Sistemas de Automação Agrícola e Industrial

1 Daniel KhéDe DouraDo Villa SISTEMAS DE AUTOMAÇÃO AGRÍCOLA E INDUSTRIAL AGRÍCOLA E INDUSTRIAL 2 Autor Daniel Khéde Dourado Villa Layout Taiane Souza Editoração Eletrônica Adriana Freitas Edição de conteúdo e CopyDesk João Batista Mota Diretora Silvane Guimarães Silva Gomes Campus Universitário 36570000 ViçosaMG Telefone 31 3899 2858 Fax 31 3899 3352 Universidade Federal de Viçosa Reitora Nilda de Fátima Ferreira Soares ViceReitor João Carlos Cardoso Galvão 3 Significado dos ícones da apostila Para facilitar o seu estudo e a compreensão imediata do conteúdo apresenta do ao longo de todas as apostilas você vai encontrar essas pequenas figuras ao lado do texto Elas têm o objetivo de chamar a sua atenção para determinados trechos do conteúdo com uma função específica como apresentamos a seguir Textodestaque são definições conceitos ou afirmações importantes às quais você deve estar atento Glossário Informações pertinentes ao texto para situálo melhor sobre determinado autor entidade fato ou época que você pode desconhecer SAIBA MAIS Se você quiser complementar ou aprofundar o conteúdo apresentado na apostila tem a opção de links na internet onde pode obter vídeos sites ou artigos relacionados ao tema Quando vir este ícone você deve refletir sobre os aspectos apontados relacionandoos com a sua prática profissional e cotidiana Ì a Ñ Õ AULA 4 25 AULA 3 Estudo de Caso 2 Automação de um sistema de condicionador de ar aplicado a processos de secagem e armazenagem de produtos agrícolas 1 ESTUDO DE CASO AUTOMAÇÃO DE UM SISTEMA CONDICIONA DOR DE AR APLICADO A PROCESSOS DE SECAGEM E ARMAZENAGEM DE PRODUTOS AGRÍCOLAS A secagem é um processo crucial na produção agrícola e tem a função de remover parcialmente a água contida nos produtos de forma a ser possível armazenálos por longos períodos de tempo sem que ocorra a deterioração Uma abordagem comum utilizada é atravessar a massa de grãos com ar à alta temperatura e baixa umidade relativa com grande capacidade de absorver água No entanto estudos chamam atenção para o risco dessa abordagem uma vez que as baixas umidades relativas só são obtidas com o ar em temperatura muito elevada podendo fazer com que o grão seja danificado pela alta velocidade de secagem ou por sobreaquecimento 1 Nesse contexto motivouse a automação de um sistema de condicionador de ar para tornar possível a aquisição e controle de forma independente das variáveis de secagem temperatura umidade relativa e velocidade do ar Esse será o segundo objeto de estudo desta disciplina e acompanha a elaboração do sistema de automação para o ar de secagem proposto em 2 11 Processo a ser automatizado O condicionador de ar que foi automatizado é o modelo AMINCOAIRE marca Aminco que apresenta unidades de aquecimento resfriamento umidificação e ventilação É capaz de controlar se devidamente atuado as variáveis de secagem de forma independente e dentro de limites preestabelecidos A Figura 1 apresenta uma visão frontal da unidade 26 condicionadora acoplada às gavetas de secagem onde os grãos são depositados Figura 1 Visão frontal do condicionador de ar acoplado por tubos de alumínio às gavetas de secagem Explicando de forma sucinta ar ambiente ou ar já tratado irá ingressar no condicionador pela entrada de ar ter suas propriedades de secagem eg temperatura umidade relativa velocidade do ar manipuladas pelos diversos elementos trocadores de calor presentes no condicionador e ser conduzido para fora pela saída de ar de forma a atravessar as gavetas de secagem que irá conter sementes grãos ie plantas em geral nas quais se deseja percorrer um ar em condições específicas Ao percorrer as gavetas o dito ar de secagem irá interagir com os vegetais ali presentes realizar trocas de calor e massa e retornar novamente à entrada de ar já fora dos valores desejados Assim é necessário ciclicamente tratar o ar para que a massa de grãos seja sempre percorrida pelo ar com as características desejadas As quatro cargas presentes na unidade condicionadora estão distribuídas nos compartimentos superior e inferior os quais são exibidos na Figura 2 No compartimento superior estão instalados os sistemas de aquecimento do ar ventilação além dos bocais para geração de névoa do sistema de umidificação e uma piscina com água que é resfriada pelo sistema de resfriamento ou aquecida por um resistor submerso Os componentes trocadores de calor presentes no compartimento superior podem ser vistos na Figura 3 bem como um detalhamento do fluxo de ar dentro do compartimento representado por setas azuis Em suma o compartimento superior apresenta todos os instrumentos trocadores de calor do sistema enquanto o compartimento inferior comporta os motores 27 de alguns desses sistemas Figura 4 A potência das cargas instaladas no condicionador AMINCO completam a Tabela 1 para consulta Figura 2 Compartimentos superior e inferior do condicionador AMINCO Figura 3 Visão interna do compartimento superior 28 Figura 4 Visão detalhada do compartimento inferior TABELA 1 POTÊNCIA DAS CARGAS INSTALADAS Cargas Tensão Potência Resistor da câmara III 220V bifásico 3kW Exaustor 220V trifásico 05 cv Bomba dágua 220V bifásico 025 cv Unidade refrigeradora 220V trifásico 1 cv Resistor submerso 220V bifásico 3 kW Em acordo com a Figura 3 podese perceber que as câmaras I II e III têm barreiras de separação havendo a passagem do ar de uma câmara para outra somente pelas passagens de ar com filtro Atenção nas Figuras 1 e 3 o compartimento superior é exibido aberto sem uma tampa para conter o ar a ser tratado apenas para efeito de melhor apresentar os componentes presentes No entanto esse compartimento opera fechado por uma tam pa de alumínio Figura 2 havendo ingresso e egresso de ar so mente pela entrada de ar e saída de ar respectivamente 111 Manipulação da temperatura do ar de secagem Assim que o ar sai da câmara II sua temperatura é manipulada pelo acionamento do resistor de 3 kW presente na câmara III Por fim o ar com temperatura manipulada é entregue para secagem pela saída de ar 112 Manipulação da umidade relativa do ar de secagem Õ 29 MANIPULAÇÃO DA RAZÃO DE MISTURA DE UM AR ÚMIDO Alguns conceitos psicrométricos importantes precisam estar claros para que o estudante seja capaz de compreender como ocorre a manipulação da umidade relativa no condicionador AMINCO Primeiramente definese como ar úmido aquele ar que é uma mistura de ar seco e vapor dágua cuja quantidade de cada um dos dois componentes é descrita pela propriedade razão de mistura dada em gramas de vapor de água por quilogramas de ar seco analisada em dado volume Assim temse que a quantidade de água no ar em gramas vai variar de zero ar seco até um máximo que irá depender de sua pressão e temperatura ponto de saturação ou de orvalho 4 Por uma questão de manter o conteúdo do texto simples portanto furtandose de algumas tecnicalidades podese dizer que quanto maior a temperatura do ar úmido mais gramas de vapor de água esse ar consegue reter Assim por exemplo um ar úmido em sua capacidade máxima saturado a 30C terá mais gramas de vapor de água que um ar úmido saturado a 15C Em dados numéricos numa altitude como a de ViçosaMG um ar saturado a 30C terá 295 gramas de vapor de água por quilograma de ar seco enquanto um ar úmido saturado a 15C terá apenas 115 gkg Ademais é importante compreender que se o ar saturado a 15C portanto 100 de UR e 115 gkg de razão de mistura fosse coletado e aquecido até 30C a umidade relativa desse ar aquecido passaria a ser 115 g 100 3898 de UR 295g Ou seja teria 3898 da quantidade máxima de vapor de água que ele pode suportar Por outro lado se um ar saturado a 30C 100 UR e 295 kg fosse resfriado a 15C sua umidade relativa se manteria em 100 uma vez que durante o resfriamento o ar somente iria perder gramas de vapor de água ie formar orvalho como o ar que se resfria em volta de uma garrafa gelada num dia quente pois quanto menor a temperatura menos vapor de água o ar retém 115 g 100 100 de UR 115 Dessa forma ao aquecer ou resfriar um ar saturado alterase diretamente o valor da sua razão de mistura manipulando a quantidade de gramas de vapor de água presente no ar úmido Uma vez que a AMINCO conta com um resistor e a serpentina do sistema de resfriamento submersos na piscina das câmaras I e II é possível tanto aquecer quanto resfriar a água que é bombeada pelos sprays do umidificador A água bombeada pelos sprays gera uma região de névoa na câmara II fazendo com que o ar de entrada ao atravessar essa zona de névoa chegue à câmara III saturado e com temperatura próxima à da água da piscina Assim podese modificar a quantidade de gramas de vapor de água no ar de entrada por 30 meio do ajuste de temperatura na água da piscina Lembrese de que para tratar a umidade relativa do ar de secagem o condicionador AMINCO efetivamente manipula a razão de mistura gkg do ar de entrada Logo sabendo que a temperatura do ar de secagem será escolhida de acordo com o processo se é desejado aumentar a umidade relativa desse ar com temperatura controlada ie aumentar a quantidade de gramas de vapor de água no ar para determinada temperatura aquecese a água da piscina para aumentar a razão de mistura Caso contrário se deseja reduzir a umidade relativa do ar de secagem resfriase a água da piscina para reduzir a quantidade de gramas de vapor de água no ar A relação existente entre o ar saturado que chega à câmara III e a temperatura da água da piscina considerando uma troca de calor perfeita e que a temperatura do ar e da água são iguais é dada por curvas de saturação para o ar úmido como a apresentada na Figura 5 Figura 5 Exemplo de curva de saturação em vermelho em um gráfico psicrométrico 5 113 Manipulação da velocidade do ar de secagem O ar de secagem com temperatura e umidade relativa tratados é retirado do condicionador por meio do exaustor presente na câmara III Figura 3 Do bocal de saída do ar o ar deve ser direcionado por dutos até a massa de grãos que se deseja secar Para alterar a velocidade do ar expelido pela unidade condicionadora basta alterar a velocidade com que o exaustor gira sua hélice Assim métodos para variação da velocidade de motores elétricos podem ser utilizados como por meio de resistores transformadores ou inversores de frequência 12 Solução simplificada Conforme exposto a unidade condicionadora AMINCO possui os atuadores necessários para realizar o controle das variáveis de secagem do ar Como solução simplificada iremos nos preocupar somente com a manipulação automatizada da temperatura e umidade relativa Com isso realizouse a instrumentação da unidade instalando sensores de temperatura e umidade relativa na saída de ar da condicionadora bem como se utilizou um controlador lógico programável modelo CLIC02 da WEG Figura 6 como unidade lógica de programação para o acionamento automatizado das cargas 31 Figura 6 CLP CLIC02 utilizado para automação da unidade condicionadora Dessa forma um programa em ladder foi desenvolvido para que o usuário pudesse inserir utilizando o teclado e o display presentes no próprio CLP o valor desejado setpoint para temperatura e umidade relativa acionar a máquina e verificar se o estado atual do ar de secagem que sai da condicionadora está em acordo com esses valores desejados Antes de apresentar as malhas de controle utilizadas é importante que o cursista perceba que a manipulação de cada uma das variáveis irá necessariamente influenciar no estado da outra Por exemplo dado que durante um processo a temperatura do ar já tenha alcançado o valor desejado e a umidade relativa ainda precise aumentar para alcançar o setpoint Para isso a ação de controle é subir a temperatura da água da piscina aumentando a quantidade em gramas de vapor de água no ar úmido A ação de subir a temperatura da água da piscina e por consequência do ar que chega à câmara III onde é realizado o controle de temperatura do ar inegavelmente irá influenciar na temperatura do ar que já estava devidamente controlada desregulandoa Dessa forma podese dizer que as variáveis de secagem são consideradas acopladas No entanto uma abordagem de controle desacoplada foi adotada ie o condicionador não foi controlado como um único sistema multivariável e sim como múltiplos sistemas mais simples e monovariáveis eg um sistema tratando temperatura outro sistema tratando umidade relativa Portanto ao controlar qualquer variável de secagem as demais irão ser tratadas como distúrbios 121 Malha de controle da temperatura Para medição da temperatura do ar de secagem um sensor modelo SB56 da Full Gauge Controls Figura 7 foi montado na saída de ar do condicionador tendo este um alcance de 5 a 80 C Esse sensor ao ser alimentado entrega um sinal de tensão analógico entre 0 e 5 volts descrito pela curva fornecida pelo fabricante T ºC 8936 2225 x tensão V Instalado o medidor implementouse no CLP o controle de temperatura com realimentação dito malha fechada controlando a energia entregue ao resistor presente na câmera III por meio de modulação PWM Figura 7 Sensor SB56 da Full Gauge Controls 32 MODULAÇÃO PWM Modulação PWM Pulse Width Modulation é um sinal digital chaveado ora ligado ora desligado que se repete em intervalos de tempo definidos ou seja em períodos TPWM Nesses sinais o termo duty cycle ou ciclo de trabalho descreve a porcentagem de tempo dentro do período em que o sinal está ligado Um sinal PWM com duty cycle de 100 é sempre um sinal ligado enquanto um com duty cycle de 50 está metade do período ligado metade desligado A Figura 8 traz os exemplos de sinais PWM com duty cycle de 50 75 e 25 Figura 8 Representação de sinais PWM sob diferentes ciclos de trabalho 6 A aplicação de sinais PWM em circuitos elétricos é muito comum pois ao variar o duty cycle variase a potência entregue para uma carga Por exemplo acionando uma lâmpada com um sinal PWM de duty 50 percebese que a lâmpada brilha com 50 de sua luminosidade padrão Evidentemente se o período de chaveamento for da ordem de segundos um observador perceberia a luz com luminosidade máxima e piscando e não brilhando menos Por outro lado chaveando com períodos na ordem de milissegundos somente seria percebida a luz com uma luminosidade menor Em muitos casos a regulação da potência entregue à carga é feita por meio de resistores que reduzem a corrente do sistema e por consequência a potência entregue a carga No entanto os resistores instalados para reduzir a corrente registram perdas por efeito joule aquecimento tornando a modulação PWM vantajosa para variar a potência entregue a carga uma vez que não utiliza cargas adicionais Para acionar o resistor de aquecimento do ar de secagem por chaveamento PWM foi utilizado um relé de estado sólido Figura 9 modelo SSR40 DA da marca Fotek com capacidade de carga de 40 amperes Esse tipo de relé é essencial em acionamentos PWM uma vez que são construídos por material semicondutor estado sólido capazes de realizar chaveamento em alta frequência diferente dos relés convencionais com contatos metálicos móveis 33 Figura 9 Relé de estado sólido Fotek componente cor branca e um dissipador de calor componente cor preta Um controlador PI foi utilizado para regular a frequência de acionamento da resistência aumentandoreduzindo o duty cycle do PWM para subirbaixar a temperatura do resistor A malha de controle realizada pode ser vista na Figura 10 Figura 10 Malha de controle da temperatura Uma vez que há grande inércia na variação da temperatura do ar em função da variação da potência entregue ao resistor ie muito atraso para a mudança de potência ser sentida na temperatura do ar foi adotado um perfil sobreamortecido para o controlador 122 Malha de controle da umidade relativa O sensor SB56 Figura 7 é capaz de medir também umidade relativa com alcance entre 5 e 85 de UR utilizando sinal analógico de 0 a 5 volts para entregar a umidade sentida pela ponta de prova A equação fornecida pelo fabricante UR tensão V 0808 3292 descreve a relação UR Tensão Um acionamento LigaDesliga foi utilizado para manipular a temperatura da água da piscina e controlar a umidade relativa acionando o sistema de refrigeração quando é necessário baixar a umidade relativa e acionando o resistor submerso quando é necessário subir a umidade relativa A Figura 11 traz a malha fechada empregada no controle 34 Figura 11 Malha de controle da umidade relativa 123 Implementação da automação De posse desses sistemas construiuse o painel de ligação para as cargas utilizando disjuntores e relés térmicos para proteção dos motores e resistências Todas as cargas exceto a resistência da câmara III são acionadas por contatores que têm suas bobinas energizadas pelas ações de comando entregues pelo CLP Para o controle do valor desejado para as variáveis de secagem o painel externo do CLP foi utilizado contendo 1 display LCD e oito botões para fazer a navegação entre as telas de configuração do setpoint e telas de visualização do estado das variáveis de secagem A navegação entre telas e modo de operação é explicada em vídeo que orienta sobre como realizar o setpoint da velocidade do ar variável que irá ser abordada a seguir na solução avança da Para assistilo basta acessar o link httpswwwyoutubecom watchvUENXviYRVvY Para programação em ladder os valores analógicos obtidos do sensor SB56 foram convertidos em medições de temperatura e umidade relativa por meio de blocos somadores e multiplicadores no CLP nos quais é possível multiplicar a leitura de tensão e somar constantes seguindo as equações propostas pelo fabricante Para temperatura os ganhos do controlador PI foram obtidos por tentativa e erro até que o controlador fosse capaz de entregar um comportamento satisfatório para o controle da temperatura Para umidade relativa uma histerese de 25 de UR foi colocada no controle LigaDesliga introduzindo uma margem para realização dos acionamentos com a finalidade de evitar numerosos chaveamentos em curto espaço de tempo ie impedindo que o sistema assim que atingir o setpoint desenergize a carga provoque uma queda da UR e um reacionamento imediato A Figura 12 apresenta um exemplo do diagrama de funcionamento para um controlador LigaDesliga com histerese no qual o sinal de saída em verde significa sistema ligado e em vermelho desligado Õ 35 Figura 12 Exemplo de controle LigaDesliga com histerese SP setpoint valor desejado PV present value valor atual 7 As Tabelas 2 e 3 apresentam as entradas e saídas do sistema Nessa abordagem simplificada assim que o sistema é acionado o exaustor é também acionado em potência máxima e a bomba dágua também é ligada mantendo a câmara II constantemente sob névoa O diagrama em ladder resumido contendo a lógica de acionamento das cargas para controle de temperatura e umidade relativa está apresentado na Figura 13 TABELA 2 RESUMO DAS ENTRADAS UTILIZADAS Entradas Dispositivo elétrico Descrição do funcionamento I01 Botoeira Liga e desliga o sistema I02 Botão de retenção girar para destravar Desliga todo o sistema emergência A01 Sensor analógico de temperatura Indica a temperatura do ar de saída A02 Sensor analógico de umidade relativa Indica a umidade relativa do ar de saída TABELA 3 RESUMO DAS SAÍDAS UTILIZADAS Saídas Dispositivo elétrico Descrição do funcionamento Q01 Relé de estado sólido 24V Aciona por PWM o resistor da câmara III Q02 Contator 24V Aciona o exaustor Q03 Contator 24V Aciona a bomba dágua Q04 Contator 24V Aciona refrigerador Q05 Contator 24V Aciona resistor submerso 36 Figura 13 Diagrama em ladder para automação simplificada O programa em ladder executável no software CLIC02 edit está disponível no PVANET no arquivo Ladder AMINCO simplificadocli Note que o bloco G no diagrama em ladder representa um bloco comparador com função de verificar se o valor da umidade relativa está acima ou abaixo do setpoint Os blocos PI01 e P1 são blocos PID e PWM respectivamente onde foram configuradas e inseridas as constantes adequadas Os registradores DR1 e DR2 guardam as informações inseridas pelo operador para o setpoint de temperatura e umidade relativa 37 2 REFERÊNCIAS 1 KRZYZANOWSKI F C WEST S H NETO F BARROS J Drying soybean seed using air ambient temperature at low relative humidity Revista Brasileira de Sementes v 28 n 2 p 7783 2006 2 VILLA DKD Automação de um Sistema Condicionador de Ar Aplicado a Processos de Secagem e Armazenagem de Produtos Agrícolas Dissertação Mestrado em Engenharia Agrícola Universidade Federal de Viçosa Minas Gerais 2017 3 FORTES M FERREIRA DA FERREIRA WR SOUZA AC Modelagem de um condicionador de ar de alta precisão para uso em processamento agrícola Engenharia Agrícola v26 n 2 p 578589 2006 4 DIAMONT Propriedades do ar úmido psicrometria Disponível em httpdiamontcombrpropriedadedoarumidopsicrometria Acesso 2 de abril de 2019 5 BUILDING ENCLOSURE Defining humidity ratio and relative humidity Disponível em httpswwwbuildingenclosureonlinecomblogs14thebeblog post87509defininghumidityratioandrelativehumidity Acesso em 2 de abril de 2019 6 JORDANDEE Pulse Width Modulation Disponível em httpslearn sparkfuncom tutorialspulsewidthmodulationdutycycle Acesso 3 de abril de 2019 7 DIGIMEC Manual de Instruções Controlador de temperatura com duplo display Disponível em httpwwwdigimeccombrfilepaginas e1ae2b9d80b452498f 538472f30401f9pdf Acesso 7 de abril de 2019