CONTROLE DE NÍVEL ATRAVÉS DE UMA VÁLVULA ESFÉRICA

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1 CONTROLE DE NÍVEL ATRAVÉS DE UMA VÁLVULA ESFÉRICA Marco Aurélio Lage Duarte 1 Brenda Mendes Lopes 2 Accacio Ferreira dos Santos 3

2 PALAVRAS-CHAVE: válvula esférica; controle de nível; sintonia PI; Arduino. 1. INTRODUÇÃO A necessidade de propiciar meios aos estudantes de vivenciarem situações próximas ao ambiente industrial é imprescindível quando se busca a formação de engenheiros de qualidade (FROYD, 2012). No entanto, o alto custo das atuais plantas didáticas industriais dificulta a aquisição pelo meio acadêmico, criando uma carência em grande maioria das instituições de ensino (GOMES, 2011; COELHO, 2001). Neste contexto, buscou-se desenvolver um protótipo de baixo custo que permita aproximar os estudantes do ambiente industrial, ter contato e experiência com as particularidades de um sistema real e aprofundar os conceitos teóricos/práticos do ensino de Controle Automático. 267 O protótipo foi elaborado com o objetivo de trabalhar com uma das malhas de controle clássicas da área de controle de processo, a malha de controle de nível, mediante uma válvula esférica. O controle de nível normalmente é aplicado em vários setores industriais (CAMPOS, 2008), por exemplo, indústrias de papel e celulose, mineração, química, siderúrgica (BEGA, 2006). Nestes sistemas industriais, quando há a disponibilidade de um tanque gravitacional, o mesmo controle pode ser feito por válvulas esféricas que permitam o controle da entrada do líquido em um tanque de armazenamento com a vantagem de operação em tensões menores. Sabe-se também que este tipo de válvula apresenta tanto uma boa característica de controle quanto uma ótima vedação, principalmente quando em situação de bloqueio (BEGA, 2006). Neste sentido, espera-se que a motivação deste trabalho possa contribuir especialmente para o ensino de controle de automático, incentivando o desenvolvimento de diversos outros processos que auxiliem no ensino-aprendizado em instituições educacionais brasileiras.

3 2. METODOLOGIA O projeto elaborado, apresentado na Figura 1, consiste em um protótipo de baixo custo estruturado por dois reservatórios de líquidos, uma bomba centrífuga e os elementos elaborados pelos autores: uma válvula esférica e um sensor de nível. O recipiente da parte baixa da planta realiza o controle de nível. Já o da parte superior, possui o propósito de armazenar o líquido que, através da energia potencial gravitacional, tende a fluir para o tanque inferior. O sistema possui um microcontrolador Arduino, o qual é responsável por receber os dados dos sensores, processar e enviar ações para os atuadores do sistema. A bomba centrífuga, alimentada por 12 volts, sem nenhum controle aplicado na nela, é utilizada somente para recircular o líquido do tanque inferior ao superior em uma vazão constante. Com o intuito de desenvolver um controle para a planta, foram utilizados um servo motor, como atuador, e uma boia conectada ao potenciômetro, como sensor de nível, conforme a Figura 2. Com o objetivo de limitar a vazão do líquido, uma válvula esférica foi construída pelos autores através de um acoplamento mecânico que une a válvula ao servo motor, permitindo que apenas o líquido necessário seja liberado, a fim de controlar o nível do tanque inferior. Para realizar a leitura do nível, também foi desenvolvido um sensor de nível constituído por uma boia de isopor e um potenciômetro, os quais foram unidos por uma barra rosqueada. A leitura no nível, neste dispositivo, é mensurada por meio da variação da resistência do potenciômetro, o que proporciona uma variação da corrente na entrada analógica do Arduino e uma leitura de tensão entre 0 e 5 volts. 268

4 Figura 1. Esquemático do protótipo desenvolvido Fonte: Elaborado pelo autor Figura 2. Atuador e sensor desenvolvidos Fonte: Elaborado pelo autor Para uma melhor visualização de como foi realizado a ligação sensor/ atuador do protótipo, foi desenvolvido, com o auxílio do Autodesk Circuits, um diagrama de ligação em que podem ser identificados todos os componentes utilizados, conforme apresentado na Figura

5 Figura 3. Diagrama de entrada e saída no Arduíno Fonte: Elaborado pelo autor no Autodesk Circuits 3. DISCUSSÃO E RESULTADOS 270 A fim de apresentar a aplicabilidade do protótipo, serão apresentados alguns resultados experimentais essenciais para estudo da dinâmica e do controle do sistema: a curva de reação do sistema em malha aberta e o comportamento do sistema exposto a um controlador. A curva de reação do sistema exposto a uma entrada do tipo degrau pode ser vista na Figura 4, bem como o resultado da identificação do sistema, cuja semelhança entre a curva real e simulada é de aproximadamente 95%. Na Figura 5, observa- -se o comportamento do sistema influenciado pelo Controlador PI (Proporcional-Integral), implementado na Plataforma Arduino. O controle implementado é realizado através da realimentação do sistema que compara de tempo em tempo a leitura do nível do reservatório com o nível desejado (Setpoint). Por meio da diferença estimada e da lógica do controlador sintonizado, o microcontrolador envia uma ação corretiva para que o sistema rastreie e se estabilize no valor do nível desejado. Ressalta-se que a ação corretiva corresponde a uma variação angular da válvula esférica, reduzindo ou aumentando o nível do reservatório.

6 Figura 4. Curva de Reação do sistema (Identificação do Sistema) Figura 5. Controlador PI Fonte: Elaborado pelo autor no programa Matlab 4. CONCLUSÃO Fonte: Elaborado pelo autor no programa Matlab 271 Analisando os resultados apresentados, seja da curva de reação ou mesmo da implementação do controlador, é possível perceber a potencialidade da proposta apresentada. Observa-se que o protótipo de baixo custo permite ao aluno o contato com aspectos inerentes da aplicação dos conceitos da teoria de controle clássico em um sistema real: identificação de sistemas, análise de características dinâmicas do sistema, implementação de técnicas de controle via Plataforma Arduino, dentre outros conceitos. Por fim, almeja-se que a motivação deste trabalho possa contribuir para o ensino de controle de automático, incentivando o desenvolvimento de diversos outros processos que auxiliem o aprendizado de futuros engenheiros.

7 5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BEGA, Egídio A. Instrumentação industrial CAMPOS, M. C. M. M. Controles típicos de equipamentos e processos industriais COELHO, R. A. A. et al. Da teoria à prática: projeto motor taco-gerador. In: XXIX Congresso Brasileiro de Ensino de Engenharia FROYD, J. E.; WANKAT, P. C.; SMITH, Karl A. Five major shifts in 100 years of engineering education. In: Proceedings of the IEEE, v. 100, n. Special Centennial Issue, p , GOMES, F. J. et al. Módulo laboratorial de baixo custo, baseado em FOSS, para Educação em Engenharia de Controle de Processos Industriais. In: Anais do XXXIX Congresso Brasileiro de Educação em Engenharia, Cobenge. Blumenau, FURB, NOTAS 1 Graduando em Engenharia de Controle e Automação, CEFET-MG, Leopoldina, MG, Brasil. marcoaureliolduarte@gmail.com 2 Graduando em Engenharia de Controle e Automação, CEFET-MG, Leopoldina, MG, Brasil. brendamendeslopes@gmail.com 3 Graduado em Engenharia Elétrica, Mestre em Modelagem Computacional, Departamento de Eletroeletrônica, CEFET-MG, Leopoldina-MG, Brasil. accacio@leopoldina.cefetmg.br 272