Instalar e programar automatismos e autómatos (UC01994)

Há um pacote premium desta unidade: um PowerPoint editável de 100 ou mais diapositivos, um manual em PDF e dois testes com correção. Esta sebenta continua gratuita.

Introdução

Esta sebenta ensina a executar automatismos eletromecânicos de comando, proteção, regulação e controlo, a projetar e programar automatismos e autómatos e a diagnosticar e reparar avarias nesses sistemas. É uma unidade de base para quem vai instalar e manter sistemas eólicos e fotovoltaicos: um seguidor solar, uma bomba alimentada por painéis, um quadro de ligação de um aerogerador de pequena potência ou um inversor com paragem de emergência são, no fundo, automatismos.

O percurso vai do concreto ao abstrato: esquemas e simbologia, dispositivos de comando, relés, contactores, proteções e montagens clássicas em lógica de relés. Depois chega o autómato programável, com as ligações de entradas e saídas, as linguagens de programação e a monitorização. No fim, o diagnóstico de avarias e as regras de segurança, de proteção ambiental e de enquadramento normativo.

Em todos os capítulos vale a mesma ordem de trabalho: perceber o que o automatismo tem de fazer, desenhar, montar, ensaiar, documentar. O rigor com que se cumprem os esquemas elétricos e os procedimentos define se o automatismo assegura as funções de comando, proteção, regulação e controlo pretendidas.

1. Automatismos: conceitos, circuitos de potência e de comando

Um automatismo é um conjunto de dispositivos que executa uma tarefa sem intervenção contínua de uma pessoa. Recebe informação (um botão premido, um sensor ativado, uma temperatura), processa-a de acordo com uma lógica e atua (liga um motor, acende uma lâmpada, abre uma válvula).

Estrutura: parte de comando e parte operativa

Todo o automatismo se divide em duas partes que convém nunca confundir:

A parte de comando trabalha com baixa potência (bobinas de 24 V ou 230 V que consomem poucos watts); a parte operativa com a potência da carga. O contactor é a ponte: uma pequena corrente na bobina fecha contactos que conduzem dezenas de ampere.

Há ainda a interface com o operador (botões e sinalização) e a interface com o processo (sensores e atuadores). Com autómato, este ocupa o lugar da lógica de relés na parte de comando; a parte operativa continua a usar contactores, proteções e cabos.

Automatismos em lógica cablada e em lógica programada

• Lógica cablada: a lógica está nas ligações entre relés e contactores. Para mudar o comportamento, mudam-se fios. É simples, robusta e barata para funções pequenas.
• Lógica programada: a lógica está num programa dentro de um autómato. Para mudar o comportamento, muda-se o programa. É flexível e cabe em muito menos espaço quando há muitas funções.

Um automatismo pequeno faz-se bem em lógica cablada; dezenas de entradas, temporizações e sequências justificam um autómato.

Esquemas elétricos de automatismos

Os esquemas, em papel ou em software de desenho assistido por computador, são de vários tipos:

• Esquema de potência (ou principal): rede, proteções, contactores e carga, normalmente desenhado na vertical, com as três fases L1, L2, L3.
• Esquema de comando (ou de controlo): bobinas, botões, contactos auxiliares e temporizadores, desenhado entre dois barramentos (por exemplo, 24 V e 0 V), em linhas horizontais chamadas réguas ou ramos.
• Esquema de sinalização: lâmpadas de funcionamento e de defeito, muitas vezes incluído no esquema de comando.
• Esquema de ligações (ou de bornes): mostra a que borne se liga cada condutor, útil para montagem e diagnóstico.
• Esquema de implantação: disposição física dos componentes no quadro.

No esquema de comando em linhas horizontais, lê-se da esquerda para a direita e de cima para baixo. Cada linha liga uma bobina (ou uma lâmpada) ao barramento, passando pelos contactos que condicionam a sua alimentação. Contactos em série fazem E (AND); contactos em paralelo fazem OU (OR).

Simbologia e referenciação

Os símbolos gráficos seguem a norma internacional de símbolos gráficos para esquemas elétricos (a série IEC 60617). A regra é desenhar sempre com os componentes na posição de repouso (sem corrente, sem ação mecânica, sem pressão), porque assim todos leem o mesmo esquema.

Cada componente tem uma referência (uma letra e um número) e cada borne tem uma numeração normalizada. As letras mais usadas:

A numeração dos bornes dos contactores é habitualmente a seguinte: contactos de potência 1-2, 3-4, 5-6 (ou 1/L1 a 2/T1, 3/L2 a 4/T2, 5/L3 a 6/T3); contactos auxiliares com dois algarismos, em que o primeiro indica a posição do contacto no aparelho e o segundo a função (13-14 normalmente aberto, 21-22 normalmente fechado); bobina A1-A2; contacto do relé térmico 95-96 (fechado em repouso) e 97-98 (aberto em repouso). Quem sabe ler estes números consegue localizar um contacto no esquema e no aparelho em segundos.

Exemplo resolvido · Ler um ramo de comando

Considera o ramo: barramento positivo, botão S1 (paragem, contacto normalmente fechado), botão S2 (arranque, contacto normalmente aberto) em paralelo com o contacto auxiliar 13-14 de KM1, contacto 95-96 de F1, bobina A1-A2 de KM1, barramento negativo.

1. A bobina de KM1 só é alimentada se existir caminho contínuo entre os dois barramentos.
2. S1 está em série e fechado em repouso: só interrompe quando premido. S2 e 13-14 estão em paralelo (OU): basta um estar fechado.
3. F1 está em série: se o relé térmico disparar, 95-96 abre e a bobina perde alimentação.
4. Ao premir S2, a bobina é alimentada, KM1 fecha, o contacto 13-14 fecha e mantém a bobina mesmo depois de se largar S2. Esta função chama-se autoalimentação ou retenção.

Resultado: é o arranque direto com paragem e proteção, o ramo mais comum de qualquer quadro.

2. Dispositivos de comando e contactos NO e NC

Contactos normalmente abertos e normalmente fechados

Um contacto normalmente aberto (NO) está aberto em repouso e fecha quando atuado. Um contacto normalmente fechado (NC) está fechado em repouso e abre quando atuado. "Repouso" quer dizer sem ação do operador, sem corrente na bobina, sem pressão no sensor. Um contacto comutador (NO + NC com ponto comum) tem as duas funções.

Como regra de segurança, a paragem faz-se com contacto NC. Se um fio se solta ou o botão avaria, o circuito abre e o motor pára. Se a paragem fosse feita com contacto NO, um fio solto deixaria o botão de paragem inoperante sem que ninguém desse por isso. Este princípio chama-se segurança positiva (ou de falha para estado seguro).

Botões de comando, comutadores e seletores

• Botão de pressão: contacto momentâneo, volta ao repouso quando se larga. Pode ter NO, NC ou ambos.
• Botão com retenção (ou de cogumelo com bloqueio): fica atuado até ser reposto. É o caso do botão de paragem de emergência.
• Comutador / seletor: duas ou mais posições fixas (manual, automático, zero).
• Pedal, manípulo, chave: variantes para aplicações específicas.

As cores dos botões estão normalizadas na EN/IEC 60204-1. Arranque: branco, cinzento ou preto (de preferência branco) ou verde, nunca vermelho. Paragem: preto (de preferência), cinzento ou branco; o vermelho é permitido, mas desaconselhado junto de dispositivos de emergência, e o verde nunca. Rearme: azul, branco, cinzento ou preto. Amarelo: reservado a condições anormais, por exemplo para interromper um ciclo automático. Quando a mesma cor serve mais do que uma função, distingue-se por forma, posição ou símbolo. O botão de emergência é vermelho, sobre fundo amarelo quando há fundo, em forma de cogumelo, com retenção mecânica.

Fins de curso e sensores

Um fim de curso (limit switch) é um contacto atuado mecanicamente por uma peça em movimento, por exemplo quando um painel de seguidor atinge o limite de rotação. Os sensores fazem o mesmo sem contacto mecânico:

Os sensores eletrónicos de três fios têm saída PNP (comuta o positivo para a saída) ou NPN (comuta o negativo). Um PNP fornece corrente à entrada (sourcing); um NPN absorve corrente da entrada (sinking). A escolha tem de coincidir com o módulo de entradas do autómato: o PNP exige uma entrada que receba a corrente e a leve ao 0 V (a chamada lógica positiva); o NPN exige uma entrada que a forneça. Os fabricantes de autómatos designam estes módulos de formas diferentes, por isso confirma-se no manual. Misturar os dois tipos sem verificar é uma das causas mais comuns de entradas que não respondem.

Transdutores e sinais analógicos

Um transdutor converte uma grandeza física (temperatura, pressão, nível, intensidade de radiação, velocidade do vento) num sinal elétrico. Os sinais industriais mais comuns são 0 a 10 V e 4 a 20 mA. A vantagem dos 4 a 20 mA é que o 4 mA representa o zero da escala: se a corrente cair para 0 mA, sabe-se que o fio está cortado, e não que a grandeza é zero.

Exemplo resolvido · Escalar um sinal 4 a 20 mA

Um transdutor de temperatura mede de 0 a 150 °C e dá 4 a 20 mA. Que temperatura corresponde a 12 mA? E a 8 mA?

1. Amplitude do sinal: 20 - 4 = 16 mA. Amplitude da grandeza: 150 °C.
2. Fórmula: T = (I - 4) / 16 × 150.
3. Para 12 mA: T = 8 / 16 × 150 = 75 °C.
4. Para 8 mA: T = 4 / 16 × 150 = 37,5 °C.
5. Se o autómato ler 2 mA, está fora da gama: fio cortado ou transdutor avariado.

Sinalização de funcionamento e de defeito

A sinalização informa o operador do estado do sistema. As cores das lâmpadas estão normalizadas na EN/IEC 60204-1: consulta-se a norma antes de as escolher e mantém-se a mesma convenção em todo o quadro, sem reservar para o modo de funcionamento uma cor que a norma atribui a outra situação. Uma lâmpada intermitente chama mais a atenção do que uma fixa e usa-se para defeitos. A sinalização de defeito deve ter origem num contacto independente do contacto que faz a proteção: por exemplo, o contacto 97-98 do relé térmico acende a lâmpada H2 de "sobrecarga" quando o 95-96 abre.

Atuadores

Um atuador converte a ordem do automatismo em ação sobre o processo. Pertence à parte operativa e escolhe-se pela energia que usa, pelo movimento que produz e pela forma de o comandar e proteger.

Escolhido o atuador, a pergunta seguinte é sempre a mesma: a saída do autómato aguenta a carga? Se não aguenta, interpõe-se um contactor ou um relé.

3. Relés, contactores e encravamentos

Relé eletromecânico

O relé é um interruptor comandado por uma bobina. Quando a bobina é alimentada, o campo magnético atrai uma armadura que fecha ou abre os contactos. A bobina e os contactos estão isolados galvanicamente entre si, o que permite comandar cargas a uma tensão com um sinal a outra. Os parâmetros principais: tensão e tipo de corrente da bobina (24 V DC, 230 V AC), corrente máxima dos contactos, número e tipo de contactos (NO, NC, comutador) e tempo de operação.

Outros tipos de relés

Há vários tipos de relés com funções específicas:

• Relé de estado sólido (SSR): comuta eletronicamente com semicondutores (tirístores, triacs ou MOSFET), sem partes móveis e sem ruído. Silencioso e rápido, adequado a comutações frequentes, mas dissipa calor e precisa de dissipador.
• Relé temporizador: tem um tempo regulável entre a ordem e a comutação. Vê-se com detalhe adiante.
• Relé de sobrecarga térmica: protege motores contra sobrecargas prolongadas (capítulo 4).
• Relé de proteção: de mínima ou máxima tensão, de falta de fase, de sequência de fases, de proteção de isolamento.
• Relé de retenção (LR, latching relay): fica na posição em que foi posto mesmo sem corrente; um impulso liga, outro desliga ou usa uma segunda bobina.
• Relé de impulso (telerruptor): cada impulso alterna o estado. Muito usado na iluminação de escadas e corredores.
• Relé de polaridade: sensível ao sentido da corrente na bobina.
• Relé Reed: contactos selados em ampola de vidro com gás inerte, comandados por campo magnético; muito rápidos e de baixa potência.
• Relé diferencial: deteta a corrente de fuga para a terra e dispara.
• Relé bimetálico: lâmina de dois metais com dilatações diferentes; dobra com o calor e abre ou fecha um contacto.

Contactores

O contactor é um relé de potência concebido para comutar cargas em serviço normal, com muitas manobras. Tem contactos principais (de potência, NO, com câmaras de extinção do arco) e contactos auxiliares (de comando, NO e NC). Os contactores classificam-se assim:

Os contactores escolhem-se pela categoria de utilização (por exemplo AC-1 para cargas resistivas, AC-3 para arranque e paragem de motores de gaiola, AC-4 para arranque, travagem por contra-corrente e marcha por impulsos de motores de gaiola), pela corrente, pela tensão e pela tensão da bobina. Em corrente contínua, comutar é bem mais exigente: um contactor de alternada de 25 A pode não conseguir interromper 25 A em DC sem ser destruído, porque não há passagem por zero que apague o arco. Em instalações fotovoltaicas usam-se por isso aparelhos concebidos para corrente contínua.

Temporizadores

Os relés temporizadores têm duas funções básicas, que se usarão também no autómato:

Existem outras funções (impulso, intermitência, estrela-triângulo), mas estas duas bastam para a maior parte dos automatismos.

Encravamentos elétricos e mecânicos

Um encravamento impede que duas ações incompatíveis aconteçam ao mesmo tempo. O exemplo clássico é a inversão do sentido de rotação de um motor: se os contactores de "direita" e "esquerda" fechassem juntos, haveria curto-circuito entre fases.

• Encravamento elétrico: o contacto NC de um contactor é colocado em série com a bobina do outro. Se KM1 está ativo, o seu NC (21-22) está aberto e impede a bobina de KM2.
• Encravamento mecânico: um dispositivo físico entre os dois contactores impede que ambos fechem. Protege mesmo que os contactos soldem ou haja erro de ligação.
• Encravamento por botão: botões com duplo contacto (NO e NC) que cortam a ordem contrária ao premir uma.

Em montagens sérias usam-se os dois: o encravamento elétrico impede a ordem, o mecânico impede o fecho.

4. Proteções, regulação e realimentação

Proteções térmicas e magnetotérmicas

Um motor ou um cabo podem danificar-se de duas formas: por sobrecarga (corrente acima do nominal durante algum tempo) e por curto-circuito (corrente muito elevada, instantânea).

No disjuntor magnetotérmico, a curva de disparo define a gama da proteção magnética: na curva B dispara tipicamente entre 3 e 5 vezes a corrente nominal, na curva C entre 5 e 10 vezes e na curva D entre 10 e 20 vezes. A curva C é a usual em circuitos gerais, a D serve para cargas com correntes de arranque elevadas.

Para motores, a prática é combinar um disjuntor de proteção de motor (ou magnético) para o curto-circuito com um relé térmico regulado à corrente nominal para a sobrecarga. O relé térmico tem uma gama de regulação (por exemplo 7 a 10 A) que se ajusta ao valor da chapa de características do motor.

Exemplo resolvido · Corrente nominal e regulação do térmico

Um motor trifásico de 7,5 kW, 400 V, com cos φ = 0,85 e rendimento 0,88. Qual a corrente nominal e como se regula o relé térmico?

1. I = P / (√3 × U × cos φ × η).
2. Denominador: 1,732 × 400 × 0,85 × 0,88 ≈ 518,2.
3. I = 7500 / 518,2 ≈ 14,5 A.
4. O relé térmico regula-se para a corrente da chapa de características do motor (cerca de 14,5 A), numa gama adequada, por exemplo 11 a 17 A.
5. Em arranque direto, a corrente de arranque pode ser de 6 a 8 vezes a nominal, logo entre cerca de 87 e 116 A durante curto tempo. O disjuntor tem de a suportar sem disparar e a proteção térmica não deve disparar por arranques normais.

Sistemas de regulação

A regulação mantém uma grandeza num valor desejado, corrigindo desvios automaticamente. Os sistemas de regulação mais comuns são:

• Termostato: contacto comandado pela temperatura. Tem uma zona de histerese entre ligar e desligar para evitar manobras constantes.
• Pressostato: contacto comandado pela pressão, usado em bombas e compressores.
• Regulador de tensão: mantém a tensão de saída constante apesar das variações da entrada ou da carga.
• Inversor de frequência: alimenta o motor com tensão e frequência variáveis. A velocidade de sincronismo é n = 120 × f / p, com f em hertz e p o número de polos. Um motor de 4 polos a 50 Hz tem 1500 rpm; a 25 Hz tem 750 rpm. Permite arranque suave, controlo de velocidade e poupança de energia em bombas e ventiladores.

Realimentação positiva e negativa, controladores PID

Num sistema de realimentação negativa (retroação), a saída é medida e subtraída da referência; o erro obtido corrige a ação. É o princípio de todos os reguladores estáveis: o termostato, o controlo de nível, o controlo de velocidade de um motor.

Na realimentação positiva, parte da saída reforça a entrada, o que cria retenção ou oscilação. O selo de um contactor (a bobina mantém-se pelo seu próprio contacto) é realimentação positiva: uma ordem breve torna-se permanente. Cuidado: em sistemas contínuos é causa de instabilidade.

O controlador PID combina três ações sobre o erro e = referência - medida:

Muitos autómatos trazem um bloco PID pronto a parametrizar, e muitas vezes basta um PI: afina-se P até haver resposta rápida sem oscilar e depois introduz-se I para anular o erro.

5. Montagens clássicas em lógica de relés e contactores

Esta secção reúne os circuitos que um técnico tem de saber montar de olhos fechados. Todos seguem o mesmo método: potência primeiro, comando depois, ensaio sem carga, ensaio com carga.

Arranque direto com paragem, selo e proteção

Potência: rede L1, L2, L3, seccionador ou disjuntor Q1, contactor KM1 (contactos 1-2, 3-4, 5-6), relé térmico F1 e motor M1.

Comando: S1 (paragem, NC) em série com o paralelo de S2 (arranque, NO) e KM1:13-14, depois F1:95-96 e a bobina KM1:A1-A2.

Sinalização: H1 verde em paralelo com a bobina (ou ligada a KM1:13-14 de outro contacto) indica "motor em marcha"; H2 de defeito ligada a F1:97-98 indica "sobrecarga".

Tabela de verdade da bobina KM1 (S1 = 1 significa premido; S2 = 1 premido; KM1 = estado anterior; F1 = 1 térmico disparado):

A última linha mostra que a paragem tem prioridade: com S1 e S2 premidos juntos, a bobina não é alimentada, porque S1 está em série com tudo.

Inversão do sentido de rotação

Um motor trifásico inverte o sentido trocando duas fases de alimentação. Usam-se dois contactores, KM1 (direita: L1-L2-L3 para U-V-W) e KM2 (esquerda: L1 e L3 trocados). Os contactos principais de KM1 e KM2 ligam-se no mesmo relé térmico F1.

No comando existem duas réguas:

• Régua de KM1: S1 (NC) em série com S2 (NO, direita) em paralelo com KM1:13-14; seguido de KM2:21-22 (NC), F1:95-96 e bobina KM1.
• Régua de KM2: S1 (NC) em série com S3 (NO, esquerda) em paralelo com KM2:13-14; seguido de KM1:21-22 (NC), F1:95-96 e bobina KM2.

Para inverter o sentido é obrigatório parar primeiro (premir S1) ou então ter botões de duplo contacto. O encravamento por NC cruzados garante que as duas bobinas nunca estejam ativas ao mesmo tempo, e o encravamento mecânico entre contactores protege o curto-circuito de fases se um dos contactos soldar. Com cargas de inércia elevada, convém uma pequena temporização entre a paragem e o novo arranque.

Arranque estrela-triângulo

Reduz a corrente de arranque em motores de média potência. O motor tem de ter as seis extremidades dos enrolamentos acessíveis e uma tensão de chapa em triângulo igual à tensão da rede (por exemplo, motor 400/690 V numa rede de 400 V trifásica).

Princípio: no arranque liga-se em estrela; passado o tempo T regulado, passa-se a triângulo. Em estrela cada enrolamento recebe U / √3 (231 V numa rede de 400 V), a corrente de linha cai para um terço da que haveria em arranque direto e o binário de arranque também cai para um terço.

Lógica de comando: S2 liga KM1 e KM2 e inicia KT1. Quando KT1 atinge o tempo regulado, desliga KM2 (o seu contacto NC abre) e, depois de KM2 desligar, liga KM3. KM2 e KM3 estão encravados entre si (NC cruzados): se ambos fechassem, haveria curto-circuito. Uma pausa curta entre o desligar de KM2 e o ligar de KM3 evita arcos entre contactores.

Exemplo resolvido · Corrente de arranque em estrela-triângulo

Um motor de 400/690 V tem corrente nominal de 15 A em triângulo e relação de arranque Ia/In = 7. Compara a corrente de arranque direta com a de estrela-triângulo.

1. Arranque direto: Ia = 7 × 15 = 105 A.
2. Estrela: a corrente de linha é um terço da de triângulo: 105 / 3 = 35 A.
3. O binário de arranque desce também para um terço do valor direto. Por isso só se usa com cargas leves no arranque (ventiladores, bombas centrífugas); para binário elevado, usa-se arranque direto ou inversor de frequência.

Arranque sequencial e paragem de emergência

Num arranque sequencial, o motor M2 só pode arrancar se M1 estiver em marcha (por exemplo, um ventilador de arrefecimento antes de uma bomba). Resolve-se com o contacto auxiliar de KM1 em série com a régua de KM2. Na paragem, S1 pára tudo; se se quiser que M2 pare antes de M1, usa-se um temporizador à desligação.

O circuito de paragem de emergência corta a alimentação de comando (ou de potência) quando um botão de cogumelo vermelho é premido. Regras principais: contacto NC (segurança positiva), retenção mecânica que obriga a rearmar manualmente, e rearme que não volta a arrancar a máquina: o novo arranque tem de ser uma ação deliberada do operador. Em máquinas, a função de emergência faz-se em regra com relés ou módulos de segurança dedicados, muitas vezes de dois canais, conforme o nível de desempenho que a avaliação de riscos exige (EN ISO 13849-1), e a EN/IEC 60204-1 define três categorias de paragem: 0, corte imediato da energia aos atuadores; 1, paragem controlada, com energia para travar e corte quando a máquina pára; 2, paragem controlada com a energia mantida. A paragem de emergência (EN ISO 13850) é de categoria 0 ou 1. Num autómato, a emergência deve limpar também as memórias de arranque (retenções): se ficarem a 1, o rearme volta a arrancar a máquina sozinho.

Montagem no quadro: condutores, bornes e aspeto final

Na montagem do quadro contam a orientação dos condutores, a disposição dos componentes e o aspeto final. Boas práticas:

• Disposição: proteções e aparelhagem de potência na parte superior do quadro; contactores e relés no meio; bornes na parte inferior ou lateral; separar o comando (baixa tensão, 24 V) da potência (400 V) em calhas diferentes para evitar interferências e proteger a segurança.
• Condutores: cores consistentes (o condutor de proteção é verde e amarelo e o neutro azul-claro; para potência e comando seguem-se as cores indicadas na EN/IEC 60204-1 e nas RTIEBT, e uma regra única registada no esquema), secção adequada à corrente, terminais de ponteira em todos os fios flexíveis, e identificação de ambas as extremidades com o número do borne do esquema.
• Aperto: respeitar o binário de aperto do fabricante; terminais mal apertados aquecem.
• Aspeto final: calhas com tampa, fios sem tensão mecânica, espaço de reserva para futuras ampliações, esquema atualizado dentro do quadro e etiquetas legíveis nos aparelhos.

Antes de ligar: verificar visualmente, medir continuidade dos condutores de proteção, isolamento entre fases e terra, e testar o comando sem a potência, observando se os contactores comutam como previsto.

6. O autómato programável: estrutura e ligações de entradas e saídas

O que é um autómato (PLC / CLP)

O autómato programável (CLP, Controlador Lógico Programável; em inglês PLC) é um computador industrial robusto, com muitas entradas e saídas, que executa um programa em ciclo contínuo. Substitui a lógica de relés e permite alterar o comportamento sem alterar fios.

Arquitetura

A memória divide-se em sistema (fixa, do fabricante), programa (o programa do utilizador, não volátil) e dados (variáveis, entradas, saídas, temporizadores e contadores, retentivos ou não).

Endereços de memória e mapa de entradas e saídas

Cada entrada, saída e variável tem um endereço, que o programa usa para a ler ou escrever. Cada marca tem a sua convenção. Em muitos autómatos que seguem a convenção da norma IEC 61131-3, os endereços diretos escrevem-se com o prefixo %I para entradas, %Q para saídas e %M para memória; noutras marcas, usam-se I0.0, Q0.0, M0.0 ou X0, Y0. A estrutura é sempre a mesma: tipo de área, byte, bit.

O mapa de entradas e saídas (tabela de atribuição) é o documento que liga cada endereço ao dispositivo físico e ao símbolo no programa. É obrigatório: sem ele, ninguém consegue manter o sistema.

Atenção a um princípio que tantas vezes falha: um dispositivo de paragem ligado como NC produz uma entrada que está a 1 em repouso. No programa, o contacto I0.0 testa-se por isso com um contacto normalmente aberto, que está fechado enquanto a entrada tem tensão. Se o fio se rompe, a entrada cai a 0 e o programa pára a máquina. Quem programa a paragem com um contacto negado, só porque o botão "é de parar", acaba com a lógica invertida.

Ciclo de varrimento (scan)

O autómato repete continuamente:

1. Leitura das entradas: copia o estado físico das entradas para uma imagem em memória.
2. Execução do programa: da primeira à última instrução, usando a imagem das entradas.
3. Atualização das saídas: copia a imagem das saídas para as saídas físicas.
4. Comunicações e diagnóstico interno.

Um ciclo dura de poucos a dezenas de milissegundos. Um sinal mais curto do que um ciclo pode passar despercebido (para esses casos há entradas rápidas) e, dentro de um mesmo ciclo, as entradas não mudam, mesmo que o sensor mude.

Acoplamento de sinais de entrada e saída

Entre o processo e a CPU existe o acoplamento, que faz a separação galvânica: um optoacoplador (um LED e um fototransístor num só encapsulamento) transmite o sinal por luz e não por condução elétrica. Assim, picos e perturbações do processo, ou tensões diferentes, não chegam à CPU.

Tipos de módulos de saída:

Cargas indutivas (bobinas, contactores, eletroválvulas) geram picos ao desligar: coloca-se um díodo de roda livre em paralelo com a bobina em DC, ou um circuito RC / varistor em AC.

Ligação de sensores e botões às entradas

• Botões e fins de curso (contacto seco): ligam o positivo de 24 V à entrada, diretamente. O comum das entradas liga-se ao 0 V.
• Sensores de três fios: castanho (+24 V), azul (0 V), preto (sinal). O sinal vai à entrada. Respeitar PNP / NPN.
• Sensores analógicos de 4 a 20 mA ou 0 a 10 V: ligam-se a módulos analógicos, com cabo blindado, com a blindagem ligada à terra num só extremo.
• Níveis de tensão diferentes: um sinal de 230 V AC não pode ir diretamente a uma entrada de 24 V DC. Usa-se um relé de interface (a bobina recebe os 230 V, o contacto envia 24 V à entrada) ou um módulo de entradas AC.

Ligação de saídas a atuadores

Uma saída de autómato raramente alimenta um motor diretamente. A regra é: a saída aciona a bobina de um contactor ou relé e o contactor comuta a carga. Cargas diretas (uma pequena lâmpada de sinalização, uma eletroválvula de 24 V DC de baixo consumo) podem ligar-se à saída, desde que a corrente não exceda o limite por saída e por grupo, indicado na ficha técnica. As saídas agrupam-se em grupos com comum; saídas de grupos diferentes podem ter tensões diferentes.

Exemplo resolvido · Ligação segura de um arranque a um autómato

Quer-se arrancar um motor de 4 kW a partir de um autómato com saídas a relé de 2 A. Como se liga?

1. A saída Q0.0 do autómato não suporta a corrente do motor (8,5 A), por isso aciona um contactor KM1.
2. A bobina de KM1 (24 V DC, cerca de 3 W, ou seja, 0,125 A) cabe na saída de 2 A.
3. Em paralelo com a bobina coloca-se um díodo de roda livre (cátodo para o positivo).
4. O motor liga-se aos contactos principais de KM1, protegido por disjuntor de motor Q1 e relé térmico F1.
5. O contacto 95-96 de F1 entra numa entrada do autómato (I0.2), em NC, para o programa saber que há sobrecarga. A segurança do arranque não depende só do programa: o contacto 95-96 pode também ser posto em série com a bobina, para que o térmico corte mesmo que o programa falhe.
6. O botão de emergência corta a alimentação de comando em hardware, antes do autómato.

7. Programação de autómatos: Ladder (LD), temporizadores e contadores

As linguagens da norma IEC 61131-3

A norma IEC 61131-3 define as linguagens de programação de autómatos, para que a lógica seja a mesma entre marcas, ainda que cada fabricante adapte detalhes. As linguagens dividem-se em:

Há ainda o step-ladder (uma forma de programar sequências em ladder, usada em algumas marcas) e as linguagens de instruções. O método de trabalho mantém-se: escolher a linguagem pelo tipo de problema, e não por hábito.

Diagrama de contactos (LD)

O LD imita um esquema de relés. Duas linhas verticais (barramentos) delimitam o programa. Cada degrau (rung) liga o barramento da esquerda ao da direita por contactos e termina numa bobina ou bloco. Elementos:

Contactos em série = E (AND). Contactos em paralelo = OU (OR).

A execução faz-se de cima para baixo e da esquerda para a direita. A ordem dos degraus importa: um degrau pode usar o resultado de outro do mesmo ciclo.

Exemplo resolvido · Marcha/paragem com selo, em Ladder

Programa o arranque de um motor com um botão NO (I0.1), um botão de paragem NC (I0.0, a 1 em repouso), um térmico NC (I0.2, a 1 em repouso) e saída Q0.0.

1. Equação lógica: Q0.0 = (I0.1 OU Q0.0) E I0.0 E I0.2.
2. Ladder: num degrau, o contacto NO de I0.1 em paralelo com o contacto NO de Q0.0; em série com o NO de I0.0 e com o NO de I0.2; no fim a bobina Q0.0.
3. Teste da tabela de verdade:

Resultado: a paragem (I0.0 = 0), o térmico disparado (I0.2 = 0) ou uma rotura de fio cortam o motor. A última linha confirma que a paragem tem prioridade sobre o arranque.

Bobinas Set e Reset, flancos

A bobina Set (S) coloca a variável a 1 e mantém-na mesmo que o contacto deixe de conduzir; a bobina Reset (R) põe a 0. Se no programa ambas estiverem ativas, ganha a última a ser executada, por isso, para dar prioridade à paragem, o Reset vem depois do Set. O selo clássico dá prioridade à paragem sem depender da ordem.

Um flanco ascendente é a passagem de 0 a 1 e gera um impulso de um só ciclo. Usa-se para contar uma peça uma vez (e não a cada ciclo em que o sensor está ativo) e para alternar o estado com um só botão.

Temporizadores da norma: TON, TOF e TP

Os temporizadores IEC têm entrada IN, tempo predefinido PT, saída Q e tempo decorrido ET.

Escrevem-se tempos como T#5S (cinco segundos), T#500MS, T#2M30S.

Diagrama de tempos de um TON com PT = 5 s:

Exemplo resolvido · Ventilação com TOF e arranque atrasado com TON

Um motor M1 de um sistema de conversão arranca e a ventoinha de arrefecimento (Q0.2) deve arrancar com M1 e continuar 10 s depois de M1 parar. Para além disso, uma lâmpada de "regime estabelecido" (Q0.3) acende 5 s depois de M1 arrancar.

1. Ventoinha: TOF1 com IN = Q0.0 (motor em marcha) e PT = T#10S. Q0.2 = TOF1.Q.
2. Lâmpada: TON1 com IN = Q0.0 e PT = T#5S. Q0.3 = TON1.Q.
3. Simulação: motor liga em t = 0: Q0.2 liga logo e Q0.3 em t = 5 s. Motor pára em t = 20 s: Q0.3 desliga logo e Q0.2 mantém-se até t = 30 s. Se o motor parasse em t = 3 s, Q0.3 nunca acenderia: o TON precisa de IN = 1 durante todo o tempo PT.

Contadores: CTU, CTD e CTUD

Exemplo resolvido · Contar peças e parar ao completar lote

Um sensor I0.4 conta caixas numa linha. Ao fim de 12 caixas, a linha pára e acende-se uma lâmpada; o botão de reset limpa a contagem.

1. CTU1: CU = flanco ascendente de I0.4, PV = 12, R = I0.5 (reset).
2. Q0.4 (lâmpada) = CTU1.Q.
3. O motor da linha: Q0.0 = (I0.1 OU Q0.0) E I0.0 E I0.2 E NÃO CTU1.Q.
4. Contagem: após a 12.ª caixa, CV = 12, Q = 1, o motor pára. Carregar em I0.5 repõe CV = 0, Q = 0, e pode arrancar de novo.

Erro típico: usar o contacto I0.4 diretamente na entrada CU sem flanco, em autómatos em que o bloco não deteta flanco por si. Um sensor ativo durante vários ciclos contava várias vezes a mesma caixa.

Bits especiais

Os autómatos têm bits e palavras especiais gerados pelo sistema, com nomes que variam consoante a marca: primeiro ciclo (a 1 só no primeiro varrimento depois de RUN, inicializa variáveis e o passo inicial do Grafcet), relógios de impulsos (0,1 s, 1 s, para intermitências), bits de erro (bateria, módulo, comunicação, overflow), sempre ligado/desligado e tempo de ciclo. Consulta sempre o manual da marca antes de usar um bit especial.

Exemplo resolvido · Lâmpada intermitente com dois TON

Gerar uma lâmpada intermitente 1 s ligada, 1 s desligada, enquanto o alarme M0.0 estiver ativo.

1. TON1: IN = M0.0 E NÃO TON2.Q; PT = T#1S. TON2: IN = TON1.Q; PT = T#1S.
2. Lâmpada Q0.5 = TON1.Q.
3. Com o alarme ativo em t = 0, a lâmpada está apagada até 1 s; a 1 s acende e TON2 começa; a 2 s TON2.Q = 1, o IN de TON1 passa a 0 e ambos se repõem, e o ciclo recomeça.

Resultado: período de 2 s, 1 s apagada e 1 s acesa.

Conversão entre ladder e linguagem de instruções

A lista de instruções (IL) escreve a lógica linha a linha com um acumulador. O selo do exemplo anterior ficaria:

LD   I0.1
OR   Q0.0
AND  I0.0
AND  I0.2
ST   Q0.0

LD carrega o valor, OR/AND combinam, ST escreve o resultado na saída. Os mnemónicos mudam de marca para marca (LD/LDN/A/AN/O/ON/= ou outros), mas a conversão entre ladder e instruções é sempre mecânica: contactos em série passam a AND, em paralelo a OR, e a bobina a atribuição.

8. Diagrama de blocos funcionais (FBD) e texto estruturado (ST)

FBD: programar com blocos

No diagrama de blocos funcionais a lógica desenha-se com blocos ligados por linhas: portas lógicas (AND, OR, NOT, XOR), temporizadores, contadores, comparadores, blocos aritméticos, blocos PID. As entradas ficam à esquerda, as saídas à direita, e o sinal flui da esquerda para a direita. O FBD é mais legível que o LD quando há valores analógicos e cálculos, e permite reutilizar blocos.

Portas lógicas e tabelas de verdade (A e B entradas, S saída):

Exemplo resolvido · Bomba solar com proteção contra funcionamento em seco, em FBD e em equação

Uma bomba alimentada por um sistema fotovoltaico enche um reservatório. Entradas: LS_MIN (1 quando o nível do reservatório está acima do mínimo), CHEIO_OK (contacto NC do nível máximo: 1 enquanto o nível está abaixo do máximo, 0 no nível máximo ou com o fio solto, segurança positiva), POCO (1 quando há água no poço). Saída: BOMBA. A bomba liga quando o nível desce abaixo do mínimo e só pára quando atinge o máximo; nunca trabalha sem água no poço.

1. Equação: BOMBA = POCO E CHEIO_OK E (NÃO LS_MIN OU BOMBA).
2. Em FBD: um bloco OR com as entradas NOT LS_MIN e BOMBA (realimentada); a saída do OR entra num AND com POCO e CHEIO_OK.
3. Verificação da histerese:

Conclusão: a lógica obedece à histerese e à proteção, e um fio solto no nível máximo pára a bomba em vez de a deixar transbordar o reservatório. Numa instalação real o sinal POCO deve ter um pequeno atraso à desligação (TOF), para a bomba não parar por ondulação da água.

ST: texto estruturado

O texto estruturado é uma linguagem de alto nível, parecida com Pascal. Cada instrução termina em ponto e vírgula, a atribuição escreve-se :=, os comentários vão entre ( e ). Estruturas principais:

IF condicao THEN
    acao;
ELSIF outra THEN
    outra_acao;
ELSE
    por_omissao;
END_IF;

CASE estado OF
    0: saida := FALSE;
    1: saida := TRUE;
END_CASE;

Operadores lógicos: AND, OR, XOR, NOT. Comparações: =, <>, <, >, <=, >=. Aritmética: + - * /.

Exemplo resolvido · O termostato com histerese em ST

(* aquecer: liga abaixo de 10 e desliga acima de 15 *)
IF temp < 10.0 THEN
    aquecer := TRUE;
ELSIF temp > 15.0 THEN
    aquecer := FALSE;
END_IF;

Entre 10 e 15, nenhuma condição é verdadeira e a variável mantém o valor. É assim que o ST faz a memória da histerese, sem selo. Em ladder seria preciso um selo e dois contactos.

Escolher a linguagem

Intertravamentos e segurança simples fazem-se em LD; regulação e analógico em FBD; cálculos, receitas e dados em ST; sequências de máquina em SFC (Grafcet). Um mesmo projeto pode misturar linguagens: as transições e ações de um Grafcet escrevem-se em LD, FBD ou ST.

9. Automatismos sequenciais e Grafcet

Etapas, transições e ações

O Grafcet (Graphe Fonctionnel de Commande Étape-Transition), especificado pela norma IEC 60848 (edição de 2013), que inspirou o SFC (Sequential Function Chart) da norma IEC 61131-3, descreve um automatismo como uma sucessão de etapas separadas por transições.

Regras de evolução:

1. Uma transição está validada quando todas as etapas imediatamente anteriores estão ativas.
2. É franqueada quando está validada e a recetividade é verdadeira.
3. O franqueamento é imediato e obrigatório: ativa as etapas seguintes e desativa as anteriores.
4. Várias transições franqueáveis ao mesmo tempo são franqueadas em simultâneo.

Ciclos em L e em quadrado

Para dois cilindros pneumáticos A e B (sinais de fim de curso a0 recolhido, a1 avançado, b0, b1), as sequências típicas usadas como exercício são:

• Ciclo em quadrado: A+ B+ A- B- (A avança, B avança, A recua, B recua). Se A e B forem movimentos perpendiculares, a ponta da peça percorre os quatro lados de um quadrado.
• Ciclo em L: A+ B+ B- A- (A avança, B avança, B recua, A recua). A ida (A+, B+) desenha os dois lados do L e o regresso (B-, A-) refaz o mesmo caminho em sentido inverso.

Em ambos, cada passo só avança quando o sensor de fim de curso confirma que o movimento anterior terminou.

Exemplo resolvido · Ciclo em L com dois cilindros

Um cilindro A fixa uma peça e um cilindro B estampa. Arranque por botão m, com os dois cilindros recolhidos (a0 e b0).

1. No arranque da máquina, a etapa 1 é ativada pelo bit de primeiro ciclo.
2. Com m = 1 e ambos recolhidos, a transição 1-2 é franqueada: etapa 2 ativa, A avança.
3. Quando o sensor a1 deteta A avançado, passa a 3 e B avança. E assim sucessivamente.
4. Em 5, quando a0 confirma, regressa a 1. O ciclo repete-se quando m voltar a ser premido.

Equação geral de etapa

Para implementar o Grafcet em ladder, cada etapa é uma variável Xn calculada pela equação geral de etapa:

Xn = (Xn-1 · tn + Xn) · não Xn+1

Em palavras: a etapa n fica ativa se a etapa anterior estava ativa e a transição foi franqueada, ou se já estava ativa (o selo), e deixa de estar quando a etapa seguinte fica ativa (a paragem do selo). Para a etapa inicial acrescenta-se a ativação pelo primeiro ciclo (INIT).

Equações do ciclo em L:

• X1 = (X5 · a0 + X1) · não X2 + INIT
• X2 = (X1 · m · a0 · b0 + X2) · não X3
• X3 = (X2 · a1 + X3) · não X4
• X4 = (X3 · b1 + X4) · não X5
• X5 = (X4 · b0 + X5) · não X1

As saídas leem-se das etapas: A+ = X2 OU X3 OU X4 (A fica avançado desde a etapa 2 até ao início da 5), B+ = X3 e B- = X4. Saber em que etapas uma saída permanece ativa é uma das principais fontes de erro.

Exemplo resolvido · Validar as equações com uma "corrida" à mão

Estado inicial: X1 = 1, os outros a 0; a0 = b0 = 1 e m = 0.

1. m = 1: X2 passa a 1 e, no ciclo seguinte, X1 passa a 0. A avança (A+ = X2).
2. a1 = 1: X3 = 1 e X2 = 0, mas A+ continua ativo graças a X3. Se A+ fosse só X2, o cilindro recuaria demasiado cedo.
3. b1 = 1: X4 = 1 e X3 = 0; A+ = X4 e B- = X4.
4. b0 = 1: X5 = 1 e A recua. a0 = 1: X1 = 1, X5 = 0. Ciclo completo.

Ramificações

• Divergência em OU (seleção de sequência): depois de uma etapa, há duas ou mais transições, cada uma com a sua recetividade; apenas um caminho é seguido. Representa-se com um traço simples e várias transições abaixo. As recetividades devem ser exclusivas, ou então definida uma prioridade, para evitar o caso de duas serem verdadeiras.
• Divergência em E (paralelismo): uma só transição ativa várias etapas ao mesmo tempo. Representa-se com traço duplo. Cada ramo evolui de forma independente.
• Convergência: em OU, cada ramo converge individualmente; em E, o traço duplo só deixa passar quando todos os ramos chegaram ao fim.

Equações com ramificações. Em OU, a etapa de chegada tem uma parcela por ramo (X4 = (X2 · f1 + X3 · f2 + X4) · não X1) e as etapas de partida têm recetividades exclusivas. Em E, as etapas iniciais dos ramos têm a mesma entrada, e a etapa de convergência exige todas as etapas finais ativas: X7 = (X4 · X6 · t + X7) · não X1.

Exemplo resolvido · Duas operações em paralelo

Um cilindro A prende a peça; depois B (furar) e C (marcar) trabalham ao mesmo tempo, cada um avança e recua; só quando os dois terminam é que A solta a peça. Arranque por m, com tudo recolhido.

Equações:

• X1 = (X7 · a0 + X1) · não X2 + INIT
• X2 = (X1 · m · a0 · b0 · c0 + X2) · não X3
• X3 = (X2 · a1 + X3) · não X4 e X5 = (X2 · a1 + X5) · não X6
• X4 = (X3 · b1 + X4) · não X7 e X6 = (X5 · c1 + X6) · não X7
• X7 = (X4 · X6 · b0 · c0 + X7) · não X1

Saídas: A+ = X2 até X6 (A só recua em 7), B+ = X3, B- = X4, C+ = X5, C- = X6, A- = X7. Se C terminar primeiro, X6 fica ativa à espera de X4: a etapa 7 só aparece com as duas ativas. Uma divergência em OU (por exemplo, duas receitas escolhidas por dois botões) resolve-se do mesmo modo, mas com recetividades exclusivas e sem esperar pelos dois ramos.

Step-ladder

O step-ladder é uma forma de programar sequências em ladder, usada em certas marcas, em que cada etapa é um bloco de instruções que só é executado enquanto a etapa está ativa. Corresponde, na prática, a uma tradução do Grafcet para uma estrutura de ladder por etapas. O princípio é o mesmo, a sintaxe depende da marca.

10. Programação na prática: consola, software, ligação e monitorização

Equipamento de programação

A programação faz-se com:

• Um computador com o software de programação da marca do autómato (também chamado ambiente de desenvolvimento).
• Uma interface de ligação: cabo USB, série ou rede Ethernet.
• Em alguns casos, uma consola de programação portátil dedicada, que também permite programar e monitorizar junto da máquina.
• Periféricos: painéis de operador (HMI), cartões de memória.

Fluxo de trabalho

1. Analisar o processo: o que a máquina faz, as entradas e saídas necessárias, a segurança.
2. Atribuir endereços e símbolos (mapa de entradas e saídas).
3. Escrever o programa na linguagem apropriada, organizado em blocos pequenos e comentados.
4. Compilar (o software verifica a sintaxe).
5. Descarregar para o autómato (download), com a máquina em condição segura.
6. Ensaiar sem carga, forçando ou simulando entradas.
7. Monitorizar em linha, observando contactos e bobinas.
8. Guardar uma cópia do projeto e documentar as alterações.

Operações de leitura, escrita e monitorização

• Leitura: observar o valor de variáveis, entradas e saídas em tempo real (modo monitor).
• Escrita: alterar o valor de uma variável (por exemplo, o tempo de um temporizador).
• Forçar (force): impor um valor a uma entrada ou saída, ignorando o estado real. É uma ferramenta útil de ensaio e perigosa: uma saída forçada a 1 mantém o atuador ativo mesmo que o programa mande desligar. Deve estar assinalado, limitado no tempo e retirado no fim.
• Tabela de observação: lista de variáveis a observar em simultâneo.
• Modos do autómato: RUN (executa), STOP (parado, saídas em estado seguro) e, nalguns, TEST.

Deteção de erros, defeitos e anomalias

O software e o autómato assinalam erros por vários meios:

A partir da consola ou do software, lê-se o diagnóstico do autómato (LEDs de estado, memória de erros, estado dos módulos) e vê-se qual o bloco ou módulo que falhou. Uma regra fundamental da programação em ladder: uma saída só deve ser escrita num único sítio. Duas bobinas com a mesma saída em degraus diferentes fazem com que apenas a última prevaleça, e o primeiro degrau parece não funcionar.

Conversão de linguagens e entre marcas

Converter um programa entre linguagens, entre marcas ou de ladder para linguagem de instruções conserva a lógica. O que muda é a sintaxe, os endereços e os blocos.

Depois de converter, ensaia-se tudo de novo.

11. Diagnóstico, reparação de avarias, manutenção e conservação

Método de diagnóstico

Diagnosticar é seguir um método, e não substituir componentes ao acaso:

1. Recolher informação: o que aconteceu, quando, o que mudou, o que o operador viu.
2. Observar: LEDs, lâmpadas de defeito, cheiro, ruído, aquecimento (sem tocar em partes sob tensão).
3. Delimitar: a avaria está na alimentação, no comando, no autómato, nas entradas, nas saídas ou na potência?
4. Medir: tensão, continuidade, resistência de isolamento, com o multímetro e outros instrumentos.
5. Corrigir: reparar ou substituir apenas a causa.
6. Ensaiar e registar: repor em serviço apenas depois de ensaiar, e registar a causa e a ação.

Falhas de continuidade, sinais de entrada e deficiências nas saídas

• Continuidade (circuito desligado e consignado): com o multímetro em continuidade ou resistência, confirmar que um condutor ou contacto tem resistência próxima de zero. Um contacto que deveria fechar e mostra resistência infinita está avariado.
• Sinais de entrada: no autómato, o LED da entrada deve acender quando o sensor está ativo. Se o LED não acende, medir a tensão no borne. Se existe tensão e o LED não acende, o módulo está avariado; se não existe tensão, a falha está no sensor ou no cabo.
• Deficiências nas saídas: o LED da saída acende no autómato mas o atuador não funciona? Medir a tensão no borne de saída. Se existe, a falha é do cabo ou do atuador; se não existe com LED aceso, a saída (por exemplo o relé interno) está avariada.

Exemplo resolvido · O motor não arranca

Num quadro com arranque direto por autómato, o botão de arranque é premido e nada acontece.

1. Observar: o autómato está em RUN, a lâmpada de defeito está apagada.
2. Entrada: o LED da entrada I0.1 acende ao premir o botão, logo a entrada recebe o sinal.
3. Programa: em monitorização, o degrau mostra I0.1 ativo, I0.0 ativo, mas I0.2 inativo. A entrada I0.2 vem do contacto 95-96 do térmico.
4. Medição (comando em tensão, com cuidado): o LED de I0.2 está apagado e não há 24 V no borne. Sem tensão, desligar e consignar. Medir continuidade do contacto 95-96: aberto.
5. Causa: o relé térmico disparou e tem rearme manual. A causa raiz tem de ser investigada (carga excessiva, falta de fase, regulação baixa) antes de rearmar.
6. Ação: corrigir a causa, rearmar, ensaiar e registar.

Exemplo resolvido · Traçar o esquema de um quadro já montado

Recebes o quadro de uma bomba, sem esquema. O método tem quatro passos.

1. Levantamento. Consigna o quadro (capítulo 12), fotografa-o aberto e lista cada aparelho com a referência da chapa de características: Q1 (disjuntor de motor), KM1 (contactor, bobina de 24 V), F1 (relé térmico), S1 e S2 (botões), H1 e H2 (lâmpadas), régua de bornes X1.
2. Bornes e cablagem. Para cada condutor, anota a identificação das duas pontas (ou atribui uma, se não tiver) e confirma com o multímetro em continuidade, com o quadro consignado. Regista em tabela: condutor, origem, destino (por exemplo, 102: S1:22 para S2:13 e KM1:13). A cor e a posição do fio não provam nada, só a continuidade.
3. Desenho. Primeiro a potência (rede, Q1, contactos 1-2, 3-4, 5-6 de KM1, F1, M1); depois o comando, entre dois barramentos, com todos os aparelhos em repouso, referências e numeração de bornes segundo a simbologia normalizada. Cada condutor da tabela passa a ser uma ligação no desenho e risca-se na tabela.
4. Verificação. Nenhum condutor fica por riscar; lê-se o ramo de comando como no capítulo 1 e prevê-se o comportamento; ensaia-se sem carga. O que não bater certo (um contacto sem uso, um fio sem destino) volta ao passo 2. No fim, datar o esquema e guardá-lo no quadro como "como construído".

Avarias frequentes

Manutenção e conservação

A manutenção pode ser corretiva (depois da avaria), preventiva (periódica, para evitar avarias) ou condicionada (com base em medições). No quadro de automatismos, as tarefas preventivas típicas são:

• Reaperto dos bornes (com a instalação consignada), limpeza do quadro e dos filtros, verificação dos contactos dos contactores e termografia para detetar ligações a aquecer.
• Cópia de segurança do programa, bateria do autómato, teste da emergência e dos encravamentos, e registo de todas as intervenções.

Procedimentos de implementação de automatismos

Implementar um automatismo segue esta ordem: especificação funcional, projeto (esquemas, escolha de componentes, lista de materiais), montagem, programação, ensaio sem carga, ensaio com carga, formação do utilizador, documentação final. O documento final inclui esquemas "como construído", o programa, o mapa de entradas e saídas, instruções de operação e manutenção.

12. Segurança, EPI, normas e proteção ambiental

Riscos elétricos e as regras de segurança

Os riscos principais são o choque elétrico (contacto direto com partes ativas, contacto indireto por massas que ganharam tensão), o arco elétrico e os acidentes mecânicos de máquinas que arrancam sem aviso. Antes de qualquer intervenção num quadro faz-se a consignação, em cinco passos:

1. Desligar o circuito de todas as fontes, incluindo as de comando e as que podem realimentar (baterias, geradores, painéis fotovoltaicos, condensadores).
2. Impedir a religação, com cadeado e etiqueta pessoal.
3. Verificar a ausência de tensão, com um aparelho adequado e testado antes e depois.
4. Ligar à terra e em curto-circuito, quando o procedimento o exigir.
5. Proteger as partes vizinhas sob tensão e sinalizar a zona de trabalho.

Em sistemas fotovoltaicos, os painéis continuam a produzir tensão enquanto houver luz, mesmo com o inversor desligado: o corte do lado de corrente contínua faz-se com seccionador próprio e não basta desligar a rede. Mesmo com esse seccionador aberto, o lado dos módulos continua sob tensão: numa string com fusível, desligam-se os conectores da string (sem corrente) ou cobrem-se os módulos, nunca se abrem fusíveis em carga em corrente contínua, e a ausência de tensão mede-se nos terminais do fusível. Nos sistemas eólicos, o rotor deve estar imobilizado e travado antes de qualquer trabalho elétrico no aerogerador.

Só se trabalha em tensão quando for estritamente necessário, por pessoas habilitadas, com procedimento e EPI adequados.

Equipamentos de proteção individual: regras de utilização

Os EPI utilizam-se de acordo com a avaliação de riscos da tarefa. Para trabalhos elétricos em automatismos:

Regras de utilização: inspecionar antes de cada uso, ajustar ao utilizador, substituir se danificado, guardar limpo e seco e respeitar os prazos do fabricante.

Diretiva Máquinas

A Diretiva Máquinas (Diretiva 2006/42/CE) estabelece requisitos essenciais de segurança e de saúde para a conceção e o fabrico de máquinas colocadas no mercado europeu. Um automatismo que comanda uma máquina tem de contribuir para estes requisitos: sistemas de comando seguros, paragem de emergência, arranque apenas por ação deliberada, proteção contra arranque inesperado, dispositivos de proteção. A diretiva vai ser substituída pelo Regulamento (UE) 2023/1230, aplicável a partir de 20 de janeiro de 2027; para qualquer projeto, consulta-se a legislação em vigor no Jornal Oficial da União Europeia e as normas harmonizadas aplicáveis.

RTIEBT e normas técnicas

As Regras Técnicas das Instalações Elétricas de Baixa Tensão (RTIEBT) foram aprovadas pela Portaria n.º 949-A/2006, na redação em vigor, e fixam as regras de projeto, execução e verificação das instalações de baixa tensão em Portugal. Tratam, entre outros temas, de proteção contra choques elétricos, proteção contra sobreintensidades, seccionamento, esquemas de ligação à terra, escolha de condutores e aparelhagem. As entidades competentes (por exemplo, a Direção-Geral de Energia e Geologia, DGEG) disponibilizam o texto atualizado. Os trabalhos de instalação são feitos por profissionais habilitados e as instalações verificadas e inspecionadas nos termos da lei.

Os esquemas, a simbologia e as linguagens de programação seguem as normas internacionais: IEC 60617 (símbolos gráficos), IEC 60848 (Grafcet) e IEC 61131-3 (linguagens de autómatos). Para equipamento elétrico de máquinas, aplica-se a EN/IEC 60204-1, que trata, por exemplo, das cores dos botões, das categorias de paragem e da proteção dos circuitos de comando; a paragem de emergência tem a EN ISO 13850.

Segurança e saúde no trabalho e proteção ambiental

O empregador avalia os riscos, informa e forma os trabalhadores e fornece EPI; o trabalhador cumpre as regras, usa os EPI e comunica situações perigosas. Nunca se trabalha sozinho em tarefas de risco elevado, e há sempre plano de emergência. Em matéria ambiental:

• Resíduos de equipamentos elétricos e eletrónicos (REEE): relés, contactores, autómatos, baterias (com substâncias perigosas) e cabos entregam-se em circuitos de recolha adequados, e não no lixo comum.
• Eficiência energética: usar inversores de frequência em bombas e ventiladores, desligar equipamentos em vazio, dimensionar corretamente os motores.
• Derrames e poluentes: manuseiam-se com contenção e fichas de dados de segurança, e embalagens e cabos separam-se para reciclagem.

Exemplo resolvido · Plano de consignação de um quadro de bombagem solar

Vai fazer-se a substituição de um contactor num quadro de uma bomba alimentada por painéis fotovoltaicos e rede.

1. Desligar: seccionador de corrente alternada da rede, seccionador de corrente contínua do gerador fotovoltaico, alimentação de comando.
2. Impedir religação: cadeado e etiqueta em cada seccionador, com o nome do responsável.
3. Verificar ausência de tensão: testar o detetor num ponto com tensão conhecida, medir entre todas as fases, entre fases e terra, e nos bornes de corrente contínua; testar de novo o detetor.
4. Condensadores e acumulação: aguardar a descarga dos condensadores do inversor, tal como o fabricante indica.
5. Proteger e sinalizar: cobrir partes vizinhas sob tensão e delimitar a zona.
6. Trabalho, ensaio e reposição: substituir o contactor, verificar ligações, retirar cadeados apenas pelo responsável, repor em serviço pela ordem inversa.

13. Selecionar a solução tecnológica e projetar um automatismo simples

Lógica cablada ou autómato?

A lógica cablada serve poucas funções e tem custo menor em aplicações pequenas; o autómato facilita alterações, temporizações, contagens, cálculos, diagnóstico assistido e comunicação, e compensa em aplicações grandes. A decisão depende da aplicação: uma bomba de circulação com arranque manual faz-se em lógica cablada; um seguidor solar com horário, sensores, limites e telemetria justifica autómato (ou controlador dedicado).

Metodologia de projeto

1. Caderno de encargos: o que o automatismo faz, em que condições, com que segurança.
2. Lista de entradas e saídas: sensores, botões, atuadores, tipo de sinal, tensão.
3. Modos de funcionamento: manual, automático, paragem, emergência.
4. Grafcet ou diagrama lógico: descrever a sequência.
5. Escolha dos componentes: autómato com margem (cerca de 20 % de entradas e saídas livres), contactores, proteções.
6. Esquemas: potência, comando, entradas e saídas, implantação.
7. Programa, ensaio e documentação.

Exemplo resolvido · Seguidor solar simples, de um eixo

Um painel orientável gira de este para oeste. Dois fins de curso (FC_E, FC_O) limitam o curso. Um sensor de luz esquerdo/direito (L_E, L_O) indica de que lado está mais luz; o motor pode rodar para este (KM1) ou para oeste (KM2).

1. Entradas: FC_E, FC_O (NC, a 1 em repouso, a 0 quando o limite é atingido), L_E, L_O, MAN/AUTO, botões manuais.
2. Saídas: KM1 (este), KM2 (oeste).
3. Lógica automática para este: KM1 = AUTO E L_E E NÃO L_O E FC_E E NÃO KM2.
4. Lógica automática para oeste: KM2 = AUTO E L_O E NÃO L_E E FC_O E NÃO KM1.
5. Verificação: se L_E e L_O forem iguais, não roda (zona morta); KM1 e KM2 nunca estão ativos ao mesmo tempo; um fio cortado num fim de curso (a 0) pára o movimento, segurança positiva.
6. Melhorias: um TON de 5 s à entrada de L_E / L_O evita que uma nuvem passageira faça girar o painel, e o encravamento mecânico protege KM1 e KM2.

Erros comuns

• Programar a paragem com contacto NO, ficando o sistema inseguro com um fio solto.
• Usar um contactor de corrente alternada em corrente contínua num circuito fotovoltaico.
• Ligar a paragem como NC mas programar lógica invertida, e depois estranhar que a máquina arranque sozinha.
• Regular o relé térmico acima da corrente de chapa, deixando o motor sem proteção.
• Misturar sensores PNP e NPN sem verificar o módulo de entrada.
• Ligar o nível máximo em NO, e a bomba transbordar com um fio solto.
• Rearmar a emergência e a máquina arrancar sozinha, por memórias que ninguém limpou.
• Trabalhar sem consignação, ou desligar só o inversor num sistema fotovoltaico.
• Rearmar o térmico sem procurar a causa.

Glossário

• Automatismo: conjunto de dispositivos que executa uma tarefa sem intervenção contínua de uma pessoa.
• Autómato (PLC, CLP): computador industrial que executa um programa em ciclo para comandar um processo.
• Contacto NO / NC: contacto normalmente aberto / normalmente fechado em repouso.
• Selo (autoalimentação): contacto que mantém a própria bobina ligada.
• Encravamento: bloqueio que impede duas ações incompatíveis em simultâneo.
• Segurança positiva: princípio em que a falha leva ao estado seguro.
• Separação galvânica: isolamento elétrico entre dois circuitos sem condução direta.
• PNP / NPN: tipos de saída de sensores eletrónicos, comutam positivo ou negativo.
• Mapa de entradas e saídas: tabela que liga endereços a dispositivos físicos.
• Ciclo de varrimento (scan): leitura das entradas, execução do programa e atualização das saídas, em repetição.
• SFC / Grafcet: método sequencial por etapas e transições.
• TON / TOF / TP: temporizadores de atraso à ligação, de atraso à desligação e de impulso.
• Histerese: diferença entre os limiares de ligar e desligar.
• Atuador: dispositivo que converte a ordem do automatismo em ação sobre o processo.
• Categoria de paragem (0, 1, 2): classificação da EN/IEC 60204-1 para o modo como a energia é cortada.

Síntese

Um automatismo divide-se em parte de comando e parte operativa, descrito em esquemas com simbologia normalizada e componentes sempre em repouso. Os contactos NO e NC, os relés, os contactores, os atuadores e os encravamentos são os blocos da lógica cablada, e as proteções garantem a segurança de motores e cabos. O autómato programável substitui a lógica de relés por um programa executado em ciclo, com entradas e saídas acopladas por separação galvânica e documentadas num mapa. As linguagens da IEC 61131-3 escolhem-se pelo problema; temporizadores, contadores e flancos são os elementos de base, e o Grafcet, com ou sem ramificações, descreve sequências que a equação de etapa traduz para o autómato. O diagnóstico segue um método, e em todas as fases contam a consignação, os EPI, as categorias de paragem, a Diretiva Máquinas, as RTIEBT e as normas de segurança e de proteção ambiental.

Exercícios resolvidos

1. Porque se liga o botão de paragem como contacto NC?

Resolução: por segurança positiva: se o fio se solta ou o contacto avaria, o circuito abre e a máquina pára. Com um contacto NO, uma avaria deixava a paragem inoperante sem que ninguém desse por isso.

2. Escreve a equação lógica do arranque com selo, com paragem (S1, NC) e térmico (F1, NC).

Resolução: KM1 = (S2 OU KM1) E S1 E F1, em que S1 e F1 são testados como contactos fechados em repouso (a 1 quando não atuados).

3. Um TOF com PT = 4 s tem IN = 1 até t = 10 s, depois IN = 0. Quando cai Q?

Resolução: Q = 1 desde que IN = 1 e mantém-se 4 s depois de IN passar a 0, ou seja, Q cai em t = 14 s.

4. Calcula a corrente nominal de um motor de 3 kW, 400 V, cos φ = 0,8, rendimento 0,85.

Resolução: I = 3000 / (1,732 × 400 × 0,8 × 0,85) = 3000 / 471,1 ≈ 6,4 A.

5. Um transdutor de pressão de 0 a 10 bar fornece 4 a 20 mA. Qual a pressão a 16 mA?

Resolução: P = (16 - 4) / 16 × 10 = 12 / 16 × 10 = 7,5 bar.

6. No ciclo em quadrado A+ B+ A- B-, em que etapas fica ativa a saída "A avançado"?

Resolução: com etapas 2 (A+), 3 (B+), 4 (A-), 5 (B-): A avançado fica ativo nas etapas 2 e 3 (a etapa 4 é o recuo). O recuo de A (etapa 4) é a condição que desativa a saída. Cuidado com o erro de ativar A apenas na etapa 2.

7. Um técnico precisa de substituir um fusível no lado de corrente contínua de um gerador fotovoltaico. O inversor está desligado. Pode começar logo?

Resolução: não. Os painéis produzem tensão enquanto houver luz, e o lado dos módulos mantém tensão mesmo com o seccionador aberto. É necessário abrir o seccionador de corrente contínua (nunca o fusível em carga), impedir a religação, desligar os conectores da string ou cobrir os módulos, medir a ausência de tensão nos terminais do fusível com o aparelho testado antes e depois, e só então intervir, com EPI adequados.