Controle Automático de Vazão em Chuveiro Frigorífico Visando Redução do Desperdício de Água

Transcrição

1 Controle Automático de Vazão em Chuveiro Frigorífico Visando Redução do Desperdício de Água Josimar Rissi Instituto Federal de Santa Catarina - IFSC Chapecó- SC, Brasil josimarrissi@hotmail.com Resumo O artigo é baseado na automação de controle de vazão de água em malha fechada de um chuveiro para lavação de frangos em um frigorífico, utilizando CLP (controlador lógico programável), IHM (interface homem-máquina), encoder, válvula proporcional, sensor de vazão eletromagnético. O controle utilizado no processo foi através de PID (proporcional integral e derivativo) com constantes obtidas a partir do software Matlab. O trabalho apresenta o método de resposta ao degrau para extrair a curva de resposta do sistema e os procedimentos de sintonia dos parâmetros do controlador PID. Os resultados do projeto foram considerados ótimos por terem superado as expectativas e metas de redução do consumo de água do processo I. INTRODUÇÃO A água é um recurso natural imprescindível para os organismos, populações e ecossistemas. Existe um envolvimento entre recursos naturais e tecnologia, uma vez que há a necessidade da existência de processos tecnológicos para utilização de um recurso [1]. Com o aumento do risco de escassez de água nos grandes conglomerados urbanos, é imperativa a adoção de estratégias que possibilitem um melhor aproveitamento dos recursos disponíveis [2,3]. Isso exige uma abordagem integrada sobre a questão do uso da água e gerenciamento de efluentes, de maneira a possibilitar o desenvolvimento das atividades humanas sem as constantes ameaças de racionamento de água e interrupção das atividades econômicas [2,4]. Exemplo disso é que muitas empresas hoje exigem de seus fornecedores, além de certificados de qualidade, certificados de respeito ao meio ambiente e economia de recursos naturais [5]. Os avanços no controle automático vêm produzindo meios para otimizar o desempenho dos sistemas dinâmicos, melhorar a produtividade e diminuir o trabalho árduo de várias rotinas de operações manuais repetitivas [6]. O objetivo do trabalho é reduzir o consumo de água utilizada em um chuveiro lavador de frangos utilizado em um Guilherme de Santana Weizenmann Instituto Federal de Santa Catarina Chapecó - SC guilherme.weizenmann@ifsc.edu.br frigorífico. Segundo a legislação vigente [7], a quantidade de água mínima utilizada para limpeza de carcaças de frango é de 1,5 l por carcaça, a fiscalização é realizada medindo o volume de água de uma hora de produção, dividindo o volume pelo número de carcaças do mesmo período. O volume de água que será utilizada pelo chuveiro atualmente é ajustado através de um registro de água simples com acionamento manual. Para mensurar o volume de água que já foi consumida no chuveiro utiliza-se um hidrômetro convencional. O problema do sistema descrito é que não é possível medir o volume de água em tempo real, apenas o volume que já foi consumido através do hidrômetro. Isso gera desperdício de água, pois o volume consumido sempre fica acima do mínimo necessário, esse desperdício gera gastos desde o bombeamento da água do reservatório, passando pelos custos de tratamento até o descarte da água. II. OBJETIVOS O objetivo do trabalho consiste em desenvolver um sistema capaz de monitorar o volume de água consumido em tempo real e ajustar automaticamente a vazão de água, de acordo com a quantidade de frangos que estão passando na nórea naquele momento, a fim de reduzir o consumo de água em um mínimo de 10% do atual III. METODOLOGIA Para desenvolver o sistema foram utilizados um Controlador Lógico Programável (CLP) da linha MicroLogix 1400 da fabricante Rockwell [8], o CLP possui entradas rápidas para leitura do encoder e também oferece módulos de entrada e saída analógica necessários para efetuar a leitura e controle do sistema; uma válvula eletropneumática proporcional reguladora de fluxo com pressão de trabalho máxima de 12,5 bar, característica necessária pois a pressão do sistema imposta pela bomba é de 11 bar; acoplada à válvula proporcional tem-se um regulador de processo com entrada analógica de tensão na faixa de 0-10Vcc [9], necessário para ler os dados enviados pelo CLP e controlar o ângulo de

2 abertura da válvula; o regulador de processo assim como a válvula proporcional são da marca Bürkert por serem compatíveis entre si; um sensor eletromagnético de medição de vazão também da marca Bürkert, e com saída analógica de corrente para transmitir a vazão instantânea do sistema [10], a precisão do sensor chega a +-0,5% com calibração manual [10]; um encoder incremental blindado de 1024 pulsos/giro para medição precisa da velocidade da nórea; uma Interface Homem Máquina (IHM) da linha PanelView da fabricante Rockwell para monitoramento de variáveis e estados do sistema. Na planta os componentes do sistema foram dispostos conforme a Figura 1. Figura 1. Planta do Sistema Um reservatório de água central é responsável por suprir a necessidade de água para o funcionamento de todo o sistema. Por se tratar de um sistema de lavagem de carcaças, é desejável que a água possua alta pressão, deste modo a aplicação se torna mais eficiente utilizando uma bomba. Para ajustar a vazão de água do sistema foi necessário aplicar uma válvula capaz de efetuar um controle do ângulo de abertura fino e estável, assim foi instalada a válvula proporcional, que é gerenciada por um regulador de processo acoplado a ela. O regulador de processo recebe um sinal do CLP na forma de tensão variando de 0-10Vcc e controla a abertura da válvula. O encoder fica acoplado à nórea e tem a função de realizar a leitura de velocidade da mesma, os pulsos do encoder são então enviados ao CLP para informar a quantidade de frangos que passam pelo chuveiro no momento. Para mensurar a vazão de água operada pela válvula instantaneamente foi utilizado um sensor de vazão eletromagnético com saída de corrente operando na faixa de 4-20mA, esse sinal de corrente é transmitido ao CLP como feedback possibilitando o controle em malha fechada do sistema. O CLP por sua vez tem a função de executar o programa de controle do sistema, onde estão todas as condições de funcionamento e leitura de variáveis juntamente com o algoritmo PID. O diagrama de blocos da Figura 2 representa a disposição do sistema em malha fechada. Figura 2. Diagrama de blocos Para se aplicar um método de controle satisfatório se faz necessária a obtenção da função de transferência do sistema. A função de transferência pode ser obtida através de modelagem matemática ou através de métodos que utilizam a curva resposta do sistema a diferentes tipos de excitação [6]. No trabalho foi utilizado o método de análise da curva resposta do sistema a uma excitação do tipo degrau. O procedimento de obtenção da curva consistiu em mudar o sistema para o modo manual, abrir a válvula totalmente e observar a variação da vazão na saída. Para registrar os dados da saída, utilizou-se um microcontrolador ATmega 328. Os sinais analógicos da válvula e do sensor foram ligados às entradas analógicas de 10 bits do microcontrolador, a partir do algoritmo implementado foi realizada a aquisição dos dados a uma frequência de 500 Hz. Os dados foram registrados no Excel e exportados posteriormente para o software MatLab. Com os dados inseridos no MatLab foi possível identificar o tipo de curva de resposta e suas características. A partir da curva obtida pode-se encontrar a função de transferência do sistema, essencial para que se dê continuidade ao trabalho. Existem diversas possibilidades de métodos que podem ser utilizados para se encontrar a função de transferência baseando-se na curva resposta do sistema. Alguns métodos são mais conhecidos, como o Método de Ziegler e Nichols que tem como uma de suas restrições que a curva resposta possua formato de s, o que é o caso dessa aplicação. Porém o método resulta apenas em uma aproximação de parâmetros e necessita de ajustes manuais baseados em testes após a implantação do sistema, além de ser uma forma manual de se encontra r a função. No sistema em questão optou-se por utilizar ferramentas e programas matemáticos para encontrar sua função de transferência, mais especificamente foi utilizada a ferramenta Simulink do software Matlab. A decisão de utilizar programas computacionais foi baseada na tecnologia e precisão dos softwares que estão cada vez mais avançados atualmente. Para identificar a função de transferência no MatLab foi utilizada a função ident(), introduzindo os dados resultantes das medições. A função ident() interpreta o gráfico gerado e aproxima a função de transferência da melhor forma possível através de variadas análises [11]. A curva resposta ao degrau e a curva aproximada pelo MatLab estão dispostas na Figura 3.

3 Uma nova análise da curva resposta ao degrau foi registrada, mas agora com o sistema atuando em malha fechada, com o controle sendo realizado pelo bloco PID do CLP com os ganhos calculados. A resposta da planta com os valores ajustados pelo controle computacional é visualizada na Figura 7. Os ganhos calculados pelo Simulink para o controlador são detalhados na Tabela 1. Tabela 1. Ganhos calculados no Simulink Proporcional 0,3684 Integral 0,1807 Figura 3. Curva mensurada X Curva simulada A curva resposta simulada que mais se aproximou da curva registrada através das medições, representada pela Figura 3, teve aproximação de 93,79% e pode ser expressa pela Equacao 1. Derivativo 0,0750 Na ferramenta Simulink do MatLab então pode-se representar todo o circuito da planta do sistema. Na Figura 4 está disposta a malha de controle utilizada para solucionar e sintonizar os parâmetros da aplicação. Figura 4. Malha do sistema Os ganhos iniciais, tomados como ponto de partida foram obtidos pela função tune do bloco de PID. Para inserir os ganhos na planta real é necessário converte-los para a topologia acadêmica, utilizada pelo bloco de controle do CLP. O gráfico da resposta do sistema com ganhos ajustados pode ser analisado na Figura 5. Figura 7. Curva com Controle PID Calculado A diferença do tempo de subida da planta simulada para a real pode ser explicada pela saturação da ação de controle que não foi inserida no modelo. Para acelerar a resposta do sistema, o ganho proporcional foi alterado de 0,3684 para 0,4. Essa alteração surtiu efeitos considerados satisfatórios, diminuindo o tempo de estabilização do sistema. A resposta do sistema com o valor proporcional alterado pode ser observada na Figura 8. Figura 5. Gráficos Resposta Figura 8. Curva com Controle PID Melhorado Com a parte de programação lógica e de controle do CLP concluída, partiu-se para o desenvolvimento da IHM. Na programação da IHM devem constar campos para que o operador do sistema possa monitorar ou alterar valores de

4 setpoint do processo. Para tanto, as funções da IHM são divididas em diversas telas a fim de manter uma organização e objetividade na interface gráfica. Na Figura 9 pode-se observar a primeira tela da IHM, na qual há a possibilidade de optar pela próxima tela: operação ou manutenção. Se a opção de operação for selecionada o operador é redirecionado para um dos dois chuveiros instalados na planta industrial. Uma nova tela será acessada com novas possibilidades de ajustes e monitoramento, variáveis, estados do sistema. Figura 11. Tela de Manutenção da IHM Figura 9. Tela principal da IHM Na tela representada na Figura 10 existem opções como: monitoramento de velocidade da nórea, litros de água consumidos por minuto ou por hora, estado da bomba de água, valor de erro em tempo real, opção para selecionar qual a quantidade de água mensurada por frango no processo, etc. IV. RESULTADOS E DISCUSSÕES Foram efetuadas leituras de consumo de água após a implantação do sistema e comparadas com planilhas de monitoramento que antecedem as melhorias. Os dados analisados para obter os resultados da aplicação foram registrados no mês de junho de Analisando os dados das planilhas de controle do frigorífico obtemos os resultados descritos na Tabela 2. Os dados são baseados na leitura de consumo de água de aves em cada etapa, valor esse corresponde à quantidade de aves abatidas por dia no frigorífico analisado. Tabela 2. Valores Comparativos de Resultados Volume de Água (m³) Litros/ Frango Manual 352,8 1,96 Automático 273,6 1,52 Economia (%) Economia 79,2 0,44 22,44 Baseando-se na tabela podemos concluir então que o resultado alcançado pelo projeto superou suas metas alcançando 22,44% de economia de água. Figura 10. Tela Operacional da IHM Por outro lado, se for selecionada a opção de manutenção, se abrirá uma nova tela com opções de manutenção, com monitoramento de entradas e saídas analógicas do CLP, opções de abertura e fechamento remotamente da válvula de forma manual. Na Figura 11 aparecem as opções descritas. V. CONCLUSÃO O objetivo principal do trabalho, reduzir o consumo de água em 10%, foi atingido. Um ponto importante a ser lembrado é que toda a água consumida pelo frigorífico, antes de ser descartada, deve ser tratada de forma que se torne potável novamente. Isso acarreta gastos com o tratamento da água para a utilização no processo e também o posterior tratamento para seu descarte dentro das normas legais. O valor gasto no tratamento de água captada da natureza para ser utilizada em um frigorífico já é considerado alto, mas o custo de tratamento da água para posterior descarte na natureza é praticamente o dobro. Com isso tem-se a certeza de que a economia de água e mão de obra traz ótimos benefícios à empresa. Também fica evidente a importância da tecnologia nos processos industriais, onde sempre é possível minimizar

5 custos e maximizar a produção, ou reduzir desperdícios. A cada dia surgem novas opções de tecnologias avançadas no mercado e engenheiros devem estar atentos para sempre estarem a frente desse avanço tecnológico AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao Instituto Federal de Santa Catarina e aos docentes Prof. Msc. Vinícius B. Peccin e Prof. Msc. Leandro Chies, pela ajuda no decorrer do trabalho. REFERENCES [1] Vários autores. Introdução à engenharia ambiental. 2 ed. São Paulo: Pearson, [2] MIERZWA, José Carlos; HESPANHOL, Ivanildo. Água na indústria: uso racional e reuso. 1 ed. São Paulo: Oficina de Textos, [3] VAUX, Henry. Water conservation, efficiency and reuse. Elements, 2011, June. pp [4] Karthik, M; Dhodapkar, R; Manekar, P; et. al. Closing water loop in a paper mill section for water conservation and reuse. Desalination, 2011, October. pp [5] VALLE, Cyro Eyer do. Qualidade ambiental: ISO ed. São Paulo: SENAC, [6] OGATA, Katsuhiko. Engenharia de controle moderno. 4 ed. São Paulo: Pearson, [7] Secretaria de Defesa Agropecuária, Ministério da Agricultura e do Abastecimento. Portaria N Disponível em: cuperartextoatotematicaportal&codigotematica= Acesso em: 18 março [8] Allen-Bradley. MicroLogix 1400 Programmable Controllers. Disponível em: < rm001_-en-p.pdf>. Acesso em: 21 março [9] Bürkert. Fluid Control Systems: Piston Actuated Angle Seat Valve, Type Disponível em: < EU-ML.pdf>. Acesso em: 20 março [10] Bürkert. Fluid Control Systems: Insertion Eletromagnetic Flowmeter, Type Disponível em: < EU-EN.pdf>. Acesso em: 20 março [11] UFRG. PID-Tool Box: Uma ferramenta para o ensino de ajuste de controladores PID. Disponível em: < Acesso em: 20 maio 2015.