Apostila treinamento bms

Prédios inteligentes desempenham

um papel importante na sociedade

moderna. A capacidade de oferecer

um ambiente de trabalho segura e

confortável é pré-requisito. A gestão

de grandes empreendimentos não

se mostra viável sem um moderno

sistema de Automação e Controle

Predial. Nesta apostila são

apresentados os conceitos básicos

de sensores, atuadores e

controladores DDC utilizados em

projetos de automação predial.

Automação Predial Conceitos Básicos

Eng.º Carlos André Barbosa de Almeida

Apostila Treinamento Automação Predial

Autor: Eng. Carlos A Barbosa

©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




5. EQUIPAMENTOS COMERCIAIS .............................................................. 28

5.1. Links para os fabricantes: ................................................................... 29

6. REDES COMUNICAÇÃO .......................................................................... 29

7. PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃO ....................................................... 30




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




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.




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).




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




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.




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).




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).




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.




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.




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.




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.


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.




Figura 11 - Encoder óptico rotativo.


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





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


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.




Figura 14 - Sensor tipo FOLE.


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.


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:




Figura 16 - Medidores de nível discreto.


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.




Figura 17 - Medidores de nível contínuo.


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.




Figura 18 - Termostato bimetal.


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.


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


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:




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


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.


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




estática, e a diferente entre as duas é proporcional à velocidade e esta é

proporcional à vazão do fluído.

Figura 23 - Tubo Pitot.


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.


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.




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.




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.




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




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




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.




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





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




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.

http://www.weg.net.br/

http://www.deltacontrols.com.br/

http://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/




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




Rede de Gerência: TCP/IP, OPC, BACnet IP

A Tabela 2 mostra onde se enquadram alguns dos diversos

componentes da comunicação dos protocolos listados em relação ao modelo

ISO:

Tabela 1 – Protocolos e as camadas ISO.

CA

MA

DA

ISO

:

Aplicação Aplicação Específica

Apresentação

Sessão BACNnet IP MODBUS IP

Transporte

BACnet MS/TP

TCP BACnet TCP

MODBUS-RTU

TCP

Rede IP IP

Enlace Ethernet Ethernet

Ethernet

Física RS-485 RS-485

Fonte: O autor (2015)

Durante a evolução tecnológica dos sistemas de automação predial,

alguns fabricantes desenvolveram protocolos de comunicação proprietários no

nível de automação com base no padrão elétrico RS485, como por exemplo, o

Metasys N2, da Jonhson Controls.

Na camada de rede de campo, alguns protocolos desenvolvidos para a

área industrial foram herdados na área de automação predial, como

consequência aplicação de controladores lógicos programáveis (CLP) neste

domínio, citando-se como exemplos o CANopen, DeviceNet e Profibus

(KARSTEN et al., 2005).

Devido a esta diversidade de protocolos, muitos adaptados ao uso nos

sistemas de automação predial, os profissionais da área de engenharia de ar

condicionado, através da ASHRAE – American Society of Heating, Refrigerating

and Air-Conditioning Engineers, criaram em 1987 o protocolo aberto BACnet,

desenvolvido especialmente para controle de sistemas prediais, que vem sendo

constantemente atualizado.

O BACnet é um protocolo orientado a objeto, onde todos os dispositivos

podem atuar tanto como clientes como servidores, trocando mensagens entre si,

sendo um padrão ANSI e ISO, e permite a interoperabilidade de dispositivos e

sistemas de fabricantes diferentes, ao estabelecer o conceito de que cada

dispositivo é um objeto dotado de propriedades que podem ser lidas ou

alteradas, conforme o tipo de dispositivo e sua aplicação no sistema.

Atualmente o BACnet possui uma versão web services denominado

BACnet/WS, que através dos protocolos HTTP e TCP/IP um serviço Web

encapsulado pode solicitar e receber eventos via formato XML, baseado no




padrão SOAP, cuja integração atualmente é dificultada pela falta de

padronização nos sistemas web (FISHER, 2007).




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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