Automação de Um Silo de Armazenagem de Grãos

 

 

UNIVERSIDADE FEDERAL DE PELOTAS Centro de Engenharias Curso de Engenharia de Controle e Automação

Trabalho de Conclusão de Curso

Automação de um silo de armazenagem de grãos

Nathan Belluzzo da Silveira

Pelotas, 2019

 

 

Nathan Belluzzo da Silveira

Automação de um silo de armazenagem de grãos

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Centro de Engenharias da Universidade Federal de Pelotas, como requisito parcial à obtenção do título de Engenheiro de Controle e Automação  Automação 

Orientador: Prof. MSc. Luciano Anacker Leston Coorientador: Prof. Dr. Carlos Alberto Silveira da Luz  Luz 

Pelotas, 2019

 

Universidade Federal de Pelotas / Sistema de Bibliotecas Catalogação na Publicação

S587a Silveira, Silveira, Nathan Nathan Belluzzo Belluzzo da SilAutomação Automação de um silo de armazenagem de grãos / Sil Nathan Belluzzo da Silveira ; Luciano Anacker Leston, orientador ; Carlos Alberto Silveira da Luz, coorientador. — Pelotas, 2019. Sil Sil31 31 f. : il.  Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Sil Trabalho Engenharia de Controle e Automação) — Centro de Engenharias, Universidade Federal de Pelotas, 2019. Sil Sil1. 1. Armazenamento. 2. Temperatura. 3. Automação. 4. Controle. 5. Supervisório. I. Leston, Luciano Anacker, orient. II. Luz, Carlos Alberto Silveira da, coorient. III. Título. CDD : 629.8

Elaborada por Maria Inez Figueiredo Figas Machado CRB: 10/1612

 

 

AGRADECIMENTOS  Aos meus pais, João Marcelo e Meire Lúcia, meus irmãos Marcelle, Thiago e João Marcos, pelo apoio e incentivo durante essa difícil jornada e em todos os momentos da minha vida.  Aos meus amigos de longa data Mateus Massensini, Yuri Ferreira, Robert Camargos e Jaine Helena, por sempre me apoiarem e permanecerem presentes mesmo tão distantes.  À minha amiga Jacqueline Toledo, que se tornou uma das figuras mais importantes em minha vida nesses últimos tempo, pela ajuda, incentivo, compreensão e apoio incondicional.  Ao meu grande amigo Rodrigo Valandro Mazzaro, pela amizade, companheirismo em todos os momentos e ajuda imensurável, que sem ela, a elaboração deste trabalho não seria possível.  Às minhas amigas Emilly Carvalho e Michele da Silva pela convivência ao longo dos anos e por toda t oda ajuda prestada durante minha graduação.  Aos professores Carlos Alberto Silveira da Luz e Luciano An Anacker acker Leston pelas orientações e ajuda na elaboração deste trabalho.  A todos os meus colegas e professores do curso de Engenharia de Controle e  Automação, por esses anos anos em que conviv convivemos emos e aprendemos juntos.

 

 

RESUMO SILVEIRA, Nathan Belluzzo. Automação de um silo de armazenagem de grãos. 2019. 31 f. Trabalho de Conclusão de C Curso urso (Engenharia de Controle e Automaç Automação) ão) — Centro de Engenharias, Universidade Federal de Pelotas, Pelotas, 2019. O crescente número da população mundial nos força a pensar pe nsar cada vez mais em como produzir alimentos de maneira mais eficiente para atingir a segurança, uma vez que possuímos recursos limitados para tal ação. Para isso, aumentar o índice de produtividade das colheitas e diminuir as percas em todos os processos da produção é de grande importância. Desta forma, o objetivo deste trabalho é desenvolver um sistema de automação para um silo de armazenagem de grãos, visando melhorar a qualidade dos produtos ali armazenados e diminuir possíveis percas durante esse processo por meio de um controle de temperatura interna utilizando um sistema de aeração. Neste trabalho, um sistema de baixo custo e fácil implementação, que consta com placas de aquisição de dados, unidade de controle e acionamento do ventilador do silo, assim como software supervisório, foi elaborado. O sistema além de garantir qualidade para a armazenagem de grãos, nos possibilita salvar os dados de temperatura e umidade para posteriores analises.

Temperatura, Automação, Controle, Palavras-chave: Armazenamento, Temperatura, Supervisório.

 

 

ABSTRACT SILVEIRA, Nathan Belluzzo. Automation of a silo for storage grain. 2019. 31 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Engenharia de Controle e Automação) — Centro de Engenharias, Universidade Federal de Pelotas, Pelotas, 2019. The growing number of the world's population forces us to think more and more about how to produce food moreFor efficiently to reachthea crop food productivity supply, since we and havereducing limited resources for such action. this, increasing index loses in all production processes is very important. Thus, the objective of this study is to develop an automation system for a grain storage silo, aiming to improve the quality of the products stored therein and reducing possible losses during this process by means of an internal temperature control using a aeration system. In this work, a system of low cost and easy implementation, consisting of data acquisition boards, control unit and silo fan drive, as well as supervisory software, was elaborated. The system, besides ensure quality for the storage of grains, allows us to save the data of temperature and humidity for later analyzes. 

Keywords: Storage, Temperature, Automation, Control, Supervisory. 

 

 

LISTA DE FIGURAS Figura 1

Gráfico da evolução da capacidade brasileira de armazenagem..

Figura 2 

Silo experimental................................ experimental........................................................... ........................................... ................ 14

Figura 3 

Sensor de temperatura LM35....................... LM35.................................................. ................................. ...... 15

Figura 4 

Distribuição dos sensores de temperatura ao longo da altura do silo.................................................................................................

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Distribuição dos sensores de temperatura ao longo do raio do silo.................................................................................................

16

Figura 5 

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Figura 6 

Sensor HIH-4000............................... HIH-4000......................................................... ............................................ .................. 17

Figura 7 

Microcontrolador PIC 16F877a............................ 16F877a...................................................... .......................... 18

Figura 8 

Placas de aquisição de dados................................................... dados............................. .......................... .... 18

Figura 9

Diagrama de blocos do sistema automatizado.............................. 19

Figura 10 Placa de controle.................................................. controle............................ .............................................. .......................... 20 Figura 11 Fluxograma da rotina de tratamento dos dados recebidos........... 21 Figura 12 Fluxograma da lógica de controle liga-desliga.......................... liga-desliga.............................. .... 22 Figura 13 Placa do motor......................................... motor..................... .................................................. ..................................... .......

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Figura 14 Contator LC1E0910........................................................ LC1E0910............................. .......................................... ............... 23 Figura 15 Placa de acionamento do contator............................................... contator......................... ........................ 24 Figura 16 Interface Gráfica do Usuário (GUI) desenvolvida.......................... 25 Figura 17 Variação da me medição dição de te temperatura mperatura dos sensores com o ssilo ilo carregado.......................................................................................

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Figura 18 Variação da temperatura interna do silo........................................ silo........................ ................ 27 Figura 19 Comparativo entre temperaturas.............................. temperaturas................................................... ..................... 28

 

 

LISTA DE TABELAS Tabela 1

Resposta de insetos de produtos armazenados à temperatura....

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Tabela 2

Tipos de aeração........................................................... aeração................................ ........................................... ................

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Tabela 3

Dados técnicos do microcontrolador PIC16F877a........................

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Tabela 4

Características técnicas do motor............................................... motor....................... ............................

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SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO  ..................................................................................................... 8 2. REVISÃO DE LITERATURA .......................... ............. ......................... ........................... ............................ ......................... ................ 9 2.1. Armazenagem de grãos ............. .......................... ......................... .......................... ............................ ......................... .................. ....... 9 2.2. Qualidade de grãos armazenados............ .......................... ........................... .......................... ........................... ................ 10 2.3. Aeração ......................... ........... ......................... .......................... ............................ ......................... ........................... ........................... ................ .... 11 2.4. Termometria ............. ......................... ........................... ............................ ......................... .......................... ........................... ..................... ........ 12 2.5. Automação e controle............... ............................ ......................... .......................... ........................... ......................... ................... ....... 13 3. MATERIAIS E MÉTODOS ........................... ............ ......................... .......................... ............................ ......................... ................ ..... 14 3.1. Sensoriamento ............................. .............. ............................. ............................. ............................ ......................... ......................... ............. 15 3.2. Unidade de controle ........... .......................... ............................. ............................ .......................... .......................... ...................... ........ 19 3.3. Sistema de acionamento ......................... ............ ......................... ........................... ........................... ......................... ................. .... 22 3.4. Software supervisório ............... ............................ .......................... ......................... .......................... ........................... ................... ...... 24 4. RESULTADOS E DISCUSSÕES ....................................................................... 26 5. CONCLUSÕES  .................................................................................................. 29 REFERÊNCIAS ......................................................................................................... 30 

 

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1. INTRODUÇÃO Segundo estudo realizado pelo Departamento de Assuntos Econômicos e Sociais das Nações Unidas (ONU, 2017), a população mundial em 2017 era de cerca de 7,6 bilhões de habitantes, mostrando um acréscimo de cerca de um bilhão de habitantes nos doze últimos anos. Neste mesmo estudo, a organização faz uma estimativa de que em 2050 a população mundial chegue a aproximadamente 9,8 bilhões de habitantes, 29% a mais do número atual, e em 2100 a estimativa é que esse número aumente para 11,2 bilhões. Com o constante aumento da população, o aumento na quantidade de alimentos produzidos no mundo se torna uma necessidade para poder suprir toda essa demanda. A quantidade limitada de recursos necessários para a produção de alimentos, como terras, água, energia, faz com que seja necessário maior investimento no aumento da produtividade e na diminuição das perdas. Estima-se que cerca de um terço da produção mundial de alimentos destinados ao consumo humano é perdido ou desperdiçado, o que equivale a cerca de 1,3 bilhão de toneladas por ano (FAO, 2011). Na América Latina, 22% das perdas de alimentos se encontram durante a etapa de armazenagem e transporte (FAO, 2014). Adotar práticas que visam diminuir as perdas de alimentos durante a colheita e pós-colheita,  já seria o suficiente para suprir as necessidades de grande parte da população que passa fome no mundo. Segundo Silva (2008) o objetivo da armazenagem de grãos é preservar as qualidades físicas, sanitárias e nutricionais dos grãos depois de colhidos. Fatores como temperatura, umidade relativa do ar intergranular e o teor de água dos grãos são os fatores que mais influenciam na boa conservação desses produtos. Sendo assim, este trabalho tem como objetivo a elaboração de um sistema de automação que garanta um controle da temperatura interna de um silo de armazenagem de grãos por meio do processo de aeração. O sistema ao todo é constituído por sensores, software de aquisição e supervisão de dados e um sistema de controle para o acionamento do motor responsável pela ventilação do silo.

 

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2. REVISÃO DE LITERATURA 2.1. Armazenagem de grãos Durante toda a cadeia produtiva dos grãos, o processo de armazenagem tem grande importância. Graças a esse processo, as grandes quantidades de alimentos cultivados, que são bastante superiores ao consumo em curto tempo, podem ser estocadas e assim garantir a presença desses alimentos, que em grande parte são sazonais, para o consumidor durante todo o ano. Segundo Dessbesell (2014, p.15), armazenar é a ação de estocar qualquer produto por um período, “garantindo segurança e conservando as características qualitativas e quantitativas do produto, durante o período em que estiver armazenado”. Estima-se que a produção de grãos para a safra 2018/2019 será de 238,9 milhões de toneladas, apresentando um crescimento de 4.9% em relação à safra anterior (CONAB, 2019). Entretanto, em contraste com o grande crescimento da produção brasileira de grãos, a capacidade de armazenagem no Brasil cresce em ritmo bastante inferior. De acordo com dados informados pela CONAB, e observados na Figura 1, a capacidade estática dos armazéns brasileiros, apresentou, até o momento, uma capacidade de aproximadamente 167 milhões de toneladas em 2019, mostrando um crescimento de apenas 0,5% em comparação com o ano anterior.

Figura 1 – Gráfico da evolução da capacidade brasileira de armazenagem. Fonte: Adaptado de CONAB, 2019a.

 

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2.2. Qualidade de grãos armazenados Garantir condições ideais para a massa de grão armazenada, preserva a qualidade do produto, e diminui a quantidade de perdas durante esse processo. Segundo Milman (2002, p. 156), “a qualidade dos grãos não pode ser melhorada, pode ser apenas preservada durante o armazenamento.”  A massa massa de g grãos rãos armazenada se comporta como um ecossistema e apresenta um microclima próprio. A sua deterioração está ligada diretamente com a interação entre variáveis que podem ser físicas, f ísicas, químicas ou biológicas (FARONI, 1998). Para Silva (2008), a temperatura, a umidade do ar entre os grãos e o teor de água presente nos grãos são fatores que influenciam diretamente na boa conservação do produto. Durante a etapa de armazenamento, diversos fatores podem influenciar nas perdas do produto. Fatores como insetos, fungos e ataque de roedores, causam perdas, tanto de qualidade como de quantidade do produto armazenado. As perdas de qualidade, apresentam grande impacto, uma vez que toda a massa de grão tem seu uso armazenado ou é destinada para outro uso de menor valor agregado. Conforme Lorini (2015), no caso de trigo, o produto é desclassificado para comercialização se for encontrado um inseto vivo no lote. Quando se fala de insetos a temperatura é uma variável muito importante. Segundo Fields (1992), existem três tr ês zonas de temperatura para qualquer organismo: ótima, onde as espécies apresentam grande taxa de desenvolvimento e maior índice de reprodução; sub-ótima, onde as temperaturas estão acima ou abaixo da zona ideal, mas as espécies ainda podem completar seu ciclo de vida; letal, onde as temperaturas estão acima ou abaixo da zona sub-ótima e matam o organismo com o tempo, entretanto, temperaturas muito altas podem causar danos ao produto como por exemplo fissuras e alterações na qualidade do mesmo. A Tabela 1 descreve essas zonas para os principais insetos que atacam produtos armazenados.

 

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Tabela 1 — Resposta de insetos de produtos armazenados à temperatura.

Zona Letal

Temperatura (°C) 50 a 60 45 Sub-ótima 35 33 a 35

Efeito Morte em minutos Morte em horas Parada no desenvolvimento Desenvolvimento lento

Ótima 25 a a 25 33 Sub-ótima 20 13 a 20 Letal 5 -10 a -5 -25 a -15

Taxa máxima de desenvolvimento Desenvolvimento lento Parada no desenvolvimento Morte em semanas, parada de movimentos Morte em semanas Morte em minutos, congelamento dos insetos

Fonte: FIELDS, 1992, p. 90.

 Assim como os insetos os fungos são grandes causadores de danos e deterioração nos produtos agrícolas. Esses fungos são conhecidos como fungos de armazenamento e eles se desenvolvem em grãos armazenados com umidades relativas na faixa de 65-85% e que apresentam teor de água abaixo de 17% da sua massa total (SILVA, 2008). Conforme mostrado por Luz e Luz (2008, p. 8), o teor de água contida nos grãos possibilita o ataque de micro-organismos. Esses, se alimentam por osmose, deteriorando o produto.  Temperatura e umidade são variáveis que apresentam grande relação entre si. De acordo com Silva (2011) a falta f alta de uniformidade da temperatura na massa de grãos faz com que correntes de ar circulem das regiões mais aquecidas para as mais frias provocando assim migração de umidade. Esse fenômeno favorece o aumento do teor de água do produto que leva ao aumento das taxas de respiração e auto deterioração dos grãos e a disponibilidade de água no espaço intergranular que intensifica o desenvolvimento de fungos e outros microrganismos que acabam por gerar calor, água, gás carbônico e gases odoríficos. Também é importante ressaltar que fungos podem metabolizar micotoxinas, que em altas concentrações toram o produto armazenado impróprio ao consumo.

2.3. Aeração Silva (2008, p. 270) define aeração como a técnica “que consiste na passagem forçada do ar, com fluxo adequado, através da massa de grãos, com o objetivo de prevenir ou solucionar problemas de conservação.”

 

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 A utilização da técnica de aeração pode gerar benefícios como: resfriamento da massa de grãos; uniformização da temperatura; prevenir o aquecimento e umedecimento; promover secagem; promover remoção de odores.  A aplicação da aeração pode ocorrer em diferentes momentos e procurando priorizar algum objetivo específico. Os principais pri ncipais tipos de aeração são: de resfriamento r esfriamento ou manutenção, provisória, corretiva e secante (ELIAS, 2003) e suas principais funções são descritas na Tabela 2. Tabela 2 — Tipos de aeração.

Tipos de aeração  Aeração provisória

Função Aplicada em grãos recém-colh recém-colhidos idos enquanto aguardam a secagem, serve como meio de conservação temporária  Aeração de resfriamento Corrigir um início de aquecimento ou para resfriar ou manutenção  Aeração corretiva Remover odores ou para corrigir problemas  Aeração secante

relacionados baixa umidade grãos Mantém os à grãos a uma dos temperatura suficientemente baixa, ocasionando lenta secagem

Fonte: Adaptado de ELIAS, 2003

Dentre os diversos objetivos e tipos de aeração citados, o principal objetivo da aeração é promover o resfriamento da massa de grãos. Além dos benefícios relacionados à diminuição do desenvolvimento de insetos, ácaros e fungos, a armazenagem em temperaturas mais baixas preservam a matéria seca do grão. Grãos armazenados em temperatura entre 25 e 40 °C, têm sua atividade respiratória intensificada, proporcionando perda de matéria seca, aumenta a umidade do ar entre os grãos e a produção de calor (SILVA, 2008).

2.4. Termometria Segundo Milman (2002, p.164) “a termometria é um conjunto de sensores distribuídos no interior de um silo [...] conectados a um instrumento de indicação de temperatura, montado em um painel, permitindo a leitura da temperatura de cada sensor.”  A distribuição desses sensores deve ser de maneira uniforme visando o acompanhamento de várias áreas diferentes da massa de grãos. Os sensores são distribuídos através de cabos onde são instalados sensores em diferentes alturas do

 

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mesmo, de acordo com critérios técnicos, estabelece uma distância máxima de 6,0 metros entre cabos e 2,0 a 2,5 metros entre os sensores de cada cabo (SILVA, 2008). Estas distancias devem ser respeitadas para que se garanta um mínimo de pontos de monitoramento dentro da massa de grãos. De acordo com Weber (2001) é graças ao sistema de termometria que se pode conhecer e avaliar a gravidade dos problemas e os movimentos da temperatura dentro do silo. Acompanhar essas temperaturas de maneira frequente permite acionar a aeração dos grãos de maneira preventiva, antes que um valor elevado de temperatura, que pode ocasionar risco aos grãos, seja atingido.

2.5. Automação e controle Lamb (2015, p.2) descreve automação como “o uso de comandos lógicos programáveis e de equipamentos mecanizados para substituir as atividades manuais que envolvem tomadas de decisão e comandos-resposta de seres humanos.” Dentre suas vantagens, destacam-se a melhoria da rapidez com que processos são realizados ou ações são tomadas. Além de promover uniformidade da qualidade do processo, a não necessidade de operadores faz com que a automação seja bastante utilizada em ambientes perigosos.  A automação permite que máquinas realizem atividades manuais de forma automática, entretanto, os sistemas de controle nos garantem que essas máquinas funcionem de maneira correta. Segundo Nise (2013) “um sistema de controle consiste em subsistemas e processos (ou plantas) construídos com o objetivo de se obter uma saída desejada com um desempenho desejado, dada uma entrada especificada.” Um sistema de controle pode ser dividido em duas partes: sistema controlado, que é o sistema que executa a operação física que se deseja automatizar; e equipamento de controle, que é o equipamento que recebe as informações do processo e então toma as ações necessárias para que o sistema controlado funcione da maneira desejada (GEORGINI, 2000). 

 

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3. MATERIAIS E MÉTODOS O presente trabalho se iniciou como uma derivação do trabalho apresentado por Galli (2014), que desenvolveu um sistema eletrônico para monitoramento de dados na secagem estacionaria de sementes de arroz. Tomando proveito do sistema s istema de sensoriamento montado por ele, foi desenvolvido, em um primeiro momento, um software que permite a visualização em tempo real dos valores medidos pelos sensores, assim como o armazenamento desses dados para futuras análises. O segundo passo foi então a elaboração de um sistema de controle que, utilizando os dados capturados por esses sensores, toma a decisão de acionar o ventilador do silo com o objetivo de garantir um ambiente termicamente favorável para a armazenagem dos grãos. O trabalho foi realizado em um silo de armazenagem de grãos de pequena escala para fins acadêmicos com início no segundo semestre de 2018. O silo utilizado no trabalho pertence ao Laboratório de Engenharia de Pós-Colheita do curso de Engenharia Agrícola, que fica localizado na sala 400 do Centro de Engenharias da Universidade Federal de Pelotas. Suas dimensões são 70 cm de altura, 1 m de raio, cobertura (chapéu) de 29 cm e 0,7 m³ de volume, suas características e partes que o compõem, podem ser melhor entendidos através da Figura 2.

Figura 2 — Silo experimental.

 

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3.1. Sensoriamento  Afim de se obter dados de temperatura e umidade que podem interferir diretamente na qualidade do processo de armazenagem de grãos, foi instalado 9 sensores de temperatura e 2 sensores de umidade relativa do ar no interior do silo. O sensor de temperatura escolhido foi o sensor LM35 da National Semicontuctor Corporation, mostrado na Figura 3. O sensor de saída analógica apresenta tensão linear à escala de temperatura em graus Celsius, além de ter um baixo custo tem uma boa precisão de 10mV/ºC.

Figura 3 – Sensor de temperatura LM35. Fonte: Google Imagens

Os sensores de temperatura foram divididos em 3 cabos, espaçados uniformemente ao longo do raio do silo. Em cada cabo foi colocado 3 sensores em escalas de alturas distintas para assim cobrir diferentes pontos de temperatura da massa de grãos. Os sensores de temperatura foram instalados nos cabos nas alturas de 0 m, 0,28 m e 0,56 m a partir da base do silo. A Figura 4 oferece uma visualização de como os cabos e os sensores foram dispostos dentro do silo.

 

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Figura 4 — Distribuição dos sensores de temperatura ao longo da altura do silo.   Fonte: STARK, 2018

Cada cabo encontra-se afastado 0,28 metros da parede do silo, conforme ilustrado na Figura 5.

Figura 5 — Distribuição dos sensores de temperatura ao longo do raio do silo. Fonte: STARK, 2018

Para realizar as medições de umidade foi utilizado o sensor HIH-4000 fabricado pela Honeywell, mostrado na Figura 6. Este sensor apresenta grande facilidade de implementação em sistemas de controle pois apresenta uma tensão de saída proporcionalmente linear à umidade relativa do ar.

 

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Figura 6 — Sensor HIH-4000. Fonte: HONEYWELL, 2010

Os sensores de umidade relativa foram inseridos na entrada de ar do silo localizada na parte inferior do mesmo e na saída de ar ao topo do silo. Este tipo de posicionamento dos sensores nos permite observar a troca de umidade entre o ar que entra e que sai da massa de grãos. Os sensores foram divididos e ligados em 3 placas de aquisição que contém, cada uma, 1 microcontrolador para realizar a leitura dos dados e um display LCD que informa os valores dos mesmos. O microcontrolador utilizado foi o PIC (Peripherical Interface Controller) modelo 16F877a fabricado pela Microchip Technology Inc. Este modelo foi escolhido por apresentar conversores A/D que foram utilizados para a leitura dos sensores. Na Tabela 3 estão apresentadas algumas características técnicas do microcontrolador. Tabela 3 – Dados técnicos do microcontrolador PIC16F877a.

Memória Flash programável Velocidade CPU EEPROM Porta de comunicação serial Timers Entradas analógicas Número de pinos Tensão de operação

14 Kbytes 5 MIPS/DMIPS 256 bytes 1 2 x 8 bits, 1 x 16 bits 8 x 10 bits 40 2 – 5,5 V

 

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Figura 7 — Microcontrolador PIC 16F877a. Fonte: MICROCHIP, 2003.

 As placas foram ligadas serialmente e a última delas encapsula todos os valores dos sensores e envia também por comunicação serial para qualquer dispositivo que se conecte nela. Na Figura 8 conseguimos ver as 3 placas em funcionamento.

Figura 8 - Placas de aquisição de dados.

Inicialmente era conectado na última placa um módulo Bluetooth HC-06, que transmitia todos os dados para o software de computador desenvolvido para capturar e armazenar esses dados. Neste trabalho, optou-se por ligar na última das placas de aquisição um novo microcontrolador que, utilizando esses dados, realiza o processo de controle do ventilador responsável por aerar a massa de grãos, e então utilizando-se do modulo Bluetooth, envia os dados captados para o software supervisório.  A Figura 9 mostra um diagrama de blocos de todo o sistema de automação, inclusive, de partes que iremos ver com mais detalhes nos itens a seguir.

 

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Figura 9 – Diagrama de blocos do sistema automatizado.

3.2. Unidade de controle Para realizar o controle do ventilador, uma nova placa foi desenvolvida contendo 1 microcontrolador PIC16F877a, 1 sensor de temperatura LM35, 1 sensor de umidade relativa HIH4000, 1 display LCD e componentes básicos como resistores r esistores e capacitores, conforme se pode ver na Figura 10.

 

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Figura 10 — Placa de controle.

O display LCD presente na placa, apresenta os valores de temperatura e umidade relativa do ar externos ao silo medidos pelos sensores presentes nesta placa. Também apresenta a temperatura de referência do sistema de controle. O microcontrolador presente nesta placa é ligado serialmente ao PIC da terceira placa do sistema de aquisição que envia todos os valores medidos dos sensores que se encontram dentro do silo. Esses valores chegam como uma frase na qual o valor de cada sensor é uma palavra, e essas palavras são separadas por espaços ou virgulas. Para poder utilizar esses dados, essa frase recebida precisa passar por uma rotina de tratamento. Essa rotina divide a frase em 11 palavras e armazena elas em variáveis. Após separadas, essas variáveis são comparadas entre elas para ser identificada a maior entre as 9 temperaturas internas do silo. Após identificada, essa variável que é do tipo ti po string é convertida e armazenada em uma variável de números inteiros, para que esse valor possa ser utilizado na tomada de decisão do sistema de

 

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controle. Todo este processo é melhor visualizado no fluxograma mostrado na Figura 11.

Figura 11 – Fluxograma da rotina de tratamento dos dados recebidos.

 A lógica desenvolvida para o sistema de controle controle,, utiliza-se da ação de co controle ntrole do tipo liga-desliga (on-off). Visto que nossa variável de controle, temperatura, apresenta uma variação lenta ao longo do tempo e uma margem de erro em torno da temperatura desejada pode ser aceita, essa técnica de controle se apresenta viável para a utilização neste trabalho. Utilizando as informações presentes na Tabela 1, consegue-se observar que temperaturas entre 13 e 20°C causam um efeito de interrupção da taxa de desenvolvimento de insetos. Foi utilizada uma temperatura de referência de 16°C com uma janela de 1°C, ou seja, o sistema liga quando a temperatura atinge 17°C, e desliga quando a temperatura chega em 15°C. O fluxograma mostrado na Figura 12, descreve a lógica de controle implementada no microcontrolador.

 

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Figura 12 – Fluxograma da lógica de controle liga-desliga.

3.3. Sistema de acionamento O sistema de ventilação do silo é composto por um motor de indução monofásico que deve ser acionado pelo microcontrolador. As características do motor estão mostradas na sua placa, conforme a Figura 13 e descritas na Tabela 4.

Figura 13 — Placa do motor.

 

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Tabela 4 – Características técnicas do motor.

Potência Velocidade angular Tensão Corrente Ip/In Fator de serviço Frequência Temperatura máxima de trabalho

1/3 CV 1750 RPM 110 – 127 / 220 – 254 V 7,4 – 9,8 / 3,7 – 4,9 A 4,3 1,35 60 Hz Classe B (130°C)

Para realizar o acionamento do motor foi utilizado um contator LC1E0910 fabricado pela Schneider Electric, mostrado na Figura 14, e um disjuntor termomagnético, que funciona como proteção para possíveis sobrecargas no motor.

Figura 14 — Contator LC1E0910. Fonte: Schneider Electric

Para realizar a magnetização da bobina do contator utilizando o microcontrolador, foi fabricado uma placa que além de acionar o contator, funciona como um sistema de proteção para o microcontrolador. Nesta placa o sinal de saída da porta digital do microcontrolador, após passar por um diodo, aciona um transistor. Esse transistor, quando polarizado, fecha o contato normalmente aberto de um relé que magnetiza a bobina do contator, assim acionando o motor. A placa é apresentada na Figura 15.

 

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Figura 15 – Placa de acionamento do contator.

3.4. Software supervisório supervisório Para realizar o acompanhamento em tempo real dos valores medidos pelos sensores e também salvá-los em um arquivo no computador para posterior análise, foi desenvolvido um software supervisório. Para desenvolver o software foi utilizado a linguagem de programação Python, que graças a sua característica de multiplataforma nos possibilita rodar o programa desenvolvido em computadores com diferentes sistemas operacionais.

 

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Figura 16 — Interface Gráfica do Usuário (GUI) desenvolvida.

 A interface do programa provém de caixas que mostram os valores dos sensores e suas posições dentro do silo, assim como os valores de temperatura e umidade relativa do ar fora do silo. O programa também informa a situação da conexão entre o programa e o módulo Bluetooth que envia os dados para o programa. No lado direito existem uma caixa com dois botões (Buscar e Conectar), que servem para conectar o programa ao módulo Bluetooth. Essa funcionalidade permite que se houver algum defeito no módulo, o mesmo possa ser substituído sem necessidade de alteração no código fonte do programa. Na parte inferior direita da tela te la aparecem dois botões que servem para iniciar ou parar o processo de gravação dos dados no computador. Acima deles se encontra uma caixa de texto onde é possível informar o intervalo em minutos para as amostras salvas. Os dados são salvos em um arquivo de texto separado por virgulas no formato CSV.

 

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4. RESULTADOS E DISCUSSÕES Para comprovar a funcionalidade do sistema e obter dados que comprovem a mesma, um estudo experimental foi realizado no dia 28 de junho de 2019. A temperatura da sala no momento do teste era de 20ºC e o silo encontrava-se vazio.  Assim que se iniciou o teste, uma resistência resistência elétrica de 2200 W de potê potência ncia foi lig ligada ada no interior do silo para forçar de maneira rápida a elevação de temperatura dos sensores. No instante em que o sistema de ventilação foi acionado a resistência foi desligada e a partir desse momento o sistema passou a funcionar f uncionar sem interferências. Os resultados foram salvos através do programa de armazenamento de dados e serão discutidos através de gráficos gerados pelo Excel.  A Figura 17 mostra os dados obtidos durante um teste para verificar a funcionalidade do software desenvolvido. Este teste foi realizado durante o dia 01 de dezembro de 2018, e durante este teste, o silo estava carregado com o arroz. É interessante observar como os sensores se comportam de maneira diferente e apresentam uma diferença de 4 graus de temperatura. Levando em consideração a proximidade que eles se encontram dentro do silo, essas diferenças reforçam a importância de monitorar diferentes áreas da massa m assa de grãos.

Figura 17 – Variação da medição de temperatura dos sensores com o silo carregado.

Na Figura 18 pode se observar a relação entre as temperaturas registradas no silo no momento do acionamento do motor com o horário. As altas taxas de variação das temperaturas 2, 3 e 6 acontecem em decorrência da proximidade dos sensores com a resistência.

 

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Figura 18 — Variação da temperatura interna do silo.

Conforme pode-se observar, o sistema de ventilação levou cerca de 2 minutos para começar a fazer efeito, esse tempo é denominado tempo morto do sistema, e ele é o tempo necessário para o ar quente, que está próximo aos sensores, ser removido e então o decréscimo de temperatura ser registrado. Também é possível analisar que os sensores 3, 6 e 9, que são os sensores mais alto de cada cabo, demoram um tempo maior para apresentarem queda de temperatura. Isso se deve pelo fato de que quando o sistema de ventilação é ativado o ar quente que está contido dentro do silo sai pelo topo do mesmo, fazendo com que esses sensores fiquem expostos por um período de tempo maior à massa de ar quente. Por volta das 19:32 horas o ultimo sensor atinge o limite de temperatura inferior fazendo com que o sistema de ventilação seja desligado. Depois de cessada a ventilação forçada, as temperaturas, na tentativa de entrar em equilíbrio com as temperaturas do ambiente externo, voltam a crescer. Assim que se atingiu o limite superior, o sistema de ventilação foi ligado novamente e pode-se perceber a queda nas temperaturas, mantendo-se dentro da zona desejável.

 

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 A Figura 19 mostra a varia variação ção de tempe temperatura ratura no sensor 4, que está está localizado próximo da entrada de ar e no sensor 6 que está presente no topo do silo. Por meio desse gráfico é possível observar que o sensor 4, apresenta o menor valor de temperatura registrado durante o funcionamento do sistema. Enquanto o sensor 6 tem t em sua temperatura afetada em menor escala pelo sistema. Esse fato pode ser explicado devido a localização dos mesmos dentro do silo.

Figura 19 – Comparativo entre temperaturas.

Como comprovado pelas Figuras 18 e 19, o sistema de controle funcionou perfeitamente ligando e desligando o motor nos momentos corretos. Também através das referidas figuras nota-se que o controle realizado surtiu o efeito esperado, baixando as temperaturas de modo que as mesmas permanecessem dentro do intervalo desejado.

 

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5. CONCLUSÕES Baseado nos testes realizados, até o momento, pode-se concluir que o sistema proposto funcionou de maneira confiável e satisfatória.  A elaboração do sistema também atendeu um grande objetivo que era de se adequar e adaptar à infraestrutura que o silo já oferecia. Foram utilizadas as placas de aquisição de dados utilizadas em trabalhos passados, assim como os sensores que já estavam alocados dentro do silo. O sistema de controle que inicialmente tinhase a intenção de ser um controle de velocidade, foi alterado para um liga-desliga em virtude do motor monofásico que já fazia parte do silo, evitando assim uma possível alteração para um motor trifásico tr ifásico ou a obtenção de equipamentos, muitas vezes caros, como inversores de frequência. fr equência. Esse objetivo de ser um sistema adaptativo faz com que esse sistema seja de fácil implementação para outro silos que podem dispor de um estrutura diferente, fazendo assim, que o projeto possa ser mais abrangente e beneficiando possíveis interessados de varias maneiras, seja, por exemplo, fazendo o controle de temperatura ou apenas monitorando seus valores. Entretanto, levando em consideração que os testes realizados não continham a presença de grãos dentro do silo, testes posteriores com o silo carregado são necessários para se observar melhor o funcionamento do sistema e definir de maneira mais precisa as suas suas variáveis, como as as temperaturas limite para lig ligar ar e desligar, e também conhecer parâmetros como o tempo morto do sistema, tempo de acomodação, entre outros. Testes posteriores contendo grãos no silo também nos permitirá fazer uma análise de como o sistema de ventilação, aqui proposto, influencia na umidade da massa de grãos armazenado. ar mazenado.

 

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