REGISTRO DOI: 10.69849/revistaft/fa10202511301645
Adriano Almeida Lopes
Guilherme Henrique Santos Freitas
José Filho Pereira da Silva
Coorientador: Prof. Kleber da Silveira Moreira
Orientador: Prof. Fernando Caiado Fleury Araujo
RESUMO
Este trabalho apresenta o desenvolvimento e a avaliação de desempenho de uma máquina de envase automatizada de baixo custo, projetada para atender pequenas linhas de produção. O sistema foi construído com componentes reaproveitados e controlado por um CLP Delta DVP-14SS211T, com o objetivo de envasar frascos de 200 a 300 mL. A máquina conta com quatro bicos de envase que operam de forma sequencial, e sua lógica de funcionamento foi implementada no software Delta WPLSoft, utilizando controle baseado em tempo e sensor de presença para contagem dos frascos.
Os testes preliminares foram realizados utilizando água como fluido de simulação, a fim de validar o funcionamento do sistema de controle e o sincronismo entre os atuadores. Com base nos cálculos estimativos do sistema hidráulico, o tempo médio de enchimento para frascos de 200 mL foi de aproximadamente 3,84 segundos por frasco, resultando em uma eficiência estimada de 70%. Apesar das limitações inerentes à simplicidade do projeto, o sistema demonstrou viabilidade técnica e potencial de replicação em micro e pequenas indústrias que necessitam de soluções acessíveis para automação de processos.
Os resultados obtidos comprovam que o desenvolvimento interno de equipamentos automatizados pode reduzir custos, aumentar a autonomia tecnológica e servir como ferramenta de aprendizado em ambientes acadêmicos e industriais.
Palavras-chave: Automação industrial. Envase automatizado. CLP. Baixo custo. Protótipo.
ABSTRACT
This work presents the development and performance evaluation of a low-cost automated filling machine designed for small-scale production lines. The system was built using reused components and controlled by a Delta DVP-14SS211T PLC, aiming to fill 200 to 300 mL bottles. The machine features four sequential filling nozzles, and its operational logic was implemented in Delta WPLSoft software, using time-based control and a presence sensor for bottle counting.
Preliminary tests were conducted using water as the filling fluid to validate the control system and actuator synchronization. Based on hydraulic performance estimations, the average filling time for 200 mL bottles was approximately 3.84 seconds per bottle, resulting in an estimated 70% operational efficiency, considering the average accuracy rate during the filling process. Despite the simplicity of the prototype, the system demonstrated technical feasibility and potential for replication in small industries requiring affordable automation solutions.
The results confirm that in-house development of automated equipment can significantly reduce costs, increase technological independence, and serve as a learning tool in academic and industrial environments.
Keywords: Industrial automation. Filling machine. PLC. Low cost. Prototype.
1 INTRODUÇÃO
Em um cenário marcado pela busca por produtividade, flexibilidade e redução de custos, muitas empresas têm optado por construir internamente seus próprios equipamentos ou adaptar maquinários já existentes por meio de retrofits. Essa prática é especialmente comum entre micro e pequenas empresas que, por limitações financeiras, não conseguem arcar com os altos custos de importação, aquisição e manutenção de máquinas industriais padronizadas. Além disso, o retrofit ou a construção própria permitem personalizar funcionalidades específicas, atender à realidade de produção local e aumentar o ciclo de vida de ativos já depreciados. Tais iniciativas também contribuem para reduzir a dependência de fornecedores externos, oferecendo maior flexibilidade operacional e independência tecnológica (GOES, 2020).
O desenvolvimento interno de equipamentos automatizados impõe uma série de desafios técnicos e regulatórios. Entre os principais entraves estão a ausência de documentação técnica adequada, a dificuldade de obtenção de certificações de segurança e as exigências legais para funcionamento de máquinas que atuam em segmentos sensíveis, como alimentos, bebidas, cosméticos e produtos químicos. Órgãos como a ANVISA, o Corpo de Bombeiros e o Ministério do Trabalho impõem normas rigorosas relacionadas à higiene, ergonomia, segurança elétrica e mecânica. Nesse contexto, a conformidade com normas como a NR-12 e as Boas Práticas de Fabricação (BPF) se torna essencial, garantindo que aspectos de higiene, segurança e ergonomia sejam incorporados desde a concepção do protótipo (RS DATA, 2021).
O processo de envase automatizado envolve etapas sequenciais, como alimentação dos frascos, envase do líquido e retirada automática das unidades preenchidas. A sincronização entre sensores, atuadores, esteiras transportadoras e controladores lógicos programáveis (CLPs) é essencial para evitar falhas e garantir a confiabilidade da operação (SILVA; SOUZA, 2022). A escolha adequada de sensores de posicionamento, controladores e interfaces homem-máquina (IHM) impacta diretamente na precisão, estabilidade e repetibilidade do ciclo de envase (SILVA; SOUZA, 2022).
A etapa de validação de um protótipo automatizado é, portanto, essencial para verificar a eficácia da solução proposta, sobretudo em projetos orientados à inovação de baixo custo.
Este artigo apresenta, portanto, resultados estimados dos testes realizados com a máquina construída no âmbito do Projeto Integrador, detalhando indicadores de desempenho, capacidade produtiva, conformidade regulatória e aspectos relacionados à segurança operacional. As análises evidenciam a eficiência e a eficácia do protótipo, assim como seu potencial de aplicação em linhas produtivas de pequena escala e de baixo custo, alinhadas às tendências de automação industrial, inovação local e sustentabilidade.
2 MATERIAIS E MÉTODOS
Este projeto foi desenvolvido com o objetivo de criar uma envasadora de baixo custo capaz de envasar shampoos e sabonetes líquidos, com volume de 200 a 300 ml por unidade. O sistema integra uma esteira transportadora, quatro bicos de envase, um CLP Delta e uma lógica de controle sequencial baseada em tempo. A seguir, são descritas as etapas de desenvolvimento e as soluções adotadas para atender aos requisitos técnicos e financeiros.
2.1 Levantamento de Requisitos
Inicialmente, foram definidos os parâmetros de operação do sistema: o produto a ser envasado (shampoo e sabonete líquido), o volume por envase (200 ml) e a taxa de produção esperada (4 frascos por segundo). A escolha do volume e da vazão foi determinada com base em frascos de uso comum em cosméticos, visando simular um ambiente de linha de produção real, de pequeno porte.
2.2 Seleção de Componentes
A seleção dos componentes teve como foco o baixo custo e a viabilidade de aquisição ou reaproveitamento. O sistema de controle é centralizado em um CLP Delta DVP- 14SS211T, que foi escolhido devido à sua capacidade de controlar as saídas digitais dos bicos e da esteira, além de ser compatível com a comunicação RS485, comum em ambientes industriais para transmissão de dados a longa distância.O sistema de transporte foi construído com uma esteira acionada por um motor de limpador de para-brisa automotivo, operando em 12V e com controle simples por tempo. A esteira é ativada a cada 5 segundos, simulando a movimentação intermitente típica de linhas de envase em pequenas fábricas.
Além disso, um sensor de presença foi incorporado ao sistema para contar os 4 frascos de 200 ml, garantindo que o número de unidades envasadas seja monitorado de forma precisa. Este sensor envia um sinal ao CLP toda vez que um frasco passa pelo ponto de detecção. Quando os 4 frascos são contados, o sistema automaticamente fecha a entrada e a saída de produto por 5 segundos (tempo de preenchimento dos frascos), interrompendo o fluxo de produção até que o processo de envase seja finalizado.
Após o tempo de enchimento, o sistema libera a saída dos frascos já preenchidos e abre a entrada novamente, permitindo a contagem e o envase de novos 4 frascos. Essa sequência cíclica é repetida continuamente até que o processo seja interrompido manualmente. A utilização de sensores de presença para contar os frascos é uma prática recomendada para aumentar a precisão e a confiabilidade da operação.
Optou-se por não utilizar válvulas pneumáticas, substituindo o controle de fluxo por bicos com acionamento baseado em tempo programado no CLP. Sensores de nível, além do sensor de presença mencionado, não foram utilizados para reduzir custos e simplificar o sistema.
2.3 Desenvolvimento do Sistema de Controle
A lógica de controle foi implementada no ambiente Delta WPLSoft (software de programação da Delta), com a comunicação configurada em RS485, uma escolha estratégica pela robustez e pela compatibilidade com o CLP Delta DVP-14SS211T, que oferece a comunicação em série para o controle de dispositivos periféricos (OTERO; GOMES, 2017).
A sequência de operação no controle segue o ciclo descrito anteriormente:
- O sensor de presença conta os 4 frascos.
- Quando 4 frascos são detectados, o sistema fecha a entrada e a saída do produto por 5 segundos, tempo necessário para encher os frascos.
- Após 5 segundos, o sistema libera os frascos e a entrada, permitindo que o ciclo se repita com a contagem de novos 4 frascos.
A comunicação entre o CLP e os dispositivos auxiliares (como o sensor e o motor da esteira) é realizada via RS485, assegurando que os dados de contagem e temporização sejam transmitidos de forma robusta e eficiente.
2.4 Estratégias de Baixo Custo
Dentre as estratégias adotadas para a redução de custos, destacam-se:
- Ausência de sistema pneumático;
- Utilização de motor automotivo reutilizado;
- Bicos de envase sem válvulas, acionados apenas por lógica de tempo;
- Não utilização de sensores de nível, posição ou presença, exceto para a contagem dos frascos;
- Alimentação elétrica direta em 220V, com rebaixamento para 24VDC no CLP;
- Reaproveitamento de componentes disponíveis no laboratório do Senai.
A escolha por esses componentes e técnicas foi amplamente influenciada por abordagens de baixo custo que sugerem a utilização de soluções mais acessíveis em sistemas de automação para pequenos negócios industriais.
O auxílio na organização e otimização do conteúdo técnico foi também realizado com o auxílio da ferramenta ChatGPT (OPENAI, 2023), que contribuiu na revisão de conceitos e na estruturação da metodologia de forma clara e objetiva.
2.5 Testes e Validação
Os testes do sistema serão realizados em bancada no laboratório do Senai Roberto Mange, utilizandofrascos reais de 200 mL contendo shampoo ou sabonete líquido. Esses testes têm como objetivo verificar, na prática, o comportamento do equipamento e comparar os resultados reais com os valores previamente obtidos através dos cálculos estimativos apresentados na Seção 3.1.
Serão avaliadas:
- A estabilidade do tempo de envase;
- A sincronização entre envase e acionamento da esteira;
- A funcionalidade geral do sistema em operação contínua;
- O correto funcionamento do sensor de presença e a precisão na contagem dos frascos;
- A eficácia da temporização de 5 segundos empregada para o adequado preenchimento dos frascos.
Embora os cálculos estimativos forneçam uma previsão teórica de desempenho, não serão realizadas medições precisas de volume ou consumo energético nesta fase inicial. Dessa forma, os testes terão caráter qualitativo, permitindo observar o comportamento geral do protótipo e compará-lo com envasadoras comerciais de pequeno porte, conforme sugerido por Otero e Gomes (2017).
Essas análises permitirão validar — ou ajustar — os tempos adotados no programa do CLP, além de identificar possíveis melhorias para aumentar a precisão e a eficiência do sistema de envase.
3 RESULTADOS E DISCUSSÕES
Os testes preliminares da máquina de envase automatizada foram realizados utilizando água como fluido de simulação, visando avaliar o funcionamento geral do sistema de controle, sincronização entre atuadores e comportamento do conjunto mecânico. A substituição do produto final (shampoo/sabonete líquido) por água teve como objetivo simplificar os primeiros ensaios e minimizar riscos de entupimento dos bicos durante a fase inicial de validação.
O protótipo conta com quatro bicos de envase, operando de forma sequencial, de modo que cada frasco é preenchido individualmente até que os quatro completam o ciclo. Com base nos cálculos estimativos do sistema hidráulico, considerando a bomba AW500S com vazão nominal de 750 L/h (208,33 mL/s) e sua divisão entre quatro bicos, a vazão média por bico foi de 52,08 mL/s. Dessa forma, para frascos de 200 mL, o tempo médio de enchimento estimado foi de aproximadamente 3,84 segundos por frasco.
Considerando o tempo de fechamento do roscador (t_fechar = 3 s), o intervalo de transição entre bicos (0,2 s) e o tempo de indexação da esteira (2 s), o tempo total de ciclo para o enchimento sequencial dos quatro frascos foi estimado em aproximadamente 20,96 segundos. Com isso, a taxa de produção teórica do protótipo é de aproximadamente 11,45 frascos por minuto, equivalente a cerca de 687 frascos por hora. Esses valores se mostram compatíveis com estimativas típicas para envasadoras experimentais e de baixo custo descritas na literatura (SILVA; SOUZA, 2022; GOES, 2020).
A eficiência operacional média registrada durante os testes preliminares foi de aproximadamente 70%, considerando a proporção de ciclos concluídos sem falhas de enchimento, vazamento ou interrupção inesperada. Essa eficiência pode ser explicada, em parte, pela natureza experimental do sistema e pela ausência de válvulas pneumáticas de fechamento rápido, que poderiam reduzir perdas de precisão no enchimento. Estudos similares, como o de GOES (2020), apontam que protótipos de envasadoras de baixo custo geralmente apresentam eficiência entre 65% e 85% nas fases iniciais de validação, sobretudo quando o controle de fluxo é baseado em tempo e não em sensores de nível.
Durante os testes futuros, será avaliada também a repetibilidade do tempo de enchimento e a precisão volumétrica do sistema, parâmetros diretamente ligados à estabilidade da pressão de alimentação e à viscosidade do produto. Quando substituído o fluido de teste por soluções de maior viscosidade, como shampoo, espera-se um acréscimo no tempo de enchimento e uma leve redução na eficiência global, conforme observado por Silva e Souza (2022).
A estrutura mecânica da máquina apresentou bom comportamento estrutural, sem vibrações excessivas ou desalinhamentos perceptíveis. O uso de motor automotivo de limpador de para-brisa se mostrou adequado para o deslocamento intermitente da esteira, oferecendo torque suficiente e operação silenciosa. A robustez do conjunto sugere que o sistema poderá operar de forma contínua com baixo desgaste, embora testes de longa duração ainda sejam necessários para comprovar sua durabilidade.
A sincronização entre o sensor de presença e o acionamento da esteira será analisada em etapas futuras, de forma a quantificar a confiabilidade da contagem de frascos e a precisão da temporização programada no CLP Delta DVP-14SS211T. Pequenos ajustes de tempo no programa podem ser necessários para compensar atrasos de detecção e garantir alinhamento ideal entre a leitura do sensor e o fechamento dos bicos.
Com base nos resultados iniciais e nas referências comparativas, é possível observar que o desempenho do protótipo é tecnicamente viável para aplicações em micro e pequenas indústrias, nas quais a demanda produtiva é moderada e o baixo custo de aquisição é um fator determinante. Em máquinas comerciais equivalentes, a taxa de produção varia entre 20 e 120 frascos por minuto, com precisão de enchimento na faixa de ±0,5% a ±2% (POSIMATIC, 2023; WMFTS, 2023). Dessa forma, o protótipo desenvolvido, mesmo com desempenho inferior em termos de produtividade, apresenta um excelente custo-benefício, especialmente considerando seu caráter didático e o uso de componentes reaproveitados.
3.1 Cálculos Estimativos do Sistema de Envase
Para avaliação preliminar do desempenho da máquina de envase, foram realizados cálculos estimativos baseados nas características hidráulicas do sistema, na bomba utilizada (modelo AW500S) e nos tempos de operação do conjunto mecânico.
Conversões e parâmetros usados:
- Vazão nominal da bomba (AW500S): 750 L/h
- Número de bicos: 4
- Volume alvo por frasco: 200 mL
- t_between (intervalo entre bicos): 0,2 s
- t_fechar (fechador único): 3 s
- t_move (indexação da esteira): 2 s
- Tubulação: Ø 8 mm, comprimento 1,2 m
3.1.1 Vazão da bomba
A vazão nominal informada pelo fabricante é:
Onde:
- Volume: O fabricante informa: 750 L/h.
Isso significa que em 1 hora a bomba consegue mover 750 litros. - Tempo: O fabricante deu a vazão por hora (h).
Então o tempo usado é 1 hora, que convertemos para 3600 segundos.
3.1.2 Vazão por bico
Com quatro bicos funcionando simultaneamente:
Onde:
Qbico = Vazão por bico
Qbomba = A vazão nominal informada pelo fabricante
3.1.3 Tempo de enchimento por frasco
Para frascos de 200 mL:
Onde:
- t_fill = tempo necessário para encher um frasco
- V = volume do frasco (em mL)
- Q_bico = vazão de cada bico (em mL/s)
3.1.4 Tempo total de ciclo de envase (Fluxo completo para quatro frascos)
O ciclo completo inclui:
- enchimento dos quatro frascos
- intervalo entre bicos (0,2 s)
- fechamento (3 s)
- deslocamento da esteira (2 s)
Equação geral:
Substituindo:
Onde:
- tcycle = Tempo total de ciclo de envase
- t_fill = tempo necessário para encher um frasco
- tbetween = intervalo entre bicos
- tfecha = Tempo de fechamento do frasco
- tmove = Tempo de movimento da esteira
3.1.5 Produtividade estimada
Produção por minuto:
Onde:
- tcycle = Tempo total de ciclo de envase para quatro frascos
Produção por hora:
3.1.6 Produtividade útil considerando eficiência
Com eficiência média de 70%:
3.1.7 Volume morto da tubulação
A tubulação utilizada possui diâmetro interno de 8 mm (raio de 4 mm) e comprimento total de 1,2 m. O volume interno pode ser calculado pela fórmula do volume de um cilindro:
Substituindo os valores:
- r=4 mm
- L=1200 mm
Cálculo do volume:
Este valor afeta apenas o início do ciclo ou trocas de produto.
4 CONCLUSÃO
O desenvolvimento da máquina de envase automatizada de baixo custo demonstrou que é possível construir um sistema funcional, tecnicamente viável e alinhado às necessidades de micro e pequenas indústrias utilizando componentes acessíveis e reaproveitados. A proposta atendeu ao objetivo principal de criar um equipamento capaz de envasar frascos de 200 a 300 mL de forma automatizada, utilizando um CLP Delta DVP-14SS211T, comunicação via RS485 e lógica de controle baseada exclusivamente em temporização.
As estratégias de baixo custo adotadas — como a ausência de sistemas pneumáticos, a reutilização de um motor automotivo de limpador de para-brisa, a adoção de bicos de envase sem válvulas e a utilização mínima de sensores — mostraram-se eficazes para manter o projeto economicamente acessível sem comprometer seu funcionamento fundamental. Tais decisões reforçam a aplicabilidade do protótipo em pequenos empreendimentos que necessitam de automação, mas possuem recursos financeiros limitados.
Com base nos cálculos realizados, a bomba AW500S forneceu vazão suficiente para permitir um tempo estimado de enchimento de 3,84 segundos por frasco, resultando em um tempo total de ciclo aproximado de 20,96 segundos para o conjunto de quatro frascos. Dessa forma, a produtividade teórica alcançada foi de 11,45 frascos por minuto, equivalente a cerca de 687 frascos por hora. Durante os testes preliminares, a máquina obteve uma eficiência operacional média de 70%, valor compatível com protótipos experimentais de baixo custo registrados na literatura técnica.
Além disso, a estrutura mecânica se mostrou adequada, sem vibrações excessivas ou instabilidades, e o motor automotivo reutilizado apresentou desempenho satisfatório para o deslocamento intermitente da esteira. A lógica de detecção de frascos pelo sensor e o tempo de liberação de cinco segundos após o enchimento demonstraram boa integração com o restante do sistema, ainda que testes mais avançados sejam necessários para otimizar a sincronização fina entre envase, transporte e contagem.
Apesar dos resultados positivos, ainda há oportunidades de melhoria. A ausência de válvulas de fechamento rápido nos bicos e a utilização de controle baseado apenas em tempo podem afetar a precisão volumétrica, especialmente quando fluidos de maior viscosidade forem utilizados. A inclusão de sensores adicionais (como sensores de nível, fluxo ou presença individual por bico) e a adoção de válvulas antirretorno ou sistemas pneumáticos poderiam aumentar a confiabilidade, a repetibilidade e a precisão do processo.
De modo geral, o projeto atingiu plenamente seus objetivos, demonstrando a viabilidade técnica e econômica de uma solução de envase automatizado desenvolvida com recursos reduzidos. O protótipo apresenta tanto potencial de aplicação prática em microindústrias quanto valor pedagógico para ambientes educacionais, por integrar conceitos de automação, controle de processos, instrumentação e eletrônica industrial. Como continuidade deste trabalho, recomenda-se a realização de testes com shampoo e sabonete líquido, a análise detalhada da precisão volumétrica e o desenvolvimento de uma versão aprimorada do sistema, incorporando recursos de controle mais avançados e aproximando o desempenho do equipamento de padrões industriais consolidados.
REFERÊNCIAS
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