – diferença entre a pressão de interesse e a
pressão ambiente;
Pressão diferencial – diferença entre dois pontos distintos do
processo;
Pressão absoluta – medida com um sensor diferencial com um dos
pontos em 0psi, próximo ao vácuo absoluto.
Tecnologias de sensores de pressão:
Tubo de Bourdon, onde o fluído provoca uma deformação e
consequente deslocamento, linear ou angular, um sensor do tipo
LVDT transforma esta deformação em sinal elétrico, opera de 30 a
100.000 psi, tipicamente para medir pressão gauge em vapor d’agua
e água.
Figura 13 - Sensor Tubo de Bourdon
Fonte: Carrilho (2004)
Sensor tipo FOLE, que empregam um fole para transformar pressão
diferencial diretamente em um movimento linear, indicados para
pressões até 30psi, geralmente para dutos de ar condicionado.
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Figura 14 - Sensor tipo FOLE.
Fonte: Carrilho (2004).
Sensores de pressão a semicondutor, empregam a propriedade
piezelétrica dos semicondutores, transformando a pressão sobre o
elemento sensor, no caso uns cristais semicondutores, diretamente
em variação de condutividade do material. Sem partes móveis, são
bastante estáveis e com ampla faixa de aplicação, desde 0 a 1,5 ou
de 0 a 5.000 psi.
Figura 15 - Sensor de pressão semicondutor.
Fonte: Carrilho (2004).
2.5.3. Sensores de nível
Sensores de nível medem a altura do líquido dentro de um vaso ou
reservatório. Existem diversas tecnologias de medição de nível, basicamente
divididas em dois grandes grupos:
Medidores discretos, que indicam apenas quando o líquido atinge
determinado nível previamente estabelecido:
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Figura 16 - Medidores de nível discreto.
Fonte: Carrilho (2004)
Na figura 16, as tecnologias empregadas em cada tipo são:
(a) Medição com chave bóia elétrica;
(b) Medição com sensor óptico;
(c) Medição por resistividade do líquido entre os eletrodos.
Outras técnicas como sensor capacitivo ou indutivo, instalados nas paredes do
reservatório podem ser utilizadas.
Medidores de nível contínuo, possibilitando calcular em tempo real o
volume disponível no reservatório.
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Figura 17 - Medidores de nível contínuo.
Fonte: Carrilho (2004).
Na figura 17, as tecnologias empregadas são em cada tipo são:
(a) Medição do nível por posição da bóia com contrapeso;
(b) Medição por diferença de pressão hidrostática;
(c) Medição por peso de líquido;
(d) Medição por resistência ou capacitância;
(e) Medição por efeito doopler (ultrassom).
2.5.4. Sensores de temperatura
Sensores de temperatura são amplamente utilizados, fornecendo uma
saída proporcional à temperatura no ponto de medição.
Podem ser do tipo ON-OFF, tal como um bimetal que possui uma
calibração ou ajuste do ponto de acionamento, como indicado na figura
18, são mais conhecidos por termostatos, ou chave térmica.
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Figura 18 - Termostato bimetal.
Fonte: Carrilho (2004).
Termopar por efeito SEEBECK, onde uma junção metalúrgica de dois
metais diferentes desenvolve uma tensão diferencial proporcional à
diferença de temperatura em relação a outra junção.
Figura 19 - Termopar.
Fonte: Carrilho (2004)
Resistence Temperature Detector (RTD), princípio de funcionamento
baseado na variação da resistência de um metal em relação à
temperatura, o mais utilizado é a platina em função da estabilidade,
exemplo PT-100, que possui 100Ω a 0º.
Figura 20 – RDT
Fonte: Carrilho (2004)
A figura 20 ilustra um dispositivo RDT, que possuem como principais
características baixa sensibilidade e resposta lenta, boa precisão e
estabilidade em ampla faixa de temperaturas.
Termistores, são componentes eletrônicos sensíveis às variações de
temperatura, como:
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o PTC (Positive Temperature Coeficiente);
o NTC (Negative Temperature Coeficient);
o Semicondutores, estes com base na deriva térmica.
Os termistores são mais rápidos e sensíveis que os RDT, mas apresentam
grande não linearidade nas medições.
2.5.5. Sensores de vazão
Medem a quantidade de material fluído passando por um ponto em
determinado intervalo de tempo, geralmente gás ou líquido.
Os diversos tipos de medidores de vazão são:
Sensores de vazão por pressão diferencial, o mais utilizado é o de placa
de orifício, onde a vazão é calculada em função da diferença de pressão
entre dois pontos fixos:
Figura 21- Sensor de vazão placa de orifício
Fonte: Carrilho (2004).
Sensor por tubo Venturi, que também utiliza a diferença de pressão, neste
caso causada por um estrangulamento gradual no diâmetro do tubo,
ocasionando a queda de pressão, pode-se assim medir esta variação
como proporcional à vazão de líquido esconado.
Figura 22- Tubo Venturi.
Fonte: Carrilho (2004).
Sensor por tubo Pitot, composto por dois tubos que encaram de frente o
fluxo, o primeiro, aberto de frente para a vazão, mede a pressão de
impacto, e o segundo, com abertura perpendicular à vazão, mede a
pressão estática. A pressão de impacto é sempre maior que a vazão
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estática, e a diferente entre as duas é proporcional à velocidade e esta é
proporcional à vazão do fluído.
Figura 23 - Tubo Pitot.
Fonte: Carrilho (2004).
Sensor de vazão por turbina, conhecidos por spin ou flowmeters, utilizam
uma hélice no eixo do tubo no fluxo do fluído, sendo a velocidade de
rotação da hélice proporcional à velocidade do fluxo, a rotação da hélice
é capturada por um sensor de efeito Hall, gerando um pulso a cada
determinada unidade de volume de líquido.
Figura 24 - Sensor tipo turbina.
Fonte: Carrilho (2004)
Medidores de vazão magnéticos utilizam um eletroímã que gera um
campo magnético constante que atravessa o tubo e o fluido. O fluído ao
passar comporta-se como um condutor, as cargas elétricas deslocam-se
ortogonalmente em relação ao eixo do fluxo e do campo, resultando numa
tensão proporcional ao volume que circula (efeito Hall), conforme ilustra a
figura 25.
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Figura 25 - Medidores magnéticos.
Fonte. Carrilho (2015).
2.5.6. Sensores de corrente
Sensores de corrente detectam a corrente que circula por um
condutor através do campo eletromagnético causado pela circulação da
corrente. São utilizados para detectar quando um equipamento está consumindo
potência (ligado), podem ser dos seguintes tipos:
Relé sensor de corrente eletromagnético, que operam pelo princípio do
acionamento de um relé através do acoplamento magnético
proporcionado pelo campo em circuitos de CA, com total isolação
galvânica como ilustra a figura 26, possuem apenas sinalização por
contato seco NA ou NF, e podem possuir encaixe articulado para
instalação sem seccionar ou remover os condutores.
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Figura 26 - Relé Sensor de Corrente.
Fonte: GE (2015).
Sensores de corrente por efeito Hall, que fornecendo um sinal de saída
proporcional à corrente medida, permite medir tanto CC como CA, com
total isolação galvânica, conforme ilustra a figura 27:
Figura 27 - Sensor de corrente efeito Hall.
Fonte: Internet (2015).
2.5.7. Monitores de tensão
Conhecidos como sensores de fase, ou relés de falta de fase, são
dispositivos que interligados às redes trifásicas de alimentação de equipamentos
supervisionam a presença e sequência correta das fases, ou mesmo falta de
aterramento no sistema. Qualquer anomalia provoca o acionamento do relé que
aciona a proteção do equipamento, como desligar uma contatora.
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Figura 28-Monitor de tensão.
Fonte: WEG (2015).
2.5.8. Sensores de umidade
Utilizando tecnologia de circuito eletrônicos com semicondutores, os
sensores de umidade medem a umidade relativa do ar entre 0-100%, na faixa de
temperatura de 0 a 85ºC, algumas literaturas apresentam como “umidistor”, são
componentes especiais. O modelo DH111 possui sensor de temperatura e
humidade integrados em um único componente e possui saída digital serial com
resolução de 0,1% na leitura da umidade e 0,1ºC na leitura da temperatura.
Figura 29-Sensor de umidade.
Fonte: Internet (2015).
3. ATUADORES
Atuadores são os equipamentos que realizam as ações de controle sobre
os processos, alterando parâmetros físicos em campo. Os atuadores podem ser
de diversos tipos, de acordo com a sua aplicação:
Elétricos
Pneumáticos
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Hidráulicos
Mecânicos
Combinados
3.1. Sinais de controle
Controladores DDC – Direct Digital Control são capazes de atuar
diretamente sobre atuadores com funções complexas.
As saídas de controle podem ser analógicas, nas quais o sinal pode variar
continuamente entre dois valores (2-10V) ou digitais, onde o sinal pode
ter apenas dois valores possíveis (0 ou 10V).
Para fins de controle sobre dispositivos atuadores, existem basicamente
os seguintes métodos:
On-Off (open-close), no qual um sinal digital comanda um
dispositivo ligando ou desligando;
Floating point (tristate), no qual um sinal digital aciona uma entrada
que comanda um dispositivo a operar num sentido (ou direção) ou
numa segunda entrada para operar em sentido oposto, ou sem
sinal, de forma a para o dispositivo onde se encontra;
Proporcional, onde através de um sinal analógico de (2-10V ou 4-
20mA) modulando a posição do dispositivo;
PWM (Pulse Width Modulation) é possível controlar ou modular o
dispositivo em tempo real.
3.2. Atuadores Elétricos
Motores, controladores de damper, servo-motores, atuadores de
válvulas, inversores de frequência.
3.3. Atuadores Pneumáticos
Válvula pneumática, compressor, pistão pneumático
3.4. Atuadores Hidráulicos
Válvulas hidráulicas, pistão hidráulico, motores hidráulicos
3.5. Atuadores Combinados
Válvulas eletropneumáticas
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4. CONTROLADORES CLP E DDC
4.1. CLP
Os controladores são os equipamentos que realizam as funções de
leitura dos sensores, processam as informações através de um algoritmo de
controle adequado ao processo sobre o qual atuam através de atuadores.
CLP – Controlador lógico programável é uma categoria de equipamentos
que por definição um computador de pequeno porte, com sistema embutido e
programado para realizar um processo contínuo de uma máquina de estados
com o ciclo de:
Leitura de entradas
Execução do programa
Atualização de saídas
O tempo de execução deste ciclo é denominado tempo de scan, e definido
de acordo com a aplicação. Aplicações de controle de posição, por exemplo,
requer um tempo máximo de 2mS ou seja, 500 atualizações por segundo de
uma posição.
O programar armazenado no CLP pode ser criado usando diversas
linguagens de programação, sendo as normatizadas definidas pela IEC
61.131-3, e inclui obrigatoriamente:
Ladder
Lista de instruções
SFC
Blocos de funções (FBD)
Texto estruturado
Figura 30 - Ciclo do CLP.
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Os CLP dotados de ações de controle PID (Proporcional, Integral e
Derivativo) são denominados de DDC, e possuem programação flexível de
acordo com o processo que controla.
Na área de automação predial, devido à necessidade de controles com
algoritmos entálpicos para sistemas de HVAC, são utilizados os DDC.
A arquitetura interna de um PLC é ilustrada na figura 31, onde pode-se
observar a CPU que lê e executa o programa, a memória, dividida em área
de dados e de programa e as portas de entradas e saídas.
Figura 31 - Arquitetura interna.
CLP Fonte: O autor.
4.2. Entradas digitais
Figura 32 - Entrada digital
Fonte: Carrilho (2004)
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4.3. Entradas analógicas
Figura 33 - Entrada analógica
4.4. Saídas digitais
Figura 34 - Saídas digitais (tipos)
4.5. Saídas analógicas
Figura 35 - Saídas analógicas
5. EQUIPAMENTOS COMERCIAIS
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Existem diversos fabricantes para as soluções de tecnologias de
sensores, atuadores e controladoras DDC apresentadas nos itens anteriores. O
entendimento do princípio de funcionamento de cada tipo de sensor é a base
para identificar o sensor comercialmente disponível para cada aplicação.
5.1. Links para os fabricantes:
www.weg.net.br
www.deltacontrols.com.br
www.belimo.com
http://www.romiotto.com.br/
http://www.gestal.com/new/
http://www.gavazzi-automation.com/
http://www.bapihvac.com/
http://workaci.com/
6. REDES COMUNICAÇÃO
Segundo (Kastner, Neugschwandtner, Soucek, & Newmann, 2005), um
sistema de automação predial é composto por diversas camadas, cada qual com
elementos especializados para desempenhar um papel definido dentro do
conjunto, visando disponibilizar as funcionalidades que os usuários demandas
nas suas atividades diárias.
A rede de comunicações em um sistema de automação predial é a
espinha dorsal que possibilita as ações de supervisão e controle do sistema
sobre os dispositivos de campo, entre as controladoras e com o sistema
supervisório central, onde reside a base de dados e os algoritmos de controle
dos sistemas.
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Figura 36 - Hierarquia de três níveis
Fonte: Adaptado de Kaster et.al. (2005).
A figura 8 apresenta as diversas camadas de comunicação, onde pode-
se observar três níveis principais: nível de campo, onde residem os dispositivos
de campo como sensores e atuadores, nível de automação onde operam as
controladoras DDC e o nível de gerenciamento, onde encontramos o
supervisório SCADA, o sistema de banco de dados, interfaces com outros
sistemas.
7. PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃO
Em cada um destes níveis na hierarquia do sistema opera um protocolo
de comunicação específico, desenvolvido de acordo com as necessidades
funcionais do sistema. Os protocolos mais utilizados na área de automação
predial são:
Rede de campo: MODBUS-RTU, BACnet MS/TP, KNX,
LonWorks, DALI,
Rede de automação:BACNET ETHERNET, MODBUS TCP
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Rede de Gerência: TCP/IP, OPC, BACnet IP
A Tabela 2 mostra onde se enquadram alguns dos diversos
componentes da comunicação dos protocolos listados em relação ao modelo
ISO:
Tabela 1 – Protocolos e as camadas ISO.
CA
MA
DA
ISO
:
Aplicação Aplicação Específica
Apresentação
Sessão BACNnet IP MODBUS IP
Transporte
BACnet MS/TP
TCP BACnet TCP
MODBUS-RTU
TCP
Rede IP IP
Enlace Ethernet Ethernet
Ethernet
Física RS-485 RS-485
Fonte: O autor (2015)
Durante a evolução tecnológica dos sistemas de automação predial,
alguns fabricantes desenvolveram protocolos de comunicação proprietários no
nível de automação com base no padrão elétrico RS485, como por exemplo, o
Metasys N2, da Jonhson Controls.
Na camada de rede de campo, alguns protocolos desenvolvidos para a
área industrial foram herdados na área de automação predial, como
consequência aplicação de controladores lógicos programáveis (CLP) neste
domínio, citando-se como exemplos o CANopen, DeviceNet e Profibus
(KARSTEN et al., 2005).
Devido a esta diversidade de protocolos, muitos adaptados ao uso nos
sistemas de automação predial, os profissionais da área de engenharia de ar
condicionado, através da ASHRAE – American Society of Heating, Refrigerating
and Air-Conditioning Engineers, criaram em 1987 o protocolo aberto BACnet,
desenvolvido especialmente para controle de sistemas prediais, que vem sendo
constantemente atualizado.
O BACnet é um protocolo orientado a objeto, onde todos os dispositivos
podem atuar tanto como clientes como servidores, trocando mensagens entre si,
sendo um padrão ANSI e ISO, e permite a interoperabilidade de dispositivos e
sistemas de fabricantes diferentes, ao estabelecer o conceito de que cada
dispositivo é um objeto dotado de propriedades que podem ser lidas ou
alteradas, conforme o tipo de dispositivo e sua aplicação no sistema.
Atualmente o BACnet possui uma versão web services denominado
BACnet/WS, que através dos protocolos HTTP e TCP/IP um serviço Web
encapsulado pode solicitar e receber eventos via formato XML, baseado no
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padrão SOAP, cuja integração atualmente é dificultada pela falta de
padronização nos sistemas web (FISHER, 2007).
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