LEVEL CONTROLLER IN LIQUID RESERVOIR CASE STUDY: IN A UNIT OF THE AMAZONAS PRISON SYSTEM
REGISTRO DOI: 10.5281/zenodo.7916522
Rogelson Gonçalves Monteiro1
Roger Santos Koga2
Érika Cristina Nogueira Marques Pinheiro3
Resumo
O estudo de caso que se encontra neste trabalho de conclusão de curso tem a finalidade de avaliar a importância de uma série de práticas de acionamento e comando de um reservatório de líquido, com um controle de nível que consiste, basicamente, na medição do volume de um reservatório, no intuito de melhorar a eficiência do sistema de comando, sua manutenção e propiciar redução de custos. Para tanto, será apresentado o desenvolvimento de um projeto de sistemas para controle de nível de líquido em reservatórios, utilizando um protótipo que executa as estratégias de controle, tais estratégias são baseadas em uma bomba trifásico submersa de 7,5 cv em um poço de 100 metros de profundidade, uma bomba de 3,5 cv bifásico no poço de 80 metros de profundidade para abastecer uma cisterna, uma bomba de recalque de 5 cv para transferir água da cisterna para caixa d’água onde é distribuído para o consumo. Resultando assim, em maior segurança no abastecimento e menor custo de manutenção, dispensando a necessidade de estar a todo momento verificando se a bomba do poço e os dois reservatórios estão em atividade regular.
Palavras-chave: Controle. Nível. Protótipo. Automatização. Reservatório
ABSTRACT
The case study found in this course conclusion work, aims to assess the importance of a series of practices for activating and commanding a liquid reservoir with a level control that basically consists of measuring the volume of a reservoir, in order to improve the efficiency of the command system, its maintenance and provide cost reduction. Therefore, the development of a system design for liquid level control in reservoirs will be presented.
Using a prototype that executes the control strategies, such strategies are based on a submersible three-phase pump of 7.5 hp in a well 100 meters deep, a 3.5 hp two phase pump in the 80-meter-deep well to supply a cistern,a 5 hp booster pump to transfer water from the cistern to the water tank where it is distributed for consumption. As a result, more security of supply and lower maintenance costs, Dispensing with the need to be constantly checking whether the well pump and the two reservoirs are working regularly.
Keywords: Control. Level. Prototype. Automation. Reservoir
1 INTRODUÇÃO
Sistemas de controle surgem com a finalidade de automatizar e agilizar processos sem a intervenção humana, em um sistema de nível, por exemplo, sem automação, seria necessário que uma pessoa ficasse responsável por abrir e fechar os registros do reservatório de acordo com a necessidade. Já no automático basta ajustar a posição do equipamento que terá como objetivo controlar o nível de um determinado reservatório.
Segundo Silveira e Santos (1998, p.2), o homem sempre buscou simplificar seu trabalho de forma a substituir o esforço braçal por outros meios e mecanismos. O primeiro trabalho significativo de controle automático foi o regulador centrífugo construído por James Watt em meados do século XVlll.
Os processos automatizados ou controle de alguma variável como vazão, nível, volume e condutividade, apresentam com relação aos processos manuais vantagens imensuráveis.
A redução dos custos, se dá especificamente com o aumento da vida útil dos equipamentos, bomba, encanações e materiais elétricos, estando estes com intuito de evitar o transbordo da água e podendo ser executado em tanque aberto, fechado ou qualquer outra forma de armazenamento.
Esse sistema de comando foi projetado visando maior vida útil dos equipamentos, manter por mais tempo o funcionamento das bombas e economizar na manutenção desses equipamentos, e por esse motivo nesse projeto não será utilizado bóia eletrônica e nem CLP (controlador lógico programável).
Tal projeto tem a finalidade de controlar o nível de reservatório, usando equipamentos basicamente baratos e com grande tempo de duração, com sensores ou fim de curso, contator, chave de liga e desliga, cabos, canos de 3/4 e de 2/1, conexões e algum objeto flutuante.
Visto que um projeto com bóia eletrônica e CLP é parte essencial na indústria para controle de processos por ser um equipamento com grande capacidade de operações, tem um custo elevado, apresenta muitos problemas nas boias eletrônicas tornando a implantação de controle mais cara. Objetivando desenvolver um sistema de controle de nível com baixo custo e fácil utilização para reservatório de líquido em caixa d ́água ou tanque de combustível, específico para residência, condomínios, empresas, escolas e associações.
2 OBJETIVOS
2.1 OBJETIVO GERAL
Desenvolver um sistema de controle de nível com baixo custo e fácil utilização para reservatório de líquido em caixa d ́água ou tanque de combustível, específico para residência, condomínios, empresas, escolas e associações.
2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
• Identificar um sistema projetado especificamente para controle de nível de líquido em reservatório.
• Demonstrar o controle de nível de líquido em reservatório sem o uso de boia eletrônica e CLP (controlador lógico programável)
• Implementar um dispositivo de fim de curso ou sensor com baixo custo, fácil utilização e baixo índice de prejuízo.
2.3 JUSTIFICATIVA
A implantação de um sistema de controlador de nível em reservatório de líquido usando sensores ou fim de curso, tem um propósito comum à satisfação dos clientes.
O desenvolvimento deste trabalho justifica-se pela importância e necessidade do controle de fluidos, e ainda proporciona maior tempo de funcionamento das bombas sem grandes despesas.
Objetivando a geração de economia com a redução de manutenções corretivas das bombas centrífugas por meio de um sistema de rodízio automático, evitando seu acionamento à seco, em outras palavras, quando não houver água na cisterna. Além de evitar possíveis falhas no sistema elétrico, uma vez que isto interfere no ciclo útil das bombas.
Haverá, assim, um melhor controle dos níveis de água evitando a sua falta. Isto será possível através de um sistema automático de controle, que também permitirá efetuar as limpezas das caixas e cisternas quando estiverem com um nível baixo.
3 METODOLOGIA
A pesquisa foi realizada em uma unidade do sistema prisional, localizada na Rodovia BR 174, Km 8, s/n – Tarumā, AM. Para realização da pesquisa quanto a abordagem foi utilizado a forma qualitativa e quanto ao procedimento, estudo de caso.
A abordagem qualitativa dispõe de continuidade e entendimento sobre as informações, resultados e processos da pesquisa. Além disso, quando bem executada, a pesquisa qualitativa oferece uma ampla gama de dados que tornam os resultados muito mais assertivos.
Já o estudo de caso foi aplicado para compreender previamente os resultados observados e assim prevenir e/ou evitar problemas futuros no sistema de automação implantado.
O método de desenvolvimento adotado no estudo de caso foi a construção e utilização de um protótipo, que após levantamento teórico de automação darão embasamento para a montagem dos circuitos necessários.
Na figura abaixo o fluxograma da metodologia, apresenta as etapas que foram desenvolvidas para coletar os dados observados das informações do sistema de automação, a fim de identificar os resultados e os possíveis problemas no projeto.
Fonte: o próprio autor
4 REVISÃO DE LITERATURA
Na revisão de literatura são apresentados os conceitos abordados durante a realização deste trabalho. São vistas as formas de representação de sistemas de controle, apresenta o diagrama de comando e seus instrumentos e a forma de funcionamento, são vistos a forma de armazenamento e distribuição da água.
COMPONENTES E EQUIPAMENTO QUE ATUAM NO FUNCIONAMENTO DE UM SISTEMA DE AUTOMAÇÃO
4.1 Relé falta de fase
O relé falta de fase conforme a descrição do site Mundo da Elétrica (2020) é um dispositivo que efetua uma ação de comutação dos contatos quando identifica alguma situação. Esse relé é acionado quando falta alguma fase conforme está escrito em seu nome.
Ainda conforme o autor, existem outras condições para o acionamento, como a consistência de uma fase, a sequência errada das fases (quando o relé possui essa função), a assimetria do ângulo das fases, a tensão acima ou abaixo do limite máximo ou mínimo, na devida ordem, falta do neutro (se houver). Todas essas qualidades definem a classificação de um dispositivo de proteção .
Sua composição é feita com base em eletrônica simultaneamente com o magnetismo e seus principais elementos são: um circuito eletrônico de monitoramento de fase, um microprocessador, um relé interno e um contato comutador.
4.2 Disjuntor
A função principal de um disjuntor é interromper as correntes de falta de um determinado circuito durante o menor intervalo de tempo possível, porém, são também solicitados a interromper corrente de circuitos operando a plena carga, a vazio e ainda religar os mesmos circuitos em condições de operação normal ou em falta. (MAMEDE, 2004 pág. 19)
4.3 DPS ( Dispositivo de Proteção contra Surto )
Esses, por sua vez, são equipamentos que conseguem detectar sobre tensões transitórias na rede elétrica. Ou seja, o aparelho desvia as correntes de surto que, infelizmente, são mais comuns do que muitas pessoas imaginam — atingindo eletrônicos e eletrodomésticos, principalmente. “São dispositivos projetados para minimizar ou evitar os efeitos e impactos causados pelos transitórios e surtos que surgem no sistema de rede elétrica. Têm como princípios fundamentais limitar a sobretensão e desviar a corrente transitória” (SILVA, 2010).
4.4 Contatores
Para Souza, (2009) os contatores são dispositivos mecânicos que atuam quando sua bobina é energizada e seus contatos de força e auxiliares são ativados e comutados respectivamente.
4.5 Relé térmico
Segundo Souza, (2009) relé térmico é um dispositivo cuja função é proteger o circuito e os motores de sobreaquecimento através de sobrecorrente.
4.6 Chave de fim de curso
De acordo com o site Mundo da Elétrica (2020), a chave fim de curso é um dispositivo que consegue fazer o acionamento de um motor ou outra estrutura ligada ao seu eixo, ao chegar no limite do campo de acionamento ou chegar no final do curso.
A chave fim de curso consegue ser atuada por uma pequena força em sua alavanca onde possibilita várias vezes sua função. Essa possibilidade de acionamento é executada usando os contatos normalmente abertos ou normalmente fechados conforme a necessidade.
4.7 Válvula de retenção
Segundo o site Citisystems (2017) válvula de retenção é a válvula mais complicada já construída pelo ser humano, tornando-se pouca usada no cotidiano apesar de ser um componente crítico para o comando da direção do líquido.
A válvula de retenção ou válvula de sentido único, tem a função de direcionar o fluxo de líquido ou ar em uma única direção, evitando o retorno de líquido ou ar de um equipamento
5 ESTUDO DE CASO
Para este trabalho de pesquisa a classificação será qualitativa, baseado em um estudo de caso sobre controlador de nível em reservatório de líquido
O projeto foi dividido em três etapas, sendo a primeira a construção do protótipo controlador de nível utilizando uma caixa d’água sendo que a mesma possui dois reservatórios, tubulações, duas bombas submersa instaladas em poço e uma bomba de recalque. Na segunda etapa seguinte foi a construção dos circuitos responsável pela interface entre o protótipo e as bombas. Na terceira e última etapa, o controlador de nível foi implementado e testado.
5.1 LOCALIZAÇÃO
Tanto pesquisa quanto análise foram realizados no IPAT- Instituto Penal Antônio Trindade, uma unidade do sistema prisional do Amazonas, situada Rodovia BR 174, Km 8, s/n – Tarumã, AM
Figura 2- Mapa de satélite do google maps
Fonte: https://www.google.com/maps/@-2.9058475,-60.0362326,599m/data=!3m1!1e3/, 2023.
Em primeiro lugar verificamos a possibilidade de usar um protótipo para acionamento de bomba através de chave fim de curso, verificamos o lugar de instalação na caixa d’água e na cisterna onde foi instalado. E em seguida construímos o protótipo e fizemos o teste em reservatório pequeno usando lâmpada para simular o acionamento da bomba, ao fazer esse teste constatamos que o projeto funciona corretamente.
Figura 03- caixa d’água
No próximo passo instalamos 3 dispositivo, 2 na cisterna e 1 na caixa d’água, esses dispositivos foi feito para substituir as boias eletrônicas que as mesmas apresentavam muitos problemas, usamos dois dispositivo na cisterna para controlar as duas bombas submersas e o outro protótipo foi instalado para controlar a bomba centrífuga.
Para fazer a ligação das bombas submersa foi necessário a utilização de um auto transformador, sendo que a tensão da unidade em fase é 380 volt e as bombas submersa funcionam em 220 volt trifásico.
E para fazer a ligação da bomba centrífuga só foi preciso realizar o fechamento das bobinas da bomba em estrelas, pois a mesma possui 6 pontas e com fechamento em triângulo funciona em 220 volt trifásico e em estrela funciona 380 volt trifásico.
Figura 05- esquema elétrico de fechamento em estrela
Depois de fazer os fechamentos e ligações das bombas, fizemos o circuito de força juntamente com o circuito de comando. Nesse circuito usamos um auto transformador sendo que no seu primário foi alimentado em 380 volt trifásico e consequentemente no secundário a saída é 220 volt trifásico.
Após efetuar o fechamento das bobinas para ligação das bombas, foi montado o circuito de força juntamente com o de comando. Neste circuito usa-se um autotransformador para alimentação elétrica das bombas. Sendo que no primário do transformador a entrada é 380 volt trifásico e no secundário a saída é 220 volt.
Abaixo está o comando elétrico, que para ser montado optou-se por utilizar uma relé falta de fase para proteger o motor no caso de ausência de fase.
Fez-se uso do contato do relé térmico, interligado com a botoeira de emergência e conectado com uma chave seletora para gerir o comando manual e automático.
Figura 06- diagrama de comandos elétricos
Figura 07- Painel de comando elétrico
Figura 08- Caixa de comando elétrico
Os dois poços artesianos que estão instalados nas bombas submersas estão situados próximo a cisterna um possui 80 metros de profundidade e o outro tem 100 metros de profundidade.
Figura 09- Poço artesiano de 80 metros de profundidade
Figura 10- Poço artesiano de 100 metros de profundidade
Instaladas uma bomba centrífuga e duas bombas submersas. A centrífuga tem a função de transferir a água da cisterna para a caixa d’água e a submersa funciona para o abastecimento da cisterna.
Figura 11- bombas de centrífuga submersas
Nessa figura apresenta os dispositivos de fim de curso usado no protótipo, esses elementos possuem dois contatos normalmente aberto e normalmente fechado.
Figura 12- dispositivo de fim de curso ou sensor
Figura 13- dispositivo de controle de nível no reservatório
Para montar os dois circuitos usamos os seguintes equipamentos elétricos: 1 disjuntor geral trifásico de 70 amperes, 1 disjuntor trifasico de 25 amperes para a bomba submersa com potência de 3,5 cv, 1 disjuntor trifasico de 32 amperes para a bomba submersa com potencia de 7,5 cv, 1 disjuntor trifasico de 20 amperes para a bomba centrifuga, 3 contator, 3 botoeira, 3 relé térmico, 1 relé falta de fase, 3 sinaleiras, 1 disjuntor monofásico de 16 amperes para o circuito de comando.
CONSIDERAÇÕES FINAIS
Em virtude dos dados mencionados, mostrou-se que o emprego de um protótipo com fim de curso ou sensor é muito mais funcional para o controle de nível em reservatório, baseado no objetivo proposto e nos resultados obtidos, provou-se possível automatizar o nível de água, além da garantia de economia devido a redução de problemas que havia com o uso de boia.
Para concretização desse objetivo e montagem do projeto foram instaladas duas bombas submersas com as tubulações até os reservatórios, uma bomba de recalque instalada na cisterna com conexão até a caixa d ‘ água. O protótipo foi construído e instalado nos reservatórios e a automação foi projetada através de comando elétrico.
Dessa forma foi identificado um sistema projetado especificamente para controle de nível de líquido em reservatório. Demonstrando o controle de nível de líquido em reservatório sem o uso de bóia eletrônica e controlador lógico programável, através da implementação de um dispositivo de fim de curso ou sensor com baixo custo, fácil utilização e baixo índice de prejuízo.
Para posteridade almeja-se aprimorar ainda mais a pesquisa sobre controlador de nível usando esses materiais e possivelmente adicionando outros equipamentos conforme a necessidade, desde que contribuam para manter o bom funcionamento, de forma a minimizar a manutenção corretiva.
REFERÊNCIAS
MAMEDE, J. P. Previsão de manutenção de disjuntores dos alimentadores de distribuição de energia elétrica pelo método de curto-circuito probabilístico. Campinas: Dissertação (Mestrado)–Universidade Estadual de Campinas, 2004.disponível em https://doi.org/10.47749/T/UNICAMP.2004.307161/>. Acesso em 09 de abril de 2023
SILVA, O. A. D. Metodologia para subsidiar a análise de solicitações de ressarcimento por danos, utilizando-se dispositivos de proteção contra surtos. Universidade Federal de Uberlândia. Uberlândia. 2010. Disponível em: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/14449/>. acesso em 09 de abr 2023
SILVEIRA, P. R. D.; SANTOS, W. E. Automação e Controle Discreto. São Paulo: Érica, 2003.
CITISYSTEMS. Válvula de retenção é como funciona. Disponível em: https://www.citisystems.com.br/valvula-de-retencao/?amp=1/>. acesso em 18 de abr. 2023.
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SOUZA, N. Apostila de acionamentos elétricos. Curso de Eletrotécnica. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Rio Grande do Norte, 2009. Disponível em: <http://docente.ifrn.edu.br/heliopinheiro/Disciplinas/maquinas-eacionamentoseletricos-ii/apostila-basica/>. Acesso em: 09 abr. 2023.
1Graduando em Engenharia Elétrica na Universidade Nilton Lins
(UNL), Endereço: Av. Prof. Nilton Lins 3259, Flores, Manaus–AM, Brasil, E-mail:
rogelsonnmonteiroo@gmail.com
2Especialização em Engenharia de Controle e Automação Universidade Gama
Filho, E-mail: rogerkoga@yahoo.com.br.
3Especialista em Didática no Ensino Superior e Teoria e
Docente em EAD, professora na Graduação na Universidade Nilton Lins (UNL) e Estácio – Manaus –
AM, E-mail: erikamarquespinheiro@gmail.com.