Projeto de um sistema dosador automático de condimentos

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CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM MANUTENÇÃO INDUSTRIAL

NATAN MARNO ROESLER YURI SANDOVAL DE ALBUQUERQUE

PROJETO DE UM SISTEMA DOSADOR AUTOMÁTICO DE

CONDIMENTOS

TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO

MEDIANEIRA 2014

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PROJETO DE UM SISTEMA DOSADOR AUTOMÁTICO DE

CONDIMENTOS

Trabalho de Conclusão de Curso de graduação, apresentado à disciplina de Trabalho de Diplomação, do curso Superior de Tecnologia em Manutenção Industrial, como requisito parcial à obtenção do título de Tecnólogo. Universidade Tecnológica Federal do Paraná – Câmpus Medianeira. Orientador: Prof. Me. Giovano Mayer.

MEDIANEIRA 2014

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O Termo de Aprovação devidamente assinado deste documento, encontra-se na Coordenação do Curso no Câmpus Medianeira.

Ministério Da Educação

Universidade Tecnológica Federal do Paraná Gerência de Ensino

Coordenação do Curso Superior de Tecnologia em Manutenção Industrial

TERMO DE APROVAÇÃO

PROJETO DE UM SISTEMA DOSADOR AUTOMÁTICO DE CONDIMENTOS

Por:

Este Trabalho de Conclusão de Curso (TCC) foi apresentado às 14:00 hs do dia 22 de Julho de 2014 como requisito parcial para obtenção do título de Tecnólogo no Curso Superior de Tecnologia em Manutenção Industrial, da Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Câmpus Medianeira. Os candidatos foram arguidos pela Banca Examinadora composta pelos professores abaixo assinados. Após deliberação, a Banca Examinadora considerou o trabalho aprovado.

Prof. Me. Giovano Mayer UTFPR – Câmpus Medianeira

(Orientador)

Prof. Me. Rubisson Duarte Lamperti UTFPR – Câmpus Medianeira

(Convidado)

Prof. Me. Neron Alípio Cortes Berghauser

UTFPR – Câmpus Medianeira (Convidado)

Prof. Me. Filipe Marangoni UTFPR – Câmpus Medianeira

(Convidado)

Prof. Me. Paulo Job Brenneisen UTFPR – Câmpus Medianeira (Prof. Resp. pelas atividades de Tcc)

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Dedicamos este trabalho às nossas famílias, pelo otimismo, incentivo e apoio, quando da realização deste curso.

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AGRADECIMENTOS

Agradecemos em primeiro lugar a Deus, por ser a razão da existência de todas as coisas.

A todos os familiares, parentes e amigos que nos apoiaram em toda essa nossa trajetória.

Ao Professor Orientador por não medir esforços para nos auxiliar em todas as vezes que precisamos.

A todos que de alguma forma colaboraram para a realização e finalização deste trabalho.

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“Você não é derrotado quando perde. Você é derrotado quando desiste”.

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RESUMO

ALBUQUERQUE, Yuri S.; ROESLER, Natan M. Projeto de um Sistema Dosador

Automático de Condimentos, 2014. 84f. Trabalho de Conclusão de Curso -

Tecnologia em Manutenção Industrial, Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Medianeira, 2014.

Muitas indústrias alimentícias necessitam manipular condimentos para o preparo de suas receitas. Visando essa necessidade, este trabalho apresenta um projeto de um sistema dosador automático de condimentos. A principal justificativa em se criar um sistema dosador desse tipo é poder dar agilidade e precisão neste estágio da produção alimentícia. O projeto do dosador de condimentos automático apresentado neste trabalho objetiva a operação de dosagem de forma fácil e confiável, tornando possível o seu uso para as mais diversas aplicações, tais como, manipular matéria-prima para produção de bebidas e mistura de nutrientes para indústria alimentícia em geral. O sistema é composto basicamente por uma balança acoplada sobre uma esteira, esta por sua vez está disposta sob silos que armazenam os condimentos a serem dosados. Os ingredientes são dosados em pacotes fixados sobre um suporte acoplado a uma célula de carga. O conjunto formado pela estrutura de fixação e pela célula de carga realiza a função de uma balança, que se desloca sobre a esteira e sob os silos. Todo o sistema é controlado por um CLP e o operador pode escolher através de uma IHM, diferentes receitas de condimentos. Desta forma, cada quantidade de condimento é dosada de forma automática. O controle imposto pelo CLP supervisiona ainda possíveis erros como o rompimento do pacote, o acionamento de botões de emergência, os movimentos de operação tais como o de abertura e fechamento das válvulas de dosagens e a movimentação da balança sobre a esteira.

Palavras-chave: Dosador Automático. Dosagem de Condimentos. Automação

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ABSTRACT

ALBUQUERQUE, Yuri S.; ROESLER, Natan M. Design of an Automatic Feeder

Condiments, 2014. 84f. Completion of course work - in Industrial Maintenance

Technology, Federal Technological University of Paraná. Medianeira 2014.

Many food industries need manipulate condiments to prepare their recipes. Aiming to this need, this paper presents the design of an automatic dosing system to condiments. The main justification to create a doser system like this, is to might have agility and precision at this stage of food production. The design of the automatic doser to condiments, presented in this work, aims at the dosing operation more reliably, making possible its use for various applications, such as managing raw material for production of beverages, mix of nutrients and liquids for food industry in general. The system consists basically of an balance attached on a treadmill, this in turn is disposed beneath the silos that store condiments to be measured. The ingredients are dosed into packages fixed on a support attached to a load cell. The assembly formed by the fixing structure and the load cell performs the function of a balance that moving up on the treadmill and under the silos. The whole system is controlled by a PLC and the operator can choose through an HMI, different recipes for condiments. This way, each quantity of condiment is measured automatically. The control imposed by the PLC still supervises possible errors as the breakup of the package, triggering emergency buttons, operation movements such as opening and closing dosing valves and the displacement of the balance on the treadmill.

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Fluxograma da dosagem de condimentos manual. ... 15

Figura 2 - Colaborador realizando a dosagem manual de condimentos. ... 16

Figura 3 - Ambiente de dosagem manual. ... 26

Figura 4 - Vista geral superior do sistema automatizado (Unidade - m) ... 28

Figura 5 - Configuração do sistema automatizado de dosagem de condimentos. .... 31

Figura 6 - Válvula guilhotina utilizada na saída dos silos ... 32

Figura 7 - Fechadura de pressão da tampa dos silos. ... 33

Figura 8 - Estrutura de pesagem da balança. ... 34

Figura 9 - Estrutura de fixação do pacote na balança. ... 35

Figura 10 - Componentes de Acionamento da Esteira. ... 37

Figura 11 - Leiaute da parte interna do painel. ... 38

Figura 12 - Leiaute da parte externa do painel (Porta). ... 39

Figura 13 - CLP XC100 da Moeller®/EATON® ... 41

Figura 14 - Ambiente de programação do CodeSys. ... 45

Figura 15 - Parte inicial do programa. ... 46

Figura 16 - Lógica de erro e de emergência... 47

Figura 17 - Lógica de controle do nível de condimento. ... 48

Figura 18 - Lógica de conversão de peso utilizando linguagem Ladder. ... 48

Figura 19 - Programa geral da automação em CFC. ... 49

Figura 20 - Supervisório de controle do sistema automático de dosagem de condimentos. ... 50

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Figura 21 - Utilização da opção de receita variável via IHM. ... 51

Figura 22 - Momento da dosagem (Silo 4). ... 51

Figura 23 - Supervisório com esteira em funcionamento e receita 01 selecionada... 52

Figura 24 - Indicação de silo vazio no supervisório (Silo 05 vazio). ... 52

Figura 25 - Montagem do projeto em bancada de teste. ... 53

Figura 26 - Teste para casos de Emergência. ... 55

Figura 27 - Funcionamento normal da dosagem de condimento no silo 04. ... 56

Figura 28 - Simulação de um possível erro de pacote (falta de pacote ou estouro do mesmo) durante a dosagem de condimento no silo 4. ... 56

Figura 29 - Teste de falha no motor. ... 57

Figura 30 - Gráfico de comparação dos gastos mensais com o sistema manual e com o sistema automático. ... 60

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LISTA DE QUADROS

Quadro 1 - Pontos positivos e negativos da dosagem manual... 27

Quadro 2 - Receitas pré-programadas. ... 29

Quadro 3 - Componentes elétricos utilizados no quadro de força e comando. ... 40

Quadro 4 - Entradas Analógicas e Digitais do processo. ... 44

Quadro 5 - Saídas do processo. ... 44

Quadro 6 - Custos dos componentes internos do painel elétrico (Dados de 2014)... 59

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LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS

°C Graus Célsius

®

Marca Registrada

A Ampére

ANVISA Agência Nacional de Vigilância Sanitária

bar Bar (unidade de pressão)

CFC Cold Fusion Components

CLP Controlador Lógico Programável

CPU Central Processing Unit

DIN Deutsches Institut für Normung

E/S Entradas e Saídas

EMBRAPA Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária

EPC Equipamento de Proteção Coletiva

EPI Equipamento de Proteção Individual

g Gramas

IHM Interface Homem Máquina

IEC International Electrotechnical Commission

INOX Aço inoxidável

kb Quilo bytes

kg Quilograma

kgf Quilograma Força

LD Diagrama Ladder

LED Light Emitter Diode

LER Lesões por Esforço Repetitivo

m Metro

m/s Metros por Segundo

min Minutos

ms Milisegundo

N Newton (unidade de medida de força)

NA Contato Normalmente Aberto

NF Contato Normalmente Fechado

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PVC Policloreto de Polivinila

R$ Reais

RDC 216 Resolução - RDC n° 216, de 15 de setembro de 2004

RPM Rotações por Minuto

s Segundo

SCADA Supervisory Control And Data Acquisition

SFC Sequential Functional Chart

USP Universidade de São Paulo

UTFPR Universidade Tecnológica Federal do Paraná

V Volt

VCA Tensão em Corrente Alternada

VCC Tensão em Corrente Contínua

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SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ... 15 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ... 18 3 OBJETIVOS ... 24 3.1 OBJETIVO GERAL ... 24 3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 24

4 ANÁLISE DO SISTEMA MANUAL DE DOSAGEM DE CONDIMENTOS ... 26

5 FUNCIONAMENTO DO SISTEMA AUTOMATIZADO DE DOSAGEM DE CONDIMENTOS ... 28

6 PROJETO DO SISTEMA DE DOSAGEM DE CONDIMENTOS ... 31

6.1 PROJETO MECÂNICO ... 31

6.1.1 Projeto dos Silos de Armazenamento e Válvulas de Abertura e Fechamento . 32 6.1.2 Projeto do Sistema de Pesagem ... 34

6.1.3 Projeto da Esteira de Movimentação ... 35

6.2 PROJETO ELÉTRICO... 38

7 AUTOMAÇÃO DO PROCESSO DE DOSAGEM DE CONDIMENTOS ... 43

7.1 PROGRAMAÇÃO ... 43

7.2 INTERFACE HOMEM MáQUINA ... 49

8 TESTES EM LABORATÓRIO ... 53

8.1 FUNCIONAMENTO DOS COMPONENTES ... 53

8.2 TESTE DO BOTÃO DE EMERGÊNCIA ... 54

8.3 TESTE DO SENSOR DE MONITORAÇÃO DO PACOTE ... 55

8.4 TESTE DE FALHA DO MOTOR ... 57

9 ORÇAMENTO PARA A EXECUÇÃO DO PROJETO ... 58

10 CONCLUSÕES ... 61

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APÊNDICES ... 66

APÊNDICE A – Variáveis Utilizadas na Lógica de Programação ... 67

APÊNDICE B – Simbologia ... 69

APÊNDICE C – Digrama Multifilar ... 70

APÊNDICE D – Diagrama de Comando ... 71

APÊNDICE E – Leiaute geral do sistema (Vista Superior) ... 77

APÊNDICE F – Leiaute Lateral do Sistema ... 78

ANEXOS ... 79

ANEXO A – Dados do Motor Elétrico ... 80

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1 INTRODUÇÃO

Nas indústrias frigoríficas alimentícias os produtos derivados da carne, na sua grande maioria, necessitam de temperos. Dentre estes produtos é possível citar a mortadela, o presunto, a calabresa e os salames. Desta forma, a necessidade de dosar e pesar os condimentos para cada massa (tipo de produto) é fundamental no processo, pois cada uma recebe uma quantidade diferente de condimentos.

Em muitas indústrias os condimentos ainda são pesados de forma manual o que aumenta os riscos de contaminação do produto final. Para Arruda (2002), o operador também é uma das vias mais frequentes de transmissão de micro-organismo provenientes do intestino, da boca, do nariz, da pele, dos pelos e das secreções de ferimentos, assim o operador deve higienizar-se em intervalos de no máximo uma hora e/ou sempre que o mesmo trocar de tarefa.

Um esquema de funcionamento de um processo de dosagem de condimentos de forma manual pode ser observado no fluxograma da Figura 1.

Figura 1 - Fluxograma da dosagem de condimentos manual.

A dosagem quando feita de forma manual, se desenvolve da seguinte maneira: toda matéria prima utilizada é recebida no almoxarifado de condimentos, local onde os colaboradores do setor de dosagem buscam os pacotes maiores de

Colaborador vai até o almoxarifado de condimentos buscar pacotes maiores de condimentos Os pacotes são abertos próximo a balança usada na pesagem Um pacote vazio é inserido na estrutura de fixação sobre a balança

Com auxilio do livro de receitas, o colaborador insere cada condimento no

pacote conforme a receita que esta sendo

pesada O colaborador repete a

dosagem dos pacotes até terminar a quantidade de condimentos da receita 1° 2° 3° 4° 5°

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condimentos (50 kg), no setor de dosagem existem oito funcionários que são separados para desempenhar diferentes funções, tais como, separar condimentos, pesar e carregar pacotes. Cada grupo faz uso de várias balanças para fazer a dosagem e pesagem dos condimentos, desta forma o funcionário recebe a receita do dia e separa a matéria prima que utilizará, em seguida com um copo de medição, o condimento é despejado dentro de um pequeno pacote fixado em um aro preso sobre a balança. Assim que o processo é finalizado, outro funcionário do mesmo setor busca os pacotes já pesados e os leva para a área da produção que irá utilizar para fazer as massas (por exemplo, os condimentos da massa de mortadela para o setor de mortadela e assim por diante). Para começar uma nova receita, o colaborador busca novos condimentos e o processo continua. Através da Figura 2 é possível observar uma parte do setor de dosagem de condimentos de uma indústria alimentícia. Nesta figura destacam-se a balança (01), o pacote menor de dosagem (02) e o pacote maior (03) que contém o condimento a ser dosado.

Figura 2 - Colaborador realizando a dosagem manual de condimentos.

No processo manual de dosagem de condimentos, existe a possibilidade de o condimento cair durante a dosagem, o que acarreta em desperdício de produto. Além disso, o modo manual utiliza muita mão de obra, pois além da dosagem ser feita individualmente (pacote a pacote), também é necessário à troca dos pacotes maiores (50 kg) toda vez que uma nova receita é requisitada. Isso gera perda de

01

02

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tempo e desgaste nos colaboradores, pois os pacotes maiores exigem grandes esforços na sua movimentação.

A fim de evitar Lesões por Esforço Repetitivo (LER), os operadores geralmente revezam entre si as diferentes atividades realizadas no processo manual de dosagem de condimentos. Além de LER, o processo manual de dosagem pode ocasionar outros problemas tais como: dosagens sem precisão; fadiga muscular, devido as constantes movimentações dos pacotes de condimentos e sabotagem das medidas.

Diante de tais problemas, este trabalho tem como objetivo projetar um sistema de dosagem de condimentos automático para fazer a dosagem de condimentos de uma linha de produção de alimentos. O sistema projetado utiliza um Controlador Lógico Programável (CLP) programado para receber algumas receitas prontas. Com o auxílio deste sistema, o operador também poderá inserir novas receitas de acordo com a necessidade. O sistema contempla ainda eletroválvulas, uma célula de carga ligada a um transdutor e demais sensores. A automação baseia-se na armazenagem e pesagem dos condimentos em silos, que por serem dimensionados para o consumo quinzenal, não necessitarão de constante abastecimento se comparado ao manuseio dos pacotes de condimentos feito de forma manual.

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2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

Baptista e Venâncio (2003) destacam os perigos da contaminação de caráter físico e químico. Eles ainda dão importância à manipulação da matéria prima, tanto por operadores como por equipamentos, com o risco de queda de utensílios pessoais no produto. Outra forma de acidente seria a contaminação com produtos químicos como lubrificantes de equipamentos, produtos usados na higienização e erros na dosagem dos aditivos alimentares. Os problemas decorrentes da manipulação direta da matéria prima podem ser minimizados com o auxílio da automação.

Para Silveira (2013), os benefícios proporcionados pela automação industrial são imensos. No entanto, é preciso analisar a fundo cada projeto para saber o que se aplica e o que não se aplica de forma a evitar custos desnecessários. Deve-se levar em conta também o retorno sobre o investimento que cada componente de automação adicionado poderá trazer.

Segundo Moreira (2009) não se pode generalizar, mas a produtividade e a alta qualidade não podem ser obtidas, de maneira econômica, sem o uso de equipamento de controle eletrônico. O desenvolvimento e o crescimento da competição fez o custo do CLP cair significativamente a ponto de a utilização de relés ao invés do CLP não ser mais válidos. Alguns itens como a flexibilidade na lógica de controle, alta confiabilidade, espaço físico disponível, aumento de entradas e saídas, rápida modificação, possibilidade de se repetir a lógica em vários equipamentos e ainda comunicação com computadores, levam a optar pelo CLP. Apesar de que um sistema eletromecânico em pequenas e até médias aplicações, apresente um custo inicial menor, isso se perde se for considerada a relação custo/benefício do CLP.

Para um equipamento/processo ter um alto nível e uma boa aplicação industrial, é necessário além de uma automação avançada, o uso de materiais adequados nas estruturas mecânicas. O aço inoxidável é ideal para aplicações em indústrias alimentícias. De acordo com Carbó (2001), os aços inoxidáveis austeníticos, dos quais o 304 é o mais popular, apresentam resistência à corrosão, ductilidade e soldabilidade. Os inoxidáveis austeníticos são utilizados em aplicações em temperatura ambiente, em altas temperaturas (até 1150 °C) e em baixíssimas

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temperaturas (condições criogênicas), uma série de alternativas que dificilmente são conseguidas com outros materiais.

Segundo o fabricante IONIX (2014), os aços inoxidáveis são largamente utilizados na indústria de fabricação, processamento, estocagem, distribuição e preparação de alimentos e bebidas. Dependendo do tipo selecionado, o aço inoxidável pode ser aplicado na maioria dos processos de alimentos e bebidas. A maioria dos recipientes, tubulações e equipamentos que entram em contato com alimentos e bebidas, são fabricados em aço inoxidável dos tipos 304 ou 316.

A Agência Nacional de Vigilância Sanitária (ANVISA) cita na RESOLUÇÃO-RDC N° 216, de 15 de setembro de 2004, em seu subitem 4.1.15: que os equipamentos e utensílios que entram em contato com alimentos devem ser de materiais com as seguintes características:

a) Não transmitir substâncias tóxicas, odores, nem sabores aos mesmos, conforme estabelecido em legislação específica.

b) Devem ser mantidos em adequado estado de conservação.

c) Ser resistentes à corrosão e a repetidas operações de limpeza e desinfecção.

Em entrevista à revista INOX, Mariza Landgraf, professora associada de microbiologia de alimentos na Faculdade de Ciências Farmacêuticas da Universidade de São Paulo, diz que “Como a ANVISA é um órgão de regulamentação, a partir das características do material, o usuário escolherá aquele que melhor se adapte às suas necessidades, incluindo aí a parte econômica”, Mariza menciona ainda que o aço inoxidável atende às recomendações do regulamento. “O inox é um material de fácil higienização (limpeza e desinfecção), não transfere sabor ou odor ao alimento e é resistente à corrosão”. A professora da USP ainda cita que a norma poderia fazer referência explícita ao aço inoxidável, porém, com a tecnologia em constante desenvolvimento surgiria materiais com as características descritas na RDC 216, e não estaria citado.

A maioria das peças em equipamentos utilizados nas indústrias alimentícias são elaboradas em aço inoxidável, um ótimo exemplo dessas peças são os equipamentos pneumáticos que associam esforços mecânicos e pressão de ar, além de serem resistentes à corrosão. Devido a tais características, a pneumática é

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amplamente utilizada em processos automatizados. Conforme apresentado por Farias (2012), é possível citar várias vantagens de se usar pneumática em um sistema automatizado, tais como:

• Abundância: O ar para ser comprimido existe em quantidades ilimitadas.

• Armazenagem: O ar é comprimido por um compressor e armazenado em um reservatório, não sendo assim necessário o trabalho contínuo.

• Temperatura: O ar comprimido é pouco sensível às oscilações, permitindo um funcionamento seguro, mesmo em condições extremas.

• Segurança: O ar comprimido não apresenta perigos de explosão (em casos de aplicações em baixa pressão até 12 bar) ou incêndio, e mesmo que houvesse explosão por falha estrutural de um componente, tubulação ou mesmo do reservatório, a pressão do ar utilizado em pneumática é geralmente baixa (6 a 12 bar).

• Limpeza: Uma vez que o fluido de utilização é o ar comprimido, não há risco de poluição ambiental. Este fato torna a pneumática um sistema excelente e eficiente para aplicação na indústria alimentícia.

• Construção: Uma vez que as pressões de trabalho são relativamente baixas, seus elementos de comando e ação são menos robustos, tornando seu custo relativamente menor, portanto mais vantajoso.

• Velocidade: É um meio de trabalho que permite alta velocidade de deslocamento, em condições normais entre 1 e 2 m/s, podendo atingir 10 m/s.

• Segurança contra Sobrecarga: Diferentemente dos sistemas puramente mecânicos ou eletroeletrônicos, os elementos pneumáticos podem ser solicitados em carga até parar, sem sofrer qualquer dano.

Para Bonacorso e Noll (2002), as válvulas eletropneumáticas são “os componentes do sistema eletropneumático automatizado que recebem comando

do circuito elétrico de controle, acionando com isso os elementos de trabalho pneumáticos”. Desta forma são as mais apropriadas para serem implementados em sistemas de abertura controladas por um CLP.

Segundo Moraes e Castrucci (2007), automação é qualquer sistema apoiado em controladores, que substitui o trabalho humano em favor da segurança das

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pessoas, além da qualidade dos produtos, a rapidez na produção ou da redução de custos, assim aperfeiçoando os complexos objetivos das indústrias, dos serviços e bem estar.

Os conceitos de automação, quando aplicados, permitem que os sistemas automatizados sejam desenvolvidos. Os sistemas automatizados visam substituir alguns trabalhos humanos e permitem o aumento na agilidade dos processos de produção.

Segundo Martins (2012), a automação resulta nas diversas necessidades da indústria: O maior nível de qualidade dos produtos; maior flexibilidade de modelos para o mercado; além dos menores custos, perdas de materiais e de energia; mais disponibilidade e qualidade da informação sobre o processo e; melhor planejamento e controle da produção.

Para detectar posição ou nível, são geralmente usados sensores indutivos e capacitivos respectivamente. Segundo Bonacorso (2004), sensores indutivos são componentes eletrônicos que detectam a aproximação de um objeto metálico sem a necessidade de contato físico do sensor e o acionador. Seu princípio de funcionamento baseia-se no princípio da indução eletromagnética que ocorre nos enrolamentos primários e secundários de um transformador. No sensor existe um oscilador e uma bobina que produzem um campo magnético fraco. Apenas quando um objeto entra neste campo, pequenas correntes são induzidas na superfície do objeto. Por causa da interferência com o campo magnético, a energia é extraída do circuito oscilador do sensor, assim diminuindo a amplitude da oscilação e ocasionando uma queda de tensão. Desta forma, o circuito de detecção do sensor percebe a queda de tensão do circuito do oscilador e responde mudando o estado do sensor.

Rosário (2005) cita que sensores capacitivos são capazes de detectar a aproximação de um corpo sem a necessidade de contato físico. O sensor capacitivo apresenta princípio de funcionamento parecido ao de um capacitor, que é um componente eletrônico capaz de armazenar cargas elétricas. No sensor capacitivo o material dielétrico é o ar, da qual a constante dielétrica é igual a um, assim o valor da capacitância é muito baixo. No momento em que um objeto que possui constante dielétrica maior que um é aproximado na face do sensor capacitivo, o campo elétrico gerado pela atração entre as cargas passa por esse objeto e a capacitância

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aumenta. O circuito de controle detecta essa variação e identifica a presença do objeto.

Além de sensores, outros componentes são importantes para projetos que envolvem escoamento de produto, vibradores e válvulas são itens indispensáveis tratando-se desse tipo de automação.

Segundo o fabricante VIBROKRAFT®, os vibradores eletromagnéticos são utilizados para produtos com características que apenas por gravidade não escoariam de silos, tubos e outros recipientes. Possuem algumas vantagens em relação a outros vibradores, como os de rotor excêntrico ou ainda os de batidas ritmadas, dentre as quais pode-se citar:

a) Vibração ajustável.

b) Dispensam manutenção, lubrificação, pois não existem peças rotativas, evitando desta forma o desgaste.

c) Não danificam as paredes do silo, pois não existem batidas.

A escolha do vibrador depende de alguns fatores e especificações do projeto mecânico, tais como:

a) Dimensões do silo.

b) Espessura da chapa usada na estrutura. c) Material utilizado nos silos e nas estruturas.

As válvulas de guilhotina são indicadas para aplicações quando o produto fruto do fluxo da válvula é de grande densidade, como grãos ou pastas. Válvulas de comporta ou de guilhotina (slide valves) são válvulas em que a gaveta é uma comporta que desliza livremente entre guias paralelas. Essas válvulas, que não dão fechamento estanque, são usadas em grandes diâmetros, para ar, gases e água em baixa pressão, e também em quaisquer diâmetros, para produtos espessos ou de alta viscosidade (pasta de papel, por exemplo) e para fluidos abrasivos.

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Em sistemas automatizados a medição de peso é feita geralmente por uma célula de carga, capaz de medir uma determinada massa em um valor proporcional de um sinal elétrico.

O princípio de funcionamento das células de carga baseia-se na variação da resistência ôhmica de um sensor denominado extensômetro ou strain gage, quando submetido a uma deformação. Utiliza-se comumente em células de carga quatro extensômetros ligados entre si segundo a ponte de Wheatstone e o desbalanceamento da mesma, em virtude da deformação dos extensômetros, é proporcional à força que a provoca. É através da medição deste desbalanceamento que se obtém o valor da força aplicada (Primax, 2008).

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3 OBJETIVOS

As seções 3.1 e 3.2 apresentam os objetivos gerais e específicos deste trabalho.

3.1 OBJETIVO GERAL

O objetivo geral deste trabalho é projetar um sistema automatizado para o processo de dosagem de condimentos de uma industria do ramo alimentício localizado no Oeste do Paraná. O presente projeto, é portanto um estudo de caso, em que foi projetado o leiaute mecânico do sistema de dosagem dos condimentos e as especificacões do sistema elétrico e de automação.

O leiaute mecânico consiste no dimensionamento dos silos de acondicionamento dos diferentes produtos, tais como, açucar, sal, proteína texturizada, fosfato e eritorbato de sódio. O projeto elétrico e de automação consiste no desenvolvimento da lógica de programação, o desenvolvimento da IHM (Inteface Homem Máquina), diagramas de comando e de força. O trabalho apresenta também um orçamento estimado para a execução do projeto.

3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Os objetivos específicos deste trabalho são:

a) Dimensionar os silos de aço inox para armazenamento dos condimentos e a tubulação necessária para a dosagem dos mesmos.

b) Dimensionar uma esteira para o deslocamento da balança sob os silos de condimentos.

c) Dimensionar um suporte para os pacotes que acondicionam os condimentos que serão misturados e pesados.

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d) Especificar as válvulas de dosagens das saídas dos silos para que permitam uma dosagem precisa.

e) Desenvolver a lógica de programação necessária para a automação do processo de pesagem de condimentos monitorada por CLP.

f) Desenvolver com o software CodeSys uma IHM que permita a operação e monitoramento do sistema.

g) Simular no laboratório da UTFPR a automação proposta e avaliar seu funcionamento.

h) Verificar os custos de implementação do projeto e a viabilidade da execução do mesmo.

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4 ANÁLISE DO SISTEMA MANUAL DE DOSAGEM DE CONDIMENTOS

Com o auxílio da Figura 3 é possível observar como geralmente é uma sala de dosagem manual de condimentos. A dosagem quando feita desta forma pode promover vários problemas tanto para o funcionário quanto para a empresa.

Figura 3 - Ambiente de dosagem manual.

O Quadro 1 mostra para cada item da Figura 3, alguns pontos positivos e negativos do processo de dosagem manual de condimentos.

Item Descrição do equipamento e sua utilização

Pontos negativos/positivos no processo manual de dosagem

01

Livro de Receitas - Serve para o colaborador identificar a quantidade de condimentos para cada tipo de receita a

ser produzida

O funcionário perde muito tempo de trabalho para encontrar as receitas desejadas e também

corre o risco de confundir as receitas.

02 Pacotes com os produtos a serem pesados.

São movimentados frequentemente de forma manual, oferecendo vários riscos ao operador, tais como risco ergonômico quando o operador

pega os pacotes e risco de lesão devido à movimentação de carga excessiva (50 kg).

01

02

03

04

07

06

05

(continua)

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03 Balança utilizada no processo manual de dosagem.

Manutenções são frequentemente realizadas nas balanças devido ao mau uso dos operadores e do setor de higienização, que

deixam cair produto e água nos circuitos eletrônicos. Isso danifica o equipamento (cabos

de alimentação e visor).

04 Suporte que acondiciona o pacote aberto Não oferece nenhum tipo de problema ao processo.

05 Visor da balança onde é visualizado o peso e é ajustada a tara.

O visor fica exposto e pode sofres danos ocasionados pelo operador ou por excesso de umidade ou poeira no ambiente. Também pode

ser fonte de erros de leitura do peso (erro por parte do operador).

06 Pacotes utilizados no processo de pesagem.

Oferecem grande resistência mecânica e tamanho adequado.

07

Copo de dosagem utilizado para manusear os produtos (retirar dos pacotes maiores e inserir no pacote

menor que esta sobre a balança).

O copo pode acumular restos de condimentos de dosagens anteriores, além de correr o risco de acumulo de sujeiras ou outros materiais

contaminantes. Quadro 1 - Pontos positivos e negativos da dosagem manual.

Os principais problemas da dosagem manual são risco de contaminação, desgastes dos colaboradores e ineficiência do processo de produção, que inclui perda de tempo no setor de dosagem (que geram atrasos nos setores dependentes) e dosagens erradas, que podem inserir perda de qualidade no produto final.

De uma forma geral, as indústrias frigoríficas não apresentam produção constante de seus produtos. A produção, por exemplo, de linguiça, depende das vendas do produto, logo a quantidade de condimentos a ser dosada é função de tal variação na produção.

A empresa objeto deste estudo utiliza oito colaboradores no setor. Cada colaborador possui além do salário, demais benefícios tais como: Vale alimentação, alimentação no refeitório interno da empresa, higienização do uniforme de trabalho e consumo de Equipamento de Proteção Individual (EPI’s) e Equipamento de Proteção Coletiva (EPC’s).

(29)

5 FUNCIONAMENTO DO SISTEMA AUTOMATIZADO DE DOSAGEM DE CONDIMENTOS

Com o auxílio da Figura 4 é possível observar os principais itens constituintes da automação proposta e o esquema de funcionamento do sistema de dosagem de condimentos, evidenciada pelos vibradores (01), a calha reponsável pelo acondicionamento dos condutores (02), as válvulas guilhotinas (03), a esteira responsável pela movimentação da estrutura de pesagem sob os silos (04), os silos de armazenagem dos condimentos (05), a estrutura de pesagem composta pela estrutura metalica, pela célula de carga e pelo sensor de presença de pacote (06), o acionamento da esteira composto pelo motor e a caixa redutora (07), os sensores de posicionamento da estrutura de pesagem sob os silos (08). Este leiaute está melhor detalhado no Apêndice E deste trabalho.

Figura 4 - Vista geral superior do sistema automatizado (Unidade - m)

O projeto foi desenvolvido para cinco silos, pois esta é a quantidade de condimentos que compõem todas as receitas utilizadas na empresa. O dimensionamento dos silos foi feito de tal forma a dar resistência mecânica a todo o conjunto e proporcionar a armazenagem mínima de condimentos a serem utilizados quinzenalmente. Desta forma, evita-se a movimentação diária de pacotes maiores para abastecer os silos.

Conforme mostrado na Figura 4, são necessários dois operadores para a operação do sistema. O operador principal responsável pela escolha das receitas trabalha no no Ponto 1 e um segundo operador trabalha no Ponto 2.

Ponto 2

(30)

No Ponto 1, o operador principal tem a sua disposição o painel elétrico com todos os botões necessários para a operação do sistema. Este operador é responsável pela escolha da receita e retirada dos pacotes já dosados. No Ponto 2, fica disponível para o segudo operador apenas uma caixa de PVC com os botões “PAC OK”, que indica que o pacote já está posicionado e um segundo botão de emergência. Também é função do segundo operador posicionar o pacote sobre a estrutura de pesagem.

O projeto possui seis receitas pré-programadas que correspondem aos produtos fabricados habitualmente na indústria alimentícia. Isso acelera o processo de dosagem, uma vez que o operador apenas seleciona em um botão a receita desejada e todo o processo ocorre de forma automática . As seis receitas (sem a apresentação dos condimentos) e os valores das transições, ou seja, as somas dos pesos anteriores que param a dosagem do silo em questão, também podem ser observadas no Quadro 2.

RECEITA 01 RECEITA 02

Silo Quantidade (kg) Valor de Transição (kg) Silo Quantidade (kg) Valor de Transição (kg)

1 1 1 1 0,5 0,5 2 3 4 2 1,5 2 3 2 6 3 2 4 4 4 10 4 1 5 5 3 13 5 4 9 RECEITA 03 RECEITA 04

1 1 1 1 4,5 4,5 2 2 3 2 1 5,5 3 1,5 4,5 3 3 8,5 4 3 7,5 4 2 10,5 5 5 12,5 5 1,5 12 RECEITA 05 RECEITA 06

1 2 2 1 2 2

2 3,5 5,5 2 1,5 3,5

3 1 6,5 3 3 6,5

4 2 8,5 4 1 7,5

5 2,5 11 5 1,5 9

(31)

Após a escolha da receita (pré-programada ou ajustável), o operador pode pressionar o botão da respectiva receita fazendo com que a balança que está posicionada sob os silos se desloque até o Ponto 2, local em que o segundo operador insere o pacote e pressiona o botão “PAC OK”. Feito isso a balança se desloca até que o sensor de presença sob o silo detecte o pacote. Uma vez parado sob o silo, a válvula guilhotina e o vibrador eletromagnético do respectivo silo são acionados, liberando o produto até obter a quantidade pré-estabelecida na receita. Ao atingir essa quantidade, a vávula guilhotina e o vibrador eletromagnético são desligados e após um tempo de três segundos a esteira entra novamente em movimento, parando no silo que contém o próximo produto a ser dosado. Após a última pesagem, a esteira desloca a estrutura de pesagem para o Ponto 1 e o operador poderá retirar o pacote contendo a mistura de condimentos pronta.

Na parte externa do painel elétrico, o operdor tem acesso apenas aos botões com as identificações das seis receitas usadas no processo, da receita ajustável, o botão de acionamento do processo (ON), o botão de desacionamento (OFF), o botão de resetar os erros (RESET) e o botão de parada de emergência.

No sistema supervisório desenvolvido, o operador tem acesso a todos esses botões via IHM, além de ter a liberdade de criar uma nova receita (receita ajustável) para casos como testes com novos produtos.

(32)

6 PROJETO DO SISTEMA DE DOSAGEM DE CONDIMENTOS

O projeto do sistema automatizado de dosagem de condimentos está dividido em cinco partes, sendo elas: Projeto mecânico; Projeto do sistema de pesagem; Projeto elétrico que contempla o leiaute de um quadro de comando; Programação e desenvolvimento do sistema de supervisão (IHM); e Orçamentos e viabilidade de execução do projeto.

6.1 PROJETO MECÂNICO

A Figura 5 mostra o leiaute do sistema mecânico e suas principais partes.

Figura 5 - Configuração do sistema automatizado de dosagem de condimentos.

(33)

O projeto mecânico contempla o leiaute dos silos de armazenamento e seu dimensionamento, os detalhes das válvulas de abertura dos silos e a especificações da esteira transportadora. A alimentação dos silos está fora do escopo desse projeto.

6.1.1 Projeto dos Silos de Armazenamento e Válvulas de Abertura e Fechamento

A estrutura mecânica que contempla os silos, as tubulações e demais suportes foi especificada neste projeto em aço inox devido às características deste material já apresentadas na seção 2 (página 19).

Nas saídas dos silos foram especificadas válvulas de abertura usadas para efetuar a dosagem do produto. Foram escolhidas válvulas eletropneumáticas, pois existe a necessidade do fechamento e abertura rápida da tubulação do silo para maior precisão da dosagem. Além disso, dentre os tipos de acionamentos disponíveis no mercado, o pneumático é um dos que apresenta grande velocidade de comutação da válvula. A escolha pela válvula de guilhotina de acionamento por pistão pneumático com retorno por mola se dá pelo fato dela não armazenar produto. Além disso, esse modelo de válvula possui, devido a sua forma construtiva, vedação satisfatória sendo esta uma característica essencial para a automação do processo. A Figura 6 mostra o modelo BC da marca KLINGER®, utilizada neste projeto.

Figura 6 - Válvula guilhotina utilizada na saída dos silos Fonte: klingerportugal.

(34)

Segundo o fabricante, a válvula de guilhotina modelo BC com passagem quadrada ou retangular está projetada para aplicação em sólidos. O desenho especial do corpo proporciona uma grande facilidade de passagem do material, sendo ideal para instalar na saída de silos.

A vedação do silo tambem é de primordial importância, pois se trata de um ambiente de produção alimentícia que é higienizado uma vez ao dia. Se a higienização entrar em contato com o produto armazenado no silo, o condimento contido no mesmo poderá ser contaminado, ou até mesmo devido ao aumento da umidade, alterar sua densidade, fazendo com que o processo tenha uma perda de eficiência. O projeto inclui na tampa de cada silo uma vedação constituida pela Fita de Espuma de PVC Scotchfoam® da 3M®, que segundo o fabricante oferece excelente vedação contra poeira e umidade, características essenciais ao ambiente de trabalho que este projeto está destinado. Quando a tampa estiver fechada a espuma será presionada entre a tampa e a estrutura do silo fazendo com que se tenha uma vedação adequada, o detalhe da fechadura pode ser observado na Figura 7. Nas tubulações de saída dos silos, as válvulas de fechamento e abertura fazem esta vedação.

Figura 7 - Fechadura de pressão da tampa dos silos. Fonte: Fabricadoprojeto.

(35)

6.1.2 Projeto do Sistema de Pesagem

A pesagem é realizada por uma célula de carga ligada a um conversor da marca Incon (mod. LC420) cuja finalidade é converter o sinal da célula de carga para um valor de tensão. Este valor proporcional de tensão é encaminhado para uma entrada analógica do CLP.

A estrutura de pesagem pode ser visualizada na Figura 8 e consiste em uma base presa em um dos lados por dobradiças e o outro lado apoiado sobre a célula de carga. Assim quando houver uma carga sobre essa base, ela irá pressionar a célula de carga. O sinal em milivolts proveniente da célula de carga é encaminhado para o conversor, que por sua vez amplifica e condiciona o sinal em uma escala de 4 a 20 mA.

Figura 8 - Estrutura de pesagem da balança.

Sobre a estrutura de pesagem (BASE) está disposto um aro para inserir os pacotes a fim de facilitar e dar agilidade ao processo. Trata-se de uma chapa calandrada (dobrada) que dá suporte a um aro, como pode ser observado na Figura 9. Este suporte serve para dispor o pacote de modo a deixá-lo aberto o suficiente para que todo o condimento seja acondicionado.

(36)

6.1.3 Projeto da Esteira de Movimentação

A esteira foi dimensionada com base nos seguintes dados e condições:

a) Deve suprir todos os pontos de operação, ou seja, passar sob os cinco silos e abranger também os dois pontos de operação (Ponto 1- Saída de Pacotes e Ponto 2 - Entrada de Pacotes).

b) A velocidade da esteira deve ser tal que propicie maior eficiência no processo de dosagem e evite a queda ou estouro de pacotes (a velocidade não pode ser muito elevada).

c) A potência de acionamento do motor deve suprir a movimentação da esteira de lona sobre a mesa e ainda transportar a estrutura de pesagem com a maior receita pesada que chega a 13 kg.

Com tais dados e condições iniciais, a esteira foi dimensionada com um comprimento de 9,7 m e resultou na esteira modelo PL-140 da marca EXTRABELT. Conforme especificações técnicas disponíveis no site da BORPAC, esse modelo possui duas lonas e admite até 32 kgf/cm de tração com emendas vulcanizadas,

(37)

suas dimensões são 20,26 m (total com a esteira aberta) de comprimento e 0,4 m de largura. A polia de tração tem 0,3 m de diâmetro e a do esticador 0,25 m.

A potência do motor elétrico pode ser calculada através da equação (1) abaixo, listada por Halliday (2003):

Em que: P = potência (W); F = força (N); = deslocamento(m); t = tempo (s). Para calcular a força F é necessário utilizar as equações (2) e (3),

Sendo que: X = Posição final (m); X0 = Posição inicial (m); V0 = Velocidade inicial (m/s); t = Tempo (s); a = Aceleração (m/s²).

Com o auxílio da equação (2) e considerando o tempo de 2s para a esteira sair de um silo até o outro ao lado, encontra-se uma aceleração de 0,86 m/s² (a distância entre um silo e outro pode ser observada na Figura 4).

Com o valor da aceleração e usando a equação (3), (com F= força, m= massa e a= aceleração) é possível encontrar o valor da força. Para movimentar um peso de 18 kgf (13 kgf da carga máxima das receitas e mais 5 kgf da estrutura metálica) da estrutura de pesagem e mais uma carga de 33,43 kgf (resultado das especificações técnicas fornecidas pelo fabricante e que se refere ao peso da esteira), totalizando assim uma carga a ser movida de 51,42 kg, utilizando a equação 3.

= 51,42 ∗ 0,86

Obtém-se 44,22N. Com a utilização da equação (1), pode-se obter a potência,

= 44,22 . 1,72 2

Que resulta em 38,02W, o seja, 0,05CV.

Um motor com rendimento de 70% e inserindo um coeficiente três de segurança, pois foram desprezadas todas as perdas por atrito nos cálculos

= . (1)

− ˳ = ˳ + ²

2 (2)

(38)

realizados, resulta em um motor de 1/3 CV (aproximadamente 0,15 CV). Um detalhe muito importante a ser notado no motor é que ele precisa parar repentinamente para que posicione precisamente o pacote sobre a válvula de descarga do silo, sendo assim o motor a ser colocado no projeto é um moto freio da marca WEG. As especificações desse motor podem ser verificadas no Anexo A.

Como a polia movida tem 300 mm de diâmetro, consequentemente 0,94 m de perímetro, em uma volta do motor ela desloca 0,94 m de esteira. O motor possui rotação de 860 RPM (Rotações por Minuto) e se for acoplado diretamente a esteira resulta em uma velocidade de 808,4 m/min ou 13,47 m/s. Para que essa velocidade abaixe para 0,86 m/s como é o desejado, o tambor deve girar a 54,6 RPM, assim o acionamento deve conter uma redução de aproximadamente 16:1. O redutor escolhido foi o GC15/2R da marca GEREMIA, que possui uma redução de 16,4 : 1 e fator de serviço 1,28. Maiores detalhes do redutor de velocidade podem ser verificados no Anexo B.

O leiaute da disposição dos componentes de acionamento da esteira dimensionados anteriormente pode ser observado na Figura 10.

(39)

6.2 PROJETO ELÉTRICO

A Figura 11 mostra o leiaute do quadro de comando e força que acondicionará o CLP e demais componentes utilizados na automação (fonte de alimentação 24 VCC, contatoras, disjuntores de proteção/manobra, relés auxiliares e bornes de conexão).

Figura 11 - Leiaute da parte interna do painel.

Na Figura 12 é possível observar o leiaute da porta do painel com todos os botões de operação do equipamento, os LED´s de sinalização das condições de operação do sistema (ligado, desligado, em erro ou em emergência) e uma chave seccionadora tripolar que servirá como medida de segurança, possibilitando a desernegização do painel a partir da parte externa deste. Isso é útil para desligar

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todo o sistema e permitir que a higienização diária ocorra com o painel sempre desligado. O quadro é do tipo de sobrepor e possui dimensões de 400 x 600 x 200 mm em aço carbono chapa 14, com pintura a pó e grau de proteção IP67. Este quadro ficará situado no Ponto 1 (Figura 4).

O projeto prevê a instalação de uma caixa em PVC localizada no Ponto 2 da esteira. Que acomoda o botão “PAC OK” e uma segunda botoeira de emergência.

Figura 12 - Leiaute da parte externa do painel (Porta).

Os materiais especificados no projeto elétrico podem ser verificados no Quadro 3.

ITEM DESCRIÇÃO QUANTIDADE

Disjuntor Geral Trifásico, curva C, 10A 1 pç

Fonte 24VCC Fonte retificadora 220VAC ~24VCC,

12ª 1 pç

CLP XC100 da EATON

®_{, 128K, 8} entradas digitais e 6 saídas a

1 pç

(41)

transistor

Bloco de expansão CLP

Um bloco de 16 entradas digitais, um bloco de 8 saídas, um bloco com

2 entradas analógicas e 1 saída analógica e dois blocos de 8

entradas digitais

5 pçs

Disjuntor Motor Disjuntor motor da Siemens com

faixa de regulagem de 0,5 – 2A 1 pç

Contatora

Contatora trifásica com bobina 24VCC com capacidade de corrente

de 6ª

2 pçs

Relé Auxiliar Relé com bobina em 24VCC e

capacidade de corrente de 6A 5 pçs

Borne Sak Conector SAK, para régua tipo DIN,

parafusado, 2,5 mm. 84 pçs

Canaleta Canaleta 30x30 mm, PVC,

semiaberta com tampa. 6 m

Régua de Fixação Régua de fixação de componentes

elétricos tipo DIN. 6 m

Botão de Pulso Botão de pulso com contato naval

E111 (1NF + 1NA). 11 pçs

Botão de Emergência Botão de emergência tipo cogumelo,

com retenção, com contato NF. 2 pçs

Seccionadora

Seccionadora externa SEMITRANS®, trifásica, com capacidade de condução de 16A.

1 pç

Painel Elétrico Painel elétrico 400x600x250 mm, de

aço com pintura a pó. 1 pç

Caixa de Botoeira Caixa para duas botoeiras em PVC. 1 pç

Sinaleiro LED Sinaleiro LED para painel, 22 mm,

24 VCC. 4 pçs

Conversor da célula de carga Conversor de célula de carga

INCON® com saída de 4-20mA. 1 pç

Condutores para circuito de comando

Condutor flexível de cobre com

seção de 1mm², isolação PVC 750V. 150 m

Condutores para circuito força

Condutor flexível de cobre com seção de 2,5 mm², isolação PVC

750V.

50 m

Quadro 3 - Componentes elétricos utilizados no quadro de força e comando.

Os apêndices B, C e D mostram em detalhes os diagramas de força e de comando do projeto elétrico. Nesses documentos, podem ser observadas algumas funcionalidades do projeto, como o contato normal fechado para o botão de emergência, comumente utilizados em indústrias por proporcionar uma segurança extra contra o rompimento do condutor. Sendo assim se ocorrer o rompimento do condutor, ou um mau contato do mesmo, a emergência será acionada e o processo para como se o botão tivesse sido pressionado.

Outra particularidade são os relés auxiliares inseridos em todas as saídas do CLP. Tais relés tem a finalidade de proteger/isolar as saídas a transistor do CLP.

(42)

O CLP utilizado neste projeto é o XC100 da Moeller/Eaton® e pode ser visualizado na Figura 13.

Figura 13 - CLP XC100 da Moeller®/EATON® Fonte: EATON.

As principais características deste CLP são:

a) Oito entradas digitais;

b) Seis saídas digitais a transistor;

c) Alimentação das entradas e saídas em 24 VCC; d) Alimentação da CPU em 24 VCC;

e) Memória de programação até 128 kb;

f) Velocidade de ciclo de 0,5 ms / 1000 instruções; g) Até sete módulos de expansão.

Para atender a quantidade de entradas e saídas do sistema, foram adicionadas as seguintes expansões:

a) XIOC-16DI - Módulo de expansão com 16 entradas digitais; b) XIOC-8DO - Módulo de expansão com 8 saídas a transistor;

c) XIOC-2AI-1AO-U1-I1 - Módulo de expansão com duas entradas analógicas 0-10VDC/0-20mA e uma saída analógica 0-10VDC/0-20mA; d) 2 Blocos XIOC-8DI - Módulo de expansão com oito entradas digitais.

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Para identificar o posicionamento da balança abaixo dos silos e as posições onde é colocado e retirado o pacote da estrutura de pesagem, foram utilizados sensores indutivos (Figura 10). Estes sensores são responsáveis por detectar a presença da estrutura metálica que compõem a balança.

O sistema automatizado prevê ainda a monitoração dos níveis de produtos nos silos. Para detectar o nível do silo, foram utilizados sensores capacitivos (três em cada silo), que identificam 25%, 50% e 100% de nível. O sensor que identifica a presença do pacote na balança também é capacitivo.

(44)

7 AUTOMAÇÃO DO PROCESSO DE DOSAGEM DE CONDIMENTOS

O processo de funcionamento do sistema automatizado foi apresentado na seção 5. Nas seções 7.1 e 7.2, são apresentadas a programação e a IHM desenvolvida para a automação do processo.

7.1 PROGRAMAÇÃO

Para o desenvolvimento da programação do CLP XC 100 foi utilizado o supervisório CodeSys.

A quantidade de blocos de expansão (mencionadas na seção 6.2) deve-se a grande quantidade de entradas e saídas utilizadas no sistema automatizado de dosagem de condimentos. As entradas e saídas do CLP e suas especificações podem ser observadas nos Quadros 4 e 5.

ENTRADAS DIGITAIS

N° NOME DA VARIÁVEL SAÍDA FÍSICA ASSOCIADA DESCRIÇÃO DA VARIÁVEL

01 bot_lig AT %IX0.0 Botão liga

02 bot_desl AT %IX0.1 Botão desliga

03 bot_emerg AT %IX0.2 Botão de emergência

04 p2 AT %IX0.3 Partida final esteira (PACOTE OK)

05 bot_reset AT %IX0.4 Botão de Reset

06 sens_pac AT %IX0.5 Sensor monitora pacote

07 Rvar AT %IX0.6 Receita variável

08 R1 AT %IX0.7 Receita 1 09 R2 AT %IX2.0 Receita 2 10 R3 AT %IX2.1 Receita 3 11 R4 AT %IX2.2 Receita 4 12 R5 AT %IX2.3 Receita 5 13 R6 AT %IX2.4 Receita 6

14 S0 AT %IX2.5 Sensor começo da esteira

15 S1 AT %IX2.6 Sensor sob o silo 1

(45)

20 sens_p2 AT %IX2.11 Sensor da Posição 2 na esteira - final da esteira

21 sens_prod01 AT %IX2.12 Sensor de falta de produto no silo 1 22 sens_sil1_med AT %IX2.13 Sensor de nível médio do silo 1 23 sens_sil1_max AT %IX2.14 Sensor de nível máximo do silo 1 24 sens_prod02 AT %IX2.15 Sensor de falta de produto no silo 2 25 sens_sil2_med AT %IX8.0 Sensor de nível médio do silo 2 26 sens_sil2_max AT %IX8.1 Sensor de nível máximo do silo 2 27 sens_prod03 AT %IX8.2 Sensor de falta de produto no silo 3 28 sens_sil3_med AT %IX8.3 Sensor de nível médio do silo 3 29 sens_sil3_max AT %IX8.4 Sensor de nível máximo do silo 3 30 sens_prod04 AT %IX8.5 Sensor de falta de produto no silo 4 31 sens_sil4_med AT %IX8.6 Sensor de nível médio do silo 4 32 sens_sil4_max AT %IX8.7 Sensor de nível máximo do silo 4 33 sens_prod05 AT %IX10.0 Sensor de falta de produto no silo 5 34 sens_sil5_med AT %IX10.1 Sensor de nível médio do silo 5 35 sens_sil5_max AT %IX10.2 Sensor de nível máximo do silo 5 36 falha_motor AT %IX10.3 Indicador de falha no motor da

esteira ENTRADA ANALÓGICA

01 valor_celWORD AT %IW4 Valor proveniente do

transdutor/célula de carga Quadro 4 - Entradas Analógicas e Digitais do processo.

SAÍDAS

1 led_lig AT %QX0.0 Led máquina ligada

2 led_desl AT %QX0.1 Led máquina desligada

3 led_emerg AT %QX0.2 Led emergência acionada

4 led_erro AT %QX0.3 Led erro

5 mot_marchRE AT %QX0.4 Motor marcha ré

6 mot_march AT %QX0.5 Motor marcha

7 valv1 AT %QX2.1 Válvula guilhotina e vibrador

eletromagnético do silo 1

eletromagnético do silo 5 Quadro 5 - Saídas do processo.

A programação do CLP foi desenvolvida em três linguagens de programação, a maior parte, envolvendo quase todas as lógicas de funcionamento, em SFC (Sequential Function Chart) com o programa denominado “DOSADOR”. Uma

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pequena parte responsável pelas conversões de peso em LD (Linguagem Ladder) com o programa denominado “CONV_PESO” e mais um programa em CFC (ColdFusion Components) que tem a função de unir os dois programas anteriores e fazer com que eles trabalhem juntos. Através da Figura 14 é possível observar o ambiente de programação do CodeSys e parte de programação realizada em SFC.

Figura 14 - Ambiente de programação do CodeSys.

Através da Figura 15 é possível observar a lógica inicial do programa até o ponto destacado na Figura 14 pelo retângulo 1. Depois de pressionado o botão liga, a receptividade 1 (ver Figura 15) torna-se verdadeira, o que habilita a continuação da lógica programada. É possível observar também a seguinte expressão na transição: “bot_lig OR bot_lig_sup”, essa é a transição inicial do programa, ou seja, quando for pressionado o botão liga o programa sai do Step293 (onde o equipamento permanece desligado) e vai para o Step3 que é a parte inicial do programa. Deste ponto o programa começa a assimilar todas as lógicas tanto de erro como de funcionamento. Na expressão “bot_lig OR bot_lig_sup”, é possível observar que um dos comandos possui “_sup” no final, isso significa que é um comando vindo do supervisório, como por exemplo, o comando “bot_lig_sup” corresponde ao botão liga do supervisório, já o “bot_lig” corresponde ao botão liga físico instalado na porta do painel elétrico. Isso permite que o sistema seja operado tanto fisicamente através dos botões do painel quanto pela IHM do supervisório.

1

3

(47)

Figura 15 - Parte inicial do programa.

O quadrado 2 da Figura 14 destaca a lógica correspondente ao acionamento da emergência e aos erros de funcionamento previstos (falta ou estouro do pacote de acondicionamento do condimento, falha do motor). Esta lógica pode ser mais bem visualizada na Figura 16. Acionando a emergência, em qualquer etapa do programa cancela-se qualquer ação do processo que estiver ocorrendo e o “Step4” é ativado, que aciona o LED de emergência. Este LED somente volta a desligar e o sistema volta a operar quando o botão de emergência for desacionado e o botão reset for pressionado (“(bot_reset OR bot_reset_sup) AND bot_emerg”). O bloco de erro assim como o de emergência é acionado de qualquer parte do programa, sempre que um erro acontecer, como por exemplo, o estouro de um pacote ou ocorrer uma sobrecarga na esteira e o desarme do disjuntor motor (“p2 AND (NOT sens_pac)”). Neste último caso o “Step5” é acionado.

(48)

Figura 16 - Lógica de erro e de emergência.

Os silos possuem controle de nível que pode ser observado somente no supervisório. Quando o condimento do silo acaba, ou seja, quando o sensor de nível mínimo não identificar mais o produto, o desenho do silo do sistema supervisório ficará na cor vermelha e impedirá que se inicie uma nova receita até que seja inserido mais produto no silo e pressionado o botão de reset. Se durante alguma dosagem o produto de um determinado silo acabar, a dosagem em execução terminará, pois o posicionamento do sensor de nível mínimo do silo é superior a qualquer quantidade que possa ser exigido de produto fazendo com que o silo trabalhe com uma margem de segurança contra a falta de produto em meio a uma dosagem. Após isso, ocorre o bloqueio do programa. Um demonstrativo deste

(49)

bloqueio por nível pode ser observado na Figura 17 que retrata sobre o retângulo 3 da Figura 14.

Figura 17 - Lógica de controle do nível de condimento.

O sinal recebido do conversor da célula de carga, para ser utilizado no programa precisa ser convertido para um valor em gramas. Essa conversão foi desenvolvida em linguagem de programação Ladder, como pode ser observado na Figura 18. O valor recebido na entrada analógica do CLP é convertido em gramas e é utilizado em várias partes do programa como, por exemplo, nas dosagens das receitas ou na IHM que mostra o peso do condimento dosado.

Figura 18 - Lógica de conversão de peso utilizando linguagem Ladder.

Como foram utilizadas duas linguagens de programação no mesmo programa, foi necessário utilizar uma terceira linguagem para unir as outras duas. Desta forma o programa que pode ser observado na Figura 19, (desenvolvido em

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CFC), chama os dois programas (“DOSADOR” e “CONV-PESO”) e executa ambos simultaneamente.

Figura 19 – Programa geral da automação em CFC.

As receitas pré-programadas, já apresentadas no Quadro 2 da seção 5, representam as receitas dos produtos produzidos pela indústria. Pelo simples fato do operador apenas apertar um botão e a receita já estar pronta na memória do CLP, agiliza-se essa etapa do processo (o operador não precisa basear-se em livros ou listas de receitas).

7.2 INTERFACE HOMEM MÁQUINA

Com o auxílio do CodeSys foi desenvolvido um sistema supervisório que permite a operação do sistema via IHM (tela de um computador por exemplo). O sistema de supervisão trabalha em conjunto com as entradas físicas do CLP, como botoeiras de acionamento e botões de emergência dispostas na porta do painel. O supervisório está munido de todos os comandos disponibilizados ao operador nas botoeiras, além da possibilidade da criação de novas receitas, conforme comentado na seção 5.3. O supervisório foi desenvolvido de forma a representar o processo automatizado, conforme pode ser verificado na Figura 20. O supervisório desenvolvido permite uma monitoração do processo, assim o operador pode verificar falhas e seus problemas decorrentes.

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Figura 20 - Supervisório de controle do sistema automático de dosagem de condimentos.

No supervisório é possível acessar todos os botões que estão dispostos na porta do painel, o botão “PAC. OK” que é a botoeira localizada no Ponto 2 da esteira, os LEDs indicativos de sistema ligado, sistema desligado, erro e emergência acionada. Também está disponível na tela do supervisório, a indicação do peso da balança para que o operador possa acompanhar o funcionamento e identificar falhas no processo, tais como: demora excessiva na dosagem de certo silo; demora no deslocamento da esteira podendo ser um mal funcionamento da válvula ou uma perda de aderência entre a esteira e o tambor de tração, fruto de mal esticamento da esteira.

Uma função em especial, disponível apenas via supervisório, é a receita ajustável (direita da Figura 20) que disponibiliza ao operador criar sua própria receita conforme a necessidade do setor. Para utilizar a receita ajustável, o operador deve posicionar o cursor do mouse sobre as caixas de texto. Neste momento um pequeno teclado irá aparecer para que o operador possa inserir a quantidade em gramas do conteúdo a ser dosado. A Figura 21 mostra a inserção da quantidade de produtos por silo nesta forma de operação do sistema. Em seguida basta o operador acionar o botão “OK” do teclado. Os valores inseridos via teclado da IHM ficarão salvos no programa e a dosagem desta receita será repetida toda vez que o operador acionar “START RECEITA” no supervisório ou “RECEITA AJUSTÁVEL” na porta do painel do quadro de comando.

(52)

Figura 21 - Utilização da opção de receita variável via IHM.

O supervisório permite a visualização de todo o processo, desta forma é possível observar o estado de todos os componentes do sistema automatizado (estado dos sensores, botoeiras, nível dos silos, peso, entre outros). A Figura 22 mostra os indicativos da IHM que são acionados durante a dosagem. Por exemplo, a válvula guilhotina aberta (01), o condimento descendo (02) e o vibrador eletromagnético acionado (03 – cor verde).

Figura 22 - Momento da dosagem (Silo 4).

Quando a esteira está em movimento , uma animação (setas azuis) pode ser observada pelo operador (Figura 23). Na Figura 23 é possível observar que enquanto uma receita está sendo dosada, o botão respectivo a esta receita (01) fica

03

02 01

(53)

na cor verde e volta a ficar cinza quando a dosagem termina. O motor, quando acionado, altera sua cor de cinza para verde (02) e ao ocorrer um erro (desarme do disjuntor motor, por exemplo) a cor deste elemento na IHM ficará em vermelho.

Figura 23 - Supervisório com esteira em funcionamento e receita 01 selecionada.

Outra animação desenvolvida é o nível do silo, que é visualizado por um quadro que simula um visor de nível disposto em cada silo. Além de monitorar o nível do silo, a cor deste muda para vermelho quando o nível mínimo do produto no silo é atingido. A Figura 24 mostra este caso e nesta condição o programa é bloqueado se o operador tentar realisar um nova pesagem. Enquanto o produto não for reposto no silo, o sistema continuará bloqueado.

Figura 24 - Indicação de silo vazio no supervisório (Silo 05 vazio). 01

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8 TESTES EM LABORATÓRIO

Com o intuito de verificar o funcionamento do projeto, a automação foi simulada através da montagem física do processo (CLP, sensores e atuadores) nas bancadas do laboratório de automação J44 da UTFPR Câmpus Medianeira.

Através dos sinais provenientes de botoeiras, dos sensores e da IHM, foram simuladas situações reais de operação do processo, sendo testadas todas as possíveis formas de operação do sistema, incluindo as questões de intertravamento e de segurança (pesagem dos produtos e segurança dos operadores).

8.1 FUNCIONAMENTO DOS COMPONENTES

A montagem para a realização dos testes, realizados em bancada no laboratório de automação da UTFPR, pode ser verificada na Figura 25. Nesta montagem foram ligados todos os componentes do sistema, tais como os sensores de nível dos silos, o sensor de posicionamento da estrutura de pesagem, a esteira (motor/contatores), os LED´s que indicam as condições operativas do sistema, todos os botões de operação, o botão da receita ajustável, o sensor de pacote, o conversor da célula da carga e a célula de carga.