Embed Size (px)
Citation preview
UNIVERSIDADE DO SUL DE SANTA CATARINA
JULIANO ANESI
PAULO HENRIQUE MANENTE TYBINKOVSKI
CONTROLE DE TEMPERATURA NO PROCESSO DE PRODUÇÃO DE CERVEJA
Palhoça
2019
JULIANO ANESI
PAULO HENRIQUE MANENTE TYBINKOVSKI
CONTROLE DE TEMPERATURA NO PROCESSO DE PRODUÇÃO DE CERVEJA
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado
ao Curso de Engenharia Elétrica da
Universidade do Sul de Santa Catarina como
requisito parcial à obtenção do título de
Engenheiro Eletricista.
Orientador: André Tonon, Esp. Eng.
Palhoça
2019
JULIANO ANESI
PAULO HENRIQUE MANENTE TYBINKOVSKI
CONTROLE DE TEMPERATURA NO PROCESSO DE PRODUÇÃO DE CERVEJA
Este Trabalho de Conclusão de Curso foi
julgado adequado à obtenção do título de
Engenheiro Eletricista e aprovado em sua
forma final pelo Curso de Engenharia
Elétrica da Universidade do Sul de Santa
Catarina.
Palhoça, 06 de Novembro de 2019.
______________________________________________________
Professor e Orientador André Tonon, Esp. Eng.
Universidade do Sul de Santa Catarina
______________________________________________________
Prof. Fabiano Max da Costa, Esp. Eng.
Universidade do Sul de Santa Catarina
______________________________________________________
Sheila Santisi Travessa, Dra. Eng.
Dedico este trabalho aos meus pais, Clenir
Manente Tybinkovski e Jucemar
Tybinkovski, pois tenho gratidão aos
ensinamentos repassados que me fizeram
perseverar nesta etapa inicial da minha vida
e a minha esposa Rúbia Ferrari de Pontes,
que acompanhou a conclusão desta trajetória
me orientando nos momentos turbulentos,
estando ao meu lado nos êxitos e nos
aprendizados. (Paulo Henrique Manente
Tybinkovski).
Dedico aos meus pais, Carmem Jusceli Anesi
e João Virgílio Anesi pelo apoio
incondicional em todos os momentos difíceis
da minha trajetória acadêmica. Ao meu irmão
Janilson Anesi que mostrou os primeiros
passos da elétrica e eletrônica. Este trabalho
é dedicado a eles. (Juliano Anesi).
AGRADECIMENTOS
Agradecemos o nosso orientador Esp. Prof. André Tonon, pela atenção e
dedicação com que acompanhou e orientou todo o nosso desenvolvimento. A todos os
professores que nesta caminhada, cada um de forma singular contribuiu para o nosso
desenvolvimento intelectual e social. A toda a nossa família e amigos, que direta ou
indiretamente nos ajudaram e nos deram força, pela amizade e companheirismo
demonstrados todos os dias.
Paulo agradece a: Aos meus pais, por toda a educação, conselhos e apoio, pessoas
essenciais na minha vida. A minha esposa Rúbia, por seu amor e incentivo nesta reta final.
Aos meus professores que me ensinaram não só teorias, mas também a ética de um bom
profissional, em especial ao Professor Djan de Almeida do Rosário que contribuiu muito para
o meu desenvolvimento em sua forma de repassar os conhecimentos e de apresentar de
maneira clara a relação entre todos os conteúdos, possibilitando uma visão mais prática e a
útil dos conhecimentos aplicados na vida. Ao amigo Diego Grams, pela orientação durante
o curso, buscando sempre que eu tivesse um melhor aproveitamento dos ensinamentos de
cada cadeira, ao Juliano Anesi por ter se dedicado neste projeto de conclusão de curso, e
durante todo o curso, fazendo com que atingíssemos êxito juntos. Aos meus amigos, que me
apoiaram durante estes longos anos. A todos, minha sincera gratidão.
Juliano agradece a: Aos meus pais, meu irmão, que apesar de todos as
dificuldades, me ajudaram na realização do meu sonho. Aos meus amigos que por muitas
vezes me mantive afastado por dedicação ao estudo. Aos vários colegas de classe, por toda a
ajuda e apoio durante este período tão importante da minha formação acadêmica. Aos
professores Djan de Almeida do Rosário e Anderson Soares André pelas orientações, apoio
е confiança. Em especial ao colega Paulo Henrique Manente Tybinkovski pelo apoio neste e
em outros projetos do curso, e a todos que me encorajaram e apoiaram, fazendo desta, uma
das melhores etapas da minha vida.
“Não esconda os seus talentos. Para o uso eles foram feitos. O que é um relógio
de sol na sombra?” (BENJAMIN FRANKLIN).
RESUMO
O Controle de temperatura na produção de cerveja artesanal é um ponto que define o perfil
de produto, necessitando para isso um controle preciso da temperatura na etapa de brassagem,
processo em que o amido se transforma em açúcares, através da ação das enzimas, e se
dissolvem na água formando o mosto cervejeiro. Atualmente o método de controle da
temperatura amplamente utilizado é o de liga-desliga da chama do fogareiro a gás de cozinha,
devido a sua disponibilidade e facilidade de implementação. Este trabalho busca implementar
um controle PID da temperatura utilizando aquecimento por resistência elétrica. Esta
implementação consiste no desenvolvimento de um sistema de controle utilizando Arduino
que executa um controle PID utilizando um relé de estado sólido. A planta em que será
implementado esse sistema é composta por uma panela de aço inoxidável de 18 litros com
fundo falso para separar os grãos do mosto, uma resistência de baixa densidade de 1600W e
uma bomba hidráulica. A resistência distribui a potência dissipada no fundo da panela
evitando a caramelização do mosto, enquanto a bomba fará a circulação do mosto visando a
homogeneidade do aquecimento do mesmo. Foi desenvolvido um sistema de controle com
arduino, sensor e relé de estado sólido e testado na planta, através do controle PID foi possível
atingir o grau de precisão desejado.
Palavras-chave: PID, Controle de Temperatura, Brassagem, Produção de Cerveja.
ABSTRACT
Temperature control in the production of craft beer is a point that defines the product profile,
requiring precise temperature control in the brewing stage, a process in which starch turns
into sugars through the action of enzymes and They dissolve in the water forming the brewing
wort. Currently, the widely used temperature control method is the on-off flame of the gas
cooker due to its availability and ease of implementation. This work seeks to implement a
PID temperature control using electric resistance heating. This implementation consists of
developing a control system using Arduino that performs a PID control using a solid-state
relay. The plant where this system will be implemented is made up of an 18 liters stainless
steel pan with a false bottom to separate the grains from the must, a low-density resistance
of 1600W and a hydraulic pump. The resistance distributes the dissipated power at the bottom
of the pan avoiding the caramelization of the wort, while the pump will circulate the wort
aiming the homogeneity of its heating. A control system with Arduino, sensor and solid-state
relay was developed and tested in the plant, through the PID control it was possible to reach
the desired degree of precision.
Keywords: PID, Temperature control, Brewing, Beer Production.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 - Rampa de Brassagem 15
Figura 2 - Faixas de atuação das enzimas 16
Figura 3 - Curvas de Resposta de um sistema a uma excitação em degrau unitário 18
Figura 4 - Sensor PT-100 22
Figura 5 - Medição de Tensão em um Termopar 23
Figura 6 - Diagrama de Blocos - Interior do DS18B20 25
Figura 7 - Controle de ciclo integral 28
Figura 8 - Detecção da passagem por zero 29
Figura 9 - Sensor Digital DS18B20 30
Figura 10 – Microcontrolador Arduino UNO 31
Figura 11 - Relé de Estado sólido SSR-40 DA 31
Figura 12 - Panela Cervejeira ML-20G2 32
Figura 13 – Conexões internas 33
Figura 14 – Controlador montado 33
Figura 15 – Controlador instalado na panela 34
Figura 16 – Início da condução do Relé de Estado sólido 36
Figura 17 – Saída PWM arduino 38
Figura 18 – Redução do PWM na saída do Arduino 38
Figura 19 – Diagrama de blocos do sistema com PID 40
LISTA DE EQUAÇÕES
Equação 2-1 – Função de Transferência de um sistema de primeira ordem 17
Equação 2-2 – Resposta ao degrau de um sistema de primeira ordem 17
Equação 2-3 – Função de Transferência sistema de segunda ordem 18
Equação 2-4 – Função de Transferência de um controlador PID 19
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO .............................................................................................................. 12
1.1 DEFINIÇÃO DO PROBLEMA .................................................................................. 12
1.2 JUSTIFICATIVA ........................................................................................................ 13
1.3 OBJETIVOS ............................................................................................................... 13
1.3.1 Objetivo Geral .......................................................................................................... 13
1.3.2 Objetivos Específicos ................................................................................................ 14
1.4 METODOLOGIA ....................................................................................................... 14
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ................................................................................ 15
2.1 BRASSAGEM ............................................................................................................ 15
2.2 SISTEMAS DE CONTROLE ..................................................................................... 17
2.2.1 Sistemas Térmicos .................................................................................................... 19
2.2.2 Sistema de Primeira Ordem ...................................................................................... 17
2.2.3 Sistema de Segunda Ordem ...................................................................................... 18
2.2.4 Controlador PID – Proporcional-Integral-Derivativo ............................................ 19
2.2.5 Sintonia do Controlador PID – Proporcional-Integral-Derivativo ......................... 20
2.3 CONTROLE DO PROCESSO .................................................................................... 20
2.4 MEDIÇÃO DE TEMPERATURA .............................................................................. 21
2.4.1 Faixa de Temperatura .............................................................................................. 22
2.4.2 Precisão .................................................................................................................... 22
2.4.3 Proteção .................................................................................................................... 22
2.4.4 Tempo de Resposta ................................................................................................... 22
2.5 MEDIDORES DE TEMPERATURA ......................................................................... 23
2.5.1 PT-100 ...................................................................................................................... 23
2.5.2 Termopares ............................................................................................................... 24
2.5.3 Digitais ..................................................................................................................... 25
2.6 MICROCONTROLADOR ......................................................................................... 27
2.6.1 Arduino ..................................................................................................................... 27
2.7 CONTROLE DE POTÊNCIA ..................................................................................... 27
3 DESENVOLVIMENTO ................................................................................................ 31
3.1 DEFINIÇÕES INICIAIS ............................................................................................. 31
3.2 PRIMEIRA PROGRAMAÇÃO - LIGA-DESLIGA ................................................... 33
3.3 SEGUNDA PROGRAMAÇÃO - PROPORCIONAL ................................................ 37
3.4 TERCEIRA PROGRAMAÇÃO - PID ........................................................................ 40
4 CONCLUSÃO ................................................................................................................ 43
REFERÊNCIAS ................................................................................................................. 44
12
1 INTRODUÇÃO
A cerveja artesanal na década de 70 nos Estados Unidos iniciou um processo de
larga expansão que atingiu grandes proporções no ano de 2014 em que havia 3,148 micro
cervejarias estabelecidas, se tornaram uma grande referência no mercado de artesanais, nesta
mesma época, 2014, no Brasil haviam apenas um pouco mais de 200 micro cervejarias
(SEBRAE, 2016).
Esta grande expansão do mercado de micro cervejaria traz junto uma cadeia de
desenvolvimento de fornecimento de insumos, bares e pubs para comércio da bebida ao
consumidor, automação da planta de produção, distribuição e consumo da bebida inclusive
difunde a ideia de produção de cerveja em casa (LAPOLLI, 2018).
Enquanto em 2014 havia algo próximo de 200 micro cervejarias, em 2017 já
estão estabelecidas segundo o Ministério da Agricultura e Pecuária, 679 cervejarias. Este
crescimento se assemelha ao que ocorreu nos Estados Unidos na década de 90 (LAPOLLI,
2018).
Observando este amplo crescimento e conhecendo o processo de fabricação,
nota-se que a produção caseira tem à disposição controles baratos e que necessitam de muita
atenção do operador. Existem controles automáticos, porém estes estão em um faixa de valor
que restringe o acesso de grande parte dos produtores de cerveja caseiros. Este trabalho tem
o objetivo de desenvolver um controlador que atenda essa demanda de precisão com um
custo-benefício que possibilite a automação de produções de pequena escala, utilizando
sensores, micro controladores e atuadores de uso comum a indústria.
1.1 DEFINIÇÃO DO PROBLEMA
Para que se possa fazer e repetir uma receita de cerveja, mantendo o padrão de
qualidade da mesma, é necessário ter o controle de temperatura durante o processo, pois o
líquido precisa permanecer em um patamar de temperatura por determinado período.
Atualmente faz-se o controle de acender e apagar o fogo conforme necessário,
desta forma a temperatura não permanece constante no valor desejado. Esta variação ocorre
devido a troca de temperatura com o ambiente, desta forma obtemos cervejas que contém
distinções entre elas, o que não é desejado.
Existem no mercado controladores com microprocessador, porém o custo é alto
e a interface poderia ser mais simples facilitando modificações durante o processo.
13
1.2 JUSTIFICATIVA
O movimento de produção de cerveja em casa tem alcançado uma grande
proporção de adeptos, este movimento visa a produção de cerveja deixando a critério do
cervejeiro o estilo e as proporções de ingredientes para atingir o resultado desejado. Uma
parte importante do processo de fabricação da bebida é o controle de temperatura que
possibilita a repetição da receita. É comum identificar ótimas cervejas entre os cervejeiros
caseiros, cujas receitas mesmo que bem registradas são dificilmente repetidas sem um
controle adequado de processo (LAPOLLI, 2018).
Algumas peculiaridades destes produtores de cerveja precisam ser levadas em
conta. O processo de brassagem é feito durante um dia, normalmente o dia de folga do
trabalho, neste dia também é feito o envase, limpeza e sanitização dos fermentadores,
garrafas e barris.
Desta forma executando diversas tarefas paralelamente, torna-se complicado o
controle da temperatura na panela de brassagem. Mediante aos fatos surge a necessidade de
um controlador que execute as rampas de forma independente, conforme configurado pelo
cervejeiro no início do processo. Este controle torna a produção da cerveja uma tarefa menos
complexa, e que possibilita a repetibilidade com maior grau de acerto. Em se tratando de um
hobby, o mesmo deve ser prazeroso e através de um controle confiável será possível executar
todas as atividades sem comprometer a execução do processo e obtendo um resultado
conforme esperado.
1.3 OBJETIVOS
A partir do problema de pesquisa, foram definidos um objetivo geral e três
objetivos específicos.
1.3.1 Objetivo Geral
Controlar a temperatura da panela de brassagem utilizando microcontrolador
comercial, possibilitando a padronização da produção de cerveja.
14
1.3.2 Objetivos Específicos
Definir o Microcontrolador, sensores e atuadores;
Definir o tipo de controle que gere a menor variação possível;
Implementar um protótipo que seja de operação simples e confiável;
Realizar os testes do controlador, para validar o controle;
Desenvolver um controlador de temperatura que possa se adequar a
diferentes volumes de produção com poucos ajustes.
1.4 METODOLOGIA
Análise bibliográfica acerca de controle industrial de temperatura;
Assimilação dos conteúdos estudados com o projeto;
Desenvolvimento do modelo de controle;
Projeto do controlador;
Realizar testes e acompanhar os resultados.
15
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Este capítulo tem como principais objetivos fornecer o embasamento teórico,
para que o leitor possa acompanhar o desenvolvimento do projeto. Sendo que os temas serão
aprofundados de acordo com o nível de importância e correlação com o objetivo geral deste
documento.
Serão abordados assuntos relacionados a controle de temperatura, transdutores
de temperatura e Arduino1, sendo feita uma breve explicação do processo a ser controlado de
forma que o leitor possa entender como a temperatura deve ser acompanhada e controlada no
sistema para que o processo de mostura2 ocorra conforme esperado.
2.1 BRASSAGEM
O processo de brassagem é uma das etapas de produção de cerveja em que os
grãos de malte moídos, são encharcados em água quente para que seja possível a atuação das
enzimas que metabolizam os amidos que foram expostos pela moagem dos grãos. Para que
este processo ocorra, deve-se ter uma temperatura constante, por determinados períodos,
conforme a Figura 1.
Figura 1 - Rampa de Brassagem
Fonte: Dias (2014)
1 Arduino é uma plataforma de prototipagem eletrônica de hardware livre
2 Mostura também chamada de brassagem: etapa de encharque do malte em que determinadas enzimas
convertem o amido disponível em açucares.
16
Estas rampas têm por objetivo favorecer um tipo de enzima em cada estágio.
Quando o objetivo é uma cerveja mais leve, com menos corpo e de alta drinkability3, deve
ser feita uma rampa com mais ênfase na temperatura de 62°C, que favorece a enzima Beta
Amilase que metaboliza o amido em açúcares de cadeia curta, que na fermentação é
convertido em etanol e gás carbônico sendo em sua maioria processado e não ficando na
cerveja pronta. Um exemplo seria o estilo American Lite Lager, conhecido amplamente como
“pilsen” vendida em larga escala. (PALMER, 2006).
No caso da uma produção de uma cerveja bem encorpada e que precisa apresentar
uma sensação de boca maior, como quando bebemos leite em comparação a beber água.
Deve-se manter mais tempo na rampa de 70°C, esta favorece a enzima que quebra o amido
em açúcares de cadeia longa, estes açúcares não são metabolizados pelas leveduras e,
portanto, permanecem na cerveja pronta, proporcionando maior “corpo”. As faixas de
atuação das enzimas podem ser observadas na Figura 2. (PALMER, 2006).
Figura 2 - Faixas de atuação das enzimas
Fonte: Hugo (2013)
3 Drinkability é em uma tradução direta a habilidade de beber, representa que as características da bebida
propiciam um maior consumo.
17
2.2 SISTEMAS DE CONTROLE
A automação de sistemas busca otimizar o processo, resultando no aumento da
produtividade, redução de tarefas repetitivas e diminuição do erro causado pelo fator
humano. Os sistemas de controle monitoram e atuam em operações industriais como:
controle de pressão, umidade, temperatura, vazão e viscosidades. Desta forma, as linhas de
produção operam com menor número de paradas e com melhor precisão no controle. Os
sistemas são classificados como sistemas de primeira ordem e de segunda ordem, conforme
o grau da sua função de transferência (OGATA, 1998).
2.2.1 Sistema de Primeira Ordem
Os sistemas de primeira ordem, são assim classificados pois sua função de
transferência não possui termos com o grau maior do que um. Estes sistemas podem ser
exemplificados pela relação entrada e saída, que define a função de transferência, a equação
1, mostra uma função de transferência de primeira ordem: (OGATA, 1998)
𝐶(𝑠)
𝑅(𝑠)=
1
𝑇𝑠+1 (1)
Este sistema quando submetido a uma entrada degrau unitária que na aplicação
seria acrescentar um volume de água a panela, ou quando arriamos o malte. Este sistema tem
uma resposta no domínio do tempo, a equação 2 mostra a resposta ao degrau de um sistema
de primeira ordem: (OGATA, 1998)
𝑐(𝑡) = 1 − 𝑒−𝑡/𝑇 (2)
Quando o tempo é igualado com a constante de tempo T, tem-se como resposta
um valor igual a 0,632, que corresponde a 63,2% do valor final, seguindo para o instante 4T,
a resposta atinge 98,2% do valor final sendo assim considerada uma resposta aceitável na
prática, porém estes valores mostram que a resposta do sistema é lenta, isto influencia no
controle tornando a resposta lenta quando existem modificações na temperatura. Deve-se
levar em consideração que sistemas de primeira ordem quando submetidos a uma entrada em
rampa, apresentam uma resposta com um desvio constante de valor T, que é a constante de
tempo da função de transferência, deste modo sempre haverá um desvio, não sendo possível
atingir o valor desejado (OGATA, 1998).
18
2.2.2 Sistema de Segunda Ordem
Seguindo a mesma lógica de classificação que os sistemas de primeira ordem, as
funções de transferência dos sistemas de segunda ordem possuem no máximo termos de grau
dois. Quando este sistema tem na sua entrada uma função degrau a função de transferência
em malha fechada pode ser descrita conforme a equação 3:
𝐶(𝑠)
𝑅(𝑠)=
𝜔𝑛2
𝑠2+2𝜁𝜔𝑛𝑠+𝜔𝑛2 (2)
ωn – Frequência Natural não-amortecida
𝜁 – Coeficiente de amortecimento do sistema
Os sistemas de segunda ordem possuem casos específicos conforme o valor de 𝜁,
sendo subamortecido (0 < 𝜁 < 1), criticamente amortecido (𝜁 = 1) e superamortecido (𝜁 > 1).
O comportamento do sistema em cada caso pode ser visto na Figura 3.
Figura 3 - Curvas de Resposta de um sistema a uma excitação em degrau unitário
Fonte: Ogata (1998)
19
Conforme apresentado da Figura 3 o que se deseja na prática é uma resposta do
sistema semelhante a curva em que o 𝜁 está entre 0,7 e 0,8, sendo uma resposta rápida com
menos sobre-sinal (OGATA, 1998).
2.2.3 Sistemas Térmicos
O controle de temperatura é realizado comparando a medição da temperatura no
processo com o Setpoint, caso exista uma diferença, essa é chamada de sinal de erro, este
erro é tratato com base na lógica que foi implementada no controlador, o mesmo atua sobre
o atuador, que pode ser uma resistência de aquecimento elétrica ou um compressor de um
resfriador, alterando assim a temperatura do meio que está sendo controlado. Em um
controlador digital este ciclo ocorre constantemente de forma a manter a temperatura do meio
conforme a temperatura de Setpoint (OGATA, 1998).
2.2.4 Controlador PID – Proporcional-Integral-Derivativo
Conforme Ogata (1998,p. 544):
É interessante assinalar que mais da metade dos controladores industriais em uso
nos dias atuais utiliza a estratégia de controle PID ou PID modificadas. A maioria
dos controladores analógicos é hidráulica, pneumática, elétrica e eletrônica, ou
resulta de uma combinação destes tipos. Correntemente, muitos deles são
transformados em digitais por intermédio dos microprocessadores.
O controlador utiliza a combinação do controle proporcional, integral e
derivativo. Esse sistema de controle utiliza características de cada uma das ações para obter
uma melhora significativa do comportamento transitório e em regime permanente do sistema.
Desta forma, têm-se três parâmetros de sintonia no controlador.
A grande utilização desse processo é devido ao seu bom desempenho, sua ampla
faixa de operação e principalmente pela simplicidade de implementação). O controlador é
formado de um termo proporcional, um termo integral e de um termo derivativo, expressados
pela equação 4, que define a função de transferência do PID (DORF e BISHOP, 2009):
𝐺𝐶(𝑠) = 𝐾𝑃 +𝑇𝐼
𝑠+ 𝑇𝐷𝑠 (4)
Sendo Kp o termo da constante proporcional, Td é a constante do termo
derivativo e Ti é a constante do termo integrativo.
20
No modo proporcional a ação do controle é diretamente proporcional a sua
entrada, ou seja, proporcional ao sinal de erro. Já no modo derivativo a ação do controle é
proporcional à taxa de variação do sinal de erro. No modo integrativo a ação do controle é
proporcional à integral do sinal do erro no tempo.
Para implementar o controlador é necessário determinar os ganhos proporcional,
derivativo e integrativo.
2.2.5 Sintonia do Controlador PID – Proporcional-Integral-Derivativo
Para obter os parâmetros seguindo o método proposto por Ziegler e Nichols,
determina-se primeiramente o ganho crítico (Ku) e o período crítico (Pu), onde o ganho
crítico (Ku) é o maior valor de ganho para um controlador proporcional que mantém o
sistema estável, que é definido pela equação 5, sendo que o período desta oscilação estável é
o período crítico (Pu). Estes dados podem ser obtidos implementando no sistema um controle
liga-desliga, obtendo o h que é a diferença ente a amplitude máxima e mínima da oscilação
e o d que é a amplitude máxima do atuador, sendo no Arduino 255 + 1 (TOMAS, 2012).
𝐾𝑢 =4∗256
𝜋∗ℎ (5)
A partir destes parâmetros seguindo o método de Ziegler Nichols Tuning Rules
pode-se obter o ganho proporcional (Kp), ganho integral (Ki) e o ganho derivativo (Kd),
conforme as equações 6, 7 e 8 (PINTO, 2014):
𝐾𝑝 =𝐾𝑢
1,7 (6)
𝐾𝑖 =2∗𝐾𝑝
𝑃𝑢 (7)
𝐾𝑑 =8∗𝐾𝑝
𝑃𝑢 (8)
2.3 CONTROLE DO PROCESSO
Todo e qualquer processo que necessita a estabilização de uma variável de
controle conforme desejado, necessita de instrumentos de medição e controle para que se
possa manter esta variável em um valor adequado à execução do processo (BEGA,
DELMÉE, et al., 2006).
O controle pode ser feito de forma manual com um operador, em um processo de
aquecimento de um fluido por aquecimento a gás, acendendo e apagando o fogo conforme
leitura de um termômetro. Ou através de um instrumento de medição que fornece informação
21
ao sistema de controle, onde o mesmo avalia se o valor medido está igual ao valor
programado (set point – SP) anteriormente, caso exista uma diferença o controlador envia
sinal para o atuador aquecer o fluido (BEGA, DELMÉE, et al., 2006).
O controle pode ser implementado em malha aberta ou em malha fechada, para
processos onde se conhece a dinâmica do sistema e pode-se controlar a variável por outras
medições indiretas, são classificados como sistema de malha aberta. Como exemplo pode ser
utilizado um controle de nível em que o consumo é constante e a vazão da bomba também,
desta forma sabe-se que a bomba pode obedecer um ciclo de determinado tempo ligada e
outro tempo desligada. Neste caso a variável Nível não é controlada diretamente e este
controle também não é feito de forma precisa, porém se adequa ao processo. Esta classe de
controle pode também ser implementada em uma fase inicial do processo para que se possa
identificar a dinâmica do mesmo e futura implementação do controle em malha fechada
(BEGA, DELMÉE, et al., 2006).
Quando se monitora a Variável Controlada (temperatura) e atua-se sobre a
Variável Manipulada (aquecimento a gás), conforme o exemplo do aquecimento do fluido,
implementa-se um sistema de controle de malha fechada. O atuador e o controlador poderão
ser um operador ou no caso de uma planta que exige maior precisão e repetibilidade, utiliza-
se um controlador. Em ambos os casos, identifica-se a diferença entre o valor medido e o
valor programado comparando os dois, esta diferença é o valor do erro (offset), que será
computado pelo controlador ou operador, o qual deve atuar sobre uma variável manipulada
que neste caso seria o aquecimento a gás (BEGA, DELMÉE, et al., 2006).
2.4 MEDIÇÃO DE TEMPERATURA
A temperatura é a grandeza que quantifica o calor de uma determinada
substância, este representa o grau de agitação das moléculas. Esta quantização é realizada de
forma indireta por meio da variação do volume, comprimento e resistência elétrica de um
material que ocorre proporcionalmente com a variação de temperatura. Para cada aplicação
e faixa de temperatura existe um material que varia suas propriedades físicas ou elétricas de
forma proporcional a variação de temperatura naquela faixa de medição. A definição de qual
tipo de sensor4 será utilizado depende de alguns fatores como: faixa de temperatura, precisão,
proteção e tempo de resposta (BEGA, DELMÉE, et al., 2006).
4 Sensor é um dispositivo que possibilita o monitoramento e a medição de uma grandeza física ou química, por
um circuito eletrônico.
22
2.4.1 Faixa de Temperatura
Deve ser analisada a faixa de temperatura em que o sistema opera normalmente
e a necessidade de modificação da mesma no futuro, desta forma deverá ser escolhido um
sensor que atenda a faixa de operação, sem danificar o mesmo (BEGA, DELMÉE, et al.,
2006).
2.4.2 Precisão
A precisão do sensor varia conforme o tipo de sensor e sua classe de precisão,
deve se analisar na planta qual a menor variabilidade da medida que pode prejudicar o
produto e o andamento do processo. Isto deve ser feito pois um sensor com uma precisão
muito mais elevada que a necessidade do processo, irá encarecer o projeto de controle,
podendo torná-lo muito mais oneroso que o necessário, aumentando o pay-back5.(BEGA,
DELMÉE, et al., 2006).
2.4.3 Proteção
O sensor de temperatura possui uma baixa resistência mecânica quando são
colocados diretamente em contato com as condições agressivas do processo, desta forma,
normalmente os mesmos são acondicionados em tubos ou poços, que protegem de choques
mecânicos, fluidos e fogo direto. Deve-se identificar qual a condição adversa e a faixa de
temperatura de trabalho em que o sensor deve ser instalado, para que assim seja especificada
uma proteção para o sensor (BEGA, DELMÉE, et al., 2006).
2.4.4 Tempo de Resposta
O tempo de resposta pode ser definido como o tempo que o sensor necessita para
igualar a temperatura com o meio onde ele está inserido após ser aplicado um degrau6 de
5 Pay back é o tempo que leva, para que o custo do investimento retorne para o caixa da empresa.
6 Degrau é uma variação instantânea de temperatura que permanece em um determinado valor diferente do
anterior, de forma constante.
23
temperatura. Caso o sensor tenha uma massa muito pequena, este terá um tempo de resposta
muito pequeno pois esta massa se equilibra com o meio, em termos de temperatura, com
maior rapidez, porém normalmente essa situação é impraticável pois este sensor precisa de
uma proteção que irá conferir um maior volume e massa ao sensor.
Este tempo pode ser obtido com a simulação do sistema em que o sensor é
inserido em um ambiente, aplicando um degrau na temperatura no mesmo, quando o sensor
apresentar 63,2% da variação entre temperatura inicial e a final obtemos na prática 1/3 do
tempo de resposta (BEGA, DELMÉE, et al., 2006).
2.5 MEDIDORES DE TEMPERATURA
Na sequência serão explicados alguns tipos de medidores de temperatura com
foco nos medidores que utilizam da variação da resistência elétrica conforme a variação da
temperatura, desta forma torna-se possível a utilização dos mesmos como sensores de
temperatura.
2.5.1 PT-100
Os PT-100 recebem esta denominação pois possuem uma resistência padronizada
de 100Ω a 0°C, composta por um elemento de platina. Dentre os fatores que foram explicados
anteriormente este tipo de sensor é o que possui uma das melhores performances em se
tratando de estabilidade, precisão e ampla faixa de operação. Por este motivo se tornou um
dos sensores mais utilizados em todo o mundo, juntamente com os termopares que será
explicado a seguir, padronizando assim a implementação de projetos e garantindo a reposição
do mesmo na eventual necessidade, isto se deve ao seu custo ser baixo, devido a utilização
de metais não nobres (BEGA, DELMÉE, et al., 2006).
O sensor é composto com um fio disposto sobre um isolante de cerâmica ou vidro
que formam uma capsula que está dentro de um poço metálico que garante a proteção, figura
4.
24
Figura 4 - Sensor PT-100
Fonte: Ziehl Industrie-elektronik GMBH + CO KG (2016)
Os limites de erros permitidos por normas são:
Sensores de classe A:
𝐸𝑟𝑟𝑜 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑜 = ±[0,15 + 0,002𝑇]°𝐶
Sensores de classe B:
𝐸𝑟𝑟𝑜 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑜 = ±[0,30 + 0,005𝑇]°𝐶
Considerando um sensor de Classe B operando em uma temperatura de 100°C o
erro será de:
±[0,30 + 0,005 ∗ 100] = ±0,80°𝐶
Este erro corresponde a ±0,80% do valor medido, o que é um valor que pode ser
considerado bom (BEGA, DELMÉE, et al., 2006).
2.5.2 Termopares
Assim como os PT-100 os Termopares têm uma grande empregabilidade em
aplicações devido ao seu baixo custo, confiabilidade, precisão, estabilidade e repetibilidade
satisfatórias, sendo também capaz de operar em uma grande faixa de temperaturas.
Um termopar é construído através da junta de dois elementos metálicos que
devido ao efeito SeeBeck7 produz uma FEM8 entre os terminais, a qual pode ser medida por
um sistema de controle posterior.
7 SeeBeck – Efeito que produz uma tensão elétrica devido a junção de dois condutores de materiais distintos
expostos a diferentes temperaturas. 8 FEM - Força eletromotriz que é usualmente conhecida como tensão elétrica, a qual representa a diferença de
potencial elétrico entre os terminais.
25
Figura 5 - Medição de Tensão em um Termopar
Fonte: EMBARCADOS (2016)
Esta junta pode ser feita com uma simples solda ou em determinados casos
utiliza-se plasma para unir os metais. Usualmente devido a fragilidade desta junta, a mesma
é protegida por um posso térmico que garante maior vida útil ao componente protegendo-a
da oxidação e choques mecânicos.
Para efeitos práticos de um termo par tipo K, em uma faixa de operação 0-
1250°C, possui seus limites de erros em ±0,75% do valor medido, situação que se assemelha
ao PT-100 apresentado.
Os sinais de tensão gerados por um termopar são na ordem de milivolts, desta
forma devem ser consideradas as perdas dos cabos até o controlador que irá realizar a leitura
desta medição, implicando na redução da precisão do conjunto de medição (BEGA,
DELMÉE, et al., 2006).
2.5.3 Digitais
Os sensores de temperatura Digitais são uma categoria de sensores que no interior
do invólucro estão contidos além dos circuitos responsáveis pela leitura da temperatura, um
conversor A/D e uma memória na qual estão registrados os valores já convertidos em formato
digital, os limites pré-estabelecidos que as medições podem armazenar, para que caso o
sensor esteja operando em uma faixa de temperatura fora da especificada, seja emitida uma
sinalização sonora. Também está contido no invólucro um registrador que deixa armazenado
o valor de CRC 9em função dos dados armazenadas na memória BEGA, DELMÉE, et al.,
2006).
9 CRC é a verificação cíclica de redundância, utilizada para identificar perdas de bits em redes de comunicação
digitais.
26
Figura 6 - Diagrama de Blocos - Interior do DS18B20
Fonte: MAXIM INTEGRATED PRODUCTS, INC. (2015)
Na Figura 6 foi apresentada a estrutura interna do sensor digital em diagrama de
blocos que serão explicados abaixo:
Circuito de alimentação parasita (Parasite Power Circuit): é o circuito
responsável pela alimentação dos circuitos internos, tendo como opção
direta o pino VDD ou pela tensão sobre o capacitor Cpp.
ROM de 64 bits e porta 1-Wire (64 Bit-ROM and 1-Wire Port): este bloco
é responsável pelo alocamento do código de ROM de 64 bits e pela porta
1-Wire onde haverá a transição bidirecional de dados do DS18B20;
Lógica de controle de memória (Memory Control Logic): este bloco fica
responsável pela interpretação dos dados enviados e recebidos pelo chip;
Sensor de temperatura (Temperature Sensor): Este é o bloco em si
responsável pela medição e conversão da leitura de analógico para digital,
inserindo um byte para representar o sinal da medida.
Registradores de acionamento de alarme (Alarm Trigger Register ): são
dois registradores que compararam os limites de temperatura com as
medidas realizadas com o objetivo de ativar ou não o alarme
Memória de rascunho (ScratchPad): é a memória de dados do sensor.
Registrador de configuração (Configuration Register): Memória onde
ficam salvas as configurações da resolução (9 a 12 bits) dos dados
enviados.
Gerador de CRC: Circuito que gera o código de verificação CRC,
conforme os dados que existem na memória. (MAXIM INTEGRATED
PRODUCTS, INC., 2015)
27
2.6 MICROCONTROLADOR
Sistemas computacionais podem ter diversas configurações, porém as principais
são construídas utilizando microcontroladores e microprocessadores (HAUPT e DACHI,
2018).
Devido a isso, podem ser encontrados microcontroladores com seis pinos ou até
menos em funções especificas. São muito utilizados em tarefas que requeiram um
processamento especializado e autônomo, como é o caso de instrumentos e sensores para a
indústria, dispositivos automobilísticos, dispositivos móveis etc. na literatura são referidos
por siglas como microcontroller unit (MCU) (HAUPT e DACHI, 2018).
Microcontroladores são CIs10 que também contém as funções UCP11, memória,
entrada e saída de dados, no entanto, possuem incorporados a sua arquitetura interna,
memórias (RAM e ROM) e alguns periféricos (interface serial, PWM, temporizadores etc).
São utilizados para operações específicas em um processo (HAUPT e DACHI, 2018).
2.6.1 Arduino
Arduino é uma plataforma de prototipagem eletrônica de hardware livre e de
placa única, projetada com um microcontrolador Atmel AVR com suporte de entrada/saída
embutido.
Existem diversos modelos de placas Arduino, que variam em seu tamanho e
quantidade de portas disponíveis. O que iremos utilizar no projeto é o modelo Uno.
Arduino Uno é uma placa microcontroladora de prototipagem baseada no
ATmega328P. Possui 14 pinos de entrada / saída digital (dos quais 6 podem ser usados como
saídas PWM), 6 entradas analógicas, um cristal de quartzo de 16 MHz, uma conexão USB,
um conector de energia, um conector ICSP e um botão de reset (Arduino, 2018).
2.7 CONTROLE DE POTÊNCIA
Há dois métodos básicos para o controle de potência da carga: o de ciclos integral,
ou liga-desliga, e o de fase. O primeiro server para sistemas com uma constante de tempo
grande, como os controles de temperatura. A potência na carga pode ser controlada com a
10
Cis Circuitos integrados 11
UCP Unidade central de processamento
28
ligação e o desligamento ou on-off, da fonte à carga, por uma sequência de ciclos completos.
O tempo de duração dos períodos nos estados ligados e desligado, isto é, o ciclo de trabalho,
é ajustado de tal maneira que a potência média entregue a carga atenda o objetivo de momento
(AHMED, 2000).
O sistema de controle de ciclo integral é adequado para aplicações nas quais os
intervalos nos estados ligados e desligados da chave são controlados para fornecer à uma
carga a potência desejada, assim controlando a temperatura. Uma vez alcançada esta
temperatura, a natureza intermitente da corrente não causa grandes mudanças na temperatura,
a menos que o tempo de T𝑜𝑓𝑓 12seja muito grande (AHMED, 2000).
2.7.1 Controle de ciclo integral
Em um controle de ciclo integral os tiristores devem ser disparados em um ângulo
de disparo, α= 0º, para permitir que ciclos completos da tensão da fonte sejam aplicados a
carga. Conforme figura 7 e não houver disparo em um ciclo, então nenhuma tensão aparecerá
na carga durante o período daquele ciclo. Nesse caso é possível permitir que ciclos completos
de tensão da fonte sejam aplicados à carga, seguido de ciclos completos sem carga (AHMED,
2000).
Uma vez que T𝑜𝑛13 somente pode variar com um número inteiro, o valor médio
da potência na carga não é uma função continua; tem apenas níveis discretos, quando o ciclo
é disparado a potência entregue a carga é potência máxima da fonte. O número de degraus
disponíveis para a regulação da potência média depende do número total de ciclos incluídos
no padrão de repetição (AHMED, 2000).
12
Toff período em que a carga está desacoplada a fonte. 13
Ton período em que a carga está acoplada a fonte.
29
Figura 7 - Controle de ciclo integral
Fonte: AHMED (2000)
2.7.2 Detecção de passagem por zero
A detecção da passagem pelo ponto zero (zero crossing) é feita através da
comparação dos valores do sinal ao longo do tempo. O circuito do detector consiste em um
optoacoplador ligado à rede por resistores e ao microcontrolador, conforme apresentado no
diagrama da figura 8.
Quando houver diferença de tensão entre os pontos de entrada, independente da
polaridade, o fototransistor fica saturado e a tensão no ponto de medição é considerada zero
pelo microcontrolador. No momento em que a tensão da rede cruzar o ponto zero o
fototransistor entra em corte e deixa de conduzir a tensão do coletor para o emissor, assim o
microcontrolador recebe um pulso positivo reconhecendo a passagem por zero. Isso ocorre
duas vezes a cada ciclo, fazendo com que o pulso recebido pelo microcontrolador seja o
dobro da frequência de entrada.
30
Figura 8 - Detecção da passagem por zero
Fonte: STACK EXCHANGE INC (2016)
31
3 DESENVOLVIMENTO
Este capítulo tem como principal objetivo apresentar como foi desenvolvida a
construção e a programação do controlador de temperatura, desde a escolha dos componentes
a montagem e o teste em laboratório.
3.1 DEFINIÇÕES INICIAIS
Para definir quais os componentes seriam utilizados na construção do controlador
foi necessário considerar a precisão dos sensores, a disponibilidade do microcontrolador e a
potência da resistência que será controlada pelo relé de estado sólido. Foram definidos os
seguintes componentes:
O Sensor Digital DS18B20 foi selecionado por enviar a medida analógica já
convertida em sinal digital, evitando assim interferências e a necessidade de construir um
circuito conversor.
Figura 9 – Sensor Digital DS18B20
Fonte: CORE ELECTRONICS (2019)
O Arduino UNO foi escolhido por atender nossa necessidade de processamento
e o número de portas digitais, com uma linguagem de programação conhecida, que
possibilitou o desenvolvimento da programação. A figura 10 apresenta o microcontrolador
utilizado para realizar a comparação da temperatura medida com o Setpoint e atuar no relé
de estado sólido.
32
Figura 10 – Microcontrolador Arduino UNO
Fonte: FLIPKART (2019)
O Relé de Estado Sólido possibilita a comutação de cargas em corrente alternada,
sendo que internamente possui um circuito que identifica o momento em que a onda senoidal
da rede passa pelo zero, desta forma possibilita o controle, comutando a carga sem uma
elevada dissipação de potência.
Figura 11 – Relé de Estado sólido SSR-40 DA
Fonte: MLSTATIC (2019)
33
A Panela Cervejeira ML-20G2, apresentada na figura 12 possui uma resistência
de aquecimento de 1600W/220V e uma capacidade de 18L, sendo um sistema de tamanho
pequeno que reproduz o funcionamento de uma brassagem de cerveja. Acoplada a panela
temos uma bomba que recircula o fluido possibilitando que a temperatura medida pelo sensor
seja homogeneizada.
Figura 12 – Panela Cervejeira ML-20G2
Fonte: SUPER COLETIVAS (2019)
3.2 PRIMEIRA PROGRAMAÇÃO - LIGA-DESLIGA
Na programação do microcontrolador foi utilizada a biblioteca OneWire.h e a
biblioteca DallasTemperature.h, estas bibliotecas são responsáveis pela comunicação com o
sensor digital DS18B20, e a conversão da leitura em graus Celsius.
A princípio o primeiro sistema de controle utilizado foi o Liga-Desliga, onde o
controlador acompanha a temperatura lida pelo sensor IN3 e compara com o Setpoint - SP,
desta forma enquanto a temperatura lida for menor que o SP, a saída IN11 permanece ligada,
quando a entrada de temperatura for igual ou maior que SP, a saída fica desligada.
Foi carregado o código no controlador e realizadas as conexões conforme abaixo:
A Figura 13 mostra a parte interna do controlador com uma fonte de 5V para alimentar o
sistema e o relé de estado sólido dentro de uma caixa que possibilitasse a troca de calor.
34
Figura 13 – Conexões Internas
Fonte: Dos Autores (2019)
A Figura 14 é o controlador fechado com o arduino acoplado em um display, o
sensor de temperatura e o disjuntor de proteção do circuito de potência.
Figura 14 – Controlador montado
Fonte: (Dos Autores, 2019)
Na Figura 15 está a panela com a bomba de recirculação e o controlador.
35
Figura 15 – Controlador instalado na panela
Fonte: Dos Autores (2019)
Para verificar o funcionamento, foram realizados testes utilizando o software
PLX-DAQ que possibilita a aquisição de dados do arduino a uma taxa de uma medição por
segundo, foi mantida esta amostragem durante todos os testes para que pudesse ser mantida
a comparação entre os resultados.
Neste primeiro teste foi utilizado uma panela com aquecimento por resistência
elétrica e 5 litros de água. O seguinte resultado foi obtido:
36
No gráfico pode-se notar que após o controlador desligar a temperatura continua
aumentando até o valor de 62ºC que são 2ºC acima da temperatura de SP. A temperatura
ambiente no teste era de 25ºC.
Esta ultrapassagem, apresentado Gráfico 1, é devido a inércia térmica do volume
de água na panela, desta maneira para reduzir esta ultrapassagem, o controlador deve desligar
a resistência momentos antes de atingir o SP. Com o intuito de corrigir estas falhas, migramos
o sistema de controle para o Proporcional.
Gráfico 1 – Controle Liga-Desliga
Fonte: Dos Autores (2019)
Para acompanhar como atua o relé de estado sólido foi realizado uma medição
com osciloscópio na saída do relé, como pode ser observado na Figura 16, a condução inicia
no momento que a senóide cruza o zero.
202530354045505560657075
01
31
26
23
93
52
46
55
78
69
17
10
48
11
79
13
10
14
41
15
72
17
03
18
34
19
65
20
96
22
27
23
58
24
89
26
20
27
51
28
82
30
13
31
44
32
75
34
06
35
37
36
68
37
99
39
30
40
61
Tem
per
atu
ra [
°C]
Tempo [s]
Controle Liga-Desliga
SET. Temp C:
37
Figura 16 – Início da condução do Relé de Estado sólido
Fonte: Dos Autores (2019)
3.3 SEGUNDA PROGRAMAÇÃO - PROPORCIONAL
Nesta etapa o sistema de controle utilizado foi o Proporcional, onde o
controlador acompanha a temperatura lida pelo sensor IN3 e calcula a diferença do Setpoint
- SP, este delta é multiplicado por uma constante K que adotamos empiricamente 100, desta
forma quanto mais próxima a temperatura de entrada estiver do SP menor será a saída PWM
de controle que consequentemente menor será a potência de aquecimento, sendo que foi
estabelecido que saída “0” representa resistência desligada e saída “255” representa saída em
potência máxima.
As conexões foram mantidas apenas o código foi modificado conforme abaixo:
if(P_error>=5)
digitalWrite(13,HIGH);
else
if(setpoint>tempC)
valor1 = KP * P_error;
valor2 = (5 - P_error)*KP;
digitalWrite(13,LOW);
delay( valor2);
38
digitalWrite(13,HIGH);
delay(valor1);
digitalWrite(13,LOW);
Neste código o controlador atua proporcionalmente apenas nos 5°C antes de
atingir o setpoint. O Valor 1 é a quantidade de milissegundos que a saída ficará ligada e o
valor2 é a quantidade de milissegundos que a saída ficará desligada. Foi feito desta forma
pois a frequência do PWM do arduino não possibilitava o chaveamento do relé de estado
sólido, utilizamos o mesmo sistema do liga-desliga, com o objetivo de comparar o resultado.
No gráfico 2 a curva Temp C em °C é a resposta de temperatura do sistema e as
barras Time On em milisegundos são o sinal de PWM convertido em tempo, comparativo
com o liga-desliga pode-se ver uma anulação da ultrapassagem, que atende o objetivo de não
comprometer o processo da cerveja, porém este controle não atinge o valor ajustado.
Gráfico 2 – Controle Proporcional
Fonte: (Dos Autores, 2019)
0
200
400
600
800
1000
1200
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
60,00
70,00
18
31
65
24
73
29
41
14
93
57
56
57
73
98
21
90
39
85
10
67
11
49
12
31
13
13
13
95
14
77
15
59
16
41
17
23
18
05
18
87
19
69
20
51
21
33
22
15
22
97
23
79
24
61
Tem
po
lig
ado
[m
s]
Tem
per
atu
ra [
°C]
Tempo [s]
Controlador Proporcional
Time On SET. Temp C:
39
Na Figura 17 com o osciloscópio foi identificado a atuação do PWM na saída do
Arduino, em um intervalo de tempo de aproximadamente 1 segundo, conforme figura 17 com
90% ligado e 10% desligado:
Figura 17 – Saída PWM do Arduino
Fonte: Dos Autores (2019)
Na Figura 18 foi modificado o percentual do PWM para verificar a resposta na
saída do arduino:
Figura 18 – Redução do PWM na Saída do Arduino
Fonte: Dos Autores (2019)
40
3.4 TERCEIRA PROGRAMAÇÃO - PID
Com o objetivo de evitar a ultrapassagem do valor ajustado que o liga-desliga
gerou e atingir o valor ajustado, que no controle proporcional não foi possível, foi
implementado o sistema PID em que a partir do gráfico liga-desliga foi obtido os parâmetros
da oscilação: período crítico (Pu) de 584 segundos e amplitude h de 2°C:
𝐾𝑢 =4 ∗ 256
𝜋 ∗ ℎ=4 ∗ 256
𝜋 ∗ 2= 163
𝐾𝑝 =𝐾𝑢
1,7=163
1,7= 𝟗𝟓, 𝟗
𝐾𝑖 =2 ∗ 𝐾𝑝
𝑃𝑢=2 ∗ 95,9
584= 𝟎, 𝟑
𝐾𝑑 =𝐾𝑝 ∗ 𝑃𝑢
8=95,9 ∗ 584
8= 𝟕𝟎𝟎𝟎, 𝟕
Estes parâmetros foram inseridos na programação, desta forma foi implementado
um controlador PID com o arduino.
Ao final foi inserida uma correção na leitura do sensor, esta correção se fez
necessária pois caso haja uma interferência na comunicação no momento da coleta, o valor
coletado é muito distorcido impactando no funcionamento do controlador, desta forma caso
haja uma medida muito distorcida é garantido que será desconsiderada mantendo a última
ação.
3.4.1 Ensaio do controlador PID
O controle por PID segue o diagrama de blocos da Figura 19, em que o sistema
trabalha em malha fechada pelo sensor de temperatura, comparando com o Set point.
41
Figura 19 – Diagrama de Blocos do PID
Fonte: Dos Autores (2019)
Para garantir que o sistema se aproximasse de um sistema de maior volume,
reduziu-se o volume de 15 L para 5L, modificando a relação Potência por Volume para
320W/L, desta forma fica garantido que quando o mesmo operar com 15L, não haverá
ultrapassagem, pois, a relação será 106,7W/L. Abaixo os gráficos de 5L e 15L:
Neste teste com 5L de água, conforme o Gráfico 3, partindo de 31°C atinge o set
point em 590 segundos e a oscilação foi de ±0,5°C do set point, que não compromete o
processo, mantendo a temperatura estável atuando nos momentos em que está fica abaixo de
60°C com 96% do PWM.
Gráfico 3 – Controlador PID – 5 Litros
Fonte: Dos Autores (2019)
P
I PROCESSO
D
SENSOR DS18b20
- +
𝐾𝑝 𝑒(𝑡)
+
SAÍDA
PERTURBAÇÃO
SETPOINT e𝐾𝑖 𝑒 𝑑
Kd (𝑡) 𝑡
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
60,00
70,00
04
59
01
35
18
02
25
27
03
15
36
04
05
45
04
95
54
05
85
63
06
75
72
07
65
81
08
55
90
09
45
99
01
03
51
08
01
12
51
17
01
21
51
26
01
30
51
35
01
39
5
Per
cen
tual
Po
tên
cia
Tem
per
atu
ra [
°C]
Tempo [s]
Controlador PID - 5 Litros
% SP Temp °C:
42
No teste com 15L de água, conforme o gráfico 4 partindo de 25°C atinge o set
point em 1760 segundos e a oscilação foi a mesma anterior de ±0,5°C do set point, que não
compromete o processo, mantendo a temperatura estável atuando nos momentos em que está
fica abaixo de 60°C com 96% do PWM.
Gráfico 4 – Controlador PID – 15 Litros
Fonte: (Dos Autores, 2019)
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
60,00
70,00
19
51
89
28
33
77
47
15
65
65
97
53
84
79
41
10
35
11
29
12
23
13
17
14
11
15
05
15
99
16
93
17
87
18
81
19
75
20
69
21
63
22
57
23
51
24
45
25
39
26
33
27
27
28
21
29
15
Tempo [s]
Per
cen
tual
de
po
tên
cia
PW
M [
%]
Tem
per
atu
ra [
°C]
Controlador PID - 15 Litros
% SP Temp °C:
43
4 CONCLUSÃO
Conclui-se que o controle de temperatura na produção de cerveja é primordial
para garantir a reprodutibilidade e consistência do produto final, desta forma buscou-se
desenvolver um controle que possibilitasse o controle com o mínimo de variação utilizando
Arduino e relé de estado sólido para aumentar a vida útil do sistema. Desde os primeiros
testes identificou-se que a panela em que foi aplicado o controlador havia sido bem
dimensionada e o ajuste que faltava era pequeno para otimizar o controle de temperatura.
No Liga-Desliga foi constatado que ocorre um overshooting e o sistema continua
oscilando não garantindo assim que a temperatura fique estável durante o patamar de
temperatura desejado.
Com o Proporcional notou-se que mesmo com um Kp alto (1000) a temperatura
não atinge o valor desejado e se aproxima muito lentamente, compromentendo a o processo
de brassagem pois é desejável que a mutança de uma rampa para a outra seja o mais rápido
possível, porém se tratando de enzimas não pode ser brusca, sendo que a lentidão
comprometeria a agilidade entre os patamares.
Desta forma foi desenvolvido um controle PID que pode se adequar a outras
panelas, necessitando parametrizar o Kp, Ki e Kd. Foram atingidos os objetivos propostos de
forma que ainda continuou apresentando uma pequena variação ao final de ±0,5°C que não
comprometeria o processo de produção de pequena escala. O protótipo se mostrou ter
operação simplificada devido ao uso de display e botões para controle. Este trabalho pode
ser aperfeiçoado aplicando o controlador em uma panela de maior volume e diferente relação
de potência de aquecimento por volume de água e implementar a contagem de tempo em
cada rampa.
44
REFERÊNCIAS
AGUIRRE, L. A. Fundamentos de instrumentação. São Paulo: Pearson Education do
Brasil, 2013.
AHMED, A. Eletrônica de Potência. Tradução de Eduardo Vernes Mack. São Paulo:
Pearson, 2000.
ARDUINO. Store Arduino, 14 outubro 2018. Disponível em:
<https://store.arduino.cc/usa/arduino-uno-rev3>.
BEGA, E. A. et al. Instrumentação Industrial. Rio de Janeiro: Instituto Brasileiro de
Petróleo e Gás, 2006.
CORE ELECTRONICS. Disponível em: <https://core-
electronics.com.au/media/catalog/product/cache/1/image/fe1bcd18654db18f328c2faaaf3c6
90a/d/f/dfr0198.jpg/#>. Acesso em: 22 Outubro 2019.
DIAS, J. Desenvolvimento e avaliação de uma cerveja contendo Chá Amargo como
substituinte de 50% do lúpulo. USP. São Paulo. 2014.
DORF, R. C.; BISHOP, R. H. Sistemas de Controle Moderno. 8ª. ed. Rio de Janeiro:
LTC, 2009.
EMBARCADOS. Embarcados, 2016. Disponível em:
<https://www.embarcados.com.br/medicao-de-temperatura-termopares/>. Acesso em: 14
Outubro 2018.
FLIPKART. Disponível em: <https://rukminim1.flixcart.com/image/416/416/learning-
toy/h/t/f/diy-ecraft-arduino-uno-r3-original-imaefmesah8uz4rh.jpeg?q=70>. Acesso em: 22
Outubro 2019.
HAUPT, A.; DACHI, É. Eletrônica Digital. [S.l.]: Edgard Blucher Ltda, 2018.
HUGO, V. Processo de Drodução de Derveja. Engenharia da Cerveja, 2013. Disponível
em: <http://www.engenhariadacerveja.com.br/wp-content/uploads/2012/12/enzimas.jpg>.
Acesso em: 16 Novembro 2018.
LAPOLLI, C. Abracerva. Associação Brasileira de Cervejarias, 2018. Disponível em:
<https://ss-
usa.s3.amazonaws.com/c/308468798/media/5ba42726c782b/perspectivas_mercado_cervjei
ro_2018.pdf?utm_medium=email&utm_source=sharpspring&sslid=MzM0NDY2MzI1MD
Y3BAA&sseid=MzQ3NzI3NbE0MQcA&jobid=268d6e53-ca4d-41ac-9aff-
d1d30183ca15>. Acesso em: 16 Novembro 2018.
MAXIM INTEGRATED PRODUCTS, INC. DS18B20, 2015. Disponível em:
<https://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/DS18B20.pdf>. Acesso em: 14 Outubro
2018.
45
MLSTATIC. Disponível em: <https://encrypted-
tbn0.gstatic.com/images?q=tbn%3AANd9GcTQ5k0sNys87YVTSSKDwuyigJACA4tzFcJP
VpiNelLFpIQhziSz>. Acesso em: 22 Outubro 2019.
OGATA, K. Engenharia de Controle Moderno. Tradução de Bernardo Severo. Terceira.
ed. Rio de Janeiro: LTC, 1998. 544-550 p.
PALMER, J. How To Brew: Everything You Need to Know to Brew Beer Right the
First Time, 2006.
PINTO, J. E. M. G., Aplicação prática do método de sintonia de controladores PID
utilizando o método do relé com histerese. Natal, RN, 2014.
SEBRAE. Microcervejarias no Brasil. Sebrae Mercados, 2016. Disponível em:
<http://www.bibliotecas.sebrae.com.br/chronus/ARQUIVOS_CHRONUS/bds/bds.nsf/8818
d2954be64fcda8628defef1f70f8/$File/7503.pdf>. Acesso em: 16 Novembro 2018.
STACK EXCHANGE INC. ELECTRICAL ENGENEERING - Stack Exchange, 2016.
Disponivel em: <https://electronics.stackexchange.com/questions/237259/zero-crossing-
circuit-input-resistor>. Acesso em: 2018 Outubro 15.
SUPER COLETIVAS Disponível em: <https://supercoletivas.com/wp-
content/uploads/2018/11/MJZD9682.jpg>. Acesso em: 22 Outubro 2019.
TOMAS B. CO Standard PID Tuning Methods Disponível em: <
https://pages.mtu.edu/~tbco/cm416/tuning_methods.pdf>. Acesso em: 29 Outubro 2019.
ZIEHL INDUSTRIE-ELEKTRONIK GMBH + CO KG. Ziehl, 2016. Disponível em:
<https://www.ziehl.com/en/Temperature-Relays/detail/TF101U2-117/#>. Acesso em: 14
Outubro 2018.
