curso de tecnologia em mecatrÔnica industrial … · visando a melhoria na qualidade da produção...
TRANSCRIPT
_______________________________________________________________________________________
_
Faculdade de Tecnologia de Garça “Deputado Júlio Julinho Marcondes de
Moura”
CURSO DE TECNOLOGIA EM MECATRÔNICA INDUSTRIAL
ADELINO APARECIDO PIVA JUNIOR
MOISES LINO de PAULA
AUTOMAÇÃO PARA ESTUFAS
Garça 2015
_______________________________________________________________________________________
_
Faculdade de Tecnologia de Garça “Deputado Júlio Julinho Marcondes de
Moura”
CURSO DE TECNOLOGIA EM MECATRÔNICA INDUSTRIAL
ADELINO APARECIDO PIVA JUNIOR MOISES LINO de PAULA
AUTOMAÇÃO PARA ESTUFAS
Artigo cientifico apresentado à Faculdade de Tecnologia de Garça – FATEC, como requisito para a conclusão do Curso de Tecnologia em Mecatrônica Industrial examinado pela seguinte comissão de professores. Data da Aprovação …/ /2015 __________________________________ Prof.
FATEC – Garça
__________________________________ Prof.
FATEC – Garça
__________________________________ Prof.
Garça 2015
_______________________________________________________________________________________
_
Faculdade de Tecnologia de Garça “Deputado Júlio Julinho Marcondes de
Moura”
AUTOMAÇÃO PARA ESTUFAS
Adelino Aparecido Piva Junior1 [email protected]
Moises Lino de Paula1
Prof. Dr. José Arnaldo Duarte2 [email protected]
Abstract – As several crops the climate variations are sensitive, it became necessary to create an automated control system for greenhouses in order to protect the initial stage of the crop because it is at this stage that there is insufficient in relation to climate change. There are already technologies present in the technological market being used to make the most of natural resources without wasting them, controlling the systems more efficiently, reducing costs and finally improving product quality, but some technologies are not yet accessible to micro and small farmer and taking advantage of this situation that we had the idea of searching controlled by PLC system that is both effective and accessible to this category of farmers.
Keywords: Automation. CLP. Greenhouses.
Resumo – Como vários cultivos são sensíveis as variações do clima, se tornou necessária a criação de um sistema de controle automatizado para estufas, visando a proteção na fase inicial do cultivo, pois é nesta fase que há maior carência em relação as mudanças de clima. Já existem tecnologias presentes no mercado tecnológico que estão sendo utilizadas para se aproveitar ao máximo os recursos naturais sem desperdiçá-los, controlando os sistemas com maior eficiência, diminuindo os gastos e por fim, melhorando a qualidade do produto, porém algumas tecnologias ainda não são acessíveis ao micro e pequeno agricultor e aproveitando essa situação que tivemos a ideia de pesquisar um sistema controlado por CLP que seja ao mesmo tempo eficaz e acessível a essa categoria de agricultores. Palavras-Chave: Automação. CLP. Estufa
1 Alunos do curso de Tecnologia em Mecatrônica Industrial – FATEC-Garça 2 Docente da Faculdade de Tecnologia de Garça – FATEC
1 INTRODUÇÃO
Com as mudanças tecnológicas e climáticas no setor agrícola, muitos
agricultores aderiram ao cultivo em estufas por sentirem a necessidade de
protegerem suas plantas, principalmente durante os períodos de intempéries mais
adversos, sendo sua utilização cada vez maior nas diferentes regiões do planeta.
Por ser versátil e ter um baixo custo, o plástico foi escolhido para o revestimento
das estufas, por esta razão, houve uma proliferação até mesmo nos lugares
inóspitos ao homem e ao cultivo da agricultura. As estufas, concorrem para um
melhor desenvolvimento dos plantios, bem como para o aumento da produtividade,
maior número de colheitas no ano, colheitas nas entressafras e produtos de melhor
qualidade. Porém, a maioria dessas estufas não tem um sistema automatizado,
gerando assim um aumento na mão de obra da cultura, pois o produtor tem que
ficar atento a qualquer mudança nas variáveis dentro da estufa, como a umidade
do solo, temperatura, luminosidade, ventilação, entre outras. Por outro lado,
existem no mercado estufas automatizadas, porém, o custo é inviável ao pequeno
e micro produtor.
1.1 PROBLEMA DE PESQUISA
Baixar o custo de construção da estufa para o pequeno e micro produtor.
Além disso o processo prevê a automatização do sistema para liberar o pequeno
produtor rural para outras atividades no seu dia a dia. Já existem estufas
automatizadas no mercado, porém o custo é inviável para o pequeno produtor.
1.2 OBJETIVO GERAL
Desenvolver uma tecnologia de automação para estufas com um baixo custo
visando a melhoria na qualidade da produção de plantas, a reutilização da água de
chuva na irrigação e diminuir a intervenção humana no sistema fazendo com que o
pequeno produtor tenha mais tempo para outras atividades da propriedade.
Após obtermos um orçamento de uma estufa comercializada por uma
empresa especializada nessa área, orçamento esse que realmente não é acessível
ao pequeno agricultor. Por esta estufa não ser totalmente automatizada, foi que
decidimos em pesquisar uma com um custo acessível ao pequeno agricultor.
O orçamento que conseguimos com a empresa Zanatta Estufas e o
detalhamento do seu produto segue anexo a esse artigo, assim como um modelo
de estrutura para estufas desenvolvido pela PESAGRO-RIO - Empresa de
Pesquisa Agropecuária do Estado do Rio de Janeiro.
1.3 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Criar um sistema automatizado para estufas que viabilizem uma maior
produção no cultivo e seja acessível aos pequenos agricultores.
Controle da irrigação, umidade do solo, temperatura e luminosidade
dentro da estufa com a mínima intervenção humana.
1.4 RELEVÂNCIA
Diante do baixo poder aquisitivo de alguns agricultores principalmente os
que trabalham em regime familiar, o desenvolvimento do protótipo pode baixar
custos e desenvolver tecnologias mais baratas e que diminua a intervenção
humana no controle da estufa, podendo assim ter uma maior produtividade e
fazendo com que o pequeno agricultor tenha mais tempo para outras atividades.
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Os fundamentos desse trabalho foram baseados em leituras de livros,
periódicos e pesquisas realizadas por universidades de diversas regiões do Brasil,
e na coleta de informações a respeito da automatização de estufas.
2.1 ESTUFAS AGRICOLAS
Existem relatos que o surgimento das primeiras estufas modernas foi na
Itália no século XVIII e logo espalhou-se para Holanda e Inglaterra devido ao grande
interesse em proteger as lavouras do inverno rigoroso. Em pouco tempo essas
estufas eram encontradas em quase todo o mundo e evoluíram com a tecnologia.
Estufa é um ambiente protegido onde é criado artificialmente um microclima
adequado para o desenvolvimento das culturas e podem variar seu tamanho.
O objetivo de uma estufa é absorver o calor proveniente dos raios solares e
mantê-lo em seu interior e proteger de pragas e insetos, além de proporcionar um
maior controle na umidade do solo, pois como coberta, evita-se que grandes
precipitações meteorológicas encharquem o solo, atrapalhando a produção.
As estruturas das estufas podem ser construídas em vários formatos e com
vários materiais, normalmente em madeira ou tubos de PVC flexível e mistas com
madeira e PVC, ou com madeira e aço galvanizado. Essas armações, por si são
cobertas com plástico.
Dependendo do modelo da estufa, os plásticos das laterais podem ser
movimentados como é o caso nos tuneis, isso possibilita que em dias muito quentes
a temperatura seja amenizada ao erguê-los ou impedir que as mesmas baixem
muito.
A estufa deverá ser construída no sentido da direção dos ventos
predominantes e não na direção perpendicular ao mesmo.
Na figura 1 alguns exemplos de estufas.
Figura 1: Esquema de uma estufa de linhas retas (A). Estufas de linhas curvas (B). Estrutura de estufa com inclinação lateral diferente da lateral contrária da estrutura (C). Esquema de estufa elíptico (D). Fonte: Adaptado de CERMEÑO (2005. p. 55,57,60,77).
2.2 PROTÓTIPO
O protótipo terá sua estrutura construída com madeira, seus arcos com
hastes de ferro chato e será coberta por plástico.
Esse protótipo terá um sistema de controle de temperatura, sistema de
irrigação, sistema de ventilação e exaustão e sistema de sombreamento todos
controlados por um CLP.
O sistema de irrigação utilizará água coletada das chuvas armazenada em
uma cisterna através de um sistema de calhas e condutores. O sistema ainda
contará com duas válvulas de vazão controladas por solenoides, onde em caso de
falta de água na cisterna será utilizado água de uma caixa d’água.
Figura 2: Representação do sistema de irrigação. Fonte: Os autores (2015)
2.3 CLP - CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL
No final do século XIX durante a revolução industrial os primeiros sistemas
foram desenvolvidos, estes sistemas controlavam dispositivos mecânicos, que
automatizavam tarefas críticas nas linhas de montagem, devido a repetitividade, os
dispositivos tinham uma vida útil muito curta. Em 1920 estes dispositivos foram
substituídos por reles, que por sua vez ajudou no desempenho de controle mais
complexo e sofisticado com um custo viável, eles são empregados em um grande
CISTERNA
CAIXA
D’AGUA
ENCANAMENTO DA
IRRIGAÇÃO
BOMBA
SOLENOIDE
CONDUTORES DA CALHA
ESTUFA
SOLENOIDES
número de sistemas, mas na indústria moderna ele é raramente usados em
sistemas de controle, os mais antigos ainda usam reles.Com o surgimento dos
Circuitos Integrados (CIs) uma nova geração apareceu, comparados com os reles,
porém, são menores, rápidos e tem uma vida útil maior, se mesclarmos reles e CIs,
o algoritmo é definido pela interligação elétrica, são mais fáceis de implementar, só
que para alterar seu funcionamento ou sua lógica é muito difícil e também muito
demorado. Em 1920, computadores foram utilizados no controle de sistemas de
grande porte, com uma grande vantagem proporcionada em relação com a lógica
por interligação elétrica, mas estes computadores eram difíceis de programar,
grandes e muitos sensíveis as interferes encontradas nas plantas industriais. Para
atender a demanda na indústria automobilística, o CLP foi desenvolvido, as
principais aplicações foram na General Motors, devido à dificuldade de alterar a
lógica que comandava a linha de montagem, pois estas alterações geravam altos
gastos de tempo e dinheiro.
Segundo Rosário (2009) um CLP é capaz de realizar várias operações,
devido às interfaces de entrada e saída, ele foi criado para resistir situações
adversas dentro da indústria como, ruídos, trepidações, poeira, temperatura e
interferências eletromagnéticas, e é por isso que ele possui uma fonte com ótima
filtragem e estabilização, E/S imunes a ruídos e um invólucro especifico para
aplicação industrial. Idealizado para substituir os reles, e contatores, foram criadas
interfaces que possibilitaram a aplicação em nível analógico. O CLP é empregado
com muita frequência no controle de vários tipos de mecanismo como, operatrizes,
têxteis, fundição, alimentos e na indústria pesada.
Richard Morley elaborou especificações para necessidades de usuários de
reles de toda a indústria manufatureira, estas são as características:
Facilidade na programação e reprogramação
Manutenção e reparo nos blocos de entrada e saída
Confiabilidade para utilizar no ambiente industrial
Redução do tamanho
Ser mais barato que painéis de reles e eletrônicos
Ter entradas e saídas equivalentes a 115 V com capacidade de 2A
Ter expansões
Memória no mínimo de 4Kbytes
Interface amigável
Integração de dados do CLP com os outros bancos de dados
gerenciais, para ter informação entre a fábrica e os departamentos envolvidos no
planejamento da produção.
O CLP é definido pelo IEC (International Electrotechnical Comission) como:
"Sistema eletrônico operando digitalmente, projetado para uso em um ambiente industrial, que usa uma memória programável para a armazenagem interna de instruções orientadas para o usuário para implementar funções específicas, tais como lógica, sequencial, temporização, contagem e aritmética, para controlar, através de entradas e saídas digitais ou analógicas, vários tipos de máquinas ou processos. O controlador programável e seus periféricos associados são projetados para serem facilmente integráveis em um sistema de controle industrial e facilmente usados em todas suas funções previstas." (FRANCHI e CAMARGO, 2008, p.24)
E também é definido pela NEMA (National Electrical Manufacturers
Association) como:
"Um equipamento eletrônico que funciona digitalmente e que utiliza uma memória programável para o armazenamento interno de instruções para implementar funções específicas, tais como lógica, sequenciamento, registro e controle de tempos, contadores e operações aritméticas para controlar, através de módulos de entrada/saída digitais (LIGA/DESLIGA) ou analógicos (1-5 Vcc, 4-20 mA etc.), vários tipos de máquinas ou processos." (FRANCHI e CAMARGO, 2008, p.25)
Resumindo, o CLP é um equipamento eletrônico de processamento com
uma interface amigável, que exerce a função de controlar vários tipos de nível de
complexidade.
De um modo geral toda a indústria necessita de algum tipo de controlador,
desde um simples ventilador, como o controle de um reator nuclear para a produção
de energia, mesmo com esta diferença ambos são divididos em 3 partes:
transdutores (sensor), controladores e os atuadores.
Transdutores/sensores: dispositivo que converte condição física em sinal
elétrico para ser usado nas conexões do CLP, o botão de pressão é um bom
exemplo, ele manda um sinal elétrico ao CLP, indicando que ele foi pressionado ou
liberado.
Controladores: para controlar as saídas o controlador usa um programa de
controle, isso de acordo com as entradas, estes sinais são convertidos através dos
atuadores, estes atuadores geram movimentos, como válvulas, bombas, motores,
energia elétrica ou pneumática.
Atuadores: convertem sinal elétrico do CLP em condição física, ligando e
desligando algum elemento, um bom exemplo é o acionamento de um motor
através de um atuador ligado a um CLP, o atuador ira ligar a bobina de um contator
que por sua vez ligara o motor e posteriormente o desligara.
Ao compararmos o CLP com outros dispositivos, temos as vantagens e
desvantagens de cada equipamento. As vantagens de se usar o CLP são as
facilidades e as flexibilidades de se alterar um programa, a programação pode ser
armazenada em uma memória para ser instalada em outro sistema (backup) e em
caso de defeito tem como ser visualizada a parte do sistema que está com
problema. As desvantagens em relação aos reles são: os custos mais elevados, o
uso de programação ou álgebra booleana que são desconhecidas por vários
eletricistas, sensibilidade a ruídos, que são comuns em instalações industriais, e
uma qualificação da equipe.
O CLP pode ser programado para controlar dispositivos, maquinas e
implementar funções especificas, como controle de tempo, operações diversas,
controle de malha e transmissão de dados, são resistentes a altas temperaturas,
ruídos elétricos, a poluição e até a ambientes úmidos, suas entradas e saídas
variam de acordo com o fabricante e modelo. Ele foi criado para substituir os reles
utilizados na industrial, ele só realizava operações sequenciais que eram feitas por
reles, como por exemplo liga/desliga de maquinas e operações repetitiva, com o
tempo eles foram melhorados e aos poucos os reles foram substituídos, por um uso
menor em relação ao espaço e energia, e sua lógica poderia ser alterada sem a
necessidade de se tirar as conexões físicas dos elementos. Este tipo de alteração
só se é possível devido as memórias do CLP, mas as memórias são diferentes
umas das outras, classificadas em duas categorias: voláteis e não voláteis.
Memórias voláteis: são facilmente alteradas e também perdem seu
conteúdo se a alimentação for removida, em algumas aplicações se recomenda a
utilização de uma bateria para manter a alimentação.
Memórias não voláteis: este tipo de memória não pode ser alterado e ela
também não perde o que foi programado, mesmo com a falta de energia ela retém
seu conteúdo.
Existem outros tipos de memórias, ainda dentro destes tipos que foram
citadas, que são:
Memória ROM: programada de fábrica, não pode ser alterada, apenas lida,
por esta forma elas são imunes a ruídos elétricos e perda de energia, este tipo de
memória também é usada numa função dedicada, onde não há necessidade de
alteração na programação.
Memória Ram: é um tipo de memória volátil, foi desenvolvida para ser
escrita ou lida em memória de alta velocidade, mas não retém as informações se a
fonte for desligada, por isso a necessidade de uma bateria caso isso aconteça.
Memória Prom: raramente se encontrara uma memória assim em um CLP,
se for usada só pode ser aplicada para armazenar dados de algum tipo de memória
RAM, mesmo sendo programável por uma única vez, tem a vantagem de ser não
volátil e a desvantagem de necessitar equipamentos especiais para sua
programação.
Memória Eprom: é uma memória Prom que pode ser reprogramada, para
que ela sege totalmente apagada, utiliza-se a janela que fica na parte superior,
deixando incidir sobre a memória raios ultravioletas por 20 minutos.
Memória EEprom: é não volátil e tem a mesma flexibilidade de uma
memória RAM, muitos controladores a utilizam como única memória do sistema.
Memória Flash: é o mais recente tipo de memória, é nela que se armazena
o programa da BIOS, muitos fabricantes usam este tipo de memória em seus
equipamentos, a Siemens por exemplo a usa no seu modelo S7-300.
De um modo geral existem dois tipos de operação em um CLP, programação
e execução.
No modo programação, ele fica aguardando para ser configurado ou ter sua
programação alterada pelo programador, neste período ele fica em off-line (fora de
operação), até que o download seja concluído.
No modo execução, ele começa a executar o que foi inserido em sua
memória através do download, existem alguns modelos que podem ser alterados
enquanto executam suas funções, este tipo de programa é denominado on-line (em
operação).
O Scan realiza uma leitura continua, pois, o funcionamento do CLP é
baseado neste sistema, são três os processos:
Leitura de dados pela interface de entrada;
Executar o programa armazenado na memória;
Atualizar os dispositivos da interface de saída.
Após ser energizado no modo de execução ele realiza as seguintes
operações na rotina de inicialização:
Limpeza de memoria
Teste da memória RAM
Teste de executabilidade
Após esta rotina a CPU faz uma leitura sequencial das instruções e inicia um
LOOP (laço fechado) a partir dos pontos de entrada, ela endereça o sistema E/S,
coleta os dados dos dispositivos conectados e armazenas as informações em forma
de 0 ou 1, ou seja, tem energia é 1 sem energia é 0, estas informações são
armazenadas na tabela imagem de entradas (TIE). Ela é utilizada para analisar os
estados dos dispositivos, pois as logicas atuam nas saídas determinadas que estão
numa área de memória chamada TIS (tabela de imagens das saídas), e é nesta
área que são armazenadas as logicas que tem saídas internas, no ciclo de
varredura ela é consultada no momento da execução, mas durante este processo
não é feita a referência a pontos externos de entrada e saída, a CPU neste caso só
trabalha com informações da memória, ela faz uma análise da tabela TIS, em
seguida a uma atualização das saídas através do sistema E/S, atualizando de
acordo com o programa, também é atualizado os valores de outros operandos
assim como resultados aritméticos, contagens, temporizadores, entre outros. Após
as atualizações, a transferência de valores é feita da TIS para os cartões de saída,
terminado com a varredura, com isso se dá início a um novo Scan e a operação
continua sempre, isso se mantermos o controlador no modo de execução. Para
verificar, estipula-se um tempo, e o WDT (watch dog timer) fica encarregado de
supervisiona-lo, e se o tempo máximo for ultrapassado a CPU será interrompida,
assumindo o estado de falha (fault). (FRANCHI e CAMARGO, 2008, p.24 - 40)
Na figura 3 apresenta-se um exemplo de CLP.
Figura 3– CLP (Controlador Lógico Programável ).
Fonte: weg.net (2015).
2.3 Sensor de temperatura LM35
O sensor LM35 é um sensor preciso com saída de tensão linear relativa à
temperatura. Tem tensão de alimentação entre 4 Vdc a 20 Vdc e resolução de 10mV para
cada Grau Celsius de temperatura. Sua temperatura de trabalho é de –55ºC à 150ºC e não
necessita de calibração externa. Ele consome apenas 60μA e seu auto aquecimento é de
aproximadamente 0.1ºC ao ar livre.
O sensor LM35 é apresentado com diversos encapsulamentos, sendo o mais
comum o TO-92, que mais se parece com um transistor, e tem um bom custo
benefício, por ser o mais barato dos modelos e propiciar a mesma precisão dos
demais. A grande diversidade de encapsulamentos se dá devido à alta gama de
aplicações deste integrado.
Aplicações
O sensor LM35 é de fácil utilização, basta fixar sobre a superfície que se
deseja medir a temperatura.
Pressupondo que a temperatura da superfície onde se encontra fixado seja
a mesma que a temperatura do ar ao redor desde ambiente, sua temperatura será
em torno de 0.01ºC abaixo da temperatura desta superfície, porém caso a
temperatura do ar for muito mais elevada ou mais baixa do que a temperatura desta
superfície, a temperatura real do LM35 ficará em uma temperatura intermediária
entre a temperatura de superfície e a temperatura do ar.
Isso se aplica especialmente para o encapsulamento do tipo TO-92 de
encapsulamento plástico, pois suas ligações de cobre são o principal trajeto térmico
para carregar o calor através do dispositivo, fazendo com que a temperatura fique
mais próxima da temperatura do ar do que da superfície em que se encontra fixado.
Este problema é amenizado prendendo a fiação que ligará o LM35
juntamente a superfície de interesse para que ambas as partes estejam
praticamente sempre na mesma temperatura.
Uma maneira prática de fazer isto é envolver os fios e o próprio LM35 com
um leve revestimento de cola epóxi à superfície de interesse, assim, o LM35 e seus
condutores não estarão em contato com o ar, desta maneira a temperatura do ar
não afetará na medição do integrado.
Algumas aplicações para o LM35:
Termômetros para câmeras frias, chocadeiras etc;
Controles de temperatura de máquinas;
Aquisição de dados para pesquisas;
Proteção para dispositivos industriais (motores, inversores, fontes);
Na figura 4, apresenta-se o sensor de temperatura LM35.
(PICTRONICS,2015).
Figura 4 – Sensor de Temperatura
Fonte: Os autores (2015)
2.4 Sensor de umidade do solo
Este sensor é capaz de medir a umidade do solo em determinado local,
atuando em conjunto com placas micro controladoras, entre elas: Arduino, PIC,
AVR, ARM, etc. e pode ser usado em terra, areia ou diretamente na água
Ele é formado por duas partes, um módulo que é composto por um circuito
eletrônico com um comparador de voltagem LM393, com trimpot para ajuste da
sensibilidade da saída digital e uma sonda em forma e “U” com as superfícies
normalmente banhadas em cobre que realiza a medição da umidade por meio da
auferição da corrente entre as pontas da sonda. Para uma melhor resolução pode-
se utilizar a saída analógica ligada a um conversor análogo digital.
Ele é muito aplicado em projetos eletrônicos e de automação residencial que
em conjunto com uma placa micro controladora pode acionar um equipamento para
irrigação da área ou outro equipamento que esteja ligado a essa placa.
Esse sensor possui 4 pinos, sendo:
VCC - que pode ser ligado entre 3,3V e 5V;
GND - ligado ao negativo da fonte de alimentação;
AO - pino de saída do sinal analógico;
DO – pino de saída do sinal digital.
O funcionamento desse sensor é simples, quando as duas ponteiras
metálicas estão em contato com o solo seco, a resistência entre as ponteiras é
baixa, resultando em um sinal próximo da tensão de alimentação, fazendo com que
a placa de comando acione a irrigação. Conforme o solo vai ficando úmido, a
resistência entre as ponteiras vai aumentando fazendo com que o sinal se aproxime
de 0V, fazendo com que a placa de comando desligue a irrigação. (WEBTRÔNICO,
2015).
Na figura 5, exposição do sensor de umidade.
Figura 5 – Sensor de umidade.
Fonte: Os autores (2015).
3 METODOLOGIA
Para a pesquisa será utilizada a metodologia de desenvolvimento
experimental de um protótipo, na qual será montada uma mini estufa que simulará
o funcionamento de todo o equipamento, desde a captação de água até a utilização
na estufa.
Define-se pesquisa experimental como:
Na pesquisa experimental (em que medida x afeta y? Ou em que medida x1, x2, x3,... xn afetam y?) o investigador analisa o problema, constrói suas hipóteses e trabalha manipulando os possíveis fatores, as variáveis, que se referem ao fenômeno observado, para avaliar como se dão suas relações preditas pelas hipóteses. Nesse tipo de pesquisa a manipulação na quantidade e qualidade das variáveis proporciona o estudo da relação entre causas e efeitos de um determinado fenômeno, podendo o investigador controlar e avaliar os resultados dessas relações, tal como o fez Rosenberg em sua investigação sobre a imunoterapia adotiva para o tratamento do câncer. (KÖCHE, 2011, p.122)
Serão utilizados para a montagem do sistema automatizado da estufa
sensores de umidade, sensores de temperatura, alguns atuadores, motores,
sistema de ventilação, sistema de irrigação e alguns sistemas mecânicos que
trabalhão diretamente com o sistema controlado por CLP (Controlador Lógico
Programável).
Como matéria prima da estrutura do protótipo utilizaremos madeira, hastes
de ferro e plásticos de diversas formas e telas de sombreamento. Fazendo, assim,
uma simulação em pequena escala de um ambiente real.
3.1 Desenvolvimento do Protótipo
Nosso protótipo foi construído em madeira, com algumas hastes de ferro
simulando uma estufa de arcos, porém não terá uma escala definida.
Para o controle das variáveis dentro da estufa será usado sensores de
umidade, sensor de temperatura, lâmpada para aquecimento do ambiente,
mangueiras para irrigação, canos e conexões de PVC, válvulas de vazão acionadas
por solenoides e um CLP para controlar todos esses componentes.
3.2 Controle por CLP
O CLP escolhido foi o Spark 2, pois é de baixo custo atende a nossas
necessidades para a automatização. Seu preço no site www.smartradio.com.br, foi
de R$284,60 com as despesas de envio. No site do Mercado Livre encontramos
um CLP CLIC da WEG por R$650,00. Além do preço alto ainda tem a desvantagem
de ter menos entradas e saídas.
O CLP Spark2 é mostrado na figura 6.
Figura 6 – CLP Spark2.
Fonte: Os autores (2015).
Principais Recursos:
Programável em Ladder, C, Assembly, Basic, etc.
Autogravação por BootLoader (não é necessário gravador) serial RS232
06 saídas relés selados certificados de alta qualidade
08 entradas digitais opto acopladas
04 entradas analógicas 0-5Volts, sendo 2 configuráveis p/ 0-5V, 0-10V ou 4-
20mA
01 saídas PWM (coletor aberto / open colector NPN) de 1 Amp. X 80V máx.
Entrada RS232 conector DB9 Fêmea para comunicação e gravação
LCD interno 16 caracteres/colunas x 2linhas, azul, caracteres brancos c/
backlight
Buzzer interno
Led bicolor indicador de Alimentação/Executando (Pwr/Run) e Reset/
Parado
Teclas multi-função programáveis
Saída de expansão padrão UEXT (host)
Entradas de Alimentação no barramento/ conector de parafusos e também
em
Conector J4 de 2,1mm
Botão de reset na lateral
Micro controlador PIC16F887 @ 20MHz (5 MIPS)
Opcional Suporte para fixação em Trilho DIN
Características Elétricas e Dimensões:
Alimentação...................................... 9,5 a 15,6 VDC
Consumo ...................................... Menor que 300 mA máx.
Entradas Digitais ….......................... 3,8 a 25 VDC
Resolução das Entradas Analógicas......................10bits (0 a 1023)
Saídas Relés …................................10A @ 250VAC / 10A 120VAC / 7A @
28VDC
Serial................................................. Padrão RS232 conector DB9 fêmea
(DCE)
Temperatura de operação …............. 0 a 60°C
Dimensões.........................................120 x 116 x 29 mm (L x P x A)
Principais Características do PIC16F887:
Program Memory Type........Flash
Program Memory (KB)...8
CPU Speed (MIPS)...........5
RAM Bytes..................368
Data EEPROM (bytes)...256
Digital Communication Peripherals...1-A/E/USART, 1-MSSP (SPI/I2C)
Capture/Compare/PWM Peripherals...1 CCP, 1 ECCP
Timers.....................2 x 8-bit, 1 x 16-bit
ADC........................11 ch, resolution 10-bit (4 usados)
Comparators................2
Temperature Range (oC).....-40 to 85
Operating Voltage Range (V)...............2 to 5.5
Pin Count...................40
(www.smartradio.com.br, 2015)
3.3 Programação
Sua programação foi feita em LADDER utilizando o LDMicro um software
gratuito criado por Jonathan Westhues, o software possibilitou a criação da lógica
e a compilação assim fornecendo a arquivo hexadecimal para ser gravado no CLP.
Na figura 7, exemplo da programação do sistema no LDMicro.
Figura 7 – Programação em LADDER no LDMicro.
Fonte: Os Autores (2015).
E para transmitir esse arquivo hexadecimal para o CLP foi utilizado o
software Smart Loader fornecido junto com o CLP como mostrado na figura 8.
Figura 8 – Software Smart Loader. Fonte: Os Autores (2015).
3.4 Funcionamento
O funcionamento do sistema será da seguinte maneira:
Ao acionarmos a chave geral, todo o sistema interligado ao CLP ficara
habilitado para executar as operações nas quais foram programadas.
Serão acionados dois ventiladores para executar a troca de ar, sendo um
para introduzir ar novo no ambiente e outro para retirar o ar saturado de dentro da
estufa para que o cultivo não seja afetado devido a saturação do ar.
Serão ligados a cada 1 hora e permanecendo ligados durante 30 minutos.
Para ser feita a manutenção dos ventiladores caso tenha necessidade, eles
serão desligados através de um botão no painel de controle sem alterar o
funcionamento do restante do sistema.
O controle de temperatura será ajustado de acordo com o cultivo a ser feito
na estufa.
Optamos pelo cultivo de Pimentão para termos os parâmetros de
programação, cuja sua temperatura para um bom desenvolvimento varia ente 21ºC
e 30°C. Como temperaturas acima de 30ºC podem diminuir o tamanho e números
de frutos, optamos em fixar esse parâmetro entre 21ºC e 27ºC.
Quando a temperatura for abaixo de 21°C será acesa uma lâmpada dicroica
para aquecer o ambiente da estufa até a uma temperatura de 27°C, ultrapassando
esse parâmetro a lâmpada será desligada.
Caso a estufa atinja temperaturas acima de 27°C, um motor será acionado
fazendo com que uma tela de sombreamento seja esticada por toda a estufa
diminuindo a incidência de raios solares no ambiente, ao mesmo tempo um
ventilador e sistema de aspersão será acionado, dispersando água em forma de
nevoa, resfriando a estufa até que a temperatura atinja a temperatura mínima de
21°C, ficando nesse ciclo.
No controle de umidade será usado um sensor colocado no solo onde a
planta será cultivada. Se a umidade do solo estiver baixa, o sistema acionará uma
bomba d’agua que irá bombear a água de uma cisterna iniciando a irrigação.
A água dessa cisterna será de captação da chuva através e calhas e
condutores ligados a ela.
Essa cisterna será monitorada por um sensor que caso o nível de água fique
baixo um sistema composto por válvulas de vazão acionadas por solenoide será
acionada, liberando a água armazenada em uma caixa d’agua por gravidade.
Esse sistema funciona da seguinte forma, enquanto o sensor detectar água
na cisterna a válvula que está na sua tubulação permanecerá aberta e a válvula
que está na tubulação da caixa d’agua permanecerá fechada. Caso o sensor na
cisterna não detectar a água da cisterna a programação no CLP inverterá a lógica
das válvulas desligando a bomba d’agua e usando a água da caixa para a irrigação
por gravidade.
Ambos os modos de irrigação serão feitos por gotejamento tendo a tubulação
rente ao solo, evitando assim erosão junto a planta.
4 Considerações Finais
O propósito principal de nosso projeto foi desenvolver uma estufa
automatizada de baixo custo para auxiliar o pequeno e micro produtor com a
utilização de um sistema que engloba CLP, Sensores, Atuadores, motores e
bombas, instalados em uma estrutura feita em madeira coberta por plásticos, tudo
isso visando uma comodidade melhor para o micro e pequeno produtor.
Através de pesquisas em livros e sites sobre estufas e equipamentos para
automação é que conseguimos alcançar este objetivo, fazer com que estes
produtores tenham um melhor desenvolvimento de seu cultivo na estufa, pois o
produtor terá um clima estabilizado, de acordo com o que ele for produzir, sem risco
para a planta cultivada, e foi através dessas pesquisas que encontramos boa parte
do equipamento a um preço acessível e também um informe técnico com um
modelo de estufa de baixo custo feita em madeira porém não automatizada.
A nossa metodologia foi alcançada, pois desenvolvemos o protótipo da
estufa e a programação na qual ela irá funcionar, assim como a bibliografia que
também nos auxiliou nas análises para o desenvolvimento de nosso projeto diante
do tema que criamos, uma estufa de baixo custo.
Na página www.pesagro.rj.gov.br/publicacao.html, podemos encontrar o
informe técnico da PESAGRO–RIO Empresa de Pesquisa Agropecuária do Estado
do Rio de Janeiro, referente a construção de estufas de baixo custo sem
automatização. Com base nesses dados fizemos um orçamento em Garça-SP dos
materiais necessários para construção dessa estufa e fizemos também um
orçamento de uma estufa não automatizada, fabricada pela Zanatta Estufas.
Vejamos então os orçamentos das duas estufas.
Fonte: PESAGRO-RIO (2015).
MODELO DE 5 METROS DE LARGURA da PESAGRO-RIO
O projeto apresentado é de uma estufa de 60m2 (4 módulos de 3,00m) com
1,80m de pé direito.
Material e Custos
• 7 pernas de três (6,0 x 7,5 cm) de Garapeira com 3,70m = R$ 168,00
• 10 pernas de três (6,0 x 7,5 cm) de Garapeira com 2,50m = R$ 150,00.
• 2 caibros (3,0 x 7,5 cm) de Garapeira com 6,00m = R$ 72,00.
• 8 caibros (3,0 x 7,5 cm) de Garapeira com 1,70m = R$ 96,00.
• 8 caibros (3,0 x 7,5 cm) de Garapeira com 3,00m = R$ 144,00.
• 8 ripas de Cambará ou Cedrinho (3,0 x 1,5cm) com 4,00m = R$ 41,60.
• 5 varas de vergalhão 3/8” com 12m de comprimento = R$ 172,00.
• 30 metros de mangueira de polietileno 3/4” = R$ 63,00.
• 5 kg de arame no 12 = R$ 42,50.
• 2 kg de prego 19 x 36 = R$ 15,40.
• 1 kg de prego 15 x 15 = R$ 8,50.
• 30 metros de plástico agrícola de 100 micra e 6,00 m de largura = R$ 396,00.
Total: R$ 1369,00
Orçamento feito na cidade e Garça – SP em 16/03/2015.
Fonte: Os Autores (2015).
ESTUFA MODELO ZANNA TREL “P” CLIMATIZADA da ZANATTA ESTUFAS
Essa estrutura apresentada pela Zannatta Estufas é construída com pés direito em
concreto, possui climatização, teto em estrutura metálica, calhas em alumínio e anti
sala para a descontaminação do trabalhador antes de entrar no ambiente do cultivo,
mas não é automatizada.
Descrição Quantidade Valor Total
Estufa Zanna Trell “P” 6,40 x9,0 x4,0m 1 R$ 12.200,82
Sistema de Refrigeração Frontal 1 R$ 16.302,07
Sistema de Movimentação interno – Abertura com motoredutores e fins de curso tradicional tela em camada de esterfil
1 R$ 5.773,46
TOTAL R$ 34.276,35
Santo Antônio de Posse, 08 de Abril de 2015.
Fonte: ZANATTA ESTUFAS (2015).
Em uma primeira analise podemos visualizar uma grande diferença de
preços entre a estufa da Pesagro e a da Zanatta. Apesar dos materiais empregados
nas duas estufas serem totalmente diferentes, porém o que realmente nos interessa
é o custo.
Foi partindo desses dados que criamos nosso protótipo e fizemos os cálculos
para confirmar realmente o baixo custo do nosso projeto.
Em nosso protótipo utilizamos os materiais descritos e seus respectivos
preços.
MATERIAL PARA O PROTÓTIPO
1 CLP Spark2 = R$ 284,60
9 Reles 5 pinos 12 volts – 15 amperes = R$ 45,00
1 Regulador de tensão 7805 = R$ 2,50
1 Comparador de tensão LM393 = R$ 8,00
4 Resistores 10K ohms = R$ 1,00
4 Resistores 1K ohm = R$1,00
4 Capacitores cerâmicos 100nF = R$1,00
3 LEDs 3mm vermelhos = R$ 1,00
2 Placas ilhadas 15x15 cm = R$ 20,00
1 Fonte usada para computador = R$ 30,00
1 Botão de emergência com trava = R$ 18,00
3 Chaves gangorras (interruptores) = R$ 3,00
4 Coolers usados para computadores = R$ 40,00
1 Lâmpada dicroica 50W = R$ 25,00
1 Soquete para dicroica = R$ 3,50
1 Caixa para painel com chave 10x15 polegadas = R$ 100,00
1 motor usado para vidro elétrico = R$ 80,00
2 Válvulas solenoides para máquina de lavar = R$ 40,00
3 bombas para limpador de para brisas = R$ 60,00
2 Conexões “T” 5mm para combustível = R$ 7,00
1 conexão “T” ½” para irrigação = R$ 1,50
2 Baldes = R$ 10,00
1 metro de plástico agrícola 100 micras = R$ 13,00
50 centímetros de sombrite 35% = R$ 1,45
1,50 metros ferro redondo ¼” = R$ 3,50
6 metros ferro chato 1”x 1/8” = R$ 16,37
1 metro ferro chato ½” x 1/8” = R$ 2,50
50 metros de cabo flexível 1,5mm2 = R$ 35,00
25 metros sarrafo madeira 2,5cm x 5,0cm = R$ 62,50
10 tabuas para forro com 3,5 m = R$ 33,00
2 metros mangueira cristal ½” = R$ 4,40
4 metros mangueira cristal 3/8” = R$ 6,40
5 metros mangueira 5mm para combustível = R$ 12,00
TOTAL ------------------------------------------------------ R$ 902,22
Fonte: Os Autores (2015).
Para a construção de uma estufa 60m2, que teria 5m de largura por 12m de
comprimento, chegamos nos valores descritos:
Estrutura da estufa = R$ 1369,00
Painel de comando com CLP = R$ 515,10
Sombrite 35% com 12 m comprimento x 4m largura = R$ 69,60
4 ventiladores industrial = R$ 760,00
4 aquecedores = R$ 360,00
2 moto redutor portão automático = R$ 600,00
12 jogos de corrente transmissão ½” x 1/8” = R$ 180,00
2 bombas submersas sapo = R$ 520,00
3 válvulas solenoides ¾” = R$ 300,00
5 Kits de conexões para irrigação = R$ 125,00
2 rolos 100m de mangueira gotejamento = R$ 70,00
500m cabo flexível 2,5mm2 = R$ 500,00
Preço total da estufa = R$ 5369,10
Fonte: Os Autores (2015).
Analisando os valores calculados anteriormente, concluímos que realmente
é possível construir uma estufa de baixo custo e automatizada auxiliando o micro e
pequeno agricultor.
5 Referências.
CHERMONT, Marlon; et al. Automação predial aplicada em estufas. In.: Congresso Brasileiro de Agro informática, V, 2005, Londrina. Disponível em: <http://www.sbiagro.org.br/pdf/v_congresso/Trabalho18.pdf>. Acesso em: 20 abr. 2015.
FRANCHI, Cleiton Moro; CAMARGO, Valter Luís Almeida de. Definição de CLP Controladores Lógicos Programáveis Sistemas Discretos.1. ed. - São Paulo: Érica, 2008.p.24, p.25. KÖCHE, José Carlos. Definição de pesquisa experimental. Fundamentos de Metodologia Científica Teoria da Ciência e Iniciação à Pesquisa. ed. Digital –Petrópolis, RJ: Vozes, 2011. P.122. LEAL, M. A. de A.; CAETANO, L. C. S.: FERREIRA, J. M. Estufa de baixo custo: modelo PESAGRORIO. 2. ed. Niterói: PESAGRO-RIO, 2006. 30 p. PEREIRA, Sergio. Controladores Lógicos Programáveis. 2003. 33 fls. Apostila (Departamento de Engenharia Energia e Automação Elétricas) – Universidade de São Paulo, USP, São Paulo. PICTRONICS. Sensor de temperatura LM35. Disponível em: <http://www.pictronics.com.br/projetos/86-lendo-temperaturas-com-pic-e-lm35.html>. Acesso em: 10 maio 2015. SILVA, Rodolfo. Estufa automatizada para cultivo de plantas – Componentes atuadores do sistema. In.: Congresso Nacional de Iniciação Científica, 13º, 2013, Campinas. Anais... Campinas: Faculdade Anhangueras de Campinas, 2013. WEBTRONICO. Sensor de umidade de solo. Disponível em: <http://www.webtronico.com/sensor-de-umidade-de-solo.html>. Acesso em: 12 maio 2015.