PROTÓTIPO DE SILO PARA ARMAZENAGEM DE GRÃOS COM CONTROLE DE TEMPERATURA

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1 PROTÓTIPO DE SILO PARA ARMAZENAGEM DE GRÃOS COM CONTROLE DE TEMPERATURA Denis W. F. De Souza, Guilherme A. De Souza, Alessandro N. Vargas, João B. R. do Val PID BRASIL Automação Industrial Ltda, Av. Arthur Thomas, 902, Londrina-PR, Brasil; Universidade Tecnológica Federal do Paraná, UTFPR, Av. Alberto Carazzai 1640, Cornelio Procópio-PR, Brasil; Basque Center for Applied Mathematics, BCAM, Alameda de Mazarredo 14, E Bilbao, Vizcaya, España (de 1o. janeiro à 28 de fevereiro de 2011). Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP) Depto. de Telemática-FEEC, , Campinas, SP, Brasil. s: Resumo Este trabalho apresenta um protótipo de silo de grãos com controle de temperatura. O equipamento possui dimensões reduzidas que facilitam o estudo do comportamento dos grãos no interior de um silo de grande porte. Também pode ser utilizado como um kit didático para o controle de processos térmicos visando a aplicação dos conceitos teóricos e métodos de sintonia de controladores PID. O equipamento foi desenvolvido com a utilização de controladores de processos industriais universais, disponíveis no mercado, e auxiliado por um software de supervisão SCADA para interação entre usuário e planta didática. Palavras-chave controle de processos; equipamento educacional; silo; unidade de armazenagem de grãos. Abstract This paper presents a prototype of a grain silo with temperature control. The equipment has reduced dimensions that facilitate its use in laboratories to simulate the quality of grain stored in large silos. It can also be used as a teaching kit for controlling thermal processes aimed to the application of theoretical concepts and methods of tuning PID controllers. The equipment was developed with the use of universal process controllers available in the market and helped by SCADA supervisory software for interaction between the user and didactic plant. Keywords control of processes; educational equipment; silo; grain bin unity. 1 Introdução Processos que envolvem controle de temperatura estão presentes em vários setores industriais com diversas aplicações em distintos ramos do conhecimento. Por exemplo, em relação ao controle de temperatura em processos microbiológicos, podemos citar o estudo do crescimento de fungos, ressaltando que embora este seja prejudicial a alguns tipos de alimentos, também possui ação benéfica tal como na produção do Penicillium, do Aspergilliusnigger (associado à fabricação de progesterona e ácido cítrico), do Aspergilliusorysae (associado à fermentação de vinho de arroz), dos quiabeiros, tomateiros e cafeeiros (Ribeiro and Campos, 1993). É evidente que um controle de temperatura adequado pode regular a taxa de fungos e, por conseguinte, melhorar a qualidade dos alimentos produzidos. Em relação a conservação de grãos armazena- Pesquisa financiada em parte pela PID BRASIL Automação Industrial Ltda; em parte pela FAPESP Processo 03/ ; em parte pelo CNPq Processos / e /2007-0; e em parte pela Fundación Carolina (Madrid, Espanha) Programa Movilidad de profesores e investigadores Brasil-España. C dos em silos, sabe-se que diversos tipos de insetos podem ser encontrados ali, e dentre estes se destaca o Rhyzopertha dominica por conta da agressividade do ataque causado por este nos grãos armazenados (Edde, 2012). Estima-se que 10% de toda a produção anual de grãos no Brasil seja danificada por esta espécie de inseto, embora o uso de pesticidas para controlar o avanço do Rhyzopertha dominica seja uma estratégia comum (Lorini and Galley, 1999). Uma alternativa razoável para os silos brasileiros é considerar projetos que tenham o aquecimento da temperatura como estratégia básica para o controle da quantidade de insetos, ao invés de adotar-se o controle via pesticidas. A principal contribuição deste artigo é descrever a implementação real de um protótipo de silo para armazenagem de grãos, com controle de temperatura, possuindo dimensões reduzidas para uso em laboratório. As principais características encontradas em silos de grande porte podem ser reproduzidas em laboratório, por conta da estrutura física do protótipo, veja as Figs. 3 e 4 em associação. O protótipo de silo aqui desenvolvido possui um sistema de controle de temperatura, baseado em aquecimento, capaz de manter a temperatura

2 Figura 1: Controlador N120. Vista frontal e esquema de ligação. interna do silo desde a temperatura ambiente (nível mínimo) até 50 o C (nível máximo). O protótipo de silo conta com aeração, o que contribui positivamente para a qualidade do ar e influi diretamente no decréscimo da quantidade de insetos, ácaros e fungos possivelmente existentes (Thorpe, 1997). O sistema de aeração pode ser acionado ou não, de acordo com a necessidade do ensaio. Este artigo está organizado da seguinte maneira. Na Seção 2 os materiais, equipamentos e softwares utilizados para a implementação do silo são apresentados, assim como o funcionamento do mesmo. Na Seção 3 encontra-se resultados obtidos experimentalmente, e finalmente na Seção 4 são apresentadas os comentários finais. 2 Materiais e Implementação A seguir, detalhamos os itens utilizados na implementação do protótipo de silo de grãos. 2.1 Controlador de Temperatura Há no mercado controladores de vários fabricantes e inúmeros modelos, desde os tradicionais controladores analógicos até os modernos controladores digitais com auto-sintonia dos parâmetros de controle PID (Proporcional-Integrativo-Derivativo) e interface de comunicação para monitoramento remoto. Estima-se que 95% dos controladores usados nos processos industriais baseiam-se na arquitetura PID (Åström and Hägglund, 1995), basicamente devido ao seu desempenho robusto sobre uma larga faixa de condições de operação. Neste trabalho adotamos o controlador de temperatura PID Novus modelo N120, conforme a Figura 1. Usualmente, três parâmetros são necessários para ajustar o funcionamento do controlador: K p, K i, e K d, que respectivamente correspondem aos parâmetros proporcional, integrativo e derivativo (Golnaraghi and Kuo, 2009). Através da porta de comunicação RS485, o controlador N120 envia as informações coletadas para o software de supervisão de modo a realizar o registro das variáveis envolvidas no processo(novus, n.d.). Figura 2: Controlador de umidade e temperatura N323-RHT. Vista frontal e esquema de ligação. A temperatura dentro do silo é mensurada através do sinal gerado por sensores do tipo termorresistências PT100, que estão acoplados a parte interna do silo. Este sinal é tratado no driver correspondente e enviado ao controlador N120, responsável pelo atuador que mantém a temperatura no patamar desejado. 2.2 Umidostato eletrônico Para indicar a umidade relativa do ar dentro do silo, utilizamos o equipamento N323-RHT, veja a Fig. 2. A informação da umidade auxilia o projetista a tomar decisões, como por exemplo ligar e/ou desligar ventiladores de aeração, se necessário, durante algum experimento. 2.3 Software de supervisão e protocolo de comunicação Os sistemas supervisórios têm a função de permitir que sejam monitoradas e rastreadas informações qualitativas das variáveis envolvidas no processo. Essas informações são coletadas através de equipamentos de aquisição de dados e, em seguida, condicionadas em um sinal apropriado, que logo após é processado e apresentado ao usuário e/ou projetista. O sistema supervisório adotado neste projeto é o Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA). Neste projeto adotamos o software Superview, desenvolvido pela Novus Produtos Eletrônicos, para implementar a comunicação no SCADA. O Superview é um software de supervisão de processos industriais de pequeno porte focado nas aplicações de supervisão de equipamentos em rede Modbus RTU. É totalmente configurável, permitindo que o usuário desenhe suas próprias telas de supervisão do processo (Novus, n.d.). O protocolo de comunicação Modbus foi desenvolvido nos laboratórios da Modicom Automation Systems, para a troca de informações entre dois equipamentos ou mais, ditos mestre/escravo ou servidor/cliente. 2.4 Dimensionamento mecânico e elétrico A estrutura mecânica do protótipo de silo reproduz proporcionalmente as dimensões dos silos de

3 ar frio ar quente T 1 ar frio ar frio T 2 Figura 3: Vista frontal do comportimento externo e internodosilodegrõsnasimagensàesquerdaedireita respectivamente. grande porte. O reservatório externo foi confeccionado com as seguintes dimensões: 750mm de altura e 400mm de diâmetro, veja a Fig. 3. Na parte lateral foram instalados quatro micro-ventiladores de dimensões mm, para realizar o sistema de aeração. O ar na temperatura ambiente é captado e levado à parte interna do recipiente. O modelo de micro-ventilador adotado é comumente usado para a circulação de ar em painéis elétricos. A escolha desse modelo se deve em virtude de seu baixo consumo de corrente e boa relação custo benefício. Verificamos experimentalmente que o desempenho mostrou-se satisfatório para o protótipo desenvolvido. Para a criação do sistema de aquecimento foram fixadas na parte interna do reservatório, posicionados defronte a cada um dos micros ventiladores, uma resistência do tipo aletada, utilizada normalmente em sistemas de aquecimento de ar devido a sua alta dissipação de calor. Estas resistências possuem potência de 120W quando alimentadas em 220Vac. Neste projeto as resistências são responsáveis pelo aquecimento do ar externo que penetrará no produto abrigado dentro do silo. Cada controlador de processo é responsável por uma zona de aquecimento e o acionamento das resistências é realizado por dois relés de estado sólido, sendo conectado a cada um deles duas resistências ligadas em paralelo. Desta forma para cada zona, inferior e central, temos um conjunto formado por um controlador, um relé de estado sólido e duas resistências. Internamente foi desenvolvido um reservatório secundário com paredes que permitem a passagem do fluxo de ar para abrigar o material ou produto a ser armazenado e estudado, com as seguintes dimensões: 680mm de altura e 300mm de diâmetro, o que confere ao sistema a capacidade de abrigar aproximadamente 48 decímetros cúbicos de grãos, veja a Fig. 3. O diagrama esquemático da Fig. 4 ilustra o comportamento do fluxo de ar no protótipo do Figura 4: Ilustração que apresenta a estrutura simplificada de funcionamento do protótipo do silo de grãos. O ar frio flui para dentro do silo por três entradas distintas e recebe aquecimento adequado de acordo com as medições realizadas em T 1 e T 2. O processo realiza o descarte de ar aquecido pela saída correspondente. silo. Uma vez que se deseja promover um fluxo de ar que atravesse toda a estrutura interna, foi instalado no reservatório interno um micro-ventilador no seu topo. Este ventilador direciona a corrente de ar da parte inferior à parte superior. No desenvolvimento do projeto elétrico os equipamentos estão divididos em dois circuitos distintos: (i) circuito de comando para o acionamento dos controladores, leds de sinalização e microventiladores,(ii) dois circuitos de potência para cada par de resistências, um par na parte superior do silo, e outro na parte inferior. Cada circuito possui proteção contra sobrecorrente através de disjuntores bimetálicos de capacidade de acordo com a corrente máxima que as cargas instaladas possam consumir. As conexões de alimentação dos equipamentos instalados, sensores de temperatura e umidade, e também as saídas para acionamento das resistências são feitas pela parte inferior do painel elétrico através dos bornes do tipo SAK. A parte frontal do painel elétrico pode ser visualizada na Fig. 5. Encontra-se instalado ali o umidostado N323, que indica a temperatura e concentração de umidade na região superior do reservatório. O painel possui chaves de comando que proporciona ao usuário e/ou projetista: 1. Usar a chave de ativação do sistema que liga e desliga os controladores; 2. Escolher o modo de operação dos ventiladores entre manual, desligado ou automático (habilitando ou não o processo de aeração); 3. Habilitar ou desabilitar o supervisório; 4. Habilitar ou desabilitar as chaves que habilitam os relés de estado sólido (para aciona-

4 Figura 5: Vista frontal e interna do painel de comando elétrico. As chaves são utilizadas para a operação manual do processo. Figura 7: Tela de abertura do sistema supervisório. Cabe ressaltar que a tela do supervisório permite a alteração dos parâmetros dos controladores PID, assim como realizar as medições, em tempo real, da temperatura no interior do silo. Botão Alarmes: mostra a tela ALARMES, que apresenta a relação das últimas advertências ocorridas no processo. Figura 6: Painel de comando elétrico contendo os controladores, relés, sistemas de acionamento, e placas para atuação e comunicação do sistema supervisório com o processo. mento das resistências), sirene de alarme e botão de emergência. A Fig. 6 apresenta os elementos elétricos que realizam o processo de controle e atuação do sistema. 2.5 Sistema de monitoramento, registo e supervisão A tela do sistema supervisório desenvolvida na plataforma Superview tem as funcionalidades a seguir: Botão Planta: apresenta a tela PLANTA, mostrada na Fig. 7, que por sua vez é responsável pelo estado geral de funcionamento do sistema. Botão Diagnóstico: direciona a tela Resposta do Sistema, onde são apresentados os gráficos das variáveis de processo envolvidas no controle. A tela Planta (veja Fig. 7) é a tela principal de controle de todo o sistema implementado. Nela pode-se observar a disposição dos sensores que captam a intensidade da temperatura ao longo de todo o reservatório. Na parte superior há uma série de botões que se repetirão nas demais telas. Estes são utilizados para alternância entre as telas, assim respectivamente temos os botões de Avanço, Retorno, Tela de Diagnóstico, Visualização de Históricos e Relatórios, Tela de Alarmes, Tela de Ajuda, Informação de Usuário e Data e Hora do sistema. Na parte inferior da tela Planta temos uma barra de ala mês, que informa ao usuário sobre comandos que foram acionados e anomalias registradas, como alarme de temperatura máxima, controle de temperatura ativo ou desativado. Ainda localizada na parte inferior direita tem-se a barra de históricos, onde se faz a seleção de quais variáveis de processo se deseja proceder o registro. O histórico somente se iniciará após ser selecionado, assim como será encerrado ao ser desmarcado ou ao final da supervisão. É através desta tela de supervisão que se estabelece o controle dos equipamentos empregados para o sistema de aquecimento. Ao centro encontra-se a imagem virtual dos controladores de temperatura responsáveis pelo controle PID atuantes nas resistências. Pressionando a tecla RUN correspondente a cada controlador se inicia o processo de aquecimento e deixa o controlador habilitado ao funcionamento das saídas de controle e alarmes. Ao ser pressionado a tecla P dos controladores é apresentada a tela de parametrização de controle PID, na qual se faz a inserção dos parâmetros K p, K i e K d. Pressionando o botão de visualização de his-

5 tóricos, na barra superior, será apresentada uma janela, onde através dela é possível a visualização dos dados armazenados nos históricos. Tais informações poderão ser apresentadas de forma gráfica ou dispostas em tabela, assim como existe a opção de exportar as informações para os seguintes formatos de arquivos: XLS, PDF, RTF, XML, HTML, DBF, TXT e CSV. Outras informações poderão ser adicionadas através da opção relatório, na qual se tem a disponibilidade para inserção de um breve texto a descrever as curvas de resposta do sistema. Na tela de diagnóstico, é visível o acompanhamento em tempo real da curva de aquecimento do sistema. Na parte inferior da tela pode-se avaliar o comportamento individual das variáveis: umidade, temperatura superior, temperatura central e temperatura inferior. Na tela alarmes são apresentadas todas as informações que requerem maior atenção do usuário, ou seja, ao ser gerado um novo alarme é definido algumas características peculiares tais como: tipo, prioridade, mensagem, marcador, para que na sua ocorrência o usuário possa identificar de maneira precisa o que acontece com a planta naquele exato momento. 3 Aplicação: Controle de temperatura no interior do protótipo de silo O processo térmico constitui-se num sistema de duas entradas de referência e duas saídas correspondendo as duas temperaturas dos sensores T 1 e T 2, veja a localização geométrica dos sensores na Fig. 4. Os dois controladores PID utilizados no projeto atuam de modo independente nas resistências de aquecimento dentro do silo, embora os efeitos dos controladores sobre o aquecimento das resistências influenciam de modo conjunto nos dois sensores de temperatura e vice-versa. Além disso, existe um fluxo de ar interno sob efeito dos micro-ventiladores de entrada e aquele superior associado ao fluxo de ar aspirado dentro do compartimento. Estes elementos combinados impõem uma característica não-linear ao sistema. A obtenção de tal modelo não-linear encontra-se fora do escopo deste artigo, porém realizamos aqui uma aproximação linear impondo parâmetros idênticos nos dois controladores. Ou seja, adotamos em ambos os controladores os valores K p = 60, K i = 30, K d = 0. (1) O principal objetivo é controlar a temperatura interna do silo de modo a temperatura no centro geométrico do silo (i.e., T 1 ) alcance e se mantenha no valor 40 o C. Realizamos o experimento com o silo em vazio (sem o uso de grãos para acelerar o tempo do experimento). Percebemos experimentalmente que o controle é realizado com sucesso pois a temperatura mensurada no sensor T 1 alcança o valor de 40 o C T 1(k) Temperatura no interior do silo simul. real k (minutos) Figura 8: Temperatura no interior do silo de grãos em função do tempo, de acordo com a experiência da Seção 3. em regime, veja a Fig. 8. A temperatura no sensor T 2 apresenta-se defasada em 1.5 o C em relação a T 1, e esse comportamento é razoável pois o sensor T 2 localiza-se na base do silo e o comando de atuação das resistências está disposto fisicamente de modo a priorizar o aquecimento no centro geométrico do silo. Em resumo, quando ambos os controladores estão em ação, o controle é implementado visando priorizar o ajuste de temperatura em T 1 em detrimento de T 2. O tempo de amostragem utilizado no experimento é minutos, e o modelo linear válido em torno do ponto de operação é dado por, para cada k 0, [ ] x(k +1) = x(k) [ ] r(k), T 1 (k) = [ ] x(k)+26.9, no qual x(k) R 2 representa o estado do sistema, r(k) R denota a entrada de referência, e T 1 (k) R representa a temperatura no sensor localizado no centro geométrico do silo. 4 Comentários finais Este artigo apresenta um protótipo de silo de grãos, com controle de temperatura, voltado para uso experimental e ensaios em laboratórios. O protótipo também pode ser aplicado em outros processos que necessitam de um controle de temperatura. Uma das contribuições foi a de desenvolver todo o projeto estrutural mecânico, elétrico, eletrônico e computacional usando equipamentos existentes no mercado brasileiro. O artigo apresenta o resultado de um experimento no qual é

6 possível obter um sistema linear válido. Estudos adicionais precisam ser empreendidos para uma melhor compreensão do modelo, possivelmente empregando técnicas de estabilidade de sistemas estocásticos variantes no tempo (Vargas and do Val, 2010). Referências Åström, K. J. and Hägglund, T. (1995). PID controllers: Theory, design and tuning, Research Triangle Park, N.C. Instrument Society of America. Edde, P. A. (2012). A review of the biology and control of Rhyzopertha dominica (F.) the lesser grain borer, Journal of Stored Products Research 48: Golnaraghi, F. and Kuo, B. C. (2009). Automatic Control Systems, 9th edn, Wiley. Lorini, I. and Galley, D. J. (1999). Deltamethrin resistance in Rhyzopertha dominica (F.) (Coleoptera: Bostrichidae), a pest of stored grain in Brazil, Journal of Stored Products Research 35(1): Novus (n.d.). Acessado: 16/04/2012. Ribeiro, R. C. F. and Campos, V. P. (1993). Controle de Meloidogyne javanica com fungos parasitas de ovos, Nematol. Brasileiral 17(2): Thorpe, G. R. (1997). Modelling ecosystems in ventilated conical bottomed farm grain silos, Ecological Modelling 94(2-3): Vargas, A. N. and do Val, J. B. R. (2010). Average cost and stability of time-varying linear systems, IEEE Trans. Automat. Control 55: