Microsoft Word - TCC - PROTOTIPO DE SISTEMA DE CONTROLE DE NIVEL EM TANQ... (1), Trabalhos de Mecatrônica

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GILMAR OLIVEIRA

KLEBER MARTINS DE MOURA

THIAGO IAMAZAKI BENATI

DESENVOLVIMENTO DE UM PROTÓTIPO DE SISTEMA DE

CONTROLE DE NÍVEL DE TANQUES INDUSTRIAIS

SÃO PAULO

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FACULDADES INTEGRADAS DE SÃO PAULO - FISP 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 Mecatrônica da Faculdade Integrada de São Paulo, como requisito acadêmico para obtenção de Título de graduação em Engenharia Mecatrônica.Orientador: Alexandre Erdmann Silva.

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Dedicamos este trabalho de conclusão de curso a Deus em primeiro lugar, fonte detoda criação, sustentação e domínio. Aos nossos pais, responsáveis pela formação do nosso caráter e idoneidade, bem como a fundamentação de nossa educação.

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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_._

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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 ser um 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 análise funcional de como a automação industrial atua nos processos industriais, seja uma 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 como um sistema de controle de nível está 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.

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ABSTRACT

One of the foundations of education in Engineering consists of practical experiments, students in them are able to apply in practice the concepts learned in class, thus noting the possible limitations of these techniques in real systems. The level control of liquids in industrial processes in many cases must be precise control and efficient to be a determining factor for success productive. Apart from industries, other sectors as residential and agricultural, may benefit system that reduces possible errors caused by manual control of processes involving liquids. Based on this principle, the present study addresses the creation of a prototype of a level system control of tanks, which is in practice the behavior and functional analysis of how industrial automation operates in industrial processes, is a chemical, petrochemical, pulp and paper, food and beverage, among others. After the end of the study we realized that the prototype developed, as well as representing practically how a level system control is present in the industrial environment, can also be used as a teaching focus to assist students in understanding the theory of the discipline of Process Control. Keywords: Simulator system Level, Industrial Automation, Industrial Processes.

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LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS AC Corrente Alternada B1 Bomba 1 B2 Bomba 2 B3 Bomba 3 CLP Controlador Lógico Programável DC Corrente Contínua D/A Conversor Digital/Analógico GND Aterramento LED Diodo Emissor de Luz M1 Motor 1 M2 Motor 2 M3 Motor 3 M4 Motor 4 NA Contato Normal Aberto NF Contato Normal Fechado PWM Pulse Width Modulation QHF Variação da capacitância RAM Random Access Memory RHF Variação da resistência S1 Sensor de nível 1 S2 Sensor de nível 2 TQ1 Tanque 1 TQ2 Tanque 2 USART Portas seriais de hardware

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USB Universal Serial Bus Vcc Tensão Contínua

• Figura 1 - Diagrama das áreas que fazem parte da automação............................................ LISTA DE FIGURAS
• Figura 2 - Representação de um modelo .............................................................................
• Figura 3 - Modelagem por identificação do teste da resposta degrau.................................
• Figura 4 - Modelagem por identificação do teste da resposta em freqüência ....................
• Figura 5 - Modelagem por identificação Off-line...............................................................
• Figura 6 - Modelagem por identificação On-line................................................................
• Figura 7 - Controle em Malha aberta..................................................................................
• Figura 8 - Controle em Malha fechada...............................................................................
• Figura 9 - Tanques em série................................................................................................
• Figura 10 - Tanques em cascata..........................................................................................
• Figura 11 - Trajetória do fluxo de líquido dentro da bomba...............................................
• Figura 12 - Exemplo de sinal binário..................................................................................
• Figura 13 - Ligação de um sensor de contato seco NA a um CLP.....................................
• Figura 14 - Ligação de um sensor de corrente continua a uma carga.................................
• Figura 15 - Variação de um sinal no decorrer do tempo.....................................................
• Figura 16 - Ligação de um transmissor com sinal de saída em tensão...............................
• Figura 17 - Ligação a dois fios de um transmissor com sinal de saída...............................
• Figura 18- Funcionamento de uma chave fim de curso......................................................
• Figura 19 - Chave fim de curso...........................................................................................
• Figura 20 - Campo eletromagnético em uma bobina..........................................................
• Figura 21- Sensor indutivo..................................................................................................
• Figura 22 - Potenciômetro de resistência angular...............................................................
• Figura 23 - Potenciômetro de resistência linear..................................................................
• Figura 24 - Termopar..........................................................................................................
• Figura 25 - Funcionamento de um sensor ultra-sônico....................................................... xi
• Figura 26 - Sensor tipo bóia magnética...............................................................................
• Figura 27 - Sensor tipo bóia lateral......................................................................................
• Figura 28 - Sensor tipo bóia - pêra.......................................................................................
• Figura 29 - Sensor de nível condutivo.................................................................................
• Figura 30 - Sensor hidrostático............................................................................................
• Figura 31 - Sensor capacitivo...............................................................................................
• Figura 32 - Placa do Arduino...............................................................................................
• Figura 33 - Exemplo de programação no arduino................................................................
• Figura 34 - Shield para motores...........................................................................................
• Figura 35 - Módulo PWM no Arduino................................................................................
• Figura 36 - Sistema de controle de nível.............................................................................
• Figura 37 - Esquemas elétricos do teste da bomba..............................................................
• Figura 38 - Representação dos testes dos equipamentos.....................................................
• Figura 39 - Representação do teste do potenciômetro.........................................................
• Figura 40 - Esquema elétrico da montagem.........................................................................
• Figura 41 - Moto-bomba......................................................................................................
• Figura 42 - Shield para controle das bombas DC................................................................
• Figura 43 - Fonte 12 V.........................................................................................................
• Figura 44 - Sensor de controle de nível................................................................................
• Figura 45 - Tanque...............................................................................................................
• Figura 46 - Arduino.............................................................................................................
• Figura 47 - Protótipo do sistema de controle de nível em tanques......................................
• Figura 48 - Montagem da parte eletrônica...........................................................................
• Figura 49 - Montagem da interface eletrônica com o arduino.............................................
• Figura 50 - Esquema elétrico.............................................................................................. xii
• Figura 51 - Esquema elétrico da ligação.............................................................................
• Figura 52 - Mesa onde ficará localizado os motores..........................................................
• Figura 53 - Representação esquemática da shield..............................................................
• Figura 54 - Protótipo montado do sistema de controle de nível........................................
• Figura 55 - Disposição dos motores montados no suporte.................................................
• Figura 56 - Materiais para elaboração da válvula de retenção...........................................
• Figura 57 - Válvula de retenção montada...........................................................................
• Figura 58 - Dissipadores......................................................................................................
• Figura 59 - Cooler................................................................................................................
• Figura 60 - Sistema de controle de nível em tanques..........................................................
• 1. INTRODUÇÃO SUMÁRIO
• 1.1 - Estrutura do Trabalho.......................................................................................
• 2. OBJETIVO
• 3 REFERENCIAL TEÓRICO
• 3.1 - Automação.......................................................................................................
• 3.2 - Modelagem.......................................................................................................
• 3.2.1 - Análise para obtenção dos processos e criação de modelos................................
• 3.2.2 - Controle de Malha Aberta.................................................................................
• 3.2.3 - Controle de Malha Fechada..............................................................................
• 3.2.4 - Modelo de Sistema de Nível.............................................................................
• 3.2.5 - Sistemas Interativos..........................................................................................
• 3.2.6 - Sistemas Não-Interativos..................................................................................
• 3.3 - Bombas Industriais...........................................................................................
• 3.3.1 - Bombas Centrífugas..........................................................................................
• 3.3.2 - Princípios de funcionamento.............................................................................
• 3.3.3 - Geração da Força Centrífuga.............................................................................
• 3.3.4 - Conversão de Energia Cinética em Energia de Pressão....................................
• 3.4 - Sensores................................................................................................................
• 3.4.1 - Características e Tipos de Sinais
• 3.4.2 -Tipos de sensores................................................................................................
• 3.5 - Arduino...............................................................................................................
• 3.5.1 - Programação.........................................................................................................
• 3.5.2 - Shields para motores............................................................................................
• 3.6 - Modulo PWM........................................................................................................ xvi
• 4. DESENVOLVIMENTO PRÁTICO.....................................................................
• 4.1 - Testes dos componentes........................................................................................
• 4.2 - Bombas d'a água.................................................................................................
• 4.3 - Controle das Bombas DC...................................................................................
• 4.4 - Fonte de alimentação..........................................................................................
• 4.5 - Sensores..............................................................................................................
• 4.6 - Tanques...............................................................................................................
• 4.7 - Utilização do Arduino.........................................................................................
• 4.8 - Custos do desenvolvimento do protótipo............................................................
• 4.9 - Construção do protótipo......................................................................................
• 4.10 - Programação......................................................................................................
• 5. CONCLUSÃO..........................................................................................................
• REFERÊNCIAS...........................................................................................................
• APÊNDICE A...............................................................................................................
• ANEXO A......................................................................................................................
• ANEXO B......................................................................................................................
• ANEXO C......................................................................................................................

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-automatizar determinados processos, isso foi possível a partir do desenvolvimento científico e tecnológico, que dentre os diversos conhecimentos nos trouxe as teorias clássicas de controle. Contudo, com o avanço da tecnologia, os sistemas e processos ficaram ainda mais complexos, tornando ineficaz ou até mesmo impossível a utilização dos controladores convencionais obtidos a partir da teoria clássica. Isso desencadeou uma busca por novos métodos e estratégias de controle 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.

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 - É apresentado um panorama geral da idéia do trabalho de conclusão de curso; O capitulo dois consiste em:
• Objetivo - Trabalho de conclusão de curso sobre desenvolvimento do protótipo de sistema de controle de nível de tanques industriais; O capitulo três consiste em:
• Referencial teórico - Faz referência a todos os componentes que fazem parte do desenvolvimento do protótipo, desde sensores, bombas, Microcontrolador e a programação no Arduino; O capitulo quatro consiste em:
• Desenvolvimento do projeto - Neste capítulo será apresentado todos 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 - Mostra-se o resultado que foi obtido após a montagem e testes do protótipo.

2. OBJETIVO

O objetivo deste trabalho de conclusão de curso é desenvolver um protótipo para que possa 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 prática o que ocorre no dia-a-dia das indústrias petroquímica, processamento de alimentos e bebidas, indústrias farmacêuticas, entre outras.