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Tcc trabalho nõ atualizado

  1. 1. FACULDADES INTEGRADAS SÃO PAULO - FISP ENGENHARIA MECATRÔNICA GILMAR OLIVEIRA KLEBER MARTINS DE MOURA THIAGO IAMAZAKI BENATI DESENVOLVIMENTO DE UM PROTÓTIPO DE SISTEMA DE CONTROLE DE NÍVEL DE TANQUES INDUSTRIAIS SÃO PAULO 2012
  2. 2. GILMAR OLIVEIRA KLEBER MARTINS DE MOURA THIAGO IAMAZAKI BENATI DESENVOLVIMENTO DE UM PROTÓTIPO DE SISTEMA DE CONTROLE DE NÍVEL DE TANQUES INDUSTRIAIS SÃO PAULO 2012 Trabalho de Conclusão de Curso de Engenharia Mecatrônicada Faculdade Integrada de São Paulo, como requisito acadêmico para obtenção de Titulo de graduação em Engenharia Mecatrônica. Orientador: Alexandre Erdmann Silva
  3. 3. FACULDADES INTEGRADAS SÃO PAULO DESENVOLVIMENTO DE UM PROTÓTIPO DE SISTEMA DE CONTROLE DE NÍVEL DE TANQUES INDUSTRIAIS Autores: _____________________________________________ Gilmar Oliveira _____________________________________________ Kleber Martins de Moura _____________________________________________ Thiago IamazakiBenati Orientador _____________________________________________ Professor Alexandre Erdmann Silva São Paulo,15 de Novembro de 2012
  4. 4. DEDICATÓRIA Deus em primeiro lugar, fonte de toda criação, sustentação e domínio. Aos nossos pais, responsáveis pela formação do nosso caráter e idoneidade bem como a fundamentação de nossa educação.
  5. 5. AGRADECIMENTOS Nossos sinceros agradecimentos... ....A Deus, em primeiro lugar; ....Ao Professor Alexandre Erdmann Silva pela orientação, confiança, paciência e pelo esforço desprendido nesta jornada; ....Aos nossos familiares, que sempre nós motivaram e incentivaram com conselhos e bons exemplos. ....Aos colegas e professores da FISP que, todos diretamente ou indiretamente, ajudaram na realização deste trabalho.
  6. 6. EPÍGRAFE "Que os vossos esforços desafiem as impossibilidades, lembrai-vos de que as grandes coisas do homem foram conquistadas do que parecia impossível." Charles Chaplin
  7. 7. RESUMO Uma das bases do ensino em Engenharia é constituída pelos experimentos práticos, neles os alunos são capazes de aplicar na prática os conceitos aprendidos em sala de aula, observando assim as possíveis limitações destas técnicas em sistemas reais. O controle de nível de líquidos em processos industriais em muitos casos deve serum controle preciso e eficiente para ser um fator determinante para o sucesso produtivo. Além das indústrias, outros setores como o residencial e agropecuário, podem ser beneficiados com sistema que reduza os possíveis erros causados por um controle manual dos processos que envolvam líquidos. Partindo deste principio, o presente estudo aborda a criação de um protótipo de um sistema de controle de nível de tanques, o qual representa na prática o comportamento e a analise funcional de como a automaçãoindustrial atua nos processos industriais, sejauma indústria química, petroquímica, papel e celulose, de alimentos e bebidas, entre outras. Após o final do estudo percebemos que o protótipo desenvolvido, além de representar na prática a forma comoum sistema de controle de nívelestá presente no ambiente industrial, pode ser também utilizado como foco didático para auxiliar os alunos na compreensão da teoria da disciplina de Controle de Processos. Palavras Chave: Sistema de Controle de nível, Automação industrial, Processos Industriais.
  8. 8. ABSTRACT One of the foundationsofeducationinEngineeringconsistsofpracticalexperiments,studentsinthemareabl eto apply in practicethe concepts learnedin class, thusnotingthe possible limitationsof these techniquesin real systems. Thelevelcontrolofliquidsin industrial processesin many casesmustbeprecisecontrolandefficienttobe a determining factorforsuccessproductive. Apart fromindustries, othersectorsasresidential and agricultural,maybenefitsystemthatreducespossibleerrorscausedbymanualcontrolofprocesses involvingliquids.Based on thisprinciple, the present study addresses thecreationofaprototypeof a level system control of tanks, which isinpracticethe behavior andfunctionalanalysisofhowindustrialautomationoperatesinindustrial processes, is achemical, petrochemical, pulp and paper,food and beverage, among others. After theend of the studywe realized that theprototype developed, as well as representingpracticallyhowalevelsystemcontrolispresentin the industrial environment, canalsobeused as ateachingfocusto assist studentsin understanding thetheoryof the discipline ofProcess Control. Key-words: Simulator system Level, Industrial Automation, Industrial Processes.
  9. 9. LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Aplicação de sensores que geram sinais binários...............................................25 Tabela 2 - Dispositivos a dois fios de um transmissor com sinal e saída............................27 Tabela 3 - Dados técnicos....................................................................................................38 Tabela 4 - Dados técnicos ...................................................................................................38 Tabela 5 - Tabela com preços do protótipo.........................................................................59
  10. 10. LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Diagrama das áreas que fazem parte da automação..............................................8 Figura 2 - Representação de um modelo ...............................................................................9 Figura 3 - Modelagem por identificação do teste da resposta degrau....................................9 Figura 4 - Modelagem por identificação do teste da resposta em freqüência .....................10 Figura 5 - Modelagem por identificação Off-line................................................................10 Figura 6 - Modelagem por identificação On-line.................................................................11 Figura 7 - Controle em Malha aberta...................................................................................12 Figura 8 - Controle em Malha fechada.................................................................................13 Figura 9 - Tanques em série.................................................................................................14 Figura 10 - Tanques em cascata...........................................................................................14 Figura 11 - Trajetória do fluxo de líquido dentro da bomba................................................20 Figura 12 - Exemplo de sinal binário...................................................................................23 Figura 13 - Ligação de um sensor de contato seco NA a um CLP.......................................24 Figura 14 - Ligação de um sensor de corrente continua a uma carga..................................24 Figura 15 - Variação de um sinal no decorrer do tempo......................................................26 Figura 16 - Ligação de um transmissor com sinal de saída em tensão................................26 Figura 17 - Ligação a dois fios de um transmissor com sinal de saída................................27 Figura 18 - Funcionamento de uma chave fim de curso......................................................28 Figura 19 - Chave fim de curso............................................................................................28 Figura 20 - Campo eletromagnético em uma bobina...........................................................29 Figura 21- Sensor indutivo..................................................................................................29 Figura 22 - Potenciômetro de resistência angular................................................................30 Figura 23 - Potenciômetro de resistência linear...................................................................30 Figura 24 - Termopar...........................................................................................................31
  11. 11. Figura 25 - Funcionamento de um sensor ultra-sônico.......................................................32 Figura 26 - Sensor tipo bóia magnética...............................................................................32 Figura 27 - Sensor tipo bóia lateral......................................................................................33 Figura 28 - Sensor tipo bóia - pêra.......................................................................................33 Figura 29 - Sensor de nível condutivo..................................................................................34 Figura 30 - Sensor hidrostático............................................................................................35 Figura 31 - Sensor capacitivo...............................................................................................35 Figura 32 - Placa do Arduino...............................................................................................37 Figura 33 - Exemplo de programação no arduino................................................................39 Figura 34 - Programação no Matlab para arduino................................................................39 Figura 35 - Shield para motores...........................................................................................40 Figura 36 - Diagrama de blocos do Matlab..........................................................................42 Figura 37 - Programa no Matlab..........................................................................................43 Figura 38 - Modulo PWM no Arduino................................................................................44 Figura 39 - Sistema de controle de nível.............................................................................45 Figura 40 - Esquemas elétricos do teste da bomba..............................................................47 Figura 41 - Representação dos testes dos equipamentos.....................................................48 Figura 42 - Representação do teste do potenciômetro.........................................................50 Figura 43 - Esquema elétrico da montagem........................................................................51 Figura 44 - Moto-bomba......................................................................................................52 Figura 45 - Shield para controle das bombas DC................................................................53 Figura 46 - Fonte 12 V.........................................................................................................54 Figura 47 - Sensor de controle de nível................................................................................56 Figura 48 - Tanque...............................................................................................................57 Figura 49 - Arduino..............................................................................................................58
  12. 12. Figura 50 - Protótipo do 1º tanque......................................................................................60 Figura 51 - Protótipo 3D do 1º tanque................................................................................61
  13. 13. LISTA DE SÍMBOLOS CLP Controlador lógico programável TQ1 Tanque 1 TQ2 Tanque 2 B1 Bomba 1 B2 Bomba 2 B3 Bomba 3 S1 Sensor de nível 1 S2 Sensor de nível 2
  14. 14. SUMÁRIO Página 1. INTRODUÇÃO.................................................. Error! Bookmark not defined.  ASSUNTO...........................................................................................................4  TEMA..................................................................................................................4  PROBLEMA.......................................................................................................4  FORMULAÇÃO DA SITUAÇÃO PROBLEMA..........................................4  OBJETIVO ..........................................................................................................5  HIPOTESES ........................................................................................................5  JUSTIFICATIVA......................................................................................5  QUESTÃO PARA INVESTIGAÇÃO ................................................................6  PRESSUPOSTOS......................................................................................6  DELIMITAÇÕES......................................................................................6 2. REVISÃO BIBLIOGRAFICA ..........................................................................7 3. METODOLOGIA.......................................................................................... 10 4. CRONOGRAMA .......................................................................................... 21 5. DEFINIÇÃO DE TERMOS E ABREVIAÇÕES............................................... 22  CONSIDERAÇÕES FINAIS .......................................................................... 23  REFERÊNCIAS ............................................................................................ 24 6. ANEXO A .................................................................................................... 28 7. ANEXO B .................................................................................................... 29
  15. 15. 3 1. INTRODUÇÃO A necessidade de se controlar sistemas e processos físicos existe desde tempos remotos. O controle manual, primeira forma de controle utilizada pelo homem, e ainda presente em muitos processos, apresenta a necessidade de um operador humano que deve conhecer o sistema e ter razoável experiência e habilidade. Com o crescente aumento no grau de sofisticação das atividades humanas surgiu o interesse e a necessidade de automatizar ou semi-automatizardeterminados processos, isso foi possível a partir do desenvolvimento científico e tecnológico, que dentre osdiversos conhecimentos nos trouxe as teorias clássicas de controle. Contudo, com o avanço da tecnologia, os sistemas e processos ficaram ainda mais complexos, tornando ineficazou até mesmo impossível a utilização dos controladoresconvencionais obtidos a partir da teoria clássica. Issodesencadeou uma busca por novos métodos e estratégias decontrole tais como: os sistemas de controle. Recentemente, com o aumento de construções verticais, surge a necessidade do continuo bombeamento de água ou produtos para os recipientes. Em indústrias, a maior necessidade é para reposição de matéria-prima em reservatórios. A maioria destas aplicações de controle de nível de líquidos em tanques está, por exemplo, em indústrias de processamento de alimentos, bebidas, laticínios, filtração, tratamento de efluentes, e plantas de geração de energia nuclear, indústrias farmacêuticas. Atualmente, este serviço tem sido intermediado por componentes eletromecânicos, porém o grande problema desses componentes é que não se pode ter um controle mais rígido do processo.
  16. 16. 4 O controlador de nível passa o controle para o mundo digital, utilizando um Microcontrolador capaz de ler os sensores e atuar de acordo com a programação estabelecidae ainda podendo informar os dados obtidos. Com a elaboração deste protótipo demonstraremos o funcionamento do sistema de controle de nível de dois tanques utilizando o MicrocontroladorArduino e outros componentes para leitura e obtenção dos dados.
  17. 17. 5 1.1 Estrutura do trabalho Para permitir a visualização geral da estrutura deste trabalho, é feita a seguir uma descrição sucinta de cada capitulo. O capitulo 1 consiste em:  Introdução - Neste capitulo mostra um panorama geral da idéia do trabalho de conclusão de curso sobre desenvolvimento do protótipo de sistema de controle de nível de tanques industriais; O capitulo dois consiste em:  Objetivo - Neste capitulo aborda a idéia principal que desejamos alcançar com este trabalho de conclusão de curso. O capitulo três consiste em:  Desenvolvimento teórico do projeto - Neste capitulo são abordados todos os componentes que fazem parte do desenvolvimento do protótipo, desde sensores, bombas, microcontrolador e programação no Arduino e Matlab. O capitulo quatro consiste em:  Desenvolvimento do projeto - Neste capitulo são abordados os componentes que foram utilizados para a elaboração, desenvolvimento e montagem do protótipo de sistema de controle de nível de tanques industriais; O capitulo cinco consiste em  Conclusão - Neste capitulo é abordado as dificuldades encontradas para desenvolvimento do protótipo, além expor a idéia do que pode ser implementado neste protótipo.
  18. 18. 6 2. OBJETIVO O objetivo deste estudo é desenvolver um protótipo que poderá ser utilizado como uma ferramenta didática e dinâmica para o ensino da disciplina de Controle de Processo do curso de Engenharia Mecatrônica. Além de demonstrar na pratica o que ocorre no dia-a-dia das indústrias petroquímica, processamento de alimentos e bebidas, indústrias farmacêuticas, entre outras.
  19. 19. 7 3. DESENVOVIMENTO TEÓRICO DO PROJETO Neste capitulo será apresentado um breve descritivo sobre automação, teoria relacionada a modelagem de processo e os tipos de modelos, bombas industriais, sensores, Shields de motores, Arduino e programação no Matlab. 3.1- AUTOMAÇÃO É a capacidade de se executar comandos, obter medidas, regular parâmetros e controlar funções automaticamente, sem a intervenção humana. Automação também é sinônimo de integração, ou seja, da função mais simples a mais complexa, existem um ou mais sistemas que permitem que um dispositivo seja controlado de modo inteligente, tanto individualmente quanto em conjunto, visando alcançar um maior conforto, informação e segurança. Para isto, cada processo automatizado deve possuir sensor, controlador e atuador, sendo:  Sensor: responsável pela verificação do processo controlado;  Controlador: responsável em receber informações dos sensores e transmitir para os atuadores;  Atuador: responsável em executar a atividade com base nas decisões pré- programada pelo controlador. A automação está presente não apenas na indústria, mas também na área residencial conhecida como domótica, permitindo maior conforto e segurança ao ser humano, sejapor portões eletrônicos ou controle de acesso através de biometria, controle detemperatura e umidade de ambientes ou acionamento automático de equipamentose aparelhos em horário pré-determinado.(ROSÁRIO,2005)
  20. 20. 8 A automação é à junção das tecnologias representada na figura1: Figura 1 - Diagrama das áreas que fazem parte da automação Fonte: http://www.mecatronicaatual.com.br 3.2- MODELAGEM A resposta dinâmica de processo é a primeira consideração que deve ser feita naanálise, projeto e implementação de sistemas de controle. Um aspecto importante quedeve ser considerado é que as características de processos químicos e suas dinâmicasvariam de um processo para outro, como por exemplo, a resposta de uma malha decontrole de nível é bem diferente da resposta de uma malha de controle de vazão. Alémdisso, a resposta de temperatura de um trocador de calor é diferente da resposta de temperatura em um forno. Os modelos matemáticos serão desenvolvidos a partir de princípios básicos e apartir destes modelos serão obtidas as funções de transferência que revelam a respostado processo. A modelagem de processos industriais inicia-se com um balanço de quantidade demassa ou de energia.(GARCIA,2005)
  21. 21. 9 O modelo matemático final é uma forma do conhecimento da relação existente entre o sinal de entrada e a saída (Figura 2), caracterizada no processo físico pela função de transferência. Figura 2 - Representação de um modelo O modelo é a aproximação de um processo real do qual é possível verificar, analisar, testar e muitas vezes validar um processo que requer um controle de processos eficiente. A comparação elaborada pela função de transferência entre a resposta do sistema e sua entrada, basicamente, são os pontos primordiais dos modelos matemáticos para a criação dosistema; ou seja, sem essas informações torna-se impossível a elaboração destes modelos ou a obtenção de qualquer resposta de um sistema.(OGATA,2010) Análises para obtenção dos processos para a criação do modelo Identificação pelo teste de resposta degrau: Esse processo consiste de armazenamento da mudança da entrada do tipo degrau por um registrador, conforme mostra a Figura 3. Com validade somente para processos lineares e não lineares de primeira e segunda ordem, é possível aplicar diversas técnicas gráficas, numéricas ou computacionais a partir de sua curva de resposta do processo controlado por funções de transferência. Pela pobre composição em frequência, o teste de resposta do degrau não permite a estimação de modelos de ordem superiores. (COELHO & COELHO, 2004)
  22. 22. 10 Figura 3- Modelagem por Identificação do Teste da Resposta Degrau (COELHO & COELHO,2004) Identificação pelo teste da resposta em freqüência: Consiste no processo com sinal de entrada senoidal onde com as curvas de fase e magnitude é possível identificar as freqüências de corte (analisando a influência dos zeros e pólos) e a função de transferência estimada correspondente, conforme mostrado na Figura 4: (COELHO & COELHO, 2004) Figura 4 - Modelagem por Identificação do Teste da Resposta em Freqüência. (COELHO & COELHO,2004) Identificação off-line: Consiste no armazenamento da resposta do sistema para análise posterior em disco, fita magnética ou fita de papel, como mostrado na Figura 5. Para isso, é necessário que a estrutura do modelo seja adequada para a ordem do modelo, número de polos e zeros e, eventualmente, o valor de atraso de transporte ou tempo morto. O termo off-line dá- se origem pelo fato de a análise da resposta do sistema ser feita após o cálculo de parâmetros do modelo ao invés da análise simultânea. Para esse tipo de abordagem, utilizam-se na prática modelos discretos para os processos. Isso se justifica pelo fato de que os algoritmos de
  23. 23. 11 identificação trabalham com os valores de amostras dos sinais de entrada e saída. (COELHO & COELHO, 2004) Figura 5 - Modelagem por Identificação Off-line. (COELHO & COELHO,2004) Identificação On-line: A identificação off-line tem como desvantagem de implementação a quantidade de memória necessária para armazenamento das respostas do sistema dependendo do tamanho do mesmo, diferente da identificação on-line que consiste o uso de um computador para o processamento dos dados de saída de seu sistema (como utilizado neste trabalho); ou seja, a identificação on-line trata-se de um procedimento interativo via computador. Muitas vezes, é necessário o uso de ferramentas que possibilitam métodos para a utilização de pouca memória e que te deem o poder para a atualização estimada dos parâmetros do modelo a cada período de amostragem. Em diversas aplicações as medidas dos processos são obtidas sequencialmente (a cada período de amostragem) e processados pelo computador (on-line), conforme mostrado na Figura 6, em algoritmos de estimação recursivos. A aplicação em tempo real dos algoritmos deidentificação é interessante para vários propósitos, entre os quais rastreamento de parâmetros que variam com o tempo, detecção, diagnósticos, filtragens, controle adaptativo/preditivo, redes neurais e tratamento específico de dados. (COELHO & COELHO, 2004)
  24. 24. 12 Figura 6- Modelagem por Identificação On-line. (COELHO & COELHO,2004) Este trabalho utiliza a teoria de Controle Clássico, que consiste em modelos de Sistemas de Controle de Malha Aberta e Sistemas de Controle de Malha Fechada. Controle em Malha Aberta O controle em malha aberta consiste em aplicar um sinal de controle pré-determinado, esperando-se que ao final de um determinado tempo a variável controlada atinja um determinado valor ou apresente um determinado comportamento. (SILVA, Controle em Malha Aberta, 2000) Neste tipo de sistema de controle não são utilizadas informações sobre evolução do processo para determinar o sinal de controle a ser aplicado em um determinado instante. Mais especificamente, o sinal de controle não é calculado a partir de uma medição do sinal de saída (Figura 7). Figura 7- Controle em malha aberta. Fonte: http://www.ece.ufrgs.br
  25. 25. 13 Controle em Malha Fechada No controle em malha fechada, informações sobre como a saída de controle está evoluindo são utilizadas para determinar o sinal de controle que deve ser aplicado ao processo em um instante específico. Isto é feito a partir de uma realimentação da saída para a entrada. Em geral, a fim de tornar o sistema mais preciso e de fazer com que ele reaja a perturbações externas, o sinal de saída é comparado com um sinal de referência (chamado no jargão industrial de set-point) e o desvio (erro) entre estes dois sinais são utilizados para determinar o sinal de controle que deve efetivamente ser aplicado ao processo. Assim, o sinal de controle é determinado de forma a corrigir este desvio entre a saída e o sinal de referência. O dispositivo que utiliza o sinal de erro para determinar ou calcular o sinal de controle a ser aplicado à planta é chamado de controlador ou compensador. O diagrama básico de um sistema de controle em malha-fechada é mostrado na figura 8. (SILVA, Controle em Malha Aberta, 2000) Figura 8- Controle em malha fechada. Fonte: http://www.ece.ufrgs.br Modelo de Sistema de Nível Qualquer processo que envolva o tratamento de fluido, seja ele de qualquer tipo ou de qualquer modo, irá se deparar, em algum momento do processo, em análise de nível. “Processos industriais envolvem, freqüentemente, o fluxo de líquidos ao longo de tubos de conexão e de reservatórios.” (OGATA, 2010)
  26. 26. 14 “Os sistemas de nível de líquidos, são freqüentemente utilizados nos processos de controle em geral.” (CALDEIRA, BATISTA, & SANTOS, 2012) Sistemas Interativos Segundo Smith &Corripio (2008); sistemas interativos são mais freqüentemente encontrados na indústria do que os sistemas não-interativos. Relacionado a processo de nível interativo, os reservatórios são posicionados em série, conforme mostrado na Figura 9:(APUD ANTUNES,2012) Figura 9 - Tanques em série. Sistemas Não-Interativos De acordo com Smith &Corripio (2008); sistemas não interativos são os processos de ordem superior que, relacionando ao processo de nível, os reservatórios são posicionados em cascata, conforme mostrado na Figura 10:.” (APUD ANTUNES, 2012)
  27. 27. 15 Figura 10- Tanques em cascata 3.3- BOMBAS INDUSTRIAIS As bombas são equipamento nas quais a movimentação do líquido é produzida por forças que se desenvolvem na massa líquida. Os líquidos usados nas indústrias químicas diferem consideravelmente em propriedades físicas e químicas e foi necessário criar uma grande variedade de equipamentos de bombeamento. A escolha de uma bomba para uma determinada operação é influenciada pelos seguintes fatores: – A quantidade de líquido a transportar. – A carga contra a qual há que bombear o líquido. – A natureza do líquido a bombear.
  28. 28. 16 – A natureza da fonte de energia. – Se a bomba é utilizada apenas intermitente. Deve-se ponderar o custo e a eficiência mecânica da bomba e pode ser vantajoso escolher uma bomba barata e pagar maiores custos de substituição e manutenção do que instalar uma bomba muito cara de alta eficiência. (RODRIGUES,1977) As bombas industriais possuem vários tipos, entre eles podemos citar: a) Bombas de Deslocamento Positivo – o volume de líquido remetido está diretamente relacionado com o deslocamento do elemento pistão e, portanto, aumenta diretamente com a velocidade e não é sensivelmente afetado pela pressão. São usadas para bombeamento contra altas pressões e quando requerem vazões de saída quase constantes. As bombas de deslocamento positivo se dividem em dois tipos: – Alternativas – A taxa de fornecimento do líquido é uma função do volume varrido pelo pistão no cilindro e do número de golpes do pistão.(RODRIGUES,1977) – Rotativa – O rotor da bomba provoca uma pressão reduzida do lado da entrada, o que possibilita a admissão do líquido à bomba, pelo efeito da pressão externa. À medida que o elemento gira o líquido fica retido entre os componentes do rotor e a carcaça da bomba, depois de uma determinada rotação, o líquido é ejetado pelo lado da descarga da bomba.(RODRIGUES,1977) b) Bombas Centrífugas - são aquelas em que a energia fornecida ao líquido é primordialmente do tipo cinética, sendo posteriormente convertida em grande parte em energia de pressão. Nas bombas centrífugas a movimentação do líquido é produzida por forças desenvolvidas na massa líquida de um rotor. Estas bombas caracterizam-se por operarem com altas vazões, pressões moderadas e fluxo contínuo. As bombas centrífugas se dividem em dois tipos:
  29. 29. 17 – Radias – São bombas onde a energia cinética é originadaunicamente pelo desenvolvimento de forças centrífugas na massa líquidadevido á rotação de uma hélice ou impelidordecaracterísticas especiais.(RODRIGUES,1977) – Francis – Possuem uma hélice com palhetas e curvaturas em dois planos. c) Bomba Diafragma – Depende do movimento de um diafragma para conseguir pulsação. São usadas para suspensões abrasivas e líquidos muito viscosos. . d) Bomba A Jato – Usam o movimento de uma corrente de fluido a alta velocidade para imprimir movimento a outra corrente, misturando as duas. . e) Bomba Eletromagnética – Princípio igual ao motor de indução usada com líquidos de alta condutividade elétrica (metais líquidos) não tem partes mecânicas móveis. (RODRIGUES,1977) Em nosso estudo iremos nos deter apenas as bombas centrífugas, devido a sua grande aplicabilidade na indústria. 3.3.1- BOMBAS CENTRÍFUGAS Bombas são equipamentos que conferem energia de pressão aos líquidos com a finalidade de transportá-los de um ponto para outro. Nas bombas centrífugas, a movimentação do líquido é produzida por forças desenvolvidas na massa líquida pela rotação de um rotor. Este rotor é essencialmente um conjunto de palhetas ou de pás que impulsionam o líquido.(LOPES,2010) O rotor pode ser aberto, fechado ou semi-aberto. A escolha do tipo de rotor depende das características do bombeamento. Para fluidos muito viscosos ou sujos usam-se,
  30. 30. 18 preferencialmente, os rotores abertos ou semi-abertos. Nestes casos, os rotores fechados não são recomendados devido ao risco de obstrução.(LOPES,2010) Para uma bomba centrífuga funcionar é preciso que a carcaça esteja completamente cheia de líquido que, recebendo através das pás o movimento de rotação das hélices, fica sujeito à força centrífuga que faz com que o líquido se desloque para a periferia do rotor causando uma baixa pressão no centro o que faz com que mais líquido seja admitido na bomba. O fluido a alta velocidade (energia cinética elevada) é lançado para a periferia do hélice onde o aumento progressivo da área de escoamento faz com que a velocidade diminua, transformando energia cinética em energia de pressão.(LOPES,2010) As bombas centrífugas caracterizam-se por operarem com vazões elevadas, pressões moderadas e fluxo contínuo. Os principais requisitos para que uma bomba centrífuga tenha um desempenho satisfatório, sem apresentar nenhum problema, são: – Instalação correta, – Manutenção adequada Mesmo tomando todos os cuidados com a operação e manutenção, os operadores freqüentemente enfrentam problemas de falhas no sistema de bombeamento. Uma das condições mais comuns que obrigam a substituição de uma bomba no processo, é a inabilidade para produzir a vazão ou a carga desejada. Existem muitas outras condições nas quais uma bomba, apesar de não sofrer nenhuma perda de fluxo, ou carga, é considerada defeituosa e deve ser retirada de operação o mais cedo possível. As causas mais comuns são: – Problemas de vedação (vazamentos, perda de jato, refrigeração deficiente, etc.) – Problemas relacionados a partes da bomba ou do motor:
  31. 31. 19  Perda de lubrificação  Refrigeração  Contaminação por óleo  Ruído anormal, etc. – Vazamentos na carcaça da bomba – Níveis de ruído e vibração muito altos – Problemas relacionados ao mecanismo motriz (turbina ou motor) Qualquer operador que deseje proteger suas bombas de falhas freqüentes, além de um bom entendimento do processo, também deverá ter um bom conhecimento da mecânica das bombas. A prevenção efetiva requer a habilidade para observar mudanças no desempenho, com o passar do tempo, e no caso de uma falha, a capacidade para investigar a sua causa e adotar medidas para impedir que o problema volte a acontecer. (LOPES,2010) Em geral, há principalmente três tipos de problemas com as bombas centrífugas: – Erros de projeto. – Má operação. – Práticas de manutenção ineficientes. 3.3.2 - Princípios de Funcionamento Uma bomba centrífuga é, na maioria das vezes, o equipamento mais simples em qualquer planta de processo. Seu propósito, é converter a energia de uma fonte motriz principal (um motor elétrico ou turbina), a princípio, em velocidade ou energia cinética, e então, em energia de pressão do fluido que está sendo bombeado. As transformações de energia acontecem em virtude de duas partes principais da bomba: o impulsor e a voluta, ou difusor. (LOPES,2010)
  32. 32. 20 – O impulsor é a parte giratória que converte a energia do motor em energia cinética. – A voluta ou difusor, é a parte estacionária que converte a energia cinética em energia de pressão. Observação: Todas as formas de energia envolvidas em um sistema de fluxo de líquido são expressas em termos de altura de coluna do líquido, isto é, carga. 3.3.3- Geração da Força Centrífuga O líquido entra no bocal de sucção e, logo em seguida, no centro de um dispositivo rotativo conhecido como impulsor. Quando o impulsor gira, ele imprime uma rotação ao líquido situado nas cavidades entre as palhetas externas, proporcionando-lhe uma aceleração centrífuga. Cria-se uma área de baixa-pressão no olho do impulsor causando mais fluxo de líquido através da entrada, como folhas líquidas. Como as lâminas do impulsor são curvas, o fluido é impulsionado nas direções radial e tangencial pela força centrífuga. (LOPES,2010) Fazendo uma analogia para melhor compreensão, esta força que age dentro da bomba é a mesma que mantém a água dentro de um balde, girando na extremidade de um fio. A figura 11, abaixo, mostra um corte lateral de uma bomba centrífuga indicando o movimento do líquido.
  33. 33. 21 Figura11 - Trajetória do fluxo de líquido dentro de uma bomba centrífuga Fonte:http://www.schneider.ind.br/ 3.3.4 - Conversão da Energia Cinética em Energia de Pressão A energia criada pela força centrífuga é energia cinética. A quantidade de energia fornecida ao líquido é proporcional à velocidade na extremidade, ou periferia, da hélice do impulsor. Quanto mais rápido o impulsor move-se, ou quanto maior é o impulsor, maior será a velocidade do líquido na hélice, e tanto maior será a energia fornecida ao líquido. Esta energia cinética do líquido, ganha no impulsor, tende a diminuir pelas resistências que se opõem ao fluxo. A primeira resistência é criada pela carcaça da bomba, que reduz a velocidade do líquido. No bocal de descarga, o líquido sofre desaceleração e sua velocidade é convertida a pressão, de acordo com o princípio de Bernoulli. Então, a carga desenvolvida (pressão, em termos de altura de líquido) é aproximadamente igual à energia de velocidade na periferia do impulsor.(LOPES,2010) Esta carga pode ser calculada por leitura nos medidores de pressão, presos às linhas de sucção e de descarga. As curvas das bombas relacionam a vazão e a pressão (carga)
  34. 34. 22 desenvolvida pela bomba, para diferentes tamanhos de impulsor e velocidades de rotação. A operação da bomba centrífuga deveria estar sempre em conformidade com a curva da bomba fornecida pelo fabricante. (LOPES,2010) Observação: Um fato deve ser sempre lembrado: uma bomba não cria pressão, ela só fornece fluxo. A pressão é justamente uma indicação da quantidade de resistência ao escoamento. 3.4- SENSORES Nas plantas automatizadas os sensores são elementos muito importantes. Emnossavida cotidiana, os sensores estão presentes em várias situações, ainda que muitasvezes não nos damos conta. Vamos analisar, por exemplo, o funcionamento de umtermômetro. Ele indica a temperatura do nosso corpo através do mercúrio, umasubstância que se expande com o aumento da temperatura. Então, podemos dizer queo mercúrio é o sensor da temperatura do corpo.(ALBUQUERQUE,2006) Quando subimos numa balança analógica e observamos nosso peso, por exemplo,estamos diante de um processo que faz uso de um sensor. A balança indica nosso pesoou massa porque uma mola sofre uma deformação mecânica proporcional a ele. Ainformação da deformação é transformada (mecanicamente) e faz girar o ponteiro dabalança.(ALBUQUERQUE,2006) Há outros inúmeros exemplos do uso de sensores como o velocímetro de umautomóvel que indica a velocidade de deslocamento porque existe um sensor que é capaz de medir a velocidade das rodas. Ou então, a porta de uma geladeira que ao seraberta acende a luz, porque há um sensor que indica que ela foi aberta. O sensor percebeuma determinada grandeza física/química e a transmitepara um indicador (termômetro, ponteiro do velocímetro, ponteiro da balança, etc.) e,em muitos casos,
  35. 35. 23 também para um controlador. Na transmissão de uma grandezafísica/química há uma transformação de sinal. A deformação da mola pelo pesotransforma-se no acionamento do ponteiro da balança, por exemplo. Sensoré, então, um dispositivo capaz de monitorar a variação de uma grandeza física etransmitir esta informação a um sistema em que a indicação seja inteligível para nósou para o elemento de controle do sistema. No caso do automóvel, por exemplo, oelemento que controla o sistema é o motorista; no caso da geladeira é uma ligaçãoelétrica que determina se a lâmpada deve ser acesa.(Albuquerque,2006) Todos os dispositivos sensores são compostos por elementos denominadostransdutores, pois são capazes de transformar um tipo de energia em outro. A maiorparte dos sensores é constituída por transdutores que convertem uma grandeza deentrada em uma grandeza elétrica, que pode ser processada por um circuito elétrico ou eletrônico. 3.4.1 - Características e Tipos de Sinais Os sensores podem ser classificados segundo o tipo de sinal que transformam. Um sinal é uma informação na forma de um valor (ou de uma curva de valores) de uma grandeza física [DIN 19226]. Há diferentes representações para os diversos tipos de sinais, da mesma maneira que há diversas representações para uma grandeza física. Sinal Digital: O sinal digital binário só pode assumir dois valores(figura12). Estes valores são associados a estados que podem indicar, por exemplo, se uma pressão está acima ouabaixo de uma determinada referência. O valor zero é geralmente utilizado paraindicar estados como “falso”, “aberto”, “desligado” ou “abaixo da referência”, enquanto o valor 1 pode indicar estados como “verdadeiro”, “fechado”, “ligado” ou “acimada referência”.(SENAI,2007)
  36. 36. 24 Figura 12: Exemplo de sinal binário Fonte: http://www.mecatronicaatual.com.br Saída de Contato Seco:saída representada por dois terminais queocasionalmente são “curto circuitados” por um evento, possibilitando a passagemde um determinado sinal. Podem ser encontrados nos formatos NormalmenteAberto(NA), onde os contatos inicialmente encontram-se desconectados e são acionadospor um evento qualquer (chegada ao fim de curso de um pistão, abertura ou fechamento de uma porta, etc.) ou Normal Fechado (NF), onde os terminais encontram-se conectados e são separados por alguma questão de programação durante o processo (figura13).(SENAI,2007) Figura 13: Ligação de um sensor de contato seco NA a um CLP Fonte: http://www.mecatronicaatual.com.br
  37. 37. 25 Saída de Corrente Contínua: os sensores com saída de corrente contínua sãoalimentados por uma fonte. Possui na saída um transistor que tem como funçãochavear (ligar e desligar) a carga conectada ao sensor. Existem ainda dois tipos detransistores de saída, um que conecta o terminal positivo da fonte de alimentação,conhecido como PNP; e o tipo que conecta o negativo da fonte, conhecido comoNPN (Figura 14) e (Tabela 1).(SENAI,2007) Figura 14: Ligação de um sensor de corrente continua a uma carga Fonte: http://www.mecatronicaatual.com.br Tabela 1: Aplicação de sensores que geram sinais binários Fonte: http://www.mecatronicaatual.com.br
  38. 38. 26 Sinal Analógico: Um sinal analógico é um sinal contínuo que representa a evolução de uma grandeza,de uma variável e que apresenta infinitos valores mesmo que estes valores estejamem uma faixa determinada. Vamos nos imaginar medindo o nível de um reservatório eque este nível pode variar de 0 a 10 metros de altura. Há infinitos valores de nívelnesta faixa e um sinal analógico, por ser contínuo, pode representar todos estesvalores. Por exemplo, o nível do reservatório pode ser de 2 metros, de 3,5 metros, de9,75 metros, ou seja, qualquer valor entre 0 e 10 metros.(SENAI,2007) Os sensores de nível (como os ultra-sônicos, por exemplo) são instrumentos quemedem uma variável analógica (nível) e que geram um sinal correspondente a estavariável em uma outra grandeza (em geral sinais de tensão ou corrente dentro defaixas padrões preestabelecidas) que possa ser interpretada por equipamentos deautomação industrial como os CLPs ou Microcontroladores, por exemplo.(Figura15) (SENAI,2007) Figura 15: Variação de um sinal no decorrer do tempo Fonte: http://www.mecatronicaatual.com.br Saída em tensão: o sensor encaminha níveis de tensão equivalentes ao valorda variável que está sendo medida a um dispositivo que fará a aquisição destesinal.(figura 16)
  39. 39. 27 Figura 16: Ligação de um transmissor com sinal de saída em tensão a entrada analógica de um CLP. Fonte: http://www.mecatronicaatual.com.br Saída em corrente: o transmissor encaminha variações de corrente equivalentesao valor da variável que está sendo medida, a um dispositivo que fará a aquisiçãodestesinal.(figura 17) e (Tabela 2)(SENAI,2007) Figura 17: Ligação a dois fios de um transmissor com sinal de saída em corrente. Fonte: http://www.mecatronicaatual.com.br Tabela 2: Dispositivos que geram sinais analógicos. Fonte: http://www.mecatronicaatual.com.br
  40. 40. 28 3.4.2 - Tipos de sensores Sensores Digitais: Os sensores apresentados a seguir medem variáveis digitais,ou seja, que só podem assumir dois valores. Detector por Contato (micro-chave ou sensor de fim de curso): o tipo de sensor utilizado na porta da geladeira para acender e apagar a lâmpada é um detector de contato. Os detectores de contato mais comuns são as micro-chaves.(figura 18)(SENAI,2007) Figura 18: Funcionamento de uma chave fim de curso. Fonte: Apostila Senai As micro chaves indicam somente dois estados (ligado ou desligado, aberto ou fechado,etc.). Na indústria, este tipo de sensor pode ser usado para indicar se um cilindropneumáticoatingiu ou não a posição desejada; pode ser usado também para indicar onúmero de peças que passam por uma esteira. A chave é acionada a cada vez queuma peça passa e então envia um sinal para um contador ou para uma entrada digitalde um CLP, que irá contar as peças. (figura 19)(SENAI,2007)
  41. 41. 29 Figura 19: Chave fim de curso Fonte: Apostila Senai Sensor Indutivo: um sensor indutivo é usado para detectar a presença de objetosmetálicos. O seu funcionamento é baseado, de acordo com sua característica física,no princípio da variação da indutância eletromagnética.(figuras 20 e 21)(SENAI,2007) Figura 20: Campo eletromagnético em uma bobina Fonte: Apostila Senai
  42. 42. 30 Figura 21: Sensor Indutivo Fonte: Apostila Senai Sensores Analógicos: Os sensores apresentados a seguir medem variáveis analógicas, ou seja, que podem representar quaisquer valores dentro de faixas contínuas pré-estabelecidas. Potenciômetro de Resistência: os potenciômetros de resistência são sensoresque medem deslocamentos lineares ou angulares de acordo com a variação daresistência elétrica de um resistor. Os potenciômetros podem ser angulares oulineares.(figuras 22 e 23)(SENAI,2007) Figura 22: Potenciômetro de Resistência angular Fonte: Apostila Senai
  43. 43. 31 Figura 23: Potenciômetro de Resistência linear Fonte: Apostila Senai Sensor de Temperatura: para uma medição contínua de uma faixa detemperatura é preciso utilizar elementos transdutores que transformem estainformação em um outro sinal correspondente, tipicamente sinais de tensão de pequena amplitude ou variações de resistência. Os principaissensores deste tipo são o termopar e o termorresistor.(figura 24)(SENAI,2007) Figura 24: Termopar Fonte: Apostila Senai Sensor ultra-sônico: ultra-som é um sensor eletrostático que emite impulsosperiodicamente e capta seus ecos resultantes do choque das emissões com objetossituados no seu campo de ação. A distância do objeto é calculada por meio dotempo de
  44. 44. 32 atraso do eco em relação ao momento da emissão do sinal. Estainformação é convertida para uma faixa de sinal elétrico, como uma faixa decorrente de 4miliamperes a 20 miliamperes, por exemplo, e enviada a umdispositivo que irá ler este sinal. Este tipo de sensor é utilizado com bastanteeficácia em sistemas de medição de nível em reservatórios.(SENAI,2007) Com um princípio semelhante existe ainda o medidor do tipo radar que também medea distância de um determinado objeto através da reflexão de ondas, porém este últimotrabalha com ondas eletromagnéticas ao invés de ondas mecânicas como as do ultrassom. As aplicações na medição de nível com estes dois sensores diferem de acordocom o tipo de fluido de processo que se utiliza ou se há formação ou não de espumana superfície entre outros fatores (figura 25).(SENAI,2007) Figura 25: Funcionamento de um sensor ultra-sônico. Fonte: Apostila Senai Sensor de nível Bóia Magnética. Instrumentos para medição e controle/detecção de nível de líquido em tanques ou reservatórios conforme figura 26 contendo materiais como:
  45. 45. 33 - água, - produtos químicos - alimentícios - combustíveis - inflamáveis Figura 26: sensor tipo boia-magnética Fonte: Apostila Senai Sensor de nível tipo Bóia Lateral São instrumentos utilizados no controle e detecção de nível de líquidos em tanques ou reservatórios que requerem posição de montagem lateral, seja por: - falta de espaço - devido ao tanque ser muito alto. Figura 27: sensor tipo boia-lateral Fonte: Apostila Senai
  46. 46. 34 Sensor de nível tipo BóiaPêra Representam os mais simples instrumentos para o controle e detecção de nível de líquidos. Aliam baixo custo e grande facilidade de instalação. Seu micro-contato não utiliza mercúrio e o diferencial pode ser ajustado através de um pequeno contrapeso. (SENAI,2007) Figura 28: sensor tipo bóia-pêra Fonte: Apostila Senai Sensor de nível Condutivo Desenvolvidos para aplicações que envolvem o controle/detecção de nível de líquidos condutivos em: - tanques, - reservatórios, - poços profundos, - ou locais remotos Figura 29: sensor de nível condutivo Fonte: Apostila Senai
  47. 47. 35 Sensor de nível Hidrostático Utilizados em aplicações onde é necessário monitorar o nível de líquido continuamente: - tanques, - reservatórios - ou poços artesianos. Figura 30: Sensor hidrostático Fonte: Apostila Senai Sensor de nível Capacitivo Desenvolvidos para a medição e controle/detecção de nível, Não apresentam partes móveis e devido ao seu princípio de operação (RHF/capacitância), são extremamente versáteis, podendo ser utilizados com os mais variados produtos: - líquidos condutivos ou não, - materiais granulados, - pós, - polpas, - entre outros.
  48. 48. 36 Figura 31: Sensor Capacitivo Fonte: Apostila Senai 3.5- ARDUINO O Arduino é um projeto totalmente abertode protótipos de eletrônica baseados numaplataforma de hardware e software flexível e defácil utilização. É destinado a artistas, designers, engenheirose qualquer tipo de pessoainteressada em criar objetos ou ambientesinterativos. É um projeto que engloba software ehardware e tem como objetivo fornecer umaplataforma fácil para prototipação de projetosinterativos, utilizando um microcontrolador. Elefaz parte do que chamamos de computaçãofísica: área da computação em que o softwareinterage diretamente com o hardware, tornandopossível integração com sensores, motores eoutros dispositivos eletrônicos.OArduino pode perceber o ambiente porreceber informação de uma grande variedade desensores, e pode estimular o ambiente controlando luzes,motores, e outros atuadores. A parte de hardware do projeto, umaplaca que cabe na palma da mão, é umcomputador como qualquer outro: possuimicroprocessador, memória RAM, memória flash(para guardar o software), temporizadores,contadores, dentre outras funcionalidades.(McRoberts,2011) Atualmente, o projeto está na versão Uno conforme figura 32, porémmuitosArduinos encontrados hoje são da versãoDuemilanove (2009, em italiano), que possui umclock de 16
  49. 49. 37 MHz, 2 Kb de memória RAM, 32 Kbde memória flash, 14 portas digitais e 6 entradasanalógicas.(McRoberts,2011) O microcontrolador em que se baseia(ATMEL) é programável usando a linguagemArduino (baseada em C/C++), e também aceitacódigo diretamente em C/C++, bem como oambiente do Arduino que é baseado emProcessing.Normalmente, é necessário construir oscircuitos para as entradas e saídas do Arduino, oque permite flexibilidade e uma grande variedadede soluções para um mesmo problema. Muitos projetos para Arduino estão disponíveis na internet facilitando o aprendizado e a troca deinformações entre os construtores.Os projetos em Arduino podem ser únicosou podem comunicar com outros circuitos, ou atémesmo com outros softwares em umcomputador (por exemplo, Java,Flash,Processing, MaxMSP).(McRoberts,2011) VISÃO GERAL - CARACTERÍSTICAS Figura 32: Placa do Arduino Fonte: http://www.arduino.cc
  50. 50. 38 O Arduino é uma placamicrocontroladora baseada em ATmega1280. Possui 54 pinos digitais deentrada/saída (dos quais 14 podem serutilizados como saídas PWM), 16 entradasanalógicas, 4UARTs (portas seriais dehardware), um cristal com oscilação de 16 MHz, uma conexão USB, uma entrada para fonteexterna, um ICSP header, e um botão dereinício, conforme tabela 3 e tabela 4. Contém todos os elementos necessários para suportar o microcontrolador;bastando conectar a placa a um computadoratravés de um cabo USB ou a uma fonteexterna com um adaptador AC/DC ou bateria para iniciar.(McRoberts,2011) Tabela 3: Dados técnicos Fonte: http://www.arduino.cc Tabela 4: Dados técnicos Fonte: http://www.arduino.cc
  51. 51. 39 3.5.1 - Programação Os programas para o Arduino são implementados tendo como referencia a linguagem C++. Preservando sua sintaxe clássica na declaração de variáveis, nos operadores, nos ponteiros, nos vetores, nas estruturas e em muitas outras características da linguagem. Com isso temos as referencias da linguagem, essas podem ser divididas em três partes principais: As estruturas de referencias são:  Estruturas de controle (if, else, break, ...)  Sintaxe básica (define, include, ; , ...)  Operadores aritméticos e de comparação (+, -, =, ==, !=, ...)  Operadores booleanos (, jj, !)  Acesso a ponteiros (*, )  Operadores compostos (++, {, +=, ...)  Operadores de bits (j, ; ; :::)  Os valores de referencias são:  Tipos de dados(byte, array, int , char , ...)  Conversões(char(), byte(), int(), ...)  Variável de escopo e de qualificação (variable scope, static, volatile,)  Utilitários (size of(), diz o tamanho da variável em bytes) É bom citar que o software que vem no Arduino já provem varias funções e constantes para facilitar a programação.  setup()  loop()  Constantes (HIGH , LOW , INPUT ,OUTPUT , ...)
  52. 52. 40  Bibliotecas (Serial, Servo, Tone, etc.) O Arduino pode ser programado com o software Arduino conforme (figura 33 e 34). Figura 33: exemplo de programação no arduino Fonte: http://www.arduino.cc Figura 34: exemplo de programação no Matlab para arduino Fonte: http://www.mathwork.com 3.5.2 - Shields para motores O 4power é um shield para Arduino que pode controlar até 4 motores de corrente contínua e uma carga resistiva conforme figura 35. Para usá-lo basta conectar uma fonte de alimentação de até 46V (até 4A), ligando nos terminais Vcc e GND. A placa possui indicação
  53. 53. 41 de positivo e negativo para cada motor, que podem puxar até 1A, na tensão máxima de alimentação da fonte (Vcc), mas que pode variar por PWM. A carga resistiva extra pode puxar até 30A em 60V. Figura 35: shield para motores Fonte: http://www.arduino.cc Exemplo de programação #include <S4power.h> S4Power s4power; void setup() { s4power.Config(); } void loop() { for ( int count = -20; count < 20; count++ ) { s4power.M1.speed = count; s4power.M2.speed = count; s4power.M3.speed = count; s4power.M4.speed = count; s4power.M1.Update(); s4power.M2.Update(); s4power.M3.Update(); s4power.M4.Update(); s4power.light.intensity = count; s4power.light.Update(); delay (100); } }
  54. 54. 42 3.6- MATLAB & SIMULINK O MATLAB (abreviatura de Matrix Laboratory) é um programa paradesenvolvimento e implementação de algoritmos numéricos ou simbólicos que ofereceao usuário um ambiente interativo de programação para estudo e pesquisa nasdiversas áreas das ciências exatas.:(CHAPMAN, Stephen J., 2011) Esse sistema comporta os recursos de linguagemdeprogramaçãoassemelhados aos do FORTRAN, ANSI C e do Pascal, além de capacidade gráfica e apossibilidade de operar com instruções simbólicas. Um dos aspectos mais poderosos éo fato da linguagem MATLAB permitir construir suas próprias ferramentas reutilizáveis. (CHAPMAN, Stephen J., 2011) Isto é feito através da escrita de suas próprias funções e programas especiais conhecidos como arquivos.m.A primeira versão do MATLAB foi escrita nas Universidades do Novo México eStanford, na década de 1970, e destinava-se a cursos de teoria matricial, álgebra lineare análise numérica. Os pacotes para manipulação de sub-rotinas em FORTRAN, denominados LINPACK e EISPACK, foram os precursores do MATLAB. (CHAPMAN, Stephen J., 2011) O MATLAB tem evoluído continuamente, com a contribuição e sugestões de inúmeros usuários. No meio universitário, o MATLAB tornou-se quase que umaferramenta padrão em cursos introdutórios e avançados de Álgebra Aplicada,Processamento de Sinais, Sistemas de Controle, Estatísticas e inúmeras outras áreasdo conhecimento. (CHAPMAN, Stephen J., 2011) O MATLAB contempla ainda uma grande família de aplicações específicas, asquais são denominadas Toolboxes (caixas de ferramentas). Estes Toolboxes são conjuntos abrangentes de funções MATLAB cujo objetivo éresolver problemas de áreas específicas, tais como: Processamento de Sinais,
  55. 55. 43 ProjetodeSistemas de Controle, Simulação Dinâmica de Sistemas, Identificação de Sistemas,Redes Neuronais, Lógica Fuzzy (nebulosa ou difusa), Otimização de Sistemas,Wavelets, Cálculo Simbólico, e outras áreas. Os usos típicos incluem: · Cálculos matemáticos; · Desenvolvimento de algoritmos; · Modelagem, simulação e confecção de protótipos; · Análise, exploração e visualização de dados; · Gráficos científicos e de engenharia; · Desenvolvimento de aplicações, incluindo a elaboração de interfaces gráficascom o usuário. Figura 36: Diagrama de blocos do MATLAB Fonte: http://www.ime.unicamp.br O SIMULINK é um acessório que possui bibliotecas adicionais de blocospara aplicações especiais como comunicações e simulações de circuitos elétricos eeletrônicos.
  56. 56. 44 EXEMPLO DE PROGRAMAÇÃO Figura 37: Programa feito no MATLAB Fonte: http://www.mathwork.com 3.7 - MÓDULO PWM O PWM é Pulse WidthModulation - Modulação por Largura de Pulso.(Fonte: livroArduinoCookbook - MARGOLIS,Michael). Circuitos digitais só produzem dois números: "0" e "1". Já circuitos analógicos podem teruma infinidade de variações. Por exemplo, em um circuito digital só podemos ligar ("1") ou desligar ("0") um motor ou uma lâmpada, enquanto que em um circuito analógico podemos controlar em infinitos gradientes o brilho da lâmpada desde o seu estado total deapagamento até o seu brilho máximo. Com um motor acontece o mesmo, podemoscontrolar em gradientes sua velocidade, desde o seu estado de não rotação até a sua velocidade máxima. Para um circuito digital poder controlar um circuito analógico - um brilho de uma lâmpadaou a velocidade de um motor - há basicamente duas técnicas. A conversão D/A(Digital/Analógico) e a modulação por largura de pulso (PWM).A
  57. 57. 45 conversãodigital/analógico usa uma quantidade de bits proporcionais à quantidade degradientes (brilhos, velocidades, etc) que pretendemos ter. Por exemplo, se forem usados 4bits, temos uma possibilidade de 16 (2^4) gradientes de brilho/rotação, de 0000 a 1111.O problema desta técnica é que quanto mais gradientes você quiser, mais bits são necessários. Já a técnica PWM utiliza apenas um bit. Nela é gerada uma forma de onda quadrada onde ociclo de carga (tempo em que a forma de onda permanece em "1") define avelocidade/brilho do sistema analógico.Por exemplo, supondo uma forma de onda perfeitamente quadrada, onde 50% do tempoela está em "0" e 50% do tempo ela está em "1", o resultado final será que a lâmpada terá 50% do seu brilho e um motor 50% de sua velocidade. Se configurarmos esta forma de onda para ficar 30% do seu tempo em "1" e 70% do seu tempo em "0", o resultado será um brilho/velocidade de 30% de sua capacidade total. Em resumo, o PWM é uma técnica para conversão digital/analógico usando apenas um bit,onde é gerada uma forma de onda quadrada onde o tempo em que esta forma fica em "1"define o valor da saída (velocidade/brilho) conforme a figura 38.(McROBERTS,2011) Figura 38 – Módula PWM No Arduino http://arduino.cc/en/Tutorial/PWM
  58. 58. 46 4. DESENVOLVIMENTO PRÁTICO DO PROJETO Para o desenvolvimento desse protótipo, serão utilizados três reservatórios. O primeiro funciona como se fosse uma cisterna de onde a água é bombeada. Os outros dois reservatórios para onde é bombeada a água, contém cada um deles dois sensores de nível que são responsáveis por ligar e desligar a bomba quando o nível de água atingir o limite máximo ou mínimo em cada tanque, conforme figura 39. Para elaboração do protótipo foram utilizados o microcontrolador Arduino, placa de shield para controle de quatro motores, bombas d' água, reservatórios, sensores de nível, fonte de alimentação 12 V e mangueiras para fazer a conexões entre as bombas e os tanques.O nosso protótipo são de Tanques não interativo Figura 39: Sistema de controle de nível
  59. 59. 47 4.1- TESTES DOS COMPONENTES Inicialmente foram testados todos componentes, fazendo a interligação dos mesmos através de fios e simulando o funcionamento com o sistema doArduino. Nesta etapa foram testados as bombas DC, os sensores de nível e os demais componentes (Figura 40 e 41). Para avaliarmos a capacidade de vazão da bomba, esta foi conectada a umafonte de 12V ficando em série com uma chave PUSHBUTTON, conforme circuito abaixo: Figura 40:Esquema elétrico do testes Como reservatórios foram utilizadas duas garrafas de refrigerante de dois litros cada, enchemos uma das garrafas com água e a outra permaneceu vazia. Ao acionarmosa chave S1, a bomba transportou os dois litros de água em 25 segundos ou seja, a vazão máxima da bomba é 1 litro para cada 12,5 segundos. Porém para controlarmos os três motores que serão utilizados no projeto, foi adquirido uma shield para Arduino, chamada 4power e o conjunto (shield + arduino), ligado a uma fonte de 12V com capacidade para suprir 8,5 ampers conforme imagem abaixo:
  60. 60. 48 Figura 41: Representação dos testes dos equipamentos A shield tem capacidade de controlar até 4 motores de corrente contínua bastando ligarmos seus terminais Vcc e GND (terra) às saídas da fonte de alimentação, tendo a shield a capacidade de trabalhar por PWM. Foi baixado o seguinte código exemplo para o teste: #include <S4power.h> S4Power s4power; void setup() { s4power.Config(); } void loop() { for ( int count = -20; count < 20; count++ ) { s4power.M1.speed = count; s4power.M2.speed = count; s4power.M3.speed = count; s4power.M4.speed = count; s4power.M1.Update();
  61. 61. 49 s4power.M2.Update(); s4power.M3.Update(); s4power.M4.Update(); s4power.light.intensity = count; s4power.light.Update(); delay (100); } } Este código pertenceao site do Laboratório de garagem, fornecedor desta shield e faz com que a bomba seja acionada de - 20% a + 20% invertendo periodicamente de sentido. Foi utilizado o seguinte código para o este o potenciômetro e na figura 42 temos a representação da montagem: // TESTE DO POTENCIÔMETRO //********************************************************************* intgrafico[50]; // criação de uma matriz unidimensional para 50 elementos int i; // variável de teste inteira intvalgraf; // variável para receber o valor lido pelo potenciômetro void setup() { Serial.begin(9600); // estabelecer comunicação serial } void loop() { // variável i utilizada como indice da matriz for (i=0; i<50; i++){ valgraf=analogRead(A3); // O valor lido em A3 é atribuido a variável valgraf grafico[i]=valgraf/4; // popular a matriz após dividir por 4 delay(100); // tempo de amostragem no monitor serial
  62. 62. 50 Serial.println(grafico[i]); // mostrar o valor lido no monitor serial if (i=50) // garantir que a leitura seja até 50 break; delay(100); } } Montagem realizada para o teste: Figura 42: Representação dos testes Esquema elétrico da montagem:
  63. 63. 51 Figura 43: Esquema elétrico da montagem Como é possível ver no programa, o acionamento do led ainda não está escrito, o resultado do programa pode ser visto no monitor serial do arduino. 4.2 - BOMBAS D'ÁGUA No trabalho discutido houve um estudo sobre a utilização e a viabilidade de quais tipos de bombas seria possível de utilizar para a elaboração desse protótipo. A princípio foi proposta a utilização de bombas de aquário, porém como a grande maioria dessas bombas se trata de motores AC, ficaria muito complexo utilizar este tipo de bomba, por causa do custo de equipamento, além de ser necessário também a elaboração de um conversor AC/DC para controlar as bombas.
  64. 64. 52 Sendo assim, optou-se por manter as moto-bombas DC proporcionais como atuadores doprocesso (Fig. 44). Elas são encontradas no mecanismo responsável pela limpeza de párabrisas em automóveis(Anexo A), tendo, portanto, grande oferta no mercado a preços acessíveis. Atensão de operação pode variar entre 0 e 12 V, com uma solicitação de corrente deaproximadamente 3,5 A no máximo valor de voltagem, foram realizados testes para saber qual a vazão que a bomba poderia atingir, chegando a fazer 1litro por 12 s. Esta característica édeextrema importância para o contexto do projeto, já que possibilita a utilização de módulosPWMexistentes em vários microcontroladores para o acionamento das bombas. Figura 44: Moto-bomba DC 4.3- CONTROLES DAS BOMBAS DC Para realizar comunicação e o controle das 3 bombas DC com o microcontroladorArduino foi utilizado o shield4power (figura 45 e anexo C)que pode controlar até 4 motores de corrente contínua e uma carga resistiva . Para usá-lo basta conectar uma fonte de alimentação de até 46V (até 4A), ligando nos terminais Vcc e GND. A placa possui indicação de positivo e negativo para cada motor, que podem puxar até 1A, na tensão
  65. 65. 53 máxima de alimentação da fonte (Vcc), mas que pode variar por PWM.Escolhemos comprar este shield por questões de tempo, pois tínhamos pouco tempo para desenvolver uma placa atendesse o projeto, e como já existia shield para arduino o projeto ficaria mais limpo, pois este é adicionado diretamente ao arduino, não havendo há necessidade de fazer as interligações com fios. Tivemos dificuldade de encontrar este tipo de shield para controlar 4 motores. Foi pesquisado em vários outras lojas, mas este foi o que mais atendia ao nosso trabalho por controlar as 3 bombas DC. Figura 45: Shield para controle das bombas DC 4.4 - FONTEDEALIMENTAÇÃO A fonte de alimentação utilizada para alimentar as 3 Bombas DC de 12 V e os 2 sensores de níveis de aproximadamente 5 V.A Fonte bi volt tem um fornecimento de ENTRADA 110V E 220V com frequência de 50/60Hz e a SAÍDA 12Vcc 8,5A (Figura 42). Ela que alimentará o shield de motor.
  66. 66. 54 Figura 46: Fonte bi volt 4.5 - SENSORES Na parte de definição dos sensoreshouve uma grande discussão e estudo sobre qual sensor seria mais viável utilizar para realizar o controle de nível da água no protótipo. A princípio a proposta era utilização de sensores ultra-sônicos para a realização do controle de nível, devido a esse tipo de sensor ser o mais aplicado nas industrias para essas aplicações, masdevidoao custo destes sensores ser muito elevado, tivemos que buscar uma nova solução para substituí-los. Uma outraidéia foi a utilização de potenciômetros lineares rotativos, ou seja, a haste metálica do potenciômetro ficaria ligada a uma pequena bóia de tanque de combustível, permitindo, assim, alterações no valor de resistência à medida que se modifique a altura da
  67. 67. 55 coluna de água. Porém um problema observado ao utilizar o potenciômetro como sensor é o efeito stick-slip, e podeser explicado por seu atrito interno. Quando o nível de líquido está parado e começa a variar,o potenciômetro não responde imediatamente, esperando receber energia suficiente pararomper o atrito estático entre o contato deslizante e o carvão da resistência. E quando issoocorre, a resistência dá um salto, pois o atrito passa a ser dinâmico e a energia acumuladaenquanto estava estático ainda não foi liberada. Em baixas velocidades de rotação opotenciômetro também experimenta este fenômeno, uma vez que o atrito faz com que emalguns momentos o potenciômetro “cole”, sendo necessário romper também o atrito estáticopara voltar a variar. Devido a isto, optamos por utilizar o potenciômetro linear deslizante ao invés do rotativo devido a facilidade de montagem, baixo custo e fácil obtenção dosdados euma das grandes vantagem desse tipo de potenciômetro é que ele não precisa trabalhar com ângulos para determinar a altura do nível de água. Na figura 43 poderá ser observado a montagem do sensor de nível do protótipo. Figura 47: Sensor de controle de nível
  68. 68. 56 4.6 - TANQUES A dimensão dos tanques foram determinadas após a definição do tipo de sensor e comprimento da haste da bóia,optamos por reservatórios transparentes para uma melhor visualização do controle de nível da água conforme figura 48. Figura 48:Tanque
  69. 69. 57 4.7 - UTILIZAÇÃO DO ARDUINO Para a parte de programação e controle de nível do protótipo escolhemos o Arduino conforme figura 49, por se tratar de um projeto totalmente aberto,software flexível e de fácil utilização.(Anexo B) O Softwareinterage diretamente com o hardware, tornandopossível integração com sensores, motores eoutros dispositivos eletrônicos.OArduino pode perceber o ambiente porreceber informação de uma grande variedade desensores, e pode estimular o ambiente controlando luzes,motores, e outros atuadores. No caso do nosso protótipo ele irá controlar o nível dostanques , fazer a leitura dos sensores, mostrar quanto o tempo o tanque leva para encher, ligar e desligar as bombas conforme as condições pré-estabelecidas no programa. Figura 49: arduino
  70. 70. 58 4.8 - CUSTOS DO DESENVOLVIMENTO DO PROTÓTIPO O protótipo propõe apenas dar uma idéia sobre como funciona o sistema de controle de nível de dois tanques e demonstrar o aprendizado obtido durante todo o curso de Engenharia Mecatrônica. No protótipo foram gastos um total de R$ 521,90 que estão descriminados na tabela 5. Tabela 5 – Tabela com preços do protótipo Item Quantidade Descrição Preço Unitário Preço Total 1 3 Bomba R$13,00 R$39,00 2 3 Tanque R$35,80 R$107,40 3 1 Shield Para Motor R$130,00 R$130,00 4 2 Potenciômetro Linear deslizante R$14,00 R$28,00 5 2 Bóia De nível R$4,00 R$8,00 6 1 Arduino UNO Ver. 3 R$89,00 R$89,00 7 1 Fonte 12V R$90,00 R$90,00 8 1 metro Mangueira transp. Ø10 mm R$2,10 R$2,10 9 18 conjunto Parafuso M4 – parafuso e porca R$4,00 R$8,00 10 1 metro Barra de alumínio tipo “U” R$4,50 R$4,50 11 6 conjuntos Parafuso M2 – parafuso e porca R$1,00 R$1,00 12 4 Cantoneira Para o Pot.Tipo “Z” de aço R$4,00 R$4,00 13 7 Cantoneira para Barra (plático) R$1,00 R$7,00
  71. 71. 59 4.9 - CONSTRUÇÃO DO PROTÓTIPO O protótipo foi construído com tanques de plásticos transparentes , com intuito de mostrar o funcionamento de um sistema de controle de nível de dois tanques. Figura 50: Protótipo do 1º tanque Conforme a figura 50 observa a disposição da fixação da bomba, e do suporte da bóia do sensor de nível, segundo a idéia inicial do projeto.
  72. 72. 60 Na figura 51 temos o protótipo em 3D desenvolvido no Catia V5. Figura 51 :Protótipo 3D do 1º tanque
  73. 73. 61
  74. 74. 62 REFERÊNCIAS ALBUQUERQUE, Pedro Urbano. Thomazini, Daniel.Sensores Industriais - Fundamentos e Aplicações - Editora Erica. ANTUNES, Vinicius. (2012). Desenvolvimento de um simulador de sistema de controle de nível para didática em controle de sistema para engenharia BANZ,Massimo - Primeiros passos com o Arduino - 2011 - Editora Novatec COELHO, A. A., & COELHO, L. d. (2004). Identificação de Sistemas Dinâmicos Lineares. Editora da UFSC. . CALDEIRA, A. F., Batista, A., & Santos, C. H. (2012). Modelagem do Sistema de Nível daPlanta Didática da Escola Técnica Centecon. Acesso em 08 de 2012, disponível em http://ssia.cefetmg.br/artigoscompletos/23_c_Planta.pdf CAPPELLI, Alexandre. Sensores Industriais - Antenna Edições Técnicas DE MATTOS, Edson Ezequiel., DE FALCO, Reinaldo - Bombas Industriais - Editora Interciência. CHAPMAN, Stephen J.- ProgramaçãoemMatlabparaEngenheiros - 2ª Ed. 2011 - CengageLearning. GARCIA, Claudio. (2005). Modelagem e Simulação de Processos Industriais. EdUSP. OGATA, K. (2010). Engenharia de Controle Moderno. Thelma Babaoka. SILVA, J. M. (03 de 04 de 2000). Controle em Malha Aberta. Acesso em 08 de 2012, disponível em GCAR - Grupo de Controle Automação e Robótica: http://www.ece.ufrgs.br/~jmgomes/pid/Apostila/apostila/node5.html SILVA, J. M. (03 de 04 de 2000). Controle em Malha Fechada. Acesso em 08 de 2012, disponível em GCAR - Grupo de Controle Automação e Robótica: http://www.ece.ufrgs.br/~jmgomes/pid/Apostila/apostila/node6.html
  75. 75. 63 SMITH, C. A., & CORRIPIO, A. B. (2008).Princípios e Prática do Controle Automático deProcessos.Rio de Janeiro: LTC. UFF. SOLOMAN, Sabrie - Sensores e Sistemas de Controle na Indústria- 2ª Edição - 2012- Editora LTC. SANTOS, Sérgio Lopes dos - Bombas & Instalações Hidráulicas - Editora: Lcte. DE SOUZA, Zulcy - Projeto de máquinas de Fluxo - Bombas Hidráulicas com Rotores Radiais e Axiais - 2011 - Editora Interciência. MCROBERTS, Michael - Arduino Básico - Editora Novatec . DA SILVEIRA, João Alexandre - Experimentos como Arduino - 2011 - Editora Ensino Profissional. LITTLEFIELD, Bruce; HANSELMAN, Duane- Matlab 6 - CursoCompleto - Editora:Prentice Hall - Br MORAIS, Vagner; VIEIRA, Cláudio-Matlab 7 & 6 - Curso Completo - 3ª Ed. Editora: Lidel - Zamboni KARRIS, Steven, T - Signals And Systems With Matlab Computing And Simulink Modeling - Editora:Orchard Publications DE SOUZA, Hiran Rodrigues - Hidráulica- Pro-Tec,1977. ROSÁRIO, João Mauricio - Princípios de Mecatrônica - Editora Prentice Hall,2005 MARGOLIS, Michael- ArduinoCookbook - Editora: O`REILLY MEDIA MECATRONICA ATUAL. Automação - A Mecatrônica em movimentoDisponível em :<http://www.mecatronicaatual.com.br/secoes/leitura/7>. Acesso em: 20 de agosto.2012. SILVEIRA, P. R.; SANTOS, W. E. Automação e Controle Discreto. 8ª Edição. [S.I.]. Editora Érica, 1999. SENAI/SP. Apostila de sensores. Extraído de do site http://intranet.sp.senai.br/ e acessado em 23/08/2012.
  76. 76. 64 SCHNEIDER MOTOBOMBAS. Manual Técnico de Bombas.2006 GILAT, Amos - Matlab com Aplicações Em Engenharia - Editora Bookman, 2006.
  77. 77. 65 ANEXOS ANEXO A Eletrobomba
  78. 78. 66
  79. 79. 67 ANEXO B ArduinoUNo
  80. 80. 68 ANEXO C Shield 4POWER com Arduino
  81. 81. 69
  82. 82. 70

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