UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP INSTITUTO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA - ICET CURSO DE ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
Anderson Laudino Gladson E. Cordeiro Hudson Alan M. Gomes Luciano F. Rissate
RA 573207-7 RA 395139-1 RA 332657-8 RA 331313-1
Luis Carlos Pereira RA 394720-3 Rafael V.de Campos RA 330523-6 Willian F. de Paula RA 331518-5
MÁQUINA DE ENVASE
SOROCABA 2011
UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP INSTITUTO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA - ICET CURSO DE ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
M á q u i n a d e E n v a s e
E A n U g T . d O e M C A o Ç n à t O r o , l e e
UNIP 2011
SOROCABA 2011
UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP INSTITUTO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA - ICET CURSO DE ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
M á q u i n a d e E n v a s e
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UNIP 2011
SOROCABA 2011
UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP INSTITUTO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA - ICET CURSO DE ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
Anderson Laudino Gladson E. Cordeiro Hudson Alan M. Gomes Luciano F. Rissate
RA 573207-7 RA 395139-1 RA 332657-8 RA 331313-1
Luis Carlos Pereira RA 394720-3 Rafael V.de Campos RA 330523-6 Willian F. de Paula RA 331518-5
MÁQUINA DE ENVASE Trabalho para conclusão de curso para obtenção de título de graduação em Engenharia de Controle e Automação apresentado à Universidade Paulista UNIP sob orientação do Professor orientador Me Ricardo Augusto de Almeida.
SOROCABA 2011
Ficha Catalográfica (Catalogação na fonte pela Universidade Paulista) Cordeiro, Gladson Eduardo. Máquina de Envase / Anderson Laudino, Gladson Eduardo Cordeiro, Hudson Alan Manoel Gomes, Luciano Ferreira Rissate, Luis Carlos Pereira, Rafael Vieira de Campos, Willian Fernando de Paula. – 1. ed. rev. Atual - Sorocaba: Universidade Paulista UNIP, 2011. ***p. 1. Pesquisa – Tecnologia. I. Cordeiro, Gladson Eduardo. II. Título.
UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP INSTITUTO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA - ICET CURSO DE ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
Anderson Laudino Gladson E. Cordeiro Hudson Alan M. Gomes Luciano F. Rissate
RA 573207-7 RA 395139-1 RA 332657-8 RA 331313-1
Luis Carlos Pereira RA 394720-3 Rafael V.de Campos RA 330523-6 Willian F. de Paula RA 331518-5
MÁQUINA DE ENVASE
Aprovado em:
/
Trabalho para conclusão de curso para obtenção de título de graduação em Engenharia de Controle e Automação apresentado à Universidade Paulista UNIP sob orientação do Professor orientador Me Ricardo Augusto de Almeida.
/ Banca Examinadora
____________________________________________________________________ Professora Engenheira Cibele Ruberti – Universidade Paulista - UNIP Professora ____________________________________________________________________ Professor Engenheiro Valter Domingos Idargo – Universidade Paulista - UNIP Professor ____________________________________________________________________ Professor Me Ricardo Augusto de Almeida – Universidade Paulista - UNIP Orientador ____________________________________________________________________ Professor Dr Luis Gustavo de Mello Paracêncio – Universidade Paulista - UNIP Coordenador
Dedicatória
Dedicamos esta Monografia primeiramente à Deus, pois sem Ele, nada seria possível e não estaríamos
aqui
reunidos,
desfrutando,
juntos, destes momentos que nos são tão importantes. Dedicamos também à todos os professores e orientadores dessa Instituição de ensino, e a todos os nossos colegas que estiveram juntos no decorrer de nosso curso de Engenharia. I
Agradecimentos Poderíamos escrever páginas de agradecimentos, pois há tantos a agradecer, por tanto se dedicarem a nós, não somente por terem ensinado, mas por terem nos feito aprender! A palavra mestre, nunca fará justiça aos professores dedicados, aos quais, sem nominar terão nossos eternos agradecimentos! A Esta Universidade, seu corpo de Direção e Administrativo, que oportunizaram a janela em que hoje vislumbramos um horizonte superior, eivado pela mais acendrada confiança no mérito e ética aqui presentes. O muito obrigado, é mísero por tamanha competência! As nossas famílias, que nos momentos de nossas ausências dedicados ao estudo superior, sempre fizeram entender que o futuro, é feito a partir da constante dedicação no presente! Aos nossos amigos e amigas, que fortaleceram os laços da igualdade, num ambiente fraterno e respeitoso! Jamais lhes esqueceremos! Enfim, agradecemos a todas as pessoas presentes em nossas vidas, mesmo que por poucos instantes, mas que foram suficientes para ensinar o necessário no decorrer desses anos.
II
Resumo Ao melhorar uma linha de envase de produtos líquidos ou pastosos, seria necessária para aplicação de uma máquina para envase automático dos frascos. O projeto baseou-se numa linha de envase didática, foram definidos pontos necessários, peças, materiais, métodos, etc. Os itens básicos para a elaboração do projeto foram: •
Bancada
•
Esteira
•
Motor
•
Bomba
•
CLP (Controlador Lógico Programável)
•
Tanques de armazenamento
•
Manifold
•
Pistões/Sensores
Após a montagem da esteira foi mensurado o protótipo, viabilizando o planejamento da bancada. A bancada foi criada para funcionar como base da esteira, do motor e suporte para o tanque, manifold, bomba e CLP. Após conclusão das instalações citadas, realizamos as instalações secundárias, bicos, mangueiras, pistões e sensores. No início do processo foi necessário alimentar a esteira com os frascos manualmente, onde a mesma se locomove, transporta os frascos até a posição correta dos bicos para o envase. O controle do volume envasado em cada frasco foi feito através de válvulas solenóides devidamente instaladas. O tempo de atuação das válvulas foi calculado para o volume ideal de envase, assim, podem-se criar diversas lógicas com volumes diferentes. O protótipo é ideal a outras aplicações atendendo vários mercados de diversos segmentos. A máquina foi desenvolvida para o auxílio de pequenas empresas que envasam produtos em pequenos volumes. As empresas que ainda fazem todo o trabalho manualmente são o alvo principal deste protótipo. As pequenas empresas que produzem sucos em frascos com 350 ml fazem parte principal desta aplicação. O projeto abrange varias disciplinas trabalhadas durante o período do curso.
Palavras – chaves: Envase, Frascos e Líquidos. III
Abstract By improving a filling line for liquid or paste form, it would be necessary to apply an automatic machine for filling bottles. The project was based on a filling line teaching have been defined points necessary parts, materials, methods, etc. The basics for the design of the project were: •Bench •Conveyor Belt •Engine •Pump •PLC •Storage Tanks •Manifold • Pistons / Sensors After assembly of the conveyor belt was measured prototype, enabling the planning of the bench. The bench was created to serve as the basis of the conveyor belt, engine and support for the tank, manifold, pump and PLC. After completion of the facilities mentioned, we realized the secondary facilities, nozzles, hoses, pistons and sensors. At the beginning of the process is necessary to feed the conveyor belt manually with bottles, where it moves about, carrying the bottles to the correct position of the nozzles for filling. The control volume filled into each bottle was made through solenoid valves properly installed. The operating time of the valves was calculated for the ideal filling, so you can create multiple logical volumes with different. The prototype is ideal for other applications serving multiple markets segments. The machine was developed to help small businesses that fill products in small volumes. The Companies that still do all the work manually are the main target of this prototype. The Small businesses that produce juices in bottles with 350 ml main part of this application. The project encompasses several disciplines worked during the period of the course.
Key - words: Filling, Bottles and liquids. IV
Sumário 1 – INTRODUÇÃO ...........................................................................................1 1.1 – Máquinas de Envase ..................................................................................1 1.2 – Controle de Garrafas ..................................................................................2 1.3 – Controle de Garrafas Cheias ...................................................................... 2 1.4 – Controle de Nível de Enchimento..............................................................3 1.5 – Válvula Solenoide......................................................................................3 1.6 – Bomba Centrífuga......................................................................................6 1.7 – Redutor de Velocidade ..............................................................................8 1.8 – Cilindros Pneumáticos ...............................................................................9 1.9 – Motor Elétrico ............................................................................................10 1.10 – Mancais....................................................................................................11 1.11 – Válvula esfera ..........................................................................................13 1.12 – CLP ..........................................................................................................14
2 – PROJETO ................................................................................................... 17 2.1 – Objetivo .....................................................................................................17 2.2 – Planejamento do Projeto ............................................................................ 17
3 – DESCRIÇÃO DO PROJETO ...................................................................18 3.1 – Itens do Projeto ..........................................................................................18
4 – FUNCIONAMENTO ..................................................................................23 4.1 – Funcionamento ..........................................................................................23
5 – RESULTADOS E DISCUSSÕES ..............................................................24 5.1 – Resultados e discussões .............................................................................24
6 – CONCLUSÕES ...........................................................................................26 6.1 – Conclusões.................................................................................................26
7 – BIBLIOGRAFIA ........................................................................................27 8 – ANEXOS ......................................................................................................28
V
Índice de Figuras FIGURA 1 – Linha de envasamento de garrafas ............................................... 1 FIGURA 2 – Ilustração válvula solenóide.........................................................5 FIGURA 3 – Ilustração bomba centrífuga.........................................................7 FIGURA 4 – Redutores de velocidade ..............................................................8 FIGURA 5 – Cilindro pneumatico.....................................................................10 FIGURA 6 – Motor elétrico............................................................................... 11 FIGURA 7 – Mancais ........................................................................................12 FIGURA 8 – Válvula esfera ..............................................................................13 FIGURA 9 – CLP .............................................................................................. 16 FIGURA 10 – Esteira ........................................................................................18 FIGURA 11 – Motor..........................................................................................19 FIGURA 12 – Conjunto válvulas esferas ..........................................................19 FIGURA 13 – Frascos .......................................................................................20 FIGURA 14 – Tanque........................................................................................ 20 FIGURA 15 – Manifold..................................................................................... 21 FIGURA 16 – Visualização sensor, cilindros e frascos.....................................21 FIGURA 17 – Início montagem painel..............................................................22 FIGURA 18 – Finalização montagem painel .................................................... 24 FIGURA 19 – Máquina de envase..................................................................... 25
VI
Índice de Anexos ANEXO 1 – Data sheet esteira ANEXO 2 – Data sheet solenóide ANEXO 3 – Data sheet cilindro pneumático ANEXO 4 – Data sheet CLP (Controlador Lógico Programável) ANEXO 5 – Data sheet motor elétrico ANEXO 6 – Data sheet mancal ANEXO 7 – Fluxograma ANEXO 8 – Esquema elétrico ANEXO 9 – Ladder ANEXO 10 – Desenho suporte dos bicos ANEXO 11 – Desenho dos bicos ANEXO 12 – Desenho base dos bicos ANEXO 13 – Desenho suporte da esteira ANEXO 14 – Desenho letreiro ANEXO 15 – Desenho suporte do tanque ANEXO 16 – Desenho tanque ANEXO 17 – Desenho bancada ANEXO 18 – Desenho máquina de envase
VII
CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO 1.1 – Máquinas de Envase Existem nas indústrias diversos exemplos de máquinas de envase, no Brasil um dos produtos mais envasados é a cerveja. Ao longo dos anos estes processos de envase foram se modernizando em diversos pontos, e principalmente em aumentar sua capacidade de produção. Se compararmos a 30 anos atrás chegaremos a conclusão que as modernas linhas de envasamento possuem capacidades maiores de produção. O autor Matthias Rembert Reinold afirma em seu artigo que enquanto as antigas linhas produziam entre 7.000 e 20.000 garrafas por hora, as modernas linhas de engarrafamento produzem 60.000 - 100.000 garrafas por hora. Hoje em dia é comum que se utilizem controles para o aumento no rendimento da produção e seguimento às normas de qualidade como controle de nível de enchimento, rótulos, etc. É possível verificar abaixo na Figura 01, uma linha de envasamento montada. É possível controlar os padrões das garrafas através por exemplo de microprocessadores, que fazem a separação das garrafas que estiverem fora dos padrões desejados, como nível de enchimento.
Figura 01. – Linha de envasamento de garrafas. 1
1.2 – Controle de Garrafas Para o controle de garrafas, geralmente são utilizados inspetores de garrafas vazias, que têm por finalidade verificar a presença de sujeira ou resíduos, bem como garrafas “bicadas” na região do bocal que possam prejudicar o produto envasado. Tais inspetores são equipados com inspeção de parede com detector de garrafas estranhas, detecção de soda cáustica por raios infravermelhos e por alta freqüência, inspeção da boca, controle de fundo e uma estação múltipla de inspeção que oferece inspeção de fundo, parede interna, rosca ou de boca para detectar quebras abaixo de sua zona de estanqueidade. Dependendo do tipo de instalação, é viável instalar equipamentos de controle de garrafas cheias tanto após a enchedora quanto após a rotuladora. É possível a instalação de um sistema combinado, em equipamento montados em blocos, para controlar o nível de enchimento, presença de rolhas e rótulos. Toda instalação é realizada na parte frontal, para melhor visualização e controle das conexões elétricas. São varias as maneiras de posicionamento dos sensores de controle de nível de enchimento, onde os mesmo podem ser regulados em altura. A programação de sistemas (“teach in”) para tipos de garrafas diversas permite a seleção de vários tipos de garrafas por meio de teclas, onde ao selecionar qual modelo necessário o programa correspondente é utilizado. As garrafas fora do padrão para envase são separadas via pistão pneumático acionados através de microprocessadores.
1.3 – Controle de Garrafas Cheias É possível utilizar uma barra de sensor ultra-sônico para controlar as garrafeiras cheias, ausência de garrafas, divergências entre as garrafas, alguma sobre outra ou travada. No processo “teach in” controla-se a coleta de dados, auto-diagnóstico e ajustes. Um exemplo de controle é a realização do mesmo sendo efetuado por meio de raios gama para uma embalagem com cobertura.
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1.4 – Controle de Nível de Enchimento A utilização de tecnologia de alta freqüência e radiação gama para a determinação de nível alto ou baixo de enchimento depende entre outros do produto engarrafado, da formação de espuma e do teor de ácido do produto, assim como o material da embalagem e tipo de garrafa. No controle de nível geralmente está integrada uma unidade para o controle do arrolhamento. Equipamentos adicionais contribuem para o aumento da versatilidade dos sistemas, tais como reconhecimento de quebra cheia, separação programável de garrafas de determinadas válvulas de enchimento e pistões arrolhadores, controle de rolha mal assentadas e separação de garrafas para fins de controle e laboratório assim como para a medição do teor de ar. A medição do teor de ar (oxigênio) é muito importante principalmente para bebidas sensíveis. As garrafas cheias abertas, que permaneceram paradas na enchedora (por exemplo, quando de uma parada de emergência), deveriam ser retiradas da produção, mesmo após terem sido arrolhadas. Os elevados teores de ar (oxigênio) podem levar a uma drástica redução da estabilidade do produto (vida de prateleira). Através de parametrização pode-se definir exatamente que garrafa a partir de que tempo de parada deve ser rejeitada. Em caso de quebra de garrafas na enchedora pode também ser programado o desvio de garrafas da válvula de enchimento em questão, assim como das posições vizinhas.
1.5 – Válvula Solenóide O propósito de uma bobina de válvula solenóide é converter energia elétrica em movimento linear. A bobina consiste de fio de cobre (ou alumínio) enrolado ao redor de uma forma oca. Quando a corrente elétrica flui através da bobina, um campo magnético é criado, isto é conseguido pela colocação de um núcleo ferromagnético dentro da bobina. Em uma válvula solenóide, o núcleo ferromagnético é chamado de êmbolo da válvula. O campo magnético faz com que o êmbolo deslize ainda mais para dentro da bobina, a abertura do orifício do corpo da válvula ou orifício piloto.
3
A maioria das bobinas com fios de chumbo utiliza o fio da mesma cor para ambos os terminais e não têm marcas de polaridade. A resposta é que a polaridade não importa. O terminal positivo pode se conectar para qualquer um dos dois fios sem afetar a operação da válvula. Bobinas de válvula solenóide estão disponíveis tanto para DC e energia elétrica AC. Apesar de uma bobina poder ser feita para funcionar com quase qualquer tensão que se possam imaginar, as tensões mais comuns disponíveis são: * 6-Volt DC 6-Volt DC * 12-Volt DC 12 Volt DC * 24-Volt DC 24 Volt DC * 24-Volt AC 24 Volt AC * 120-Volt AC 120 Volt AC * 220/240-Volt AC 220/240-Volt AC A vantagem das bobinas de baixa tensão é, obviamente, de segurança elétrica. Hobbyists e faça-você-mesmo poder muitas vezes as válvulas solenóide de baixa tensão com transformadores de parede. A maioria das pequenas válvulas 12 válvulas VDC pode ser alimentado por um 12-Volt / fonte de alimentação de 500 mA. No entanto, sempre se certificar de sua fonte de alimentação não atender ou exceder os requisitos de potência do solenóide. As 24 válvulas solenóides VAC apelam para hobbyists já que elas podem ser facilmente controladas por temporizadores de irrigação. A maioria das aplicações industriais e máquinas pesadas utilizam solenóides com 24 bobinas de VDC. Uma válvula de solenóide não requer atual para permanecer em sua posição energizada. A energia elétrica é consumida apenas para abrir e fechar a válvula, não para mantê-la em qualquer uma dessas posições. Válvulas de travamento são freqüentemente utilizadas em aplicações de bateria alimentada (por exemplo, torneiras automáticas), pois só precisa de um poder de pulso para alterar o estado aberto / fechado da válvula. A polaridade dos pulsos é invertida entre o pulso de abertura e fechamento. A válvula solenóide mais comum tem duas portas: uma porta de entrada e uma porta de saída, as mais avançadas podem ter três ou mais portas. Alguns projetos utilizam um design de múltiplo tipo.
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Podemos verificar abaixo na Figura 02 os componentes básicos da válvula solenóide normalmente fechado, de ação direta. Exemplificamos por este tipo de válvula por ser de um modelo mais simples com sua operação de fácil entendimento.
Figura 02. – Ilustração válvula solenóide. O fluido controlado pela válvula entra pela porta de entrada (item 2 na ilustração), os meios de comunicação devem fluir através do orifício (9) antes de prosseguir para a porta de saída (3), posteriormente o orifício é fechado pelo êmbolo (7). A ilustração acima é de uma válvula normalmente fechada, portanto com utilização de mola (8) que pressiona a ponta do êmbolo contra a abertura do orifício. O material de vedação na extremidade do êmbolo mantém média de entrar no orifício, até que o êmbolo é levantado por um campo eletromagnético criado pela bobina. 5
As válvulas solenóides tornam possível a automação no controle de fluidos, oferecendo uma operação rápida de alta confiabilidade.
1.6 – Bomba Centrífuga Bombas centrífugas são aquelas que desenvolvem a transformação de energia através do emprego de forças centrifugas. As bombas centrífugas possuem pás cilíndricas, com geratrizes paralelas ao eixo de rotação, sendo essas pás fixadas a um disco e a uma coroa circular, compondo o rotor da bomba. O funcionamento da bomba centrífuga baseia-se, praticamente, na criação de uma zona de baixa pressão e de uma zona de alta pressão. Para o funcionamento, é necessário que a carcaça esteja completamente cheia de liquido e, portanto que o rotor esteja mergulhado no liquido. Devido à rotação do rotor, comunicada por uma fonte externa de energia (geralmente um motor elétrico), o liquido que se encontra entre as palhetas no interior do rotor é arrastado do centro para a periferia pelo efeito da força centrífuga. Produz-se assim uma de pressão interna ao rotor, o que acarreta um fluxo vindo através da conexão de sucção. O liquido impulsionado sai do rotor pela sua periferia, em alta velocidade e é lançado na carcaça que contorna o rotor. Na carcaça grande parte da energia cinética do liquido (energia de velocidade) é transformada em energia de pressão durante a sua trajetória para a boca de recalque. Faz-se necessária essa transformação de energia porque as velocidades do liquido na saída do rotor, seriam prejudiciais às tubulações de recalque e também porque a energia de velocidade pode ser facilmente dissipada por choques nas conexões e peças das canalizações de recalque. A bomba centrifuga e constituída essencialmente de duas partes: 1. uma parte móvel: rotor solidário a um eixo (denominado conjunto girante) 2. uma parte estacionaria: carcaça (com os elementos complementares: caixa de gaxetas, mancais, suportes estruturais, adaptações para montagens etc,.). O rotor é a peça fundamental de uma bomba centrífuga, a qual tem a incumbência de receber o líquido e fornecer-lhe energia. Do seu formato e dimensões relativas vão depender as características de funcionamento da bomba.
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A carcaça é o componente fixo que envolve o rotor. Apresenta aberturas para entrada do liquido até ao centro do rotor e saída do mesmo para a tubulação de descarga. Fundido juntamente, ou a ela preso mecanicamente, tem a câmara (ou câmaras) de vedação e a caixa (ou caixas) de mancal. Possui na sua parte superior, uma abertura (suspiro) para ventagem e escorva; e na parte inferior, uma outra para drenagem. Nas bombas de maior porte, tem ainda as conexões para as tubulações de “líquido de selagem” e “liquido de refrigeração”. O bocal (flange) de entrada do fluido na carcaça recebe o nome de “sucção da bomba” e o de saída de “descarga da bomba”. Os materiais geralmente utilizados na fabricação da carcaça são: ferro fundido, aço fundido, bronze e aços liga. Vejamos abaixo na Figura 03 ilustração da bomba centrífuga.
Figura 03. – Ilustração bomba centrífuga. A bomba centrífuga possui vantagens que são favoráveis para sua utilização no processo de envase. Uma única bomba pode abranger uma grande faixa de trabalho (variando a rotação e o diâmetro do rotor). Não existe perigo de se ultrapassar, em uma instalação qualquer, a pressão máxima(Shutt-off) da bomba quando em operação. Se não houver alteração de vazão a pressão se mantém praticamente constante. São bombas que apresentam bom rendimento e construção relativamente simples. 7
1.7 – Redutor de Velocidade O redutor de velocidade é basicamente um conjunto de engrenagens, que tem seu funcionamento dentro de uma caixa metálica, e em seu principal objetivo transmitir potência e alterar a velocidade de rotação em equipamentos industriais. Os redutores de velocidade são normalmente acionados através de: •
Motor elétrico
•
Turbina a vapor
•
Motor de combustão interna
•
Motor hidráulico
Os redutores industriais de fabricação em série abrangem basicamente dois tipos, o redutor de coroa e rosca sem fim e o redutor de engrenagem. Os eixos em aço são dimensionados para suportarem as cargas de flexão, dentro dos limites estabelecidos. Os eixos são apoiados em mancais de rolamentos cônicos ou esféricos, dimensionados para suportarem as cargas radiais estabelecidas. A seleção do redutor é determinada a partir da potência requerida pela máquina movida, tipo de carga e rotação de trabalho, e não pela potência do motor a ser utilizado. As principais aplicações são os agitadores, britadores, extrusões, etc. Vejamos abaixo na Figura 04 modelos de redutores de velocidade:
Figura 04. – Redutores de velocidade.
8
1.8 – Cilindros Pneumáticos O termo “pneumático” esta relacionada ao ar, ou seja, os cilindros pneumáticos usam diferenciais de pressão de ar para produzir força e movimento, resultando em trabalho mecânico. Os cilindros pneumáticos convertem a energia potencial do ar comprimido em energia mecânica da força aplicada ou a energia cinética do movimento. Dentro do cilindro, duas câmaras são mantidas com pressões de ar diferentes. Um pistão, às vezes chamado de haste, preso à parede divisória, é posto em movimento quando o volume de ar das câmaras muda em resposta à pressão relativa das duas câmaras. Pelo menos uma das câmaras é conectada a uma porta que permite o fluxo de ar para dentro e para fora do cilindro. Câmaras pneumáticas diferentes terão especificações operacionais diferentes. Há duas características específicas do cilindro, que é a distância entre as posições do pistão completamente estendido e totalmente retraído, e a faixa de pressão operacional. A faixa de pressão reflete a quantidade mínima de pressão necessária para acionar o cilindro e a pressão máxima que o cilindro pode conter com segurança, e determina a quantidade e a natureza do trabalho que o cilindro consegue executar. Outra característica importante são as opções de montagens para o dispositivo, que em última análise, determinam como o cilindro pode ser incorporado em um sistema mecânico maior. Na maioria dos casos, a ação imediata de um cilindro de ar é proporcionada por uma unidade de pistão, e assim, em última análise, a função de toda a máquina pode ser operada ou acionada pelo movimento do pistão. Sistemas pneumáticos podem empurrar e puxar, levantar objetos, abrir e fechar portas, remover e posicionar peças na fabricação e produzir uma ação de fixação. Os cilindros de ar aparecem freqüentemente em materiais de manuseio e processamento e em sistemas de segurança onde vedações herméticas são necessárias. A principal distinção entre os cilindros pneumáticos é se são cilindros de simples efeito ou de dupla ação. Os modelos de cilindros de efeito simples usam a força da pressão de ar para mover uma haste em uma única direção, geralmente longe do cilindro. Nestes mecanismos, uma mola retorna o pistão à posição original quando a pressão do ar é liberada. Nos cilindros de dupla ação, a pressão do ar é usada em ambos os cursos de extensão e retração, permitindo a operação detalhada em ambas as direções. Os cilindros DAC têm duas portas, uma para cada controle de curso.
9
Abaixo na Figura 05 modelo de cilindro pneumático.
Figura 05. – Cilindro pneumático.
1.9 – Motor Elétrico O motor elétrico é utilizado para transformar energia elétrica em mecânica. Dentre todos os motores existentes este é o mais utilizado nas indústrias, pois combina o baixo custo pela utilização de energia elétrica, bem como suas simplicidades na manutenção, facilidades nos comandos, limpeza, transporte e versatilidade nas adaptações para melhores rendimentos. Geralmente os motores elétricos trabalham pelo eletromagnetismo, mas há também motores em funcionamento através de outros fenômenos eletromecânicos, tais como forças eletrostáticas. O princípio fundamental em que os motores eletromagnéticos são baseados é que há uma força mecânica em todo o fio quando está conduzindo a eletricidade contida dentro de um campo magnético. A força é descrita pela lei da força de Lorentz e é perpendicular o fio e o campo magnético. Em um motor giratório, há um elemento girando, o rotor. O rotor gira porque os fios e o campo magnético são arranjados de modo que um torque seja desenvolvido sobre a linha central do rotor. A maioria de motores magnéticos são giratórios, mas os tipos lineares existem também. Em um motor giratório, a parte giratória (geralmente no interior) é chamada o rotor, e a parte estacionária é chamada de estator ou bobina de campo. Os tipos mais comuns de motores são os de corrente contínua e os de corrente alternada, os quais especificamos abaixo: •
Corrente contínua – É necessária uma fonte de corrente contínua ou um dispositivo que converta a corrente alternada para corrente contínua. As velocidades podem ajustadas para um melhor controle na flexibilidade e precisão. 10
•
Corrente alternada – os de maiores utilizações, pois a distribuição de energia elétrica é feita normalmente na corrente alternada. Seu princípio de funcionamento é baseado no campo girante, que surge quando um sistema de correntes alternadas trifásico é aplicada em pólos defasados fisicamente de 120º. Dessa forma, como as correntes são defasadas 120º elétricos, em cada instante, um par de pólos possui o campo de maior intensidade, causando a associação vetorial desse efeito o campo girante.
Abaixo na Figura 06 podemos visualizar um modelo de motor elétrico condizente com o funcionamento em uma máquina de envase.
Figura 06. – Motor elétrico.
1.10 – Mancais Os mancais são utilizados para apoiar eixos permitindo um movimento relativo, impondo, entretanto uma restrição em alguns graus de liberdade. Os mancais de escorregamento podem ser classificados como: •
Função
•
Forma 11
•
Construção
•
Lubrificação
As funções dos mancais são definidas de acordo com suas necessidades reais de funcionamento, onde: •
Radiais – limitam os movimentos radiais
•
Axiais – limitam os deslocamentos axiais
•
Angulares – limitam simultaneamente os radiais e axiais
•
Guia – limitam os movimentos de rotação permitindo os movimentos retilíneos.
Para utilização na esteira da máquina de envase é correto o mancal de flange conforme modelos na Figura 07 abaixo:
Figura 07 – Mancais.
12
1.11 – Válvula esfera A Basicamente, válvula esfera é uma variação da válvula macho que, ao invés de um obturador cônico, tem um obturador esférico vazado, que atua entre dois anéis (sedes) resilientes que requer igualmente apenas 1/4 de volta para abertura ou fechamento da passagem do fluído, porém com um baixo torque de acionamento. As válvulas esfera podem ser do tipo bipartido ou tripartido. Podem ainda ser de passagem plena ou de passagem reduzida. As válvulas esfera tripartidas, em relação às bipartidas, oferecem maiores facilidades de manutenção, pois para esta finalidade não requerem a sua retirada da linha. As válvulas esfera proporcionam sempre ótima estanqueidade tanto em baixas como em altas pressões e quando totalmente abertas ocasionam baixa perda de carga, principalmente aquelas de passagem plena. Assim como as válvulas macho, as válvulas esfera não são recomendadas para regulagens e/ou estrangulamento, pois caso contrário o fluído, ao passar pela região da esfera parcialmente fechada, poderá danificá-la com o aumento de velocidade do fluído. Verificamos abaixo na Figura 08 modelo de válvula esfera compatível com utilização na máquina de envase.
Figura 08. – Válvula esfera.
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1.12 – CLP Por definição, a tecnologia CLP se baseia na modulação de sinais de telecomunicações sobre o canal da rede elétrica. Inicialmente ela foi desenvolvida observando-se diversos equipamentos que já geravam modulações nessa rede. Por exemplo, liquidificadores antigos, que inseriam modulações, ou ruídos, identificáveis no canal. Portanto, quando esses aparelhos eram usados, outros como sistemas de som e televisão, sofriam interferências. Aparelhos como esses liquidificadores recebem eletricidade para o rotor de seus motores por carvões, o que gera atrito, de onde centelhas acabam por introduzir na rede elétrica sinais modulados. Tais sinais não são uniformes e possuem freqüência bastante próxima da velocidade de giro do motor, além das freqüências harmônicas. Assim, como não existem controladores do nível de modulação e filtros que impedissem a propagação, o sinal modulado será conduzido pela fiação elétrica a outros equipamentos ligados próximos. Tendo como base esse fenômeno, desenvolveu-se uma tecnologia que permitisse que se transmitissem sinais controladamente, com freqüências diferenciadas das que são utilizadas por outros equipamentos e pela transmissão elétrica. Está é a tecnologia CLP, que atualmente tem sido denominada Broadband PowerLine (BPL). Sistemas que usam essa tecnologia utilizam a faixa de 1,6 a 30 MHz, com taxas de até 200Mbps. O principio elementar dessa tecnologia é que como a ordem da freqüência do sinal modulado é muito maior do que a do sinal elétrico, que opera na faixa de 50 a 60Hz, ambos podem existir em harmonia no mesmo canal sem que ocorra perda de informação. Os sistemas CLP trabalham com a camada de enlace do modelo OSI, podendo ser acoplada a redes TCP/IP. De fato, as CLP’s são capazes de distinguir pacotes TCP e UDP, além de possuírem agentes SNMP para que se possa monitorar e controlar a rede. Tipos de CLP: 1. Quanto a freqüência: a. CLP Faixa Larga ( BroadBand ): Este tipo utiliza grande faixa de freqüências, variando de 1.6 a 30Mhz, enquanto que possui alta taxa de transmissão. Este é o tipo de CLP que mais vem recebendo atenção em virtude de sua utilização para o acesso a internet e é o foco deste trabalho em especial. 14
b. CLP Faixa Estreita(NarrowBand): Este tipo utiliza uma faixa de freqüência menor, na faixa de 0.1 a 0.9 kHz, possuindo taxa de transmissão menor que 1Mbps. Suas aplicações geralmente são nas áreas de gestão de energia elétrica, automação, medição remota, etc. 2. Quanto à localização: a. Power Line Indoor Communication (PLIC): A CLP é feita para fins de se construir uma rede local. É feita através de uma caixa comutadora que injeta dados de uma rede banda larga, xDSL, Wifi na rede elétrica do local. Através de uma PLIC, todas as tomadas se tornam pontos de conexão para a rede. b. Power Line Outdoor Communication (PLOC): A CLP é feita como uma rede entre subestações elétricas e redes locais/residenciais. No PLOC, existe o papel do Master, que tem o papel de controlar e repetir o sinal transmitido, sendo conectado à distribuição primária ou secundária. Através do Master que é possível que se tenha diferenciações na taxa de transmissão de acordo com os contratos com os clientes. O A quantidade de usuários que podem se conectar a um mesmo Master costuma ser, no máximo quarenta, mas este número sofrer variações. Através de testes, constata-se que um Master pode cobrir, sem perdas, até 2 km, se estiver conectado a rede de distribuição primária, ou seja, aquela que possui tensão de 13,8 kV A tecnologia Broadband over Power Lines(BPL) é o uso de PLOC para o acesso de banda larga à Internet. Para tanto, é necessário um modem BPL ligado a rede elétrica para se ter o acesso de alta-velocidade. Os modens utilizados usam 11 voltas para a transmissão em alta freqüência (1,6 a 30Mhz). A velocidade assimétrica desses modens costuma ficar na faixa de 256kbps a 2,7Mbps, sendo que no repetidor que fica localizado do medidor da rede elétrica, a velocidade é de até 45Mbps, que pode ser conectado até 256 modens. Vale ressaltar que essas restrições são baseadas em requisitos para a qualidade do serviço, ou seja, caso elas 15
não sejam respeitadas haverá queda na qualidade da CLP em questão. Já nas estações de média voltagem, a velocidade para a conexão a internet é de até 135Mbit/s. Esta conexão pode ser feita através de, por exemplo, fibras ópticas ou conexões sem fio. Cabe ressaltar que tanto nas PLOC, quanto nas PLIC, todas as tomadas estariam aptas a serem pontos de acesso, sendo apenas diferenciadas na forma como é feito o controle, interligação dos equipamentos e transmissão de dados. Foi visto que a tecnologia CLP pode ter alguns benefícios em relação às conexões usuais via cabo. De fato, ao usar a infra-estrutura da rede elétrica já existente, torna-se possível levar o acesso a internet a regiões remotas com relativamente pouco investimento. Sua rápida implantação também permite que seja possível se realizar instalações massivas em períodos de alto crescimento da demanda. Além disso, devido a sua forma de acesso, torna-se mais fácil a conexão de aparelhos eletro-eletrônicos, como televisões, geladeiras, aparelhos de som, rádios, entre outros, ao sistema. Atualmente, devido à quantidade de produtos CLP disponíveis no mercado, percebe-se que essa tecnologia já atingiu certo grau de maturidade. Muitas empresas já fornecem equipamentos para a utilização de CLP’s do tipo PLIC (Power Line Indoor Communication), enquanto já se tem alguns casos de efetivas implementações de redes PLOC (Power Line Outdoor Communication). Quanto a este último tipo, é interessante notar que sua utilização como rede de acesso à internet, incentiva a competitividade no setor, principalmente no referente à chama última milha da internet. Portanto, é certo se dizer que a Power Line Communication é uma tecnologia comprovada e viável. Em nosso projeto utilizamos o CLP Micrologix 1200, conforme Figura 09 abaixo:
Figura 09. – CLP. 16
CAPÍTULO 2 – PROJETO 2.1 – Objetivo Em vários processos de envase são utilizados máquinas de envase manuais, os sistemas de envase automatizados, que utilizam camisas de inox para controlar a quantidade de liquido a ser envasada. O objetivo do nosso projeto foi demonstrar uma máquina de envase automatizada, que controla o envase do liquido através de solenóides, que foram controladas por um temporizador, onde a mesma permite aos seus operadores um processo de envase confiável e com uma maior mobilidade do volume envasado, já que os mesmos podem ser alterados através do supervisório. As alterações para utilização da válvula solenóide também acarretaram no ganho financeiro, devido a redução de custo na produção ou compra das camisas, que são fabricadas em aço inox com custo elevado no mercado.
2.2 – Planejamento do Projeto O processo de envase inicia após o tanque de envase superar o nível baixo, este controle foi feito através de um transmissor de nível que foi instalado dentro do tanque Com o tanque no nível intermediário, a esteira de movimentação começa a funcionar, o operador faz a alimentação da esteira, e um sensor localizado no meio da esteira irá contar os frascos que entram na região de envase. Após entrarem três frascos na região de envase, um pistão interrompe a entrada dos outros frascos e são abertas as solenóides, iniciando a entrada do líquido nos frascos O fechamento da válvula é controlado por um temporizador, após o tempo determinado no programa a válvula solenóide é fechada, e os frascos já envasados com os líquidos são liberados com o retorno do pistão posicionado no final da região de envase, um sensor irá contar a saída dos três frascos e o pistão será novamente acionado, com isso o pistão que até então interrompia a passagem dos demais frascos retorna fechando o ciclo.
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CAPÍTULO 3 – DESCRIÇÃO DO PROJETO 3.1 – Itens do Projeto Os itens básicos para a elaboração do projeto foram: •
Bancada
•
Esteira
•
Motor
•
Bomba
•
CLP (Controlador Lógico Programável)
•
Tanques de armazenamento
•
Manifold
•
Pistões/Sensores
Abaixo demonstramos nas Figuras 10 à 17 alguns destes itens.
Figura 10. – Esteira. 18
Figura 11. – Motor.
Figura 12. – Conjunto válvulas esferas
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Figura 13. – Frascos.
Figura 14. – Tanque.
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Figura 15. – Manifold.
Figura 16. – Visualização sensor, cilindros e frascos. 21
Figura 17. – Início montagem painel.
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CAPÍTULO 4 – FUNCIONAMENTO 4.1 – Funcionamento Conforme fluxograma o sistema inicia-se com a verificação do nível baixo no tanque para acionamento da bomba, após reservatório atingir nível alto, para assim desligar a bomba. Assim que o tanque não está em nível baixo a esteira é acionada, os frascos são introduzidos manualmente e um primeiro sensor faz a contagem de 3 (três) frascos, assim um pistão é acionado para interromper a entrada dos outros frascos. A esteira para e as solenóides são abertas, iniciando assim o envasamento do líquido nos frascos, com o término do enchimento, as solenóides são fechadas, um segundo pistão é recuado, acionando a esteira e liberando os frascos. O segundo sensor conta a passagem dos frascos, retorna os pistões as suas posições iniciais e reinicia o ciclo.
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CAPÍTULO 5 – RESULTADOS E DISCUSSÕES 5.1 – Resultados e Discussões Um dos maiores trabalhos que tivemos se refere à estrutura, onde realizamos a criação da bancada e dos suportes. A bancada foi criada para funcionar como base da esteira, do motor e suporte para o tanque, manifold, bomba e CLP. Após conclusão das instalações citadas, realizamos as instalações secundárias, bicos, mangueiras, pistões e sensores. É possível verificar abaixo na Figura 18 a montagem do painel finalizada, e na Figura 19 a máquina de envase em sua montagem final.
Figura 18. – Finalização montagem painel.
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Figura 19. – Máquina de envase. Iniciamos nosso projeto com a intenção de envasamento de um frasco por vez, o sistema de envase seria realizado através de uma camisa volumétrica. Nas primeiras avaliações realizadas, concluímos que poderíamos trabalhar com sistema de solenóide ao invés da camisa volumétrica, isto acarretaria em um melhor custo benefício. Ainda nas primeiras avaliações, concluímos que poderíamos trabalhar com três bicos dosando ao mesmo tempo, tendo então ganho na produção. No início do processo foi necessário alimentar a esteira com os frascos manualmente, onde a mesma se locomove, transporta os frascos até a posição correta dos bicos para o envase. O controle do volume envasado em cada frasco foi realizado através de válvulas solenóides devidamente instaladas. O tempo de atuação das válvulas foi calculado para o volume ideal de envase, assim, foi possível a criação de diversas lógicas com volumes diferentes. Durante o estudo do projeto, verificamos que seria necessária a utilização de um inversor de freqüência para controle da velocidade da esteira, também foi necessário utilizar este inversor, pois o motor que tínhamos em mãos era trifásico, sendo assim não conseguiríamos efetuar os testes. Com estas alterações sabíamos que seria possível a criação da máquina de envase, com maior produção e melhor custo benefício. 25
CAPÍTULO 6 – CONCLUSÕES 6.1 – Conclusões Concluímos que os ajustes realizados durante as discussões foram primordiais para o real sucesso obtido no projeto. A alteração da utilização das camisas para controle com as válvulas solenóides realmente diminuíram os custos previstos. Com o inversor de freqüência, conseguimos realizar o controle da velocidade e posicionamento da esteira. O aumento de envasamento para três bicos conseqüentemente aumentou a perspectiva de produção. No geral o projeto atingiu os objetivos traçados em seu início, que foram: •
Redução de custo
•
Aumento de produção
•
Melhor controle do processo
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