UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETROTÉCNICA ENGENHARIA INDUSTRIAL ELÉTRICA CONTROLE E AUTOMAÇÃO JOÃO VICENTE BALVEDI GAIEWSKI KELVIN DE ALMEIDA KOZAKEVITCH MÁRIO AUGUSTO CARNASCIALI MENEZES PROJETO DE UM FORNO ELÉTRICO UTILIZANDO CONTROLADOR PID TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO CURITIBA 2013
JOÃO VICENTE BALVEDI GAIEWSKI KELVIN DE ALMEIDA KOZAKEVITCH MÁRIO AUGUSTO CARNASCIALI MENEZES PROJETO DE UM FORNO ELÉTRICO UTILIZANDO CONTROLADOR PID Proposta de Trabalho de Conclusão de Curso, apresentado à disciplina de Metodologia Aplicada ao TCC, do Curso Superior de Engenharia industrial Elétrica com ênfase em Automação do Departamento Acadêmico de Eletrotécnica (DAELT) da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR), como requisito parcial para obtenção do título de Engenheiro. Orientador: Dr. Valmir de Oliveira Co-Orientador: Dr. Ismael Chiamenti CURITIBA 2013
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO 2 1.1 TEMA 2 1.1.1 Delimitação do Tema 3 1.2 PROBLEMAS E PREMISAS 3 1.3 OBJETIVOS 4 1.3.1 Objetivo Geral 4 1.3.2 Objetivos Específicos 4 1.4 JUSTIFICATIVA 4 1.5 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS 5 1.6 ESTRUTURA DO TRABALHO 5 1.7 CRONOGRAMA 6
2 1 INTRODUÇÃO 1.1 TEMA Com a evolução das telecomunicações mundiais e o advento da internet, o padrão de vida do ser humano vem mudando radicalmente comparado às ultimas décadas. Informação instantânea e de fácil e rápido acesso está se tornando quase uma necessidade para as pessoas. Desde então vários meios de transmissão física para redes foram sendo desenvolvidos, e entre eles a fibra ótica é um dos mais eficientes. Dentre outros a fibra ótica tem muitas vantagens: Tem maior capacidade para transportar informações; A matéria prima para sua fabricação, a sílica, é muito mais abundante que os metais e possui baixo custo de produção; Não sofrem com as interferências elétricas nem magnéticas, além de dificultar um possível grampeamento; A comunicação é mais confiável, pois são imunes a falhas; Ao contrário dos fios metálicos, os fios de vidro não enferrujam, não oxidam e não sofrem com a ação de agentes químicos.(silva, 2009) Para a criação e manutenção de fibra ótica são necessárias temperaturas elevadas, do nível de 800 ou mais graus Celsius. Chegando a ter partes do processo de criação que podem chegar até 2000 graus Celsius (FREUDENRICH,2009). Fornos presentes no mercado que fornecem esse calor geralmente tem tamanhos muito grandes para nossa aplicação, e terão perdas ou problemas desnecessários sendo que estamos lidando com fibras da ordem de milímetros. Sendo assim o tema principal do trabalho é um forno elétrico que tenha dimensões adequadas na ordem de milímetros e atenda os requerimentos citados anteriormente.
3 1.1.1 Delimitação do Tema O tema para o trabalho de conclusão de curso é um forno elétrico com um controle feito por controlador PID, e temperatura ajustada através de um microcontrolador. Pode ser separado então nessas 3 estruturas principais. Este forno deve ter as dimensões na ordem de milímetros, deve atingir a temperatura requerida de 1000 graus Celsius para efetuar a manutenção, e deve isolar a temperatura interna para que a temperatura em redor do forno externa fique mais perto da temperatura ambiente o possível. 1.2 PROBLEMAS E PREMISAS O forno disponível para o trabalho na faculdade é de 50 centímetros de comprimento, precisa-se reduzir o tamanho do forno para a ordem de 1 ou 2 centímetros pois um forno menor diminuirá as perdas, o custo e facilitará a utilização do mesmo. É necessário também conseguir uma termo-resistência, que é a parte do forno que esquenta, que esteja na ordem de tamanho requerida pelo projeto, pois essa será a área quente no forno, e que seja bem projetado para trabalhar com corrente elevada e poder funcionar na temperatura nominal de 800 graus Celsius por um longo período de tempo e ter uma vida útil boa. A parte quente do forno deve ser isolada do ambiente de uso, de maneira que a temperatura no exterior do forno deve ser o mais perto possível da temperatura ambiente. Para que se obtenha esse comportamento talvez seja necessário a utilização de um sistema de refrigeração. A partir do controlador PID precisa-se de um tempo de aquecimento adequado, um overshoot (que seria quando o valor da temperatura ao se ligar o forno fica maior que a nominal no começo e depois se estabiliza no valor nominal) menor possível, e estabilizar a temperatura depois de um tempo em aproximadamente 800 graus Celsius por longos períodos de tempo.
4 1.3 OBJETIVOS 1.3.1 Objetivo Geral Objetivo geral do trabalho é a construção de um forno elétrico que tenha um comprimento de 10 a 20 milímetros, pois a parte a ser aquecida na fibra é de 10 milímetros, e uma área de seção transversal de até 4 centímetros quadrados. Este forno será controlado por um controlador PID alimentado através de um microcontrolador. 1.3.2 Objetivos Específicos Fazer um estudo bibliográfico sobre controladores PID; Desenvolver um forno cuja área a ser aquecida deva ter de 10 a 20 mm de comprimento e atingir a temperatura de 800ºC com uma baixa variação; Determinar resistências e isolantes térmicos específicos para o forno a ser projetado. Montar protótipo e ensaiá-lo em laboratório específico; Definir melhor controlador a ser utilizado para o caso; Desenvolver rotinas de controle para a temperatura. 1.4 JUSTIFICATIVA O desenvolvimento da tecnologia de aquecimento por pequenos fornos termoelétricos justificam-se na base de vantagens para aplicações onde o tamanho físico do forno e o tamanho de sua área de aquecimento sejam de importância fundamental para a eficiência de processos e economia de materiais. Tratando-se da questão do espaço físico ocupado pelo equipamento, uma das vantagens de se possuir um equipamento de menor tamanho, além de indiretamente reduzir o peso do dispositivo, possibilita a sua utilização em várias posições e lugares diferentes.
5 À partir de uma análise experimental e o desenvolvimento de um protótipo, permitirá um aprofundamento sobre termoeletricidade, dispositivos de controle de temperatura, dissipação de calor e também o acesso do meio de ensino e industrial à informação referente à tecnologia moderna da qual o trabalho trata. 1.5 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS As três estruturas principais do trabalho são amplamente abordadas em várias literaturas e artigos científicos da internet, além te terem sido usados em várias aulas teóricas/práticas. O forno elétrico composto por material isolante e termo-resistência. A temperatura e a atuação do forno são controladas por um circuito micro-controlado e um controlador PID que será o que garantirá uma temperatura elevada no seu interior, e uma temperatura externa o mais perto possível da temperatura ambiente, em malha fechada. O microcontrolador será programado para executar as funcionalidades do forno liberando corrente para a termo-resistência que esquentará o forno e é o que alimenta o controlador PID e especifica os parâmetros. O controlador PID é o que acerta o tempo de aquecimento do forno, procura reduzir o overshoot e minimizar o tempo necessário para que o forno atinja a temperatura desejada. Além disso ele é responsável por eliminar o estado estacionário para que tenhamos a temperatura estabilizada sempre ao redor de 800 graus Celsius (OGATA,2010). A partir das pesquisas bibliográficas é necessário adquirir materiais que sejam ideais para esse tipo de funcionamento do forno, como um material isolante eficiente, uma termo-resistência que funcione adequadamente, o PID e um microcontrolador que sejam mais adequados para o projeto. Serão necessário vários testes e protótipos para conseguir o melhor resultado e determinar a necessidade de um sistema de refrigeração ou não. 1.6 ESTRUTURA DO TRABALHO A estrutura do trabalho basicamente divide-se em cinco partes principais, conforme descrito:
6 O primeiro capítulo fará a apresentação do tema e seus pontos de interesse. Uma breve introdução à tecnologia proposta, o problema a serem resolvidos, os elementos motivacionais para a resolução do problema e por fim, a apresentação do planejamento e diretriz a serem seguidas durante o desenvolver do trabalho. O segundo capítulo abordará os aspectos teóricos intrínsecos ao projeto, apoiados na revisão de literatura e a aquisição de conhecimentos sobre o estado-daarte de vários parâmetros, e que dão base ao capítulo subseqüente. O terceiro capítulo será destinado a apresentação dos conhecimentos abordados na segunda parte, mas de maneira prática, através da apresentação do projeto a ser desenvolvido. O quarto capítulo define detalhes da montagem do protótipo, metodologia científica dos estudos a serem realizados e análise dos resultados obtidos nos experimentos. À partir do capítulo quatro define-se então as conclusões. 1.7 CRONOGRAMA Mês Etapa 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 1 1 12 Pesquisa Bibliográfica Elaboração do Trabalho Revisão do Trabalho Montagem Protótipo Análise de Dados Preparação Apresentação