UNIVERSIDADE DO VALE DO TAQUARI
CURSO DE ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
PROJETO E IMPLEMENTAÇÃO DE SISTEMA PARA
GERENCIAMENTO DE UTILIZAÇÃO DE COMPRESSORES DE AR
Diego Alexandre Witt
Lajeado/RS, novembro de 2022
Diego Alexandre Witt
PROJETO E IMPLEMENTAÇÃO DE SISTEMA PARA
GERENCIAMENTO DE UTILIZAÇÃO DE COMPRESSORES DE AR
Monografia apresentada na disciplina de
Trabalho de Conclusão de Curso II, do Curso de
Engenharia de Controle e Automação, da
Universidade do Vale do Taquari - Univates,
como parte da exigência para a obtenção do
título de Bacharel em Engenharia de Controle e
Automação.
Orientador: Prof. Me. Henrique Worm
Lajeado/RS, novembro de 2022
RESUMO
O presente Trabalho de Conclusão de Curso objetivou o projeto e implementação de
um sistema de gerenciamento de utilização de compressores de ar em uma indústria
de beneficiamento de couros bovinos, localizada na cidade de Muçum – RS, visando
reduzir as falhas de abastecimento de ar comprimido para a planta, os erros causados
pela operação manual dos equipamentos e os custos de geração e a manutenção
desta unidade através da otimização do processo. O controle é realizado por um CLP,
com base na leitura de variáveis de pressão, corrente e vazão. Para a interface com
o usuário, o sistema possui uma IHM, permitindo visualização e comando local, além
da implementação do serviço de WebServer disponível no CLP, utilizado na
implementação de telas de supervisão remota, possibilitando a análise dos dados e
dos resultados em interface web, além de armazenar todas as variáveis em banco de
dados na nuvem. Contempla também interligação com aplicativo web e mobile
elaborado utilizando MQTT, Node-RED e EMONCMS. Com base nos resultados
obtidos, conclui-se que o sistema desenvolvido atendeu aos requisitos e atingiu os
objetivos propostos.
Palavras-Chave: Compressor. Ar comprimido. Controlador Lógico Programável. MQTT.
ABSTRACT
The present study aimed to design and implement a management system that utilizes
air compressors in a beneficiation industry of bovine leather situated in the city of
Muçum – RS, aiming to reduce supply failure of compressed air to the plant, equipment
manual operation errors and the costs of generation and maintenance of this unity
through optimization of the process. The control is done by a CLP, based on the
reading of pressure, flow, and current variables. For the user interface, the system has
an IHM, allowing the local visualization and command, as well as the implementation
of the WebServer available in the CLP, utilized in the implementation of screens of
remote supervision, allowing the analysis of data and results in a web interface, as well
as storage of all variables in the cloud database. It also contemplates the
intercommunication of the web and mobile applications made utilizing MQTT, Node-
RED, and EMONCMS. Based on the obtained results, we can conclude that the
developed system attended to the requisites and has achieved the proposed objectives
Keywords: Compressors. Compressed air. Logic Programable Controller. MQTT.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Ar sendo insuflado em um recipiente com válvula de retenção ................ 19
Figura 2 - Etapas de compressão no elemento compressor ..................................... 21
Figura 3 - Diagrama de fluxo do compressor de parafuso isento de óleo ................. 22
Figura 4 - Diagrama de fluxo do compressor de parafuso com injeção de óleo ........ 23
Figura 5 - Recipiente com ar comprimido .................................................................. 24
Figura 6 - Conceitos de pressão ............................................................................... 25
Figura 7 - Manômetro baseado em tubo de Bourdon ................................................ 26
Figura 8 - Tipos de tubo de Bourdon mais usuais na indústria .................................. 27
Figura 9 - Transdutor de pressão .............................................................................. 27
Figura 10 - Transdutor de pressão diferencial ........................................................... 28
Figura 11 - Turbina e roda d’água ............................................................................. 32
Figura 12 - Diagrama de blocos de um medidor de energia elétrica ......................... 34
Figura 13 - Transformador de corrente comum ......................................................... 35
Figura 14 - Construção de um transformador de corrente ........................................ 36
Figura 15 - Atuação do CLP no controle de processos ............................................. 37
Figura 16 - Estrutura interna de um CLP ................................................................... 38
Figura 17 - Elementos básicos da comunicação ....................................................... 40
Figura 18 - Camadas da arquitetura TCP/IP ............................................................. 41
Figura 19 - Endereços no TCP/IP ............................................................................. 42
Figura 20 - Arquitetura de publicação/assinatura do MQTT ...................................... 43
Figura 21 - Utilização do protocolo MQTT ................................................................. 44
Figura 22 - Utilização do broker ................................................................................ 46
Figura 23 - Possibilidades de conexão do Mosquitto ................................................ 46
Figura 24 - Exemplo de fluxo no Node-RED ............................................................. 47
Figura 25 - Tela inicial do Emoncms.org .................................................................. 49
Figura 26 - Tela de login Emoncms ........................................................................... 50
Figura 27 - Compressor Worthington Rollair 125 ...................................................... 52
Figura 28 - Compressor Atlas Copco GA 807 ........................................................... 53
Figura 29 - Compressor Chicago Pneumatic CPVS 125 ........................................... 53
Figura 30 - Protótipo do sistema ............................................................................... 55
Figura 31 - CLP Nexto Xpress XP340 ....................................................................... 56
Figura 32 - Interior do painel elétrico ......................................................................... 57
Figura 33 - Visão frontal do painel ............................................................................. 58
Figura 34 - Transmissor de pressão NP 620 ............................................................. 60
Figura 35 - Instalação mecânica do transmissor de pressão .................................... 60
Figura 36 - Medidor de vazão tipo roda d’água ......................................................... 61
Figura 37 - Sensor de vazão instalado ...................................................................... 62
Figura 38 - Transformador de corrente ..................................................................... 63
Figura 39 - Transformador de corrente - Rollair ........................................................ 64
Figura 40 - Transformador de corrente – Atlas Copco .............................................. 64
Figura 41 - Transformador de corrente - Chicago ..................................................... 65
Figura 42 - Giroflex instalado .................................................................................... 66
Figura 43 - Placa de alerta de segurança.................................................................. 67
Figura 44 - Variáveis da POU “MQTT” ...................................................................... 71
Figura 45 - Fluxograma contendo o comportamento de partida dos compressores .. 72
Figura 46 - Fluxograma contendo o comportamento de parada dos compressores . 73
Figura 47 - Tela “Main” .............................................................................................. 76
Figura 48 - Tela “Principal” ........................................................................................ 77
Figura 49 - Tela “Modo Manual” ................................................................................ 78
Figura 50 - Tela “MANUTENÇÃO” ............................................................................ 79
Figura 51 - Tela “GRÁFICOS” ................................................................................... 80
Figura 52 - Tela “CONFIGURAÇÃO” ........................................................................ 81
Figura 53 - Tela “Principal” da IHM ........................................................................... 82
Figura 54 - Tela “Modo Manual” da IHM.................................................................... 82
Figura 55 - Tela “MANUTENÇÃO” da IHM ................................................................ 83
Figura 56 - Tela “GRÁFICOS” da IHM ...................................................................... 83
Figura 57 - Tela “CONFIGURAÇÃO” da IHM ............................................................ 84
Figura 58 - Tela de login na IHM ............................................................................... 85
Figura 59 - Diagrama com componentes e devidas conexões .................................. 86
Figura 60 - Tráfico de mensagens entre o CLP e o Mosquitto .................................. 87
Figura 61 - Programação no Node-RED ................................................................... 88
Figura 62 - Entradas no Emoncms ............................................................................ 89
Figura 63 - Feeds criados no Emoncms .................................................................... 89
Figura 64 - Painel principal do Emoncms .................................................................. 90
Figura 65 - Painel de histórico de consumo .............................................................. 90
Figura 66 - Tela Rollair .............................................................................................. 92
Figura 67 - Tela AtlasCopco ...................................................................................... 92
Figura 68 - Tela Chicago ........................................................................................... 93
Figura 69 - Tela Pressão ........................................................................................... 93
Figura 70 – Tela Vazão ............................................................................................. 94
Figura 71 - Medição no compressor Rollair ............................................................... 99
Figura 72 - Medição no compressor Atlas Copco .................................................... 100
Figura 73 - Medição no compressor Chicago .......................................................... 100
Figura 74 - Procedimento de Login ......................................................................... 102
Figura 75 - Tela PRINCIPAL ativa em WebServer .................................................. 103
Figura 76 - Tela PRINCIPAL ativa na IHM .............................................................. 104
Figura 77 - Tela MODO MANUAL ativa em WebServer .......................................... 105
Figura 78 - Tela MODO MANUAL ativa na IHM ...................................................... 105
Figura 79 - Tela MANUTENÇÃO ativa em WebServer ........................................... 106
Figura 80 - Tela MANUTENÇÃO ativa na IHM ........................................................ 107
Figura 81 - Tela GRÁFICOS ativa em WebServer .................................................. 108
Figura 82 - Tela GRÁFICOS ativa na IHM .............................................................. 108
Figura 83 - Tela CONFIGURAÇÕES ativa em WebServer ..................................... 109
Figura 84 - Tela CONFIGURAÇÕES ativa na IHM ................................................. 110
Figura 85 - Retomada do sistema após falha de compressor ................................. 111
Figura 86 - Ativação de compressor extra ............................................................... 113
Figura 87 - Horímetros dos compressores .............................................................. 114
LISTA DE GRÁFICOS
Gráfico 1 - Dados sendo recebidos pelo Emoncms .................................................. 96
Gráfico 2 - Compressor Rollair na madrugada .......................................................... 96
Gráfico 3 - Dois compressores durante o dia e compressor errado na noite............. 97
Gráfico 4 - Compressor Rollair em trabalho constante .............................................. 97
Gráfico 5 - Compressores acionados em horários errados ....................................... 98
Gráfico 6 - Diferença de eficiência entre compressores .......................................... 102
Gráfico 7 - Gráfico do acionamento manual dos compressores .............................. 115
Gráfico 8 - Gráfico do controle automático dos compressores ................................ 116
LISTA DE QUADROS
Quadro 1 - Classificação de princípios de medição de vazão ................................... 30
Quadro 2 - Correntes primárias e relações nominais habituais ................................. 36
Quadro 3 - Cabeçalho de mensagens MQTT ............................................................ 44
Quadro 4 - Declaração de variáveis da POU “MQTT Start” ...................................... 70
Quadro 5 - Fatores de multiplicação encontrados para os equipamentos ................ 99
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Resultados do comparativo de geração ................................................. 116
Tabela 2 - Resultado financeiro por período. .......................................................... 117
Tabela 3 - Custos dos materiais utilizados no projeto ............................................. 117
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
API Application Programming Interface
ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica
bar Unidade de pressão e equivale a exatamente 100 000 Pascais (105 Pa)
CLP Controlador Lógico Programável
CNI Conselho Nacional da Indústria
IBM International Business Machines
FTP File Transfer Protocol
HTTP Hypertext Transfer Protocol
Hz Hertz - Unidade de medida de frequência
IoT Internet of Things
IP Internet Protocol
ICMP Internet Control Message Protocol
IHM Interface Homem Máquina
Ith Corrente Térmica ao Ar Livre
JSON Javascript Object Notation
kVA Kilovoltampere
kV Quilovolt
KWh Quilowatt-hora
LAN Local Area Network
M2M Machine to Machine
mA Miliampere
MAN Metropolitan Area Network
MQTT Message Queuing Telemetry Transport
MPa Mega Pascal
m/s Metros por segundo
NPT Nominal Pipe Thread
PDA Personal digital assistants, em português assistente pessoal digital
QoS Quality of Service ou Qualidade de Serviço
RTD Resistance Temperature Detector
S.I. Sistema Internacional
SMTP Simple Mail Transfer Protocol em português Protocolo de Transferência
de Correio Simples
SCADA Supervisory Control and Data Acquisition
TC Transformadores de Corrente
TCP/IP Transport Control Protocol / Internet Protocol
UFRJ Universidade Federal do Rio de Janeiro
VA Volt-Ampere
WAN Wide Area Network
XML Extensible Markup Language
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ....................................................................................................... 14
1.1 Tema ................................................................................................................... 15
1.2 Delimitação do tema.......................................................................................... 16
1.3 Objetivo .............................................................................................................. 16
1.4 Objetivos específicos ........................................................................................ 16
1.5 Justificativa ........................................................................................................ 17
1.6 Estrutura ............................................................................................................ 17
2 REVISÃO TEÓRICA .............................................................................................. 18
2.1 Ar comprimido ................................................................................................... 18
2.2 Compressores de parafuso .............................................................................. 20
2.2.1 Compressores de parafuso isentos de óleo ................................................ 21
2.2.2 Compressores de parafuso com injeção de líquidos .................................. 22
2.2.3 Sistema de controle de compressores ......................................................... 23
2.3 Pressão .............................................................................................................. 24
2.3.1 Medição de pressão ....................................................................................... 26
2.4 Vazão .................................................................................................................. 28
2.4.1 Medições de vazão ......................................................................................... 30
2.4.1.1 Turbinas e rodas-d ’água ............................................................................ 31
2.5 Consumo energético ......................................................................................... 32
2.5.1 Medição de energia elétrica ........................................................................... 33
2.5.1.1 Transformadores de corrente .................................................................... 34
2.6 Controlador lógico programável ...................................................................... 37
2.7 Internet das Coisas (IoT) ................................................................................... 39
2.8 Protocolo TCP/IP ............................................................................................... 40
2.9 Protocolo MQTT ................................................................................................ 42
2.9.1 Broker .............................................................................................................. 45
2.9.2 MQTT com Mosquitto ..................................................................................... 46
2.10 Node-RED ......................................................................................................... 47
2.11 Emoncms ......................................................................................................... 48
3 DESENVOLVIMENTO ........................................................................................... 51
3.1 Situação anterior à implementação ................................................................. 52
3.2 Implementação realizada .................................................................................. 54
3.3 Controlador lógico programável ...................................................................... 55
3.4 Montagem do painel elétrico ............................................................................ 56
3.5 Instalação dos sensores ................................................................................... 59
3.5.1 Transmissor de pressão ................................................................................ 59
3.5.2 Sensor de vazão ............................................................................................. 61
3.5.3 Medição de corrente elétrica ......................................................................... 62
3.6 Adequações de segurança ............................................................................... 65
3.6.1 Instalação do giroflex ..................................................................................... 65
3.6.2 Instalação das placas de orientação ............................................................ 66
3.7 Programação do CLP ........................................................................................ 67
3.7.1 Alarmes ........................................................................................................... 68
3.7.2 Leitura ............................................................................................................. 68
3.7.3 MQTT ............................................................................................................... 69
3.7.4 MQTT Start ...................................................................................................... 70
3.7.5 MQTT Publisher .............................................................................................. 70
3.7.6 Controle ........................................................................................................... 71
3.7.7 Modo Manual .................................................................................................. 73
3.7.8 Manutenção .................................................................................................... 74
3.7.9 Conversão ....................................................................................................... 74
3.7.10 Relógio .......................................................................................................... 74
3.8 Telas de WebServer .......................................................................................... 75
3.8.1 Tela MAIN ........................................................................................................ 76
3.8.2 Tela PRINCIPAL .............................................................................................. 77
3.8.3 Tela MODO MANUAL ...................................................................................... 78
3.8.4 Tela MANUTENÇÃO ....................................................................................... 79
3.8.5 Tela GRÁFICOS .............................................................................................. 79
3.8.6 Tela CONFIGURAÇÃO .................................................................................... 80
3.9 Implementação da IHM ...................................................................................... 81
3.10 Implementação do Emoncms ......................................................................... 85
3.10.1 Aplicação do Mosquitto ............................................................................... 86
3.10.2 Aplicação NodeRED ..................................................................................... 87
3.10.3 Aplicação do Emoncms ............................................................................... 88
3.10.4 Dashboards do Emoncms ........................................................................... 90
3.10.5 Aplicativo Emoncms .................................................................................... 91
4 RESULTADOS ....................................................................................................... 95
4.1 Testes do sistema ............................................................................................. 95
4.1.1 Testes do Emoncms com a leitura das variáveis reais ............................... 95
4.1.2 Erros na utilização dos equipamentos apontados nos testes. .................. 96
4.1.3 Calibração da medição de potência elétrica ................................................ 98
4.1.4 Calibração dos sensores de pressão e vazão ........................................... 101
4.1.5 Testes de funcionamento das telas de WebServer e da IHM ................... 102
4.2 Benefícios da implementação do sistema .................................................... 110
4.2.1 Prevenção de falhas no abastecimento de ar comprimido ...................... 110
4.2.2 Prevenção de falhas no nível de pressão de ar comprimido ................... 112
4.2.3 Eliminação do erro da operação manual/Otimização da mão de obra .... 113
4.2.4 Utilização do compressor mais eficiente ................................................... 113
4.2.5 Maior eficiência na geração de ar comprimido .......................................... 114
4.3 Custo de implementação e payback .............................................................. 117
5 CONCLUSÃO ...................................................................................................... 119
REFERÊNCIAS ....................................................................................................... 121
ANEXOS ................................................................................................................. 126
ANEXO A - Layout do painel elétrico ................................................................... 127
14
1 INTRODUÇÃO
Na indústria, com o passar dos anos e com a concorrência cada vez mais
estreitando a margem de lucro, tornou-se cada vez mais imprescindível se fazer mais
com menos, ou seja, tirar o máximo em cada processo a fim de reduzir desperdícios
e buscar melhor desempenho. Neste cenário, as máquinas e equipamentos são parte
essencial na produção das indústrias e delas sempre se espera retirar o máximo de
potencial.
Nesse contexto, quando se fala na geração de ar comprimido, encontra-se
muitas vezes equipamentos que são responsáveis por uma fatia de consumo de
energia muito considerável, sendo em muitas empresas os equipamentos que mais
consomem eletricidade ou um dos maiores consumidores. Metalplan (2010) ressalta
que, devido a transformação de energia, a energia pneumática pode custar de sete a
dez vezes mais que a eletricidade. Tal aspecto leva as empresas a procurar
alternativas para poder diminuir esse custo de geração de ar comprimido, tendo em
vista que qualquer parcela de diminuição de custo já representa um valor considerável.
Alguns fabricantes de compressores divulgam que o custo de produção em
empresas que utilizam ar comprimido como uma das principais utilidades, ou seja, que
tenham grande quantidade de equipamentos que possuem alta demanda de ar
comprimido, como cabines de pintura por exemplo, pode chegar a 25% do total do
custo de energia. Tendo em vista isso, a contínua busca pela redução desses valores
é sempre desejável (RISCHTER, 2013).
A diminuição de custo de produção de ar comprimido pode passar por várias
abordagens, como a aquisição de equipamentos mais eficientes, controle de
vazamentos indesejáveis dentro das plantas, substituição de equipamentos que
utilizam ar comprimido por outros equipamentos que não o utilizam (airless) e também,
no caso de empresas que possuem mais de um equipamento de geração de ar
comprimido, o gerenciamento da utilização desses compressores.
15
A utilização de tecnologia e de sistemas de controle mais eficientes, como os
que utilizam CLP’s são os mais buscados na indústria, devido a sua confiabilidade,
desempenho e robustez. A busca da implementação desse tipo de tecnologia,
juntamente com a possibilidade de acesso à informação e controle remoto dos
sistemas é sempre bem-vista dentro do ambiente industrial. Com sistemas de ar
comprimido, a possibilidade de automatização com a utilização desse tipo de
implementação também se torna uma das opções mais viáveis.
Este trabalho teve como objetivo o projeto e desenvolvimento de um sistema
automatizado para gerenciamento da utilização de compressores de ar, o qual foi
implementado em uma indústria de beneficiamento de couros bovinos (curtume)
localizada no município de Muçum, no Rio Grande do Sul. Essa indústria conta com
três compressores do tipo parafuso duplo e o controle destes compressores era
realizado de forma manual, acarretando em perdas e altos custos de geração de ar
comprimido, devido a utilização dos equipamentos fora de sua melhor faixa de
rendimento.
O controle é realizado por um CLP Altus Nexto XP340, com base na leitura de
variáveis de pressão, corrente e vazão. Para a interface com o usuário, o sistema
possui uma IHM, permitindo visualização e comando local, além da implementação do
serviço de WebServer disponível no CLP, utilizado na implementação de telas de
supervisão remota, possibilitando a análise dos dados e dos resultados em interface
web, além de armazenar todas as variáveis em banco de dados na nuvem. Por fim, o
sistema conta também com interface web e mobile elaborada utilizando recursos do
protocolo MQTT e das plataformas Node-RED e EMONCMS.
Com base nos resultados obtidos, conclui-se que o sistema desenvolvido
resultou em redução das falhas de abastecimento de ar comprimido para a planta,
bem como dos erros causados pela operação manual dos equipamentos, resultando
na diminuição do custo de geração desta utilidade, otimizando inclusive a manutenção
do sistema, atendendo aos requisitos e os objetivos propostos.
1.1 Tema
Este trabalho tem como tema o estudo e implementação de um sistema de
gerenciamento da utilização de compressores de geração de ar em uma empresa de
16
beneficiamento de couros bovinos (curtume) localizada no município de Muçum, no
Rio Grande do Sul.
1.2 Delimitação do tema
Este projeto delimita-se a implementação de um sistema de gerenciamento da
utilização dos compressores já existentes, ou seja, a partir de leitura de pressão e
vazão do circuito, o sistema irá decidir de forma autônoma qual ou quais compressores
utilizar, tendo em vista o entendimento das melhores faixas de utilização de cada
equipamento.
Também delimita-se a seleção dos dispositivos e equipamentos necessários
para a implementação, assim como a programação da lógica de comando em CLP,
demais periféricos para acesso remoto às informações de desempenho dos
equipamentos e eficiência energética envolvida.
O trabalho não contempla nenhuma modificação nos compressores a não ser
aquelas que dizem respeito a utilização de uma entrada no seu sistema de controle
para que haja a possibilidade de acionamento remoto por meio de um contato fechado.
1.3 Objetivo
O objetivo geral deste trabalho foi a implementação de um sistema
automatizado para gerenciamento da utilização dos compressores de uma empresa.
Tendo em vista que existe mais de um equipamento de geração de ar
comprimido nesta empresa e que se entende que a faixa de utilização de cada
compressor é diretamente ligada ao seu desempenho satisfatório ou não, foi feita uma
análise dessas faixas, objetivando a correta utilização de cada compressor e,
consequentemente, proporcionando redução do custo de geração de ar comprimido.
1.4 Objetivos específicos
Como objetivos específicos deste trabalho, pode-se citar:
● Estudo da geração e utilização do ar comprimido;
● Estudo do funcionamento de compressores de parafuso duplo;
17
● Estudo de tecnologias a serem utilizadas para implementação de um sistema
automático de controle da utilização de compressores;
● Análise das melhores faixas de rendimento dos compressores;
● Estudo da viabilidade de implementação de um sistema de gerenciamento
automatizado da utilização dos compressores;
● Implementação de sistema passível de visualização e controle remoto dos
compressores;
● Redução dos custos de geração de ar comprimido.
1.5 Justificativa
A empresa foco desta implementação, considerando o estreitamento das
margens de lucro, busca sempre que se invista em projetos que visem à diminuição
dos custos operacionais e é nesse sentido que se justifica o trabalho em questão, pois
o mesmo busca a otimização em umas das utilidades mais necessárias nas indústrias.
O alto custo de geração de ar comprimido é um dos fatores impactantes nos
custos gerais das empresas, então a busca contínua de métodos e melhorias que
possibilitem a diminuição desses custos é de suma importância.
Dentro desse contexto, a implementação de um sistema de gerenciamento de
compressores se mostra uma solução de bom desempenho e baixo custo de
implementação, se comparado com a aquisição de equipamentos novos e mais
eficientes, que não teriam uma boa relação de payback.
1.6 Estrutura
O presente trabalho está dividido em capítulos. No Capítulo 1 foi apresentado
a Introdução; no Capítulo 2 é apresentada a Revisão Teórica com o embasamento
necessário para balizar o desenvolvimento do sistema proposto. O Capítulo 3
apresenta a proposta e o desenvolvimento do estudo. O Capítulo 4 apresenta os
Resultados obtidos a partir do desenvolvimento do sistema proposto. Por fim, o
Capítulo 5 apresenta as considerações finais.
18
2 REVISÃO TEÓRICA
Para correta elaboração deste projeto foi necessário o entendimento de alguns
conceitos teóricos. Neste capítulo serão abordados temas pertinentes, visando
embasar o estudo e o desenvolvimento do sistema proposto.
2.1 Ar comprimido
A compreensão dos conceitos relativos ao ar comprimido passa primeiramente
pelo entendimento de sua composição. O principal ingrediente do ar comprimido é de
fato o ar atmosférico. O ar atmosférico é composto por vários gases, sendo que 78%
é nitrogênio, 21% é oxigênio e o outro 1% corresponde a uma mistura de outros gases.
A composição do ar comprimido se dá por diferentes moléculas de ar, sendo que cada
uma conta com uma certa quantidade de energia cinética (ATLASCOPCO, 2010).
Segundo Fialho (2003), quando o ar é exposto a qualquer ambiente, ele
expande-se ocupando totalmente o mesmo. Dessa forma, chega-se à conclusão de
que com a utilização de aparatos mecânicos é possível realizar o inverso, ou seja,
comprimi-lo. Com a utilização de um recipiente adequado e hermeticamente fechado,
equipado com dispositivo que evite a saída desse ar, como uma válvula de retenção,
pode-se insuflá-lo dentro desse recipiente até o nível desejado, obviamente
atendendo os requisitos de segurança, ou seja, a resistência do recipiente.
A Figura 1 apresenta o ar sendo insuflado em um recipiente com válvula de
retenção.
19
Figura 1 - Ar sendo insuflado em um recipiente com válvula de retenção
Fonte: Fialho (2003).
A empresa Atlascopco (2010) descreve o comportamento do ar comprimido em
relação à conservação de energia e também sobre a energia cinética adquirida
durante a compressão, relacionando com a temperatura do fluido:
O ato de comprimir o ar faz com que as moléculas adquiram muita energia
cinética, provocando o aumento da temperatura, que nesse contexto é
chamado de “calor de compressão”. Comprimindo o ar, obrigamos o mesmo
a ficar em um recipiente menor do que aquele onde ele estava e temos como
efeito a aproximação das moléculas, que ficam espremidas umas contra as
outras. Para realizar essa compressão é necessária uma quantidade de
energia, porém essa energia é liberada (com perdas) assim que utilizamos
esse ar comprimido, ou seja, podemos armazenar energia para utilizar em
outro momento (ATLASCOPCO, 2010, texto digital).
Eletrobras/Procel (CNI, 2009) comenta também que o ar comprimido é uma
forma de transporte de energia com muita utilidade e possível de muitas aplicações,
sendo que em muitas vezes até pode ser mais útil que a eletricidade, vapor e outros.
Suas utilidades na indústria são inúmeras, podendo-se citar motores pneumáticos,
máquinas operatrizes, ferramentas manuais, sistemas de comando, de controle e de
regulagem, além de instrumentação e automação. O ar comprimido não oferece risco
de incêndio ou explosão (como a energia elétrica), podendo ser utilizado com mais
segurança em áreas controladas. Também não necessita de qualquer tipo de
isolamento térmico, como os utilizados nos sistemas de refrigeração e de vapor.
O ar comprimido é um bom meio para armazenar e transmitir energia, pois o
mesmo é flexível e versátil. Em comparação a outros meios, como vapor ou baterias,
o ar comprimido apresenta vantagens em termos de economia e até segurança.
Porém, em comparação com a energia elétrica, o mesmo seria uma alternativa não
viável (ATLASCOPCO, 2010).
Fialho (2003) salienta que, além disso, há a questão construtiva dos
equipamentos pneumáticos em relação aos elétricos ou hidráulicos. Por sua
20
simplicidade de construção, por exemplo, em se falando de um cilindro pneumático,
pode-se fazer algo alimentado por eletricidade que substitua, porém a complexidade
desse equipamento com certeza será maior, inviabilizando a sua utilização.
A Eletrobras/Procel (CNI, 2009) aponta algumas desvantagens da utilização do
ar comprimido, dentre os quais a principal é o custo superior, se comparado à energia
elétrica para se produzir um determinado trabalho útil. Ainda assim, em determinadas
situações, como nos casos em que a energia elétrica não é recomendada em virtude
da segurança, ou em atividades em que as demais tecnologias não estejam tão
difundidas, a utilização do ar comprimido é altamente recomendada. Nesse sentido, a
operação eficiente e econômica dos compressores, que são o coração desses
sistemas, é item importantíssimo.
2.2 Compressores de parafuso
Nos casos em que a utilização do ar comprimido é uma alternativa viável, surge
a necessidade do equipamento que faça a compressão desse e é nesse contexto que
será abordado o compressor de ar do tipo parafuso.
O histórico dos compressores provém da década de 1930, a partir da
necessidade de um equipamento que possuísse alta vazão, um fluxo estável e tivesse
a possibilidade de se trabalhar em vários níveis de pressão. Nos compressores de
parafuso, como o próprio nome já diz, os principais componentes são o par de rotores
em forma de parafuso, sendo um deles macho e o outro fêmea. Tais peças giram em
direções opostas e fazem com que o volume do ar vá diminuindo ao ponto de gerar ar
comprimido (ATLASCOPCO, 2010).
Santos (2009) explica que os compressores de parafuso são dotados de uma
carcaça onde giram dois rotores helicoidais em sentidos opostos. Um dos rotores
possui lóbulos convexos e o outro uma depressão côncava e são denominados,
respectivamente, rotor macho e rotor fêmea. A sincronização dos rotores ocorre por
meio de engrenagens (mesmo que existam equipamentos que façam essa
sincronização por contato direto).
O processo de compressão ocorre quando o ar à pressão atmosférica ocupa o
espaço entre os rotores e, conforme estes giram, o volume compreendido entre os
21
mesmos é isolado da admissão. Esse ar começa a decrescer de volume, dando início
à compressão, que prossegue até uma posição tal que a descarga é acionada e o ar
é descarregado continuamente, livre de pulsações na tubulação de descarga.
A Figura 2 ilustra as etapas de compressão no elemento compressor.
Figura 2 - Etapas de compressão no elemento compressor
Fonte: Atlascopco (2015).
Na sua forma construtiva tradicional, os compressores de parafuso não
possuem válvulas ou qualquer outro dispositivo que cause desequilíbrio, ou seja,
podem operar em altas velocidades, aliando grandes vazões de ar comprimido com
pequenas dimensões (ATLASCOPCO, 2010).
Existem alguns tipos de compressores de parafuso. As seções a seguir
apresentam dois exemplos.
2.2.1 Compressores de parafuso isentos de óleo
Compressores de parafuso isentos de óleo são compressores que possuem
perfis de parafusos assimétricos, que resultam em uma eficiência energética
22
aprimorada, por terem pouco vazamento interno. Engrenagens externas de
sincronização garantem que em momento algum os dois rotores se toquem,
possibilitando dessa forma que o equipamento trabalhe sem qualquer tipo de
lubrificação dentro da câmara de compressão (ATLASCOPCO, 2015).
A Figura 3 ilustra o diagrama de fluxo do compressor de parafuso isento de
óleo.
Figura 3 - Diagrama de fluxo do compressor de parafuso isento de óleo
Fonte: Atlascopco (2015).
2.2.2 Compressores de parafuso com injeção de líquidos
Os compressores de parafuso com injeção de líquido, ao contrário dos
compressores que trabalham isentos de líquidos na câmara de compressão,
trabalham com algum fluido, que tem por finalidade lubrificar os rotores e rolamentos,
assim como realizar sua refrigeração e a do próprio ar. O fluido mais utilizado é o óleo,
embora não seja incomum a utilização de outros líquidos (ATLASCOPCO, 2010).
A Figura 4 ilustra o diagrama de fluxo do compressor de parafuso com injeção
de óleo.
23
Figura 4 - Diagrama de fluxo do compressor de parafuso com injeção de óleo
Fonte: Atlascopco (2015).
Por possuir lubrificação, esse tipo de compressor pode ser construído de forma
a atingir maiores pressões que os compressores a seco (ATLASCOPCO, 2010).
2.2.3 Sistema de controle de compressores
Em contextos normais dentro das indústrias, geralmente as demandas de ar
comprimido são bastante variáveis. Tendo esse aspecto em vista, as empresas
necessitam da utilização de sistemas de controle dos compressores, que façam com
que a oferta de ar comprimido acompanhe essa demanda variável com um mínimo de
perturbação na pressão de descarga (SILVA FILHO, 2011).
Segundo Eficiência Energética (CNI, 2009), os controles centralizados de
compressores são sistemas eletrônicos que gerenciam o funcionamento de vários
compressores e devem permitir seu comando, a transmissão e recebimento de dados,
através do controlador central. Esses sistemas de controle centralizado devem ser
capazes de gerenciar o funcionamento dos compressores, além de permitir a
utilização uniforme dos mesmos, garantindo uma utilização e desgastes parecidos
entre todos os compressores, reduzindo os custos de manutenção.
Em sistemas de controle de compressores mais antigos do tipo cascata, é
altamente recomendado que os pressostatos mecânicos sejam substituídos por
sensores de pressão eletrônicos, permitindo operar com menores faixas de ajuste. A
utilização de Controladores Lógicos Programáveis auxilia, pois possibilita a
24
codificação personalizada e inteligente da utilização dos compressores, de forma que
reduza o consumo energético. Outra hipótese altamente recomendada é a utilização
de equipamentos de velocidade variável, pois os mesmos se ajustam às demandas
variáveis (VENTIRINI; CARVALHO; YAMASHITA, 2007).
A seção a seguir trata sobre a pressão que, conforme mencionado, é uma
variável utilizada no controle do compressor.
2.3 Pressão
Bega (2006) define a pressão como a ação de uma força contra uma força
contrária, sendo que a pressão tem a natureza de um empuxo distribuído
uniformemente sobre uma superfície plana no interior de um recipiente
hermeticamente fechado. Define ainda a pressão como a força exercida por uma força
de 1 N, distribuída uniformemente sobre uma superfície plana de 1 m² de área,
perpendicular à direção da força. Pressão é expressa em Pascal, onde (Pa = N/m²).
A Figura 5 ilustra um recipiente com ar comprimido.
Figura 5 - Recipiente com ar comprimido
Fonte: Fialho (2003).
Já, segundo Fialho (2003), pode-se definir a pressão como sendo a força
exercida em função da compressão do ar em um recipiente, por unidade de área
interna deste. Sua unidade no S.I. é dada em N/m² ou Pa (pascal), embora seja
comum ainda a utilização de unidades como atm, bar, kgf/mm², Psi, etc.
25
Conforme a Equação 1, pressão é definida como força por unidade de área:
𝑃𝑟𝑒𝑠𝑠ã𝑜 (𝑃) =
𝐹𝑜𝑟ç𝑎 (𝐹)
Á𝑟𝑒𝑎 (𝐴)
(1)
Fonte: Bega (2006).
Conforme define Bega (2006), comumente, existem duas referências para a
medição de pressão: pressão absoluta e pressão atmosférica. A pressão absoluta é a
pressão que deve ser medida a partir do zero absoluto, ou seja, tendo como referência
o vácuo perfeito.
Já a pressão atmosférica é a pressão exercida pela coluna gasosa da qual é
constituída a atmosfera. Ao nível do mar, com condições de intensidade da gravidade
dentro da normalidade, ou seja, aceleração de 9,80665 m/s² e a 0 °C de temperatura,
esta pressão equivale a 1 atm, ou 760 mm de coluna de mercúrio. A dificuldade da
utilização da atmosfera como referência se dá ao fato de que essa pressão varia em
relação a altitude e também é relativa às condições ambientais do local (BEGA, 2006).
Existe ainda o conceito de pressão diferencial que Aguirre (2013) define como
a diferença entre duas pressões quaisquer. Já se for referenciada, a pressão absoluta
em relação à pressão atmosférica local é denominada pressão manométrica, do inglês
gauge pressure. Na Figura 6 são ilustrados esses conceitos.
Figura 6 - Conceitos de pressão
Fonte: Aguirre (2013).
26
2.3.1 Medição de pressão
No mercado, existem diversos dispositivos capazes de medir pressão. Dentre
os mais conhecidos estão os manômetros, que são dispositivos capazes de indicar a
pressão diferencial.
Dentre os manômetros mais conhecidos estão os baseados em tubos Bourdon.
Bega (2006) explica que os tubos Bourdon habitualmente são construídos a partir de
um tubo com seção oval, disposto na forma de arco de circunferência, onde uma das
extremidades é conectada diretamente ao processo em que se quer medir pressão e
a outra extremidade é tamponada e conectada ao dispositivo de
indicação/transmissão ou controle do instrumento.
A pressão faz com que haja movimento na extremidade fechada do tubo de
Bourdon e esse movimento é transferido através de engrenagens a um ponteiro ou
outro mecanismo que irá indicar ou transmitir a medida de pressão. A Figura 7
apresenta um manômetro baseado em tubo de Bourdon.
Figura 7 - Manômetro baseado em tubo de Bourdon
Fonte: Tecno Ferramentas (2022).
Na indústria, a utilização dos manômetros é amplamente difundida e ainda
existe uma vasta gama de fluidos nos quais a utilização dos manômetros é adequada,
em diversas máquinas e equipamentos. Existem ainda manômetros que servem para
calibrar outros manômetros, sendo que estes têm o nome de manômetros de teste
(INSTRUTEMP, 2022).
27
A Figura 8 apresenta os principais tipos de tubo de Bourdon mais usuais na
indústria.
Figura 8 - Tipos de tubo de Bourdon mais usuais na indústria
Fonte: Fialho (2010).
A importância da utilização de medidores de pressão se dá devido ao fato de
os mesmos ajudarem na monitoração de variáveis de processo, auxiliando para que
se tenha um produto de qualidade. Outro aspecto bastante importante é o fato de que
a pressão em excesso é altamente perigosa e nesse sentido de segurança os
manômetros são muito úteis, pois possibilitam a leitura instantânea de pressão,
podendo assim evitar acidentes.
Outro instrumento amplamente utilizado, especialmente na indústria, é o
transdutor de pressão absoluta. Esse instrumento é um dispositivo eletrônico que
transforma uma variável física (pressão) em um sinal elétrico (corrente ou tensão),
adquirido pelos vários equipamentos de controle, medição e indicação (FIALHO,
2010). Esse instrumento possui apenas uma tomada de pressão. A Figura 9 ilustra
um transdutor de pressão.
Figura 9 - Transdutor de pressão
Fonte: Gefran (2022).
28
Assim como o transdutor de pressão, também existe o transdutor de pressão
diferencial, que difere basicamente por possuir duas tomadas de pressão, fazendo a
leitura da diferença das pressões entre as duas tomadas (AGUIRRE, 2013). A Figura
10 ilustra um transdutor de pressão diferencial.
Figura 10 - Transdutor de pressão diferencial
Fonte: Aguirre (2013).
Tanto o transdutor de pressão, como o transdutor de pressão diferencial
funcionam através de um elemento sensível, que pode utilizar tecnologia filme
espesso em aço, extensiométrica ou piezorresistivo de silício. Quando o transdutor é
submetido a uma carga de pressão, o diafragma sofre uma deflexão, gerando
variações nas resistências implantadas, de acordo com o efeito piezoresistivo. Esse
elemento absorve o sinal e a parte eletrônica (placa eletrônica) o converte em um
padrão elétrico através da utilização de uma ponte de Wheatstone (FIALHO, 2010).
2.4 Vazão
Segundo Aguirre (2013), a vazão é a terceira grandeza mais medida nos
processos industriais. A medição de vazão pode ter as mais diversas aplicações, indo
de casos simples, como a medição de vazão de água em estações de tratamento e
residências, passando por medições mais complexas, como a medição de gases
industriais e combustíveis.
Para Bega (2006), a vazão é a quantidade de fluido que passa pela seção reta
de um duto, por unidade de tempo, sendo que esse fluido pode ser líquido, gás ou
vapor. A maioria dos instrumentos de vazão é prevista para a medição de fluidos
29
homogêneos, numa única fase, porém existem instrumentos para medir vazão de
fluidos em fases múltiplas, sob forma de suspensões coloidais, de pastas ou de
geleias.
Para o entendimento dos sistemas para medição de vazão, é de suma
importância observar que o perfil de velocidades dentro da tubulação é um aspecto
que pode influenciar muito no resultado. O perfil de velocidade é consequência do
regime de escoamento, que o matemático irlandês Osborne Reynolds (1842–1912)
conseguiu quantificar em termos de um número, que atualmente é conhecido como o
número de Reynolds, conforme a Equação 2 (AGUIRRE, 2013):
𝑅𝑒𝐷 =
ρVD
μ
=
𝑉𝐷
𝑣
(2)
Onde:
V é a velocidade do fluxo,
D é uma dimensão linear característica (comprimento percorrido do fluido
diâmetro hidráulico etc.),
ρ é a densidade do fluido (kg / m³),
μ é a viscosidade dinâmica (Pa.s),
ν é a viscosidade cinemática ( m 2 / s); ν = μ / ρ.
A vazão pode ser medida em volume (vazão volúmica) ou em massa (vazão
mássica). A vazão mássica é dada em kg/h (unidades de massa por tempo). A vazão
volúmica é medida em m³/h (unidades de volume por tempo). Em se falando de vazão
volúmica, especialmente nos casos de fluidos compressíveis, ainda é necessário
especificar se o volume é referido às condições de temperatura e pressão de
operação, ou se é convertido às condições de referência (BEGA, 2006).
30
2.4.1 Medições de vazão
Aguirre (2013) salienta que a correta escolha de um determinado instrumento
para medição de vazão depende de vários fatores, dentre os quais se destacam os
citados a seguir:
a) Exatidão desejada para a medição;
b) Tipo de fluido: líquido ou gás, limpo ou sujo, número de fases;
c) Condutividade elétrica, transparência etc.;
d) Condições termodinâmicas: por exemplo, níveis de pressão e temperatura
nos quais o medidor deve atuar;
e) Espaço físico disponível;
f) Custo.
O Quadro 1 apresenta a classificação de princípios de medição de vazão.
Quadro 1 - Classificação de princípios de medição de vazão
Fonte: Bega (2006).
Os princípios de medição da tabela são compatíveis com:
● T - para líquidos, gases e vapor;
● G - para medição de gases, exclusivamente;
● L - para medição de líquidos, exclusivamente;
31
● LC - para medição de líquidos condutores de eletricidade, exclusivamente;
● A - indica que não é usado para vapores, salvo exceção;
● E - líquidos com sólidos em suspensão
2.4.1.1 Turbinas e rodas-d ’água
Aguirre (2013) relata que a ideia de usar uma turbina em alinhamento com o
fluxo com a finalidade de medir a vazão é antiga. No ano de 1790, o engenheiro
alemão Reinhard Woltmann inventou um molinete hidráulico que servia para realizar
a medição de vazão.
Nos medidores de turbina, as pás giram a uma velocidade angular que depende
da velocidade de escoamento, possibilitando assim a medição de vazão. A detecção
da velocidade da turbina é realizada através de detecção magnética ou óptica,
gerando assim um sinal de tensão na saída a cada passagem de cada pá da turbina.
Uma das vantagens das turbinas na medição de vazão é que geralmente estão
sujeitas a todo o perfil de velocidades de escoamento, porém possuem muita perda
de carga (não indicada para grandes aplicações).
Segundo Delmée (2003), existem turbinas para tubulações entre 1/4 a 30
polegadas, sendo que suas faixas de medição estão entre 0,2 l/h e 10.000 m3 /h. Os
medidores de turbina possuem uma boa exatidão, chegando a 0,25% do valor
instantâneo e sua escala de medição varia numa proporção típica de 20:1.
Os medidores de rodas-d‘água utilizam um pequeno rotor, que gira à
velocidade do fluido no local onde está instalado. O modo de detecção da velocidade
da roda-d’água se assemelha ao utilizado nas turbinas. Uma das maneiras mais
comuns de fazer a detecção é fixar pequenos ímãs na extremidade das pás e colocar
uma chave de efeito Hall como capturador.
A Figura 11 ilustra um medidor de turbina (a) e um medidor de roda d’água (b).
32
Figura 11 - Turbina e roda d’água
Fonte: Aguirre (2013).
2.5 Consumo energético
Não é de hoje que a energia elétrica representa um dos principais custos para
estabelecimentos comerciais e indústrias de diversos ramos. É de conhecimento de
todos, que para uma empresa se manter competitiva, os custos com energia elétrica
precisam ser controlados com intuito de redução de consumo (WAY2, 2019).
Segundo Martins (2008), os aspectos econômicos envolvidos na atividade de
racionalização do uso de energia elétrica levam também em conta a valorização da
imagem e da visão estratégica da empresa. Atualmente, o mercado está cada vez
mais orientado a dar preferência aos produtos de empresas comprometidas com
ações de proteção ao meio ambiente.
O monitoramento do consumo de energia elétrica é almejado por empresas de
diversos segmentos, pois as mesmas buscam promover ações de eficiência,
quantificar custos de produção e promover operações sustentáveis, a fim de garantir
a competitividade no mercado (WAY2, 2019).
Conforme SMI (2022), dentre as utilidades do monitoramento do consumo de
energia elétrica, destacam-se:
a) Informações sobre o consumo de energia do local, por área e tempo,
identificando picos de consumo elétrico;
33
b) Controle e previsão desse consumo e dados sobre os níveis de eficiência
energética, ou seja, uso consciente;
c) Dispersão da energia, causadora de desperdícios, entre outros fatores.
Em 2009, a CNI/ELETROBRÁS divulgou o resultado de um diagnóstico
detalhado das principais oportunidades e prioridades para o desenvolvimento do
mercado de eficiência energética industrial, envolvendo diversos setores da indústria.
A análise das soluções técnicas escolhidas para os projetos analisados aponta
predominância de projetos para economia de eletricidade, sendo que 19% das ações
envolvem troca de motores, 20% envolvem melhorias em sistemas de iluminação e
8% envolvem melhorias em sistemas de ar comprimido (COMPRESSORES, 2009).
2.5.1 Medição de energia elétrica
A Resolução Normativa ANEEL 414 de 2010 define como medição o processo
realizado por equipamento que possibilite a quantificação e o registro de grandezas
elétricas associadas à geração ou consumo de energia elétrica, assim como à
potência ativa ou reativa (ANEEL, 2010).
A medição de energia pode ser feita de duas maneiras: direta ou indiretamente.
Na primeira, o medidor é conectado diretamente ao circuito e é recomendada para
instalações que se utilizam de baixas correntes e tensões. Já a medição indireta é
normalmente realizada por meio de transformadores de corrente e/ou de potencial
com relações de transformação conhecidas (LINHARES, 2015).
A Figura 12 ilustra o diagrama de blocos de um medidor de energia elétrica.
34
Figura 12 - Diagrama de blocos de um medidor de energia elétrica
Fonte: Silveira (2018).
Para o entendimento do processo de medição de energia elétrica, é importante
conhecer alguns conceitos, conforme define Martins (2008):
a) Energia ativa: É a energia capaz de produzir trabalho. A unidade de medida
usada é o Quilowatt-hora (kWh);
b) Energia reativa: É a energia solicitada por alguns equipamentos elétricos,
necessária à manutenção dos fluxos magnéticos e campos eletrostáticos e que
não produz trabalho. A unidade de medida usada é o quilovar hora (kVArh);
c) Energia aparente: É a energia resultante da média quadrática, das energias
ativa e reativa. É aquela que a concessionária realmente fornece ao
consumidor (kVA);
d) Potência: É a quantidade de energia solicitada na unidade de tempo. A unidade
usada é o quilowatt (kW).
2.5.1.1 Transformadores de corrente
Para a medição indireta de corrente elétrica, a prática mais usual é a utilização
de transformadores de corrente, também conhecidos como TC’s. Esse tipo de
equipamento abre a possibilidade de medição de altas correntes sem que seja
necessária a ligação direta dos instrumentos de medição no circuito. Por essa
característica, são amplamente utilizados em medidores de energia elétrica e também
em circuitos de proteção (SILVEIRA, 2022).
A Figura 13 ilustra um transformador de corrente comum.
35
Figura 13 - Transformador de corrente comum
Fonte: Silveira (2018)
Para os autores Vieira e Varela (2022), os transformadores de corrente são
instrumentos que permitem a outros equipamentos, como os que realizam medição
ou proteção, funcionarem de forma satisfatória sem que os mesmos tenham que ter
capacidade para as correntes nominais dos circuitos de potência em que estão
conectados. Basicamente, esses instrumentos possuem um enrolamento primário e
outro enrolamento secundário, sendo que geralmente o primário tem poucas espiras
e o secundário, o qual possibilita a corrente desejada, irá possuir mais espiras.
Devido a essa transformação de corrente que acontece nos TC’s, os
instrumentos de medição e proteção podem ter circuitos mais compactos, utilizando
bobinas de corrente feitas com baixa quantidade de cobre.
Os autores ainda afirmam que os transformadores de corrente funcionam
através do fenômeno de conversão eletromagnética, transformando correntes
elevadas que circulam no primário em baixas correntes elétricas em seu secundário,
atendendo a uma relação lógica de transformação. A corrente alternada que circula
no primário induz forças eletromotrizes Ep e Es, respectivamente, nos enrolamentos
primário e secundário.
A Figura 14 ilustra a construção de um transformador de corrente.
36
Figura 14 - Construção de um transformador de corrente
Fonte: Silveira (2018).
Existem diversas relações de transformação para TC’s, sendo que geralmente
o padrão de corrente do secundário é 5 ampères, que é a corrente nominal de leitura
da maioria dos instrumentos de medição e proteção.
O Quadro 2 mostra as correntes primárias e relações nominais habituais.
Quadro 2 - Correntes primárias e relações nominais habituais
Fonte Vieira e Varela (2022).
Assim como qualquer transformador, um transformador de corrente obedece a
equação de transformação similar ao que ocorre no transformador de tensão de
enrolamento duplo, sendo essa relação de voltas descrita na Equação 3:
𝑇. 𝑅. = 𝑛 =
𝑁𝑝
𝑁𝑠
=
𝐼𝑆
𝐼𝑃
(3)
Fonte: Silveira (2018).
37
Onde:
T.R. = n = Relação de transformação;
NP = Número de espiras no primário;
NS = Número de espiras no secundário;
IS = Corrente no secundário;
IP = Corrente no primário.
2.6 Controlador lógico programável
Os Controladores Lógico Programáveis consistem em sistemas
microprocessados que executam funções de controle através de programas
concebidos pelo usuário. As funções executadas pelos CLP’s geralmente estão
associadas a sequências de operações discretas ou contínuas, que compõem a
produção industrial. Com isso, pode-se concluir que o CLP é um dispositivo projetado
para comandar e monitorar equipamentos e processos industriais (PRUDENTE,
2011).
A Figura 15 ilustra a atuação do CLP no controle de processos.
Figura 15 - Atuação do CLP no controle de processos
Fonte: Roggia e Fuentes (2016).
38
Na visão de Zancan (2011), um Controlador Lógico Programável é um
dispositivo microprocessado, constituído por um microprocessador ou um
microcontrolador, um programa monitor, uma memória de programa, uma memória de
dados, uma ou mais interfaces de entrada, uma ou mais interfaces de saída e circuitos
auxiliares. A Figura 16 mostra a estrutura interna de um CLP.
Figura 16 - Estrutura interna de um CLP
Fonte: Roggia e Fuentes (2016).
Georgini (2007) relata do que se trata um Controlador Lógico Programável e
um pouco da história do mesmo:
O Controlador Lógico Programável, ou simplesmente PLC (Programmable
Logic Controller), pode ser definido como um dispositivo de estado sólido, um
computador industrial, capaz de armazenar instruções para implementação
de funções de controle (sequência lógica, temporização e contagem, por
exemplo), além de realizar operações lógicas e aritméticas, manipulação de
dados e comunicação em rede, sendo utilizado no controle de Sistemas
Automatizados (GEORGINI, 2007, p. 48).
Roggia e Fuentes (2016) ressaltam algumas vantagens dos CLP’s em relação
aos painéis com relés:
a) Utilização de menos espaço;
b) Menor consumo de energia;
c) Maior confiabilidade e flexibilidade;
d) Fácil programação/reprogramação;
e) Reutilização para outros processos;
f) Maior rapidez na elaboração dos projetos;
39
g) Capacidade de comunicação com outros dispositivos.
O CLP pode possuir entradas digitais e analógicas, sendo que as digitais
possuem apenas dois estados possíveis, sendo ligado ou desligado. Já as entradas
analógicas podem admitir qualquer valor entre 0 e 100% da intensidade do sinal. As
saídas do CLP, da mesma forma, podem ser digitais e analógicas, sendo que as
digitais podem ser a relé, quando maior a carga e a transistor, quando maior a
frequência, sempre admitindo os estados 0 ou 1. Já as saídas analógicas variam sua
intensidade, ou seja, também podem ter valores de 0 a 100% (ROGGIA; FUENTES,
2016).
2.7 Internet das Coisas (IoT)
A Internet das Coisas (IoT) se trata de um paradigma que está rapidamente
ganhando espaço no cenário das tecnologias de comunicações. A ideia básica deste
conceito é a presença dominante em torno de nós de uma variedade de coisas ou
objetos - como tags, sensores, atuadores, telefones celulares e outros dispositivos,
dos quais, através de esquemas de endereçamento únicos, são capazes de interagir
uns com os outros dispositivos e cooperar com seus vizinhos para alcançar objetivos
comuns (ATZORI; IERA; MORABITO, 2010).
Segundo Sacomano (2018), o desenvolvimento da tecnologia de redes wireless
possibilitou que dispositivos móveis, como PDA, celulares, tablets e outros pudessem
ser interligados à internet, ampliando o campo de atuação e a importância da internet
na vida das pessoas. Entretanto, a rede que foi inicialmente criada para conectar
humanos a partir de diferentes aplicações, passou também a integrar coisas.
O termo Internet das Coisas vem do inglês Internet of Things, que por sua vez
adotou o termo abreviado ‘IoT’ e consiste em conectar dispositivos de uso normal,
como máquinas, veículos, eletrodomésticos ou qualquer outro equipamento à internet,
possibilitando assim algum tipo de interação, seja com computadores, smartphones,
tablets, entre outros. O conceito de Internet das Coisas foi inicialmente utilizado pelo
empresário britânico Kevin Ashton em 1999.
Kevin Ashton descreveu um sistema no qual o mundo material se comunicaria
com computadores por meio da troca de dados com sensores omnipresentes. A Figura
17 apresenta os elementos básicos da comunicação de um sistema IoT.
40
Figura 17 - Elementos básicos da comunicação
Fonte: Sacomano (2018).
Praticamente uma década depois de Kevin Ashton formular sua ideia, na virada
de 2008 para 2009, o número de dispositivos conectados à rede excedeu o número
de habitantes do nosso planeta. Para muitos, esse foi o momento em que nasceu a
Internet das Coisas.
A Internet das Coisas consiste em um mundo onde bilhões de objetos podem
se comunicar e compartilhar informações, tudo interconectado através de redes IP
públicas ou privadas. O objetivo dessas interconexões é coletar, analisar e usar os
dados para fornecer riqueza de dados para análise, planejamento, gerenciamento e
tomada de decisões (IMDA, 2017).
2.8 Protocolo TCP/IP
Em um contexto em que existem diversos tipos de usuários e diversos tipos de
aplicações, também devem existir tecnologias de redes adequadas a cada tipo de
perfil. Agora, quando é necessária a interconexão entre várias topologias diferentes,
se torna necessário um protocolo comum que, independentemente da tecnologia de
rede utilizada, permita a comunicação de forma transparente. O protocolo TCP/IP
(Transport Control Protocol / Internet Protocol) vem suprir esta necessidade dando
total transparência aos usuários finais das várias tecnologias de rede empregadas
pelas LANs, MANs e WANs, mascarando todos os detalhes da tecnologia de hardware
utilizada para esse fim (BRANDINO,1998).
41
Segundo Glêdson e Lobato (2013), o protocolo TCP/IP permite a interconexão
de diferentes tipos de computadores, independente de fabricante, equipados com os
mais diferentes hardwares, executando múltiplos sistemas operacionais e usando
diferentes tecnologias de acesso.
Em uma inter-rede que utiliza o protocolo TCP/IP, duas ou mais redes físicas
devem ser interconectadas por um roteador, cuja função é encaminhar pacotes de
uma rede para outra. Os roteadores são responsáveis por rotear corretamente os
pacotes e, para isso, precisam conhecer a topologia da inter-rede e não apenas as
redes físicas às quais estão diretamente conectados. Para garantir esse processo, os
roteadores precisam manter informações de roteamento de todas as redes que fazem
parte da inter-rede (GLÊDSON; LOBATO, 2013).
A arquitetura TCP/IP é organizada em quatro camadas: Aplicação, Transporte,
Rede e Interface de Rede (Rede Física). A Figura 18 demonstra as camadas do
protocolo TCP/IP.
Figura 18 - Camadas da arquitetura TCP/IP
Fonte: Glêdson e Lobato (2013).
Brandino (1998) salienta que quando dois dispositivos pretendem se comunicar
utilizando o protocolo TCP/IP, cada um deles precisa ter um endereço IP diferente,
devido ao fato de que é através do IP que é possível identificar um determinado
usuário na rede. Adotando a possibilidade de que as redes não são formadas por
apenas dois dispositivos, o endereço IP foi criado como um conjunto de 32 bits para
ser utilizado por todas as aplicações que utilizem o protocolo TCP/IP. Seu valor pode
variar de 0.0.0.0 à 255.255.255.255 (até a versão 4 do protocolo).
42
Quanto ao endereçamento, três níveis de endereços diferentes são usados em
uma Internet que utiliza os protocolos TCP/IP: endereço físico (link), endereço lógico
(IP) e endereço de porta. A Figura 19 ilustra os endereços no TCP/IP.
Figura 19 - Endereços no TCP/IP
Fonte: Forouzan e Fegan (2010).
Forouzan e Fegan (2010) descrevem os endereços do protocolo TCP/IP:
O endereço físico (endereço de link), é composto por um nó, que é definido por
sua rede, local ou remota. Ele também é incluído no frame usado pela camada
de enlace de dados.
Os endereços lógicos têm sua utilidade para serviços de comunicação
universais que dependem das redes físicas subjacentes, porém não são
adequados a ambientes de interconexão em rede, em que diferentes redes
podem ter diferentes formatos de endereço.
O endereço de porta serve para que diferentes processos ocorram
simultaneamente, através de uma rotulagem desses processos e atribuição de
endereços aos mesmos. No TCP/IP, um endereço de porta tem 16 bits de
tamanho.
2.9 Protocolo MQTT
O protocolo MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) foi criado nos anos
90 pela IBM, que viu a necessidade de conceber um protocolo simples e leve que
conseguisse comunicar várias máquinas entre si, tendo em vista que a comunicação
43
ocorreria utilizando microcontroladores para a obtenção de dados e que deveria ter
uma taxa de transmissão leve para a comunicação entre as máquinas e os sensores
(MQTT, 2019).
O MQTT é um protocolo de mensagens para a Internet das Coisas (IoT). Foi
concebido como um meio que pudesse trafegar mensagens de publicação/assinatura
de dispositivos. Por ser extremamente leve, é ideal para conectar dispositivos remotos
com um pequeno espaço de código e largura de banda de rede mínima. O protocolo
MQTT é utilizado amplamente pela indústria, tais como a de matérias-primas,
automotiva, manufatura, petróleo e gás (MQTT, 2022). A Figura 20 mostra a
arquitetura de publicação/assinatura do MQTT.
Figura 20 - Arquitetura de publicação/assinatura do MQTT
Fonte: MQTT (2019).
A estrutura básica do protocolo MQTT define dois tipos de entidades que atuam
na rede, conforme Yuan (2021) descreve:
O protocolo MQTT define dois tipos de entidades na rede: um intermediário
de mensagens e vários clientes. O broker é um servidor que recebe todas as
mensagens dos clientes e, em seguida, roteia essas mensagens para os
clientes de destino relevantes. Um cliente é qualquer coisa que possa
interagir com o broker para enviar e receber mensagens. Um cliente pode ser
um sensor de IoT em campo ou um aplicativo em um data center que
processa dados de IoT (YUAN, 2021, texto digital).
Segundo o Grupo de teleinformática e automação - UFRJ (MQTT, 2019), por
outro lado, o MQTT é um protocolo de comunicação máquina para máquina (M2M -
Machine to Machine) que transita dados em cima do protocolo TCP/IP e é altamente
voltado à Internet das Coisas (IoT). O protocolo MQTT utiliza comunicação entre
cliente e servidor, em que o servidor pode realizar “postagens” e “captação” (Publish-
44
Subscribe) de informação e o cliente administra os dados recebidos e enviados. O
Quadro 3 apresenta o cabeçalho de mensagens MQTT.
Quadro 3 - Cabeçalho de mensagens MQTT
Fonte: Martin e Zem (2015).
Segundo Yuan(2021), as mensagens transmitidas por MQTT são organizadas
por tópicos, sendo que o desenvolvedor do aplicativo tem a flexibilidade de especificar
que determinados clientes podem interagir apenas com determinadas mensagens.
Um exemplo seria um conjunto de sensores que publicarão suas leituras no tópico
“sensor_data” e se inscreverão no tópico “config_change”. Enquanto isso, os
aplicativos de processamento de dados se inscreverão no tópico “sensor_data”. Já o
administrador do sistema pode ajustar a configuração dos sensores e publicar essas
alterações no tópico “config_change”.
A Figura 21 ilustra a utilização do protocolo MQTT.
Figura 21 - Utilização do protocolo MQTT
Fonte: Metaltex (2022).
45
MQTT (2019) salienta que o protocolo MQTT é uma forma de comunicação
ideal para aplicações onde minimizar a largura de banda é algo importante. O
protocolo MQTT permite um desacoplamento entre os elementos comunicantes, nas
dimensões espacial (publisher e subscriber não precisam se conhecer), temporal (não
é necessário que publisher e subscriber estejam em execução simultaneamente) e de
sincronização (durante publicações e recebimentos de mensagens, as operações em
ambos os elementos não sofrem interrupção). Esses aspectos citados permitem a
operação desse protocolo em redes com dificuldades na questão de largura de banda.
Um dos principais componentes do protocolo MQTT é o broker, responsável
por receber e direcionar as mensagens publicadas. Quando houver uma nova
publicação em algum tópico, o broker direciona a mesma para os clientes inscritos
neste tópico. O tópico seguinte descreve as características do broker.
2.9.1 Broker
O protocolo MQTT funciona em um modelo de publicação/inscrição e utiliza um
programa servidor denominado de broker cuja função é permitir a criação de listas do
tipo árvore de diretórios para a organização e distribuição das mensagens. O broker
centraliza as mensagens recebidas e as envia somente para os inscritos nas
respectivas listas. Os clientes MQTT podem desempenhar dois papéis distintos:
Publisher (produtor) que são os clientes que publicam as mensagens em uma ou mais
listas; e Subscriber (consumidor) que se inscreve em uma ou mais listas e aguarda a
publicação de mensagens. Esses são papéis distintos, porém podem ser
desempenhados pelo mesmo dispositivo (PEREIRA, 2018).
Segundo o Grupo de Teleinformática e Automação - UFRJ (MQTT, 2019), o
broker é o servidor intermediário da informação, ou seja, é ele que recebe os dados
enviados pelos dispositivos e é nele onde esses dados são tratados e passados
adiante, havendo a possibilidade de existir mais de um broker em um sistema, os quais
irão compartilhar os dados recebidos entre si, baseado nos clientes que possuem e
nos dados requisitados por eles.
Já os Clientes podem realizar Postagem "publish" e Recebimento "subscriber",
sendo que esse cliente pode atuar nas postagens, nos recebimentos ou em ambos ao
mesmo tempo. Porém, independente de qual caso ele escolha, sempre será
46
necessária a presença de um broker para realizar a intermediação dos dados entre
todos os clientes (ENGPROCESS, 2018). A Figura 22 ilustra a utilização do broker.
Figura 22 - Utilização do broker
Fonte: Cap Sistema (2020).
2.9.2 MQTT com Mosquitto
Segundo Eclipse Mosquitto (2022), o Mosquitto é um agente de mensagens de
software livre que implementa o protocolo MQTT, sendo que o Mosquitto é leve e
adequado para uso em todos os dispositivos, desde computadores de placa única de
baixa potência, até servidores completos. A Figura 23 ilustra a capacidade de
interfaceamento do Mosquitto com os mais diversos dispositivos.
Figura 23 - Possibilidades de conexão do Mosquitto
Fonte: Everything Smart Home (2022).
47
O Mosquitto não seria nada mais do que um dos componentes do protocolo
MQTT. O Mosquitto é um broker, ou seja, um intermediário entre máquinas e os
protocolos e ele é utilizado no MQTT para fazer com que os dispositivos possam
conversar entre si e agir de maneira automatizada (ENGPROCESS, 2018).
O Mosquitto se destaca por possuir código aberto, está disponível para
download para qualquer pessoa e é bastante simples de ser utilizado em diversas
aplicações, especialmente naquelas que envolvem Internet das Coisas
(MOSQUITTO, 2022).
2.10 Node-RED
Node-RED é uma ferramenta de programação para conectar dispositivos de
hardware, aplicativos e serviços online de maneiras novas. Ele possui um editor
baseado em navegador que auxilia e proporciona de maneira fácil a conexão baseada
em fluxos com programação visual, usando a ampla variedade de nós que podem ser
implantados em seu tempo de execução com um único clique (Node-Red). A Figura
24 ilustra um exemplo de fluxo no Node-RED, utilizando vários nós.
Figura 24 - Exemplo de fluxo no Node-RED
Fonte: Node-Red (2022).
Seu editor de fluxo baseado em navegador pode ser usado para criar funções
Javascript e elementos de aplicativos podem ser salvos ou compartilhados para
48
reutilização. Os fluxos criados são armazenados usando JSON e o tempo de
execução é construído em Node.js (NODE-RED, 2022).
Gonçalves (2012) esclarece o termo JSON:
JSON (Javascript Object Notation) é um modelo para armazenamento e
transmissão de informações no formato texto. Apesar de muito simples, tem
sido bastante utilizado por aplicações Web devido a sua capacidade de
estruturar informações de uma forma bem mais compacta do que a
conseguida pelo modelo XML, tornando mais rápido o parsing dessas
informações. Isto explica o fato de o JSON ter sido adotado por empresas
como Google e Yahoo, cujas aplicações precisam transmitir grandes volumes
de dados (GONÇALVES, 2012, texto digital).
Já o Node.js pode ser definido como um ambiente de execução Javascript
assíncrono orientado a eventos, sendo projetado para desenvolvimento de aplicações
escaláveis em rede, não dependendo de um browser para a execução, como
comumente acontece (NODE-RED, 2022).
Segundo Node-Red, as funções Javascript podem ser criadas usando um editor
de rich text. Além disso, a ferramenta possui uma biblioteca integrada que permite ao
usuário salvar suas funções, modelos ou fluxos já desenvolvidos e utilizar conforme a
necessidade de seus projetos.
Originalmente, o Node-Red foi desenvolvido pela IBM, porém em 2016 ele
passou a fazer parte do projeto “JS Foundation” e tornou seu código aberto.
2.11 Emoncms
Emoncms é um aplicativo da web de código aberto para processamento,
registro e visualização de energia, temperatura e outros dados ambientais (Emoncms,
2022). A Figura 25 mostra a tela inicial do Emoncms.org.
https://en.wikipedia.org/wiki/IBM
49
Figura 25 - Tela inicial do Emoncms.org
Fonte: Emoncms (2022).
O Emoncms é uma plataforma voltada a Internet das Coisas (IoT), que
possibilita o armazenamento em banco de dados na nuvem de diversas variáveis,
como temperatura, energia, pressão e também volume ou vazão. Sua interface
possibilita gerar gráficos e dashboards que permitem visualizar a grandeza medida
em tempo real ou fazer consultas ao longo do tempo através do seu histórico.
O Emoncms pode ser utilizado tanto de maneira local, através de download e
instalação em um servidor local ou também enviar os dados para um servidor remoto
(serviço na nuvem) não sendo necessário montar um servidor local. Tanto para
instalação local, como na nuvem, a primeira etapa é a criação de uma conta para
acesso à plataforma.
A grande diferença entre utilizar o serviço local ou na nuvem é o fato de o
acesso a nuvem poder ser realizado de qualquer local ou equipamento, inclusive o
Emoncms também disponibiliza um app (aplicativo) que pode ser instalado em
qualquer dispositivo móvel (FRANCISCO, 2019). A Figura 26 ilustra a tela de login do
Emoncms.
50
Figura 26 - Tela de login Emoncms
Fonte: Emoncms (2022).
A utilização desse tipo de ferramenta permite o acesso às informações
desejadas em qualquer lugar do mundo através da Internet, facilitando assim o
gerenciamento dos dados e validando a tomada de decisões independente de se estar
ou não no lugar onde estão sendo feitas as medidas das grandezas.
51
3 DESENVOLVIMENTO
Este trabalho propõe o desenvolvimento de um sistema para gerenciamento
automatizado da utilização de compressores de ar em uma empresa situada na
cidade de Muçum/RS. Tal empresa atua no ramo de beneficiamento de couros
bovinos (curtume).
A atividade de beneficiamento de couros depende de vários equipamentos
consumidores de ar comprimido, dentre os quais pode-se citar:
● Carimbadores de couro;
● Túneis de secagem;
● Dosadores de água;
● Reativadores de couro (umidificadoras);
● Amaciadoras;
● Mesas de secagem a vácuo;
● Lixadeiras de couro;
● Prensas de estamparia;
● Cortinas de tinta;
● Cabines de pintura.
Ainda pode-se listar uma infinidade de válvulas e atuadores pneumáticos
distribuídos pela planta e que também são consumidores de ar comprimido. Além
disso, por se tratar de uma planta grande e bastante antiga, os vazamentos de ar
acabam contribuindo no consumo de ar comprimido.
Tendo em vista a quantidade de equipamentos e ainda considerando que
existem grandes consumidores, como as cabines de pintura que utilizam o ar
52
comprimido em suas várias pistolas de pintura, pode-se supor que o consumo
energético dos compressores é considerável.
3.1 Situação anterior à implementação
A empresa possui três compressores de parafuso que são responsáveis pela
geração de ar comprimido utilizado na planta, conforme descrito a seguir.
O primeiro compressor é da marca Worthington, modelo Rollair 125, com ano
de fabricação 1988 e potência de 110 kW. Segundo o fabricante, a vazão máxima é
18 m³/min e sua pressão de trabalho é 6 kgf/cm². A Figura 27 ilustra o compressor da
marca Worthington.
Figura 27 - Compressor Worthington Rollair 125
Fonte: Do autor (2022).
O segundo compressor é da marca Atlas Copco, modelo GA 807, com ano de
fabricação 1985 e potência de 90 kW. Segundo o fabricante, a pressão máxima de
trabalho do equipamento é 7 bar e sua vazão máxima é de 815 m³/h. A Figura 28
ilustra o compressor da marca Atlas Copco.
53
Figura 28 - Compressor Atlas Copco GA 807
Fonte: Do autor (2022).
Por fim, o terceiro compressor é da marca Chicago Pneumatic, modelo CPVS
125, com ano de fabricação 2010 e potência de 90 kW. Segundo o fabricante, a
pressão máxima de trabalho do equipamento é 7,4 bar e sua vazão máxima é de 993
m³/h. A Figura 29 ilustra o compressor da marca Chicago Pneumatic.
Figura 29 - Compressor Chicago Pneumatic CPVS 125
Fonte: Do autor (2022).
54
Antes da implementação deste trabalho, os horários de utilização desses
compressores variavam conforme os níveis de produção. Porém, o controle de
acionamento e desligamento dos compressores, bem como a seleção do compressor
a ser utilizado era feita sempre de maneira manual e nunca levando em consideração
a vazão real de ar comprimido, até porque não havia equipamento para fazer essa
medição.
Esse processo, sem muito controle, acabava gerando perdas, pois entende-se
que por muitas vezes o compressor errado estava sendo utilizado se for considerada
a demanda de ar comprimido da planta. Outro ponto é a utilização de compressor
adicional de forma desnecessária, tendo em vista que durante períodos do dia a
pressão de ar acaba tendo um afundamento, sendo necessário ligar mais uma
máquina.
Contudo, pelo fato de o controle ser manual, deve-se lembrar de desligar essa
máquina para não haver perdas quando o consumo for inferior e não havia um sistema
automatizado para realizar esse controle.
3.2 Implementação realizada
Conforme mencionado anteriormente, este trabalho apresenta o
desenvolvimento e implementação de um sistema automatizado para gerenciamento
de compressores de ar, o qual leva em consideração a potência real momentânea de
cada equipamento, a pressão do ar comprimido e a vazão demandada pela planta
para definir qual ou quais equipamentos utilizar, sendo esse procedimento de parada
e partida dos compressores feito de forma autônoma.
Além disso, no projeto, foram utilizadas ferramentas de controle que
possibilitam uma melhor visualização das variáveis envolvidas no processo,
contemplando ainda a operação facilitada do sistema.
Outro problema que deve ser sanado com a implementação diz respeito aos
casos em que acontece falha em algum compressor, onde antes do sistema, havia a
falta de abastecimento de ar comprimido para a planta, ocasionando perdas e
prejuízos. Nesses casos, o sistema deve detectar essas falhas e acionar
imediatamente outro equipamento, fazendo com que não haja maiores problemas ou
perdas para a produção dentro dos setores.
55
A Figura 30 ilustra de forma simplificada o sistema implementado.
Figura 30 - Protótipo do sistema
Fonte: Do autor (2022).
As seções a seguir descrevem os principais componentes que foram utilizados
no desenvolvimento do sistema proposto.
3.3 Controlador lógico programável
Como controlador de todo o sistema foi utilizado um CLP, com o intuito de
gerenciar as informações recebidas dos periféricos e fazer a tomada de decisão
cabível ao sistema, além de enviar dados para sistemas que possibilitarão a
visualização de status dos compressores de forma remota.
O CLP da marca Altus, modelo Nexto Xpress XP340, atende os pré-requisitos
do projeto e foi o controlador escolhido por essas razões. Suas características estão
descritas a seguir:
● Entradas Digitais: 12;
● Entradas Rápidas: 4;
● Saídas Digitais: 12;
● Saídas Rápidas: 4;
● Número máx. de contadores rápidos: 1;
56
● Número máx. de interrupções externas: 2;
● Número máx. de saídas PTO: 2;
● Número máx. de saídas VFO/PWM: 4;
● Entradas analógicas V/I (EA): 5;
● Entradas analógicas RTD (EA): 2;
● Saídas analógicas V/I (SA): 4;
● Interface Ethernet TCP/IP: 1;
● Interface serial RS-485: 1;
● Interface CAN: 1;
● Porta USB Host: 1;
● Protocolo CANOpen Manager: Sim.
A Figura 31 mostra o CLP Nexto Xpress XP340.
Figura 31 - CLP Nexto Xpress XP340
Fonte: Altus (2019).
3.4 Montagem do painel elétrico
Após a seleção dos materiais a serem utilizados no projeto, a montagem do
painel elétrico pôde ser iniciada. Como base para o painel foi utilizada uma caixa
metálica específica para a montagem de painéis elétricos com as dimensões de
500mm x 600mm x 200mm, da marca Cemar. Como a empresa tinha em estoque um
quadro usado para montagem, com as dimensões adequadas, o mesmo foi utilizado
no projeto.
57
O layout do painel elétrico (ANEXO A) contempla três patamares para a
afixação de componentes através de trilho do tipo Din. No nível superior foi afixado
unicamente o CLP, mantendo-o isolado dos demais componentes. No patamar
intermediário foram afixados as fontes, os relés e o disjuntor geral. Por fim, no nível
mais baixo foram afixados os conectores para a conexão do cabeamento elétrico
necessário.
A Figura 32 ilustra o interior do painel montado.
Figura 32 - Interior do painel elétrico
Fonte: Do autor (2022).
No arranjo mostrado na Figura 32, pode-se verificar a existência de três relés
da marca Digimec, modelo DAI4420, que fazem a conversão de corrente de 0-5 A
58
para 4-20 mA. Além desses, ainda há sete relés de interface que fazem o isolamento
das saídas do CLP.
Na parte frontal do painel foram instalados comandos simples, contendo um
botão de emergência que desabilita o sistema, além de uma manopla que aciona o
Comando “Geral” e outra manopla que aciona o “Controle Automático”. Um
sinaleiro/buzzer foi instalado na parte central inferior, logo abaixo do botão de
emergência, com a finalidade de emitir um aviso antes da partida de qualquer
compressor. A parte frontal superior ficou para a instalação mecânica da IHM. A
Figura 33 mostra a parte frontal do painel.
Figura 33 - Visão frontal do painel
Fonte: Do autor (2022).
59
3.5 Instalação dos sensores
Para viabilizar o funcionamento do sistema, foi necessário a instalação dos
sensores, responsáveis por fazer a leitura das variáveis inerentes ao projeto, tais
como pressão, vazão e corrente elétrica instantânea dos compressores.
Nesse sentido, foram instalados três transformadores de corrente, um em cada
equipamento, além de um transdutor de pressão no reservatório principal de ar
comprimido e um medidor de vazão na linha unificada dos compressores.
Os subitens a seguir dissertam sobre os tipos de sensores utilizados e sua
maneira de instalação dentro da sala de compressores.
3.5.1 Transmissor de pressão
Para medir a pressão, foi utilizado um transmissor de pressão ligado ao
reservatório principal de ar comprimido. A utilização de um transmissor que gere um
sinal de 4 a 20 mA é desejável, pois gera uma segurança maior ao sinal, devido ao
corte do sinal gerar um valor que vai apontar um erro no controlador.
Para o projeto, foi optado pelo transmissor NP 620 da fabricante Novus, cujas
características estão descritas a seguir:
● Conexão ao processo: rosca externa ¼ NPT;
● Rangeabilidade de medição: 3:1 sem perda de exatidão;
● Temperatura de trabalho: -20 a 70 °C;
● Materiais em contato com o meio: aço inox 316L com anel de vedação em
FKM (Viton ©);
● Saída: 4-20 mA a 2 fios;
● Conexão elétrica: DIN 43650 (EN 175301-803);
● Sobre-pressão: 2 vezes a pressão nominal;
● Resposta dinâmica: < 30 ms;
● Alimentação: 11-33 Vcc;
● Faixas de pressão: 1 MPa (10 bar, relativa);
● Exatidão, incluindo histerese, linearidade e repetibilidade: 0,25% do fundo de
escala;
● Dimensões ¼ NPT: Ø 27 x 88,7 mm.
60
A Figura 34 ilustra o transmissor de pressão NP 620.
Figura 34 - Transmissor de pressão NP 620
Fonte: Novus (2022).
Esse transmissor de pressão possui características que atendem as demandas
do projeto. Sua ligação se deu a dois fios diretamente à entrada analógica do CLP.
A instalação desse transmissor de pressão se deu através de uma tomada já
existente no reservatório de ar comprimido. A Figura 35 ilustra a instalação mecânica
do transmissor de pressão.
Figura 35 - Instalação mecânica do transmissor de pressão
Fonte: Do autor (2022).
61
3.5.2 Sensor de vazão
Buscando a solução para a medição de vazão neste projeto, chegou-se a um
modelo o qual a empresa dispunha de uma unidade em estoque. Trata-se de um
medidor de vazão do tipo roda d’água que, embora já usado, atende os requisitos
básicos da implementação e faz com que a empresa não necessite realizar
desprendimento financeiro na compra de um sensor novo, o qual multiplicaria o valor
de investimento deste projeto. As especificações deste medidor seguem a seguir:
● Modelo: Signet 2540
● Fabricante: George Fischer;
● Princípio de operação: Roda d’água;
● Vazão máxima: 6 m/s (sensor ajustável para diversas dimensões de tubos);
● Pressão de trabalho: Até 17 bar;
● Alimentação elétrica: 5 até 24 VDC ±10%, 1.5 mA max;
● Sinal de saída: pulsos.
A Figura 36 ilustra o medidor de tipo roda d’água.
Figura 36 - Medidor de vazão tipo roda d’água
Fonte: GFPS (2022).
Para que seja medida a vazão instantânea de ar comprimido, o medidor de
vazão foi instalado diretamente na linha principal dos compressores, linha esta, por
onde passa o ar comprimido gerado por todos os compressores. O sensor foi
62
instalado através de conexões apropriadas e diretamente na tubulação principal da
rede de compressores. A Figura 37 ilustra o sensor de vazão instalado.
Figura 37 - Sensor de vazão instalado
Fonte: Do autor (2022).
3.5.3 Medição de corrente elétrica
Para medir a corrente elétrica de cada compressor, foram utilizados
transformadores de corrente, com o intuito de se obter a potência instantânea de cada
equipamento através de um fator de multiplicação.
Fazendo-se uma pesquisa e tendo em vista que a faixa de corrente deve
atender até 300 Ampères, o transformador de corrente do tipo janela, modelo M.E.S.
60 da JNG atende aos requisitos do projeto. Suas características estão descritas a
seguir:
● Corrente Primário: 300 A;
● Corrente Secundário: 5 A;
63
● Carga Nominal: 10 VA;
● Tipo: Janela;
● Tensão de Isolamento: 3 kV;
● Frequência Nominal: 60 Hz;
● Classe de Exatidão: 1%;
● Limite de Corrente Térmica de Curta Duração (Ith): 100 x In;
● Dimensão (LxAxP): 102 x 118 x 57 mm.
A Figura 38 apresenta esse modelo de transformador de corrente.
Figura 38 - Transformador de corrente
Fonte: Eletrorastro (2022).
A instalação dos TCs se deu dentro do painel elétrico de cada compressor.
Essa instalação foi feita nos cabos de entrada do painel, com o intuito de realizar a
medição do consumo total do compressor, não deixando margem para qualquer erro
nessa medição.
A ligação dos TCs foi feita a dois fios e ligados através de bornes aos relés de
conversão de corrente posicionados dentro do painel e esses então transmitem o sinal
de 4-20mA ao CLP.
As Figuras 39, 40 e 41 ilustram a instalação dos transformadores de corrente
no compressor Rollair, Atlas Copco e Chicago, respectivamente.
64
Figura 39 - Transformador de corrente - Rollair
Fonte: Do autor (2022).
Figura 40 - Transformador de corrente – Atlas Copco
Fonte: Do autor (2022).
65
Figura 41 - Transformador de corrente - Chicago
Fonte: Do autor (2022).
3.6 Adequações de segurança
As seções a seguir tratam dos componentes utilizados para a segurança
aplicados ao projeto implementado.
3.6.1 Instalação do giroflex
Neste projeto, as questões voltadas a segurança foram sempre levadas como
algo indispensável. Nesse sentido, para alertar e garantir que nenhuma pessoa esteja
realizando alguma atividade nos compressores que possa afetar sua segurança, foi
implementado um giroflex ao centro da sala de compressores que é acionado antes
de qualquer partida de equipamento.
Esse giroflex é acionado dez segundos antes da partida de qualquer
compressor (juntamente com o alerta luminoso/sonoro do painel). Por ter uma
luminosidade intensa e ao mesmo tempo estar orientando essa luz em várias
66
direções, facilita a visualização por qualquer pessoa que estiver dentro da sala de
compressores.
A Figura 42 ilustra o giroflex já instalado.
Figura 42 - Giroflex instalado
Fonte: Do autor (2022).
3.6.2 Instalação das placas de orientação
Ainda com o intuito de garantir a segurança do usuário do sistema, foram
instaladas placas indicativas nas portas de acesso à sala de compressores, visando
orientar a qualquer pessoa sobre o comportamento autônomo dos compressores.
A Figura 43 ilustra uma das placas afixadas na entrada da sala de
compressores.
67
Figura 43 - Placa de alerta de segurança
Fonte: Do autor (2022).
As placas de alerta foram confeccionadas com uma grande dimensão, de
maneira a serem facilmente visualizadas e não passarem despercebidas a qualquer
um que acesse a sala. Os dizeres presentes nessas placas deixam bem claro às
pessoas os riscos presentes na sala de compressores devido a atuação do sistema.
3.7 Programação do CLP
A programação do CLP é sem dúvida uma das tarefas mais desafiadoras na
execução e implantação deste projeto. Os CLP’s da série Nexto Xpress da fabricante
Altus utilizam o software de programação Master Tool IEC XE, o qual possui licença
livre de utilização para projetos com até 320 pontos.
Com exceção da implementação da comunicação via MQTT, toda a
programação foi feita através da linguagem ladder. O programa desenvolvido foi
subdividido em várias unidades de organização de programa (POU), possibilitando
68
dessa forma um melhor entendimento e possibilidade de edição facilitada. O
programa dividiu-se nas seguintes POU’s:
a) Alarmes;
b) Leitura;
c) MQTT;
d) MQTT Start;
e) MQTT Publisher;
f) Controle;
g) Modo Manual;
h) Manutenção;
i) Conversão;
j) Relógio.
As subseções a seguir elucidam melhor cada uma dessas unidades do
programa, explicando de uma melhor forma como foi feita a programação e quais
suas funcionalidades.
3.7.1 Alarmes
Esta parte do programa é responsável pela detecção de falhas nos
compressores. Cada um dos compressores reporta através de um contato seco se
está ou não em estado de erro e esse sinal é enviado ao CLP através de cabeamento.
O CLP recebe os sinais através de suas entradas digitais e o programa faz
essa leitura, apontando erro para o equipamento que envia o sinal. O estado de erro
desaparece assim que o compressor for reiniciado.
Outro erro que o programa reporta se refere as ocasiões em que o sistema
demanda que um dos equipamentos seja acionado e o mesmo não retorna com o
sinal de potência através da leitura dos transformadores de corrente instalados nos
mesmos.
3.7.2 Leitura
A parte do programa que trata da leitura é uma das mais importantes de toda
a programação, pois foi através da implementação dessa POU que se pôde ter
referências para a correta programação de outras partes importantes do conjunto.
69
Neste programa foram implementadas as leituras das variáveis, tais como
pressão, vazão e a corrente elétrica momentânea dos equipamentos.
A leitura de pressão é realizada diretamente através da entrada analógica 3,
configurada para receber o sinal analógico de 4-20mA do sensor de pressão e o valor
obtido na entrada é convertido para uma escala de 0 até 10 bar, fazendo com que a
leitura seja coerente.
A leitura de vazão se dá através da leitura dos pulsos gerados pelo sensor de
vazão através de uma entrada rápida e com a implementação de um contador rápido.
A calibração do sensor foi realizada de forma empírica, tendo em vista que se conhece
a capacidade nominal dos compressores. Tendo esses dados, apenas se aplica um
fator de multiplicação para obter vazão em função da quantidade de pulsos.
A programação prevê a atualização da medida de vazão a cada um minuto e
meio, fazendo a média desse período, tendo em vista que durante o regime de alívio
dos compressores, os mesmos não geram vazão, deixando a leitura distorcida se a
mesma atualizar em períodos mais curtos.
A leitura de corrente elétrica instantânea dos compressores é obtida através
dos transformadores de corrente (TC’s), que geram uma corrente de saída de 0-5 A,
tendo em vista que a leitura tem um range de 0-300 A. Os relés instalados no painel
convertem essa corrente gerada pelos TC’s em corrente de 4-20 mA, que é lida pelas
entradas analógicas do CLP. Os valores obtidos nas entradas são convertidos para
uma escala de 0 até 300 A, através de um fator de multiplicação.
3.7.3 MQTT
Tendo em vista que a comunicação dentro do protocolo MQTT ocorre através
de strings, essa é a parte do programa em que os valores de variáveis