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A figura 1 ilustra o conj...
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de emergência e outros, n...
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Figura 2 - Sistema em mal...
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 Hidráulicos
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  1. 1. 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
  2. 2. Apostila Treinamento Automação Predial Autor: Eng. Carlos A Barbosa ©2015.Direitos reservados. 1 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
  3. 3. Apostila Treinamento Automação Predial Autor: Eng. Carlos A Barbosa ©2015.Direitos reservados. 2 5. EQUIPAMENTOS COMERCIAIS.............................................................. 28 5.1. Links para os fabricantes: ................................................................... 29 6. REDES COMUNICAÇÃO.......................................................................... 29 7. PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃO....................................................... 30
  4. 4. Apostila Treinamento Automação Predial Autor: Eng. Carlos A Barbosa ©2015.Direitos reservados. 3 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
  5. 5. Apostila Treinamento Automação Predial Autor: Eng. Carlos A Barbosa ©2015.Direitos reservados. 4 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.
  6. 6. Apostila Treinamento Automação Predial Autor: Eng. Carlos A Barbosa ©2015.Direitos reservados. 5 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).
  7. 7. Apostila Treinamento Automação Predial Autor: Eng. Carlos A Barbosa ©2015.Direitos reservados. 6 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
  8. 8. Apostila Treinamento Automação Predial Autor: Eng. Carlos A Barbosa ©2015.Direitos reservados. 7 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.
  9. 9. Apostila Treinamento Automação Predial Autor: Eng. Carlos A Barbosa ©2015.Direitos reservados. 8 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).
  10. 10. Apostila Treinamento Automação Predial Autor: Eng. Carlos A Barbosa ©2015.Direitos reservados. 9 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).
  11. 11. Apostila Treinamento Automação Predial Autor: Eng. Carlos A Barbosa ©2015.Direitos reservados. 10 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.
  12. 12. Apostila Treinamento Automação Predial Autor: Eng. Carlos A Barbosa ©2015.Direitos reservados. 11 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.
  13. 13. Apostila Treinamento Automação Predial Autor: Eng. Carlos A Barbosa ©2015.Direitos reservados. 12 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.
  14. 14. Apostila Treinamento Automação Predial Autor: Eng. Carlos A Barbosa ©2015.Direitos reservados. 13 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.
  15. 15. Apostila Treinamento Automação Predial Autor: Eng. Carlos A Barbosa ©2015.Direitos reservados. 14 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)
  16. 16. Apostila Treinamento Automação Predial Autor: Eng. Carlos A Barbosa ©2015.Direitos reservados. 15  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.
  17. 17. Apostila Treinamento Automação Predial Autor: Eng. Carlos A Barbosa ©2015.Direitos reservados. 16 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:
  18. 18. Apostila Treinamento Automação Predial Autor: Eng. Carlos A Barbosa ©2015.Direitos reservados. 17 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.
  19. 19. Apostila Treinamento Automação Predial Autor: Eng. Carlos A Barbosa ©2015.Direitos reservados. 18 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.
  20. 20. Apostila Treinamento Automação Predial Autor: Eng. Carlos A Barbosa ©2015.Direitos reservados. 19 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:
  21. 21. Apostila Treinamento Automação Predial Autor: Eng. Carlos A Barbosa ©2015.Direitos reservados. 20 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
  22. 22. Apostila Treinamento Automação Predial Autor: Eng. Carlos A Barbosa ©2015.Direitos reservados. 21 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.
  23. 23. Apostila Treinamento Automação Predial Autor: Eng. Carlos A Barbosa ©2015.Direitos reservados. 22 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.
  24. 24. Apostila Treinamento Automação Predial Autor: Eng. Carlos A Barbosa ©2015.Direitos reservados. 23 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.
  25. 25. Apostila Treinamento Automação Predial Autor: Eng. Carlos A Barbosa ©2015.Direitos reservados. 24 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
  26. 26. Apostila Treinamento Automação Predial Autor: Eng. Carlos A Barbosa ©2015.Direitos reservados. 25  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
  27. 27. Apostila Treinamento Automação Predial Autor: Eng. Carlos A Barbosa ©2015.Direitos reservados. 26 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.
  28. 28. Apostila Treinamento Automação Predial Autor: Eng. Carlos A Barbosa ©2015.Direitos reservados. 27 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)
  29. 29. Apostila Treinamento Automação Predial Autor: Eng. Carlos A Barbosa ©2015.Direitos reservados. 28 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
  30. 30. Apostila Treinamento Automação Predial Autor: Eng. Carlos A Barbosa ©2015.Direitos reservados. 29 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.
  31. 31. Apostila Treinamento Automação Predial Autor: Eng. Carlos A Barbosa ©2015.Direitos reservados. 30 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
  32. 32. Apostila Treinamento Automação Predial Autor: Eng. Carlos A Barbosa ©2015.Direitos reservados. 31  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. CAMADAISO: 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
  33. 33. Apostila Treinamento Automação Predial Autor: Eng. Carlos A Barbosa ©2015.Direitos reservados. 32 padrão SOAP, cuja integração atualmente é dificultada pela falta de padronização nos sistemas web (FISHER, 2007).
  34. 34. Apostila Treinamento Automação Predial Autor: Eng. Carlos A Barbosa ©2015.Direitos reservados. 33 BIBLIOGRAFIA ABNT. (2015). ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. Retrieved February 20, 2015, from www.abnt.org.br Carrilho, E. (2015). IME. Retrieved March 3, 2015, from http://aquarius.ime.eb.br/~aecc/ Fisher, B. D. (2007). How BACnet ® is Changing Building Automation Networking, 8(2), 1–4. Kastner, W., Neugschwandtner, G., Soucek, S., & Newmann, H. M. (2005). Communication Systems for Building Automation and Control. Proceedings of the IEEE, 93(6). doi:10.1109/JPROC.2005.849726 Kilian, K. T. (2000). Modern Control Technology: Components and Systems. (Delmar Thonson Learning, Ed.) (6o Ed.). Moghaddan, M. F. (2012). Evaluating Intelligence in Intelligent Buildings Case Study in Turkey. Middle East Technical University. Mourinho, J. M. S. (2014). PROJETO DE INSTALAÇÕES ELÉTRICAS: ESTUDO COMPARATIVO ENTRE UMA SOLUÇÃO TRADICIONAL COM UMA SOLUÇÃO ENERGETICAMENTE EFICIENTE. Universidade do Porto. Ogata, K. (1998). Engenharia Controle Moderno (3o Ed., p. 828). LTC. Oppenheim, A., Willsky, A., & Nawab, S. (1983). Signals and systems. (A. V. Openhein, Ed.) (p. 796). Boston: PRENTICE-HALL. Retrieved from https://el-umrah.onlinegroups.net/groups/te2213/files/f/6519-2011-05- 10T013902Z/scilabOW.pdf Sugarman, S. C. (2001). HVAC Fundamentals. (Taylor & Francisc, Ed.) (2o Edição., Vol. 40, p. 9823). The Fairmont Press, Inc. doi:10.1002/1521- 3773(20010316)40:6<9823::AID-ANIE9823>3.3.CO;2-C Wang, S. (2010). Smart Buildig and Building Automation. (Tayloy & Francis, Ed.) (1o Edição., p. 260). 2 Park Square, Milton Park,Abingdon, OXON: Spon Press.

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