UNIVERSIDADE REGIONAL DO NOROESTE DO ESTADO DO RIO
GRANDE DO SUL – UNIJUI
RENAN DE SOUZA TURRA
INSPEÇÃO AUTOMATIZADA NA APLICAÇÃO DE CANUDOS EM
EMBALAGENS CARTONADAS
Ijuí
RENAN DE SOUZA TURRA
INSPEÇÃO AUTOMATIZADA NA APLICAÇÃO DE CANUDOS EM
EMBALAGENS CARTONADAS
Trabalho de conclusão de curso apresentado ao curso de Engenharia Elétrica da Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul como requisito parcial para obtenção do grau de Engenheiro Eletricista.
Orientador: Prof. Dr. Mauricio de Campos
Ijuí
RENAN DE SOUZA TURRA
INSPEÇÃO AUTOMATIZADA NA APLICAÇÃO DE CANUDOS EM
EMBALAGENS CARTONADAS
Este Trabalho de Conclusão de Curso foi julgado adequado para a obtenção do título de ENGENHEIRO ELETRICISTA e aprovado em sua forma final pelo professor orientador e pelos membros da banca examinadora.
Ijuí, 02 de Agosto de 2018
_______________________________________________________________________ Prof. Dr. Mauricio de Campos
UNIJUI
_________________________________________________________________________ Banca
Dedico esse trabalho aos meus filhos Thomas e Kaique.
AGRADECIMENTOS
Agradeço primeiramente a Deus, por ter me agraciado com o dom da vida me abençoando e conduzindo em todos os caminhos.
Agradeço a meus pais, que apesar de todas as dificuldades sempre tiveram sabedoria para me mostrar a importância dos estudos e guiando os caminhos corretos a serem trilhados.
Aos meus irmãos, que sempre me apoiaram e acreditaram na minha capacidade. A minha esposa e meus filhos, que me deram apoio e força, sempre estiveram ao meu lado, acalmando quando as dificuldades apareceram, vibrando e chorando com minhas vitórias.
Aos meus queridos professores pela competência e seriedade com que conduziram e continuam conduzindo o curso de engenharia elétrica.
Aos meus orientadores, professores Gilson Batista e Mauricio de Campos, agradeço pelo apoio, incentivo e dedicação para orientar o desenvolvimento desse trabalho.
Agradeço todas as dificuldades que enfrentei; não fosse por elas, eu não teria saído do lugar.
RESUMO
TURRA, Renan de Souza. Inspeção automatizada na aplicação de canudos em embalagens
cartonadas. 2018. Trabalho de Conclusão de Curso. Curso de Engenharia Elétrica,
Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ, Ijuí, 2018. Com a necessidade de otimizar a produção e garantir melhores padrões e controle de qualidade dos produtos, uma das formas mais eficientes é a automatização de processos substituindo o trabalho humano. A proposta do presente trabalho consiste no desenvolvimento de um sistema de inspeção automatizado, capaz de verificar a presença de canudos em embalagens cartonadas, desta forma mantendo na linha de produção, somente embalagens dentro do padrão de qualidade. Para tanto, fez-se necessário o desenvolvimento de testes com diferentes tipos de sensores, buscando uma melhor resposta para o sistema, aliado a proposta de desenvolver um projeto de baixo custo. Foram analisados sensores com resposta analógica e resposta digital, sendo eles, sensores ultrassônico, infravermelho e mecânico, para tratamento dos sinais foi utilizado a plataforma arduino. Com a implementação do sistema diretamente na linha de produção descartou-se a utilização do sensor ultrassônico devido a sua instabilidade de resposta analógica. Avaliando os outros sensores se obteve a melhor resposta, com 100% de eficiência, utilizando sensores mecânicos, já o sensor infravermelho apresentou uma eficiência acima de 80% aplicando o método de ajuste de curvas como correção de sua resposta. Os resultados obtidos foram apresentados em um display LCD, comprovando a eficiência do sistema e demonstrando aos envolvidos no processo. No desenvolvimento deste trabalho são apresentadas todas as fases para a implementação do projeto, demonstrando as dificuldades que foram encontradas, desde a fase de testes aos resultados obtidos, colecionando assim, vários materiais técnicos para se trabalhar com inspeção automatizada, proporcionando um exemplo de aplicação promissor na área.
Palavras-chave: Automatização de processos, linha de produção, controle de qualidade,
ABSTRACT
TURRA, Renan de Souza. Automated inspection in the application of straws in carton
packs. 2018. Trabalho de Conclusão de Curso. Curso de Engenharia Elétrica, Universidade
Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ, Ijuí, 2018.
With the demand to optimize production and ensure better standards and quality control of products, one of the most efficient ways is to automate processes by replacing human labor. The purpose of the present work is to develop an automated inspection system capable of verifying the presence of straws in carton packs, thus maintaining in the production line only packaging within the quality standard. To do so, it was necessary to develop tests with different types of sensors, seeking a better response to the system, together with the proposal to develop a low-cost project. Sensors with analog response and digital response were analyzed, being, ultrasonic, infrared and mechanical sensors, the arduino platform was used to treat the signals. With the implementation of the system directly on the production line the use of the ultrasonic sensor was discarded due to its analog response instability. By evaluating the other sensors, the best response was obtained, with 100% efficiency, using mechanical sensors, whereas the infrared sensor showed an efficiency above 80% applying the curve fitting method as a correction of its response. The results were presented on an LCD display, proving the efficiency of the system and demonstrating those involved in the process. In the development of this work all phases are presented for the implementation of the project, demonstrating the difficulties that have been encountered, from the test phase to the results obtained, thus collecting several technical materials to work with automated inspection, providing an example of promising application in the area.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Sistema de inspeção automatizada ... 16
Figura 2: Multicamadas de uma embalagem cartonada ... 24
Figura 3: Posicionamento dos bicos aplicadores e posição do canudo ... 25
Figura 4: Distância de segurança após aplicação ... 26
Figura 5: Ambiente de desenvolvimento ARDUINO ... 30
Figura 6: Partes internas de um relé. ... 31
Figura 7: Display LCD 16X2 ... 33
Figura 8: Válvula solenoide ... 35
Figura 9: Micro chave fim de curso ... 38
Figura 10: Diagrama de um sensor indutivo ... 39
Figura 11: Diagrama de um sensor capacitivo ... 40
Figura 12: Funcionamento de um sensor ultrassônico. ... 42
Figura 13: Diagrama de blocos do projeto proposto ... 49
Figura 14: Posição do canudo na embalagem ... 51
Figura 15: Embalagens com problema... 52
Figura 16: Operador realizando inspeções nas embalagens ... 53
Figura 17: Dimensão do canudo ... 54
Figura 18: Sensor ultrassônico HC-SR04 ... 55
Figura 19: Valores registrados ... 56
Figura 20: Gráfico do ajuste de curva ... 57
Figura 21: Sensor infravermelho GP2Y0A41SK0F ... 58
Figura 22: Resposta do sensor infravermelho ... 59
Figura 23: Valores registrados ... 60
Figura 24: Gráfico do ajuste de curva ... 61
Figura 25: Alteração do polinômio ... 63
Figura 26: Elevação da curva do valor ajustado para o sensor ultrassônico ... 63
Figura 27: Elevação da curva do valor ajustado para o sensor infravermelho ... 64
Figura 28: Micro chave fim de curso ... 65
Figura 29: Posição dos sensores ... 66
Figura 30: Local escolhido para instalação do projeto ... 67
Figura 31: Sensor de leitura ... 68
Figura 32: Tempo de deslocamento entre leitura e detecção ... 69
Figura 33: Posição de instalação dos sensores infravermelhos ... 70
Figura 34: Posição de instalação dos sensores mecânicos ... 71
Figura 35: Tratamento do sinal ... 72
Figura 36: Função interrupção ... 74
Figura 37: Ligação com resistor pull-down ... 74
Figura 38: Tempos para o sistema de atuação ... 76
Figura 39: Pistola de descarte ... 77
Figura 40: Alteração nas guias de embalagens ... 78
Figura 41: Rede de coleta ... 79
Figura 42: Modelo de relé utilizado ... 80
Figura 43: Contador de embalagens ... 81
Figura 44:Demonstração dos resultados ... 82
Figura 46: Divisão das embalagens com problemas ... 84
Figura 47: Demonstração dos resultados ... 85
Figura 48: Demonstração dos resultados ... 87
LISTA DE QUADROS
Quadro 1: Especificações Técnicas ... 29
Quadro 2: Pinos do display LCD 16X2 ... 34
Quadro 3: Comparativo entre os sensores ... 48
Quadro 4: Obtenção do valor de correção para o sensor infravermelho ... 62
Quadro 5: Resultados obtidos com o sensor infravermelho ... 86
Quadro 6: Resultados obtidos com o sensor mecânico ... 88
LISTA DE SIGLAS
ASCII
American Standard Code For Information Interchange; (Código Padrão Americano Para O Intercâmbio De Informação)
CPU Unidade Central De Processamento.
DDR3 Double Data Rate 3 (Taxa Dupla De Dados 3)
HDMI
High-Definition Multimedia Interface (Interface Multimídia De Alta Resolução)
IEC
International Electrotechnical Commission (Comissão Eletrotécnica Internacional)
LCD Liquid Crystal Display (Tela De Cristal Líquido) LED Light Emitting Diode (Diodo Emissor De Luz) PEBD Polietileno De Baixa Densidade
PN Positivo Negativo
RAM Random Access Memory (Memória De Acesso Aleatório) TFT Thin Film Transistor (Transistor De Película Fina)
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ... 15 2 REFERÊNCIAL TEÓRICO ... 19 2.1 AUTOMAÇÃO ... 19 2.1.1 Automação Industrial ... 20 2.1.2 Componentes da Automação ... 21 2.2 EMBALAGENS CARTONADAS ... 222.3 MÁQUINA APLICADORA DE CANUDOS ... 24
2.4 ARDUINO ... 26 2.5 RELÉS ... 30 2.6 DISPLAY ... 33 2.7 VALVULA SOLENOIDE ... 35 3 INSTRUMENTAÇÃO... 37 3.1 SENSORES ... 37
3.1.1 Chave Fim de Curso ... 37
3.1.2 Sensores Indutivos ... 38
3.1.3 Sensores Capacitivos ... 40
3.1.4 Sensores Ultrassônicos ... 41
3.1.5 Sensores Fotoelétricos ... 44
3.1.6 Sensores Óticos ... 45
3.1.7 Detectores de Movimento por Infravermelho ... 45
3.2 CARACTERÍSTICAS IMPORTANTES DOS SENSORES ... 46
3.2.1 Tipo de Material a Ser Detectado ... 46
3.2.2 Distância Sensora ... 46 3.2.3 Histerese ... 47 3.2.4 Frequência de Comutação ... 47 3.2.5 Excitação ... 47 3.2.6 Confiabilidade ... 47 3.2.7 Objetivo da Detecção ... 48
3.3 RESUMO COMPARATIVO ENTRE OS SENSORES ... 48
4 DESENVOLVIMENTO ... 49
4.1 PRINCIPIO DE FUNCIONAMENTO... 49
4.2 EMBALAGEM ... 50
4.3 TESTES E DEFINIÇÕES DE SENSORES ... 54
4.3.1 Sensor Ultrassônico ... 55
4.3.2 Sensor Infravermelho ... 58
4.3.3 Avaliação dos Gráficos ... 61
4.3.4 Chave Fim de Curso ... 65
4.4 MONTAGEM ... 66 4.4.1 Leitura ... 66 4.4.2 Processamento 01 ... 68 4.4.3 Detecção ... 69 4.4.4 Processamento 02 ... 71 4.4.5 Atuação ... 76 4.4.6 Processamento 03 ... 80
5.1 SENSOR INFRAVERMELHO ... 85
5.2 SENSOR MECÂNICO ... 87
5.3 DEFINIÇÃO DO SISTEMA DE INSPEÇÃO ... 88
5.4 CUSTOS ... 90
6 CONCLUSÃO ... 91
7 REFERÊNCIAS ... 94
8 ANEXOS ... 97
8.1 ANEXO A (DATASHEET HC-SR04) ... 97
8.2 ANEXO B (DATASHEET GP2Y0A41SK0F ) ... 99
8.3 ANEXO C (DATASHEET V-156-1C25) ... 103
8.4 ANEXO D (PROJETO DA LINHA DE TRANSPORTE) ... 105
9 APÊNDICES ... 105
9.1 APÊNDICE A (AJUSTE DE CURVA SENSOR U.S.) ... 106
1 INTRODUÇÃO
Qualidade é a tônica da produção industrial do Século XXI. Processos automatizados permitem a padronização de produtos tanto do ponto de vista das características do produto em si, quanto da padronização de embalagens e qualidade da apresentação do mesmo. Nos dias atuais uma embalagem “vende” um produto, em detrimento a seus concorrentes.
Além disso, a comercialização de produtos tem sido cada vez mais regulada e fiscalizada por parte dos órgãos competentes, evitando-se ao máximo possíveis problemas de produtos de baixa qualidade. Desse modo, empresas investem recursos financeiros significativos em pesquisas para desenvolver métodos que ampliem a produção com o menor custo possível. A automação das tarefas auxilia esse incremento, mas precisa manter os padrões de qualidade estabelecidos tanto pela empresa fabricante como pela legislação reguladora do comércio nos mercados interno e externo.
Neste cenário, observa-se o uso frequente de procedimentos de controle de qualidade, os quais são fundamentais para reduzir a quantidade de produtos que chegam ao consumidor com qualquer tipo de problema, evitando-se assim gastos desnecessários. Outra forma de tornar o produto ainda mais competitivo, é reduzir gastos automatizando processos de controle de qualidade. Isto pode ser exemplificado, com o uso de uma inspeção automatizada onde pode ser verificado se todas as características desejáveis de um produto estão atendidas naquela linha de produção.
Inspeções e testes utilizando métodos visuais e manuais consomem tempo e são onerosos. Assim, o tempo de entrega e o custo de produção são acrescidos sem nenhum valor agregado. Novas tecnologias e ações para o controle de qualidade estão surgindo alterando o modo como as inspeções e testes são executados. Tecnologias avançadas de sensores, quase sempre combinadas com sistemas computadorizados permitem obter um controle de qualidade automático de inspeção em linha e sincronizado com a produção, segundo Asfahl (1992), Groover (1987), Singh (1986), Silveira (1998) e Shingo (1985).
Os seres humanos podem reconhecer, sem muito esforço, objetos em movimento utilizando o sentido da visão. Apesar de precisa, a avaliação e inspeção visual, limita a velocidade do processo, e produz um número significativo de falhas, impactado diretamente na
eficiência de uma linha de produção. Com o avanço da tecnologia, em capacidade de processamento, memória e sensoriamento, além do conjunto de aplicações computacionais, o reconhecimento de características e imagens, vem reconstruindo a possibilidade dessa capacidade humana.
Tem-se uma melhora significativa em uma linha de produção, através da automatização de processos, em todas as suas fases, diminuindo cada vez mais a interferência humana ao processo.
A automação industrial é a área do conhecimento que atua na implementação e no aperfeiçoamento do controle de processos industriais através do uso de sistemas eletrônicos e computacionais (MORAES, 2007; ROSÁRIO, 2005). Ela auxilia o processo industrial na tarefa de torná-lo mais produtivo, flexível, seguro e eficiente, proporcionando aumento na produção mantendo a qualidade dos produtos.
O sistema de inspeção automatizada substitui, de forma eficiente, segura e rápida, a mão de obra humana no controle de qualidade de produtos em uma produção. Além disso, elimina postos de trabalhos com alto grau de insalubridade eliminando diretamente problemas como L.E.R. (lesão por esforço repetitivo) e fadiga em operários. Além de, como afirmado anteriormente, gerar maior confiabilidade para detecção de defeitos e anormalidades nos produtos produzidos, garantindo assim maior qualidade do produto.A figura 01 demonstra um exemplo de sistema de inspeção automatizada.
Figura 1: Sistema de inspeção automatizada
Em bebidas, principalmente as derivadas de leite, sucos e bebidas não gaseificadas, as garrafas e sacos plásticos foram substituídos quase a sua totalidade por embalagens cartonadas. Estas, além de uma redução de custos, facilitam o transporte e ainda tem uma qualidade visual superior.
No caso de embalagens cartonadas de consumo individual, como sucos e bebidas lácteas, é comum virem acompanhadas de canudos para facilitar seu consumo. Nestes casos, é recorrente problemas de queda dos canudos durante o percurso em esteiras da linha de produção. Em uma máquina de paletização, por exemplo, a queda de um simples canudo pode resultar na parada do processo e impactar diretamente na eficiência global da produção.
Nesse contexto, este trabalho tem como objetivo principal a inspeção automatizada visando o controle da presença de canudos em embalagens cartonadas. A proposta prevê o desenvolvimento de um sistema que realiza a inspeção, determinando se a embalagem está em condições padrões, caso contrário realizará o descarte da linha de produção. Dessa forma garantindo maior eficiência e impactando diretamente na qualidade do produto.
Esse sistema de inspeção será implementado em uma indústria de laticínios do noroeste do Rio Grande do Sul, diretamente em uma linha de produção de achocolatado, onde atualmente a inspeção é realizada manual e visualmente por operadores do processo.
O monitoramento da presença de canudos será efetuado por sensores, os quais serão objeto de estudo neste trabalho. Objetiva-se a melhor eficiência nas respostas dos sensores, no sentido de detectar a ausência ou a má aplicação do canudo, e a partir disto acionar o sistema de atuação e descartar a embalagem do percurso final da linha de produção. A quantidade de embalagens produzidas e descartadas pelo sistema de inspeção será apresentada e visualizada em uma interface.
O presente trabalho foi organizado da seguinte forma. No segundo capítulo, será apresentado o referencial teórico, composto da revisão da literatura sobre os diversos elementos que constituem um sistema de inspeção automatizada.
O terceiro capitulo, terá como enfoque principal o demonstrativo dos tipos de sensores possíveis de serem utilizados em cada etapa do processo, realizando comparativos entre os modelos apresentados.
O quarto capitulo descreve os métodos de desenvolvimento para execução do sistema de inspeção, em um primeiro momento é apresentado o princípio de funcionamento juntamente com os objetivos de detecção, após é demonstrado os testes realizados para a escolha dos tipos de sensores a serem utilizados, finalizando com a demonstração da montagem in loco.
Os capítulos cinco e seis demonstram os resultados obtidos e conclusão do trabalho, comprovando que os objetivos foram atingidos e as dificuldades encontradas. Os últimos capítulos apresentam o referencial bibliográfico utilizado como base desse trabalho, além dos anexos e apêndices.
2 REFERÊNCIAL TEÓRICO
Neste capítulo foi realizada uma revisão bibliográfica sobre automação de processos e produção. Além disso também está apresentada a evolução das embalagens e dos processos fabris de bebidas lácteas, juntamente com os diversos elementos que compõem o sistema de inspeção automatizada
2.1 AUTOMAÇÃO
A automação surgiu com o propósito de substituir atividades manuais, principalmente as repetitivas, por máquinas. Consequentemente surgiram diversas melhorias em uma linha de produção, tais como o aumento da qualidade do produto final, maiores índices de produção, produtos padronizados, menores perdas, entre outros.
"A Automatização é o processo pelo qual se utilizam dispositivos automáticos, eletrônicos e inteligentes para dar-se a automação dos processos em questão." (TEZA, 2002).
Considera-se automatização qualquer processo que auxilie o ser humano nas suas tarefas do dia a dia, sejam elas comerciais, industriais, domésticas ou no campo. Como exemplo, pode ser citado o uso da roda d'água na automatização do processo de moagem, serrarias, ferrarias e trituração de grãos em geral. (TEZA, 2002).
Em um contexto industrial, pode-se definir automação como a tecnologia que se ocupa da utilização de sistemas mecânicos, eletroeletrônicos e computacionais na operação e controle de produção.
Também pode se dizer que é um sistema automático de controle onde os mecanismos possibilitam a verificação de seu próprio funcionamento, efetuando medições e inserindo ajustes ou correções, sem a interferência humana, ou basicamente nenhuma interferência do homem.
O processo de automação em diversos setores da atividade humana trouxe uma série de benefícios a sociedade. A automação geralmente reduz custos e aumenta a produtividade do trabalho. Ela pode livrar os trabalhadores de atividades monótonas, repetitivas ou até mesmo perigosas.
Projetos residenciais; Projetos comerciais; Projetos industriais;
Projetos de automação bancária; Projetos de automação agrícola; Projetos de comunicações;
Projetos de monitoramento de atletas; Projetos de transportes;
Projetos de inspeções visuais.
Pode-se destacar, como principais objetivos da automação:
Qualidade: busca-se através da automação um controle de qualidade eficiente, compensação de deficiências do sistema e processos sofisticados;
Flexibilidade: admitir mudanças dos parâmetros do processo de acordo com a necessidade deste ou exigência do cliente;
Produtividade: melhor uso dos equipamentos com manutenções preditivas, pois os equipamentos são inteligentes e propiciam uma supervisão do funcionamento, e maior aproveitamento da matéria prima, reduzindo estoques;
Viabilidade técnica e econômica: permissão de utilização de operações impossíveis de se realizar com custos cada vez menores.
2.1.1 Automação Industrial
O conceito de automação industrial, aparentemente nasceu na década de 20, quando Henry Ford criou a linha de montagem de um carro chamado modelo T. Sua ideia principal era reduzir os custos de produção e aumentar a produtividade, mas também elevar o nível de segurança para os trabalhadores.
Segundo Rosário (2009) desde aquela época até os dias atuais, a automação industrial e todo o setor tecnológico estão em um desenvolvimento exponencial.
A automação e tecnologia são termos que caminham sempre em conjunto, possibilitando a criação de novas soluções para o uso industrial, facilitando e otimizando processos.
No começo da automação industrial, como dito anteriormente, os principais objetivos eram a redução de custos e aumento na produtividade, mas com o passar dos anos "passou a ser utilizada para facilitar ou mesmo para realizar por si só tais tarefas." (ROSÁRIO, 2009).
Conforme salienta o site da Univates (2017) Automação Industrial é a aplicação de técnicas, softwares e equipamentos específicos em uma determinada máquina ou processo industrial, com o objetivo de aumentar a sua eficiência.
Essencialmente é escolher dentre as diversas tecnologias que se encontram ao nosso dispor, as que melhor se adaptam ao processo a desenvolver e a melhor maneira de interliga-las para garantir sempre a melhor relação custo/benefício.
2.1.2 Componentes da Automação
A maioria dos sistemas modernos de automação, como os utilizados nas indústrias, são extremamente complexos e requerem muitos ciclos de realimentação. Cada sistema de automação compõe-se de cinco elementos:
Acionamento: Consiste no sistema de energia para atingir determinado objetivo. É o caso dos motores elétricos, pistões hidráulicos etc.;
Sensoriamento ou Instrumentação: Mede o desempenho do sistema de automação ou uma propriedade particular de algum de seus componentes. Exemplos: termopares para medição de temperatura, sensores indutivos; Controle: Utiliza a informação dos sensores para regular o acionamento. Por
exemplo, para manter o nível de água num reservatório, usa-se um controlador de fluxo que abre ou fecha uma válvula, de acordo com o consumo. Mesmo um robô requer um controlador, para acionar o motor elétrico que o movimenta;
Comparador ou elemento de decisão: Compara os valores medidos com valores preestabelecidos e toma a decisão de quando atuar no sistema. Como exemplos, podemos citar os termostatos e os programas de computadores;
Programas: Contêm informações de processo e permitem controlar as interações entre os diversos componentes.
2.2 EMBALAGENS CARTONADAS
Devido à dinâmica de sobrevivência, o ser humano desenvolveu, ao longo dos tempos, a arte de embalar e armazenar alimentos. No período pré-histórico, as primeiras embalagens foram construídas utilizando-se madeira, pedra, couro, entre outros elementos. O objetivo de armazenamento e conservação de alimentos permanece inalterado até hoje, com a diferença de que, com o uso de alta tecnologia, pode-se desenvolver, a cada momento, novos materiais a serem utilizados pela indústria de alimentos como embalagens.
Contemporaneamente, conforme menciona Moreira (2009), vivemos em uma sociedade em que se valoriza sobremaneira o consumo rápido, principalmente no que se refere à indústria de alimentos, e, consequentemente, valoriza-se a embalagem descartável. Dessa forma, a fim de corresponder essa valoração, todo o processo produtivo busca desenvolver meios para que essa característica seja evidente nos produtos. Foi nesse contexto que a maior parte dos produtos alimentícios passou a ser envasado em embalagens descartáveis.
As embalagens cartonadas, segundo Nascimento (2007), surgem já com os objetivos que lhe são inerentes atualmente, ou seja, oferecer aos alimentos uma possibilidade de maior tempo para o consumo sem perder suas características originais. O surgimento das embalagens cartonadas se dá em pleno curso da Segunda Guerra Mundial, quando a Europa vivia o problema de conservação do leite, necessitando, portanto, do desenvolvimento de uma embalagem que o conservasse por mais tempo. O primeiro rudimento do que viria a ser a embalagem cartonada, constituída de papel e plástico, cujo selamento era realizado à vácuo, com a ausência de oxigênio, foi desenvolvida por Ruben Rausing, em 1947. Com esse processo, observou-se que os alimentos em geral passaram a ter um tempo mais prolongado para o consumo.
Somente no ano de 1961, a embalagem ganhou o padrão comercial, nos termos das embalagens ”longa vida” como é conhecida atualmente, chegando ao Brasil na década de 1970. Nascimento (2007) pontua que, além do aspecto de conservação de alimentos por longos períodos, outra característica comum a essas embalagens é a economia de energia elétrica por ela proporcionada, justamente pelo fato de que os alimentos acondicionados são preteridos de refrigeração enquanto não abertos, seja na armazenagem ou no transporte dos produtos.
Damas (2008) complementa a colocação dos autores anteriores ao mencionar que: “As embalagens cartonadas longa vida, vieram para solucionar isso como um passe de mágica, de uma hora para outra tínhamos estoques de leite que podiam durar até 6 meses, o que tornou o preço estável ao longo do tempo. ”
Mas as embalagens cartonadas longa vida não ficaram só no leite, hoje elas abrangem praticamente todos os alimentos líquidos, protegendo-os da luz, oxigênio e umidade. Outro aspecto de economia exposto pelos autores é o do transporte, justamente pela característica de sua composição, pois ao se comparar uma embalagem de um litro de vidro a uma cartonada, a diferença de espaço e peso ocupados é substancial. “Uma embalagem cartonada pesa somente 28 gramas; essa condição permite economia de combustível no transporte. ” (NASCIMENTO, 2007).
Além dessa condição, Zortea (2006) observa que as embalagens cartonadas possibilitam um acondicionamento maior no transporte das mesmas, em forma de bobinas, para as indústrias envasadoras de alimentos, visto que trezentas embalagens de um litro, vazias e compactas em bobinas, comparam-se a 11 litros de uma embalagem de plástico ou de vidro.
Na figura 2, apresenta-se a distribuição da constituição da embalagem cartonada, em termos de quantidade de cada produto, papel, plástico e alumínio, utilizado para sua confecção. Cada camada exerce um papel essencial para garantir a qualidade do produto sem danos ao consumidor final.
Figura 2: Multicamadas de uma embalagem cartonada
Fonte: (Hxpartners,2017)
Sendo assim, descreve-se cada parte que compõe a embalagem cartonada: papel, plástico e alumínio. A espécie de papel utilizado na composição dessas embalagens é o papel duplex, extraído de árvores de reflorestamento, comumente de pinus e eucalipto, constituído de duas camadas que são unidas sem colagem. “É esse material que dá resistência e suporte mecânico à embalagem. Esse papel duplex é o lado externo da embalagem e pode ser encontrado em até quatro camadas. ” (NASCIMENTO, 2007).
Outro componente mencionado é o plástico, na forma de polietileno de baixa densidade (PEBD), que tem a função de isolar o papel e impedir o contato do alumínio com o produto, como também aderir os outros materiais componentes da embalagem.
“No que diz respeito ao alumínio, esse material tem a função de atuar como um obstáculo, evitando a entrada de luz e de oxigênio que poderiam deteriorar os alimentos de forma mais rápida. Nas embalagens cartonadas, há somente uma camada de alumínio, localizada entre camadas de plástico. ” (NASCIMENTO, 2007).
2.3 MÁQUINA APLICADORA DE CANUDOS
O equipamento em estudo, destinado para realizar a aplicação de canudos plásticos nas embalagens cartonadas tem como referência a série 400 da marca GEYSSEL.
Esse equipamento tem a capacidade de receber embalagens por meio de esteiras continuas e através de sensores, detectar a presença de embalagens, onde, em um primeiro momento efetua a aplicação de cola, através de dois bicos aplicadores. Em um segundo momento, através de garfos mecânicos, os canudos são pressionados nos pontos de cola por um período de 25ms. ( GEYSSEL, 2012)
Para garantir a perfeita execução das etapas de aplicação, as embalagens devem necessariamente possuir um espaçamento aceitável, onde possibilite leitura e aplicação individual. Para executar essa ação o equipamento possui um conjunto de esteiras separadoras no início do processo. Essa separação é executada através da diferença de velocidade entre esteiras de transporte e esteiras separadoras.
Analisando as etapas do processo, pode ser observado que a garantia da fixação dos canudos nas embalagens, está relacionado ao correto posicionamento dos bicos aplicadores de cola, em conjunto com o acionamento mecânico dos garfos de aplicação. A figura 3 demonstra a correta aplicação.
Figura 3: Posicionamento dos bicos aplicadores e posição do canudo
Fonte: Manual operacional GEYSSEL
Após a aplicação a embalagem é transportada para a saída do equipamento, sendo crucial nessa etapa evitar qualquer contato ou choque mecânico com o canudo, devido ao tempo de cura da cola liquida. De acordo com o manual operacional Geyssel (2012), define-se de
acordo com a temperatura de aplicação da cola (150ºC) uma distância de segurança de 50 cm após a aplicação, como garantia de fixação do canudo. Portanto, os tubos guias das esteiras de transporte devem estar ajustados para um primeiro contato com a embalagem, somente após essa distância de segurança, conforme ilustra a figura 4.
Figura 4: Distância de segurança após aplicação
Fonte: o Autor
2.4 ARDUINO
A plataforma de desenvolvimento Arduino foi criada em meados de 2005 pelo professor italiano Massimo Banzi, onde seu principal objetivo era ensinar programação de computadores e eletrônica aos seus alunos.
Em termos práticos, a plataforma Arduino consiste de um pequeno computador onde possibilita realizar a programação para processar entradas e saídas entre o dispositivo e os componentes externos conectados a ele. (MCROBERTS, 2011).
Conforme o site do fabricante Arduino (2016) afirma que a plataforma de desenvolvimento é projetada com um microcontrolador Atmel AVR com suporte de entrada/saída embutido, uma linguagem de programação padrão, a qual tem origem em Wiring, e é essencialmente C/C++. Seu principal objetivo é criar ferramentas que são acessíveis, com
baixo custo, flexíveis e fáceis de usar por qualquer pessoa com um mínimo de conhecimento. Principalmente para aqueles que não têm alcance aos controladores mais sofisticados e de ferramentas mais complicadas.
O Arduino é uma plataforma de hardware open source, de fácil utilização, ideal para a criação de dispositivos que permitam interação com o ambiente, dispositivos estes que utilizem como entrada sensores de temperatura, luz, som etc., e como saída leds, motores, displays, alto-falantes etc., criando desta forma possibilidades ilimitadas (AMORIM, 2011).
Um importante aspecto é a maneira padrão que os conectores são expostos, permitindo o CPU ser interligado a outros módulos expansivos, conhecidos como shields. Os Arduinos originais utilizam a série de chips megaAVR, especialmente os ATmega8, ATmega168, ATmega328 e a ATmega1280.
Marchesan (2012) afirma que a placa de desenvolvimento Arduino possui várias características, dentre elas, as mais importantes são:
Regulador de tensão de entrada (aceita variações de 6 a 20 Volts);
Saídas de alimentação de 3,3 e 5 Volts (utilizado para ligar outros componentes); Fácil conexão nas portas de entrada e saída;
Ambiente de desenvolvimento de algoritmos próprio e upload através da porta USB.
Uma típica placa Arduino é composta por um controlador, algumas linhas de entrada e saída, digital e analógica, além de uma interface serial ou USB, para interligar-se ao computador, que é usado para realizar e enviar a programação ao microcontrolador.
Existem vários modelos de plataforma Arduino, cada um com suas características particulares, assim como tamanho e formato.
As plataformas mais utilizadas:
Uno e Leonardo: Basicamente iguais, o que os difere é o microcontrolador. A Plataforma Leonardo utiliza o ATmega32u4 e o UNO utiliza ATmega328;
Mega: Possui mais entradas e saídas, ATmega 2560 é o seu controlador; Lilypad: Plataforma com dimensões próximas a de uma moeda, existem 4
versões deste. Utilizam controladores ATmega32u4 e ATmega328; Mini: Se diferencia do UNO apenas pelas suas dimensões;
Micro: Basicamente igual ao Leonardo, mas com dimensões menores; Nano: Pequeno e completo possui 14 pinos digitais de entrada e saída;
Pro Mini: ATmega168 é o seu controlador e também possui 14 pinos digitais de entrada e saída;
Due: Baseado em um processador ARM de 32 bits, praticamente igual ao Mega, mas com um controlador muito mais poderoso. Chip Atmel SAM3X8E ARM CPU Cortex-M3.
Yún: Pequena placa com Wifi já integrado;
Robot: Possui alto falante, display de LCD (Liquid Crystal Display – Display de Cristal Líquido) colorido, leitor de cartão, teclado com 5 teclas, compartimento para baterias, sensores e etc;
Esplora: Tem som e luzes, e vários sensores de entrada, incluindo um joystick, um controle deslizante, um sensor de temperatura, um acelerômetro, um microfone e um sensor de luz. Ele também tem o potencial para expandir sua capacidade com dois conectores de entrada e saída TINKERKIT, e um soquete para um LCD a cores TFT.
Tre: Ele é baseado no processador da Texas Instrument, o Sitara AM3359AZCZ100 (ARM Cortex-A8) de 1 GHz com 512 MB de memória RAM DDR3, saída de som, saída HDMI, USB Host + dispositivos.
A maioria das placas arduino possui um regulador linear de 5 volts e um oscilador de cristal de 16 MHz, embora alguns esquemas como o LilyPad usem até 8 MHz e dispensem um regulador de tensão embutido, por ter uma forma específica de restrições de fator.
Conforme o site do fabricante Arduino (2016) saliente que além de ser um microcontrolador, o componente também é pré-programado com um bootloader, o que simplifica o carregamento de programas para o chip de memória flash embutido, em comparação com outros aparelhos que geralmente demandam um chip programador externo.
O Quadro 1 demonstra as especificações técnicas do Arduino Uno, o qual foi escolhido para esse projeto.
Quadro 1: Especificações Técnicas ARDUINO UNO
Microcontrolador ATmega328P
Tensão Operacional 5V
Tensão de alimentação(recomendado) 7-12V
Tensão de alimentação(limite) 6-20V
Pinos Digitais E/S 14 (dos quais 6 podem ser saídas PWM)
Pinos PWM E/S 6
Entrada Analógica 6
Corrente CC por Pino E/S 20mA
Corrente CC para o pino 3,3V 50mA
Flash Memory 32 KB (ATmega328) dos quais 0,5KB são utilizados pelo bootloader
SRAM 2KB
EEPROM 1KB
Velocidade de Clock 16MHZ
Fonte: Adaptado do original (site ARDUINO, 2016)
A IDE, mostrada na Figura 5 (em inglês Integrated Development Environment ou Ambiente de Desenvolvimento Integrado em português) do Arduino "é uma aplicação multiplataforma escrita em Java na qual é derivada dos projetos Processing e Wiring" (SEVERO, 2012).
A IDE é esquematizada para introduzir a programação a pessoas não familiarizadas com o desenvolvimento de software. Inclui um editor de código com recursos de realce de sintaxe, parênteses correspondentes e identificação automática, sendo capaz de compilar e carregar
programas para a placa com um único clique. Com isso não há a necessidade de editar Makefiles ou rodar programas em ambientes de linha de comando. (SEVERO, 2012)
Figura 5: Ambiente de desenvolvimento ARDUINO
FONTE: O Autor.
Segundo o site do fabricante Arduino (2016), "O microcontrolador na placa é programado com a linguagem de programação Arduino, baseada na linguagem Wiring, e o ambiente de desenvolvimento Arduino, baseado no ambiente Processing", com isso é possível criar facilmente muitas operações de entrada e saída.
2.5 RELÉS
Um relé é basicamente um interruptor mecânico que abre ou fecha circuitos de cargas elevadas (tensões e/ou correntes), operado eletricamente por aplicação de uma tensão baixa na bobina. Ou por outras palavras, é um componente que requer pouca energia para comandar circuitos de elevada energia. Um bom exemplo é um motor de 220V poder ser ligado e desligado com uma pilha de 9V.
A capacidade de ligar e desligar cargas elevadas com uma baixa energia, permite-lhe ter uma capacidade de amplificação. Ao contrário do transistor, o relé não é um amplificador analógico, mas sim um amplificador do tipo “digital” (0-1; ON-OFF).
Outra característica e grande vantagem deste tipo de componentes é o isolamento elétrico (galvânico) entre o circuito de comando e o circuito de carga; o isolamento resistivo dos contatos abertos e a baixa resistência de contatos quando estes estão fechados. (ABELHA, 2017)
Figura 6: Partes internas de um relé.
Fonte: (ABELHA, 2017)
Segundo Abelha (2017), dos elementos que compõem o relé eletromecânico, os mais importantes são:
1. Sistema de contato: Contatos fixos;
Contatos móveis (movidos pelo sistema magnético para comutar o circuito de carga);
Sistema da mola (sustentam os contatos móveis e é suficientemente flexível para permitir o movimento).
2. Sistema magnético
Bobina (gera o campo magnético necessário para movimentar a armadura e os contatos);
Núcleo;
Carcaça (estabelece o circuito magnético);
Armadura (parte móvel do sistema magnético que fecha e abre o circuito magnético e funciona como atuador nos contatos);
Mola de retorno (estabelece a posição onde o sistema magnético e sistema de contatos tem de estar quando a bobina não está ligada).
3. Componentes mecânicos
Capa (protege o relé de choques mecânicos); Base (protege o relé de influências externas);
Isolamento (dentro do relé separa o circuito primário do secundário);
Atuador (movimento do sistema de contatos devido ao sistema magnético. Tem propriedades de isolamento para separar o circuito primário (bobina, sistema magnético) do secundário (sistema de contatos));
Pinos ou terminais (permitem efetuar a ligação do circuito de carga com o sistema de contatos).
2.6 DISPLAY
O LCD é um elemento fundamental para que os equipamentos eletrônicos se tornem mais compactos, interativos e de fácil operação, pois pode facilitar a forma como o usuário vai interagir com o equipamento e, consequentemente, aumentar o valor agregado a ele.
Figura 7: Display LCD 16X2
Fonte: (Happy Been, 2017)
Existe uma variedade de displays LCD no mercado, desde os LCDs capazes de exibir uns poucos caracteres até LCDs gráficos, coloridos, e nos mais variados tamanhos. Os LCDs normalmente são compatíveis com o código ASCII, e podem gerar letras, números e caracteres especiais, além de caracteres europeus e gregos.
Os LCDs podem possuir ainda uma memória RAM interna que permite criar caracteres especiais ou símbolos que podem ser imprescindíveis numa determinada aplicação.
O LCD 16x2, ou seja, dezesseis caracteres por duas linhas é um dos LCDs mais utilizados em equipamentos eletrônicos. O quadro 2 mostra a função de cada um dos 16 pinos do LCD. Os dois primeiros pinos (1 e 2) são relativos a alimentação do componente. Os pinos 15 e 16 acionam um conjunto de LEDs (Light Emitting Diode – Diodo Emissor de Luz) responsáveis pela iluminação do painel (backlight).
Back-light é um LED ou conjunto de LEDs no fundo do display que permite que a escrita possa ser lida em ambientes de baixa ou nenhuma luminosidade. Existem modelos de display que não possuem a função Back-light.
Quadro 2: Pinos do display LCD 16X2
PINO SIMBOLO FUNÇÃO PINO SIMBOLO FUNÇÃO
1 Vss GND 9 DB2 Dado
2 Vdd 5V 10 DB3 Dado
3 Vo Ajuste do contraste 11 DB4 Dado
4 RS Seleção de registro 12 DB5 Dado
5 R/W Leitura/ Escrita 13 DB6 Dado
6 E Inicia ciclo R/W 14 DB7 Dado
7 DBO Dado 15 A Anodo
8 DB1 Dado 16 K Catodo
Fonte: Adaptado do original (site LAB. DE GARAGEM,2018)
O pino 3 (V0) é utilizado para que seja possível fazer ajuste no contraste da imagem exibida no Display. O pino RS (Register Select) é utilizado para informar ao LCD o tipo de informação que se encontra no barramento de dados (DB0:DB7).
Para dar início a um ciclo de leitura ou de escrita, é necessário aplicar um pulso no pino 6 (E – Enable). No pino E, que normalmente é mantido em nível lógico 0, deve ser aplicado nível lógico 1 e depois aplicado nível lógico 0. Quando for efetuada uma escrita no LCD, é necessário que o dado se mantenha por alguns nanosegundos no barramento depois do pulso aplicado no pino E. Isso é necessário porque o LCD efetua a leitura do dado na borda de descida do pulso aplicado ao pino E.
No caso de leitura no LCD, alguns nanosegundos após ser aplicado nível lógico um no pino E, o dado estará disponível no barramento para ser lido pelo microcontrolador. Depois do dado lido, no pino E pode ser aplicado novamente nível lógico 0. Os pinos de DB0 a DB7 equivalem ao barramento de dados paralelo. Este é um barramento bidirecional, pois ele pode
ser efetuado tanto para a escrita quanto para leitura dos dados armazenados na memória RAM do LCD.
Apesar de existirem oito vias de dados, esses displays também podem operar com quatro vias (DB4 a DB7), ficando assim as demais vias sem função. Neste caso, as informações são enviadas em dois pacotes de quatro bits cada um (MUNIZ, 2009).
2.7 VALVULA SOLENOIDE
Segundo Lago e Silva (2002), solenoide é uma bobina de fio em formato espiral em torno de um pistão, normalmente feito de ferro. Assim como em todos os eletroímãs, um campo magnético é criado quando uma corrente elétrica passa pelo fio. Eles têm vantagens sobre ímãs permanentes, pois podem ser ligados ou desligados pela aplicação de uma corrente, o que os faz úteis como interruptores e válvulas e ser totalmente automatizados.
Como em todos os ímãs, o campo magnético de uma solenoide tem um polo positivo e um negativo que atraem ou repelem materiais sensíveis a ímãs. Assim, o campo magnético faz o pistão mover-se para trás ou para frente, desta forma o movimento é criado por uma bobina do tipo solenoide.
Figura 8: Válvula solenoide
Fonte: (Jefferson, 2017)
Em uma válvula de atuação direta, a corrente elétrica ativa a bobina da solenoide, que atrai um pistão ou um êmbolo que funciona como atuador mecânico ON/OFF. Em válvulas
operadas por um piloto, a solenoide move o êmbolo, criando uma pequena abertura, e a pressão que passa por ela é o que opera a vedação dessa válvula. Em ambos os casos, um fluxo de corrente elétrica constante é necessário pois, assim que a corrente for interrompida, o campo eletromagnético se dispersa e a válvula retorna à posição de fechamento original, sendo assim uma válvula solenoide é normalmente fechada (LAGO; SILVA, 2002).
As válvulas solenoides são classificadas pelo número de entradas e saídas de duas vias, três vias, quatro vias ou cinco vias. Pelo ponto de vista funcional, podem ser monoestáveis ou biestáveis. Nas monoestáveis, quando desenergizadas, sua única bobina volta para a posição estável. Já as biestáveis contêm duas bobinas, uma para cada posição, e podem funcionar com pulsos de corrente.
As válvulas de duas vias monoestáveis que se fecham, quando desenergizadas, são denominadas normalmente fechadas. Quando, pelo contrário, ficam abertas, são chamadas de normalmente abertas. No caso de três vias monoestáveis, há várias denominações segundo a forma de trabalhar, normalmente fechadas, normalmente abertas, convergentes e divergentes.
Quando podem operar de qualquer forma, são denominadas universais. Caso sejam de três, quatro ou cinco vias, podem ter duas ou três posições; neste último caso, com uma posição estável e duas instáveis, possuindo uma bobina para cada posição.
3 INSTRUMENTAÇÃO
Neste capítulo foi realizada uma descrição dos tipos de sensores mais utilizados na indústria, demonstrando um quadro comparativo para realizar a escolha dos sensores empregados nesse projeto.
3.1 SENSORES
Serão discutidos os princípios de funcionamento dos sensores que se enquadram para esse projeto e dessa forma realizar um estudo crítico para selecionar o melhor modelo para cada etapa do sistema de inspeção. Os sensores estudados serão os seguintes:
Sensores mecânicos Indutivos.
Capacitivos.
Detectores por ultrassom. Fotoelétricos.
Óticos.
Detectores de movimento por infravermelho.
Os sensores podem ser classificados como ativos ou passivos.
Sensor passivo é aquele que não precisa de fonte de energia adicional, ele consegue gerar diretamente um sinal elétrico em resposta a um estímulo externo; isto é, a energia de estímulo na entrada e convertida pelo sensor em um sinal de saída.
Os sensores ativos exigem uma fonte externa para sua operação, adotado como sinal de excitação. Esse sinal é utilizado pelo sensor para produzir o sinal de saída (MARCELO MAZZAROPPI, 2007).
3.1.1 Chave Fim de Curso
Os sensores fim de curso são sensores ativos de presença que necessitam de um contato físico para que ocorra o seu acionamento. A operação destas chaves é alcançada pela ação de
deslizamento da proteção ou de qualquer outro objeto que se mova, desviando o eixo ou alavanca. A figura 9 demonstra o modelo de micro chave fim de curso com roldana na extremidade da alavanca.
Figura 9: Micro chave fim de curso
Fonte: (Honeywhell, 2016)
Para seu correto funcionamento é importante que quando não exista detecção, a proteção ou outros objetos que se movem não impeçam a alavanca de retornar à sua posição original. Caso o eixo seja impedido de retornar a esta posição, a chave acusará permanentemente a presença do objeto de detecção, estando o mesmo presente ou não.
Uma vez deslocado seu eixo ou alavanca, a saída deste sensor muda de estado chaveando assim um sinal elétrico externo.
3.1.2 Sensores Indutivos
Os sensores de proximidade indutivos são sensores ativos de presença e consistem de um núcleo de ferrite envolvido por uma bobina, um oscilador, um circuito de disparo de sinais de comando e um circuito de saída, como mostrado na figura 10.
O oscilador alimenta a bobina a uma determinada frequência, e uma corrente de natureza alternada circula pela mesma. Esta corrente alternada que circula pela bobina, gera um campo eletromagnético. Uma vez que um objeto metálico entra neste campo, a natureza alternada deste campo induzirá correntes neste objeto, chamadas de correntes de fuga ou correntes parasitas. As correntes de fuga geram um fluxo magnético no sentido de enfraquecer o campo existente,
e desta forma o circuito de disparo detecta a variação do campo e ocorre o chaveamento do circuito de saída. (MARCELO MAZZAROPPI, 2007).
Figura 10: Diagrama de um sensor indutivo
Fonte: (Marcelo Mazzaroppi, 2007)
Segundo Gomes (2010), os sensores indutivos encontram-se nas configurações blindada e não blindada. Estas configurações são influenciadas pelo local de instalação do sensor. O campo eletromagnético de um sensor não blindado não está concentrado apenas à frente da sua face sensora, mas estende-se até a lateral do sensor. Desta forma, sensores não blindados quando instalados em superfícies metálicas, induzirão nestas superfícies correntes de fuga, gerando um fluxo magnético que enfraquecerá o campo gerado pelo sensor, que será detectado pelo circuito de disparo, causando por fim a comutação da saída do sensor.
Por este motivo, sensores indutivos não blindados não devem ser instalados em superfícies metálicas. Para instalação em tais superfícies, são utilizados os sensores indutivos blindados. Os sensores blindados geram um campo eletromagnético direcionado para frente da sua face sensora, desta forma eliminando o problema da indução de correntes de fuga na superfície de instalação.
Maiores distâncias de detecção podem ser obtidas com a utilização de sensores não blindados, devido ao seu campo eletromagnético ser menos concentrado. (MARCELO MAZZAROPPI, 2007).
3.1.3 Sensores Capacitivos
Os sensores de proximidade capacitivos são sensores ativos de presença projetados para operar gerando um campo eletrostático e detectando mudanças neste campo causadas quando um objeto se aproxima do sensor. Estes sensores são compostos de uma ponta capacitiva (também chamada de ponta de compensação), um oscilador, um retificador de sinal, um circuito de filtragem e um circuito de saída, como mostrado na figura 11.
Na ausência de um objeto, o oscilador está inativo. Quando um objeto se aproxima, ele aumenta a capacitância do circuito da ponta capacitiva. Uma vez que a capacitância atinge um determinado valor, o oscilador é ativado, ativando assim o circuito de saída e fazendo com que seu estado seja comutado. (MARCELO MAZZAROPPI, 2007).
Figura 11: Diagrama de um sensor capacitivo
Fonte: (Marcelo Mazzaroppi, 2007)
A capacitância do circuito da ponta de compensação é determinada pelo tamanho do objeto, sua constante dielétrica e a distância até a ponta. Quanto maior for o tamanho do objeto a ser detectado e sua constante dielétrica, mais este irá contribuir para o aumento da capacitância. Uma redução da distância entre o objeto e a ponta de compensação também irá contribuir para o aumento da capacitância. (GETULIO TATEOKI, 2010).
Para melhorar a sensibilidade e reduzir o efeito das bordas, o sensor capacitivo pode ser fornecido com uma blindagem. Tal blindagem é posicionada em torno dos lados inoperantes da ponta capacitiva e alimentada com a tensão igual àquela da ponta. Como a blindagem e as tensões da ponta estão em fase e tem a mesma amplitude, nenhum campo elétrico existe entre
os dois e todos os componentes posicionados atrás da blindagem não influenciam na operação. (MARCELO MAZZAROPPI, 2007).
Os sensores de proximidade capacitivos blindados são mais indicados para a detecção de materiais de constantes dielétricas baixas e, portanto, de mais difícil detecção. O campo eletrostático concentrado permite detectar objetos que os sensores não blindados ignoram. Por outro lado, isto os torna mais suscetíveis à falsa comutação, devido ao acúmulo de sujeira ou umidade na face ativa do sensor. (MARCELO MAZZAROPPI, 2007).
O campo eletrostático de um sensor não blindado é menos concentrado, o que os torna mais indicados para detectar materiais de constantes dielétricas altas, ou para diferenciar entre materiais de constantes altas e baixas. Para os objetos de constante dielétrica elevada, os sensores não blindados apresentam um maior alcance de detecção do que os blindados. (GETULIO TATEOKI, 2010).
Os sensores não blindados são equipados com uma ponta de compensação que permite que o sensor ignore névoa úmida, poeira, pequenas quantidades de sujeira e pequenos respingos de óleo ou água que se acumulem no sensor. A ponta de compensação também torna o sensor resistente a variações da umidade ambiente. (GETULIO TATEOKI, 2010).
3.1.4 Sensores Ultrassônicos
As ondas ultrassônicas são ondas acústicas com frequências acima da capacidade da audição humana, ou seja, acima de 20 kHz. Os sensores ultrassônicos geram ondas ultrassônicas a partir do movimento de uma superfície. O tipo mais comum de dispositivo de excitação que pode gerar o movimento de uma superfície na escala ultrassônica é um transdutor piezoelétrico. Isto implica que o dispositivo piezoelétrico converte diretamente a energia elétrica em energia mecânica.
O transdutor piezoelétrico utiliza-se do efeito piezoelétrico, sendo este o efeito no qual a energia é convertida entre as formas mecânica e elétrica. A palavra piezo deriva do grego piezen, e significa pressão. Desta forma, quando uma pressão é aplicada a um cristal polarizado, a deformação mecânica resulta em uma carga elétrica. O efeito piezoelétrico consiste na variação das dimensões físicas de certos materiais quando sujeitos a campos elétricos e
vice-versa, portanto, um material piezoelétrico produz carga elétrica quando uma pressão mecânica é aplicada neste. (MARCELO MAZZAROPPI, 2007).
Da mesma forma, uma deformação mecânica é produzida quando um campo elétrico é aplicado no material piezoelétrico. As ondas sonoras geradas pelos sensores ultrassônicos são transmitidas na forma de um cone. (MARCELO MAZZAROPPI, 2007). Ao interceptar um objeto esta onda é refletida de volta ao sensor passando informações a respeito da distância do objeto ao sensor e velocidade de deslocamento do mesmo, conforme pode ser observado na figura 12. Estas informações são extraídas respectivamente do intervalo de tempo entre a emissão e o retorno da onda sonora e da diferença entre as frequências das ondas emitida e retornada.
Existem algumas variáveis que podem afetar a propagação e reflexão das ondas sonoras causando distúrbios na detecção, sendo estas: ângulo de superfície do alvo, a aspereza da superfície reflexiva ou mudanças na temperatura ou na umidade. O formato do objeto afeta a quantidade de energia sonora refletida, entretanto mesmo objetos de formatos irregulares ou objetos arredondados refletirão uma parcela da onda ultrassônica de volta ao sensor.
Figura 12: Funcionamento de um sensor ultrassônico.
Fonte: (Marcelo Mazzaroppi, 2007)
Portanto os sensores ultrassônicos são sensores ativos de presença e de movimento e apresentam a vantagem de não apenas detectar a presença dos objetos, mas possibilitam o cálculo da distância dos mesmos e da velocidade com a qual se deslocam. Outras vantagens
destes sensores é a possibilidade de detecção de objetos pequenos sobre distâncias longas e a resistência aos distúrbios externos tais como vibração, radiação infravermelha, ruídos ambientais, e radiação eletromagnética.
Os sensores ultrassônicos que possuem emissor e receptor no mesmo encapsulamento possuem os seguintes métodos de detecção:
Difuso - Detecta um objeto na faixa da distância de detecção. A onda sonora se choca com o alvo e é refletida de volta ao sensor. Esta onda é então percebida e o sensor comuta sua saída. Esta configuração é utilizada normalmente para detectar presença ou contagem de peças. (MARCELO MAZZAROPPI, 2007). Reflexivo - Utilizando os objetos de fundo como refletores para as ondas
sonoras, estes sensores emitem e recebem constantemente estas ondas. Quando um alvo entra na área de detecção deste sensor, entre o sensor e os refletores de fundo, o feixe sonoro é então interrompido e ocorre a detecção. Esta configuração é utilizada normalmente para a detecção de objetos com superfícies irregulares ou que absorvem o som.
Difuso com supressão de fundo - Este modo é semelhante ao difuso diferenciando-se pela possibilidade de delimitar a distância de detecção a uma determinada zona de interesse.
Difuso com supressão de frente - Modo semelhante ao difuso com supressão de fundo, porém determinando-se a distância mínima na qual o alvo deverá estar posicionado para que a saída do sensor seja comutada.
Difuso com supressão de frente e de fundo - Este modo reúne as características de operação dos últimos dois modos. O alvo deverá estar posicionado em um determinado intervalo, entre uma distância mínima e uma máxima, para que ocorra a detecção do mesmo e a comutação da saída do sensor.
3.1.5 Sensores Fotoelétricos
Segundo Gomes (2010), um sensor fotoelétrico é um sensor ativo de presença que detecta um feixe de luz visível ou invisível, e responde a uma variação na intensidade de luz recebida.
Um sensor fotoelétrico possuiu dois componentes principais: emissor e receptor. O emissor contém a fonte de energia luminosa, que pode ser um diodo emissor de luz (LED - Light emitting diode) ou um laser, e esta fonte luminosa é modulada por um oscilador. O receptor contém um elemento optoeletrônico, tal como um fotodiodo ou um fototransistor, que detecta a luz vinda do emissor e converte a intensidade de luz recebida em uma tensão elétrica. O fotodiodo é um diodo semicondutor de junção PN (positivo, negativo) construído de modo a possibilitar a utilização da luz como fator determinante no controle da corrente elétrica. O mesmo opera com polarização reversa e caracteriza-se por ser sensível à luz e por possuir uma rápida resposta.
A aplicação de luz à junção resulta em uma transferência de energia das ondas luminosas incidentes (na forma de fótons) para a estrutura atômica, resultando em um aumento do número de portadores minoritários e um aumento do nível da corrente reversa. Em resumo, pode-se dizer que um fotodiodo é um dispositivo que converte luz recebida em corrente elétrica. Um fototransistor tem funcionamento semelhante ao de um fotodiodo, mas com uma resposta muito maior à luminosidade, uma vez que os elétrons liberados pelos fótons na junção base-coletor são injetados na base, e esta corrente é assim amplificada pela operação do transistor. Os fototransistores possuem um tempo de resposta mais lento do que os fotodiodos. (MARCELO MAZZAROPPI, 2007).
A intensidade luminosa convertida em tensão pelo elemento optoeletrônico é amplificada e demodulada. O receptor é ajustado para a frequência do seu emissor, ignorando assim as demais luzes do ambiente, e irá produzir um sinal de saída quando a luz recebida estiver acima ou abaixo de um valor previamente especificado. (MARCELO MAZZAROPPI, 2007).
O modo de detecção, que é o método com o qual um sensor envia e recebe a luz, é um dos critérios mais importantes na seleção de um sensor fotoelétrico. Sua escolha adequada
agregará confiabilidade à detecção dos objetos desejados, rejeitando perturbações decorrentes de fatores ambientais, relacionados às condições nas quais o sensor encontra-se comissionado.
3.1.6 Sensores Óticos
Os sensores óticos são outro tipo muito popular de sensores ativos de presença utilizados para medir posição e deslocamento. Suas vantagens principais são a simplicidade, possibilidade de utilização em distâncias relativamente longas e não são sensíveis a campos magnéticos e interferências eletrostáticas. Um sensor de posição ótico é composto de pelo menos três componentes essenciais: uma fonte luminosa, um fotodetector, e um dispositivo para a orientação da luz (lentes, espelhos, fibra óptica, etc.).
Um método de detecção utilizado por sensores de proximidade faz uso da luz polarizada. Cada fóton de luz tem os sentidos dos campos magnético e elétrico perpendiculares entre si e à direção de propagação. A direção do campo elétrico é a direção de polarização da luz. A maioria das fontes luminosas produz a luz com os fótons polarizados de forma aleatória. Para polarizar a luz, a mesma deve atravessar um polarizador, (isto é, um material que transmite a luz polarizada somente em um sentido e absorve e reflete os fótons com polarizações erradas). (MARCELO MAZZAROPPI, 2007).
Quando a luz polarizada incide em um objeto, a luz refletida pode reter sua polarização ou o ângulo de polarização pode alterar. O último é típico para muitos objetos não metálicos. Sensores óticos que utilizam a luz polarizada para detectar objetos são eficazes em aplicações onde o feixe luminoso não é cortado, mas apenas levemente atenuado, como no caso da detecção de materiais transparentes.
3.1.7 Detectores de Movimento por Infravermelho
Os sensores infravermelhos são sensores passivos de movimento que operam na faixa ótica da radiação térmica e respondem ao calor irradiado entre o elemento sensor e o objeto em movimento. O princípio da detecção de movimento por calor é baseado na teoria da emissão de radiação eletromagnética de qualquer objeto cuja temperatura seja superior ao zero absoluto. (MARCELO MAZZAROPPI, 2007).
Existem três tipos de elementos sensores que podem ser utilizados neste tipo de detector: termistores, termopilhas e piroelétricos. Entretanto, devido a sua simplicidade, baixo custo e alta resposta, os piroelétricos são os mais utilizados.
Todo material piroelétrico é também piezoelétrico e gera uma carga elétrica em resposta a um fluxo de energia térmica pelo seu corpo uma vez que o calor absorvido causará a expansão do elemento sensor. A pressão térmica induzida leva a geração de carga piezoelétrica nos seus eletrodos, resultando assim em uma diferença de potencial.
3.2 CARACTERÍSTICAS IMPORTANTES DOS SENSORES
Serão apresentadas algumas características técnicas, que devem ser observadas para a correta escolha dos sensores a serem utilizados em cada etapa do processo.
3.2.1 Tipo de Material a Ser Detectado
Para a escolha do tipo de sensor a ser utilizado, é fundamental que conheçamos o material a ser detectado, ou a superfície que será analisada. Alguns sensores detectam exclusivamente materiais metálicos, uns apresentam problemas para detectar materiais transparentes, outros não apresentam bons resultados para a detecção de materiais com superfície reflexiva e assim por diante.
3.2.2 Distância Sensora
Segundo Marcelo Mazzaroppi (2007), a distância sensora nominal é a distância máxima teórica na qual um objeto pode ser detectado.
Para sensores indutivos e capacitivos, a distância sensora é determinada através da detecção de um alvo padrão, e não considera as variações causadas por desvios de fabricação, temperatura e tensão de operação. Esta é a distância na qual os sensores de proximidade são especificados.
Ainda para sensores indutivos e capacitivos, a distância sensora assegurada é a distância em que seguramente pode-se operar, considerando-se todas as variações ignoradas pela distância sensora nominal. Esta distância é sempre menor do que a distância sensora nominal, e o seu valor é especificado na folha de dados dos sensores.
3.2.3 Histerese
Para sensores de proximidade, a histerese é uma característica desejável, que auxilia no bom funcionamento do mesmo. (ALYSSON SEIDEL, 2010).
A histerese, também chamada de curso diferencial, é a distância linear entre os pontos de ativação e de desativação de um sensor de proximidade. A mesma é necessária para ajudar a evitar a oscilação da saída em sequência muito rápida, quando o sensor estiver sujeito a choques e vibração ou mesmo quando o objeto a ser detectado estiver posicionado exatamente no ponto de alcance nominal. A amplitude de vibração deve ser menor que a faixa de histerese para evitar oscilação.
3.2.4 Frequência de Comutação
A frequência de comutação é a máxima velocidade com a qual um sensor pode entregar pulsos individuais discretos quando o objeto a ser detectado entra e sai do campo de detecção. (MARCELO MAZZAROPPI, 2007). Existem normas internacionais que regulamentam como determinar esta frequência de comutação, como por exemplo, a norma IEC 60947-5-2.
3.2.5 Excitação
A excitação é o sinal elétrico necessário para a operação do sensor ativo. A excitação é especificada como um intervalo de tensão e/ou de corrente. Para alguns sensores, a frequência do sinal de excitação e sua estabilidade devem ser especificadas. As variações na excitação podem alterar a função de transferência do sensor e causar erros de saída.
3.2.6 Confiabilidade
A confiabilidade é a habilidade de um sensor de executar uma mesma função sob determinadas condições por um determinado período e é expressa em termos estatísticos como uma probabilidade de que o dispositivo funcionará sem falha sobre um determinado período ou ciclos de utilização. Especifica uma falha, provisória ou permanente, excedendo os limites de desempenho de um sensor sob circunstâncias de funcionamento normais.
3.2.7 Objetivo da Detecção
Para o correto funcionamento, os sensores utilizados nesse projeto, devem ter a capacidade de leitura para o reconhecimento de embalagens cartonadas, além de detectar a presença de canudo, em ambos os casos o tipo de material é plástico.
3.3 RESUMO COMPARATIVO ENTRE OS SENSORES
Frente aos detalhes relativos às aplicações dos sensores, diferenciando-os de acordo com suas especificações, é possível selecionar qual sensor se adapta melhor para as etapas do processo. No quadro 03 pode ser observado o comparativo entre os sensores.
Quadro 3: Comparativo entre os sensores
SENSOR TIPO DE MATERIAL DISTÂNCIA SENSORA FREQUENCIA DE
COMUTAÇÃO Chave fim de
curso Qualquer N.a. N.a.
Indutivo Metálico 60 mm 2000 Hz
Capacitivo Qualquer 60 mm 100 Hz
Ultrassônico Qualquer Até 20m 100 Hz
Fotoelétrico Restrições a materiais
transparentes Até 200m 2000 Hz
Ótico Qualquer Até 3m 2000 Hz
Infravermelho Qualquer Até 15m N.a.
Fonte: Adaptado do original (MAZZAROPPI, 2007)
De acordo com o quadro apresentado é possível observar que a maioria dos sensores se adaptam para a aplicação, onde o único sensor que impossibilita o uso é o sensor indutivo, devido ao tipo de material a ser detectado ser metálico.
Nos próximos capítulos serão descritos cada sensor utilizado, escolhidos a partir do quadro comparativo apresentado.
