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CHOPPEIRA AUTOMATIZADA- SISTEMA DE CONTROLE POR CLP DE BAIXO
CUSTO
¹ Francisco Masaji Saito [email protected] Tiago da Silva [email protected]
Prof. Gustavo Adolfo M. S. Coraini
ABSTRACT-This article to treat a mechatronic system applied in a tank draftbeer that to improve self-service drinks to the final consumer, its operation to form in a management system that detects the presence of a glass at the base of active taproom to become active a solenoid valve and the liquid begins to circulate through the cooling worm then goes the drink to dose an injector and when the free oneself level is reached, another solenoid valve is actuated the get rid of the drink into the cup. At the end of filling, the solenoid valve is switched off, interrupting the flow of the liquid, then return the cup filled at the starting point of the process.
Keywords: Mechatronic, Automation, ATM.
RESUMO-Este artigo trata-se de um sistema mecatrônico aplicado em uma choperia que, aperfeiçoa o autoatendimento de bebidas ao consumidor final, seu funcionamento constitui-se em um sistema de gerenciamento que ao detectar a presença de um copo na base da choperia ativa-se uma válvula solenoide e o liquido começa circular pela serpentina fazendo o resfriamento, em seguida, o líquido vai para um dosador e quando o nível desejado for atingido, outra válvula solenoide é acionada despejando a bebida no copo. No término do envasamento, a válvula solenoide será desacionada, interrompendo a vazão do liquido, em seguida o copo retornará cheio no ponto inicial do processo.
Palavra-chave: Mecatrônico, Automação, Autoatendimento.
1 INTRODUÇÃO
O grande aumento da demanda no seguimento de bebidas, aliado ao avanço de tecnologia em sistemas de automação, permite o desenvolvimento de tecnologias para o autoatendimento no ramo de choperias. Neste caso o consumidor pode efetuar seu próprio atendimento no envasamento de copos de chopp ou cerveja, em máquinas automáticas disponibilizadas pelo fornecedor. Este sistema permite a comercialização do produto com pequena quantidade de mão-de-obra, agilidade e a eficácia no atendimento aos clientes, incentivando o consumo, a produção, gerando maior renda e emprego no setor, o que motivou a escolha do tema, por sua relevância social, econômica e cientifica.
Esse trabalho apresenta a pesquisa desenvolvida sobre um sistema de choperia automática, utilizando os recursos da mecatrônica industrial. O objetivo geral é aplicar recursos e ferramentas da mecatrônica industrial no desenvolvimento de sistemas automatizados para o autoatendimento de clientes. O objetivo específico é desenvolver a automação de uma choperia.
Pesquisou-se sobre o funcionamento de sensores, programação em CLP, (controlador Lógico Programável) e atuadores (válvula solenoide).
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2 JUSTIFICATIVA
Com o avanço tecnológico em todos os setores, percebe-se a necessidade
de se aprimorar o conhecimento em automação e implementar a automatização no
segmento de bebidas como a choperia.
3 PROTÓTIPO FUNCIONAL
O projeto realizado para a conclusão do curso de Mecatrônica Industrial, na
Fatec Garça foi à implantação e funcionamento de uma choperia automatizada
utilizado tecnologias de automação.
Foram utilizados para o protótipo os seguintes materiais: botoeiras, fonte de
alimentação de 24 V, choperia, reservatório para controle de volume do liquido,
sensores capacitivos e indutivos, válvula solenoide de 127V, unidade mecânica para
sustentação e movimentação do copo e CLP, estes materiais serão explicados um
pouco melhor no tópico Materiais Utilizados.
Cada material foi estudado para diminuir os custos do projeto na faculdade de
tecnologia além de utilizar materiais que podem ser reaproveitados e a facilidade de
encontrar os componentes para o trabalho didático. Alguns itens podem e devem ser
substituídos em caso de fabricação em escala comercial deste protótipo, como por
exemplo: reservatório e encanamento de aço inox, CLP de menor custo que atende
as necessidades, etc.
Para realizar o funcionamento do protótipo será acionada uma botoeira,
deixando o sistema em espera, ao ser colocado o copo na unidade mecânica em
que o sensor capacitivo reconhecerá a presença do copo e enviará um sinal para o
CLP, que através deste controlador acionará o motor da unidade mecânica, este
motor está acoplado em um jogo de engrenagens e correntes onde fará com que o
fuso movimente o suporte onde se localiza o copo para envasamento. O ponto de
parada para envasamento é definido com a utilização de um sensor indutivo, quando
este sensor identificar o suporte do copo, então mandará um sinal para o CLP, este
fará com que o motor pare. Ao parar o copo no local especificado, será acionada a
válvula solenoide, colocada junto a choperia, a circulação do chopp se dá com a
pressurização da bebida por meio da bomba manual ou automática, e então o
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Chopp circulará pela serpentina imersa no gelo e fará o resfriamento do liquido, em
seguida ele irá para um reservatório, onde será feito a dosagem através de um
sensor capacitivo.
Quando atingir o volume desejado no reservatório de dosagem, o controlador
mandará um sinal para que a válvula solenóide localizado na choperia interrompa o
fluxo e ao mesmo tempo mande um sinal para outra válvula solenoide, que este
localizado junto ao reservatório de dosagem libere o liquido derramando no copo.
Passado um determinado tempo à válvula solenóide do reservatório de
dosagem desacionará, através do sinal dado pelo CLP, e será acionado o motor
para que o suporte do copo retorne ao inicio do processo, permitido que o
consumidor retire o copo. Lembrando que o tempo para o fechamento da válvula
será programado no CLP.
4 MATERIAIS UTILIZADOS
4.1 Choperia
A choperia utilizada é composta por um reservatório para liquido, uma
serpentina, compartimento para o gelo e uma bomba manual, Conforme a figura 1.
A bomba manual fará o processo de pressurização do sistema do protótipo,
que permitirá a circulação da bebida, esta circulação passará pela serpentina e
neste momento será realizado o resfriamento.
FIGURA 1. A. Serpentina e local para o gelo FIGURA 1. B Local do Chopp e bomba
Fonte: Autor (2013).
Fonte: Autor (2013).
170
4.2 Reservatório para controle de volume
O reservatório para controle de volume do liquido foi um meio para que
se possa determinar a quantidade antes de ser despejado no copo, o material
utilizado no projeto é de garrafa pet, mas havendo a possibilidade de ser utilizado
um reservatório de vidro ou aço inox (Aço Inox AISI 316L).
Aço Inox AISI 316L é o Aço cromo-níquel molibdênio, inoxidável
austenítico, não-temperável, não magnético. Possui resistência à oxidação até a temperatura de 875 °C, porém a resistência à corrosão intercristalina é garantida até a temperatura de 300 °C. (FAVORIt Aços Especial, 2012).
Neste reservatório foi colocado um sensor capacitivo para controlar o nível do
liquido, este sensor foi escolhido porque através de algumas regulagens o sensor
pode ser colocado do lado de fora da garrafa, tanto pet ou ate mesmo se for utilizado
vidro como reservatório. Em caso de utilizar um reservatório de aço inox, o sensor
recomendado usar um sensor de nível.
A figura abaixo demostra o reservatório utilizado no protótipo funcional.
Figura 2- Reservatório para controle de volume
Fonte: Autor (2013)
171
4.3 Sensores capacitivos
Sensor capacitivo é um tipo de sensor de proximidade que consegue
identificar materiais dos tipos líquidos e sólidos. Este consiste em um oscilador
interno, circuito de disparo e circuito de saída conforme a figura 3.
Figura 3- Diagrama em corte do sensor capacitivo
Fonte: Franchi e Camargo (2008).
Segundo o autor Franchi e Camargo, quando o material é aproximado na face
do sensor o oscilador oscila devido à mudança da capacitância do capacitor que se
situa na face do sensor, este capacitor faz parte do circuito de um oscilador. Para
que o sensor mude de estado de funcionamento a capacitância do oscilador é
aumentado com a proximidade do material a ser detectado, conforme demostra a
figura 4.
Figura 4: Sensor de proximidade capacitivo
Fonte: Franchi e Camargo (2008).
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4.3 Sensores indutivos
É um componente eletrônico digital ou analógico que tem capacidade
de fazer a detecção de materiais metálicos sem que haja nenhum contato com este
objeto.
Segundo os autores Franchi e Camargo (2008) os sensores indutivos têm seu
funcionamento baseado no princípio da variação da indutância da bobina, através do
metal que ao aproxima-se do campo de alcance do sensor a bobina emite um
campo magnético alternado, que é irradiado através da face do sensor, então o
circuito de disparo detecta a peça, proporcionando uma perda da oscilação de saída,
fazendo com que o sensor mude de estado baixo para o estado alto, conforme a
figura 5 e a figura 6. (FRANCHI E CAMARGO, 2008).
Figura 5: Descrição do funcionamento de sensores indutivos
Fonte: Franchi e Camargo (2008).
Fonte: Pereira (2008). .
Figura 6. : Simbologia do sensor
Indutivo
173
4.3 Válvulas solenoide
A válvula solenóide é um atuador que controla o fluxo de materiais
líquidos e gasosos, é composto por um solenóide que através por meio magnético
atua sobre o êmbolo abrindo e fechando a linha de fluxo do liquido ou gás, conforme
a figura 7.
Segundo Cetinkunt (2008, p.382), o solenóide que é o componente principal da válvula solenóide, o solenóide é um atuador de translação com uma faixa de movimento bastante limitada. Os solenóides são usados em válvulas de controle de fluxo e em atuadores de deslocamento de translação de pequeno curso. Um solenóide é composto de uma bobina, de uma carcaça, que é feita de um material com alta permeabilidade para guiar o fluxo magnético, de um êmbolo, de um batente (e de uma mola central na maioria dos casos) e um carretel. [...].
Figura 7: Funcionamento do Solenoide.
Fonte: Centinkunt (2008).
A figura 8 demostra a válvula solenóide usada no protótipo funcional. No
protótipo utilizamos duas dessas válvulas solenóiede com a bobina de acionamento
de 127 V. E para fazer o acionamento delas, através do CLP, cuja têm a tensão de
saída de 24 V, utilizamos relés para fazer o seu chaveamento.
Figura 8: Válvula Solenoide
Fonte: Autor (2013).
174
4.4 Suporte para o copo de sistema mecânico
A estrutura do sistema mecânico é composta por um motor de corrente
continua, de 12 V, corrente de dentes invertidos, engrenagens, fusos, sensores
indutivos e um sensor capacitivo para identificar o copo.
O movimento do copo até o local desejado se faz através do motor que atuará
em um conjunto de engrenagens e corrente de transmissão com isso o suporte do
copo deslocará até o sensor indutivo localizado no inicio e no fim do curso,
identificado o suporte e enviando um sinal para o CLP, que desligará o motor da
unidade mecânica.
Figura 9: Relação de transmissão da Unidade mecânica
Fonte: Autor (2013).
Figura 10: Motor da unidade mecânica
Fonte: Autor (2013).
175
4.5 CLP do protótipo
Com base no conhecimento adquirido no curso de Mecatrônica Industrial foi
decidida a utilização de um CLP da Festo disponibilizado junto a FATEC-Garça para
a realização do projeto conforme a figura 11. A utilização se deve na facilidade de
programação tanto para as pessoas que dominam comandos elétricos, utilizando a
Linguagem LADDER (Figura 12), e aqueles profissionais que dominam a linguagem
C, programando em STATEMENT LIST (Figura 13).
Figura 11: CLP Standard da festo
Fonte: Autor, 2013.
Figura 12: Linguagem de programação LADDER
Fonte: Autor 2013.
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Figura 13: Linguagem de programação STATEMENT LIST
Fonte: Autor 2013.
4.5.1 Historia do CLP
Os CLP foram desenvolvidos na década de 1960, pois antes os controladores
eram compostos por grandes armários de relés eletromecânicos com vários
quilômetros de fios, aonde toda ou qualquer operação original exigiam grande
trabalho, cujas mudanças nos cabos e componentes eram significativas. Buscado
suprir essa necessidade foi desenvolvido um dispositivo que funcionaria em varias
operações distintas, e com fácil reprogramação, e com isto surgiu o primeiro CLP
comercial, o MODICON (Modular Digital Controller) (CAPELLI, 2011).
4.5.2 Definição do CLP
Segundo a ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas), é um
equipamento eletrônico digital e analógico com hardware e software compatíveis
com aplicações industriais que implementa funções de controle e faz a monitoração
das variáveis de um processo ou de uma maquina. Este dispositivo usa memória
programável armazenando varias instruções e podem executar atividades como o
controle de ON/OFF, contagem, temporização, operações matemáticas e
manipulação de dados.
Os CLP’s podem proporcionar uma flexibilidade de mudanças nas lógicas de
controle e alta confiabilidade além de aumentar a expansão tanto de entrada e de
saída, e também ser reutilizados em outras aplicações, pois as lógicas são similares
177
e são reprogramáveis podendo alterar os parâmetros de controle. Possui a
manutenção fácil, diminuindo a mão-de-obra na manutenção.
Segundo o IEC (International Electrotechnical Commission) “CLP é um sistema eletrônico operando digitalmente, projetado para uso em um ambiente industrial, que usa uma memória programável para a armazenagem interna de instruções orientadas para o usuário para implementar funções especificas, tais como lógica, seqüencial, temporização, contagem e aritmética para controlar, através de entradas e saídas digitais ou analógicas, vários tipos de maquinas ou processos. O controlador programável e seus periféricos associados são projetados para serem facilmente integráveis em um sistema de controle industrial e facilmente usados em todas suas funções previstas.”
4.5.3 Estrutura Básica do CLP
Conforme a figura 14 o CLP é composto por uma fonte de alimentação que
converte a corrente de 110 ou 220 V em 5 VCC, 12 VCC ou 24. A unidade de
processamento (CPU) que é composta por microcontroladores ou processadores
também faz parte da estrutura básica do CLP.
O controlador Logico programável também Possui uma bateria do tipo Ni-ca
Recarregável. O CLP possui três memorias, que são:
Memória para o programa supervisor- É aonde faz o gerenciamento de
todas as atividades do CLP.
Memória do Usuário- Esta memória é responsável pelo o programa do
usuário, e é constituída por memória do tipo RAM, FHASH-EEPROM.
Memória de dados- Faz o armazenamento dos valores do programa,
como por exemplo: Dados dos contadores, senhas, valores dos temporizadores
(SILVA, 2005).
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Figura 14: Estrutura do CLP
Fonte: Departamento de eletromecânica e sistemas de potência (2006).
4.5.4 Princípios de Funcionamento do CLP
Segundo autor Silva (2005), o CLP tem o seu funcionamento sequencial, que
faz um ciclo de varredura nas etapas, e para fazer esta varredura o controlador
demora um tempo que é chamado de Clock.
Quando acionado o CLP verifica se a CPU esta funcionando, também verifica
as memórias, e os circuitos auxiliares, e a existência de um programa do usuário, e
verifica o controlador desaciona todas as saídas. Depois de inicializado, o CLP faz a
verificação dos estados das entradas, lendo cada uma das entradas, e buscando o
sinal de acionamento destas entradas, cuja este processo recebe nome de ciclo de
varredura. Após a varredura os dados das entradas são transferidos para a memória
interna do controlador, e então é feito a comparação com o programa feito pelo o
usuário, e com as instruções passada pelo o usuário para o Controlador, ele sabe
que decisões tomar e então ele atualiza as saídas, acionando ou desativado,
conforme a decisão da CPU. (SILVA. 2005), como este representado na figura
abaixo.
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Figura 15: Ciclo de varredura do CLP
Fonte: Silva (2005).
4.5.6 CLP de baixo custo Recomendado para o protótipo funcional
Em caso de Implantação deste protótipo funcional no mercado consumidor, o
adequado é fazer a aquisição de um CLP de pequeno porte, que realiza funções
básicas, cuja já é o necessário para fazer o controle do protótipo, assim minimizado
o custo de fabricação do protótipo. E com base em pesquisa de preço e buscando
sempre a marca reconhecida no mercado consumidor, o CLP que pode ser usado
na implantação do protótipo no mercado de trabalho é o CLP CLICK 02 da marca
WEG.
Segundo a WEG (2006) o CLIC-02 é um CLP de pequeno porte e inteligente com
até 44 pontos de entrada e saída (E/S), possui programa gráfico em ladder, é
aplicado em aplicações em operação automática de pequena escala. Ele pode ser
expandido em até três módulos que possui quatro saídas e quatro entradas.
4.6.5.1 CLP de pequeno porte
180
Os CLP’s de pequeno porte são caracterizados por ter o seu tamanho
compacto, proporcionando uma economiza espaços nos painéis elétricos, e pode
ser sempre expandidos sempre que necessários. O controlador dessa categoria é
ideal para atividade de pequeno porte em tarefas de Intertravamento, temporização,
contagem e operações matemáticas simples, etc. Possuem na maioria unidade
integrada de operação e visualização, assim podendo fazer a programação no
próprio controlador. Eles conectam diretamente em trilhos DIN dos painéis, e são
resistentes a vibrações. (ALIEVI, 2008).
Eles são aplicados nas atividades de controle de silos, gestão de casas e
edifícios, iluminação, automação de portas e portões, fornecimentos de água,
simulação de trânsito, irrigação, caldeiras, ou seja, estes tipos de dispositivo de
automação são utilizados em atividade de simples compressibilidades. (SIEMENS,
2013).
.As figuras abaixo demostra alguns modelos de Controlador lógico programáveis
de pequeno porte.
Figura 16: CLP de pequeno porte do fabricante WEG
Fonte: Weg (2013).
Figura 17: CLP de pequeno porte do fabricante SIEMENS
Fonte: Siemens (2013).
181
4.5.7 Linguagem de Programação de CLP utilizada no protótipo
Como o CLP vai fazer o controle do protótipo funcional, a linguagem usada
para a programação do controlador foi a Linguagem LADDER, aonde foi utilizado
Software de programação da Indústria Festo, o FESTO 4.10 conforme a figura 16.
Figura 18: Software de Programação Festo 4.10
Fonte: Autor (2013).
A programação utilizada para fazer a automação do protótipo funcional é a
seguinte:
Quando a entrada I0.1 (botão Start) for pressionado e I0.0 (botão Stop)
desativado uma FLAG 0 (F0.0) será seta, e então o sistema estará acionando,
esperando o copo de Chopp Para iniciar o processo.
Se o Botão Stop (I0. 0) for pressionado a FLAG 0 (F0.0), reseta e
desligara todo o sistema, pois é a FLAG 0 que permite que o sistema esteja
182
acionando.
Sé a FLAG 0 estiver setada então liga uma Lâmpada que indica que o
sistema esta ativado.
Com FLAG 0 setada o sistema fica em espera do copo, e quando os
sensores S1 (sensor que lê o copo), o S2 (sensor inicio de curso da bandeja), e o S3
com contato normalmente fechado, cuja envia nível logico 0 (Sensor fim de Curso da
bandeja) estiver acionado, então dado condições para que a saída O0.0 (Motor
Avança) o motor será acionado e o suporte do copo se movimenta até o fim de curso
da unidade mecânica.
183
Com a FLAG 0 Acionada e o sensores S1 (sensor que lê o copo), e o
S3 (Sensor fim de Curso da bandeja) enviando nível logico 1, e também a FLAG 1
(F0.1) desativada, então seta a solenoide (Y1), que então permite o Chopp Circular
na serpentina.
Com a FLAG 0 acionada e a solenoide (Y1) ativado e o sensor (Nível)
identificar o nível desejado de Chopp no reservatório de dosagem, então seta FLAG
1 (F0.1) e desliga a solenoide (Y1), que corta a circulação do Chopp na serpentina,
pois na sentença anterior o contato da FLAG 1 (F0.1) esta fechado, e quando ela é
acionado, abre o contado e então desliga a solenoide (Y1).
Com a FLAG 0 acionada e o sensores S1 (sensor que lê o copo), e S3
184
(Sensor fim de Curso da bandeja), e o sensor (Nível) acionados seta uma
terceira Flag, a FLAG 2 (F0.2).
E com a FLAG 0 e a FLAG 2 (F0.2) setada, aciona o temporizador (TON0),
com um tempo de 5 segundos, e seta também a solenoide (Y0) que abre o fluxo do
Chopp do reservatório de dosagem para o copo, e depois do tempo determinado
pelo temporizador (TON0), a solenoide (Y0)e desacionada, interrompendo o fluxo do
Chopp para o copo.
Com FLAG 0 e a FLAG 2 acionadas, o temporizador (TON0) contar o tempo
de 5, e o sensores S2 (sensor inicio de curso da bandeja S3 (Sensor fim de Curso
da bandeja) ou o contato do O0.1 (Motor retorna) acionado liga o motor, fazendo
assim a unidade mecânica retorne ao seu inicio do curso, pronto para que o cliente
possa pegar o copo com o Chopp.
185
Em caso de algum problema no processo, o sistema pode reinicializado com
o botão reset. Que funciona da seguinte forma: Se a FLAG 0 setada e a entrada I0.2
(Botão Reset) ou O0.1( Retorno do Motor) acionado, e o sensor S2 (Inicio de Curso
da Bandeja) com contato fechado, então seta o O0.1( Retorno do Motor), fazendo o
processo voltar ao ponto inicial.
5 CONSIDERAÇÕES FINAIS
No desenvolvimento do protótipo, ficou constatada que forma para adaptar a
quantidade certa de Chopp e a espuma é a utilização uma célula de carga ao invés
do sensor capacitivo como controle de nível. E usar também uma serpentina de
maior comprimento para fazer o Chopp chegar ao fim do processo com uma
temperatura melhor para o consumo.
O protótipo é viável com a introdução de um CLP de baixo custo e fazendo a
sua fabricação em grande escala.
186
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188
APÊNDICE
Apêndice 1
Programação Completa para a automação do protótipo funcional:
189
