UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ COORDENAÇÃO DE ENGENHARIA ELETRÔNICA
CURSO DE ENGENHARIA ELETRÔNICA
MATHEUS FABRÍCIO DOS SANTOS
PROJETO DE AUTOMAÇÃO DO PROCESSO INDUSTRIAL DE
LAVAGEM DE ROUPAS UTILIZANDO A PLATAFORMA DE
CONTROLE ARDUINO
TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO
TOLEDO 2015
MATHEUS FABRÍCIO DOS SANTOS
PROJETO DE AUTOMAÇÃO DO PROCESSO INDUSTRIAL DE
LAVAGEM DE ROUPAS UTILIZANDO A PLATAFORMA DE
CONTROLE ARDUINO
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado como requisito parcial à obtenção do título de Bacharel em Engenharia Eletrônica, da Universidade Tecnológica Federal do Paraná.
Orientadora: Me. Jaqueline Vargas
TOLEDO 2015
TERMO DE APROVAÇÃO
Título do Trabalho de Conclusão de Curso No 024
Projeto de Automação do Processo Industrial de Lavagem de
Roupas utilizando a Plataforma de Controle Arduino
por
Matheus Fabrício Dos Santos
Esse Trabalho de Conclusão de Curso foi apresentado às 09h10min do dia 24 de
novembro de 2015 como requisito parcial para a obtenção do título Bacharel em Engenharia Eletrônica. Após deliberação da Banca Examinadora, composta pelos
professores abaixo assinados, o trabalho foi considerado APROVADO.
________________________________ _______________________________ Prof. André Martins Borba Prof. Dr. Evandro Marcos Kolling
(UTFPR-TD) (UTFPR-TD)
________________________________ Profa. M. Jaqueline Vargas
(UTFPR-TD) Orientador
Visto da Coordenação
____________________________ Prof. M. Alessandro Paulo de Oliveira Coordenador da COELE Câmpus Toledo
DEDICATÓRIA
A meu Tio Rogerio Chini (in memoriam), sábio homem que me ajudou a trilhar meu caminho, conduzindo e inspirando meu interesse pela área.
AGRADECIMENTOS
Agradeço em primeiro lugar Deus que permitiu que tudo isso acontecesse, ao longo de minha vida, e não somente nestes anos como universitário, mas que em todos os momentos é o maior mestre que alguém pode conhecer.
Aos meus amados pais, Waldir e Cleci, irmão Michel, e toda minha família que, com muito carinho e apoio, não mediram esforços para que eu chegasse até esta etapa de minha vida.
À Andressa, pessoa com quem amo partilhar а vida. Com você tenho me sentido mais vivo de verdade. Obrigado pelo carinho, а paciência е por sua capacidade de me trazer paz na correria de cada semestre.
À professora Jaqueline Vargas, pela paciência na orientação e incentivo que tornaram possível a conclusão deste trabalho.
À equipe da empresa Mundial Eletroeletrônica Industrial que nunca pouparam esforços, tempo, paciência, e dispuseram o local e equipamentos para o desenvolvimento deste projeto desde a ideia até sua conclusão.
À Universidade Tecnológica Federal do Paraná, seu corpo docente, direção е administração que oportunizaram а janela que hoje vislumbro um horizonte superior, eivado pela acendrada confiança no mérito е ética aqui presentes.
A todos que de alguma forma contribuíram para o desenvolvimento e conclusão deste trabalho.
"Lâmpada para os meus pés é a tua palavra e, luz para os meus caminhos."
RESUMO
SANTOS, Matheus Fabrício. Projeto de automação do processo industrial
de lavagem de roupas utilizando a plataforma de controle Arduino. 2015.
66 páginas. Trabalho de Conclusão de Curso – Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Toledo, 2015.
Atualmente, os sistemas utilizados no processo industrial de lavagem de roupas possuem pouca tecnologia e dependem significativamente de mão de obra, que pode ser falha e ineficiente quanto ao uso dos recursos naturais. Diante disso, existe uma importante demanda por melhorias neste processo, visando o uso sustentável dos recursos, maior agilidade e qualidade no produto final. Neste contexto, o presente trabalho buscou automatizar as etapas de abastecimento e de agitação desse processo. Para tal, a teoria de microcontroladores aliada à plataforma Arduino, permitiu implementar um sistema completo com sensores e atuadores necessários para a satisfação das necessidades desta proposta. Como resultado, tem-se um sistema flexível, que controla o abastecimento e o processo de agitação, possível de ser instalado na indústria.
Palavras-chave: automação industrial, Arduino, controle digital, sustentabilidade.
ABSTRACT
SANTOS, Matheus Fabrício. Automation of the industrial process of
washing clothes using the Arduino control platform. 2015. 66 pages.
Course Conclusion Work – Technological Federal University of Paraná. Toledo, 2015.
Currently, the systems used in the industrial process of washing clothes have just a few technologies and significantly rely on manpower, which may be flawed and inefficient in the use of natural resources. Therefore, there is a significant demand for improvements in this process to the sustainable use of recourses, greater agility and quality in the final product. In this context, this paper seeks to automate the process of water supply and agitation of this process. For such, the microcontroller theory combined with the Arduino platform, allowed the implementation of a complete system with sensors and actuators necessary to meet the needs of this proposal. As a result, there is a flexible system that controls the water supply and agitation, and can be installed into industry.
Key words: industrial automation, Arduino, digital control, sustainable use of natural resources.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Diagrama de tubulaçao e instrumentaçao ... 13
Figura 2 - Placa do Arduino Mega 2560. ... 15
Figura 3 - Ambiente de desenvolvimento do Arduino. ... 17
Figura 4 - Dispositivo LCD Keypad Shield... 18
Figura 5 - Case para o LCD Keypad Shield. ... 19
Figura 6 - Inversor de Frequência CFW08 ... 20
Figura 7 - Controlador NOVUS N322S ... 21
Figura 8 - Contator Schneider LC1 E25 01 ... 22
Figura 9 - Resistência Elétrica ... 22
Figura 10 - Válvula Solenoide ... 23
Figura 11 - Válvula de esfera com acionamento por borboleta ... 25
Figura 12 - Válvula controladora de vazão motorizada ... 26
Figura 13 - Etapa de potência para um motor de passo ... 27
Figura 14 - Etapa de potência dos motores de passo ... 27
Figura 15 - Medidor de vazão YF-S201... 28
Figura 16 - Medidor de vazão instalado ... 29
Figura 17 - Diagrama em blocos do DS18B20 ... 30
Figura 18 - DS18B20 ... 30
Figura 19 - Sensor com encapsulamento a prova d’água ... 31
Figura 20 - Módulo Relé 5 V 8 canais ... 32
Figura 21 - Botão de parada de emergência de montagem embutida ... 33
Figura 22 - Equipamento completo montado ... 34
Figura 23 - Sistema de controle de malha fechada ... 36
LISTA DE GRÁFICOS
Gráfico 1 - Parametrização inicial do controlador ... 39
Gráfico 2 - Primeiro abastecimento com ação de controle a cada 1 segundo... 39
Gráfico 3 - Comportamento para uma ação de controle a cada 3 segundos ... 40
Gráfico 4 - Parametrização secundaria do controlador ... 41
Gráfico 5 - Comportamento do sistema com ganho proporcional maior... 41
Gráfico 6 - Parametrização final do controlador ... 42
Gráfico 7 - Primeiro comportamento do sistema para o parâmetro final ... 42
Gráfico 8 - Segundo comportamento do sistema para o parâmetro final ... 43
Gráfico 9 - Terceiro comportamento do sistema para o parâmetro final ... 44
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
USB Universal Serial Bus
ICSP In-Circuit Serial Programing
I/O Input/Output
PWM Pulse Width Modulation
SRAM Static Random Acess Memory
EEPROM Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory SPI Serial Peripheral Interface
IDE Integrated Development Environment LCD Liquid Crystal Display
A/D Analógico/Digital
ABS Acrilonitrila Butadieno Estireno
ASCII American Standard Code for Information Interchange IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor
MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor CLP Controlador Lógico Programável
NF Normalmente Fechado NA Normalmente Aberto
NTC Negative Temperature Coefficient CLT Consolidação das Leis do Trabalho GNV Gás Natural Veicular
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ... 8 1.1 OBJETIVO GERAL ... 9 1.2 OBJETIVO ESPECÍFICO ... 10 1.3 JUSTIFICATIVA ... 10 1.4 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO ... 11 2 MATERIAIS E MÉTODOS ... 12 2.1 ASPECTOS DO ARDUINO ... 14
2.1.1 Carcterísticas do Arduino Mega 2560 ... 14
2.1.2 Pinos de Entrada/Saída ... 16
2.1.3 Ferramenta de Programação ... 16
2.2 DISPOSITIVOS DE INTERFACE... 18
2.3 INVERSOR DE FREQUÊNCIA ... 19
2.4 SISTEMA PARA AQUECER A ÁGUA ... 20
2.5 VÁLVULAS SOLENOIDES ... 23
2.6 VÁLVULAS CONTROLADORAS DE VAZÃO ... 24
2.7 MEDIDOR DE VAZÃO ... 28
2.8 SENSOR DE TEMPERATURA ... 30
2.9 MÓDULO RELÉ ... 31
2.10 DISPOSITIVO DE PARADA DE EMERGÊNCIA ... 33
3 CONTROLE E RESULTADOS DO SISTEMA PROPOSTO ... 35
3.1 CONTROLE COM REALIMENTAÇÃO DE UMA PLANTA ... 35
3.2 CONTROLADOR PROPORCIONAL PARA A TEMPERATURA ... 36
3.3 CONTROLE DO CICLO DE AGITAÇÃO ... 37
3.4 RESULTADOS ... 38
4 CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 46
4.1 CONCLUSÃO ... 46
4.2 PROPOSTAS PARA TRABALHOS FUTUROS ... 46
REFERÊNCIAS ... 48
1 INTRODUÇÃO
Na competitiva indústria moderna o empresário está sempre visando melhorar a eficiência em sua produção, sobretudo conciliar o aumento nos lucros com a qualidade do produto oferecido, além da preocupação com o desenvolvimento sustentável a fim de minimizar um impacto ambiental. Dentre as opções atualmente empregadas para otimização da produção, a construção de sistemas automatizados se destacam por ser uma tecnologia eficiente.
A automação de processos permitiu um grande salto tecnológico industrial, onde os controladores automáticos são muito utilizados devido a sua versatilidade nos mais variados graus de complexidade de sistemas (NEVES, 2007). Com isso, busca-se diminuir o tempo de processo, aperfeiçoar o uso dos recursos, diminuir desperdícios, garantir um padrão de qualidade continua na produção, entre outras vantagens.
A utilização de controladores na indústria está ligada com o controle de variáveis de processo. Tais variáveis são grandezas físicas que possuem valores variantes no tempo e/ou espaço, como nível, temperatura, pressão, posição, vazão, entre outros. A automação de um processo pode ser constituída de vários níveis de complexidade, como pode ser observado, por exemplo, em um controlar de nível, visando mantê-lo estável em um reservatório; ou até mesmo no controle completo de uma linha de produção.
Diversas técnicas podem ser empregadas para o controle de um sistema. A grande maioria das aplicações industriais utiliza a técnica do controlador proporcional. Essa técnica é baseada no calculo inicial do erro entre a variável a ser controlada e o seu valor desejado, assim a partir do erro, é gerado um sinal de controle a fim de anular esse desvio (OGATA, 2010). Sobretudo, devido à simplicidade de ajuste dos parâmetros, e principalmente por estar presente na grande maioria dos equipamentos de controle nas indústrias, temos disponível no mercado, uma grande variedade de ferramentas que possibilitam sua implementação de maneira rápida e prática (WEG, 2012) (NOVUS, 2015).
Dentre as ferramentas existentes, é comum o uso de microcontroladores em processos industriais. Um microcontrolador é um sistema encapsulado em
um único chip, e possui memórias, clock (velocidade) e periféricos que em geral são mais limitados que um computador. Entretanto, o uso desses dispositivos não somente diminui o custo da automação, como facilita a integração com outros circuitos (ATMEL, 2015). Existe um dispositivo muito popular de hardware e microcontroladores denominado Arduino, o qual tem cada vez mais conquistado espaço no meio industrial por ser uma solução eficiente em relação ao custo e beneficio. Além disso, encontra-se com facilidade referências literárias sobre o seu funcionamento.
O Arduino é uma plataforma de computação física constituída por sistemas digitais ligados a sensores e atuadores que permitem construir sistemas que percebam a realidade e respondam com atuações físicas. Para isso, possui acessos de Entrada/Saída, sobre a qual foram desenvolvidas bibliotecas com funções que simplificam a sua programação por meio de uma sintaxe similar a das linguagens C e C++ (PLAYGROUND ARDUINO, 2015).
Neste trabalho, o Arduino será utilizado para automatizar um processo industrial de lavagem de roupas. Assim, esta proposta visa elaborar, de forma eficiente, a automação do processo a fim de minimizar os custos de operação, evitar desperdícios e garantir qualidade. Para tal, faz-se necessário o controle da temperatura e volume da água, tempo de processo, e correto posicionamento do equipamento de lavagem. Isso será feito realizando a medição por meio da leitura de sensores, e a ação de controle dos atuadores por meio de válvulas motorizadas para o controle de vazão.
1.1 OBJETIVO GERAL
O objetivo do presente trabalho é desenvolver um sistema de automação para o abastecimento de água em um processo de lavagem industrial de roupas, utilizando a técnica de controle proporcional digital por meio da plataforma física Arduino.
1.2 OBJETIVO ESPECÍFICO Revisão bibliográfica;
Levantamento das necessidades do processo; Elaboração de um diagrama de instrumentação; Escolha dos materiais necessários;
Construir um mecanismo para teste em ambiente controlado; Implementar do controle de temperatura e volume da água; Testar o controle do volume de água para cada processo;
Configurar o inversor de frequência para o funcionamento do tanque.
1.3 JUSTIFICATIVA
Este projeto tem por finalidade a implementação do sistema de automação como serviço para uma empresa, a qual pretende comercializar e implantar em indústrias que utilizam equipamentos de lavagem de roupas com o sistema manual.
A real necessidade do uso sustentável dos recursos, a fim de evitar desperdícios, é um tema em destaque e de fundamental importância para a sociedade moderna que busca por eficiência. Na indústria, além do cuidado com aproveitamento dos recursos, leva-se em consideração a otimização da produção (SOLA, 2004). Assim, são muitos os desperdícios causados pelo controle manual: tempo elevado de processo, imprecisão, descontinuidade de padrões, entre outros.
Com base nos problemas apresentados, a empresa Mundial Eletroeletrônica quer melhorar o processo de lavagem industrial visando minimizar principalmente o desperdício de água. Além disso, a implantação da proposta deste projeto, consequentemente, irá garantir uma economia de energia por tornar o processo mais eficiente; diminuir o desgaste das máquinas envolvidas; e evitar danos no produto inserido na lavagem.
1.4 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO
Este trabalho está divido em quatro capítulos, que por sua vez estão divididos em seções para melhor organização. O primeiro capítulo diz respeito à introdução da proposta.
O segundo capítulo trata dos materiais e métodos utilizados, bem como a função que cada equipamento tem, e como foram utilizados para a implementação desta proposta.
O terceiro capítulo corresponde à revisão bibliográfica sobre controladores, e como foi implementado e ajustado o controle necessário para concluir o objetivo desta proposta. Também estão relatados os resultados obtidos com a após a verificação do funcionamento desta proposta, exemplificando alguns cenários possíveis e conferindo como o controlador implementado atuou perante essas condições.
Por fim, o quarto capítulo traz as conclusões dos resultados e do trabalho como um todo, adicionalmente trazendo propostas a continuação deste em ações futuras.
2 MATERIAIS E MÉTODOS
Este capítulo irá apresentar os principais dispositivos e métodos que foram utilizados na implementação e implantação deste trabalho. Para realizar a escolha desses materiais foi levado em consideração o funcionamento do sistema representado pela Figura 1. Assim, o processo a ser automatizado é composto por um reservatório com água fria, e um reservatório de água quente, aquecida por uma resistência elétrica. A passagem ou não, tanto da água fria quanto da quente, é controlado por válvulas solenoides, ficando o controle do fluxo de água a cargo das válvulas controladoras de vazão motorizadas. A temperatura da água já misturada é medida pelo sensor de temperatura, e o volume da água que abastece o sistema é medido e transmitido para o microcontrolador (Arduino MEGA), que gerencia todo o processo. Os valores de tempo de processo, volume e temperatura da água variam de acordo com o tipo de tecido, a quantidade de roupa, cor das roupas, entre outros fatores, e são informados para o controlador através dos dispositivos de interface (LCD Keypad Shield). A máquina de lavagem depois de abastecida com água, roupas e produtos de limpeza, dá início ao seu ciclo de agitação que funcionará com a seguinte rotina: o cilindro é acionado por um tempo para um sentido; para a rotação por completo; e só então é acionado o sentido reverso. Após a fase de agitação, o cilindro é posicionado para o descarte da água.
Tendo em vista o controle das variáveis do processo e do funcionamento da máquina de lavagem, faz-se necessário o uso de dispositivos que possibilitam implementar o sistema modelado a partir do problema proposto. Assim, deve-se compreender o funcionamento do dispositivo de controle a ser utilizado. Além disso, outros materiais devem ser aqui considerados, como os atuadores e equipamentos de leitura de dados.
Figura 1 - Diagrama de tubulação e instrumentação Fonte: Autoria própria.
2.1 ASPECTOS DO ARDUINO
O conceito Arduino surgiu objetivando a implementação de um dispositivo para controle de projetos que fosse mais barato e simples do que outros sistemas já existentes no mercado. Esse dispositivo é uma plataforma de computação física, desenvolvida e baseada em uma placa microcontrolada de entradas e saídas. Possui uma biblioteca que simplifica a programação na linguagem C/C++, onde sistemas digitais ligados a sensores e atuadores, permitem a integração com o ambiente criando sistemas que percebam a realidade e respondam com ações físicas.
A placa do Arduino é composta de um microprocessador, um cristal ou oscilador (envia pulsos de tempo em uma frequência especifica, permitindo sua operação em uma velocidade correta) e um regulador linear de 5 V. Dependendo do modelo, o Arduino pode conter uma saída USB, permitindo conectá-lo a um computador para carregar ou recuperar dados. Além disso, a placa expõe os pinos de entrada e saída do microcontrolador para a conexão com circuitos e sensores periféricos.
Existem muitas versões diferentes do Arduino sendo o mais recente e versátil o Arduino Uno. Ainda assim, a versão anterior Duamilanove é uma das placas mais populares (MCROBERTS, 2011). Outras podem ser encontradas como versões Mini, Nano e Bluetooth do Arduino. Para o presente trabalho foi utilizado o Arduino Mega 2560, pois oferece mais memória e um número maior de pinos de entrada/saída.
2.1.1 Características do Arduino Mega 2560
O Arduino Mega 2560 é uma placa de microcontrolador que utiliza um processador denominado ATmega2560, como pode ser observado na Figura 2. Ele possui 54 pinos de entradas/saídas digitais, dos quais 14 podem ser saídas PWM, 16 entradas analógicas, 4 portas de comunicação serial, um oscilador de cristal de 16 MHz, uma conexão USB (para carregar o programa no dispositivo), uma entrada de alimentação, uma conexão ICSP (In-Circuit Serial Programing) e um botão reset (SOUZA, 2014).
Figura 2 - Placa do Arduino Mega 2560 Fonte: SOUZA (2014).
Algumas outras características importantes podem ser observadas no Arduino Mega 2560:
Tensão de alimentação 5 V;
Tensão de entrada (recomendada) 7-12 V; Tensão de entrada (limites) 6-20 V;
Corrente contínua por pino I/O 40 mA;
Corrente contínua para o pino 3,3 V com máximo de 50 mA; Memória Flash (memória onde o programa é salvo): 256 KB; SRAM (memória estática de acesso aleatório, onde são criadas e
manipuladas as variáveis utilizadas pelo programa): 8 KB; EEPROM (memória não volátil): 4KB;
A alimentação da placa Arduino pode ser feita tanto pela porta USB, como por uma fonte de alimentação externa. Outras características da estrutura de hardware do controlador podem ser encontradas em ATMEL (2014).
2.1.2 Pinos de Entrada/Saída
Cada um dos 54 pinos digitais pode ser usado como entrada ou saída por meio das funções pinMode(), digitalWrite() e digitalRead(), onde todos operam a 5 V com um resistor interno de 20-50 KΩ, podendo fornecer ou receber uma corrente máxima de 40 mA. Podem ser observadas também nos pinos existentes outras funções especializadas: serial, usados para receber e transmitir dados; interruptores externos, que são pinos que podem ser configurados para disparo de interrupção conforme a necessidade do projeto, utilizando a função attachInterrupt(); Modulação por pulso (PWM), que possuem sinal de 8 bits de resolução e são implementados com a função analogWrite(); comunicação serial SPI que são manipuladas pela função SPI library; e também a comunicação serial I2C (SOUZA, 2014).
O Arduino Mega 2560 possui 16 entradas analógicas, onde pode ser feita a conversão do sinal proveniente do sensor com uma resolução de 10 bits, ou seja, o valor será convertido em uma escala entre 0 e 1023. Por padrão a tensão de referência é conectada a 5 V, entretanto é possível mudar o valor de referência com a função analogReference().
Essas funções de gerenciamento dos pinos de entrada e saídas são utilizadas no software de programação do Arduino, juntamente com a lógica para o tratamento dos dados. O próximo item mostra o ambiente em que é feita a programação do microcontrolador.
2.1.3 Ferramenta de programação
O software para a programação do Arduino é um IDE (Integrated Development Environment) que permite a criação de esboços (sendo sketches o termo comumente utilizado para denominar os programas escritos no Arduino) para a placa. De acordo com o site oficial da marca, a programação do Arduino é modelada a partir da linguagem Wiring, (baseada nas linguagens C e C++) (PLAYGROUND ARDUINO, 2015). O ambiente de programação (IDE) do Arduino é adquirido gratuitamente e pode ser observado na Figura 3.
Figura 3 - Ambiente de desenvolvimento do Arduino Fonte: Site oficial Arduino (2015).
O ciclo de implementação do programa no Arduino, consiste em conectar a placa a uma porta USB do computador, desenvolver um sketch com comandos e instruções para a placa, carregar o sketch utilizando a comunicação USB, e aguardar a reinicialização onde, em seguida ocorrerá à execução do sketch criado.
A partir do momento que for carregado o programa para a placa, o Arduino não precisa mais do computador, ou seja, ele executa o sketch sempre que estiver ligado a uma fonte de energia.
2.2 DISPOSITIVOS DE INTERFACE
Para que se possam monitorar os eventos que estão ocorrendo no processo é necessário o uso de uma interface gráfica. Existem no mercado, vários modelos de displays, desde os capazes de exibir poucos caracteres, até os que possuem gráficos coloridos (BARBACENA, 1996). Será utilizado então um LCD Keypad Shield (Figura 4) que é um equipamento eletrônico compacto, interativo e de fácil operação, pois além de possuir um LCD (Liquid Crystal Display), possui também cinco botões para a comunicação entre o operador e a máquina, e um botão reset onde é possível reiniciar o programa. O display de LCD, neste trabalho, terá a função de mostrar as opções de configuração, variáveis medidas no processo (como tempo, volume e temperatura), e mensagens para o operador.
Além de monitorar o sistema, é necessário inserir dados e administrar o processo. Para isso, serão utilizados os botões do LCD Keypad Shield como interface entre o homem e o menu de opções no microcontrolador, onde será possível inserir dados, parar ou continuar o processo, e acessar informações.
Figura 4: Dispositivo LCD Keypad Shield Fonte: D-ROBOTICS (2015).
Para melhor utilização e proteção do LCD Keypad Shield, foi projetado e impresso em 3D um case ou involucro, em ABS (Acrilonitrina Butadieno Estireno), que é um material termoplástico rígido e leve. O ABS possui alguma flexibilidade e resistência na absorção de impactos, sendo muito comum a sua utilização na fabricação de produtos moldados para usos diversos. O Dispositivo pode ser visto dentro do case na Figura 5.
Figura 5: Case para o LCD Keypad Shield Fonte: Autoria própria.
.
2.3 INVERSOR DE FREQUÊNCIA
O método mais eficiente de controle de velocidade de motores de indução trifásicos, com menores perdas no dispositivo responsável pela variação da velocidade, consiste na variação da frequência da fonte alimentadora através de conversores de frequência. Assim, o motor pode ser controlado de modo a prover um ajuste continuo de velocidade e conjugado com relação à carga mecânica (FRANCHI, 2008).
Os inversores fazem a conversão da frequência da rede para corrente continua, e por fim em corrente alternada novamente, contudo na frequência desejada. Além disso, possibilita um controle preciso do torque e velocidade, proporcionando melhor aproveitamento de energia e maior nível de segurança.
Um inversor de frequência (Figura 6) foi utilizado para regular a velocidade do motor de indução trifásico, que é responsável pela rotação do cilindro do equipamento de lavagem. Durante o período do ciclo de agitação, o inversor comandado pelo Arduino, fará com que o cilindro gire por um determinado tempo (fixo) em um sentido, pare completamente, e gire no sentido contrário. Esse processo se repete até o termino do ciclo de agitação, e tempo total deste ciclo é informado pelo operador.
Figura 6: Inversor de Frequência CFW08 Fonte: WEG, 2015.
2.4 SISTEMA PARA AQUECER A ÁGUA
Como o objetivo desta proposta é implementar o sistema de abastecimento das máquinas de lavagem em ambiente controlado, é necessário que seja abastecido com água em diferentes temperaturas. Na
construção do sistema foram usados dois reservatórios, um contendo água na temperatura ambiente, e outro contendo água aquecida.
Para compor o sistema de aquecimento de água, foi utilizado o Controlador Diferencial NOVUS N322S (Figura 7). Este equipamento é utilizado em aplicações em que é necessário o controle por diferença de temperatura. O instrumento possui duas entradas para sensor de temperatura do tipo NTC (Negative Temperature Coeficient), e duas saídas. Dois sensores NTC foram ligados no N322S. Um foi colocado no reservatório de água fria, e outro no reservatório de água quente, possibilitado assim a leitura e o controle das temperaturas.
Figura 7: Controlador NOVUS N322S Fonte: Autoria própria.
Em uma das saídas normalmente fechada do N322S foi ligada a bobina do contator Schneider LC1 E25 01 (Figura 8). Este contator quando atuado, alimenta uma resistência elétrica (Figura 9) com potência igual a 1000 Watts, e uma tensão de 220 V, que fica dentro do reservatório de água quente.
O controle da temperatura da água quente foi feito da seguinte maneira: quando o circuito é energizado, o contator é acionado ligando a resistência elétrica. Os sensores NTC, mensuram o valor das temperaturas, tanto da água fria, quanto da quente. A resistência elétrica é desligada assim que houver uma diferença de temperatura de 15,0°C (entre os tanques), e é ligada novamente quando a diferença for de 14,5°C. É garantida assim uma boa diferença entre as temperaturas das águas nos reservatórios, possibilitando testar o controlador implementado neste trabalho.
Figura 8: Contator Schneider LC1 E25 01 Fonte: Autoria própria.
Figura 9: Resistência Elétrica Fonte: Autoria própria.
2.5 VÁLVULAS SOLENOIDES
Válvula solenoides são equipamentos muito utilizados na indústria, onde trabalham nas aplicações com agua, ar, gases, GNV, GLP, óleo e outros fluidos. É formada por duas partes principais: corpo e bobina solenoide (Figura 10). A bobina é formada por um fio enrolado através de um cilindro, e quando uma corrente elétrica passa por este fio é gerado uma força eletromagnética no centro da bobina, fazendo com que o êmbolo da válvula seja acionado, criando assim o sistema de abertura e fechamento. O corpo por sua vez, possui um dispositivo que permite a passagem ou não, de um fluido, quando sua haste é acionada pela força exercida pela bobina. Essa força faz o pino ser atraído para o centro da bobina, vencendo a mola que tende o pino a ficar na posição fechado, permitindo assim a passagem do fluido. O processo de fechamento da válvula ocorre quando a alimentação da bobina é desligada, então a mola empurra o pino para sua posição inicial que interrompe o fluxo.
Figura 10 - Válvula Solenoide Fonte: Round-Star (2015).
Duas válvulas solenoides foram utilizadas na execução deste trabalho, uma para a tubulação da água fria e uma para a tubulação da água quente. Ao
se dar início ao ciclo de abastecimento, as válvulas solenoides permanecem fechadas até o momento em que todos os outros componentes do sistema estejam devidamente posicionados. Com isso, o microcontrolador envia o comando ao módulo relé, que aciona as bobinas das duas válvulas que trabalham com tensão de 220 V, permitindo assim a passagem da água. Quando através do medidor de vazão o microcontrolador verificar que o volume de água desejado foi atingido, as válvulas solenoides são desligadas interrompendo o abastecimento instantaneamente, garantindo assim precisão no volume de água para o processo.
2.6 VÁLVULAS CONTROLADORAS DE VAZÃO
Existem dois tipos básicos de válvulas para sistemas hidráulicos: com infinitas posições entre o estado aberto e fechado, como as válvulas motorizadas e as válvulas proporcionais; e as que têm posições definidas (ou finitas) que só podem assumir estados fixos, como as válvulas direcionais (TECÉM, 2009). Para este trabalho será relevante o estudo apenas da válvula motorizada de vazão proporcional.
Essas válvulas ajudam a simplificar o circuito hidráulico pela redução do número de componentes que um sistema pode requerer, pois tem sua abertura de acordo com a posição atual e pode ser controlada por algum dispositivo, como um microcontrolador, aumentando substancialmente a eficiência e precisão do sistema. Elas possuem um motor elétrico que aciona um mecanismo de avanço diretamente acoplado ao eixo, ou por meio de engrenagens, para abri-las ou fecha-las. Os mecanismos de controle de fluidos internos das válvulas motorizadas são geralmente idênticos às válvulas similares manuais, onde o controle da vazão se dá em proporção a sua abertura (BRANCO, 2012).
Para se controlar a vazão e a mistura da água, foi construído um modelo de válvula motorizada. Após decidir o modelo de funcionamento do sistema, foram adquiridas duas válvulas de esfera com acionamento por borboleta (Figura 11) com angulação de 90 graus da abertura total até o fechamento, e dois motores de passo com 1,8 graus por passo. Removido o sistema de
abertura manual, foram confeccionados em um torno, os acoplamentos entre as válvulas e os motores de passo. Foi confeccionado também um suporte para os motores a fim de mantê-los em uma posição correta para o trabalho das válvulas com o restante da tubulação que compõe o sistema.
Figura 11 - Válvula de esfera com acionamento por borboleta Fonte: JEFFERSON (2015).
Criamos assim, nossa própria válvula controladora de vazão motorizada (Figura 12). Como o motor é de 1,8 graus por passo, ele precisa 200 passos para dar uma volta completa. A válvula de esfera tem sua abertura em 90 graus, portanto a válvula motorizada tem 50 diferentes posições de trabalho. Ela é controlada pelo Arduino acrescentado de uma etapa de potência, que é responsável por transformar os sinais de comando do microcontrolador para os níveis de tensão e corrente adequados para os motores de passo.
Figura 12 - Válvula controladora de vazão motorizada Fonte: Autoria própria.
Para a implementação desta etapa de potência, foram utilizados acopladores óticos que são dispositivos que separam eletricamente um circuito de outro, mas possibilita o controle entre eles. Assim, foi possível acoplar um circuito mais sensível como o Arduino, com os motores de passo que são equipamento que necessitam de grande potência, comparado com um microcontrolador. Os acopladores acionam os transistores MOSFET, que nesse caso atuam como chave para ligar cada uma das bobinas dos motores. Ao todo são quatro bobinas por motor. Complementarmente, foi adicionado ao circuito de potência um MOSFET para atuar como chave na alimentação geral dos motores (Figura 13). Para esta aplicação os motores necessitam exercer força apenas no momento dos passos, portanto foi implementado um circuito que alimenta as bobinas somente o tempo necessário para concluir os passos, cortando a alimentação no restante do tempo. Isso permitiu trabalhar com uma tensão maior nos motores sem que eles esquentassem muito. A montagem desse circuito no protoboard pode ser visualizada na Figura 14.
Neste projeto foram utilizadas duas válvulas motorizadas, uma para a água quente e outra para a água fria. O ajuste da vazão de cada válvula foi controlado a partir da temperatura estipulada para o processo, e o valor medido pelo sensor de temperatura posicionado na tubulação após a mistura da água
fria e quente. As válvulas foram ajustadas para trabalhar uma inversamente proporcional à outra onde. Assim como exemplo, quando a válvula da água quente estiver em 60% de sua abertura, a válvula da água fria estará em 40%.
Figura 13 – Etapa de potência para um motor de passo Fonte: Autoria própria.
Figura 14 – Etapa de potência dos motores de passo Fonte: Autoria própria.
2.7 MEDIDOR DE VAZÃO
O medidor de vazão permite determinar a quantidade de fluido que passa por meio de uma secção de escoamento por uma unidade de tempo (litros/min ou m³/hora) (CHEIS, 2013). Tal dispositivo possui uma tecnologia comumente utilizada na medição de vazão para líquidos e gases, principalmente onde são requeridos precisão, confiabilidade, robustez e boa relação custo benefício (INCONTROL, 2015).
Foi utilizado para este projeto um medidor de vazão tipo turbina (Figura 15), que consiste basicamente de um rotor, provido de palhetas, que fica suspenso em uma corrente de fluido com o eixo de rotação paralelo a direção do fluxo. O rotor é acionado pela passagem de fluido sobre as palhetas em ângulo, assim, sua velocidade angular é proporcional à velocidade do fluido, que por sua vez, é proporcional à vazão (INCONTROL, 2015).
Figura 15 - Medidor de vazão YF-S201 Fonte: MSS Eletrônica (2015).
Um sensor na parte externa do corpo do medidor, sem contato com o fluido, detecta o movimento do rotor. Como as palhetas do rotor são feitas de
material magnético, à medida que cada palheta passa próximo ao sensor, o campo magnético é eliminado, gerando um pulso (conhecido como Efeito Hall). Assim, o sinal de saída é uma sequência de pulsos, onde cada um representa um pequeno volume determinado de fluido. O sinal detectado é linear com relação à vazão, e é tratada eletronicamente pelo software no microcontrolador. O software tem a função de realizar a leitura da quantidade de pulsos recebidos pelo sensor de fluxo de água bem como a frequência desses pulsos, para deste modo, calcular a quantidade de litros por minuto indicando a vazão instantânea e o volume totalizado (INCONTROL, 2015).
O modelo do medidor utilizado é o YF-S201, que utiliza conexões de meia polegada e mede uma faixa de fluxo entre 1 a 30 litros por minuto, ideal para os testes em ambiente controlado, como é o caso deste trabalho. Mais características deste medidor de vazão podem ser encontradas em (Hobby Eletronics, 2015).
No presente projeto, o medidor foi instalado antes da entrada de água já misturada no tanque (Figura 16), fornecendo assim, o volume de água que já inserido. Por fim, assim que se completar o volume informado para o controlador, o abastecimento de água é encerrado.
Figura 16 – Medidor de vazão instalado Fonte: Autoria própria.
2.8 SENSOR DE TEMPERATURA
Para a medição da temperatura foi utilizado um sensor digital de temperatura, o DS18B20 da Dallas Semicondutor (Figura 18), que opera na faixa de -55°C à +125°C e possui uma precisão de ± 0,5°C, ao longo do intervalo de -10°C a +85°C. O DS18B20 não necessita de chips externos, pois possui internamente um conversor analógico digital e uma memoria na qual estão contidos os dados convertidos e os limites de temperatura (como é possível ser observado na Figura 17).
Figura 17 – Diagrama em blocos do DS18B20 Fonte: MAXIM INTEGRATED (2008).
Este dispositivo leva no máximo 750 milissegundos para realizar uma conversão de temperatura e salvar no seu registrador correspondente, sendo assim, visto que não há grandes variações de temperatura neste intervalo de tempo, cumpre o esperado para o presente trabalho.
Figura 18 – DS18B20
Esse sensor foi utilizado para medir a temperatura da água já misturada e, a partir daí, o software pode tomar a ação de controle necessária e atuar nas válvulas para que o valor de temperatura medido seja o mais próximo possível da temperatura informada pelo usuário. Como o sensor fica imerso em água, foi adquirido com um encapsulamento a prova d’água, onde o DS18B20 fica dentro de um tubo de aço inoxidável com 6 milímetros de diâmetro por 30 milímetros de comprimento (Figura 19).
Figura 19 - Sensor com encapsulamento a prova d’água
Fonte: FILIPEFLOP (2015).
2.9 MÓDULO RELÉ
Para comandar o inversor de frequência bem como as válvulas solenoides, se faz necessário um tipo de alimentação diferente dos limites de tensão e corrente em que o Arduino trabalha. Foi utilizado então, um módulo relé 5 V com oito canais próprios para microcontroladores (Figura 20), possibilitando assim, fazer vários acionamentos em uma única placa de forma compacta e robusta.
Figura 20 – Módulo Relé 5 V 8 canais Fonte: ARDUINOMEGA (2015).
Algumas especificações do módulo relé: Modelo: SRD-05VDC-SL-C;
Tensão de operação: 5 Vdc;
Permite controlar cargas de até 220 Vac; Corrente típica de operação: 15~20 mA; LED indicador de status (um para cada relé); Pinos: NA, NF e comum;
Tensão de saída: 30 Vdc a 10 A ou 250 Vac a 10 A; Furos de 3 mm para fixação nas extremidades da placa; Tempo de resposta: 5~10 ms;
2.10 DISPOSITIVO DE PARADA DE EMERGÊNCIA
Devem ser tomados cuidados especiais com máquinas e equipamentos que possuam acionamento e parada. As medidas de prevenção e de segurança a serem adotadas na instalação, operação e manutenção de máquinas e equipamentos, estão estabelecidas na Norma Regulamentadora 12 e é assegurada pela CLT (Consolidação das Leis do Trabalho) (Ministério do Trabalho e Emprego, 2015). Assim, para evitar situações de perigo, foi instalado neste projeto, um dispositivo de parada de emergência como o da Figura 21, posicionado em local de fácil acesso, visualização e desobstruído; que suporta as condições de operação previstas, e prevalece sobre os outros comandos. Ao se acionar o botão de emergência, é desativado o modulo relé e a etapa de potência das válvulas motorizadas. Esta ação faz com que as válvulas solenoides fechem caso estejam abertas; sejam desligados os motores de passo; e o inversor de frequência pare o mais rápido possível.
Além de emergência existem situações de segurança no momento da manutenção dos equipamentos. Por isso, utilizaram-se dispositivos de segurança que impede o religamento dos equipamentos neste cenário.
Figura 21 - Botão de parada de emergência de montagem embutida Fonte: Banner Engineering (2015).
Por fim, a Figura 22 mostra como ficou a estrutura geral montada a fim de testar o funcionamento desta proposta.
Figura 22 – Equipamento completo montado Fonte: Autoria própria.
3 CONTROLE E RESULTADOS DO SISTEMA PROPOSTO
Para controlar todas as variáveis do processo, faz-se necessário à implementação de um modelo de sistema de controle para ser inserido no dispositivo Arduino. Assim, este capítulo apresenta de forma básica o que são os sistemas de controle e os dados importantes para o seu funcionamento.
Antes de qualquer coisa, é necessário que sejam definidas as terminologias básicas: variável controlada, que é a grandeza ou a condição que é medida, e deve ser controlada; e sinal de controle ou variável manipulada, que é a grandeza ou a condição modificada pelo controlador afetando o valor da variável controlada. Assim, controlar significa medir o valor da variável controlada do sistema e aplicar o sinal de controle para corrigir ou limitar os desvios do valor medido a partir do valor desejado (OGATA, 2010).
3.1 CONTROLE COM REALIMENTAÇÃO DE UMA PLANTA
Uma planta pode ser uma parte do equipamento, um conjunto de componentes, um processo, entre outros; que trabalhe de maneira conjunta a fim de realizar determinada operação. No presente trabalho a planta é todo o sistema apresentado no diagrama da Figura 1, e para realizar sua automação é considerado o controle com realimentação.
O controle com realimentação refere-se a uma operação que, na presença de perturbações, tende a corrigir a diferença entre a saída de um sistema, e seu valor desejado. Os sistemas de controle com realimentação são denominados também, sistemas de controle de malha fechada (Figura 23). Nesse tipo de sistema, o sinal de erro (diferença entre o sinal de saída desejado e o sinal de realimentação), é enviado ao controlador a fim de minimizá-lo (KUO, 1985).
Algumas técnicas de controle com realimentação são aplicadas em problemas como o apresentado no presente trabalho, sendo, um muito popular e pratico utilizado na indústria, o controlador proporcional digital (OGATA, 2010). Devido ao tempo de resposta do sistema aqui montado, ou seja, da
velocidade com que o sensor de temperatura consegue identificar as variações, a implementação de um controlador proporcional, atende a necessidade sendo uma opção simples e eficaz.
Figura 23 – Sistema de controle de malha fechada Fonte: Maciel (2012).
3.2 CONTROLADOR PROPORCIONAL PARA A TEMPERATURA
Conforme Ogata (2010), os controladores do tipo proporcional têm o seu funcionamento baseado no calculo inicial do erro entre a variável controlada (medida no processo) e o seu valor desejado agindo proporcionalmente ao erro entre a entrada do sistema e a ação de controle a ser tomada.
Foi implementado um controlador digital proporcional, onde é amostrado a cada segundo o valor de temperatura da água que entra no tanque. Este valor amostrado (analógico) passa por um conversor analógico/digital (A/D), onde é quantizado e transformado em um sinal numérico, que é lido pelo microcontrolador. Este valor lido é comparado com o valor de referência (set point), sendo que a diferença entre estes valores resulta no erro. Assim, o erro passa por uma rotina no programa do microcontrolador, que resulta na ação de controle.
Para a implementação do controlador proporcional, definiu-se que em função do erro, é tomada a ação de controle. Quando o erro é positivo significa que o valor lido da temperatura é menor que o valor de referência, portanto deve-se tomar a ação para que aumente a proporção de passagem da água quente e diminua a da água fria. Por semelhante modo, se o erro for negativo, significa que o valor lido é maior que o valor de referência, e deve ser tomada a ação a fim de aumentar a água fria e diminuir a quente.
Além do controle de temperatura, o sistema proposto deve controlar o processo de agitação das roupas. Para isso, fez-se necessário controlar o tempo e o sentido da rotação do motor do tanque.
3.3 CONTROLE DO CICLO DE AGITAÇÃO
Como visto anteriormente, o ciclo de agitação ocorre depois que o equipamento de lavagem já foi abastecido com água e os produtos químicos necessários. Assim, o tanque de lavagem, através do motor trifásico acionado pelo inversor de frequência, deve girar 20 segundos em um sentido com uma determinada velocidade, parar por completo, e girar 20 segundos para o outro lado com a mesma velocidade.
Para fazer este controle no inversor de frequência, foi utilizada a função multispeed. O multispeed é utilizado quando se deseja até 8 velocidades fixas pré-programadas (isso para o inversor utilizado, pois alguns modelos chegam a 16 velocidades). Ele permite o controle de saída relacionando os valores definidos pelos parâmetros, conforme a combinação lógica das entradas digitais (WEG, 2015).
Foi configurado então o multispeed do CFW 08 para que, além de parado, contenha 3 velocidades pré-programas. Fica a cargo do Arduino através de suas saídas digitais acionar o módulo relé, que por sua vez coloca em nível lógico 0 V as entradas digitais do inversor. Então, quando o programa entra no ciclo de agitação é iniciado todo o processo. A rotina utilizada é mostrada na Figura 24, onde é possível observar o tempo em nível alto e baixo para cada entrada (DI2, DI3 e DI4).
Figura 24 – Rotina de controle do ciclo de agitação Fonte: Autoria própria.
3.4 RESULTADOS
Após a montagem e implementação do controlador, foram realizados testes para verificar o comportamento do sistema no regime transiente, ou seja, no começo do abastecimento. Pois uma vez que o sistema chegue a um valor aceitável de proximidade com o valor de referência, ele deve ser mantido até o volume total de água no tanque ser atingido.
A parametrização inicial do controlador pode ser verificada no Gráfico 1, que demonstra o número de passos das válvulas motorizadas em função do erro gerado. Para esses parâmetros o intervalo de tempo entre cada ação de controle estava em um segundo. Assim, no primeiro teste a temperatura da água quente estava em 39,7°C, a temperatura da água fria em 24,6°C, a referência em 30°C e o volume de água para o processo em 10 L. Verificou-se que o sistema se comportou de maneira instável como é possível ver no Gráfico 2.
Gráfico 1 – Parametrização inicial do controlador Fonte: Autoria própria.
Gráfico 2 – Primeiro abastecimento com ação de controle a cada 1 segundo Fonte: Autoria própria.
Notou-se que devido ao curto intervalo de tempo entre as ações de controle, não era possível a detecção adequada da variação de temperatura. Foi alterado então o tempo entre as ações de controle, que passaram de um para três segundos. Para esse o próximo teste as condições foram: temperatura da água quente 40,1°C; temperatura da água fria 24,0°C; referência em 30°C; e o volume de água para o processo 7 L. No Gráfico 3 pode ser observado um resultado melhor que o anterior.
Gráfico 3 – Comportamento para uma ação de controle a cada 3 segundos Fonte: Autoria própria.
Em seguida, foram modificados os parâmetros do controlador a fim de verificar o comportamento da planta submetida a um controlador com um ganho proporcional maior (mais passos dependendo do erro gerado), ou seja, tomando ações de controle mais abruptas. A frequência das ações de controle permaneceu a mesma, uma ação a cada 3 segundos. Essa segunda parametrização pode ser observada no Gráfico 4.
Assim, um novo teste pôde ser realizado onde a temperatura da água quente estava em 41,2°C, a temperatura da água fria em 26,0°C, a referência em 30°C e o volume de água para o processo em 15 L. O resultado pode ser visualizado na Gráfico 5, onde o sistema apresentou resposta oscilatória, menor do que do primeiro teste, porém ainda não satisfatório para a solução do problema em questão.
Gráfico 4 – Parametrização secundaria do controlador Fonte: Autoria própria.
Gráfico 5 – Comportamento do sistema com ganho proporcional maior Fonte: Autoria própria.
Novamente, foram alterados os parâmetros do controlador digital com base nos testes realizados anteriormente, visando uma atuação mais sutil que o segundo, e pode ser visto no Gráfico 6. Esse ajuste resultou em um pequeno sobrevalor (pico) de temperatura no inicio do abastecimento quando a referencia é menor ou igual a 30°C. Todavia, para valores de referência maiores, apresentou uma resposta sem sobressinal e ficando dentro de uma margem muito boa de temperatura (2°C para mais ou para menos),
0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 50 100 150 200 250 Te m p e ra tu ra (° C) Tempo (s) Medida Setpoint
considerado pela empresa. Os próximos testes foram realizados com essa última parametrização do controlador.
Gráfico 6 – Parametrização final do controlador Fonte: Autoria própria.
A partir daí, o teste seguinte, mostrado no Gráfico 7, foi realizado com as seguintes condições: temperatura da água quente 43,3°C; temperatura da água fria 28,1°C; referência em 30°C; e o volume de água para o processo em 15L. Pode ser observado que, mesmo com um pequeno sobressinal, a temperatura é controlada em um tempo de 150 segundos, tendo assim um resultado satisfatório.
Fonte: Autoria própria.
Para os mesmos parâmetros do controlador, o Gráfico 8 mostra o teste realizado com as seguintes condições: temperatura da água quente 39,8°C; temperatura da água fria 24,3°C; referência em 35°C; e o volume de água para o processo em 15 L. Neste caso, o controlador teve uma ação excelente, levando apenas 35 segundos para atingir a temperatura ideal sem sofrer oscilações.
Gráfico 8 – Segundo comportamento do sistema para o parâmetro final Fonte: Autoria própria.
Mais um teste foi realizado para validar os parâmetros do controlador onde a temperatura da água quente foi de 39,8°C; temperatura da água fria de 24,3°C; referência em 35°C; e o volume de água para o processo em 15 L. Como pode ser visualizado no Gráfico 9, o resultado foi até melhor que o mostrado anteriormente, tendo uma convergência em um pouco mais que 25 segundos.
Gráfico 9 – Terceiro comportamento do sistema para o parâmetro final Fonte: Autoria própria.
Por fim, foi efetuado o último teste mostrado no Gráfico 10. Pata tal, a temperatura da água quente foi de 41,2°C; a temperatura da água fria de 26,4°C; referência em 37°C; e o volume de água para o processo em 15 L. O resultado para este caso também foi satisfatório, onde com 45 segundo a água atingiu sua temperatura desejada.
Gráfico 10 – Quarto comportamento do sistema para o parâmetro final
Fonte: Autoria própria
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Te m p era tu ra (° C) Tempo (s) Medida SetPoint 0 5 10 15 20 25 30 35 40 -5 5 15 25 35 45 55 65 75 85 95 Te m p e ra tu ra (° C) Tempo (s) Medida SetPoint
Além do controle de temperatura, o acionamento do motor do tanque funcionou de acordo com o desejado, obedecendo ao ciclo pré-estipulado em todos os casos. Com isso, é possível observar que o algoritmo proposto atuou de forma coerente nos dispositivos utilizados.
4 CONSIDERAÇÕES FINAIS
Com a implementação desse sistema foi possível perceber a importância da automação nos processos industriais. Sabe-se que, para a implantação deste modelo devem-se fazer investimentos esperando retorno financeiro a médio ou longo prazo, contudo o retorno de padronização deve ser em curto prazo. Neste Capítulo serão feitas as observações da finalização deste trabalho, apontando os seus pontos que deram certo, e os que necessitam de melhorias, seguidas de propostas para trabalhos futuros.
4.1 CONCLUSÃO
Pode-se concluir que, as técnicas e equipamentos empregados para a elaboração desta proposta foram adequados. Assim o microcontrolador Arduino foi suficiente para a administração de todo o processo envolvendo sensores e atuadores, permitindo atingir os objetivos propostos. A utilização dos equipamentos projetados tem se mostrado suficiente para o controle deste processo.
Com o sistema pronto, foi possível realizar os testes de bancada, entretanto os motores de passo se mostraram fracos para serem acoplados diretamente as válvulas, sendo necessário a utilização de reduções para otimizar o torque dos motores em uma implantação de escala maior. Todavia ainda com o acréscimo das caixas de redução, o custo se comparado com benefício deste sistema é relativamente bom.
Portanto a execução deste trabalho alcançou todos os objetivos aqui determinados, onde a fim de teste em ambiente controlado, as técnicas empregadas foram suficientes. Sendo que este modelo pode ser utilizado para a implantação em escala industrial.
4.2 PROPOSTAS PARA TRABALHOS FUTUROS
Este trabalho trata-se de um desenvolvimento inicial de um modelo que pode ser implantado na indústria. Adicionalmente ao trabalho já desenvolvido,
podem ser realizados alguns trabalhos para a automação completa deste processo, como os propostos abaixo:
Acoplar uma caixa de redução entre os motores e as válvulas controladoras de vazão;
Montar dosadores para os produtos químicos utilizados na lavagem, aumentando assim o nível de automação do equipamento.
Implantar o sistema na indústria, e verificar se os tempos de abastecimento satisfazem as necessidades da indústria.
Desenvolvimento de um controle supervisório para monitoramento das variáveis do processo.
REFERÊNCIAS
ADD-THERM. Termopares. Disponível em <http://www.addtherm.com.br/wp-content/uploads/2015/03/Termopar_Introducao_ADD.pdf>. Acesso em 15 de mai. 2015.
ARDUINO MEGA Componentes Eletrônicos. Módulo Relé 5 V 10 A 8 Canais.
Disponível em:
<http://arduinomega.com.br/index.php?route=product/product&product_id=99>. Acesso em 21 de out. 2015
ATMEL Corporation. Atmel-2549Q-AVR-ATmega640/V-1280/V-1281/V-2560/V-2561/V Datasheet. San Jose, CA, 2014. 435p.
ATMEL Corporation. Site Oficial. Microcontroladores Atmel AVR. Disponível em: <http://www.atmel.com/pt/br/products/microcontrollers/avr/default.aspx>. Acesso em 26 de mai. 2015.
BARBACENA, Ilton L.; FLEURY, Claudio Afonso. Display LCD. Outubro, 1996. Banner Engeneering. Disponível em: <http://www.bannerengineering.com/pt-BR/products/52/Machine-Safety/324/Emergency-Stop-Devices>. Acesso em 25 de mai. 2015.
BRANCO, Renata. Como funciona uma válvula motorizada. Disponível em: <http://www.manutencaoesuprimentos.com.br/conteudo/5845-como-funciona-uma-valvula-motorizada/>. Acesso em: 22 de out. 2015.
BuyDisplay. Disponível em <http://www.buydisplay.com/default/character-16x4-lcd-arduino-display-module-commands-white-on-blue>. Acesso em 21 de mai. 2015.
CHEIS, Dainana. Medidores de vazão e válvulas de controle de fluxo. Revista
e Portal Meio Filtrante, v. 7, n. 61, abr. 2013.
COMAT-RELECO. Sensor Indutivo – Funcionamento, Utilização e
Aplicação, dez. 2012. Disponível em:
<https://comatreleco.com.br/sensor-indutivo/>. Acesso em 19 de mai. 2015.
D-ROBOTICS. Arduino LCD Keypad Shield. Disponível em: <http://www.droboticsonline.com/index.php/arduino-lcd-keypad-shield.html>. Acesso em 12 de out. 2015.
Digel Elétrica Ltda. Sensor Indutivo. Disponível em: <http://www.digel.com.br/novosite/index.php?option=com_virtuemart&page=sh op.browse&category_id=27&Itemid=73>. Acesso em 22 de mai. 2015.
FILIPEFLOP Componentes Eletrônicos. Sensor de Temperatura DS18B20 a
prova D’água. Disponível em:
<http://www.filipeflop.com/pd-1e7d0e-sensor-de-temperatura-ds18b20-a-prova-d-agua.html>. Acesso em: 25 de set. 2015.
FRANCHI, Claiton Moro. Acionamentos Elétricos. 4. Ed. São Paulo: Érica, 2008.
Hobby Eletronics. YF-S201 Hall Effect Water Flow Meter Datasheet. Disponível em: <http://www.hobbytronics.co.uk/datasheets/sensors/YF-S201.pdf>. Acesso em: 19 de out. 2015.
INCONTROL S/A. Medidores de Vazão Tipo Turbina: catálogo. São Paulo, 2015. 10p.
JEFFERSON, Engenharia de processos Industriais. VEM – Válvula de esfera
monobloco latão forjado com acionamento por borboleta. Disponível em:
<http://www.jefferson.ind.br/produto/vem-valvula-de-esfera-monobloco-latao-forjado-com-acionamento-por-borboleta.html>. Acesso em 22 de out. 2015. KUO, Benjamin C. Sistemas de Controle Automático. Prentice-Hall do Brasil, 1985.
Leuze Eletronic. Disponível em:
<http://www.leuze.com.br/pt/brasil/produtos/produtos_para_a_seguran_a_no_tr abalho/reten_es_e_chaves_de_seguran_a/reten_es_de_seguran_a/index.php> . Acesso em 25 de mai. 2015.
MACIEL, Marcelo. Controle PID com aproximação Digital para utilização no
PIC. Disponível em:
<http://www.marcelomaciel.com/2012/05/pid-digital-para-pic.html>. Acesso em: 22 de out. 2015.
MAXIM INTEGRATED. DS18B20 Digital Thermometer Datasheet. Disponível em: <https://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/DS18B20.pdf>. Acesso em: 27 de out. 2015.
MCROBERTS, Michael. Arduino Básico. São Paulo: Novatec, 2011.
MELQUIADESJN. Site de vendas. Disponível em:
<http://produto.mercadolivre.com.br/MLB-670712493-teclado-matricial-4x4-16-teclas-p-arduino-e-outros-mcs-_JM#redirectedFromParent>. Acesso em 21 de mai. 2015.
MINISTÉRIO DO TRABALHO E EMPREGO. Normas Regulamentadoras. Disponível em:
<
http://portal.mte.gov.br/legislacao/normas-regulamentadoras-1.htm>. Acesso em 14 de mai. 2015.MSS Eletrônica. Módulo sensor medidor de fluxo/vazão de água eletrônico
para1/2 YF-S201. Disponível em:
<http://www.msseletronica.com/detalhes/modulo-sensor-medidor-de-fluxo-vazao-de-agua-eletronico-para-1-2-yf-s201-codigo-exemplo-arduino/988.html>. Acesso em 14 de out. 2015.
NEVES, Cleonor et al. Os dez maiores desafios da automação industrial: As perspectivas para o futuro. In: II Congresso de Pesquisa e Inovação da Rede
Norte Nordeste de Educação Tecnológica. 2007.
NOVUS Produtos Eletrônicos. Controlador Universal de Processos
N1200-USB – PID Auto Adaptativo. Disponível em:
<http://www.novus.com.br/site/default.asp?TroncoID=621808&SecaoID=10746 0&Template=../catalogos/layout_produto.asp&ProdutoID=907280>. Acesso em 20 de mai. 2015.
OGATA, Katsuhiko. Engenharia de controle moderno. 5. Ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2010.
PLAYGROUND ARDUINO. Site oficial do fabricante. Disponível em: <http://playground.arduino.cc//Portugues/HomePage>. Acesso em 11 de mai. 2015.
PrivateEyePi. DS18B20 Dallas 1 wire digital temperature sensor and
resistor. Disponível em:
<http://ha.privateeyepi.com/store/index.php?route=product/product&product_id =63>. Acesso em: 27 de out. 2015.
RIBEIRO, Marco Antonio. Controle de Processos. 8 edição. Salvador BA: Tek Treinamento & Consultoria, 2005.
Round-Star. Válvulas Solenoides. Disponível em: <http://www.solenoidvalve.com.br/big_img.html?etw_path=http://www.solenoidv
alve.com.br/1-2-water-air-solenoid-valve.html&big_etw_img=product/1-2-1b.jpg>. Acesso em 14 de out. de 2015.
SARAIVA, Nlarla Tereza. Rumo à prática empresarial sustentável.
Perspectiva, p. 41, 1973.
SOLA, Antonio Vanderley Herrero; KOVALESKI, João Luiz. Eficiência energética nas indústrias: cenários & oportunidades. In: Encontro Nacional de Engenharia de Produção (ENEGEP). Anais/XXIV Encontro Nacional de Engenharia de Produção, X International Conference on Industrial Engineering and Operations Management. Florianópolis, SC: UFSC. ISBN. 2004. p. 85-88478.
SOUZA, Fábio. Arduino Mega 2560. Embarcados, abr. 2014. Disponível em: <http://www.embarcados.com.br/arduino-mega-2560/>. Acesso em 13 de mai. 2015.
TECÉM, Tecnologia Empresarial Ltda. NOÇÕES ELEMENTARES DE
SISTEMAS HIDRÁULICOS, parte 3, Belo Horizonte, jan. 2009.
TECNOFLUID. Tecnologia em Instrumentos Industriais. Disponível em: <http://www.tecnofluid.com.br/produtos/medidor-de-vazao/medidor-de-vazao-turbina-tvt>. Acesso em: 19 de mai. 2015.
VELKI. Instrumentos de Medição e Controle. Disponível em: <http://velki.com.br/produtos/acessorios/sensor-de-temperatura/>. Acesso em 18 de mai. 2015.
WEG S. A. Inversores de Frequência. Jaraguá do Sul – SC, 2012. 24p.
WEG Automação S. A. Inversores de Frequência CFW08. Disponível em:
O apêndice irá mostrar o código completo gerado para o microcontrolador Arduino.
//======================================================================= #include <Stepper.h> //Biblioteca Motor de Passo
#include <LiquidCrystal.h> //Biblioteca do LCD #include <OneWire.h>
#include <DallasTemperature.h>
//======================================================================= LiquidCrystal lcd(8, 9, 4, 5, 6, 7); //Configura os pinos do Arduino para se comunicar com o LCD int tempo; //Inicia uma variável inteira(temp), para escrever no LCD a contagem do tempo int botao; bool flagP = 1; int tecla; int i; int aux = 0; //======================================================================= //======================================================================= const int stepsPerRevolution = 200;
int vel = 10; //Variavel de velocidade dos motores int passos;
int posicaoA = 0; int posicaoB = 0;
//Inicializa a biblioteca utilizando as portas de 14 a 17 para ligacao ao motor 1 Stepper motorA(stepsPerRevolution, 14, 15, 16, 17);
//Inicializa a biblioteca utilizando as portas de 18 a 21 para ligacao ao motor 2 Stepper motorB(stepsPerRevolution, 46, 48, 50, 52);
#define power 31
//======================================================================= //======================================================================= #define ONE_WIRE_BUS 13 // Porta do pino de sinal do DS18B20
OneWire oneWire(ONE_WIRE_BUS); // Define uma instancia do oneWire para comunicacao com o sensor DallasTemperature sensors(&oneWire); DeviceAddress sensor1; float tempC; int tempD = 30; int volD = 3; int tempoD = 5; float erro = 0; //======================================================================= //======================================================================= float vazao; //Variável para armazenar o valor em L/min
float media=0; //Variável para tirar a média a cada 1 minuto float volume;
int contaPulso; //Variável para a quantidade de pulsos int contTime = 0; #define valvulaA 22 #define valvulaB 24 //======================================================================= //======================================================================= int tempoAgit = 0; //MultiSpeed Inversor #define DI2 26
