controle de motor de passo empregado em fermentação semi
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Renan Lopes Pisani
Controle de Motor de Passo Empregado em Fermentação Semi-Sólida para Amostragem de Gases
Utilizando as Ferramentas Computacionais LabVIEW® e Measurement and Automation
São Carlos
2011
Renan Lopes Pisani
Controle de Motor de Passo Empregado em Fermentação Semi-Sólida para Amostragem de Gases
Utilizando as Ferramentas Computacionais LabVIEW® e Measurement and Automation
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Escola de
Engenharia de São Carlos, da Universidade de São Paulo
Curso de Engenharia Elétrica com ênfase em Sistemas de
Energia e Automação
ORIENTADOR: Prof. Dr. Manoel Luís Aguiar
São Carlos
2011
AUTORIZO A REPRODUÇÃO E DIVULGAÇÃO TOTAL OU PARCIAL DESTE TRABALHO, POR QUALQUER MEIO CONVENCIONAL OU ELETRÔNICO, PARA FINS DE ESTUDO E PESQUISA, DESDE QUE CITADA A FONTE.
Ficha catalográfica preparada pela Seção de Tratamento da Informação do Serviço de Biblioteca – EESC/USP
Pisani, Renan Lopes
P674c Controle de motor de passo empregado em fermentação
semi-sólida para amostragem de gases utilizando as
ferramentas computacionais LabVIEW e Measurement and
Automation / Renan Lopes Pisani ; orientador Manoel Luís
Aguiar.
Monografia (Graduação em Engenharia Elétrica com
ênfase em Energia e Automação) -- Escola de Engenharia
de São Carlos da Universidade de São Paulo, 2011.
1. LabVIEW. 2. Motor de passo. 3. Measurement and
Automation. 4. Fonte de tensão. 5. Fermentação semi-
sólida. 6. Automação. 7. Placa de aquisição de dados.
I. Titulo.
- À minha família, que tanto me apoiou desde sempre.
- Aos meus amigos.
i
Resumo
Este trabalho expõe o projeto de formatura do aluno de engenharia elétrica com ênfase em
sistemas de energia e automação da Universidade de São Paulo, Renan Lopes Pisani. O
trabalho é baseado em um estágio realizado na Embrapa – Empresa Brasileira de Pesquisa
Agropecuária, na unidade Instrumentação Agropecuária e no Laboratório de Agroenergia. O
trabalho teve como objetivo a programação em LabVIEW® com o suporte da ferramenta
computacional Measurement and Automation assistida por um projeto de circuitos
eletrônicos e uma fonte de tensão para controlar processos que automatizam uma prática de
fermentação em estado sólido (conhecido também como fermentação semi-sólida), cujos
escopos são a produção e o posterior aproveitamento das enzimas geradas nessa
fermentação, através do acionamento de um motor de passo relativamente forte. Todo o
sistema, exceto a placa de aquisição, é alimentado pela fonte de tensão, que foi construída
pelo aluno. O motor de passo é acoplado a uma peça de PVC, construída na oficina da
própria Embrapa, que tem a finalidade de amostrar gases oriundos do processo de
fermentação, que ocorre em diversos tubos imersos em água para a manutenção da
temperatura do sistema.
ii
Abstract
This task exposes the graduation’s project draw up by Renan Lopes Pisani, attendant of the
Electrical Engineering – emphasis in Energy Systems and Automation course, at
Universidade de São Paulo. The coming scheme is based on a traineeship took at Embrapa
– Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária, on the Instrumentação Agropecuária unit
and at Agroenergia Lab. The project’s purpose was LabVIEW® programming with the
computational tool Measurement and Automation® support, assisted by electronic circuits
and a voltage source to control the process that automatizes the process solid state
fermentation practice, which intents are the production and utilization of the enzymes
produced during the operating, made by the activation of a step motor, relatively strong. The
whole system, except the acquisition board, is supplied by the voltage source designed by
the student. The step motor is connected to a PVC piece, built at Embrapa’s workshop, and it
aim is point out gases that came from the fermentation process, that occurs in several tubs
plunged into water, also, it is responsible for the temperature control maintenance during the
proceeding,
iii
Sumário
1. Introdução .............................................................................................................. 1
2. A Empresa Onde o Trabalho Foi Colocado em Prática .......................................... 3
3. O Programa LabVIEW® e o Measurement and Automation ................................. 5
3.1. Definição e Explanação ............................................................................................. 5
3.2. O Measurement and Automation Explorer ............................................................. 6
4. A Automação do Processo de Fermentação - Execução ....................................... 9
4.1. A Fermentação Semi-sólida ou em Estado Sólido ................................................ 9
4.2. Utilização das Ferramentas Auxiliares .................................................................. 11
4.2.1. Placa de Aquisição DAQmx USB .......................................................................... 11
4.2.2. O Motor de Passo e Seu Driver ............................................................................. 12
4.3. Programação ............................................................................................................. 13
4.3.1. Organizando e Selecionando Os Sinais em uma Matriz de Dados.................. 15
4.3.2. Controle do Motor e Configuração dos Canais de I/O Utilizados ..................... 17
5. Instrumentação Complementar ............................................................................ 25
5.1. Fonte de Tensão ....................................................................................................... 25
5.2. Relé, Reguladores de Tensão e BJTs .................................................................. 25
6. Conclusões e Pareceres ...................................................................................... 27
7. Agradecimentos ................................................................................................... 29
8. Referências Bibliográficas ................................................................................... 31
iv
Índice de Figuras
Biorreatores de fermentação tipo coluna....................................................................... 3
Área de desenvolvimento do LabVIEW® ...................................................................... 6
Measurement and Automation ...................................................................................... 7
O multiplexador de gases ........................................................................................... 10
Placa de aquisição DAQmx USB-6281 ....................................................................... 11
O motor de passo NEMA23 ........................................................................................ 12
Esquema de funcionamento de motor de passo ......................................................... 13
Driver para motor de passo bipolar TKA17 ................................................................. 13
Os sinais de entrada, provenientes dos sensores de concentração de CO2 ............... 14
Dez sinais sendo selecionados a partir de uma matriz ................................................ 16
A interface do MAX com as opções de geração/aquisição de sinais ........................... 18
O Read.vi pertinente ao sinal proveniente de emissor do fototransistor ...................... 19
Um Write.vi associado a uma forma de onda do tipo “Toggle” .................................... 20
As conexões virtuais do Write.vi ................................................................................. 20
O loop While ............................................................................................................... 21
O loop While com uso do terminal condicional ............................................................ 21
Acionamento do motor utilizando-se de um relé ......................................................... 22
Ferramenta de seleção de SUBvi ............................................................................... 23
O painel frontal do programa ...................................................................................... 27
1
1. Introdução
A fermentação em estado sólido em reator tipo coluna é realizada em caixas de banho
termostatizado. Nessas caixas são colocadas colunas que contém o substrato e o fungo
necessários para a fermentação. São utilizados diversos tipos de substrato, como fibras de
cana-de-açúcar, trigo, casca de côco, entre outros. As enzimas produzida pelos fungos têm
ampla utilidade na indústria química.
Utilizando o LabVIEW®, vários parâmetros da fermentação são aferidos e plotados
graficamente (pressão, temperatura, fluxo de gases e, principalmente, a concentração de
CO2), afim de que seja possível verificar o estágio de evolução dos fungos e a sobrevivência
ou não dos mesmos. Estes parâmetros são aferidos por sensores cujas saídas são ligadas
em uma placa de aquisição de dados.
Há necessidade, em alguns casos, da fermentação simultânea em diversas colunas com
variação dos parâmetros, principalmente a umidade, entre os biorreatores. Esses processos
são, muitas vezes, realizados em duplicata ou triplicata. No entanto, a quantidade de
sensores pode não ser suficiente para que sejam amostrados todos os parâmetros das
diversas colunas tubulares de fermentação. Dessa forma, foi preciso elaborar um sistema
que amostrasse os gases de cada uma das colunas e enviasse dois a dois (há 2 sensores
de concentração de ) para a entrada dos sensores, ocorrendo uma espécie de
multiplexação dos gases que entram no amostrador. Um motor de passo que é controlado
pelo próprio programa em LabVIEW® através da geração de pulsos na placa de aquisição
(o que permite total sincronia entre aferição dos parâmetros e controle do motor) é acoplado
a um sistema de amostragem de gases que capta informações das colunas e plota um
gráfico de aquicição de CO2 no programa, além de salvar as quantias em um arquivo de
texto. O que foi feito, então, é uma automação do processo de análise da fermentação, já
que várias colunas são aferidas, duas a duas, em um intervalo de um minuto e meio. Antes
do presente trabalho, apenas duas colunas podiam ser analisadas. Contudo, após a
automatização, em uma única fermentação até dez colunas podem ser conferidas em um
único estágio. Tornando o processo de aquisição de CO2 mais eficiente e confiável.
2
3
2. A Empresa Onde o Trabalho Foi Colocado em Prática
A Embrapa é uma empresa pública de pesquisas relacionadas à agropecuária. Em seus
laboratórios são realizados experimentos de diversos tipos que visam à melhoria tecnológica
da agricultura e pecuária no Brasil e no exterior. Além disso, a empresa busca tecnologias
desenvolvidas no exterior que podem ser utilizadas no Brasil.
No Laboratório de Agroenergia, são realizadas pesquisas relacionadas a técnicas de
fermentação em estado sólido. As enzimas geradas no processo de fermentação são o que,
de fato, interessam como produto das pesquisas. Estes catalisadores têm vastíssima
aplicação na indústria química, principalmente no que diz respeito à produção do etanol.
Desta forma, estudos são necessários para a automação do processo de aquisição de
gases dos processos de fermentação em estado sólido em biorreator de bancada para uma
maior produção enzimática englobando desde a disposição dos fungos nas colunas
tubulares de fermentação até os parâmetros químicos interessantes no processo.
Figura 1 – Biarreatores de fermentação em estado sólido tipo coluna submersos em água aquecida
4
5
3. O Programa LabVIEW® e o Measurement and Automation
3.1. Definição e Explanação
O LabVIEW® é um ambiente de linguagem gráfica de programação que utiliza ícones e
linhas como num fluxograma que permite agregar outros módulos de aplicações mais
específicas para trabalhos que envolvem imagens, controle de motores, aquisição e
armazenamento de dados, controle de instrumento, FPGA, internet, etc. É um software
utilizado em âmbito mundial por engenheiros e cientistas para desenvolver sofisticados
sistemas integrando hardware e software além de simular sistemas de controle, entre
outros.
As ferramentas básicas, inclusas nas bibliotecas do programa e representadas por
ícones, são os VIs (virtual instruments) que, como sugere o nome, são instrumentos virtuais
que simulam ferramentas físicas ou manipulação de dados (operações matemáticas,
comparações booleanas, captura de imagem, plotagem de gráficos, geração de funções,
entre outros). Esses elementos são apresentados através do formato de arquivo “.vi” e é
com a utilização dos mesmos que a programação em LabVIEW® é definida.
A área de programação se divide em duas janelas principais: o “Front Panel” e o “Block
Diagram”.
O Front Panel (painel frontal), é a interface entre o usuário e o programa. Através dele há
o acesso aos controles (controls, no painel frontal), que podem ser botões virtuais, dados
gráficos, strings de entrada ou saída, indicadores e controles numéricos e instrumentos
virtuais que informam sobre o estado atual do programa quando o mesmo está sendo
executado.
A cada ferramenta virtual do painel frontal á associado um ícone no Diagrama de Blocos
(Block Diagram), onde, através de linhas de fluxo, se podem definir as relações entre as
entradas e saídas e as manipulações dos sinais tratados no programa, além da
possibilidade da criação de sequências de ações bem definidas.
Utilizando-se das Estruturas (Structures, no diagrama de blocos), é possível a execução
de diagramas ou subdiagramas de programação certa quantidade definida de vezes ou a
execução “enquanto não houver parada”, definida pelo programador. Além disso, é
praticável a elaboração de sequências de execuções e até mesmo estruturas de programa
com controle temporal e, ainda, diagramas de “execute caso for verdade”.
6
Para se ter uma ideia da grande utilização do LabVIEW® por parte dos engenheiros e
técnicos, muitos fabricantes de equipamentos e instrumentos possuem ferramentas neste
ambiente, com diferentes interfaces e um pequeno conjunto de tarefas em fluxograma. São
os drivers de instrumentos (Instrument Drivers), disponíveis gratuitamente pela National
(http://www.ni.com/devzone/idnet/) e mediante registro no site da National. São 4.800 drivers
disponíveis para download.
Trabalhar com o LabVIEW® geralmente decorre da necessidade de se trabalhar com
aquisição, geração e/ou controle de dados. Para isso, utilizam-se placas de aquisição de
dados, também disponibilizadas pela National Instruments, que são os instrumentos que
tratam diretamente com o mundo real, ou seja, com os dados que serão recebidos ou
gerados.
Figura 2 - Área de desenvolvimento do LabVIEW®
3.2. O Measurement and Automation Explorer
Para utilizar as placas de aquisição/geração/controle de sinais, o LabVIEW® conta com
um outro programa, o Measurement and Automation, que faz a interface entre o LabVIEW®
e a placa de aquisição e é o programa através do qual determinamos todas as
configurações do tratamento dos sinais, já que é necessário informar ao programa se o sinal
é de entrada, de saída, analógico, digital, a ordem de grandeza do sinal, a natureza do sinal,
etc. Além disso, podemos selecionar qual será a porta física (physical channel) em que o
sinal será tratado.
Através dos ícones de entrada/saída de sinal no diagrama de blocos do LabVIEW® (VIs
chamados de read.vi ou write.vi), podemos acessar os canais previamente criados e
configurados no Measurement and Automation.
7
O programa, juntamente com o LabVIEW®, foi utilizado neste projeto devido a sua
poderosa interface, além do fato de que as aquisições das grandezas referente às
fermentações eram de antemão realizadas com este programa.
Figura 3 – Measurement and Automation
8
9
4. Execução da Automação do Processo de Fermentação
4.1. A Fermentação Semi-sólida ou em Estado Sólido
A fermentação submersa é amplamente utilizada como método de processamento
biológico básico para a produção de inúmeras substâncias químicas, ingredientes
alimentícios e produtos farmacêuticos. A fermentação em estado sólido, ou fermentação
semi-sólida pode ser até mais útil e eficiente devido à exposição direta ao ar das células
vivas (Oostra et al., 2001), ao contrário da fermentação submersa na qual a disponibilidade
de oxigênio é limitada pela baixa solubilidade do gás na solução aquosa em que as células
se dispõem (Von Meien et al., 2004)
A fermentação semi-sólida, ou em estado sólido, envolve o crescimento de
microrganismos sobre substratos sólidos úmidos na ausência de água livre. A ausência de
água livre torna o sistema completamente diferente da fermentação submersa, tornando a
fermentação semi-sólida superior no que diz respeito à produção de alguns produtos. Para o
controle de temperatura, entre outros parâmetros, a fermentação pode ser realizada com o
substrato submerso, mas sem que haja contato direto entre o substrato e a água.
No Laboratório de Agroenergia, a fermentação é realizada em caixas de acrílico cheias de
água, são as caixas de banho termostatizado. Nestas caixas, há o controle da temperatura
do processo de fermentação através de uma resistência elétrica disposta no interior do
equipamento. A água fica em constante agitação. Assim, a homogeneidade da temperatura
dentro da caixa é asseverada. Ou seja, todos os tubos onde ocorrem as fermentações
permanecem em uma mesma temperatura.
Geralmente, vários tubos (colunas) são estudados simultaneamente. Isso porque as
fermentações podem ser realizadas em duplicata ou em triplicata, para garantir a exatidão
das aferições do processo de fermentação. Em tubos distintos são estudadas as
fermentações de um mesmo substrato por uma mesma espécie de fungo. Sendo assim,
dependendo do número de colunas utilizadas, pode não haver sensores suficientes
disponíveis para a aquisição das variáveis aferíveis. Em adição a este fato, sobrevêm que o
programa LabVIEW® não pode executar estruturas de repetição1 com muitos dados
analógicos de entrada sendo recebidos simultaneamente. Se muitas medições analógicas
são realizadas ao mesmo tempo dentro de um em um loop, por exemplo, o programa pode
exibir uma mensagem de erro informando que uma tarefa não pode ser realizada.
1No programa LabVIEW®, muitos programas são feitos utilizando-se das “Estruturas”, que permitem a execução de
uma tarefa várias vezes ou “n” vezes sucessivas. No caso em questão, os sinais de entrada analógicos provenientes
dos sensores são medidos constantemente dentro de uma estrutura “While”.
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Uma peça de PVC foi, então, projetada a fim de que várias colunas pudessem ser
analisadas, duas a duas2, por um curto intervalo de tempo. Passado esse prazo, outras duas
colunas seriam examinadas e os dados de interesse salvos num arquivo de texto e plotados
em um gráfico programado no LabVIEW®, no painel frontal do programa de análise de tal
forma que fossem notadas as variações temporais das entradas de interesse. A peça é uma
espécie de multiplexador de gases que seleciona de duas até dez colunas, aos pares, de
fermentação por vez. Como o fluxo gasoso das colunas selecionadas flui através da peça
amostradora, é possível medir a concentração de CO2 e as outras grandezas das duas
colunas. Quando a aferição termina, outras duas colunas são selecionadas e assim por
diante. A peça é exibida na figura 4.
Figura 4 – O multiplexador de gases acoplado ao motor e os dois sensores de CO2. Na figura, podem ser
notadas várias mangueiras provenientes dos tubos de fermentação. Interessante notar que elas estão
dispostas em pares.
2Escolheu-se que as colunas seriam analisadas duas a duas levando-se em conta que a maioria das
fermentações são examinadas em duplicata.
11
O amostrador possui dez orifícios de entrada, onde são conectadas mangueiras que
saem diretamente dos tubos de fermentação e dois orifícios de saída, que são conectados
nos sensores. Um disco girante interno ao amostrador de PVC, que é movimentado pelo
motor de passo, é responsável pela seleção das colunas a serem analisadas.
4.2. Utilização das Ferramentas Auxiliares
Para o funcionamento do projeto, um acervo de ferramentas foi empregado. Como o
sistema trabalha com aquisição e controle de sinais, foi adotada uma placa de aquisição de
dados. Como para o controle do sistema de automação serviu-se de um motor de passo,
lançou-se mão de seu correspondente driver.
4.2.1. Placa de Aquisição DAQmx USB
Trata-se de uma placa de aquisição digital da National Instruments com entrada USB.
Esta placa de aquisição de dados foi escolhida pela sua portabilidade e notável
sensibilidade. Possui saídas e entradas analógicas ou digitais.
O NI USB-6281 é um dispositivo de aquisição/geração de sinais analógicos ou digitais
(DAQ) de 18 bits que apresenta um aumento de quatro vezes da resolução sobre
dispositivos de 16 bits. Este dispositivo de alta precisão também incorpora um amplificador e
um dispositivo de auto-calibração para minimizar o tempo de sedimentação, o máximo de
precisão, garantia e manutenção da resolução especificada em todas as taxas de
amostragem. Além disso, pode-se tirar vantagem de um filtro passa-baixa integrado para
melhorar ainda mais suas medidas. A placa de aquisição é mostrada na figura 5.
Figura 5 – Placa de aquisição DAQmx USB-6281 da National Instruments
12
4.2.2. O Motor de Passo e Seu Driver
Foi acoplado ao amostrador de gases um motor de passo de 5kgf/cm (o motor exerce 5
kgf para um eixo de 1cm de raio). Este motor foi escolhido devido à sua exatidão nos
movimentos, facilidade de controle e pelo fato de fornecer uma força relativamente grande
ao amostrador, que fica fortemente preso à base afim de que não haja vazão dos gases
amostrados, já que o fluxo desses gases também deve ser controlado. Cada passo do motor
equivale a um giro de de seu eixo. Na figura 6, o motor utilizado no projeto é exposto.
Figura 6 – o motor de passo NEMA23
O funcionamento básico do motor de passo é dado pelo uso de solenoides alinhados dois
a dois que, quando energizados, atraem o rotor fazendo-o se alinhar com o eixo
determinado pelos solenoides, causando assim uma pequena variação de ângulo, que é
chamada passo.
A velocidade e o sentido de movimento são determinados pela freqüência e pela ordem
com que os solenoides são excitados, respectivamente. O dispositivo que determina a
sequência de excitação das solenoides é o driver para motor de passo, que distribui os
pulsos gerados pela placa de aquisição ao comando do LabVIEW®. A cada pulso que o
driver recebe, duas bobinas do motor são acionadas e outras duas são interrompidas3.
Assim, a cada pulso que o driver recebe, duas bobinas são ativadas e motor se movimenta
de um passo. O driver utilizado é o Driver Bipolar4 TKA17, que fornece até 1,7A ao motor e
trabalha com uma tensão de alimentação entre 20 e 24V.
3Para o caso de o motor um passo inteiro. Um motor de passo pode girar meio passo se quatro
solenoides vizinhas são excitados, alinhando o rotor no intervalo entre duas bobinas. É interessante quando se exige precisão muito grande 4Os motores bipolares têm um único enrolamento por fase. A corrente em um enrolamento precisa ser
invertida a fim de que se inverta um pólo magnético, assim o circuito de condução é um pouco mais complicado. São mais poderosos que motores unipolares do mesmo peso.
13
Figura 7 – Esquema de funcionamento de motor de passo. Fonte: www.feiradeciencias.com.br
O motor utilizado tem seis fios, dos quais apenas quatro foram utilizados para a conexão
com o driver. Os dois restantes são centrais aos enrolamentos cujas extremidades são os
quatro terminais utilizados. Seria interessante o uso dos seis fios disponíveis se houvesse
necessidade de que o motor se movimentasse de meio passo por vez.
Figura 8 – Driver para motor de passo bipolar TKA17
4.3. Programação
Conhecendo-se o funcionamento das ferramentas adjacentes, é possível pensar na
elaboração do programa em LabVIEW® que controle o sistema de automação além de aferir
os parâmetros que interessam nas pesquisas de fermentação.
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O programa principal trata das aferições dos dados de interesse. É construído
internamente a um while loop, que é uma das estruturas do LabVIEW®, já que as aferições
não findam enquanto o programa não é desligado manualmente pelo usuário. O loop
apresenta um terminal condicional (conditional terminal) que determina a parada da
execução do programa interno ao while loop. A este terminal é interessante, no caso,
conectar-se um botão booleano5 de parada (stop buttom), que pode ser acionado a qualquer
instante durante a execução do programa, interrompendo-o imediatamente.
Dentro da estrutura while, são realizadas as múltiplas medições interessantes à pesquisa.
A cada item aferido, está associada uma porta da placa de I/O configurada previamente pelo
Measurement and Automation. A figura 8 mostra as entradas no topo de uma estrutura do
tipo while.
Figura 9 – Os sinais de entrada, provenientes dos sensores de concentração de CO2
Como os sinais provenientes de instrumentos como os sensores de CO2 podem ser
extremamente ruidosos, torna-se necessário o uso de várias aferições seguidas de uma
compressão das amostras e de uma média temporal dos valores. Com o uso de um vi
apropriado, chamado “Sample Compression”, valores muito fora de uma determinada
margem são descartados. O vi faz a aquisição de vários pontos do dado e os comprime para
um número menor de pontos, geralmente para um único. O valor pode ser uma média entre
os valores adquiridos, o maior ou o menor valor ou, ainda, o último valor da entrada,
dependendo da escolha do programador.
5No LabVIEW®, há vários tipos de controle no painel frontal, que provê a interface com o usuário do
programa. Um desses tipos de controle é o booleano (boolean), que são botões, botões deslizantes ou
chaves, em geral.
15
Na figura 9, nota-se o vi seguindo as leituras dos canais de entrada. No caso, é
interessante o cálculo da média dos valores aferidos. Todas as entradas são tratadas no
programa separadamente. No entanto, como os sensores geram sinais de tensão em suas
saídas de acordo com o valor de suas respectivas entradas, ou seja, os sinais são de
mesma natureza para o programa, as entradas são agrupadas em uma matriz de dados que
contém todas as entradas. Assim, não há a necessidade da utilização de mais de um vi de
leitura (DAQmx read.vi). A separação dos sinais pode ser feitas por um indicante no
tratamento do sinal como uma matriz.
Várias aquisições podem ser feitas utilizando-se de um único Read.vi através da seleção
no próprio instrumento virtual. É possível informar ao LabVIEW® se o dado é analógico ou
digital, se é referente a vários ou um único canal, se gozará de várias amostras, etc. Ao se
selecionar a opção “Multiple Channels”, no menu abaixo do Read.vi ou do Write.vi, o
programa interpreta a leitura ou a escrita do sinal como sendo referente a mais de um canal
ou port da placa de I/O.
4.3.1. Organizando e Selecionando Os Sinais em uma Matriz de Dados
No diagrama de blocos do programa, através da paleta de funcões (Functions Palette6) e
no menu “measurement I/O”, seleciona-se a ferramenta virtual de leitura de sinal, afim de
que se afiram as informações e através de seu próprio ícone se determina se mais de um
sinal utilizará da ferramenta. As entradas, então, serão agrupadas em um único fio de fluxo.
Para se tratar de cada um deles, é necessário que se faça a seleção da entrada específica a
partir desta linha.
Utilizando-se do vi “Index Array”, do diagrama de blocos, pode-se selecionar um dado que
esteja presente em uma matriz de sinais. A ferramenta contém uma pequena caixa de texto
na qual o índice do elemento que se deseja selecionar é escrito. Assim, em uma matriz de
entradas, o elemento cujo índice está escrito na caixa é enviado à linha de fluxo de saída da
ferramenta.
É possível, também, a seleção de uma seção de uma matriz de dados através do vi
“Array Subset”. Nesta ferramenta, é possível entrar com o valor do índice com que se deseja
iniciar a seleção da porção da matriz de dados e o valor e que se deseja terminar a seção.
Dessa forma, é gerada uma matriz menor, que contém dados de interesse separados para
análise de acordo com suas características.
6Para se utilizar as ferramentas do LabVIEW®, lança-se mão das paletas. No painel frontal, as opções de
ferramentas estão na paleta de controle (Control Palette) e ,no diagrama de blocos, na paleta de funções.
16
Trabalhar com vetores de dimensão maior que 1 no LabVIEW® é interessante por tornar
o programa muito mais enxuto e fácil de compreender, já que muitas linhas de fluxo e
ferramentas de escrita/leitura ocupam muito mais espaço no diagrama de blocos.
A figura 9 mostra a seleção de canais de entrada a partir de um vetor de sinais. Cada
sinal é separado de uma matriz de dados através do Index Array.vi, que são as pequenas
caixas com índices de 0 a 9.
Figura 10 – dez sinais sendo selecionados a partir de uma matriz
Com a seleção das entradas, os vários tubos de fermentação podem ser analizados, na
medida em que a matriz vai sendo gerada pelo LabVIEW®. Dessa forma, os parâmetros
ficam todos agrupados, ainda que sejam provenientes de diferentes sensores e passem
informações sobre medidas distintas, pois são todos sinais analógicos com entrada já
transformadas pelos sensores em sinal de tensão na placa de I/O.
Como várias colunas de fermentação podem ser analisadas, o programa original passou
por adaptações importantes. É necessário diferenciar as cores das curvas obtidas da
concentração de CO2, por exemplo, afim de que se consiga distinguir as colunas na medida
em que são analisadas. Quando não é possível distinguí-las graficamente, indicadores do
painel frontal (String Indicator) informam qual par de coluna está sob análise e os valores
atuais com os respectivos números das colunas são salvos em um arquivo em formato .txt a
cada 30 segundos de execução do programa. Ferramentas especias do LabVIEW®
17
convertem números em strings que podem ser salvos no computador no local em que o
usuário escolher7.
4.3.2. Controle do Motor e Configuração dos Canais de I/O Utilizados
Com a adaptação do programa principal8, é expectável a operação do motor de passo
controlado para a avaliação das colunas. Para tal, serviu-se de seu driver e de um sistema
de alimentação e controle que foi desenvolvido de acordo com as especificações do motor.
O sinal de saída da placa de I/O para o driver deve ser um trem de pulsos retangulares,
quando o movimento do motor é almejado. Assim, é essencial que um canal de saída digital
da placa seja configurado pelo Measurement and Automation. Como não é necesário que as
saídas desse canal sejam armazenadas em um buffer, já que se trata apenas de um trem de
pulsos, a configuração básica do canal é tal que ele seja acessado, nele é escrito o trem de
pulsos e, depois, o programa principal continua sendo executado, não sendo de relevância
para ele a quantidade de pulsos aplicados no driver. O programa principal chama uma
pequena rotina que é responsável pela movimentação do motor até que o próximo par de
colunas ou o início do sistema (primeiro par de colunas) é encontrado. Depois disso o
programa prossegue normalmente com sua execução. No Measurement and Automation e
no próprio LabVIEW® pode ser difinido que o canal é de saída, digital e que uma forma de
onda será enviada a partir dele.
Ao se inicializar o MAX (Measurement and Explorer), selecionam-se as opções “Data
Neighborhood” e “Create New...” para que uma nova tarefa coordenada pelo programa seja
criada. Como intenta-se aquisição e geração de dados pela placa de I/O, seleciona-se a
opção “NI-DAQmx Task”, referente à National Instruments e data
7No programa LabVIEW®, é factível tranformar números que são manipulados no diagrama de blocos,
geralmente acessíveis só pelo programa, em arquivos de texto que podem ser salvos em qualquer pasta
do computador. Para isso, empregam-se ferramentas específicas, como a “Number to Fractional String”,
que converte os números e a “Write to Spreadsheet File” que determina o formato do arquivo e onde o
registro será salvo pelo programa
8Utiliza-se o nome “programa principal” porque tem-se possibilidade de criar subferramentas a partir de
pequenos programas inteiros, no LabVIEW®. São os SUBvis, espécies de subrotinas, criados pelo
programador e os quais são utilizados por um ou vários programas maiores (o programa principal) que
os utilizam durante sua execução. É possível criar um SUBvi simplesmesnte selecionando o programa
com o mouse e, no menu superior do diagrama de blocos, selecionar as opções “Edit” e “Create SUBvi”.
18
acquisition. Então as opções “acquire signal” e “generate signal” são mostradas (figura 11).
A partir de então, tem-se possibilidade de fazer aquisição ou gerar sinais. No caso dos
pulsos enviados ao driver para a movimentação do motor, o sinal é de natureza digital e
utiliza somente uma linha de uma das portas da placa que aquisição (essa alternativa
também é oferecida pelo MAX), já que para o driver há somente uma entrada de sinal para
os passos do motor.
Figura 11 – A interface do MAX com as opções de geração/aquisição de sinais
Mediante a correta configuração da linha de sinal, o próximo passo é considerar a
elaboração do programa auxiliar que controlará o motor de passo através do driver. Esse
programa deve ser um SUBvi que, de tempos em tempos, é chamado pelo programa
principal para que o motor de passo acoplado ao amostrador de gases se movimente e o
par de colunas de fermentação seguinte ao atual seja aferido.
Quando bastar o tempo de amostra de um dos pares de coluna, o programa controlador
do motor é executado. No entanto, essa feitura deve durar somente até o instante em que o
próximo par de colunas for alcançado. Nesse momento, o motor deve parar imediatamente
para que o programa principal avalie as colunas imediatas.
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Por mais exato que o movimento de um motor de passo seja, pode ocorrer o evento em
que o motor de passo perca um ou vários de seus passos. Esse feito tem maior
probabilidade de ocorrer no caso, pois o amostrador oferece considerável resistência à
rotação do motor. Esse evento favorece o seu travamento e o sistema pode parar de forma
desalinhada em relação aos orifícios do próximo par de colunas. É interessante trabalhar
com polias dentadas, as quais possuem diferentes diâmetros (a que é fixa ao eixo do motor
tem um diâmetro cerca de cinco vezes menor que a polia do amostrador) e uma correia afim
de se obter maior aproveitamento do torque do motor.
Para garantir que o motor pare no lugar esmerado, foram utilizados um led e um
fototransistor acoplados opticamente. O motor gira e conduz consigo o disco interno do
amostrador que, por sua vez, direciona dois dos tubos da entrada à saída da peça plástica.
Em uma extremidade de um orifício que atravessa a peça inteira, é fixado um fototransistor,
em outra extremidade, um led. O disco central do amostrador é perfurado de tal forma que
toda vez em que o led é constatado pelo fototransistor, este último entra em condução e um
sinal é emitido à placa interrompendo o SUBvi de movimentação do motor
instantaneamente. Nete caso, o fototransistor funciona como chave. Enquanto o diodo fica
invisível a ele, nenhum sinal é enviado à placa e o movimento do motor prossegue. Assim
que a luz do led é captada, a tensão aplicada em seu coletor é transmitida a um canal da
placa que foi intrinsecamente configurado através do MAX. Desta forma, a estrutura que
contém as ferramentas responsáveis da rotaçao do motor é interrompida.
A linha de entrada da placa de I/O referente ao sinal do fototransistor é de entrada digital
e o sinal recebido por ela é booleano. À linha do port de entrada digital referente ao sinal
proveniente do fototransistor foi dado o nome “Led da origem”, no MAX.
Figura 12 – o Read.vi pertinente ao sinal proveniente de emissor do fototransistor
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O vi “Read” será o terminal condicional (conditional terminal)9 da sequência dos passos
do motor determinada pelo While Loop (figura 15).
Para a movimentação do motor de passo, a saída da placa de aquisição deve ser um
trem de pulsos de natureza digital. Então, através do LabVIEW®, serve-se de um Write.vi
cujo dado associado é uma função do tipo “toggle”10 (figura 13). Essa função alterna entre
os valores 0 e 1 continuamente gerando a interpolação digital necessária ao movimento do
motor. Uma saída digital da placa de I/O envia o trem de pulsos á base de um fototransistor
cujo emissor é ligado ao terminal do driver que é concernente ao passos do motor.
Figura 13 – Um Write.vi associado a uma forma de onda do tipo “Toggle”
Apesar de que no MAX a linha de saída de sinal referente aos passos do motor seja
tratada como digital e com apenas 1 amostra afim de que não seja desperdiçado o buffer, no
programa LabVIEW®, o Write.vi é considerado como sendo várias vezes amostrado, para
que seja possível a conexão com o gerador de pulsos Toggle, que é conectado virtualmente
através de uma linha de fluxo, vista em verde ne figura 14, à conexão virtual “Data” do
Write.vi e é tido como um sinal de muitas amostras.
Figura 14 – As conexões virtuais do Write.vi
9A estrutura While do SUBvi é executada até que o terminal condicional da mesma sofra alteração de
estado, seja de 0 para 1 ou de 1 para 0 (o programador pode escolher através do menu “Stop if true” ou
“Stop if false”, clicando com o botão direito do mouse sobre o terminal condicional).
10Existe um vi utilizado no Diagrama de Blocos cujo nome é “Digital Pattern Generator” através do qual
um canal de saída pode gerar formas de onda digital. No próprio vi se escolhe o formato da onda, que
pode ser rampa, valores randômicos, toggle, entre outros. Para que a onda seja transmitida à placa de
I/O, basta conectar o terminal virtual “Digital Waveform” do vi ao terminal “Data” do Write.vi
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Figura 15 – O loop While (estrutura, notada na figura como o retângulo cinza em forma de seta) referente à
busca do sinal booleano do led da origem do sistema. Importante notar que o terminal condicional é o Read.vi associado ao canal “Led da origem”
Quando o próximo par de colunas é buscado, não é necessária a detecção do led pelo
fototransistor, já que a quantidade de passos do motor é relativamente pequena e, então, a
probabilidade de ocorrer perdas de passo do motor é baixa. Sendo assim, uma quantidade
definida empiricamente de pulsos é mandada para o driver (150 pulsos, no caso). Toda vez
que a origem do sistema é buscada, há um alinhamento forçoso entre os orifícios. No vi que
foi, então, chamado de “Passos”, o terminal condicional é uma comparação numérica que
origina o sinal booleano de parada (número de passos é maior que 150? Em caso
afirmativo, pare de enviar pulsos ao driver do motor de passos).
Figura 16 – O loop While cujo terminal condicional é uma comparação entre “i” (iteration) e o número 150. A
letra “i” contêm o número de contagem da iteração atual. Isto é, quantas vezes o loop foi executado.
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Visando a uma melhora no funcionamento do sistema, um relê foi acoplado à saída da
fonte que alimenta todo o aparelho de tal forma que ocorra seu acionamento antes da
partida do motor. Assim, o sistema é provido de alimentação somente quando o motor deve
se deslocar. Depois desta ação, o relé é desenergizado a fim de poupar energia e evitar o
aquecimento do sistema. Mais detalhes do uso do relé serão tratados no capítulo 5,
“Instrumentação Complementar”.
A saída referente ao relé é digital e utiliza apenas uma linha de uma porta da placa de
aquisição.
Figura 17 – Acionamento do motor utilizando-se de um relé
Os dois loops de iteração com o driver foram transformados em SUBvis e dispostos
internamente ao programa principal onde há interação com o usuário. Nele, determina-se,
através de um controle numérico (Numeric Control.vi) a quantidade de pares de colunas a
serem analisados. Quando esse número é atingido, durante a execução do programa, o
SUBvi de busca da origem é chamado. Antes disso, a cada noventa segundos, o SUBvi
“Passos” é avocado afim de que os próximos pares de coluna de fermentação sejam
discorridos. Uma ferramenta de seleção foi desenvolvida com a estrutura lógica baseada em
comparação e temporizaçào. Quando o contador chega ao número de pares de coluna
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escolhido, depois que o tempo de amostragem é decorrido, o SUBvi de busca pela origem é
selecionado, caso contrario, o SUBvi de busca pelo próximo par de colunas.
Figura 18 – Ferramenta de seleção de SUBvi
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5. Instrumentação Complementar
Já que o motor de passo é controlado via driver, que exige uma tensão de 24 volts e
corrente de aproximadamente 2 amperes, há a necessidade que uma fonte de tensão
apropriada seja disponibilizada ao sistema. A partir dessa fonte é possível a obtenção de
tensões menores, da ordem de 5 volts, para o circuito de controle do driver do motor.
5.1. Fonte de Tensão
Utilizando-se de um transformador de tensão com entradas 110-0-110V e saída 15-0-15V,
é factível a elaboração de uma fonte cuja tensão de saída é aproximadamente 21V, já que a
tensão de pico da saída AC do transformador é obtida a partir da retificação da tensão da
saída do mesmo. Para tal, dois diodos de 2A e um capacitor são suficientes, já que o tap
central do transformador foi utilizado. Um diodo de 2A foi soldado na saída de cada uma das
fases do transformador de tal forma a constituírem um retificador de meia-ponte e onda
completa. Conectando os diodos ao tap central do transformador, utilizou-se um capacitor
de 4700µF da Siemens, afim de que o ripple de tensão fosse bem pequeno. Assim, obteve-
se a fonte de alimentação principal, a partir da qual o driver e o circuito de comando são
alimentados. A fonte foi construída em half-bridge para que se obtenha 21V em sua saída,
tensão muito próxima da exigida pelo driver do motor de passo.
5.2. Relé, Reguladores de Tensão e BJTs
Para que a fonte não permanecesse excitada permanentemente, um relé de 12V e 10A,
acionado pelo programa, foi conectado á sua saída. Assim, antes da atividade do motor,
todo o sistema é alimentado. Após a interrupção do movimento, o relé é desativado. Isso
garante que o sistema não se aqueça de forma imprópria e que não consuma energia
enquanto não é ativado. Para utilizar o relé, foi necessário um regulador de tensão LM7812
para prover os 12V em sua bobina. Através de um sinal do programa enviado à base de um
transistor bipolar de junção BC547, a bobina do relé, conectada entre os 12V da saída do
regulador de tensão e o coletor do BJT, é excitada e o sistema é energizado. Ligado à
tensão de 21V, utiliza-se de um outro regulador de tensão, o LM7805, que garante uma
tensão de 5V em sua saída, utilizada para as entradas de referência do driver (dir+ e cp+) e
para alimentar o led e o fototransistor responsáveis pelo alinhamento do amostrador de
gases na posição de origem.
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Um outro transistor bipolar BC547 foi empregado para chavear os pulsos do passo do
motor, enviados à entrada “dir-“ do driver, que é conectada ao coletor do BJT. Entre a saída
do regulador de tensão de 5V e o coletor deste transistor, foi conectado um resistor limitador
de corrente de 100 a fim de que a corrente na entrada do driver fosse baixa.
Nos transistores de acionamento do relé e no de sinal dos passos do motor, conectou-se
um resistor de pull-down de 10K entre a base e o GND (0V) para garantir nível zero de
tensão quando não houvesse excitação e facilitar o dreno das bases do transistor, tornando
o tempo de armazenamento de cargas (storage time) menor. Também é utilizado um
resistor limitador de corrente, de 47 entre as bases e as saídas da placa de I/O a fim de
que a corrente enviada à base do transistor fosse pequena e a placa não fosse danificada.
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6. Conclusões e Pareceres
Depois de deixar o programa funcionando por um bom tempo, notou-se que era seguro
trabalhar com o novo sistema. O programa é executado durante 72 horas seguidas fazendo
análises, além de controlar o dispositivo de amostragem e multiplexação de gases.
O painel frontal do programa é mostrado na figura 19, na qual se notam as diferentes
cores que representam e fazem a distinção entre os pares de colunas de fermentação.
Como o programa, através de um contador, se torna ciente sobre qual o par de colunas
atual em análise, os valores das grandezas podem ser diferenciados entre si.
Figura 19 – O painel frontal do programa mostrando em diferentes cores, entre outros parâmetros, as
concentrações de CO2 dos tubos de fermentação
Para o controle do motor de passo, seria suficiente o uso de um microcontrolador. No
entanto, como o programa inicial de análise de fermentação já era implementado em
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LabVIEW®, o que é muito coerente, devido às conveniências de controle e a interface visual
do programa, utilizou-se dele afim de que houvesse perfeito sincronismo entre controle do
motor e execução do programa principal.
Algumas dificuldades na implementação do programa foram observadas devido ao fato de
que o LabVIEW® apresenta erros no programa quando ele é elaborado em uma versão e
executado em outra. Alguns instrumentos virtuais foram substituídos ou atualizados e
versões mais recentes do LabVIEW®. Assim sendo, o programa principal teve que ser
atualizado.
Quando, inicialmente, o sinal proveniente do fototransistor era configurado como sinal
analógico e muitas aferições de sinais de mesma natureza eram realizadas
simultaneamente (concentração de CO2, fluxos de entrada e saída de ar, temperatura,
pressão, umidade, etc.) além de que o programa ainda se encarregava de gerar um trem de
pulsos dentro de um loop continuamente para o controle do motor de passo, o programa
parava de funcionar depois de certo tempo. Havia excesso de tarefas analógicas e todas
elas eram operadas dentro de um while loop. A solução do problema foi transformar a
grandeza aferida nos terminais do fototransistor em um sinal digital, que foi, então usado
como terminal condicional da estrutura, como foi mostrado anteriormente. Esta solução foi
obtida através da criação de uma discussão no site da National Instruments (www.ni.com).
O projeto como um todo gerou grande expectativa e representou uma novidade muito
interessante na pesquisa de fermentação e obtenção de enzimas. O ânimo foi de tal vulto
que há um pedido de patenteamento do projeto como um todo pela Embrapa
(Instrumentação Para Automação de Processo de Fermentação Semi-sólida, Dr. Victor
Bertucci Neto e Dra. Cristiane Sanchez Farinas).
Quanto ao ambiente do desenvolvimento do projeto, sendo a Embrapa uma empresa
ligada à pesquisa, é notável a confluência de áreas de estudo. Este é, sem dúvida, um
aspecto que diferencia um estágio numa empresa como a Embrapa. Além disso, contempla-
se o fato da engenharia ser útil e aplicável em diversas áreas. No caso, foi a automação de
um dos projetos de pesquisa de um laboratório destinado a estudos da fermentação de
diferentes substratos e a aplicação da engenharia elétrica em meio à área das ciências
biológicas. Relacionar com pessoas de outros cursos de graduação de outras áreas,
mestrandos e doutorandos foi deveras importante para o acúmulo de conhecimento.
A higiene e o uso de equipamento de proteção são imprescindíveis, já que no Laboratório
de Agroenergia são realizadas diversas fermentações e o ambiente pode conter esporos.
Além disso, muitas substâncias químicas são manipuladas na Embrapa. Os funcionários e
estagiários devem trajar jalecos dentro do laboratório.
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7. Agradecimentos
Agradeço profundamente ao meu supervisor de estágio, Dr. Victor Bertucci Neto pela
oportunidade de estagiar numa empresa como a Embrapa e por me confiar a grande
responsabilidade de desenvolver projetos de sua pesquisa.
Também faço questão de me lembrar do mestrando em engenharia elétrica na USP-
EESC Rafael Frederico Fonseca (Pardal) por me ajudar com o aprendizado em LabVIEW®,
além de me instruir algumas vezes no Laboratório de Agroenergia.
Agradeço, também, ao Prof. Dr. Manoel Luís de Aguiar por me orientar, ao Prof. Dr.
Ricardo Quadros Machado e à doutoranda em biotecnologia Rosângela Donizete Perpétua
Buzon Pirota e à amiga Maria Fernanda Franco pelos válidos ditames sobre este trabalho.
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8. Referências Bibliográficas
MEIEN, Oscar F Von et al. Control strategies for intermittently mixed, forcefully
aerated solid-state fermentation bioreactors based on the analysis of a distributed
parameter model. Chemical Engineering Science, no59, p. 4493-4494, june 2004.
NERY, R.T. Introdução ao LabVIEW, 1ª Ed. Apostila de Curso
NETO, V.B. Instrumentação Para Automação de Processo de Fermentação Semi-
sólida. Pesquisa em andamento. Embrapa 2010
HONKZANG, CHEN et al. A Novel Industrial-Level Reactor with Two Dynamic
Changes of Air for Solid-State Fermentation. Journal of Bioscience and
Bioengineering, vol93, p. 211-212, November 2001.
PRESERVAR PARA SUSTENTAR, 8 de julho, 2009. Disponível em
<http://preservarparasustentar.blogspot.com/2009/07/historia-da-embrapa.html>
Acesso em novembro de 2010.
NATIONAL INSTRUMENTS. LabIEW: tutorial. 8.2. [s.l.], c2007.
Feira de Ciências. Disponível em <http://www.feiradesiencias.com.br>