Ambiente de Monitoramento Computacional de um Processo de Secagem de Peças Cerâmicas

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1 Ambiente de Monitoramento Computacional de um Processo de Secagem de Peças Cerâmicas Alan Marcel Fernandes de Souza, José Augusto Furtado Real Instituto de Estudos Superiores da Amazônia (IESAM) Belém PA Brasil Abstract: This paper describes the development process and the functioning by a Computational Monitoring Environment of a Ceramic Parts' Drying Process using the programming language known as MatLab. This environment is able to monitor, in real time, acquiring data through computer s serial port, the variations of mass by material that is being analyzed into of the dryer in operation. The applicatory has graphic user interface (GUI), it stores information into a database that can be exported for a spreadsheet in Excel s format. It allows the user obtains results more accurate and more organized, becoming the time of whole treatment s process of experimental data shorter. Resumo: Este artigo descreve o desenvolvimento e o funcionamento de um Ambiente de Monitoramento Computacional de um Processo de Secagem de Peças Cerâmicas utilizando a linguagem de programação MatLab. Este ambiente é capaz de monitorar, em tempo real, adquirindo dados, através da porta serial do computador, as variações de massa do material que está sendo analisado dentro de um secador em operação. O aplicativo possui interface gráfica com o usuário (IGU), armazena as informações em um banco de dados que podem ser exportadas para uma planilha no formato do Excel. Este aplicativo permite ao experimentador obter os resultados de forma mais precisa e organizada conduzindo com isto a um tempo menor de todo o processo de tratamento dos dados experimentais. 1. Introdução Uma das mais antigas atividades criada pela civilização é a produção de material cerâmico, feita através de barro e argila. Essa atividade se mantém inalterada até hoje, sendo seus princípios fundamentais: obter a argila processá-la, moldá-la, aguardar a secagem e queimá-la [Maia(1) 2004]. Atualmente, a Amazônia é considerada como um oceano de argila [Amaral 1999]. No entanto, o nível de produção da indústria de Cerâmica Vermelha (restrita, ainda na fabricação de produtos estruturais-telhas e tijolos vazados) não atende complemente os mercados internos, precisando assim adquirir produtos cerâmicos das regiões Nordeste e Centro Oeste. Isso é resultado da ausência de modernização dos processos industriais na região paraense, o que resulta por sua vez, em certa dificuldade na introdução de produtos e processos produtivos que possam competir com os oriundos da região Nordeste e Centro Oeste, em termos de preço e qualidade [Maia(1) 2004]. A motivação deste trabalho surgiu a partir de uma necessidade existente em um Laboratório de Engenharia Química da Universidade Federal do Pará (UFPA) de automatizar a aquisição de perda de massa, de um processo de secagem de materiais cerâmicos, substituindo o trabalho manual desenvolvido até então pelos alunos, por um software instalado em um computador que fosse capaz de adquirir de forma automática esses dados, interpretá-los através de gráficos, armazená-los e exportá-los para o formato de planilha do Excel. Dessa nova maneira, vir agregar modernização não no processo de fabricação, mas sim no processo de pesquisa das propriedades da cerâmica, o que já pode ser considerado um grande avanço. Antes de o sistema ter sido implantado, os estudantes precisavam anotar, de acordo com seu experimento, os dados informados por uma balança, a cada intervalo de tempo pré-definido e

2 somente depois utilizar o computador para gerar os gráficos para visualizar os resultados. Essa prática, além de ser enfadonha, pois o operador realiza operações repetitivas; é também factível de erros resultantes da fadiga. Daí a necessidade de superar esses problemas com a automatização desta tarefa [Maia(2), 2004; Araujo et al, 2006; Maia(3) et al, 2006 ]. O objetivo deste trabalho foi desenvolver um sistema de monitoramento automático para um processo de secagem de materiais cerâmicos com o auxílio do computador. A balança é responsável por medir as variações de massa em intervalos tempo pré-determinados, exibir para o operador o valor e enviar para o computador esse valor, sem que qualquer intervenção humana seja necessária para este envio. De posse dos valores de massa x tempo, o sistema é capaz de exibi-los na tela do computador, de gerar gráficos em tempo real, de armazená-los em um banco de dados e de exportálos para uma planilha no formato Excel. Isso é feito a cada momento em que o usuário tenha programado o sistema para coletar o valor de massa automaticamente. Isto permitirá elaborar gráficos da cinética de secagem do material. 2. Sistema de Monitoramento O sistema como um todo é composto por um computador equipado com uma porta de comunicação serial; por uma balança semi-analítica, modelo BK 1000 [Gehaka(1) 2007]; por um secador do tipo túnel e pelo aplicativo computacional desenvolvido utilizando a linguagem de programação MatLab, versão 2007A. A Figura 1 a seguir ilustra o sistema como um todo. Figura 1. Visualização Global do Sistema Fonte: Adaptado de Maia(1), Componentes Físicos Para fazer a medição de perda de massa da amostra, utilizou-se uma balança semi-analítica. Esta balança possui saída de dados RS-232 que é o protocolo de comunicação serial compatível com o protocolo utilizado pelo computador, o que permite captar os dados medidos por ela [Gehaka(2) 2007]. A comunicação entre o balança que capta a variação de massa e o computador é feita através da porta serial tanto da balança quanto do computador; a seta azul e tracejada na Figura 1, representa essa comunicação. O cabo que liga os dois dispositivos deve possuir as seguintes características: comprimento mínimo de 1,5 metros, os dois conectores do tipo fêmea e a ligação dos pinos deve estar de acordo com a Tabela 1 [Gehaka(2) 2007].

3 Tabela 1. Configuração do cabo serial Fonte: Gehaka(2), 2007 DB9 2 3 DB O secador do tipo túnel (Figura 2) tem na sua entrada um soprador (Figura 2(a)) que injeta ar no túnel, o qual é logo aquecido pelas várias resistências, ligadas em paralelo, existentes no começo do túnel. Dependendo do número de resistências acionadas (Figura 2 (b)) e da velocidade com que o soprador gira, o ar dentro do mesmo ficará na temperatura desejada e quando a temperatura estabilizar, o experimento pode ser iniciado. Figura 2. Secador do tipo túnel. (a) Soprador de ar, (b) Resistências, (c) Termopar A medição da temperatura é feita através de termopares (Figura 2(c)), que são sensores sensíveis a variação de calor. São utilizados dois desses aparelhos, os quais são responsáveis por medir dois parâmetros do experimento: temperatura do bulbo seco e temperatura do bulbo úmido. A diferença entre essas duas temperaturas é que o sensor que mede a temperatura do bulbo úmido é envolto de uma gaze molhada e o que mede o bulbo seco é livre de qualquer elemento [Maia(1) 2004] No final do túnel, encontra-se uma abertura por onde o ar é expelido. Este fluxo de ar é medido por um anemômetro de pás e o valor serve de parâmetro inicial para a experiência. Na parte de cima, existe uma pequena abertura por onde passa uma estrutura de alumínio que faz a ligação entre o prato interno que contém as amostras e o prato externo da balança. 2.2 O Aplicativo A comunicação serial entre os dispositivos de captura de variação de massa é feita utilizando a porta serial do computador. Do ponto de vista da programação, através de quatro funções do MatLab é possível estabelecer a comunicação utilizando as portas seriais dos dispositivos e as do computador, são elas: serial( ), fopen( ), fscanf( ) e fclose( ). A configuração da porta serial deve seguir as especificações contidas na Tabela 2 [Gehaka(1) 2007].

4 Tabela 2. Configuração do cabo serial Fonte: Gehaka(1), 2007 Nome do parâmetro Nome da porta Bits por segundo (Baud rate) Valor do parâmetro Pode variar para cada computador, mas geralmente é COM Bits de dados (Data bits) 7 Paridade (Parity) Espaço (Space) Bit de parada (Stop bit) 1 O Sistema de Gerenciamento de Banco de Dados (SGBD) utilizado para armazenar os dados pertinentes do aplicativo é o MySQL. É importante ressaltar que, para acessar o banco de dados, é necessário utilizar um driver desenvolvido na linguagem de programação Java, o qual serve de interface entre o aplicativo e o repositório de dados [Matlab(1) 2007]. O MatLab possui um framework, conhecido como Graphical User Interface Design Environment (GUIDE) [Matlab(2) 2007], que é utilizado para desenvolver interfaces gráficas baseadas em janelas. Além disso, o MatLab possui também uma função que permite criar arquivos do tipo Excel (com extensão xls ). Dessa forma, os dados armazenados no banco de dados são exportados para planilhas, possibilitando o usuário tratar os dados da forma que quiser. Existe também outra função do MatLab que é capaz de exportar os gráficos criados em um formato que pode ser executado a partir de qualquer visualizador de imagem: Portable Network Graphics (PNG) [Wikipédia 2007]. 3) Operação do Sistema O usuário, depois de ligar todos os equipamentos, deve executar o programa. A primeira tela, representada pela Figura 4, é exibida. Nesta etapa, o usuário deve entrar com alguns parâmetros iniciais antes de executar a aquisição de dados, tais como: o nome do experimentador; o número da corrida; o tempo total do experimento em horas; o intervalo de tempo de cada coleta em minutos; a velocidade do anemômetro; o diâmetro do corpo de prova em centímetros; temperatura do bulbo seco e temperatura do bulbo úmido, ambas em graus Celsius; o nome dos materiais que compõem o corpo de prova e a porcentagem de cada material.

5 Figura 4. Tela de Configuração do Experimento Clicando no botão Avançar > ocorre o armazenamento dos parâmetros digitados pelo usuário no banco de dados e a tela de monitoramento da experiência (Figura 5) é executada. Figura 5. Tela de Monitoramento do Experimento Como se observa na Figura 5, a tela de monitoramento do experimento exibe na parte esquerda, além de alguns parâmetros iniciais informados na tela anterior, o valor de massa que está sendo captado pela porta serial.

6 Na parte central da tela, encontram-se dois gráficos: o da parte de superior mostra, em tempo real, a relação tempo de coleta (minutos) versus massa (gramas) e o da parte inferior mostra a relação número de amostra versus umidade, que é construído somente depois do término do experimento, porque uma das variáveis para o cálculo desse parâmetro é a massa final, a qual logicamente é obtida no final do experimento. A umidade é calculada através da Equação 1 [Maia(1) 2004], explicitada a seguir. Equação 1. Cálculo da umidade Fonte: Maia(1), 2004 massan massafinal Umidaden = onde n 0 massafinal Na porção mais a direita, ainda da tela referenciada pela Figura 5, é onde estão os botões para iniciar ou parar o experimento, salvar gráficos e exportar os dados. 4) Conclusão A partir desse trabalho, conclui-se que as experiências desenvolvidas com o auxílio do computador são mais rápidas, precisas, organizadas e menos cansativas para quem desenvolve o experimento. Além disso, os métodos de pesquisa das propriedades das cerâmicas se tornaram mais modernos, já que o computador, juntamente com o aplicativo descrito neste trabalho, realiza desde a aquisição até a interpretação dos dados através de gráficos construídos em tempo real. Para trabalhos futuros, é sugerido criar um módulo que apresente os resultados em uma página de internet, sendo possível que o usuário visualize os resultados a parti de qualquer computador ligado na internet. Vale ressaltar que esse módulo já se encontra em fase de desenvolvimento e deve ser implementado na próxima versão do aplicativo. Referências MAIA(1), A. Cinética de Secagem da Mistura Argila-Escória para Aproveitamento do Resíduo de Fornos Industriais da Região de Marabá. Monografia. (Especialização em Tecnologia Mineral e Metalurgia). Universidade Federal do Pará, Fundação Vale do Rio Doce. Belém, AMARAL, A. Secagem de Materiais Extrudados em um Secador de Convecção Forçada Utilizando Argila do Estado do Pará. Tese de Mestrado em Desenvolvimento de Processos. Universidade Federal do Pará. Belém, MAIA(2), G. Influência da Secagem na Qualidade de Peças Cerâmicas (Chamota-Argila). Dissertação de Mestrado em Engenharia Química. Universidade Federal do Pará. Belém ARAUJO, H., MAIA, G., MACÊDO, E., SANTOS, P. e SOUZA, C. Simulação do Processo de Secagem Materiais Cerâmicos: Aplicação da Técnica das Integrais Acopladas. In XVI Congresso Brasileiro De Engenharia Química. Santos-SP, MAIA(3), A., SOUZA, J., NEVES, R. e SOUZA, C. Estudo da Cinética de Secagem de Corpos Cerâmicos de uma Mistura Argila Escória para Construção Civil. In XVI Congresso Brasileiro De Engenharia Química. Santos-SP, GEHAKA (1). Manual de Instruções da Balança BK São Paulo, GEHAKA (2). Guia de Configuração do Cabo Serial das Balanças do Modelo BK. Disponível: Acesso: setembro/2007. WIKIPÉDIA (Português). PNG. Disponível: Acesso: novembro/2007. MATLAB (1). Database Toolbox 3 User s Guide. Disponível: Acesso: novembro/2007. MATLAB (2). Creating Graphical User Interface. Disponível: Acesso: novembro/2007.