CENTRO UNIVERSITÁRIO DE BARRA MANSA
PRÓ-REITORIA ACADÊMICA
CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE CONTROLE E
AUTOMAÇÃO
CONTROLE E MONITORAMENTO DE TANQUES VIA ARDUINO
Leonardo dos Santos Reis
Renan Oliveira Baptista
Barra Mansa
2015
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Controle e monitoramento de tanques via arduino, Teses (TCC) de Automação
TCC / TFC - 06 / 2015
Tipologia: Teses (TCC)
2015
1 / 88
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CENTRO UNIVERSITÁRIO DE BARRA MANSA
PRÓ-REITORIA ACADÊMICA
CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE CONTROLE E
AUTOMAÇÃO
CONTROLE E MONITORAMENTO DE TANQUES VIA ARDUINO
Leonardo dos Santos Reis Renan Oliveira Baptista
Barra Mansa 2015
CENTRO UNIVERSITÁRIO DE BARRA MANSA
PRÓ-REITORIA ACADÊMICA
CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE CONTROLE E
AUTOMAÇÃO
CONTROLE E MONITORAMENTO DE TANQUES VIA ARDUINO
Leonardo dos Santos Reis Renan Oliveira Baptista
Monografia apresentada ao Curso de Engenharia de Controle e Automação do Centro Universitário de Barra Mansa, como requisito parcial para a obtenção do título de Bacharel em Engenharia de Controle e Automação, sob a orientação do Professor Leonardo de Carvalho Vidal.
Barra Mansa 2015
AGRADECIMENTOS
Quero agradecer em primeiro lugar а Deus, pela força е coragem durante toda esta longa
caminhada, aos professores e colegas de classe por todo apoio e, em especial ао meu pai José
Li Dos Reis, minha mãe Luzia Maria Batista dos Santos por todo carinho e dedicação.
Leonardo dos Santos Reis
AGRADECIMENTOS
Quero agradecer a minha família por sempre se importar com minha educação, aos
professores que sempre exigiram o melhor que eu pudesse oferecer, e em especial meus pais,
Marcus Vinicius Melo Baptista e Ana Maria Morgado de Oliveira Baptista, que estão sempre
oferecendo apoio para que eu tenha um futuro de sucesso.
Renan Oliveira Baptista
ABSTRACT
REIS, Leonardo dos Santos.; BAPTISTA, Renan Oliveira. Control and Monitoring of Tanks with Arduino. Rio de Janeiro: UBM, 2015.
This design allows the user to perform the control and monitoring of tanks through the Arduino micro controller.
In order to control the level we designed a programming code that allows the user to activate and deactivate the project actuators (water pump and solenoid valve) just by sending a command from the serial monitor Arduino micro controller.
To monitor the state in which the project plan is used is lateral level sensors, ultrasonic sensor and temperature sensor. These sensors ensure the safety of the project.
The side level sensors ensure that the user knows which of the three levels (low, medium and high) the system is also to be a prevention case the ultrasonic sensor to fail.
The ultrasonic sensor informs the user, the amount of liters that is available in the tank to within three millimeters. If the user has no interest in the accurate value, it is also informed the entire value read by the sensor.
To ensure that the actuators do not work above the temperature set by the manufacturer, responsible for monitoring the plant informs the programming code which the desired temperature limit.
This whole process is monitored by serial monitor Arduino micro controller.
Keeping the money in the choice of sensors and actuators in the project, a plan that allows you to control and monitor sixteen liters tanks was created. Thus, proving that the Arduino micro controller is able to perform small industrial applications and can be an alternative to the programmable logic controller.
Keywords: Arduino. Control. Monitoring. Level. Ultrasonic. Temperature.
LISTA DE ABREVIATURA
CLP...........................................................................................Controlador Lógico Programável
IDE................................................................................Interface de Desenvolvimento Integrado
- Figura 1: Modelos de Termistor.................................................................................................
- Figura 2: Reflexão e refração da onda ultrassônica....................................................................
- Figura 3: Modelos de sensor de nível lateral..............................................................................
- Figura 4: Válvula solenoide.......................................................................................................
- Figura 5: Bomba d’água industrial.............................................................................................
- Figura 6: Micro controlador.......................................................................................................
- Figura 7: Funcionamento de um circuito elétrico.......................................................................
- Figura 8: Sinal elétrico sem ruído..............................................................................................
- Figura 9: Sinal elétrico com ruído..............................................................................................
- Figura 10: Sistemas de controle de malha aberta e malha fechada.............................................
- Figura 11: Entrada do tipo impulso............................................................................................
- Figura 12: Entrada do tipo degrau..............................................................................................
- Figura 13: Entrada do tipo rampa...............................................................................................
- Figura 14: Entrada do tipo senoidal...........................................................................................
- Figura 15: Saída de um sistema com entrada do tipo degrau......................................................
- Figura 16: Saída de um sistema com entrada do tipo degrau......................................................
- Figura 17: Saída de um sistema com ação Proporcional............................................................
- Figura 18: Saída de um sistema com ação Proporcional Integral...............................................
- Figura 19: Saída de um sistema com ação Proporcional Integral Derivativo.............................
- Figura 20: Bomba d’água usada no projeto................................................................................
- Figura 21: Dimensões da bomba d’água....................................................................................
- Figura 22: Eletroválvula usada no projeto.................................................................................
- Figura 23: Funcionamento da válvula solenoide usada no projeto.............................................
- Figura 24: Janela do monitor serial............................................................................................
- Figura 25: Micro controlador Arduino Mega.............................................................................
- Figura 26: Sensor de nível lateral...............................................................................................
- Figura 27: Termistor DS18B20.................................................................................................
- Figura 28: Sensor ultrassônico modelo HC-SR04.....................................................................
- Figura 29: Exemplos de resistores.............................................................................................
- Figura 30: Diodo usado no projeto.............................................................................................
- Figura 31: Opto-isolador usado no projeto................................................................................
- Figura 32: Rele usado no projeto...............................................................................................
- Figura 33: Fonte de computador usada no projeto.....................................................................
- Figura 34: Software MATLAB..................................................................................................
- Figura 35: Ferramenta SIMULINK...........................................................................................
- Figura 36: Planta do projeto concluída.......................................................................................
- Figura 37: Componentes que compõem a planta do projeto.......................................................
- Figura 38: Funcionamento do sensor ultrassônico.....................................................................
- Figura 39: Função transferência do sensor ultrassônico.............................................................
- Figura 40: Circuito elétrico do sensor de temperatura................................................................
- Figura 41: Circuito elétrico do sensor de nível lateral................................................................
- Figura 42: Circuito elétrico dos atuadores.................................................................................
- Figura 43: Simulação realizada..................................................................................................
- Figura 44: Monitor serial aguardando o usuário digitar o nível..................................................
- Figura 45: Monitor serial informando o volume ocupado no tanque..........................................
- Figura 46: Monitor serial mostrando os sensores de nível lateral em funcionamento................
- Figura 47: Monitor serial informando a temperatura através do sensor de temperatura.............
- Tabela 1: Especificações técnicas da bomba d’água.................................................................. LISTA DE TABELAS
- Tabela 2: Informações técnicas da válvula solenoide................................................................
- Tabela 3: Informações técnicas do Arduino Mega.....................................................................
- Tabela 4: Informações técnicas do termistor DS18B20.............................................................
- Tabela 5: Informações técnicas do sensor ultrassônico HC-SR04.............................................
- Tabela 6: Informações técnicas da fonte de computador..........................................................
- Tabela 7: Tabela de custo das peças usadas na planta................................................................
- Tabela 8: Distancia lida em relação ao tempo............................................................................
- exercidas da bomba d’água........................................................................................................ Tabela 9: Pressão e força de retenção da válvula solenoide comparadas a pressão e força
- Equação 1: Cálculo da velocidade............................................................................................. LISTA DE EQUAÇÕES
- Equação 2: Cálculo da velocidade para o sensor ultrassônico....................................................
- Equação 3: Simplificação da equação 2.....................................................................................
- Equação 4: Exemplo de uma equação linear..............................................................................
- Equação 5: Transformada de Laplace........................................................................................
- Equação 6: Função transferência...............................................................................................
- Equação 7: Algoritmo PID........................................................................................................
- Equação 8: Algoritmo Proporcional..........................................................................................
- Equação 9: Algoritmo Proporcional Integral.............................................................................
- Equação 10: Transformada de Laplace da equação 3.................................................................
- Equação 11: Cálculo da pressão.................................................................................................
- Equação 12: Cálculo da pressão.................................................................................................
- Equação 13: Cálculo da área......................................................................................................
- Equação 14: Comparação das pressões da válvula solenoide e bomba d’água...........................
- Equação 15: Comparação das forças da válvula solenoide e bomba d’água...............................
- Equação 16: Cálculo do volume................................................................................................
- Equação 17: Cálculo da vazão...................................................................................................
- Equação 18: Transformada de Laplace da equação 17...............................................................
- Gráfico 1: Degrau aplicado na entrada do sistema, X(S)............................................................ LISTA DE GRÁFICOS
- Gráfico 2: Saída do sistema, Y(S)..............................................................................................
- Gráfico 3: Distância do fluido x tempo de resposta....................................................................
- Gráfico 4: Comportamento do sistema com controle original....................................................
- Gráfico 5: Comportamento do sistema com controle PI.............................................................
- Gráfico 6: Comportamento do sistema com controle PD...........................................................
- Gráfico 7: Comportamento do sistema com controle PID..........................................................
- Gráfico 8: Comparação do sistema de controle original, PI, PD e PID.......................................
- 1 INTRODUÇÃO................................................................................................................. SUMÁRIO
- 1.1 TEMA.................................................................................................................................
- 1.2 OBJETIVOS.......................................................................................................................
- 1.3 JUSTIFICATIVA................................................................................................................
- 2 FUNDAMENTAÇÃO.......................................................................................................
- 2.1 SENSOR DE TEMPERATURA.........................................................................................
- 2.2 SENSOR DE NÍVEL...........................................................................................................
- 2.2.1 Sensor ultrassônico........................................................................................................
- 2.2.2 Sensor de nível lateral....................................................................................................
- 2.3 VÁLVULA SOLENOIDE..................................................................................................
- 2.4 BOMBA D’ÁGUA.............................................................................................................
- 2.5 MICRO CONTROLADOR.................................................................................................
- 2.5.1 Interface de Desenvolvimento Integrado.......................................................................
- 2.6 CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL...............................................................
- 2.7 CLP VS MICRO CONTROLADOR...................................................................................
- 2.8 CIRCUITO ELÉTRICO......................................................................................................
- 2.8.1 Gerador elétrico.............................................................................................................
- 2.8.2 Condutor........................................................................................................................
- 2.8.3 Carga.............................................................................................................................
- 2.9 RESISTORES.....................................................................................................................
- 2.10 SEMICONDUTORES..................................................................................................
- 2.10.1 Diodos...........................................................................................................................
- 2.10.2 Opto-isolador................................................................................................................
- 2.11 RELE.............................................................................................................................
- 2.12 CAPACITOR................................................................................................................
- 2.13 RUÍDO BRANCO.........................................................................................................
- 2.14 MODELAMENTO MATEMÁTICO............................................................................
- 2.14.1 Sistema linear................................................................................................................
- 2.14.2 Transformada de Laplace..............................................................................................
- 2.14.3 Função transferência......................................................................................................
- 2.14.4 Sistemas de Controle.....................................................................................................
- 2.14.5 Estabilidade...................................................................................................................
- 2.14.6 Sinais de entrada e saída................................................................................................
- 2.14.7 Controle PID.................................................................................................................
- 2.15 SOFTWARE DE SIMULAÇÃO...................................................................................
- 3 METODOLOGIA.............................................................................................................
- 3.1 CONSTITUIÇÃO DA PLANTA........................................................................................
- 3.2 CONSTITUIÇÃO DO CIRCUITO ELÉTRICO.................................................................
- 3.3 MATERIAIS E MÉTODOS................................................................................................
- 3.3.1 Bomba d’água...............................................................................................................
- 3.3.2 Válvula solenoide..........................................................................................................
- 3.3.3 Micro controlador arduino.............................................................................................
- 3.3.4 Sensor de nível lateral....................................................................................................
- 3.3.5 Termistor.......................................................................................................................
- 3.3.6 Sensor ultrassônico........................................................................................................
- 3.3.7 Resistor..........................................................................................................................
- 3.3.8 Diodo 1N4007...............................................................................................................
- 3.3.9 Opto-isolador................................................................................................................
- 3.3.10 Rele...............................................................................................................................
- 3.3.11 Fonte de alimentação.....................................................................................................
- 3.3.12 Matlab...........................................................................................................................
- 3.4 DESENVOLVIMENTO.....................................................................................................
- 3.4.1 Custo do projeto.............................................................................................................
- 3.4.2 Cálculo do tempo de resposta do sensor ultrassônico.....................................................
- 3.4.3 Sensor de nível lateral....................................................................................................
- 3.4.4 Cálculo da força e pressão dos atuadores.......................................................................
- 3.4.5 Cálculo do volume e vazão............................................................................................
- 3.4.6 Sensor de temperatura...................................................................................................
- 3.4.7 Circuito elétrico.............................................................................................................
- 3.4.8 Micro controlador..........................................................................................................
- 3.4.9 Sistema de controle no projeto.......................................................................................
- 3.4.9.1 Aplicação do sistema de controle...................................................................................
- 3.4.9.2 Controle Proporcional Integral......................................................................................
- 3.4.9.3 Controle Proporcional Derivativo.................................................................................
- 3.4.9.4 Controle Proporcional Integral Derivativo....................................................................
- 3.4.9.5 Resultado.......................................................................................................................
- 3.5 APLICAÇÃO NA PLANTA...............................................................................................
- 3.5.1 Programação..................................................................................................................
- 4 CONCLUSÃO......................................................................................................................
- REFERÊNCIA........................................................................................................................
- ADENDO.................................................................................................................................
18
2 FUNDAMENTAÇÃO
2.1 SENSOR DE TEMPERATURA
No meio industrial, a temperatura é uma variável de processo fundamental. Sua
importância é devido a ampla área de aplicações em projetos físicos, químicos e de proteção a
equipamentos.
Dos sensores de temperatura para uso industrial, é utilizado o termistor, devido a sua
alta sensibilidade a pequenas mudanças de temperatura.
A figura 1, mostra alguns modelos de termistor:
Figura 1 - Modelos de termistor. Fonte: Empresa tmgeletronica^1_._
Os termistores são feitos de materiais semicondutores. Os materiais mais comuns são
níquel, cobalto e manganês. Estes materiais proporcionam ao termistor mudanças de resistência
elétrica de acordo com a temperatura a qual o sensor está exposto.
(^1) Acessado através do endereço < http://www.tmgeletronica.com.br > em 21 de Maio de 2015.
19
Segundo Daniel Thomazini e Pedro Urbano Braga de Albuquerque (2009, p. 91): São resistores termicamente sensíveis. São semicondutores eletrônicos cuja resistência elétrica varia com a temperatura. Eles são úteis industrialmente para detecção automática, medição e controle de energia física. Os termistores são extremamente sensíveis a mudanças relativamente pequenas de temperatura.
2.2 SENSOR DE NÍVEL
O nível é uma das variáveis de processo mais comuns e de grande uso em aplicações
industriais.
De acordo com Egídio Alberto Bega, et al (2006, p.143): A medição de nível é definida como a determinação da posição de uma interface entre dois meios. Usualmente, um destes meios é o líquido, mas eles podem ser sólidos ou a combinação de um sólido e um líquido. A interface pode ser entre um líquido e um gás ou vapor, dois líquidos ou entre um sólido e um gás.
2.2.1 Sensor ultrassônico
O sensor ultrassônico é empregado na detecção ininterrupta de nível, também podendo
ser aplicado com a função chave de nível.
Este sensor baseia-se na reflexão das ondas sonoras. Essas ondas sonoras possuem
frequência de oscilação maior que as frequências ouvidas por um humano, ou seja, acima de
20KHz. A frequência empregada neste tipo de instrumento é por volta de 26,6KHz.
Uma onda sonora é emitida pelo sensor, essa onda colide com a barreira encontrada em
sua área de alcance, e retorna ao sensor compensando essa barreira.
A figura 2, exemplifica este acontecimento: