UC02931 · Sistemas electropneumáticos

Introdução

A electropneumática combina o melhor de dois mundos: a simplicidade e velocidade dos cilindros pneumáticos com a flexibilidade e inteligência do comando eléctrico (relés, sensores, PLC). É o standard industrial moderno em automação — qualquer máquina industrial construída nos últimos 30 anos usa este paradigma.

Esta unidade (25h) integra conhecimentos de pneumática (UC02929), circuitos electromecânicos (UC02862) e automação. Foco prático: como ler um esquema eléctrico-pneumático, dimensionar componentes, programar PLC com electroválvulas, e diagnosticar avarias num sistema integrado.

1. Conceito

1.1 Pneumática pura vs electropneumática

Pneumática pura (até anos 1980): - Comando inteiramente por ar (válvulas pilotadas, AND/OR pneumáticos). - Lógica feita com válvulas biestáveis (memória) e cascata de sinais. - Sensores: fim-de-curso pneumáticos (válvulas 3/2 accionadas mecanicamente). - Sem fios eléctricos (excepto comando do motor do compressor).

Hoje raro — apenas em situações de risco eléctrico extremo (zonas ATEX zona 0).

Electropneumática (anos 1980+): - Comando por electroválvulas (válvulas pneumáticas com solenoide). - Lógica em PLC (Programmable Logic Controller). - Sensores eléctricos (Reed, indutivos, pressostatos). - Interface ao operador via HMI (touch panel). - Integração com restantes sistemas (SCADA, MES) por fieldbus.

Por que substituiu pneumática pura: - Flexibilidade: alterar comportamento = mudar código (não recablar válvulas). - Diagnóstico: monitor ao vivo de cada I/O. - Compacto: ilhas de válvulas + PLC ocupam menos espaço que tubos pneumáticos. - Comunicação: integrável com restantes sistemas. - Custo: a longo prazo, PLC é mais barato que múltiplas válvulas biestáveis e cascatas.

1.2 Arquitectura

Compressor + reservatório + tratamento (FRL)
                  │
                  │ Ar comprimido 6-8 bar
                  ▼
        ┌─────────────────────────┐
        │  Ilha de electroválvulas  │
        └───┬─────────────────┬───┘
            │                   │
        Cilindros            Vácuo, pinças, motores
            │
        Sensores (Reed, indutivos, etc.)
                  │
                  │ Sinais eléctricos 24V CC
                  ▼
            ┌──────────┐
            │   PLC    │
            │ S7-1200  │
            └──┬────┬──┘
                │    │
               HMI  Fieldbus (Profinet)
                       │
                  SCADA / MES

1.3 Vantagens em números

• Redução de tempo de projecto: 50% (vs pneumática pura).
• Espaço ocupado: 30% (ilha de válvulas é compacta).
• Tempo de diagnóstico: 70% mais rápido (com PLC monitor ligado).
• Custo de modificação de comportamento: 80% mais barato (mudar código).

2. Electroválvulas

2.1 Princípio

Válvula direccional pneumática (3/2, 5/2, 5/3) com solenoide eléctrico em vez de comando manual ou piloto pneumático:

        Bobina (24V CC)
            │
            │ Activa → atrai núcleo → válvula muda posição
            │
       [Solenoide]
            │
       [Spool pneumático]
            │
          Vias 1-5

2.2 Tipos por número de solenoides

Monostável (1 solenoide + mola): - Sinal eléctrico activa → válvula muda posição. - Sinal cai → mola devolve à posição original. - Necessita sinal mantido para válvula ficar accionada. - Em queda de tensão eléctrica → válvula vai para posição segura (mola).

Biestável (2 solenoides, sem mola): - Solenoide A activa pulso → válvula vai para posição A e fica. - Permanece mesmo após sinal terminar (memória pneumática). - Solenoide B activa pulso → válvula vai para posição B. - Em queda de tensão: válvula mantém última posição (potencialmente perigoso — analisar segurança).

Escolha: - Monostável para cilindros que devem voltar à posição segura em queda de tensão (ex: cilindro principal de prensa: deve recolher para libertar zona). - Biestável para cilindros que devem manter posição (ex: aperto de peça em furação: deve manter aperto durante operação completa, incluindo curta queda de tensão).

2.3 Especificações eléctricas

2.4 Acessórios da electroválvula

Conector com LED: - Indica estado da bobina (acende quando activa). - Inestimável em diagnóstico — confirma visualmente que a bobina recebeu sinal. - Tipicamente custa 5-10 € a mais que conector standard.

Conector com diodo de roda livre: - Em sistemas CC, protege saída do PLC contra tensão induzida na desconexão da bobina. - Sem o díodo, pico de tensão pode danificar transistor de saída do PLC. - Em alguns PLCs já tem protecção interna; em outros não.

Botão de override manual: - Permite activar válvula sem sinal eléctrico (apertar com chave de fendas). - Inestimável para teste manual durante manutenção (verificar se problema é eléctrico ou pneumático).

2.5 Ilhas de válvulas

Para automatismos com muitos cilindros, monta-se bloco modular com 8-64 electroválvulas integradas:

Vista frontal de uma ilha de válvulas Festo MPA:
┌──┬──┬──┬──┬──┬──┬──┬──┐
│V1│V2│V3│V4│V5│V6│V7│V8│
└──┴──┴──┴──┴──┴──┴──┴──┘
   Saídas para cilindros
   (cada quadrado tem 2 saídas)

Conexões: - Alimentação pneumática central (1 entrada para toda a ilha). - Comunicação por fieldbus (1 cabo para toda a ilha). - Saídas pneumáticas individuais (mangueiras para cada cilindro). - Alimentação eléctrica 24V CC central.

Vantagens: - Cablagem compacta — em vez de 16 fios para 8 válvulas, 1 cabo de bus. - Configuração modular — adicionar/remover módulos. - Diagnóstico avançado: cada válvula reporta estado (activa, falha, contagem de ciclos). - Montagem profissional.

Fabricantes: Festo (VTUG, MPA, CPV), SMC (SV1000-SV4000), Camozzi Series 8, Bosch Rexroth AV03.

3. Sensores eléctricos

3.1 Sensor magnético de cilindro (Reed switch / Hall)

Sensor montado no exterior do cilindro detecta o pistão (que tem íman permanente embutido):

Reed switch: ampola de vidro com 2 lâminas metálicas; íman atrai e fecha contacto. Simples e barato.

Sensor Hall (electrónico): semicondutor que detecta campo magnético. Sem partes móveis, mais durável. Versão moderna.

Saídas comuns: - 2 fios (contacto NO ou NC) — simples mas reduz vida útil em correntes altas. - 3 fios PNP (+24V, 0V, sinal) — recomendado.

Cuidados: - Cilindro deve ter pistão magnetizado (verificar referência). - Sensor deve estar bem fixado para não vibrar / deslizar. - Distância sensor-pistão tipicamente < 5 mm (clipa no exterior).

3.2 Fim-de-curso mecânico (limit switch)

Contacto eléctrico activado por peça mecânica:

• Rolo: peça passa e activa.
• Alavanca: peça empurra alavanca.
• Pino: peça empurra pino vertical.

Saída: contacto seco NO/NC (sem electrónica).

Aplicações: detectar peça em posição numa esteira, fim-de-curso de portas, segurança de máquina.

Standard industrial: contactos com 2 NO + 2 NC ou 4 contactos comutadores. Categoria de protecção IP65.

3.3 Indutivo

Detecta presença de objectos metálicos sem contacto físico:

• Bobina cria campo electromagnético.
• Metal próximo altera o campo → sensor detecta.
• Distância de detecção: tipicamente 5-15 mm para aço.

Vantagens: - Sem desgaste (sem contacto). - Longa vida útil. - Robusto.

Limitações: - Só detecta metais. - Distância reduzida para metais não-ferrosos (alumínio, cobre — ~30% do Fe).

Tipos: - Blindado (shielded): detecta apenas em frente; pode montar embebido em metal. - Não-blindado: detecta também lateralmente; maior distância.

Saídas: PNP/NPN, NO/NC.

3.4 Capacitivo

Detecta qualquer material (metais, líquidos, plástico, madeira, papel) por alteração de capacitância:

• Sensores de nível em depósitos (líquido sobe → atinge sensor → activa).
• Detecção de produtos em embalagens.
• Distância: 5-50 mm tipicamente.

Mais sensível que indutivo mas também mais susceptível a falsos positivos (humidade, pó, vibração).

3.5 Fotoeléctrico

Usa luz (LED ou laser, geralmente IR) para detecção:

Tipos: - Barreira (through-beam): emissor + receptor separados; peça interrompe o feixe. Distância: até 50 m. - Reflexivo (retroreflective): emissor e receptor no mesmo corpo; espelho catadióptico do outro lado reflecte luz. Distância: até 10 m. - Difuso (diffuse): emissor e receptor no mesmo corpo; detecta luz reflectida pelo próprio objecto. Distância: 0,1-2 m.

Aplicações: contagem em esteira, detecção de presença, medição de dimensão.

3.6 Pressostato

Activa contacto quando pressão atinge nível ajustável:

• NA pressostato (normally open at high pressure): contacto fecha quando pressão sobe acima do setpoint.
• NC pressostato: contacto abre acima do setpoint.

Aplicações: confirmar que cilindro atingiu força final (prensagem); proteger sistema contra sobrepressão.

3.7 PNP vs NPN

Sensores electrónicos com 3 fios (alimentação +24V, 0V, sinal) têm 2 configurações de saída:

PNP (sourcing): - Ao detectar: sensor liga +24V à saída. - Carga (entrada do PLC) ligada entre saída e 0V. - Activo = +24V no fio de sinal.

NPN (sinking): - Ao detectar: sensor liga 0V à saída. - Carga ligada entre +24V e saída. - Activo = 0V no fio de sinal.

Padrão europeu: PNP. Standard em quase todos os PLCs Siemens, Schneider, Beckhoff.

Padrão asiático/americano: tradicionalmente NPN, mas PNP está a ser adoptado.

Misturar tipos: muito problemático. Verificar sempre antes de comprar.

4. Relés e comando eléctrico

4.1 Relé electromecânico

Igual ao relé descrito em UC02862, mas com algumas variantes específicas para electropneumática:

Relés de interface (entre PLC e cargas): - Saída do PLC (24V CC, 0,5 A) → bobina do relé → contactos potentes (até 10 A). - Permite saída PLC controlar cargas maiores (electroválvulas grandes, contactores de motor).

Relés de comando: - 1 sinal PLC → vários contactos paralelos. - Multiplicação de sinais.

Relés temporizados: - On-delay: contacto fecha X tempo após activação. - Off-delay: contacto mantém-se X tempo após desactivação. - Hoje frequentemente substituídos por temporizadores do PLC.

4.2 Relé de estado sólido (SSR)

Equivalente electrónico do relé electromecânico:

• Sem partes móveis.
• Comutação rápida (< 1 ms).
• Vida útil "infinita" (milhares de milhões de ciclos).
• Silencioso.
• Mais caro que relé EM standard.

Aplicação típica: comutação frequente de aquecedores, motores pequenos com VFD.

Desvantagem: perda em estado conduzindo (~1-2 V), aquece em correntes elevadas.

4.3 Relé de segurança

Categoria especial para circuitos de segurança (paragens de emergência, barreiras, bi-manual):

Características obrigatórias: - Redundância — múltiplos canais. - Auto-monitorização — detecta falha de um canal e desactiva. - Fail-safe — em qualquer falha, saída vai para estado seguro. - Certificação ISO 13849 categoria 3 ou 4 (PLd ou PLe).

Fabricantes: Pilz PNOZ, Sick UE, Schmersal SRB, ABB Jokab.

Tipos: - E-stop monitor: monitoriza botão de emergência (1 NC duplo). - Bi-manual monitor: para prensas (2 botões + janela temporal). - Light curtain monitor: para barreiras ópticas. - Door monitor: para portas de protecção. - Stop position monitor: para verificar paragem antes de abrir porta.

Custo: 150-500 € por relé (vs 5-20 € de relé standard) — justificado por segurança crítica.

5. PLC + electroválvulas + sensores

5.1 PLC

Já tratado em UC02862 e será aprofundado em UC02940. Resumo aqui da integração:

Modelo típico: Siemens S7-1200 (compacto, médio porte).

Entradas digitais (sensores): - 24V CC, sourcing/sinking conforme modelo. - 14 entradas no modelo básico.

Saídas digitais (electroválvulas, relés): - 24V CC, sourcing. - Tipo: transistor (rápido, baixa corrente até 0,5 A) ou relé (lento, corrente maior até 2 A). - 10 saídas no modelo básico.

Expansão: módulos adicionais para mais I/O, módulos analógicos (4-20 mA, 0-10 V), comunicação (Profinet, Profibus).

5.2 Cablagem típica

Entrada de sensor PNP no PLC:

+24V ──┬── Sensor (PNP)
       │       │
       │     Sinal
       │       │
       └─→ PLC entrada Ix.x ── 0V

Quando sensor detecta:
  Sensor sinal = +24V
  Corrente flui do sensor para o PLC
  PLC vê +24V na entrada → estado "1"

Saída de PLC para electroválvula:

+24V ── PLC saída Qx.x ──┬── Bobina
                          │     │
                          │     │ (diodo de roda livre em paralelo
                          │     │  para protecção)
                          │     ▼
                          └── 0V

Quando PLC activa saída:
  +24V no fio
  Corrente flui pela bobina
  Bobina cria campo → válvula muda

Protecção da saída: diodo em paralelo com a bobina, ou usar conector com diodo integrado, ou PLC com supressão interna. Sem protecção, o pico de tensão induzido na desconexão pode atingir 100-300 V → queima saída.

5.3 Programação típica (ladder)

Exemplo simples — cilindro com sensores de fim:

| Sensor B2 (recolhido)   Botão START     ┌──────────┐ |
|───┤├──────────────────────┤├──────────────( Q0.0 )───|  EV avanço
|                                          └──────────┘ |
|                                                       |
|   ┌──────────┐                                       |
|   │ Q0.0     │   Sensor B1 (avançado)               |
|───┤├──────────────────┤├─────────────────────────────|
|     ▲ auto-retenção                                  |
|                                                       |
|   ┌──────────┐                                       |
|   │ Q0.0     │                                       |
|───┤Não├──────────────────────────────────(  Q0.1  )──|  EV recuo (mola)
|                                                       |

Tradução: - Premir START com cilindro recolhido (B2) → activa Q0.0 (avanço). - Q0.0 auto-mantém-se (auto-retenção) enquanto B1 não está activo. - Quando B1 activa (cilindro chegou ao fim) → corta auto-retenção → Q0.0 desactiva. - Q0.1 (recuo) activa quando Q0.0 está desligado.

(Numa válvula monostável, basta desactivar Q0.0; a mola devolve a válvula.)

5.4 GRAFCET (norma IEC 60848)

Representação gráfica de máquina de estados:

   ┌──┐
   │ 0│ ── Inicial: aguarda START + B2
   └─┬┘
     │ Transição: START AND B2
     ▼
   ┌──┐
   │ 1│ ── EV avanço = 1
   └─┬┘
     │ Transição: B1
     ▼
   ┌──┐
   │ 2│ ── EV avanço = 0; espera 2s
   └─┬┘
     │ Transição: T2/2s
     ▼
   ┌──┐
   │ 3│ ── EV recuo = 1
   └─┬┘
     │ Transição: B2
     ▼
   (volta ao estado 0)

GRAFCET é particularmente claro para sequências complexas. PLCs modernos (Siemens TIA Portal, Beckhoff TwinCAT) suportam GRAFCET nativamente.

5.5 HMI

Touch panel (Siemens KTP, Schneider HMIST, Pro-face) ligado ao PLC por Profinet ou Modbus TCP:

Funcionalidades: - Visualização gráfica da máquina (com cilindros animados a mostrar posição). - Botões virtuais (start, stop, reset, alarmes). - Modo manual (operador comanda cada movimento individualmente). - Receita (parâmetros para diferentes produtos). - Histórico de alarmes. - Contador de ciclos, eficiência.

Software: - Siemens: WinCC (compatível com TIA Portal). - Schneider: Vijeo Designer. - Pro-face: GP-Pro EX.

6. Manutenção e diagnóstico

6.1 Diagnóstico em 3 níveis

Sistema electropneumático combina 3 tecnologias que podem falhar:

Nível 1 — Pneumático: - Pressão suficiente? (manómetro) - Fugas? - Filtros saturados? - Cilindros mecanicamente livres? - Mangueiras danificadas?

Nível 2 — Eléctrico: - Alimentação 24V CC presente? - Bobinas das electroválvulas com continuidade? - Sensores recebem alimentação? - Cabos íntegros?

Nível 3 — Lógica (PLC): - Programa correcto? - PLC em modo RUN? - I/O LEDs reflectem o esperado? - Estado das entradas correctas? - Saídas activam quando devem?

Diagnóstico sistemático: 1. Verificar pressão (nível 1). 2. Ver LEDs do PLC e da electroválvula: - Se LED PLC saída acende mas LED electroválvula não: problema eléctrico (cabo, conector). - Se ambos acendem mas cilindro não move: problema pneumático (válvula presa, cilindro avariado, mangueira esmagada). - Se LED PLC saída não acende: problema lógico (programa, sensores em estado errado).

6.2 Diagnóstico online com TIA Portal (Siemens)

Conectar laptop ao PLC e abrir programa em modo de monitorização: - Cada I/O mostra valor actual (ligado/desligado, valor analógico). - Cada linha de ladder mostra fluxo activo. - Pode forçar I/Os para teste (mas requer cuidado — força sinais que podem mover máquinas). - Watch table: visualiza grupo de variáveis em tempo real. - Trace: grava sequências de eventos para análise posterior.

6.3 Diagnóstico remoto

PLCs modernos suportam acesso remoto via: - VPN para a rede industrial. - Cloud platforms (Siemens MindSphere, Beckhoff Industrie 4.0). - OPC UA para troca de dados com sistemas superiores.

Permite a um técnico em Lisboa diagnosticar uma máquina em Vila Real sem deslocar-se. Reduz tempo de paragem dramaticamente.

6.4 Avarias comuns

6.5 Manutenção preventiva

Diária: visual + escuta.

Semanal: limpar painel, verificar conectores apertados.

Mensal: medir tensão 24V CC (deve ser 23-25 V); ciclo de ensaio de paragem de emergência.

Semestral: - Inspeccionar bobinas das electroválvulas (visual: queimadura?). - Apertar conectores (Wago/Phoenix). - Backup do programa do PLC (cartão SD + cloud). - Verificar bateria interna do PLC (para reloj e dados retentivos).

Anual: - Substituir filtros pneumáticos. - Verificar sensores: distância correcta, fixação, cabo. - Test de paragem de emergência completo. - Actualizar documentação (esquemas eléctricos, programa, manuais).

Reparação típica: - Bobina queimada: substituir bobina (10-30 €) ou electroválvula completa (50-150 €). 30 min. - Sensor avariado: substituir (15-100 €). 15 min. - Cabo cortado: localizar (cabo travel chains em zonas móveis sofrem desgaste); substituir secção. 1-2h. - Saída do PLC queimada: substituir módulo (200-500 €). 30 min + reconfiguração.

Apêndice A · Esquema típico ladder

Exemplo: cilindro com 2 sensores, retorno automático após temporização:

| I0.0 (START)     I0.2 (B2 recolhido)
|───┤├─────────────────┤├──────────────────────( Q0.0 )──|
|                                                          |
|   Q0.0                                                   |
|───┤├──────────┐                                          |
|   I0.1 (B1)   │  (auto-retenção do Q0.0 até atingir B1) |
|───┤NOT├───────┘                                          |
|                                                          |
| I0.1 (B1)                                                |
|───┤├─────────────────────────────────────────T#3s─( T0 )|
|                                                          |
| T0.Q                                                     |
|───┤├────────────────────────────────────────────( Q0.1 )|
|                                                          |
| I0.2 (B2)                                                |
|───┤├────────────────────────────────────────────( reset)|
|                                                          |

Sequência: - START + B2 → Q0.0 (avanço) com auto-retenção. - Cilindro avança até B1 → corta Q0.0. - B1 inicia temporização T0 (3s). - Após T0, Q0.1 (recuo) activa. - Cilindro recua até B2 → reset geral.

Apêndice B · Glossário

• EV — electroválvula.
• PLC — Programmable Logic Controller.
• HMI — Human-Machine Interface.
• PNP / NPN — tipos de saída de sensor electrónico.
• Reed switch — sensor magnético tipo ampola.
• Profinet, Profibus — fieldbus industrial (comunicação).
• GRAFCET — diagrama gráfico de estados sequencial.
• TIA Portal — software de programação Siemens.
• Ilha de válvulas — bloco modular de electroválvulas integradas.

Apêndice C · Recursos

• Festo Didactic: cursos gratuitos online de pneumática e electropneumática.
• Siemens Industry Mall: catálogo S7-1200/1500.
• Camozzi Pneumatica: catálogo + tutoriais.
• YouTube canal Festo: vídeos práticos.
• Software gratuito: Siemens TIA Portal V18 (versão básica gratuita); FluidSIM da Festo (versão estudante).