sistema de monitorização de máquina de extração de bebidas

FACULDADE DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE DO PORTO

Sistema de Monitorização de Máquinade Extração de Bebidas

Eduardo Gabriel Marques Lopes

Mestrado Integrado em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores

Orientador: Prof. Doutor Armando Araújo

11 de Abril de 2019

c© Eduardo Lopes, 2019

Resumo

O principal objetivo deste projeto de dissertação consiste na melhoria do desempenho dasmáquinas de extração de bebida usadas em pontos de venda, tais como restaurantes e bares. Assoluções atualmente existentes no mercado apresentam algumas deficiências tanto a nível de efi-ciência energética, como também a nível de gestão e interação com o utilizador. Então, pode-seconcluir que existe espaço para possíveis melhorias técnicas nestes aspetos.

Hoje em dia, o sistema de refrigeração das máquinas mais usadas nos pontos de venda baseiam-se no ciclo de compressão a vapor, que permite a transferência de calor da água presente no depó-sito para o evaporador, por condução térmica. Desta forma, a água arrefece e, por consequência,forma gelo até que este atinja uma sonda, que funciona como um interruptor e envia ao controla-dor a informação de que a capacidade máxima de gelo foi atingida e que a refrigeração deve serdesativada. Passados 21 minutos, a refrigeração volta a ser ligada, iniciando novamente o ciclode funcionamento da máquina mesmo quando não há consumo de bebida, levando a um consumoenergético desnecessário. A bebida proveniente de um barril, que permanece, normalmente, àtemperatura ambiente, passa por uma serpentina que se encontra dentro do depósito, onde poderáser arrefecida até à temperatura ideal de consumo (7C, no máximo).

Neste documento, recorrendo ao modelo termodinâmico da máquina desenvolvido em MA-TLAB, é apresentada uma nova solução para a medição da massa de gelo formada no depósito edeterminação da hora à qual a máquina deve ser ligada para garantir a massa de gelo suficiente paraarrefecer a bebida, tendo em conta os consumos esperados pelo responsável do ponto de venda.

Por fim, apresenta-se o modelo entidade-relação da base de dados desenvolvida em Post-greSQL para este projeto, que armazena informação relacionada com o funcionamento da má-quina e os seus utilizadores. Esta informação é apresentada ao utilizador por meio de uma páginaweb desenvolvida para este efeito.

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Abstract

The main goal of this thesis is to improve the performance of beverage extraction machinesused in points of sale, such as restaurants and bars. Solutions currently available on the marketare deficient both in terms of energy efficiency, as well as in terms of management and interactionwith the user. So, there is room for technical improvements in these subjects.

Nowadays, the operation mode of most used machines’ refrigeration system is based on theclassic vapor compression cycle, which allows heat transfer from the water inside the tank to theevaporator, by thermal conduction. This way, the water cools and consequently ice is formeduntil it reaches a probe, which acts as a switch and sends to the controller the information that themaximum ice capacity has been reached and that the cooling must be turned off. After 21 minutes,the cooling is switched on again, restarting the machine’s operating cycle even when there is nobeverage extraction, leading to unnecessary energy consumption. The beverage coming from abarrel, that is usually at room temperature, passes through a coil that is inside the tank, where itcan be cooled down to the optimal temperature of consumption (7C, maximum).

Using the thermodynamic model of the machine developed in MATLAB, this document pre-sents a solution for measuring the ice mass and determining the time at which the machine mustbe turned on to ensure the formation of sufficient ice mass for cooling the beverage, taking intoaccount the volume of consumed beverage expected by the point of sale manager.

Finally, a database was developed in PostgreSQL for this project that stores information relatedto the operation of the machine and its users. This information is presented to the user through aweb page that was created for this purpose.

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Agradecimentos

Primeiro, quero agradecer ao Professor Doutor Armando Sousa Araújo, professor da Facul-dade de Engenharia da Universidade do Porto e orientador desta dissertação, pelo apoio dadodurante o meu percurso académico, incluindo este trabalho.

Ao Engenheiro José Valongo e ao Engenheiro João Breda do Super Bock Group, pelo suportee disponibilidade demonstrados ao longo desta dissertação.

À minha família, pelo apoio e me ter possibilitado obter formação superior.Aos meus amigos e colegas de curso, que me acompanharam e ajudaram ao longo do meu

percurso académico.

Eduardo Lopes

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“Persistence is the shortest path to success.”

Charles Chaplin

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Conteúdo

1 Introdução 11.1 Motivação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.3 Estrutura da Dissertação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2 Revisão Bibliográfica 52.1 Composição e funcionamento de uma máquina de extração de bebidas . . . . . . 5

2.1.1 Sistema de extração . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.1.2 Sistema de refrigeração . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.1.3 Sistema de controlo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

3 Modelo matemático 113.1 Ganhos energéticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

3.1.1 Ganhos energéticos no corpo da máquina . . . . . . . . . . . . . . . . . 113.1.2 Ganho energético da extração de bebida . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163.1.3 Ganho energético do agitador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163.1.4 Capacidade frigorífica da máquina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.2 Balanço energético da máquina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173.3 Modelização . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

3.3.1 Estimação da temperatura da água e massa de gelo . . . . . . . . . . . . 183.3.2 Modelo da máquina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

3.4 Conclusão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

4 Controlador 214.1 Controlador desenvolvido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

4.1.1 Modelo termodinâmico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224.1.2 Estimador da massa de gelo necessária . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224.1.3 Estimador do tempo de ativação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234.1.4 Bloco de controlo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

4.2 Filtro de Kalman . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294.2.1 Modelo da formação do gelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314.2.2 Implementação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

4.3 Conclusão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

5 Hardware 355.1 Arquitetura do sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355.2 Plataforma de controlo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365.3 Sensores e aquisição de sinal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

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x CONTEÚDO

5.3.1 Aquisição de temperaturas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385.3.2 Sonda de gelo e medição da espessura de gelo . . . . . . . . . . . . . . . 405.3.3 Aquisição de fluxo de bebida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435.3.4 Botão force start . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

5.4 Relógio de tempo real (RTC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455.5 Alimentação do sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 465.6 Acionamento dos motores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 475.7 Conclusão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

6 Base de dados e website 496.1 Modelo entidade-relação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 496.2 Implementação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

6.2.1 Receção de informação proveniente da máquina . . . . . . . . . . . . . . 516.2.2 Receção de informação proveniente do website . . . . . . . . . . . . . . 526.2.3 Envio de informação para a máquina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 536.2.4 Envio de informação para o website . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

6.3 Funcionalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 536.3.1 Registar pontos de venda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 536.3.2 Acesso à conta de utilizador (login) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 536.3.3 Adicionar máquinas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 536.3.4 Monitorizar estado das máquinas em tempo real . . . . . . . . . . . . . . 546.3.5 Programar eventos futuros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 546.3.6 Consultar e alterar os eventos programados . . . . . . . . . . . . . . . . 54

6.4 Conclusão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

7 Resultados 577.1 Controlador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

7.1.1 Programação de eventos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 577.1.2 Ventilador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 587.1.3 Agitador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

7.2 Base de dados e website . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 617.3 Filtro de Kalman e sondas de gelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 617.4 Conclusões . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

8 Conclusões e Trabalho Futuro 658.1 Satisfação dos Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 658.2 Trabalho Futuro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

A Página web 67

Referências 77

Lista de Figuras

2.1 Máquinas de extração de bebidas horizontal (à esquerda), vertical (no centro) einvertida (à direita). Retirado de [1] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.2 Sistema de extração de bebida da máquina. Retirado de [2] . . . . . . . . . . . . 72.3 Diagrama representativo do ciclo de compressão a vapor. Adaptado de [3] . . . . 82.4 Exemplo de um sistema frigorífico baseado no ciclo de compressão a vapor. Reti-

rado de [4] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.5 Controlador AL-901 C. Retirado de [5] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.6 Máquina de estados do controlador de uma máquina convencional . . . . . . . . 10

3.1 Constituição da superfície lateral do depósito (corte longitudinal) e resistênciastérmicas de cada camada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

3.2 Constituição da superfície superior do depósito (corte longitudinal) e resistênciastérmicas de cada camada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

3.3 Constituição da superfície inferior do depósito (corte longitudinal) e resistênciastérmicas de cada camada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

3.4 Modelo termodinâmico da máquina de extração de bebidas . . . . . . . . . . . . 19

4.1 Diagrama de blocos do controlador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224.2 Fluxograma do bloco estimador da massa de gelo necessária . . . . . . . . . . . 244.3 Fluxograma do bloco estimador do tempo de ativação . . . . . . . . . . . . . . . 254.4 Fluxograma do algoritmo de distribuição do tempo . . . . . . . . . . . . . . . . 264.5 Máquina de estados do compressor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274.6 Máquina de estados do ventilador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284.7 Máquina de estados do agitador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294.8 Estados de predição e de correção do filtro de Kalman. Adaptado de [6] . . . . . 304.9 Bloco do filtro de Kalman . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

5.1 Arquitetura do sistema. Adaptado de [7] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365.2 BeagleBone Black. Retirado de [8] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365.3 Inputs e outputs da BeagleBone Black. Retirado de [9] . . . . . . . . . . . . . . 375.4 Sensor de temperatura DS18B20 waterproof. Retirado de [10] . . . . . . . . . . 385.5 Circuito elétrico para os sensores de temperatura. Adaptado de [7] . . . . . . . . 395.6 Divisor de tensão para o sensor de temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . 405.7 Sonda de gelo standard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415.8 Protótipo da sonda de gelo atualmente instalado . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415.9 Protótipo da nova sonda de gelo instalado na máquina . . . . . . . . . . . . . . . 425.10 Circuito elétrico para cada sonda de gelo. Adaptado de [7] . . . . . . . . . . . . 435.11 Caudalímetro eletrónico da Adafruit. Retirado de [11] . . . . . . . . . . . . . . . 445.12 Circuito elétrico para o caudalímetro. Adaptado de [7] . . . . . . . . . . . . . . 44

xi

xii LISTA DE FIGURAS

5.13 Botão force start . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455.14 Circuito para o botão force start . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455.15 RTC ChronoDot Ultra-Precise (v2.1) da Adafruit. Retirado de [12] . . . . . . . . 465.16 Fonte de alimentação comutada RS-15-5 da Mean Well. Retirado de [13] . . . . 465.17 Circuito para o acionamento e isolamento dos motores. Adaptado de [7] . . . . . 47

6.1 Modelo entidade-relação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 506.2 Transações de informação no sistema. a) Consumos horários e estado dos botões;

b) informações de estado da máquina e reset dos botões; c) Registo, login e logout. 51

7.1 Evolução da estimação da massa de gelo e da temperatura da água ao longo do teste 587.2 Comportamento do ventilador ao longo do teste . . . . . . . . . . . . . . . . . . 597.3 Comportamento do agitador ao longo do teste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 607.4 Comportamento do agitador ao longo do teste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 607.5 Resultado da experiência com o filtro de Kalman e as sondas de gelo . . . . . . . 62

A.1 Página inicial do website . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67A.2 Página de registo do utilizador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68A.3 Login do utilizador bem sucedido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69A.4 Login do utilizador inválido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70A.5 Página de seleção das máquinas associadas ao utilizador . . . . . . . . . . . . . 71A.6 Página de informações em tempo real da máquina selecionada . . . . . . . . . . 72A.7 Página de programação e consulta dos consumos horários previstos (1/3) . . . . . 73A.8 Página de programação e consulta dos consumos horários previstos (2/3) . . . . . 74A.9 Página de programação e consulta dos consumos horários previstos (3/3) . . . . . 75

Lista de Tabelas

3.1 Constantes térmicas [14, 15, 16, 17] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133.2 Dimensões das camadas que constituem a superfície lateral da máquina e respeti-

vas resistências térmicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133.3 Dimensões das camadas que constituem a superfície superior da máquina e respe-

tivas resistências térmicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143.4 Dimensões das camadas que constituem a superfície inferior da máquina e respe-

tivas resistências térmicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

5.1 Massa de gelo calculada com base na distância horizontal entre o evaporador ecada uma das sondas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

xiii

xiv LISTA DE TABELAS

Abreviaturas e Símbolos

AbreviaturasAISI American Iron and Steel InstituteBBB BeagleBone BlackBD Base de DadosCO2 Dióxido de carbonoCSS Cascading Style SheetsFEUP Faculdade de Engenharia da Universidade do PortoGPIO General Purpose Input/OutputHDMI High-Definition Multimedia InterfaceHTML Hypertext Markup LanguageI2C Inter-Integrated CircuitPCB Printed Circuit BoardPHP PHP: Hypertext PreprocessorRTC Real Time ClockSQL Structured Query LanguageTRIAC Triode for Alternating CurrentUE União EuropeiaUSB Universal Serial BusVDD Voltage Drain Drain

xv

xvi ABREVIATURAS E SÍMBOLOS

Símboloscp Calor específico J/(kg ·C) ou J/(kg ·K)e Espessura mE Energia elétrica kWhh Coeficiente de convecção térmica W/(m2 ·C) ou W/(m2 ·K)K Ganho de Kalman -L f Calor latente de fusão J/kgm Massa kgm Caudal mássico kg/sp Perímetro mP Potência ativa WQ Potência calorífica Wr Raio mR Resistência elétrica Ω

Rcond Resistência térmica associada à condução C/WRconv Resistência térmica associada à convecção C/WS Área m2

T Temperatura CV Volume m3

V Capacidade máxima de extração L/horaρ Massa volúmica kg/m3

λ Condutividade térmica W/(m ·C) ou W/(m ·K)

Capítulo 1

Introdução

As máquinas de extração de bebidas constituem uma solução económica e benéfica para es-

tabelecimentos e entidades que comercializam grandes quantidades de bebida. Estes sistemas de

extração, para além de armazenarem grandes volumes de bebida em barris metálicos pressurizados

com CO2, são capazes de refrigerar a mesma, permitindo a tiragem e consumo da bebida à tem-

peratura correta. É neste enquadramento que o Super Bock Group fornece este tipo de máquinas

a estabelecimentos de norte a sul do país. O Super Bock Group, antiga Unicer, é a maior empresa

portuguesa de bebidas refrescantes cuja atividade principal se baseia nos negócios da cerveja e da

água engarrafada. É uma empresa de capital maioritariamente português, sendo detida em 56%

pelo Grupo VIACER (Violas, Arsopi e BPI) e em 44% pelo Grupo Carlsberg [18].

1.1 Motivação

“O uso responsável da energia, ou seja, consumir a energia de forma adequada e de

acordo com as nossas reais necessidades e sem desperdícios, permite uma utilização

eficiente dos recursos. A isto chama-se Eficiência Energética” [19].

Hoje em dia, o mundo assiste aos efeitos, muitas vezes catastróficos a nível socioeconómico,

das alterações climáticas que se traduzem num aumento da frequência e gravidade de eventos

meteorológicos extremos. Assim sendo, torna-se essencial a adoção de estratégias de descarboni-

zação e de utilização mais sustentável dos recursos. Um exemplo disso é a meta estabelecida pela

UE para um aumento de 20% da eficiência energética até 2020, a qual Portugal está empenhado

em cumprir [19].

Para além da poupança energética, a utilização eficiente da energia leva a poupanças financei-

ras tanto a nível empresarial, como também a nível nacional, reduzindo a dependência energética

do país.

Uma das empresas que tem preocupação pelas questões acima referidas é o Super Bock Group,

que procura estratégias para maximizar a eficiência energética das mais de 50 mil máquinas re-

frigeradoras de extração de bebidas que tem espalhadas por todo o país. Nesse sentido, graças a

uma parceria entre esta empresa e a Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, surge esta

1

2 Introdução

dissertação que tem como principal objetivo o desenvolvimento de uma solução de monitorização

e controlo energeticamente mais eficiente para as máquinas de extração de bebidas.

1.2 Objetivos

Atualmente, as máquinas de extração de bebidas fornecidas pelo Super Bock Group contêm

um sistema de controlo que apresenta algumas vulnerabilidades a nível de consumo energético. De

facto, o controlo é do tipo “on/off ”: o compressor da máquina simplesmente é desligado quando

a massa de gelo atinge o seu nível máximo, sendo novamente ligado 21 minutos depois. Ou

seja, a máquina encontra-se ligada a maior parte do tempo, mesmo que não esteja a ser utilizada,

consumindo energia desnecessariamente.

A solução para este problema passa por implementar inteligência no sistema de controlo, de

modo a que este seja capaz de ativar o compressor apenas durante o tempo necessário à forma-

ção de uma certa quantidade de gelo previamente calculada para cada evento (ou hora de ponta)

previsto. O objetivo é estimar o tempo necessário para que a massa de gelo calculada seja for-

mada antes que o evento previsto se inicie, de maneira a que a bebida possa ser extraída, durante

o evento, à temperatura correta de modo mais energeticamente eficiente.

A sonda de gelo atualmente instalada na máquina deve ser substituída por outra que se adeque

melhor ao método de controlo pretendido. Esta nova sonda permitirá conhecer a massa de gelo

efetivamente formada na máquina em qualquer momento, em vez de apenas detetar que a massa

de gelo máxima foi atingida. Isto tornará possível a realimentação do modelo de formação do

gelo, permitindo correções do mesmo em tempo real.

Além disso, é necessário desenvolver um sistema de monitorização da máquina baseado numa

página web, onde os responsáveis do ponto de venda podem programar os eventos previstos

para cada semana e consultar informação relativa ao estado da máquina e consumo energético

da mesma.

Tendo estes objetivos em conta, foram definidos os seguintes passos:

• Estudo do funcionamento das máquinas de extração de bebidas;

• Análise das soluções anteriormente desenvolvidas para este problema;

• Substituição da sonda de gelo existente na máquina por outra mais adequada ao método de

controlo adotado;

• Otimização do controlador atualmente implementado na máquina, através da aplicação de

um filtro de Kalman capaz de corrigir o valor da massa de gelo estimado pelo modelo;

• Desenvolvimento do sistema de monitorização da máquina baseado numa página web;

• Teste e validação da solução desenvolvida.

1.3 Estrutura da Dissertação 3

1.3 Estrutura da Dissertação

Este documento encontra-se dividido em 8 capítulos:

• No capítulo 1, faz-se o enquadramento desta dissertação, sendo apresentadas as motivações

para a realização da mesma e os principais objetivos a concretizar;

• O capítulo 2 contém a revisão bibliográfica realizada para o desenvolvimento do trabalho,

na qual se encontra o estado da arte relativo às máquinas de extração de bebidas e seu

funcionamento;

• No capítulo 3, descreve-se o modelo termodinâmico associado à máquina de extração de

bebidas e o seu balanço energético;

• No capítulo 4, apresenta-se o controlador desenvolvido para a máquina, bem como a inclu-

são de um filtro de Kalman para otimizar a estimação da massa de gelo;

• No capítulo 5, introduz-se o hardware que constitui o sistema de monitorização e controlo

desenvolvido, assim como os circuitos de aquisição de sinal integrados na PCB;

• No capítulo 6, aborda-se a construção da base de dados e da página web que servem de

interface do sistema com o utilizador;

• No capítulo 7, expõem-se e discutem-se os resultados obtidos na implementação de todo o

sistema, tendo em conta os objetivos definidos nesta dissertação;

• O capítulo 8 apresenta as principais conclusões retiradas desta dissertação e possíveis me-

lhorias a serem consideradas em trabalhos futuros.

4 Introdução

Capítulo 2

Revisão Bibliográfica

Neste capítulo, é abordado o estado da arte desta dissertação, que serve de introdução ao leitor

para explicar aspetos importantes relacionados com o trabalho desenvolvido e apresentado neste

documento. Assim sendo, descreve-se o funcionamento das máquinas de extração de bebidas

convencionais e os elementos que a compõem.

2.1 Composição e funcionamento de uma máquina de extração debebidas

O principal objetivo das máquinas de extração de bebidas é a tiragem de bebida do barril e seu

transporte até à torneira. Visto que a bebida não se encontra à temperatura correta de consumo

enquanto está no barril, esta deve ser arrefecida pela máquina até que a temperatura ideal seja

atingida.

As máquinas de extração de bebidas podem variar significativamente de acordo com as neces-

sidades de consumo nos pontos de venda a que se destinam. De facto, estas máquinas apresentam

diferentes aspetos, capacidades de água e bebida, número de colunas de extração e métodos de

refrigeração.

O Super Bock Group disponibiliza diferentes tipos de máquinas de extração com sistema de

refrigeração baseado no ciclo de compressão a vapor. Estas podem ser verticais, horizontais ou

invertidas com diferentes capacidades de extração de bebida (40l, 60l, 100l, 200l), capacidades

de água na cuba (26l a 80l) e capacidades frigoríficas [1].

Tal como se pode verificar na figura 2.1, os modelos vertical, horizontal e invertido podem ser

diferenciados de acordo com a posição do seu sistema frigorífico: em baixo, ao lado ou em cima

do depósito de água, respetivamente.

A máquina disponível para este trabalho de dissertação foi fornecida pelo Super Bock Group

e é um modelo vertical de 100l de capacidade de extração de bebida e 52l de capacidade de água,

sendo capaz de acumular 20 kg de gelo no interior do depósito.

Esta máquina de extração de bebidas pode ser vista como um sistema composto por 3 subsis-

temas principais, que serão descritos de seguida:

5

6 Revisão Bibliográfica

Figura 2.1: Máquinas de extração de bebidas horizontal (à esquerda), vertical (no centro) e inver-tida (à direita). Retirado de [1]

• Sistema de extração de bebida;

• Sistema de refrigeração;

• Sistema de controlo.

2.1.1 Sistema de extração

O sistema de extração tem como objetivo o transporte da bebida desde o barril, onde esta se

encontra armazenada, até à torneira, onde será servida, sendo, para isso, necessário haver uma

diferença de pressão entre o barril e a torneira.

Este sistema, representado numericamente na figura 2.2, é constituído pelos seguintes compo-

nentes:

1. Botija de gás (CO2), que armazena CO2 a uma pressão de 50 bar;

2. Manómetro e manoredutor, que impede a injeção excessiva de pressão para o barril, con-

trolando o caudal da extração e evitando a gaseificação excessiva da bebida;

3. Barril, que armazena a bebida;

4. Válvula de pressão, que faz a ligação do barril à tubagem e cria a diferença de pressão

necessária para a extração de bebida, através da injeção de gás pressurizado para dentro do

barril;

5. Tubagem de bebida, que transporta a bebida desde que esta é extraída do barril até que é

servida pela torneira, passando pelo sistema de refrigeração;

6. Coluna de extração, que suporta a torneira, sendo composta por 3 tubos: um que transporta

a bebida e dois que transportam água, a fim de reduzir as trocas de calor entre a bebida e o

exterior, evitando a diminuição da qualidade da mesma.

2.1 Composição e funcionamento de uma máquina de extração de bebidas 7

Figura 2.2: Sistema de extração de bebida da máquina. Retirado de [2]

7. Torneira, que permite servir a bebida, controlando o fluxo de bebida extraída e a formação

de espuma.

Além disso, ainda se pode destacar a presença do refrigerador (ponto 8), que faz parte do

sistema de refrigeração descrito a seguir, e a torneira de água (ponto 9), que fornece água ao

sistema de refrigeração.

2.1.2 Sistema de refrigeração

O sistema de refrigeração é composto pelo depósito de água e pelo sistema frigorífico, sendo

controlado pelo sistema de controlo.

O depósito de água da máquina que será utilizada neste trabalho tem uma capacidade de 52l

de água, sendo possível formar no seu interior, aproximadamente, 20 kg de gelo, graças a um

componente do sistema frigorífico chamado evaporador. No interior do depósito, encontram-se os

seguintes componentes:

• Serpentina da bebida, que transporta a bebida e permite as trocas de calor entre a mesma

e a água do depósito;


• Sonda de gelo, que evita a formação de uma massa excessiva de gelo no depósito ao infor-

mar o controlador de que o limite máximo foi atingido;

• Agitador, um motor elétrico monofásico com uma hélice acoplada na ponta do seu veio,

que permite a homogeneização da temperatura da água no depósito, e um disco com pás no

meio do veio, que serve para bombear a água pela coluna de extração. Este componente é

essencial para aumentar a eficiência da refrigeração e melhorar a qualidade da bebida.

No sistema frigorífico da máquina, que funciona segundo o método baseado no ciclo de com-

pressão a vapor, circula o fluido refrigerador R134a [1]. Este sistema, que, neste caso, se encontra

na base da máquina e por baixo do depósito de água, contém um evaporador, que permite arre-

fecer a água do depósito graças à absorção do calor pelo gás R134a que nele circula. Este gás é,

depois, comprimido no compressor, até que a sua pressão de vaporização seja atingida, circulando

posteriormente para o condensador, onde o calor acumulado pelo gás é libertado para o exterior,

com o auxílio de um ventilador. No final do ciclo, o fluido, já arrefecido, passa por uma válvula

de expansão. Quando atingir a pressão de condensação, o gás flui até ao evaporador, iniciando-se

novamente o ciclo de refrigeração.

Figura 2.3: Diagrama representativo do ciclo de compressão a vapor. Adaptado de [3]

2.1 Composição e funcionamento de uma máquina de extração de bebidas 9

Figura 2.4: Exemplo de um sistema frigorífico baseado no ciclo de compressão a vapor. Retiradode [4]

2.1.3 Sistema de controlo

O sistema de controlo da máquina de extração de bebidas em estudo contém um controlador

AL-901 C da Barcinova [1].

Figura 2.5: Controlador AL-901 C. Retirado de [5]

O princípio de funcionamento deste controlador é muito simples e energeticamente pouco efi-

ciente, baseando-se numa máquina de estados com apenas dois estados (figura 2.6): um deles onde

o compressor, ventilador e agitador se encontram ativos e outro estado em que estes componentes

se encontram desligados. A transição para este último estado acontece quando a sonda de gelo

deteta que a massa de gelo formado atingiu o valor máximo, com o objetivo de evitar que a parede


de gelo formada à volta do evaporador chegue à serpentina de bebida, sendo desligada a alimen-

tação das saídas durante 21 minutos. Após este período de tempo, o processo repete-se de forma

cíclica.

Figura 2.6: Máquina de estados do controlador de uma máquina convencional

A sonda de gelo integrada na máquina de extração de bebidas funciona, basicamente, como um

interruptor elétrico. Desta forma, uma vez que a água, ao contrário do gelo, é um bom condutor

elétrico, o interruptor que representa a sonda encontra-se na posição “fechado” na presença de

água, e na posição “aberto” na presença de gelo. Este componente será abordado com maior

profundidade no subcapítulo 5.3.2.

Pode-se concluir, então, que este tipo de controlo leva a um desperdício de energia e a um des-

gaste mecânico acelerado dos componentes, visto que a máquina está sempre a trabalhar, mesmo

quando o ponto de venda se encontra encerrado.

Capítulo 3

Modelo matemático

Neste capítulo, determina-se o modelo matemático que melhor descreve o comportamento

termodinâmico do sistema em estudo.

No primeiro subcapítulo (3.1), definem-se os ganhos energéticos em diferentes pontos da má-

quina.

No segundo subcapítulo (3.2), deduz-se o balanço energético da máquina.

No terceiro subcapítulo (3.3), apresenta-se o modelo termodinâmico e as equações que o defi-

nem.

No quarto subcapítulo (3.4), expõem-se as principais conclusões retiradas deste capítulo.

3.1 Ganhos energéticos

A máquina de extração de bebidas em estudo neste trabalho apresenta um corpo com a forma

de um paralelepípedo cuja constituição define as características termodinâmicas da máquina, de-

terminando os ganhos energéticos do sistema. Além disso, as trocas de calor que ocorrem no

depósito da água e na coluna durante a extração de bebida influenciam este cálculo.

Tal como um frigorífico convencional, este tipo de máquina é responsável por refrigerar algo,

que pode ser comparado a um condensador elétrico, cujo objetivo é armazenar energia. No caso

da máquina em estudo, o gelo formado no depósito constitui o condensador que acumula energia

calorífica.

De modo a que o bom funcionamento do sistema seja assegurado, a máquina deve ser cons-

truída com a capacidade de superar todos os ganhos caloríficos que participam no sistema, sendo,

então, necessário analisar as potências caloríficas envolvidas em todos os seus componentes.

3.1.1 Ganhos energéticos no corpo da máquina

Visto que o corpo da máquina tem a forma de um paralelepípedo, é necessário calcular a

potência calorífica nas suas 6 faces, sendo 5 delas isoladas termicamente (superfícies laterais e

inferior) e uma não isolada (superfície superior).

11

12 Modelo matemático

Nas próximas secções, é explicado o procedimento de cálculo dos ganhos energéticos nas

diferentes faces do corpo da máquina.

3.1.1.1 Superfícies laterais

Neste caso, assume-se que o ganho calorífico é aproximadamente igual em cada uma das faces,

uma vez que todas apresentam dimensões e constituição semelhantes e estão sujeitas às mesmas

condições de temperatura e pressão, tal como está ilustrado na figura 3.1.

Figura 3.1: Constituição da superfície lateral do depósito (corte longitudinal) e resistências térmi-cas de cada camada

Com base na série de resistências térmicas identificadas na figura 3.1, é possível calcular a

potência calorífica para uma face lateral, através da equação 3.1.

QSupLateral =Tambiente −Tagua

Ramb2 +R23 +R34 +R45 +R5agua(3.1)

Cada resistência térmica identificada na figura 3.1 pode ser calculada através das equações

3.2 e 3.3, conforme consistam em resistências associadas à convecção ou condução de calor, res-

petivamente. Enquanto que Ramb2 e R5agua são resistências térmicas associadas à convecção, as

restantes são resistências térmicas associadas à condução de calor [20].

Rconv =1

hsuper f icie ∗Ssuper f icie(3.2)

Rcond =esuper f icie

λsuper f icie ∗Ssuper f icie(3.3)

Em que h é o coeficiente de convecção térmica do material, λ é a condutividade térmica do

material, e corresponde à espessura e S à área da superfície.

3.1 Ganhos energéticos 13

Tal como se pode verificar nas equações 3.2 e 3.3, o cálculo das resistências térmicas depende

não só das constantes térmicas dos materiais envolvidos, como também das dimensões de cada

camada das faces laterais. Assim sendo, na tabela 3.1, apresentam-se as constantes térmicas dos

materiais que compõem as diferentes camadas do corpo da máquina. Na tabela 3.2, encontram-se

as dimensões e os resultados do cálculo das resistências térmicas de cada camada.

Material ou substância Condutividade térmica,λmaterial (W/(m·K))

Convecção térmica,hmaterial (W/(m2·K))

Ar exterior - 2,66Bolsa de ar 0,024 -

Aço AISI 304 14,9 -Poliuretano 0,026 -

PVC 0,19 -Água - 102,79

Tabela 3.1: Constantes térmicas [14, 15, 16, 17]

Camada Largura(m)

Altura(m)

Área(m2)

Espessura(m)

Resistência(C/W)

Ramb2 0,460 0,440 0,202 - 1,857R23 0,460 0,440 0,202 0,001 3,316*10−4

R34 0,355 0,380 0,135 0,025 7,413R45 0,355 0,380 0,135 0,005 0,195

R5agua 0,355 0,380 0,135 - 0,072Tabela 3.2: Dimensões das camadas que constituem a superfície lateral da máquina e respetivasresistências térmicas

3.1.1.2 Superfície superior

O ganho calorífico desta superfície é calculado de forma análoga às laterais, sendo a única

diferença o facto de a superfície superior não conter uma camada de isolamento térmico, tal como

se pode ver na figura 3.2.

Assim sendo, o ganho calorífico pode ser calculado através da equação 3.4.

QSupSuperior =Tambiente −Tagua

Ramb2 +R23 +R34 +R4agua(3.4)

Na tabela 3.3, encontram-se os resultados do cálculo das resistências térmicas identificadas

na figura 3.2, recorrendo às constantes térmicas presentes na tabela 3.1 e às dimensões de cada

camada.


Figura 3.2: Constituição da superfície superior do depósito (corte longitudinal) e resistências tér-micas de cada camada

Camada Largura(m)

Altura(m)

Área(m2)

Espessura(m)

Resistência(C/W)

Ramb2 0,440 0,440 0,194 - 1,942R23 0,440 0,440 0,194 0,001 3,467*10−4

R34 0,440 0,440 0,194 0,107 23,03R4agua 0,440 0,440 0,194 - 0,050

Tabela 3.3: Dimensões das camadas que constituem a superfície superior da máquina e respetivasresistências térmicas

3.1.1.3 Superfície inferior

Esta zona da máquina pode atingir temperaturas muito superiores à temperatura ambiente,

visto que, por baixo do depósito de água, encontram-se o compressor e o ventilador. Estes ele-

mentos, quando são ligados, emitem calor, que tende a ascender devido ao fenómeno de convecção

térmica, influenciando o ganho energético nesta superfície.

Na figura 3.3, é possível observar as diferentes camadas desta superfície, assim como as resis-

tências térmicas associadas às mesmas.

O ganho energético pode ser calculado através da equação 3.5, sendo as resistências térmicas

das extremidades obtidas pela equação de convecção (equação 3.2) e as restantes pela equação de

3.1 Ganhos energéticos 15

Figura 3.3: Constituição da superfície inferior do depósito (corte longitudinal) e resistências tér-micas de cada camada

condução (equação 3.3).

QSupIn f erior =Tmaquinas −Tagua

Ragua2 +R23 +R34 +R45 +R5maquinas(3.5)

Repare-se que, neste caso, em vez de se usar apenas a temperatura ambiente, Tamb, no cál-

culo do ganho energético, recorre-se à “temperatura das máquinas”, Tmaquinas. Esta temperatura

é calculada através da equação 3.6, apenas na situação em que o compressor se encontra ligado

juntamente com o ventilador. Caso contrário, Tmaquinas só tomará o valor de Tamb.

Tmaquinas = Tamb +Textracompressor +Textraventilador (3.6)

As temperaturas Textracompressor e Textraventilador , recolhidas experimentalmente, assumem os valores

20C e 8C, respetivamente [7].

As dimensões das diferentes camadas da superfície inferior e os resultados do cálculo das

respetivas resistências térmicas podem ser consultados na tabela 3.4.


Camada Largura(m)

Altura(m)

Área(m2)

Espessura(m)

Resistência(C/W)

Ragua2 0,380 0,380 0,144 - 1,942R23 0,380 0,380 0,144 0,005 0,182R34 0,380 0,380 0,144 0,025 6,925R45 0,440 0,440 0,194 0,001 3,467*10−4

R5maquinas 0,380 0,380 0,144 - 2,604Tabela 3.4: Dimensões das camadas que constituem a superfície inferior da máquina e respetivasresistências térmicas

3.1.2 Ganho energético da extração de bebida

Quando a bebida é extraída da máquina e é transportada desde o barril até à torneira, ocorrem

transferências de calor entre esta e a água do depósito ao longo do caminho. Por isso, é necessário

analisar o ganho energético da extração de bebida, recorrendo à equação 3.7.

Qextracao = mbebida ∗ cpbebida ∗ (Tentrada −Tsaida) (3.7)

Sendo que,

mbebida = ρcerve ja ∗Vcerve ja (3.8)

Assume-se que cpcerve ja , calor específico da cerveja, e ρcerve ja, massa volúmica da cerveja, são

constantes e tomam os valores 3768 J/(kg·C) e 1050 kg/m3, respetivamente [21].

A capacidade máxima de extração da máquina define o valor de Vcerve ja que, para o caso da

máquina em estudo, é 100 L/hora [1].

A temperatura de entrada da cerveja, Tentrada, corresponde à temperatura ambiente, uma vez

que, normalmente, o barril encontra-se a essa temperatura. A temperatura de saída da cerveja,

Tsaida, assume o valor de 4C, que corresponde à temperatura considerada ideal para o consumo

da bebida.

3.1.3 Ganho energético do agitador

O agitador é responsável pela introdução de duas potências caloríficas no sistema, visto que

este desempenha duas funções diferentes: agitar a água no depósito, permitindo a homogeneização

da temperatura da água, e bombear a água do depósito para a coluna de extração, evitando o

aumento da temperatura nesta zona.

O ganho energético do agitador é dado pela equação 3.9, devido à primeira funcionalidade, e

pela equação 3.10, devido à segunda funcionalidade.

Qeixo =√

hagua ∗ p∗λ ∗S∗ (Tagitador −Tagua) (3.9)

3.2 Balanço energético da máquina 17

Qbomba = magua ∗ cpagua ∗ (Tentrada −Tagua) (3.10)

Na equação 3.9, o valor da condutividade térmica, λ , é de 15,1 W/(m·K), já que o eixo do

agitador é constituído por aço AISI tipo 302 [14]. A constante hagua corresponde ao coeficiente de

transferência térmica por convecção da água, que pode ser consultado na tabela 3.1. Além disso,

p e S, que correspondem ao perímetro e secção do eixo, podem ser dados por:

p = 2∗π ∗ r (3.11)

S = π ∗ r2 (3.12)

Na equação 3.10, o calor específico da água, cpagua , vale 4187 J/(kg·C) [22] e o caudal más-

sico bombeado, magua, ronda 0,0789 kg/s para o agitador da máquina em estudo [23].

Num estudo anterior, os valores da temperatura do agitador, Tagitador, e da chegada da água

ao depósito, Tentrada, foram definidos experimentalmente, tomando valores médios de 3C e 0,2C

acima da temperatura da água, respetivamente [21]. Isto deve-se à dificuldade de medição destes

valores, que dependem da temperatura da água.

Por fim, o ganho energético do agitador pode ser calculado através da equação 3.13, que

representa a soma dos ganhos energéticos devido a ambas as funcionalidades deste elemento.

Qagitador = Qeixo + Qbomba (3.13)

3.1.4 Capacidade frigorífica da máquina

Em trabalhos de dissertação anteriores, foi determinado experimentalmente o ganho energético

do sistema devido à ação do compressor, sendo este modelado pela seguinte equação 3.14 [21].

Qevaporador = 460+900Tagua

Tamb +5(3.14)

Neste caso, Qevaporador representa o calor retirado pelo evaporador devido à capacidade frigo-

rífica do sistema de refrigeração, do qual o compressor faz parte.

3.2 Balanço energético da máquina

Sabendo todos os ganhos energéticos que participam no sistema, é possível calcular o ganho

energético total da máquina, isto é, a soma de toda a potência calorífica fornecida à máquina. A

equação 3.15 traduz o cálculo desta grandeza.

Qtotal = 4∗ QSupLateral + QSupSuperior + QSupIn f erior + Qextracao + Qeixo + Qbomba (3.15)


Com isto, pode-se calcular o balanço energético que ocorre no depósito de água, através da

seguinte equação.

Qrecebido = Qtotal − Qevaporador (3.16)

Note-se que, caso o agitador não esteja ativo, então Qbomba vale zero, uma vez que este não se

encontra a bombear água para a coluna de extração. Se também não existir extração de bebida,

Qextracao é zero. Desta forma, a equação 3.15 fica reduzida à equação 3.17.

Qtotal = 4∗ QSupLateral + QSupSuperior + QSupIn f erior + Qeixo (3.17)

3.3 Modelização

3.3.1 Estimação da temperatura da água e massa de gelo

Com base nas equações apresentadas anteriormente, pode-se agora definir as equações 3.18 e

3.19, que traduzem a evolução da temperatura da água e formação da massa de gelo com o tempo

no interior do depósito, respetivamente.

Temperaturaagua = Temperaturaagua(t −∆T )+Qrecebido(t)

cpagua ∗massaagua(3.18)

Massagelo = Massagelo(t −∆T )− Qrecebido(t)L f

(3.19)

Sabe-se que o calor latente de fusão da água, L f , vale, aproximadamente, 334000 J/kg [24], o

calor específico da água, cpagua , é 4187 J/(kg·C) [22] e a massa de água equivale à capacidade do

depósito que, neste caso, é de 52 kg [1].

De maneira a que as leis térmicas e as propriedades físicas da água não sejam violadas, é

necessário criar certas restrições na implementação do modelo da máquina, especificamente no

que diz respeito às equações 3.18 e 3.19. As restrições a aplicar implicam que:

• Não ocorra formação de gelo enquanto a temperatura da água for superior a 0C;

• Durante o processo de formação de gelo, a temperatura da água mantém-se nos 0C;

• A formação de gelo tem início assim que a temperatura da água for inferior a 0C.

3.3.2 Modelo da máquina

A figura 3.4 apresenta o modelo construído para a máquina em estudo, que estima a massa de

gelo e a temperatura da água no depósito a partir de diversos parâmetros de entrada, com base nas

equações descritas anteriormente neste capítulo.

Tal como se pode observar na figura 3.4, o modelo termodinâmico do sistema tem como saídas

os valores estimados da temperatura da água e da massa de gelo formado no depósito, variáveis

3.4 Conclusão 19

Figura 3.4: Modelo termodinâmico da máquina de extração de bebidas

essas que são passadas como entradas, realizando a realimentação do modelo. Para além destas,

o modelo tem como entradas as temperaturas do barril e ambiente e os estados da torneira (aberta

ou fechada) e dos motores (ligado ou desligado).

Este modelo foi simulado com recurso à ferramenta MATLAB R2014b, sendo também de-

senvolvida uma interface que permite a interação com o utilizador [7]. Através desta interface, é

possível verificar a evolução da temperatura da água e da massa de gelo estimadas pelo modelo, a

partir dos parâmetros de entrada inseridos pelo utilizador. De facto, a interação com a simulação

inclui a definição dos valores iniciais das variáveis de saída e alteração do estado dos motores e da

torneira.

3.4 Conclusão

Neste capítulo, foi apresentado o modelo termodinâmico da máquina de extração de bebidas

em estudo, sendo definidas todas as equações que caracterizam as transferências de calor que nela

ocorrem ao longo do tempo, de acordo com o estado em que a máquina se encontra.

O modelo construído foi implementado em MATLAB R2014b, de modo a que este possa ser

validado, através da comparação entre as estimações dadas pelo modelo e os valores reais obtidos

por medições na máquina. Para isso, foram realizados vários testes na máquina e simulações no

modelo, ambos sujeitos a condições semelhantes para posterior comparação dos resultados [7].

Após comparação dos resultados obtidos para ambos os casos, concluiu-se que o modelo ter-

modinâmico desenvolvido é válido, aproximando-se suficientemente da realidade para ser tido em

conta na estimação da temperatura da água e da massa de gelo no depósito com confiança [7].

Capítulo 4

Controlador

Inicialmente, verificou-se que o controlador original da máquina era pouco eficiente a nível

energético. Assim sendo, tornou-se necessário desenvolver um novo controlador que permitisse

uma melhoria da eficiência energética do sistema, evitando a formação de gelo em excesso, con-

forme as necessidades do ponto de venda.

No primeiro subcapítulo (4.1), apresenta-se o novo controlador desenvolvido num trabalho de

dissertação anterior [7].

No segundo subcapítulo (4.2), explica-se a implementação do filtro de Kalman, um algoritmo

matemático que permitirá a correção do modelo de formação do gelo, com base nos inputs das

sondas de gelo (5.3.2.2).

No terceiro subcapítulo (4.3), revela-se as ideias principais a reter deste capítulo.

4.1 Controlador desenvolvido

O novo método de controlo desenvolvido permite adicionar novas funcionalidades ao nível de

operação da máquina. Tais funcionalidades incluem, por exemplo, a programação de consumos

horários previstos pelos responsáveis do ponto de venda durante um período de uma semana.

Antes do evento, o programa calcula a quantidade de gelo necessária para satisfazer o consumo de

bebida previsto para esse intervalo de tempo, sendo depois calculado o tempo a que o compressor

deve ser ligado, de modo a que se possa formar a massa calculada de gelo até ao início do evento.

O trabalho exposto neste subcapítulo baseia-se na dissertação identificada em [7].

A figura 4.1 apresenta um diagrama de blocos que descreve o funcionamento do controlador e

a interação existente entre os quatro “blocos” de código.

Através da figura 4.1, é possível verificar que este controlador tem como entradas:

• Os valores da temperatura em cinco pontos da máquina;

• O estado da torneira (aberta ou fechada);

• O volume previsto de bebida consumida por hora;

21

22 Controlador

Figura 4.1: Diagrama de blocos do controlador

• A hora atual.

As saídas do controlador incluem:

• 3 sinais de comando dos motores (um sinal para cada motor);

• Os consumos energéticos dos principais componentes da máquina.

Ainda se pode observar que o controlador é realimentado pelos valores da massa de gelo e

temperatura da água estimados pelo modelo termodinâmico e pelos sinais de comando dos moto-

res.

De seguida, descreve-se a função de cada um dos quatro blocos do controlador: modelo ter-

modinâmico, estimador da massa de gelo necessária, estimador do tempo de ativação e bloco de

controlo.

4.1.1 Modelo termodinâmico

Este bloco tem como função estimar a temperatura da água e a massa de gelo formado no in-

terior do depósito, implementando o modelo termodinâmico que já foi apresentado no subcapítulo

3.3.

4.1.2 Estimador da massa de gelo necessária

A função deste bloco é calcular a massa de gelo que é necessário formar no depósito, tendo

em conta o consumo horário de bebida esperado para o dia em questão.

4.1 Controlador desenvolvido 23

Para além dos consumos esperados, dados em litros/hora, este bloco também recebe o valor

da temperatura ideal à qual a bebida deve ser servida (4C, neste caso) e as temperaturas do barril

e ambiente.

A saída é o valor estimado da massa de gelo necessária para os consumos passados na entrada.

O algoritmo implementado, basicamente, simula a extração de um volume de bebida igual

àquele passado na entrada, calculando o calor transferido para a água num intervalo de uma hora.

A massa de gelo que seria derretida durante essa hora corresponde à massa de gelo que é necessário

formar no depósito, de modo a satisfazer o consumo.

Admite-se que o ventilador e o agitador se encontram sempre ligados, ao contrário do com-

pressor, uma vez que se pretende simular para o pior caso, isto é, a situação em que se transfere o

máximo calor para a água.

O fluxograma da figura 4.2 permite esclarecer o funcionamento deste bloco.

4.1.3 Estimador do tempo de ativação

Este bloco é responsável pela estimação das horas às quais o compressor da máquina deve ser

ligado, de modo a que seja possível criar a massa de gelo necessária para satisfazer o consumo

previsto.

Tanto os valores da massa de gelo e da temperatura da água estimados no bloco do modelo

termodinâmico (4.1.1), assim como a massa necessária calculada no bloco estimador da massa

de gelo (4.1.2) são passados como entradas para este bloco. Além disso, a hora atual também é

recebida como entrada, proveniente do sistema operativo da BeagleBone, a plataforma de controlo

da máquina (5.2).

Para calcular a hora de ativação do compressor, simula-se o arrefecimento da água desde a

temperatura inicial até que a massa de gelo formada no depósito atinja o valor necessário passado

na entrada. O tempo que esta operação demora, contado na simulação, corresponde ao tempo a

que o compressor deve ser ativado antes de se iniciar o consumo.

Para isso, admite-se que o agitador e o ventilador encontram-se ativos, de maneira a que seja

calculado o tempo para o pior caso, tal como no caso anterior (4.1.2). Desta vez, o compressor

encontra-se sempre ativo, visto que se pretende arrefecer a água.

O algoritmo deste bloco pode ser descrito pelo fluxograma da figura 4.3.

No entanto, o algoritmo acima descrito apresenta uma limitação: apenas funciona correta-

mente se o tempo calculado para ativar o compressor for inferior a uma hora. De facto, se o tempo

retornado for superior a 60 minutos, pode ocorrer uma sobreposição com os outros períodos de

tempo em que o compressor deveria estar ativo, podendo originar uma diminuição da massa de

gelo necessária. Esta limitação foi anulada graças à implementação do algoritmo descrito na figura

4.4, que distribui os minutos pelas horas anteriores.

24 Controlador

Figura 4.2: Fluxograma do bloco estimador da massa de gelo necessária


Figura 4.3: Fluxograma do bloco estimador do tempo de ativação

26 Controlador

Figura 4.4: Fluxograma do algoritmo de distribuição do tempo

4.1.4 Bloco de controlo

Este é o bloco principal do sistema, para o qual são passados, como entradas, a maior parte

dos valores calculados nos outros blocos e um conjunto de temperaturas lidas pelos sensores. Com

toda esta informação sobre o estado atual da máquina, este bloco é responsável por decidir quais

dos três motores deverão ser ativos a cada instante, a fim de garantir o bom funcionamento do

sistema. Além disso, o consumo energético da máquina é estimado neste bloco.

O algoritmo implementado neste bloco é descrito a seguir para cada componente, através de

máquinas de estado.

4.1.4.1 Compressor

O controlo deste componente é de extrema importância, visto que este é responsável não só

pela maior parte do consumo energético total da máquina, mas também pela formação de gelo.

Com o objetivo de aumentar a eficiência energética da máquina sem prejudicar a qualidade da

extração de bebida, foi implementada a máquina de estados da figura 4.5 para o controlo do com-

pressor.

Uma vez que o processo de congelamento da água é bastante lento, torna-se necessário manter

a água a uma temperatura baixa, mesmo em períodos nos quais o consumo de bebida é nulo.

Por isso, durante estes períodos, o compressor apenas é ligado quando a temperatura da água

ultrapassar 1C, tal como se pode ver na figura 4.5.


Figura 4.5: Máquina de estados do compressor

Por outro lado, assim que a hora atual for aquela devolvida pelo bloco estimador do tempo de

ativação (4.1.3), o compressor é ativado e assim permanecerá até que a massa de gelo formada no

depósito atinja o valor necessário para o consumo esperado (4.1.2).

4.1.4.2 Ventilador

O controlo do ventilador foi implementado de maneira a que este seja ativado quando a tempe-

ratura na zona compreendida entre o compressor e o ventilador ultrapasse a temperatura ambiente

em 3C. Assim que esta volte a ser igual à temperatura ambiente, o ventilador é desligado, tal

como se pode ver na figura 4.6.

4.1.4.3 Agitador

O controlo deste componente deve ter em conta vários aspetos, tais como a homogeneização

da temperatura da água no depósito, o arrefecimento da água na coluna de extração e a prevenção

de avarias relacionadas com a acumulação de humidade.

Assim sendo, foram implementadas duas fases de controlo, tal como se pode verificar na figura

4.7.

A primeira fase começa quando a água se encontra a uma temperatura superior a 5C, devido

ao facto de a máquina se encontrar desligada por um longo período de tempo, por exemplo. Nesta

fase, o agitador é ativado e desativado de forma alternada.

28 Controlador

Figura 4.6: Máquina de estados do ventilador

A segunda fase tem início assim que a temperatura da água for inferior a 5C. Nesta fase, o

arrefecimento da coluna de extração é garantido pela ativação do agitador quando a temperatura

desta for superior a 2C, sendo desligado quando a mesma temperatura atingir os 0C. Além disso,

a homogeneização da temperatura da água é conseguida com a ativação do agitador, assim que esta

for superior a 0,5C e se verificar a presença de gelo.

4.1.4.4 Consumo energético

O bloco de controlo é, ainda, responsável por calcular a energia consumida por cada um dos 3

motores da máquina. Para tal, foi necessário obter os valores da potência ativa de cada um deles.

No caso do compressor, uma vez que o valor da potência ativa varia com a temperatura do

líquido refrigerador (R134a), admitiu-se que esta varia entre −5C e 0C, resultando num valor

médio de 460W para a potência ativa, segundo a folha de características do compressor [25, 7].

No caso do agitador e ventilador, devido à falta de informação relacionada com o consumo

energético dos mesmos, os valores foram obtidos experimentalmente, valendo 75W e 35W, respe-

tivamente [7].

Através da seguinte fórmula, é possível calcular a energia consumida, em kWh, por cada

componente.

Econsumida = P∗∆t ∗0.001 (4.1)

4.2 Filtro de Kalman 29

Figura 4.7: Máquina de estados do agitador

4.2 Filtro de Kalman

A máquina de extração de bebidas em estudo pode ser simulada com recurso a um modelo

matemático, abordado no capítulo 3, que é capaz de estimar a massa de gelo formada a cada

instante, tendo em conta várias variáveis, como, por exemplo, a temperatura da água. No entanto,

verifica-se que as estimações dadas por este modelo não são totalmente certas quando comparadas

com a realidade, devido à introdução de incertezas no sistema real.

Em sistemas dinâmicos que lidam com informação incerta, a implementação de um filtro de

Kalman permite obter estimações precisas do próximo estado do sistema, de forma recursiva,

através de observações perturbadas por ruído [26].

Após a obtenção das estimativas iniciais, cada iteração deste algoritmo gera uma nova estima-

tiva do estado do sistema, a partir do estado anterior, passando por duas fases distintas: a estimativa

a priori (estado de predição) e a estimativa a posteriori (estado de correção), tal como se pode ver

na figura 4.8 [21, 6, 26].

30 Controlador

Figura 4.8: Estados de predição e de correção do filtro de Kalman. Adaptado de [6]

Na figura 4.8, verifica-se que [21, 6]:

• x−k corresponde à estimativa a priori do estado do sistema na iteração atual;

• xk corresponde à estimativa a posteriori do estado do sistema na iteração atual;

• xk−1 corresponde à estimativa do estado do sistema obtida na iteração anterior;

• P−k corresponde à covariância do erro a priori na iteração atual;

• Pk corresponde à covariância do erro a posteriori na iteração atual;

• Pk−1 corresponde à covariância do erro obtida na iteração anterior;

• uk corresponde ao sinal de controlo, isto é, um vetor que contém os valores das entradas do

sistema na iteração atual;

• zk é o vetor que contém os valores medidos através dos sensores na iteração atual;

• Kk corresponde ao ganho de Kalman na iteração atual;

• A é a matriz da dinâmica do sistema;

• B é a matriz das entradas que influenciam a dinâmica do sistema;

4.2 Filtro de Kalman 31

• H é a matriz que modela os sensores;

• Q corresponde à matriz da covariância do ruído de estado;

• R corresponde à matriz da covariância do ruído de medição.

Antes de se iniciar a execução do algoritmo, devem ser definidas as condições iniciais, isto é,

as estimativas iniciais do estado do sistema, x0, e da covariância do erro, P0 [6].

Tal como se pode ver na figura 4.8, as equações do estado de predição calculam uma estima-

tiva do estado atual com base apenas na estimativa obtida no estado anterior, sem recorrerem às

medições provenientes dos sensores. Isto resulta numa estimativa a priori, ou seja, uma estimativa

anterior à correção pela observação atual [6].

Por outro lado, no estado de correção, a informação proveniente dos sensores é usada para

afinar a estimativa a priori obtida no estado de predição, obtendo-se, por isso, uma estimativa a

posteriori [6].

4.2.1 Modelo da formação do gelo

Em primeiro lugar, deve-se definir o modelo do sistema sobre o qual será implementado o

filtro de Kalman.

Neste caso, com base no modelo matemático abordado no capítulo 3, a formação de gelo na

máquina pode ser modelada pelas seguintes equações.

mk = mk−1 −Qrk

334000(4.2)

uk = Qrk (4.3)

Onde m corresponde à massa de gelo formada no depósito e Qr representa o balanço energético

da máquina.

Em espaço de estados fica:

xk = Axk−1 +Buk +wk−1 (4.4)

zk = Hxk + vk (4.5)

Sendo que:

A = 1, B =− 1334000 , H = 1, wk−1=0 e vk=0.

Assume-se que os os sinais são gaussianos puros. Desta forma, tanto o ruído do processo,

representado por wk−1, como também o ruído da medição, representado por vk, podem ser despre-

zados. Isto não será um problema, uma vez que o filtro de Kalman tenta sempre convergir para

estimações corretas, mesmo que os parâmetros de ruído gaussiano sejam errados [26].

32 Controlador

4.2.2 Implementação

As equações mostradas anteriormente neste capítulo foram implementadas numa nova função

no código C++ do controlador, que pode ser representada por um novo bloco a ser incluído no

diagrama de blocos da figura 4.1.

Figura 4.9: Bloco do filtro de Kalman

Tal como se pode verificar na figura 4.9, este bloco tem como entradas:

• A massa de gelo resultante do input das sondas de gelo;

• A massa de gelo estimada pelo filtro na iteração anterior;

• O valor do balanço energético da máquina;

• A covariância do erro calculada pelo filtro na iteração anterior.

As saídas deste bloco são:

• O valor da massa de gelo "corrigida"pelo filtro de Kalman;

• A covariância do erro.

Antes de se iniciar a execução deste bloco, devem ser passadas as estimativas iniciais do estado

do sistema, x0, e da covariância do erro, P0.

Uma vez que se assume que não existe gelo na máquina quando esta é ligada, o valor inicial

do estado do sistema deve ser zero.

Por outro lado, a covariância do erro deve tomar, inicialmente, um valor diferente de zero.

Caso contrário, isso significa que não existe ruído no sistema, o que levaria à permanência de xk

no estado inicial zero. Neste caso, atribuiu-se à covariância do erro o valor inicial 10.

4.3 Conclusão

Neste capítulo, explicou-se o controlador desenvolvido e implementado na máquina de extra-

ção de bebidas, com o objetivo de melhorar a eficiência energética da mesma, sem comprometer a

qualidade do produto.

4.3 Conclusão 33

Nesta dissertação, um dos aspetos a destacar no controlador foi a inclusão do filtro de Kalman,

que, tanto em simulação, como também na implementação em C++, revelou ser uma boa solução

para a otimização da estimação feita pelo modelo de formação de gelo.

Segundo um estudo realizado anteriormente, a poupança energética conseguida com este novo

controlador, quando comparado com o controlador original, é significativa, traduzindo-se em,

aproximadamente, 220 mil kWh, ou 37 mil euros, poupados diariamente, no universo de cerca

de 50 mil máquinas pertencentes ao Super Bock Group [7].

34 Controlador

Capítulo 5

Hardware

Este capítulo explica a maneira como todo o sistema se encontra implementado, a nível de

hardware.

No primeiro subcapítulo (5.1), descreve-se a arquitetura do sistema completo, desde a base de

dados até à BeagleBone.

No segundo subcapítulo (5.2), apresenta-se a plataforma de controlo utilizada e principais

características.

No terceiro subcapítulo (5.3), revela-se os circuitos de aquisição de sinal proveniente dos

sensores instalados na máquina.

No quarto subcapítulo (5.4), fala-se da necessidade de implementação de um relógio de tempo

real externo à placa de controlo.

No quinto subcapítulo (5.5), mostra-se o circuito de alimentação do sistema.

No sexto subcapítulo (5.6), apresenta-se o circuito de acionamento dos 3 motores da máquina:

compressor, ventilador e agitador.

Por fim, encontram-se as conclusões (5.7) retiradas do que foi abordado neste capítulo.

5.1 Arquitetura do sistema

Em primeiro lugar, é necessário definir a arquitetura do sistema, isto é, a forma como todos

os elementos se ligam e interagem uns com os outros, com a finalidade de que todos os requisitos

definidos para o sistema sejam cumpridos.

A figura 5.1 mostra a arquitetura proposta para a máquina de extração de bebidas nesta disser-

tação.

Visto que o sistema de monitorização e controlo da máquina em estudo já foi modificado

em dissertações anteriores, a arquitetura proposta nesta dissertação tem em consideração essas

alterações e tenta reaproveitar as soluções implementadas anteriormente.

35

36 Hardware

Figura 5.1: Arquitetura do sistema. Adaptado de [7]

5.2 Plataforma de controlo

O módulo de controlo utilizado neste estudo foi uma BeagleBone Black (BBB) da BeagleBo-

ard, ilustrada na figura 5.2.

Figura 5.2: BeagleBone Black. Retirado de [8]

A razão para a escolha desta plataforma é o facto de esta já ter sido utilizada nos estudos anteri-

ores com esta máquina, o que permite reutilizar componentes e funcionalidades já implementadas.

Esta é uma plataforma de desenvolvimento de baixo custo e open-source que corre o sistema

operativo Linux. Além disso, permite o desenvolvimento de aplicações complexas, sendo as suas

principais vantagens [27, 28]:

• Elevada capacidade de processamento, na ordem de 1 GHz;

• Alta conectividade, suportando vários padrões, tais como USB, HDMI e Ethernet;

5.3 Sensores e aquisição de sinal 37

• Permite o desenvolvimento e utilização de aplicações e bibliotecas open-source, sendo su-

portada por uma grande comunidade.

Todas as entradas e saídas da BBB encontram-se registadas na figura 5.3. No total, a placa

dispõe de 92 pinos, sendo que 65 deles podem ser usados como portas programáveis de entrada e

saída (GPIOs).

Figura 5.3: Inputs e outputs da BeagleBone Black. Retirado de [9]

5.3 Sensores e aquisição de sinal

Antes de ser processado, o sinal proveniente de cada sensor instalado na máquina deve ser

corretamente recebido por um circuito.

Assim sendo, a PCB instalada na máquina contém um circuito de aquisição de sinal diferente

para cada tipo de sensor.

38 Hardware

5.3.1 Aquisição de temperaturas

A aquisição do sinal proveniente dos sensores de temperatura é crucial para a correta execução

do controlador abordado no capítulo 4.

Os sensores de temperatura escolhidos para esta dissertação foram os DS18B20 waterproof,

ilustrados na figura 5.4, que também foram utilizados nos estudos anteriores com esta máquina.

Estes sensores adequam-se a este estudo, uma vez que são à prova de água, têm uma elevada

precisão (±0.5C), apresentam um tamanho reduzido e são de baixo custo. Além disso, não é

necessário implementá-los com um circuito de condicionamento, não são suscetíveis a degradação

de sinal a grandes distâncias e são compatíveis com comunicação 1-wire, o que permite ligar vários

sensores ao mesmo pino do microcontrolador recorrendo ao barramento 1-wire [29].

Figura 5.4: Sensor de temperatura DS18B20 waterproof. Retirado de [10]

Na figura 5.5, está representado o circuito elétrico que alimenta e permite a transmissão de

dados de todos os sensores. Uma vez que se está a utilizar o barramento 1-wire da BBB, apenas é

necessário um pino para receber os dados de todos os sensores.

Devido ao facto de o sensor de temperatura da água instalado no estudo anterior ter avariado,

foi necessário instalar um novo sensor do mesmo tipo. Contudo, este novo sensor não funciona

corretamente quando ligado ao circuito representado na figura 5.5, porque, provavelmente, não

suporta a mesma tensão de alimentação dos outros sensores (5V). Por isso, uma vez que a tensão

de 3,3V é inacessível na PCB (ao contrário dos 5V), foi necessário montar um circuito divisor de


Figura 5.5: Circuito elétrico para os sensores de temperatura. Adaptado de [7]

tensão, externo à PCB, representado na figura 5.6, que baixa a tensão de alimentação de 5V para

3,3V, aproximadamente, especificamente para este novo sensor.

Na máquina, encontram-se instalados 5 sensores de temperatura nos seguintes pontos:

• Na serpentina da bebida, entre o barril e a máquina, para medir a temperatura da bebida no

barril;

• Na coluna de extração, perto da torneira, para medir a temperatura a que a bebida é servida;

• Dentro do depósito, para medir a temperatura da água.

40 Hardware

Figura 5.6: Divisor de tensão para o sensor de temperatura

• Na zona inferior da máquina, entre o compressor e o ventilador, para medir a temperatura

do compressor;

• Na parte exterior do depósito, fixado à carcaça da máquina, para medir a temperatura ambi-

ente.

Os locais escolhidos constituem pontos chave de medição da temperatura exigidos pelo con-

trolador descrito no capítulo 4.

5.3.2 Sonda de gelo e medição da espessura de gelo

Sendo um dos objetivos deste trabalho a substituição da sonda de gelo implementada na má-

quina em trabalhos de dissertação anteriores, neste capítulo, apresenta-se um novo método de

medição da massa de gelo formada no depósito de água da máquina. Este método baseia-se na

utilização de 3 sondas de gelo standard colocadas no mesmo depósito.

5.3.2.1 Solução anterior

A máquina encontrava-se equipada com duas sondas diferentes:

• Sonda discreta de 4 andares para medição da massa de gelo formado no depósito;

• Sonda standard para deteção do nível máximo de gelo formado no depósito.

Contudo, ambas as sondas baseiam-se no mesmo princípio de funcionamento: o facto de a

água ser um condutor elétrico, ao contrário do gelo.

Tal como já foi explicado no capítulo 2, a sonda de gelo standard tem como função a dete-

ção do nível máximo de gelo admissível dentro do depósito, de modo a que este não congele a

serpentina de bebida.


Figura 5.7: Sonda de gelo standard

Por outro lado, a sonda discreta de 4 andares, que foi desenvolvida num trabalho de dissertação

anterior [21], permite detetar não só o nível máximo, como também outras 3 medidas intermédias

da massa de gelo. Esta é composta por 5 varetas de aço inox equidistantes, mas com diferentes

comprimentos, sendo a maior delas comum às restantes, tal como se pode ver na figura 5.8.

Figura 5.8: Protótipo da sonda de gelo atualmente instalado

Após ser mergulhada na água e fixada ao evaporador, a corrente elétrica flui entre as varetas

da sonda. À medida que a água vai congelando, o gelo começa a cobrir cada vareta (desde a

mais pequena até à maior), cortando a circulação de corrente em cada uma delas. Desta forma, o

circuito de aquisição de sinal implementado na PCB será capaz de detetar a presença ou ausência

de gelo, gerando um sinal digital de acordo com ambos os casos.

42 Hardware

5.3.2.2 Solução implementada

Nesta dissertação, a solução escolhida para deteção e medição da massa de gelo passa pela

utilização de 3 sondas standard. Tal como se pode verificar na figura 5.9, a primeira sonda é

fixada ao evaporador, sendo as outras duas coladas à mesma com fita isolante.

Figura 5.9: Protótipo da nova sonda de gelo instalado na máquina

Este protótipo funciona de forma semelhante à sonda discreta descrita na secção anterior

(5.3.2.1), sendo a principal diferença o facto de não haver uma vareta comum ligada a VDD. Em

vez disso, cada sonda tem uma das suas duas varetas ligada a VDD, sendo a outra vareta responsável

por receber e conduzir a corrente até à placa eletrónica (caso a sonda se encontre mergulhada em

água líquida).

Tal como já foi referido, visto que a PCB utilizada neste trabalho é aquela que foi desenvol-

vida na dissertação identificada em [7], o circuito de aquisição de sinal, esquematizado em 5.10,

também será semelhante.

A espessura da massa de gelo corresponde, aproximadamente, ao dobro da distância horizontal

entre o evaporador e as varetas de cada uma das sondas. Através das equações 5.1, 5.2 e 5.3,

sabendo a espessura do gelo, é possível calcular a massa de gelo formada no depósito, quando esta

atinge cada uma das sondas. Esses valores podem ser consultados na tabela 5.1.

Sgelo = 2∗π ∗ r ∗h (5.1)

Vgelo = Sgelo ∗ egelo (5.2)

ρgelo =mgelo

Vgelo(5.3)


Figura 5.10: Circuito elétrico para cada sonda de gelo. Adaptado de [7]

Ponto Evaporador Sonda 1 Sonda 2 Sonda 3Distância horizontal (m) 0 0,014 0,026 0,038Massa calculada (kg) 0 8,71 16,18 23,65

Tabela 5.1: Massa de gelo calculada com base na distância horizontal entre o evaporador e cadauma das sondas

Com base na tabela 5.1, é possível verificar que a escala de medição da massa de gelo é

demasiado grande, havendo a possibilidade de nunca ocorrer a correção da estimação se o gelo

não atingir alguma das sondas.

5.3.3 Aquisição de fluxo de bebida

O sensor escolhido para a deteção da extração de bebida foi o caudalímetro eletrónico da

Adafruit, que já foi instalado num estudo anterior [7] e se encontra ilustrado na figura 5.11.

O caudalímetro foi conectado ao tubo por onde circula a bebida, dentro do depósito da água.

Apesar de não apresentar uma grande precisão de medição, este sensor é simples e barato,

baseando-se num sensor de efeito de hall que conta o número de voltas dadas por uma roda com

pás movimentada pelo fluxo de bebida. Cada volta, que corresponde a um pulso na saída do sensor,

equivale a aproximadamente 2,25 mililitros [11].

Para além de permitir o cálculo aproximado do volume de bebida extraída, este sensor possi-

bilita, ainda, determinar o estado da torneira (aberta ou fechada).

A figura 5.12 representa o circuito de condicionamento do sinal à saída do caudalímetro, de

modo a ser corretamente adquirido pela BBB.

44 Hardware

Figura 5.11: Caudalímetro eletrónico da Adafruit. Retirado de [11]

Figura 5.12: Circuito elétrico para o caudalímetro. Adaptado de [7]

5.3.4 Botão force start

Com o objetivo de preparar o ponto de venda para períodos nos quais surjam consumos de

bebida não previstos, foi instalado o botão ilustrado na figura 5.13, que permite forçar a ativação

do compressor e, consequentemente, a formação de gelo. Neste caso, o ventilador e o agitador

continuam a funcionar de acordo com os requisitos definidos para o controlador desenvolvido e

abordado no capítulo 4.

A figura 5.14 apresenta o esquema elétrico do circuito montado para o funcionamento do

botão.

5.4 Relógio de tempo real (RTC) 45

Figura 5.13: Botão force start

Figura 5.14: Circuito para o botão force start

5.4 Relógio de tempo real (RTC)

O controlador implementado na plataforma de controlo necessita de receber informação tem-

poral, tal como a hora do dia, para funcionar corretamente. Esta informação pode ser providenci-

ada pelo RTC que integra, de origem, a arquitetura da BBB.

No entanto, este RTC interno perde a referência temporal quando a BBB deixa de ser alimen-

tada e só se volta a sincronizar quando existir uma ligação à Internet.

Estes problemas podem ser solucionados com a instalação de um RTC externo, que passa a

hora guardada na sua memória para o RTC interno, durante o arranque da BBB. A comunicação

entre ambos é realizada através do protocolo I2C.

O RTC escolhido, ilustrado na figura 5.15, é o modelo ChronoDot Ultra-Precise RTC (v2.1),

da Adafruit.

A fim de prolongar a vida útil da sua bateria, este componente é alimentado a 5V, sendo que

apresenta um erro máximo aproximado de 1 minuto por ano [30].

46 Hardware

Figura 5.15: RTC ChronoDot Ultra-Precise (v2.1) da Adafruit. Retirado de [12]

5.5 Alimentação do sistema

A BBB é alimentada por uma fonte de alimentação comutada de 15W (5V@3A) da Mean

Well, modelo RS-15-5 [31], ilustrada na figura 5.16. Desta forma, a BBB é capaz de fornecer na

saída uma tensão e corrente suficientes para alimentar todos os circuitos e componentes abordados

neste capítulo (5V e 1A, respetivamente) [7].

Figura 5.16: Fonte de alimentação comutada RS-15-5 da Mean Well. Retirado de [13]

5.6 Acionamento dos motores 47

5.6 Acionamento dos motores

O controlo dos motores da máquina é assegurado pelo envio de sinais de comando através

de um circuito de drive, que permite a transmissão e processamento dos sinais, e um circuito de

isolamento entre a parte de potência e a parte de controlo, que garante segurança no sistema.

Na figura 5.17, encontra-se o esquema elétrico do circuito montado para o controlo dos moto-

res da máquina.

Figura 5.17: Circuito para o acionamento e isolamento dos motores. Adaptado de [7]

Tal como se pode verificar na figura 5.17, o isolamento ótico entre a parte de controlo e a parte

de potência é assegurado pela utilização de um opto acoplador de saída TRIAC (MOC3041), que

também impede a formação de kickbacks pelos motores. Além disso, o TRIAC BT139 é colocado

na saída do circuito, a fim de garantir corrente suficiente para acionar os motores. Finalmente, um

circuito RC snubber foi colocado para suprimir ruído eletromagnético e picos de tensão causados

pela interrupção súbita do fluxo de corrente durante comutações do TRIAC [7].

5.7 Conclusão

Neste capítulo, foram apresentados os componentes e circuitos que constituem a PCB desen-

volvida num estudo anterior e que foi reaproveitada nesta dissertação.

Em relação ao estudo anterior, foram realizadas 2 principais alterações no hardware.

Primeiro, a sonda de gelo discreta com 5 varetas foi substituída por um conjunto de 3 sondas

de gelo standard, que apresentam maior fiabilidade. No entanto, é possível verificar que o número

de sondas utilizadas neste caso é reduzido pois a escala de medição da massa de gelo é demasiado

grande, havendo a possibilidade de nunca ocorrer a correção da estimação se o gelo não atingir

alguma das sondas. Este problema não é fácil de corrigir, uma vez que o espaço disponível para

colocar as sondas é bastante reduzido, tendo em conta o tamanho das mesmas.

Por fim, foi ainda necessário alterar o circuito de alimentação e transmissão de sinal do novo

sensor de temperatura que substitui aquele que se encontrava danificado. De facto, adicionou-se

um divisor de tensão que permite reduzir a tensão de alimentação do novo sensor para um nível

suportado por este.

48 Hardware

Capítulo 6

Base de dados e website

Neste capítulo, é abordado o desenvolvimento da base de dados, que constitui o elemento

central do sistema de monitorização em estudo. Esta armazena os dados relativos à máquina de

extração de bebidas e aos seus utilizadores.

No primeiro subcapítulo (6.1), apresenta-se o modelo entidade-relação que define a estrutura

da base de dados.

No segundo subcapítulo (6.2), aborda-se a forma como a base de dados e o website foram

implementados, assim como a comunicação existente entre os elementos do sistema.

No terceiro subcapítulo (6.3), explicam-se as principais funcionalidades do website.

No quarto subcapítulo (6.4), pode-se ver as principais conclusões relacionadas com este capí-

tulo.

6.1 Modelo entidade-relação

O modelo entidade-relação da base de dados é apresentado na figura 6.1. Esta é constituída

por 5 tabelas, sendo que cada uma é representada por uma entidade no modelo, juntamente com

os seus atributos. As tabelas são as seguintes:

• Point_of_sale: identifica os diversos pontos de venda registados no sistema, sendo que cada

um deles está associado a um técnico (Technician) de manutenção das máquinas;

• Technician: apresenta os técnicos disponíveis para a manutenção das máquinas;

• Machine: reúne todas as máquinas distribuídas pelos pontos de venda, sendo que cada uma

delas está associada ao respetivo ponto de venda (Point_of_sale) e a um tipo de máquina

(Type);

• Type: indica as configurações possíveis das máquinas, a nível de orientação, capacidade e

número de colunas de extração;

• Timetable: guarda os consumos horários previstos para cada máquina durante a semana.

Armazena, ainda, o estado de variáveis necessárias para o funcionamento da página web.

49

50 Base de dados e website

Figura 6.1: Modelo entidade-relação

6.2 Implementação

A implementação da base de dados foi realizada em PostgreSQL, que consiste num sistema

open-source de gestão de bases de dados relacionais com suporte para grande parte do protocolo

SQL. A escolha deste sistema deve-se às vantagens que este apresenta, tais como a utilização de

foreign keys e a possibilidade de adição de novos data types, operadores e funções por parte do

utilizador [32]. Além disso, a FEUP disponibiliza aos seus estudantes um servidor de bases de

dados que suporta este sistema.

A administração da base de dados é realizada através do sistema phpPgAdmin, que consiste

numa ferramenta online capaz de administrar bases de dados em PostgreSQL, permitindo facil-

mente a manipulação de dados e a execução de scripts SQL [33].

Tal como já foi referido, a comunicação com a base de dados é realizada por meio de uma

página web, que permite enviar para a mesma dados relativos a utilizadores e consumos previstos

e receber informação sobre o estado da máquina em tempo real proveniente da BBB. Esta página

foi implementada com recurso a 3 linguagens diferentes: HTML, linguagem de marcação de texto

que permite definir a estrutura e conteúdo da página [34]; PHP, linguagem de programação do

lado do servidor que torna a página dinâmica e interativa, ligando-a a uma base de dados [35];

e CSS, linguagem que permite descrever a apresentação da página [36]. O website encontra-se

alojado num servidor da FEUP (https://paginas.fe.up.pt/~up201303452/website),

que disponibiliza este serviço aos seus estudantes.

No esquema da figura 6.2, é possível visualizar, de uma forma simplificada, a comunicação

existente entre estas três entidades: base de dados, máquina (BBB) e página web. As transações

de informação no sistema serão explicadas de forma mais detalhada nas secções seguintes.

https://paginas.fe.up.pt/~up201303452/website

6.2 Implementação 51

Figura 6.2: Transações de informação no sistema. a) Consumos horários e estado dos botões;b) informações de estado da máquina e reset dos botões; c) Registo, login e logout.

6.2.1 Receção de informação proveniente da máquina

A informação relativa ao estado da máquina em tempo real é enviada pela BBB em formato

string. Desta forma, toda a informação relevante é enviada de uma só vez e armazenada em apenas

um atributo da base de dados, nomeadamente o atributo “state_information” da tabela “Machine”.

A string enviada inclui 17 números separados por espaços, sendo que cada número repre-

senta uma informação específica. Por ordem da esquerda para a direita, cada número representa a

seguinte informação:

1. Estado do compressor: será “1” caso o compressor se encontre ligado ou “0” caso contrário;

2. Estado do ventilador: será “1” caso o ventilador se encontre ligado ou “0” caso contrário;

3. Estado do agitador: será “1” caso o agitador se encontre ligado ou “0” caso contrário;

4. Estado da 1a sonda: será “1” caso a sonda detete gelo ou “0” caso contrário;



7. Massa de gelo formada no depósito da máquina, em quilogramas;

8. Volume de bebida extraída, em litros;

9. Consumo energético do compressor, em quilowatt-hora;

10. Consumo energético do ventilador, em quilowatt-hora;

11. Consumo energético do agitador, em quilowatt-hora;

12. Consumo energético da parte eletrónica da máquina, em quilowatt-hora;

13. Temperatura no ventilador, em C;


14. Temperatura ambiente, em C;

15. Temperatura da água no depósito, em C;

16. Temperatura no barril, em C;

17. Temperatura na torneira da máquina, em C.

Além disso, os seguintes 2 atributos da tabela “Timetable” participam nesta transação:

• “insert_button”: colocado a “0” pela BBB quando terminar o processamento dos consumos

enviados anteriormente pelo website;

• “reset_button”: colocado a “0” pela BBB quando terminar a colocação a zeros dos valores

de consumo previstos para o dia selecionado.

6.2.2 Receção de informação proveniente do website

Para cada dia da semana, existe um atributo que guarda, na base de dados, os consumos horá-

rios previstos para esse mesmo dia em formato string. Cada string contém 24 números inteiros,

sendo que cada um corresponde ao valor de consumo previsto a uma hora do dia, introduzido

através de um formulário do website.

Sendo assim, os atributos da tabela “Timetable” da base de dados a considerar nesta transação

de informação são os seguintes:

• “event_consumption_mon”: guarda os consumos horários previstos para segunda-feira;

• “event_consumption_tue”: guarda os consumos horários previstos para terça-feira;

• “event_consumption_wed”: guarda os consumos horários previstos para quarta-feira;

• “event_consumption_thu”: guarda os consumos horários previstos para quinta-feira;

• “event_consumption_fri”: guarda os consumos horários previstos para sexta-feira;

• “event_consumption_sat”: guarda os consumos horários previstos para sábado;

• “event_consumption_sun”: guarda os consumos horários previstos para domingo;

• “dayofweek_selected”: guarda o dia da semana selecionado no website pelo utilizador que

pretende visualizar no mesmo os consumos previstos para esse dia e/ou adicionar novos

valores de consumos para esse dia a serem enviados para a BBB;

• “insert_button”: colocado a “1” quando for pressionado o botão no website que ordena o en-

vio dos novos valores de consumo passados pelo formulário, para o atributo correspondente

ao dia selecionado no atributo “dayofweek_selected”;

• “reset_button”: colocado a “1” quando for pressionado o botão no website que ordena a

colocação dos valores de consumo previstos para o dia selecionado a zeros.

6.3 Funcionalidades 53

6.2.3 Envio de informação para a máquina

Os valores do consumo horário previsto de bebida, que são introduzidos no sistema através do

website, são enviados periodicamente para a BBB, onde serão processados. Assim, os valores de

todos os atributos referidos no ponto anterior participam nesta transação.

6.2.4 Envio de informação para o website

A string explicada no ponto 6.2.1, criada na BBB, é enviada para o website, onde os 17 valores

que a constituem são separados e apresentados numa lista.

6.3 Funcionalidades

A página web, que serve de interface de comunicação entre o utilizador e a máquina e permite

a sua monitorização em tempo real, deve incluir certas funcionalidades que são abordadas nas

secções seguintes.

6.3.1 Registar pontos de venda

A adição de pontos de venda no sistema é realizada por meio de um registo no website. Para

tal, o utilizador (neste caso, o responsável pelo ponto de venda) deve preencher um formulário

com o nome do estabelecimento, NIF (que funciona como nome de utilizador no login), morada,

código postal, contacto telefónico, email, técnico de manutenção atribuído ao ponto de venda e

palavra-passe de acesso à conta.

6.3.2 Acesso à conta de utilizador (login)

O login no website é realizado através de um formulário existente na página inicial do mesmo.

Para isso, o utilizador deve inserir o NIF do ponto de venda e a palavra-passe. Uma vez realizado

o login com sucesso, o formulário de acesso à conta dá lugar a uma hiperligação que permite

terminar a sessão do utilizador (logout).

Esta funcionalidade dá acesso a um conjunto de outras funcionalidades que apenas estão dis-

poníveis para utilizadores registados, tais como a verificação do estado da máquina em tempo real,

consulta e introdução de consumos previstos.

6.3.3 Adicionar máquinas

Um utilizador autenticado pode inserir novas máquinas à sua conta de utilizador. Para tal, este

apenas deve fornecer ao sistema o tipo de configuração da máquina a registar.


Esta funcionalidade habilita a monitorização das máquinas em tempo real ao nível da base de

dados. No entanto, é ainda necessária uma pequena alteração de software no controlador de cada

máquina, de modo a que se torne possível a monitorização ao nível da máquina.

6.3.4 Monitorizar estado das máquinas em tempo real

Um utilizador autenticado pode recorrer a esta funcionalidade para consultar as máquinas que

se encontram nos pontos de venda de que é responsável. Para cada máquina, é possível consultar

informação em tempo real relativa aos sensores de temperatura, sondas de gelo, atuadores, consu-

mos energéticos, massa de gelo formada e volume de bebida de consumida desde que a máquina

foi ligada.

Esta informação, que provém da BBB de cada máquina, é armazenada na base de dados e

apresentada na página web.

6.3.5 Programar eventos futuros

Esta funcionalidade permite que cada utilizador autenticado possa adicionar os consumos pre-

vistos para um determinado período de tempo (por exemplo, horas de maior afluência de clientes

ao ponto de venda) em cada máquina. Desta forma, a máquina será capaz de produzir a massa de

gelo suficiente para os consumos horários passados pelo utilizador.

Esta informação é adicionada pelo utilizador através do website, é guardada na base de dados

no atributo correspondente ao dia da semana em questão e é adquirida pela BBB que processará a

informação obtida.

6.3.6 Consultar e alterar os eventos programados

O utilizador é capaz de verificar os consumos de bebida previstos programados para um inter-

valo de tempo de uma semana, através de uma lista que é apresentada no website com os valores de

volume de bebida inseridos. Nesta página, também é possível alterar estes valores, preenchendo

o formulário com os volumes de bebida previstos para cada hora. Para eliminar todos os valores

introduzidos num dia da semana e colocá-los a zero, basta selecionar o dia pretendido e pressionar

o botão “Apagar eventos”.

6.4 Conclusão

Neste capítulo, explica-se a forma como todos os dados gerados tanto na BBB, como também

no website são armazenados na base de dados, que foi implementada em PostgreSQL. Para tal, foi

construído um modelo entidade-relação da base de dados, que apresenta as entidades e respetivos

atributos presentes na mesma.

Além disso, descreve-se as funcionalidades implementadas na página web e na base de dados,

que permitem uma maior interatividade entre o utilizador e a máquina. De maneira a que todas

estas funcionalidades possam ser executadas, a máquina deverá estar sempre ligada à Internet,

6.4 Conclusão 55

permitindo, desta forma, o envio de dados desde a máquina até à base de dados. No entanto, caso

não exista uma ligação à Internet, esta informação poderá ser consultada em ficheiros de texto

guardados na memória da BBB.

Capítulo 7

Resultados

Neste capítulo, apresentam-se os resultados da implementação do sistema desenvolvido nesta

dissertação na máquina de extração de bebidas em estudo, no laboratório da FEUP.

Após a realização de vários testes, foram traçados gráficos com a evolução temporal das gran-

dezas mais importantes. Estes permitem avaliar as funcionalidades desenvolvidas para o sistema

e tirar conclusões acerca do trabalho desenvolvido ao longo desta dissertação.

7.1 Controlador

Para o teste do controlador, foi necessário avaliar a funcionalidade dos consumos horários

previstos, assim como o comportamento do compressor, agitador e ventilador. Assim, foram pas-

sados, através do website, consumos previstos de 10l às 18h e às 19h.

7.1.1 Programação de eventos

No gráfico da figura 7.1, verifica-se que, na primeira hora de funcionamento (16h), a máquina

encontra-se no estado de arrefecimento da água, ligando o compressor apenas para baixar e manter

a temperatura da água em 0C, uma vez que não existe nenhum consumo previsto para a hora

seguinte.

Depois, às 17h, o compressor é ativado durante o tempo suficiente para formar a massa de gelo

que satisfaça o consumo previsto de 10l na hora seguinte.

Às 18h, hora do primeiro evento programado, foram extraídos 10l de bebida ininterruptamente

para se simular o pior caso. Verifica-se que, durante o período em que a torneira se encontra

aberta, é perdida, aproximadamente, metade da massa de gelo existente no início do evento e a

temperatura da água sobe para valores superiores a 1C, ativando, novamente, o compressor. Isto

é explicado pela transferência de calor que ocorre da bebida para a água do depósito. Para além de

baixar a temperatura, a ativação do compressor origina, ainda, uma recuperação da massa perdida.

Durante o último evento (19h), extraíram-se 10l de bebida de forma faseada: 5l em duas extra-

ções. Durante ambas as extrações, observam-se, novamente, uma subida abrupta da temperatura

57

58 Resultados

Figura 7.1: Evolução da estimação da massa de gelo e da temperatura da água ao longo do teste

e, ao mesmo tempo, uma diminuição de massa de gelo, que é novamente recuperada durante o

intervalo entre extrações, devido à ação do compressor.

Conclui-se, então, que a massa de gelo formada ao longo do teste foi suficiente para o arre-

fecimento da quantidade de bebida prevista anteriormente, sendo que a massa restante no final da

experiência se deve ao facto de todos os cálculos realizados pelo controlador considerarem o pior

caso para a massa de gelo necessária (4.1.2). Pode-se, ainda, referir que a diminuição da massa

de gelo presente no depósito é principalmente causada pela temperatura da bebida que entra na

máquina, durante extrações.

7.1.2 Ventilador

O ventilador apenas é ativado quando a temperatura junto deste ultrapassa a temperatura ambi-

ente em 3C e é desativado quando ambas as temperaturas se igualam. Tal como se pode observar

no gráfico da figura 7.2, devido, possivelmente, a um erro de leitura do sensor de temperatura no

ventilador numa das amostras, ocorreu uma descida nesta temperatura que, inclusivamente, ficou

mais baixa do que a temperatura ambiente. Ora, esta situação levou à desativação do ventilador

por pouco tempo, sendo novamente ativado assim que a temperatura no ventilador volte a ser su-

perior à do ambiente em 3C. Também se verifica que o ventilador, que se encontra desligado no

início do teste, ativa-se no momento em que se verifica a diferença entre as temperaturas.

7.1 Controlador 59

Figura 7.2: Comportamento do ventilador ao longo do teste

7.1.3 Agitador

No gráfico da figura 7.3, pode-se analisar o comportamento do agitador durante o teste, quando

a temperatura da água é inferior a 5C. Visto que a temperatura da água nunca é superior a 5C, não

é possível avaliar o funcionamento do agitador recorrendo aos dados obtidos com esta experiência.

Assim, foi necessário realizar outro teste, cujos dados estão representados no gráfico da figura 7.4,

com o objetivo específico de analisar o comportamento deste componente quando a temperatura

da água é superior a 5C.

Num estudo anterior, verificou-se, a partir de processos experimentais, que a bebida se encon-

trava a uma temperatura aproximada de 0C quando o valor obtido pelo sensor de temperatura na

torneira era de 4C. Por isso, concluiu-se que existe um desvio de, aproximadamente, 4C entre

a temperatura real e a temperatura obtida pelo sensor. Isto deve-se à interferência da temperatura

ambiente na medição da temperatura na torneira [7].

Assim sendo, de acordo com o gráfico da figura 7.3, pode-se assumir que a temperatura da

bebida na coluna de extração se mantém sempre abaixo de 2C, tal como foi estipulado na máquina

de estados do agitador (4.7), uma vez que a temperatura na coluna atinge, no máximo, 6C e a

temperatura da água é, aproximadamente, 0C.

Nesse gráfico, ainda é possível verificar que, durante a extração de bebida (torneira aberta), a

subida da temperatura da água para além dos 0,5C, na presença de massa de gelo significativa,

aciona o agitador corretamente, executando a sua função de homogeneização da temperatura da

água, tal como foi estipulado.

Por outro lado, no gráfico da figura 7.4, pode-se verificar que o agitador permanece desligado

durante 15 minutos, sendo, depois, ligado durante 15 minutos, enquanto a temperatura da água

60 Resultados

Figura 7.3: Comportamento do agitador ao longo do teste

permanece acima dos 5C, tal como era previsto.

Figura 7.4: Comportamento do agitador ao longo do teste

7.2 Base de dados e website 61

7.2 Base de dados e website

A introdução de dados no website pode ser visualizada nas figuras do apêndice A.

Na figura A.1, encontra-se a página inicial do website que inclui os campos de introdução dos

dados necessários para o login: nome de utilizador e palavra-passe. Ainda é possível navegar para

a página de registo do utilizador, através da respetiva hiperligação no menu.

Na figura A.2, pode-se ver a página de registo do utilizador, na qual é apresentado um formu-

lário para introdução dos dados necessários para este efeito.

Assim que a ação de login for bem sucedida, surge, por baixo do menu, uma mensagem de

sucesso, tal como se pode ver na figura A.3. Caso contrário, aparece uma mensagem de erro, tal

como se pode verificar na figura A.4.

Após o login bem sucedido, é possível aceder à página de seleção das máquinas atribuídas

ao utilizador, ilustrada na figura A.5, através da hiperligação "Máquinas" que surge no menu de

navegação. Nesta página, encontra-se uma lista com os códigos correspondentes a cada uma das

máquinas, sendo possível clicar naquele associado à máquina que se pretende monitorizar. Além

disso, existe a funcionalidade de adicionar máquinas, clicando no botão que se encontra no fundo

da página. O formulário de login, que se encontrava no menu de navegação, é, agora, substituído

por uma hiperligação que permite realizar logout da conta do utilizador.

Na figura A.6, pode-se visualizar a página de consulta do estado da máquina em tempo real,

apresentando-se diversas informações, tais como o número de série da máquina, o nome do ponto

de venda onde a máquina se encontra, o tipo da máquina, temperaturas, consumos energéticos,

massa de gelo formada e estado dos componentes (6.2.1). Nesta página, ainda é possível aceder

à página de programação e consulta dos consumos horários previstos para a semana, através do

botão existente no fundo da página para este efeito.

Por fim, nas figuras A.7, A.8 e A.9, ilustram-se secções da página de consulta e introdução dos

consumos horários previstos. A introdução dos valores é realizada através do formulário, sendo

que cada linha corresponde a uma hora do dia da semana selecionado pelo utilizador na caixa de

seleção. Por baixo, encontra-se a lista de todos os consumos introduzidos para o dia selecionado e

um botão que permite apagar todos os valores introduzidos, colocado-os a zero. Nestas três figuras,

encontram-se representados os consumos introduzidos para a realização do teste do controlador

(7.1).

7.3 Filtro de Kalman e sondas de gelo

Para este teste, procedeu-se à constante formação de gelo, até que este atinja a sonda 2, man-

tendo o compressor sempre ligado, seguida de um constante descongelamento, após desativação

do compressor.

Note-se que, tal como já foi referido anteriormente, não é possível detetar a presença de gelo

dentro do depósito, visto que as sondas de gelo apenas são capazes de detetar curto-circuitos

francos, possivelmente devido a um defeito na PCB. Portanto, de maneira a simular o contacto de

62 Resultados

uma sonda com o gelo, decidiu-se ligar as duas varetas da sonda em questão, através de um fio

condutor, realizando-se deste modo um curto-circuito franco.

Através do gráfico da figura 7.5, é possível analisar a estimação da massa de gelo e a correção

da mesma por parte do filtro de Kalman, durante o teste.

Figura 7.5: Resultado da experiência com o filtro de Kalman e as sondas de gelo

De acordo com o gráfico, verifica-se que, durante a primeira hora do teste, a massa de gelo

corrigida segue, de forma aproximada, a massa de gelo estimada pelo modelo. No entanto, após

a primeira hora, a massa de gelo corrigida começa a crescer de forma mais lenta, afastando-se

da massa de gelo estimada, visto que a correção está constantemente a ser realizada com base no

valor de massa nulo, associado ao estado das sondas.

Assim que a sonda 1 é ativada, a correção da massa é realizada, de imediato, para o valor

correspondente (8,71 kg), voltando a ter o mesmo comportamento que teve no início do teste. A

ativação da sonda 2 também corrige o valor da massa estimada, mas, desta vez, para um valor de

16,17 kg.

Às 20h30, o compressor foi desligado, verificando-se, tal como era esperado, uma diminuição

da massa de gelo, tanto na estimação do modelo, como também na correção pelo filtro de Kal-

man. De maneira a acelerar o descongelamento do gelo, foram realizadas sucessivas extrações de

bebida. No momento de desativação da sonda 2, verifica-se que a massa é corrigida, de imediato,

para o valor da massa correspondente a essa sonda, uma vez que, apesar de ser desativada, a massa

de gelo continua, aproximadamente, àquele nível. A mesma correção ocorre também no momento

de desativação da sonda 1, para o valor de massa correspondente a essa sonda.

7.4 Conclusões 63

De maneira a que o filtro de Kalman pudesse ser corretamente usado, a massa de gelo deveria

ser medida de forma contínua, recorrendo, por exemplo, à medição da resistência elétrica entre as

varetas metálicas das sondas. Nesse caso, à medida que a massa de gelo cresce, esta vai cobrindo

as varetas da sonda, aumentando, em teoria, a resistência elétrica entre elas. No entanto, este

método de medição da espessura do gelo já foi testado num estudo anterior, tendo obtido resultados

pouco fiáveis, uma vez que a variação da resistência não foi suficiente para distinguir diferentes

espessuras de gelo [21].

Por isso, nesta dissertação, optou-se pela utilização de sondas discretas, que foram fornecidas

pelo Super Bock Group. Tal como já foi explicado no capítulo 5.3.2.2, as três sondas standard

foram coladas umas às outras com fita isolante, sendo que a primeira foi fixada ao evaporador na

posição vertical.

O problema inerente à utilização deste tipo de sondas está relacionado com a aplicação do

filtro de Kalman. De facto, uma vez que este algoritmo corrige a estimação da massa de gelo

continuamente com base no valor recebido das sondas, e sendo as sondas capazes de medir apenas

3 níveis de espessura do gelo, haverá longos períodos de tempo entre mudanças de nível nos quais

o valor da massa associado às sondas se manterá constante, prejudicando a correção da estimação

por parte do filtro de Kalman, tal como se pode verificar no gráfico da figura 7.5.

Portanto, tornou-se necessário inicializar o algoritmo com valores que originem um ganho de

Kalman (K) muito baixo, de maneira a que o valor da massa corrigida pelo filtro siga, aproxima-

damente, o valor da massa estimada pelo modelo, enquanto não houver uma mudança no estado

das sondas.

Assim que o estado das sondas for alterado, o ganho de Kalman deverá ser alto (1, por exem-

plo), de maneira a que a correção seja realizada totalmente e imediatamente com base no valor da

massa associado ao estado das sondas.

Este gráfico não representa uma situação real de funcionamento da sonda, visto que esta foi

ativada em instantes pré-determinados, devido ao problema na PCB que já foi referido. Apenas

serve para provar que o algoritmo implementado do filtro de Kalman é capaz de corrigir a massa

de gelo estimada pelo modelo, com base no input das sondas, nestas condições.

7.4 Conclusões

A implementação do controlador foi bem sucedida, tendo em conta os resultados obtidos nos

testes.

De facto, conclui-se que o controlador é capaz de calcular com sucesso o tempo de ativação do

compressor, de modo a que se forme a massa de gelo suficiente para o consumo de bebida previsto.

Após extração do volume de bebida previsto para essa hora, o qual foi inserido no sistema através

da página web de monitorização, verificou-se que ainda restava uma massa de gelo significativa

no depósito da máquina, o que prova o sucesso destas funcionalidades.

Quanto ao comportamento do ventilador e do agitador, pode-se afirmar que ambos funciona-

ram corretamente, de acordo com o que foi estabelecido no capítulo 4.

64 Resultados

Quanto ao filtro de Kalman, obtiveram-se resultados satisfatórios. Por um lado, conclui-se que

o algoritmo foi implementado com sucesso no controlador. Por outro lado, percebe-se que as son-

das discretas fornecidas pelo Super Bock Group não são as mais adequadas para a implementação

deste tipo de algoritmo, tendo sido necessário fazer algumas modificações para que este funcione

de modo satisfatório.

Capítulo 8

Conclusões e Trabalho Futuro

8.1 Satisfação dos Objetivos

Neste documento, foi proposto um novo método de controlo da máquina de extração de be-

bidas fornecida pelo Super Bock Group, com o objetivo de melhorar a eficiência energética do

sistema, sem deteriorar a qualidade da bebida.

Em primeiro lugar, através de um estudo teórico acerca do funcionamento e composição das

máquinas de extração de bebidas atualmente existentes no mercado, foi possível conhecer o objeto

de estudo desta dissertação. Além disso, foi necessário estudar todos os trabalhos anteriormente

desenvolvidos na máquina, de modo a conhecer as alterações a que esta foi sujeita e definir a

metodologia de abordagem a seguir, assim como também reaproveitar ao máximo o trabalho já

realizado, permitindo a poupança de tempo e de recursos.

De seguida, foi implementado o modelo termodinâmico da máquina, com o qual é possível

verificar o comportamento da mesma em termos de transferência de energia calorífica, para diver-

sos casos de uso. Este modelo permite, depois, obter uma estimação da temperatura da água e da

massa de gelo formada no depósito a cada instante, a partir dos ganhos energéticos que ocorrem

na máquina, dependendo do estado de funcionamento em que esta se encontra.

Uma vez que as estimações obtidas pelo modelo são afetadas por incertezas, estas devem ser

corrigidas pelos inputs provenientes das três sondas de gelo instaladas no depósito de água. Para

isso, foi necessário simular e implementar um filtro de Kalman no controlador da máquina. Devido

ao facto de a sonda discreta utilizada neste trabalho ser capaz de medir apenas 3 níveis de espessura

de gelo, verifica-se que existe a possibilidade da correção da estimação nunca ser realizada, caso o

gelo não atinja nenhuma sonda ou permaneça no espaço entre sondas. Conclui-se, portanto, que,

caso se pretenda utilizar uma sonda do tipo discreto, esta deverá ter uma escala de medição menor,

ou seja, mais níveis de medição. Por outro lado, caso exista a possibilidade de se usar uma sonda

de outro tipo, esta deverá ser uma sonda de medição contínua, capaz de fornecer medições válidas

ao filtro de Kalman continuamente.

Posteriormente, foi criada uma base de dados, que funciona como elemento central de todo

o sistema, pois possibilita a comunicação entre o utilizador e a máquina. Esta base de dados é,

65

66 Conclusões e Trabalho Futuro

então, responsável por armazenar tanto os dados introduzidos na página web, como também a

informação proveniente da BeagleBone.

A fim de verificar e validar o trabalho desenvolvido, o sistema foi testado em laboratório,

tendo-se obtido, no geral, bons resultados.

Finalmente, pode-se concluir que, em geral, todos os objetivos definidos para esta dissertação

foram realizados.

8.2 Trabalho Futuro

O trabalho desenvolvido nesta dissertação poderá ser complementado com a introdução das

melhorias que se propõem de seguida:

• Aplicar uma solução que torne o sistema mais robusto e facilmente aplicável noutras má-

quinas;

• Resolver o problema das sondas de gelo que apenas são capazes de detetar curto-circuitos

francos, devido a uma possível avaria na PCB;

• Otimizar o cálculo de bebida extraída através do caudalímetro;

• Implementar um sistema de informação que avise a empresa distribuidora de bebida para o

facto de estar iminente uma nova encomenda por parte do ponto de venda, o que possibilita

uma programação mais eficiente das rotas de distribuição e a diminuição do tempo de espera

do ponto de venda;

• Substituir a ligação Ethernet existente entre a BeagleBone e o router por uma ligação wi-fi,

o que melhora a mobilidade da máquina e a comodidade do sistema;

• Adicionar mais funcionalidades ao website, tais como o acompanhamento dos planos de

manutenção das máquinas e a inclusão de uma página com as estatísticas de utilização da

máquina e histórico de consumos;

• Implementação de um mecanismo de deteção e prevenção de avarias na máquina;

• Instalação de sensores de corrente nos motores que permitam o cálculo do consumo energé-

tico da máquina em tempo real;

• Realizar testes a longo prazo no sistema, o que permite detetar problemas ou oportunidades

de melhoria do mesmo.

Anexo A

Página web

Figura A.1: Página inicial do website

67

68 Página web

Figura A.2: Página de registo do utilizador

Página web 69

Figura A.3: Login do utilizador bem sucedido

70 Página web

Figura A.4: Login do utilizador inválido

Página web 71

Figura A.5: Página de seleção das máquinas associadas ao utilizador

72 Página web

Figura A.6: Página de informações em tempo real da máquina selecionada

Página web 73

Figura A.7: Página de programação e consulta dos consumos horários previstos (1/3)

74 Página web


Página web 75


76 Página web

Referências

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[9] Exploring BeagleBone. Chapter 1: The beagle hardware platform. URL: http://exploringbeaglebone.com/chapter1/ [último acesso em janeiro de 2019].

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[17] J. a. A. N. Fernandes. Experimentação e otimização num sistema frigorífico de extração decerveja. Tese de mestrado, Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, 2013.

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sistema de monitorização de máquina de extração de bebidas

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