11 a 15 de setembro de 2017 Belo Horizonte - MG

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1 11 a 15 de setembro de 2017 Belo Horizonte - MG MONITORAMENTO E CONTROLE DE VAZÃO EM BOMBAS RESIDENCIAIS ATRAVÉS DE CELULAR VIA BLUETOOH Luam de Oliveira Santos 1, Ícaro Gibson de Souza Pereira 2, David de Oliveira Santana 3, Alexandre Magno Pinto Roque 4, Ricardo Monteiro Rocha 5, Rodrigo Ribeiro Santos 6 1 Professor do Instituto Federal de Sergipe. Lagarto, Brasil, luam_oliveirasantos@hotmail.com 2 Discente do Instituto Federal de Sergipe. Lagarto, Brasil, icarogibson1515@gmail.com 3 Discente do Instituto Federal de Sergipe. Lagarto, Brasil, david-oliveira0cfs@hotmail.com 4 Discente do Instituto Federal de Sergipe. Lagarto, Brasil, alexandre-beto@outlook.com 5 Professor do Instituto Federal de Sergipe. Lagarto, Brasil, ricardomonteiro2003@globo.com 6 Professor do Instituto Federal de Sergipe. Lagarto, Brasil, rodrigorbst@gmail.com RESUMO O método de bombeamento centrífugo é um processo muito utilizado em residências e condomínios com a finalidade de condução de água, através da elevação da pressão, realizado através de tubulação, geralmente de materiais poliméricos ou metálicos, do poço ou da rede de distribuição, para a caixa d água. Com o advento da tecnologia eletrônica, busca-se técnicas que melhorem a eficiência e o funcionamento autônomo dos sistemas de bombeamento. Dessa forma, sistemas eletrônicos com ênfase em automação e controle possuem, atualmente, aplicações relevantes nas áreas residencial e industrial, com o intuito principal de transformar sistemas mecânicos manuais em sistemas eletrônicos automáticos. Assim, foi proposto a implementação de um sistema eletrônico para monitoramento e controle da vazão do bombeio por meio de aparelho celular via rede sem fio bluetooth, para que o operador do processo tenha condições de controlar essa variável, através do controle da rotação da bomba por meio de aplicativo de celular. Para testes práticos do sistema proposto, foi construído um sistema de bombeamento em escala reduzida composto por dois tanques de 30 litros, bomba trifásica de ½ CV, inversor de frequência CFW08 ½ CV, tubulação de água de 25 mm, conexões diversas e estrutura metálica. O sistema de controle eletrônico foi constituído por uma placa Arduino UNO, um módulo bluetooth modelo HC- 06 e conversor digital-analógico MCP4725. Através do aplicativo livre ArduDroid instalado

2 no celular, o operador pode selecionar a rotação desejada do motor da bomba, de forma a manipular a vazão de entrada da caixa de água. Os testes de controle de rotação do motor da bomba foram feitos através de um aparelho tablet marca Samsung com sistema operacional Android. Os testes realizados foram satisfatórios, sendo possível selecionar diferentes valores de rotação do motor que, por sua vez, manipulam valores de vazão. Palavras-chave: Controle de vazão; Bomba elétrica trifásico; Rede sem fio bluetooth. 1. INTRODUÇÃO O método de bombeamento centrífugo é um processo muito utilizado em residências e condomínios com a finalidade de condução de água, através da elevação da pressão, realizado através de tubulação, geralmente de materiais poliméricos ou metálicos, do poço ou da rede de distribuição, para a caixa d água. Este tipo de bombeamento é muito utilizado em condomínios e residências devido ao seu baixo custo inicial e de manutenção, requerendo assim um baixo investimento com manutenção. O advento da tecnologia eletrônica e consequentemente automação residencial, busca-se técnicas que melhorem a eficiência e o funcionamento autônomo dos diversos equipamentos de uma residência ou condomínio, buscando não só economia mas também comodidade as pessoas. Dessa forma, sistemas eletrônicos com ênfase em automação e controle possuem, atualmente, aplicações relevantes nas áreas residencial e industrial, com o intuito principal de transformar sistemas mecânicos manuais em sistemas eletrônicos automáticos. Assim, foi proposto a implementação de um sistema eletrônico para monitoramento e controle da vazão do bombeio por meio de aparelho celular via rede sem fio bluetooth, para que o operador do processo tenha condições de controlar essa variável, através do controle da rotação da bomba por meio de aplicativo de celular. 1.1 ESTADO DA ARTE As bombas são máquinas operatrizes hidráulicas que fornecem energia ao líquido com a finalidade de transportá-lo de um ponto para outro. Elas são capazes de transformar a energia mecânica em transformá-la em energia de pressão e cinética. (NETTO et all., 1998).

3 As bombas são classificadas em duas categorias, as hidrodinâmicas (ou rotodinâmicas), a qual fazem parte as bombas centrífugas e as volumétricas (ou de deslocamento positivo). (BLACK, 1979). As bombas rotodinâmicas são máquinas nas quais o deslocamento do líquido é dado devido as forças que são desenvolvidas no fluido devido a rotação de uma peça interna dotada de pás ou aletas chamada de rotor. (MACINTYRE, 1987). Por definição as bombas centrífugas são bombas hidráulicas que têm como princípio de funcionamento a força centrífuga gerada através das palhetas e impulsores do rotor que giram no interior de um carcaça estanque, impulsionando o líquido para a saída (ou recalque) da bomba. (MACINTYRE, 1987). O Arduino é uma plataforma de prototipagem eletrônica open-source que se baseia em hardware e softwares livres, flexíveis e fáceis de usar. O microcontrolador na placa (ATmega 368, 168 ou 2560 dependendo do modelo do arduino) é programado com a linguagem de programação Arduino, baseada na linguagem Wiring, similar à linguagem C, e o ambiente de desenvolvimento Arduino, baseado no ambiente Processing (Mcroberts, 2015). 2. OBJETIVOS O objetivo desse projeto é proporcionar maior autonomia no monitoramento e controle do funcionamento da bomba centrífuga residencial e condominial, monitorando e controlando a vazão, além de desligar e ligar o equipamento através do seu aparelho de celular. 3. MATERIAIS E MÉTODOS Para o monitoramento e controle de variáveis do bombeamento centrífugo, foi construído um sistema em escala reduzida semelhante ao encontrado no ambiente residencial e industrial, sendo composto por dois tanques de 30 litros, bomba trifásica de ½ CV, inversor de frequência CFW08 ½ CV, tubulação de água de 25 mm, conexões diversas e estrutura metálica. O sistema de controle eletrônico desenvolvida nesse trabalho foi elaborado com uma placa Arduino UNO, um módulo bluetooth modelo HC-06 e conversor digital-analógico MCP4725. O controle via rede bluetooth foi realizado através de aparelho móvel com sistema operacional Android e aplicativo livre ArduDroid. A arquitetura do sistema de controle é apresentada na Figura 1. Através do aplicativo ArduDroid instalado no celular, o operador da unidade de bombeio pode se conectar

4 remotamente a unidade de controle e selecionar o valor da vazão de bombeamento até o valor desejado, através da rotação da bomba trifásica. Celular (Aplicativo ArduDroid) Rede sem fio bluetooth Arduino UNO Conversor Analógico-Digital Inversor de Frequência Bomba Trifásica Figura 1 Arquitetura do sistema de controle desenvolvido. O celular se comunica via rede bluetooth com a unidade eletrônica remota de monitoramento e controle que, por sua vez, enviar os sinais de controle para o controlador (Arduino UNO), e esse, em seguida, envia um sinal digital ao conversor digital-analógico, para, por fim, enviar um sinal de tensão a entrada analógica do inversor de frequência e este varia a frequência da rede de alimentação elétrica da bomba para que sua rotação e vazão sejam modificadas. Entre vários modelos de Arduinos existentes, para o desenvolvimento desse projeto, foi utilizado o Arduino UNO, que opera com o microcontrolador Atmega 368P e possui 14 pinos de entradas ou saídas digitais, sendo que destes, seis podem trabalhar como saídas PWM, 06 entradas analógicas, além de memória Flash 32KB, EEPROM 1KB e Clock de 16MHz. O conversor digital-analógico MCP4725 tem a função no sistema de converter uma informação binária de 12 bits para uma tensão analógica na faixa de 0 a 5 V, sendo controlado pelo Arduino UNO através de comunicação I2C. Esses valores de tensão são enviados ao Inversor de Frequência WEG CFW 08, que controle a faixa de frequência, 0 a 66 Hz, de alimentação da bomba trifásica para que a vazão do sistema de bombeamento seja modificada. O valor da frequência de alimentação do motor elétrico é selecionado pelo operador através do aplicativo celular, sendo esse procedimento realizado através de uma barra de rolagem, onde é possível selecionar o valor linear da frequência da tensão de alimentação da

5 bomba dentro da faixa de 0 a 66 Hz, que corresponde a vazão mínima e máxima do sistema de bombeamento. A Equação 1 foi utilizada para relação na programação do sistema eletrônico para monitoramento e controle da vazão através da rotação do motor. Q = Sendo: Vg.n 1000.y vol Vg: Volume de deslocamenteo (cm³) n: Rotação do motor (rpm) y vol : Rendimento volumétrico Eq.(1) A rotação nominal do motor depende da frequência da tensão aplicadas aos seus terminados, sendo relacionada através da Equação 2. Sendo: n = 120.f p f: frequência da tensão aplicada no motor n: Rotação do motor (rpm) p: número de pólos do motor. Eq.(2) 4. RESULTADOS E DISCUSSÕES. Após montagem da bancada experimental e do sistema eletrônico de controle, conforme mostrado na Figura 2 a seguir, foram realizados testes funcionais do sistema proposto. Figura 2 Bancada experimental do sistema de bombeamento

6 Inicialmente, fez-se necessário o pareamento do celular do operador com o módulo bluetooth da unidade eletrônica de controle. Esse pareamento foi realizado por meio de uma senha específica, objetivando oferecer segurança operacional ao sistema, de forma que apenas os operadores autorizados possam realizar o controle da vazão do processo. Após o procedimento de pareamento, fez-se a comunicação do aplicativo com a unidade eletrônica de controle, e, a partir de então, o operador do processo pode selecionar a rotação do motor mais adequada para a vazão desejada. O aplicativo utilizado possui interface bastante amigável com o operador, conforme apresentado na Figura 3, sendo a rotação do motor selecionada através da barra de rolagem analógica Pin11. Figura 3 Interface do aplicativo Os testes de controle de rotação do motor foram feitos através de um aparelho tablet marca Samsung com sistema operacional Android. Os testes realizados foram satisfatórios, sendo possível selecionar diferentes valores de rotação do motor que, por sua vez, manipulam valores de vazão de bombeamento. Quando a barra de rolagem foi colocada em seu valor mínimo, ou seja, 0%, o inversor recebe informação para desligar o motor, dessa forma o motor não recebe tensão. A medida que o operador aumenta a barra de rolagem, ou seja, move o cursor para a direita no aplicativo, o inversor receber sinal para aumentar a frequência da tensão elétrica aplicada aos terminais do motor, assim a rotação do motor aumenta gradualmente. Embora a faixa de frequência de controle nos testes foi de 0 a 66 Hz, esses valores podem ser configurados para

7 outros através da parametrização do inversor, de tal forma a especificar os valores mínimos e máximos da faixa de frequência de controle. 5. CONCLUSÃO Com esse projeto permitiu-se a utilização do aparelho de celular para o monitoramento e controle da variável de rotação do motor, estimando-se o controle e monitoramento da vazão de uma bomba centrífuga através do controle da rotação do motor elétrico. Com a conclusão satisfatória desse projeto estima-se que seja possível o monitoramento e controle da variável de vazão de bombeio através do controle da rotação do motor elétrico via rede GSM, mudando o módulo de bluetooh para módulo GSM e alterando parte da programação do da unidade de controle eletrônico, mais especificamente do Arduino UNO. Portanto, além de apresenta uma alternativa para controle da vazão, esse trabalho forneceu contribuições para o desenvolvimento de novas atividades nessa linha de pesquisa. REFERÊNCIAS ALVES, J. L. L., Instrumentação, controle e automação de processos, 1º edição, editora LTC, BLACK, P. O. - Bombas, Livro Técnico SA, Rio de Janeiro, HATAMI, Houman. Coletânea de fórmulas hidráulicas. Alemanha: Rexroth Bosch Group, p. Disponível em: < pdf>. Acesso em: 05 fev MACINTYRE, Archibald Joseph. Bombas e Instalações de Bombeamento. 2. ed. Rio de Janeiro: Guanabara, p. MCROBERTS, Michael, Arduino Básico - 2ª Edição, Editora: Novatec, São Paulo SP, 2015.

8 NETTO, A. J. M., et all., Manual de Hidráulica, Ed. Edgard Blucher Ltda, 8ª Edição, São Paulo, SOUSA, Lázaro Henrique de Aragão et al. APLICAÇÃO DO BOMBEIO MECÂNICO COM HASTES NA ELEVAÇÃO DO PETRÓLEO. Cadernos de Graduação: Ciências Exatas e Tecnológicas, Aracaju/se, v. 1, n. 17, p.25-40, out Disponível em: < Acesso em: 14 jun THOMAS, J. E. Fundamentos de Engenharia de Petróleo. Interciência, 2004.