Lógica, memória e tempo: como um circuito de ar decide, lembra e espera
Um circuito de ar também decide, lembra e espera. Com funções lógicas, memórias e temporizadores, a máquina passa a partir só nas condições certas e a esperar o tempo certo.
agulhavolumeêmbolo do pilotosaída 2Temporizador pneumático em corte: agulha, volume, êmbolo do piloto, saída 2.
- Setor
- Expedição · encaixotamento
- Solicitante
- Engenharia de processo
- Equipamento
- Dispositivo de lote DL-14
- Prioridade
- Média
- Prazo
- 10 dias
O dispositivo de encaixotar deve partir com os botões dos dois postos e a proteção fechada, guardar o comando de partida até o fim do lote, esperar 3 segundos com a caixa cheia antes de liberá-la, e parar a cada 24 peças para a troca da caixa. Você vai montar a lógica de partida, escolher a memória, ajustar o temporizador e calcular a produção por hora.
- 1Montar a condição de partida com as funções lógicas
- 2Escolher a memória que guarda o comando
- 3Ajustar o temporizador da caixa cheia
- 4Contar as peças e calcular a produção
- 5Fechar no laboratório e emitir a descrição de funcionamento DF-14
Entrega: descrição de funcionamento DF-14, no fim da aula
As 5 competências desta aula
- Realizar as funções SIM, NÃO, E e OU com válvulas pneumáticas, e ler tabelas-verdade.
- Traduzir uma condição de funcionamento em expressão lógica e em circuito.
- Construir memórias com válvula biestável e com autorretenção.
- Explicar e ajustar um temporizador pneumático, com retardo na ligação e no desligamento.
- Reconhecer sensores pneumáticos sem contato e contadores.
SIM, NÃO, E e OU: as quatro funções, e como se combinam
Um sinal pneumático tem dois estados: há pressão, ou não há. Com isso, faz-se toda a lógica.
O sinal binário. Em lógica pneumática, só interessa se um sinal existe, valor 1, ou não existe, valor 0. Na prática, considera-se presente um sinal com pressão acima da necessária para comutar um piloto, e ausente um sinal totalmente descarregado. Entre os dois, há uma zona incerta, que os circuitos bem feitos atravessam depressa.
| Função | Significado | Como se realiza com ar |
|---|---|---|
| SIM, ou identidade | A saída repete a entrada | Válvula 3/2 normalmente fechada, pilotada. Serve para regenerar e amplificar um sinal fraco |
| NÃO, ou negação | Há saída quando não há entrada | Válvula 3/2 normalmente aberta, pilotada |
| E, ou conjunção | Há saída só se todas as entradas existirem | Válvula de simultaneidade. Ou válvulas 3/2 em série |
| OU, ou disjunção | Há saída se qualquer entrada existir | Válvula alternadora |
| NÃO-E e NÃO-OU | A negação das duas anteriores | A função, seguida de uma válvula normalmente aberta |
| A | B | A e B | A ou B | não A | A e não B |
|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 |
| 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 |
A negação serve para muito. Uma válvula normalmente aberta, pilotada pelo sinal B, e alimentada pelo sinal A, realiza "A e não B": deixa A passar, a menos que B apareça. É o bloqueio: a partida passa, desde que a emergência não esteja acionada.
Escrever a condição. Antes de desenhar, escreve-se em palavras, com E, OU e NÃO, o que deve existir para que a saída exista. Depois, cada palavra vira um componente.
Da frase ao circuito
Uma porta pneumática deve abrir quando for apertado o botão de dentro ou o de fora, desde que a chave de bloqueio não esteja acionada. Qual é a expressão, e quantos componentes de lógica são necessários?
- Sinais: D, botão de dentro. F, botão de fora. K, chave de bloqueio.
- Expressão: S = (D ou F) e não K.
- D ou F: uma válvula alternadora.
- E não K: a chave K como válvula 3/2 normalmente aberta, em série com a saída da alternadora.
O piano tocava sozinho. Não era uma caixa de música: tinha teclas, martelos e cordas de verdade, e executava peças inteiras, com acordes de dez notas. O que o comandava era uma tira de papel perfurado, que passava sobre uma barra de latão com uma fileira de furinhos. Não havia eletricidade no instrumento. Cada nota era decidida por um furo que deixava entrar um sopro de ar, e esse sopro, fraco demais para mover qualquer coisa, comandava uma válvula, que comandava outra
O piano automático foi o produto de consumo mais sofisticado do início do século XX. A versão que definiu o mercado foi construída em 1895 por Edwin Votey, em Detroit, e lançada poucos anos depois por uma fabricante de Nova York, com um nome comercial que virou sinônimo do instrumento: pianola.
A energia vinha de pedais, acionados pelo usuário, que moviam foles e criavam vácuo em um reservatório: o sistema trabalhava por sucção, e não por pressão. O programa era um rolo de papel, que se desenrolava sobre uma barra com um furo para cada nota. Onde o papel era inteiro, tapava o furo. Onde havia uma perfuração, o ar atmosférico entrava.
Esse ar era o sinal, e era mínimo: o que passa por um furo de menos de dois milímetros. Não tinha como acionar o martelo de um piano. O mecanismo o amplificava em dois estágios. O ar que entrava levantava uma pequena membrana de couro. A membrana movia uma válvula do tamanho de um botão. Essa válvula ligava ao vácuo um fole de alguns centímetros, que se fechava com força, e empurrava o mecanismo da tecla. Quando o papel voltava a tapar o furo, uma pequena fuga calibrada desfazia o sinal, a válvula retornava, e o fole se abria.
Em cada nota, portanto, havia um sensor, o furo da barra. Um amplificador, a membrana com a válvula. E um atuador, o fole. Repetido dezenas de vezes, lado a lado. Modelos posteriores acrescentaram furos nas bordas do rolo, que comandavam o pedal e a intensidade, e mecanismos que mantinham o papel centrado, corrigindo o seu desvio com dois furos sensores e dois foles opostos: um controle automático de posição, feito com ar.
Em 1908, os fabricantes americanos, reunidos em uma convenção, padronizaram o rolo: 88 notas, com espaçamento definido entre furos. Um rolo de qualquer editora passou a servir em um piano de qualquer marca. Na década de 1920, pianos automáticos representavam uma parte grande de todos os pianos vendidos nos Estados Unidos. O rádio e o fonógrafo elétrico encerraram o mercado em poucos anos.
Fontes: Pianola Institute, Edwin Votey, inventor of the Pianola (primeira pianola em Detroit, 1895); Wikipedia (inglês), Aeolian Company (marca Pianola usada a partir de janeiro de 1898, em Nova York)
Guardar um pulso: válvula biestável e autorretenção
O botão é solto, o fim de curso é abandonado, e o circuito precisa continuar sabendo o que foi pedido.
Por que memória. Sinais de botões e de fins de curso são, em geral, curtos: existem enquanto o dedo ou a haste estão lá. Os movimentos que eles comandam duram mais. Entre uma coisa e outra, é preciso um elemento que guarde a ordem.
Memória por válvula biestável. A válvula 5/2, ou 3/2, de duplo piloto, sem mola. Um pulso em um piloto, chamado de ligar, leva a válvula a uma posição. Ela fica ali, por atrito, sem nenhum sinal. Um pulso no outro, desligar, a leva de volta. É a memória mais usada em pneumática, por ser um componente só.
- Guarda o estado mesmo sem ar: religada a máquina, a válvula está onde ficou.
- Com os dois sinais presentes, vale o primeiro que chegou. O segundo é ignorado enquanto o primeiro durar.
Memória por autorretenção. Feita com uma válvula monoestável, de retorno por mola, e uma realimentação: a própria saída da válvula é levada de volta ao seu piloto, por uma alternadora. Um pulso no botão de ligar comuta a válvula. A saída aparece, volta pela alternadora, e mantém o piloto alimentado depois que o botão é solto. Para desligar, uma válvula normalmente aberta interrompe a realimentação.
| Aspecto | Válvula biestável | Autorretenção |
|---|---|---|
| Componentes | Uma válvula | Válvula monoestável, alternadora e válvula de desligar |
| Ligar e desligar juntos | Vale o primeiro sinal | Definido pelo circuito: desligar dominante, ou ligar dominante |
| Depois de uma falta de ar | Mantém o estado anterior | Volta sempre a desligado |
| Uso típico | Memórias de sequência, válvulas de potência | Partida e parada de máquina, onde o religamento deve exigir novo comando |
Desligar dominante e ligar dominante. No circuito da figura, o botão de desligar corta tudo o que vai ao piloto: vence sempre. Se a válvula de desligar for colocada apenas no ramo da realimentação, antes da alternadora, o botão de ligar chega ao piloto por um caminho que o desligar não interrompe: enquanto apertado, liga vence. A primeira forma é a regra para partida e parada de máquinas.
Religamento. Uma máquina que para por falta de ar, e volta a se mover sozinha quando o ar retorna, é um perigo. A autorretenção resolve por construção: sem ar, a memória se desfaz. Com válvulas biestáveis, o projeto precisa prever a volta à posição inicial e a pressurização controlada.
O temporizador pneumático: estrangulamento, reservatório e válvula
Três componentes que já são conhecidos, reunidos em um bloco.
Um temporizador ajustado para 4,2 s, com sinal de 6 bar, passa a receber 5 bar. Qual o novo tempo, em segundos?
Retardo na ligação. O sinal de entrada chega, e a saída só aparece depois do tempo ajustado. Quando o sinal de entrada é retirado, o reservatório se esvazia depressa, pela retenção, e a saída some de imediato. É o mais comum: a haste chega ao fim do curso, o fim de curso dá o sinal, e o recuo só é comandado segundos depois.
Retardo no desligamento. Invertendo a retenção, o reservatório se enche de imediato, e se esvazia devagar: a saída aparece logo, e permanece por um tempo depois que a entrada some. Serve para prolongar um sinal curto.
Saída normalmente aberta. Com uma 3/2 normalmente aberta no lugar da fechada, as saídas se invertem. Um temporizador de retardo na ligação com saída normalmente aberta, alimentado pelo próprio sinal, produz um pulso: a saída existe desde que o sinal chega, e é cortada depois do tempo. É o circuito que encurta um sinal longo, e voltará nas aulas sobre sequências.
| Tipo | Quando a entrada aparece | Quando a entrada some | Uso |
|---|---|---|---|
| Retardo na ligação | A saída aparece depois do tempo | A saída some logo | Tempo de permanência: prensar, colar, resfriar |
| Retardo no desligamento | A saída aparece logo | A saída some depois do tempo | Prolongar um sinal: sopro de limpeza, lubrificação |
| Formador de pulso | A saída aparece logo, e é cortada depois do tempo | Nada muda | Transformar um sinal permanente em pulso curto |
O efeito da pressão sobre o tempo
Um temporizador está ajustado para 4,2 s, com sinal de 6 bar e comutação em 3 bar. A pressão do sinal cai para 5 bar. Qual é o novo tempo?
- Com 6 bar: t = τ × ln(6 ÷ 3) = 0,693 × τ. Para 4,2 s, τ = 6,0 s.
- Com 5 bar: t = 6,0 × ln(5 ÷ (5 − 3)) = 6,0 × 0,916 = 5,5 s.
Para tempos longos. O volume interno dá até cerca de 30 segundos. Acrescentando um reservatório externo, chega-se a minutos, com precisão cada vez pior. Acima disso, usa-se temporizador elétrico ou mecânico.
Cuidados.
- Ar limpo e seco: a passagem do estrangulamento é de décimos de milímetro.
- Pressão regulada, como visto.
- Tempo de recuperação: depois de um ciclo, o reservatório precisa esvaziar por completo antes do seguinte. Sinais muito próximos encontram o reservatório meio cheio, e o tempo encurta.
- Ajuste com cronômetro, na máquina, e registro do valor.
O temporizador pneumático, em corte
Agulha de ajuste, volume e válvula 3/2 pilotada, no mesmo corpo, cortado ao meio. Toque nos números e veja o volume encher antes de a saída abrir.
Aponte a câmera do celular para o QR e veja a peça em tamanho real sobre a sua mesa. Está em tamanho real: um temporizador de bancada cabe na mão.
Atenção: esta cópia está rodando só no seu computador. O QR funciona quando a aula estiver publicada.
Captar sinais sem tocar, contar ciclos, e a lógica sem peças móveis
Nem toda peça pode ser tocada por um rolete. E nem todo comando termina em um ciclo.
| Sensor | Como funciona | Onde se usa |
|---|---|---|
| Bocal de retropressão | Um jato fraco sai por um bocal. Quando um objeto o obstrui, a pressão dentro do bocal sobe, e essa subida é o sinal | Detectar presença a frações de milímetro: batentes, fins de curso sem peças móveis |
| Barreira de ar | Um bocal emissor sopra em direção a um receptor. Um objeto no caminho interrompe o jato | Detectar a passagem de peças, a distâncias de centímetros |
| Sensor reflexivo | Um bocal anelar sopra, e um orifício central capta o ar refletido por um objeto próximo | Detectar presença a alguns milímetros, sem contato |
| Sensor de alívio de pressão | Detecta quando a câmara de escape de um cilindro fica sem pressão | Saber que o cilindro parou, em qualquer ponto do curso |
| Válvula de sequência | Comuta em uma pressão ajustada | Saber que o cilindro encontrou resistência e fez força |
Sinais de baixa pressão. Os sensores de jato trabalham com pressões de alimentação de 0,1 a 0,2 bar, para gastar pouco ar, e entregam sinais de milésimos de bar. Nenhuma válvula comum comuta com isso. O sinal passa por um amplificador: uma válvula 3/2 com uma membrana grande no piloto, que comuta com centésimos ou milésimos de bar, e entrega na saída a pressão normal da rede. É a função SIM, com ganho.
Vantagens. Não há contato, nem desgaste, nem faísca. O jato de ar mantém o sensor limpo. Funcionam em calor, em poeira, em campos magnéticos e em áreas explosivas, onde sensores elétricos exigem construção especial.
Limites. Consumo de ar contínuo. Sensibilidade a correntes de ar e a sujeira no receptor. Alcance curto.
Contadores. Um contador pneumático recebe um pulso de ar a cada ciclo, e avança um mecanismo de dígitos. No tipo com pré-seleção, ajusta-se um número. Atingida a contagem, o contador emite um sinal de saída, que para a máquina ou comanda outra operação, e é zerado por um sinal de retorno. Serve para lotes: vinte peças por caixa, cinco batidas por peça.
Um lote de peças
Um dispositivo em ciclo contínuo, com 2,5 s por ciclo, deve produzir lotes de 24 peças, e parar, à espera da troca de caixa. Como fazer, e quanto dura um lote?
- Contador com pré-seleção, ajustado em 24.
- Entrada de contagem: o sinal do fim de curso da posição avançada, um pulso por ciclo.
- Saída do contador: desliga a memória de ciclo contínuo.
- Zeramento: pelo botão de partida do novo lote.
- Duração do lote: 24 × 2,5 = 60 s.
Três engenheiros de um laboratório do exército americano procuravam um modo de controlar um jato de fluido sem nenhuma peça que pudesse quebrar, emperrar ou sentir a radiação. Descobriram que um jato fino, soprado por outro ainda mais fino, de lado, mudava de direção, e que, entre duas paredes, grudava em uma delas e ali ficava. Tinham feito, com canais escavados em um bloco de plástico, um amplificador e uma memória. A imprensa técnica anunciou o fim das válvulas
No fim da década de 1950, os sistemas de controle de mísseis e de aeronaves dependiam de componentes eletrônicos e eletromecânicos sensíveis a vibração, a temperatura e a radiação. Em um laboratório de pesquisa do exército americano, em Washington, um grupo buscava alternativas.
Em 1959, Billy Horton propôs um amplificador em que um jato de fluido, saindo de um bocal, era desviado por dois jatos de controle, laterais e muito mais fracos. Conforme o desvio, o jato principal entrava mais em um ou em outro de dois canais de saída. Uma variação pequena no controle produzia uma variação grande na saída. Raymond Warren e Romald Bowles, no mesmo laboratório, desenvolveram uma versão que aproveitava a tendência de um jato a aderir a uma parede próxima, fenômeno descrito décadas antes por um engenheiro romeno. Entre duas paredes divergentes, o jato adere a uma delas, e fica. Um pulso de controle o descola e o joga para a outra, onde ele também fica. É uma memória biestável, sem nenhuma peça móvel.
Os resultados foram divulgados em 1960, e a tecnologia recebeu um nome: fluídica. Com variações da mesma geometria, obtinham-se as funções E, OU, NÃO, osciladores e contadores. Um circuito lógico inteiro podia ser moldado em uma placa de plástico, cerâmica ou metal, como um labirinto de canais.
Durante a década de 1960, a expectativa foi grande. Fabricantes de pneumática lançaram famílias de elementos fluídicos, e houve aplicações em comandos de máquinas, em respiradores médicos de emergência, em controles de motores e em equipamentos para ambientes de alta temperatura.
Os limites apareceram na prática. Os elementos consomem ar o tempo todo, mesmo sem mudar de estado. Trabalham com pressões muito baixas, e precisam de amplificadores para acionar qualquer coisa. Os canais, de frações de milímetro, exigem ar extremamente limpo. E, sobretudo, os circuitos integrados eletrônicos, que surgiram na mesma década, caíram de preço e ganharam robustez em uma velocidade que nenhuma tecnologia mecânica acompanhou. Em meados da década de 1970, a fluídica havia saído do comando de máquinas.
Restaram os nichos em que a ausência de peças móveis vale mais que tudo: os bicos oscilantes de lavadores de para-brisa e de duchas, que varrem o jato sem nenhum mecanismo, alguns medidores de vazão, e pesquisas recentes em dispositivos de escala microscópica.
Fontes: Wikipedia (inglês), Fluidics (Harry Diamond Laboratories, 1959); Google Patents, US 3 024 805, Negative feedback fluid amplifier (pedidos de Horton, Bowles e Warren, 1959 e 1960)
Funções lógicas, condição de partida com três sinais, memórias com ligar e desligar, tempo do temporizador, que função é, o que fazer, e treino
O primeiro modo mostra a saída de cada função. O segundo avalia uma condição de partida típica. O terceiro compara as memórias. O quarto calcula o tempo de um temporizador. O quinto classifica. O sexto apresenta decisões. O sétimo sorteia perguntas.
Quatro erros em lógica e temporização
Dois de projeto, e dois de condição de trabalho.
Circuito por tentativa falha na combinação que ninguém testou.
Depois de uma falta de ar, a máquina não pode partir sozinha.
O tempo varia com a pressão do sinal.
Sinal que não some trava a lógica.
O retardo de um temporizador
Um temporizador pneumático tem constante de tempo de 10 segundos. O sinal de entrada é de 6 bar, e o piloto comuta com 3 bar. Usando t = τ × ln(ps ÷ (ps − pc)), qual é o tempo de retardo, em segundos? Use uma casa decimal.
Lógica, memória e tempo no seu trabalho
Em comando pneumático puro ou em eletropneumática, as funções são as mesmas. Muda o componente. Clique em um cartão.
Emita o documento do seu trabalho
Os resultados do laboratório entram sozinhos. Complete o que falta, assine e salve em PDF: é a sua peça de portfólio desta aula.
Descrição de funcionamento: dispositivo de lote DL-14
| Condição de partida testada | |
|---|---|
| Memória escolhida | |
| Comportamento da memória ao faltar ar | |
| Tempo de retardo ajustado | |
| Contagem do lote e produção por hora |
| Conclusão do técnico |
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7 situações de trabalho
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E em série, OU por alternadora, NÃO pela válvula aberta, memória para o pulso, e reservatório para o tempo
Com lógica, memória e tempo, já se comanda um cilindro em qualquer condição. Máquinas têm vários, que precisam se mover em uma ordem certa: prender, furar, recuar a broca, soltar. A próxima aula apresenta a forma de descrever essa ordem sem ambiguidade: a notação das sequências, e o diagrama trajeto-passo.