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________________________________________________________________________________________ Faculdade de Tecnologia de Garça “Deputado Julio Julinho Marcondes de Moura” ALEXANDRE DOS SANTOS CALDAS GUILHERME FELIPE BELEM DINIZ AUTOMAÇÃO DE SISTEMA DE PONTE LEVADIÇA GARÇA 2016

ALEXANDRE DOS SANTOS CALDAS GUILHERME FELIPE … · se principalmente falhas humanas, o que justifica a relevância social por baixar custos, redução do tempo no transporte, e acadêmica

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Faculdade de Tecnologia de Garça “Deputado Julio Julinho Marcondes de Moura”

ALEXANDRE DOS SANTOS CALDAS

GUILHERME FELIPE BELEM DINIZ

AUTOMAÇÃO DE SISTEMA DE PONTE LEVADIÇA

GARÇA 2016

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Faculdade de Tecnologia de Garça “Deputado Julio Julinho Marcondes de Moura”

ALEXANDRE DOS SANTOS CALDAS

GUILHERME FELIPE BELEM DINIZ

AUTOMAÇÃO DE SISTEMA DE PONTE LEVADIÇA

Artigo Científico apresentado á Faculdade de Tecnologia de Garça – Fatec, como requisito para a conclusão de curso de Tecnologia em Mecatrônica Industrial, examinado pela seguinte comissão de professores: Data de aprovação: ___/____/____

__________________________________ Prof. Dr. Ulysses B. Fernandes FATEC

Garça

_________________________________ Prof. ....

FATEC Garça

_________________________________ Prof.

FATEC Garça

GARÇA

2016

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AUTOMAÇÃO DE SISTEMA DE PONTE LEVADIÇA

Alexandre dos Santos Caldas1 [email protected]

Guilherme Felipe Belem Diniz [email protected]

Prof. Dr. Ulysses de Barros Fernandes2

[email protected]

Resumo - O Projeto de Pesquisa busca proporcionar à sociedade inovações em ciência e tecnologia através do desenvolvimento e implantação de um sistema mecatrônico que irá gerenciar os movimentos de uma ponte levadiça com elevação vertical. Possibilitará o monitoramento e interrupção de forma controlada do fluxo rodoviário/hidroviário, evitando-se assim falhas humanas, que já causaram vários acidentes. Por ser um sistema complexo e que depende de algumas variáveis para seu pleno funcionamento, serão utilizados alguns mecanismos como sensores e microcontrolador a fim de assegurar a integridade dos usuários e da estrutura da ponte. O intuito deste projeto não é alcançar “zero” acidente, pois dependem de variáveis não monitoradas por este projeto, mas sim minimizar ao máximo a incidência de acidentes ocorridos.

Palavras – chave: Automação. Ponte levadiça. Segurança.

Abstract - The Research Project seeks to provide to society innovations in science and technology through the development and implementation of a mechatronic system that will manage all movements of a drawbridge with vertical lift dynamically and securely, interrupting of manner controlled the flow road / waterway, thus avoid human errors which have caused several accidents, also contributes to reducing transportation costs , since it is a complex and depends on certain variables for its full operation will be used some mechanisms such as sensors and microcontroller to ensure the integrity of the users and the bridge structure. The purpose of this project is not achieve "zero" accident, because they depend on variables not monitored by this project, but to minimize the maximum incidence of accidents .

Keywords – Automation. Drawbridge. Security.

1. INTRODUÇÃO

O tema escolhido para a elaboração do Trabalho de Conclusão de Curso

encontra-se vinculado ao curso de Tecnologia em Mecatrônica Industrial,

contemplando as três principais áreas: mecânica, eletrônica e controle de processos

1 Alunos do Curso de Tecnologia em Mecatrônica Industrial – FATEC Garça. 2 Docente da Faculdade de Tecnologia de Garça - FATEC

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por computador. É atual e agrega conhecimento à ciência e à sociedade, por facilitar

o tráfego das pessoas e transporte de cargas nas rodovias e hidrovias. O foco da

pesquisa é a automação de um processo de movimentação de uma ponte levadiça

para a segurança dos usuários, como também toda a estrutura da ponte, evitando-

se principalmente falhas humanas, o que justifica a relevância social por baixar

custos, redução do tempo no transporte, e acadêmica por ampliar e aprofundar os

conhecimentos e trazer inovação.

A automação industrial tem sido cada vez mais utilizada por trazer inúmeros

benefícios aos processos como precisão, segurança, qualidade de produtos ou

serviços, possibilidades de monitoramento e controle a distância, por trazer um

grande dinamismo aos processos onde são implementados, o que contribuem para

o aumento dos ganhos das empresas.

De acordo com Ribeiro (1999, p. 1), automação é a operação de máquina ou

de sistema automaticamente ou por controle remoto, com a mínima interferência do

operador humano.

Segundo Neves et al. (2007, p. 2)

Os componentes de um sistema de automação evoluíram constantemente com os anos, desde os primeiros sistemas baseados em controle automático, mecanizado (como as primeiras linhas de montagem do século XX) até os sistemas baseados nas tecnologias atuais como a microeletrônica. O campo de atuação da automação foi expandido, rompendo os limites do ambiente de chão de fábrica.

Para Rosário (2005, pg. 33), “Vantagens da automação são o aumento da

eficiência do processo, a melhoria da qualidade e, por fim, o maior controle e

segurança da operação”.

Pelo exposto, é possível observar a evolução da automação, como tecnologia

de apoio ao ser humano, evitando falhas e acidentes.

A justificativa é que apesar da evolução das pontes levadiça, algumas ainda

não possuem um sistema de segurança adequado ou tem seu sistema de

movimentação controlado manualmente por um operador que podem ocasionar

acidentes por falhas humanas.

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O objetivo principal do projeto é desenvolver um sistema mecatrônico que

permita todo o processo de movimentação de uma ponte levadiça, proporcionando a

segurança e resguardando vidas, estrutura da ponte e o meio ambiente.

Como também verificar quais mecanismos de segurança serão necessários

para o pleno funcionamento do sistema e sua eficácia.

Possibilitar a interrupção controlada do fluxo rodoviário/hidroviário de acordo

com as necessidades dos veículos e embarcações com o máximo de segurança.

A metodologia utilizada é o desenvolvimento experimental de um protótipo

para verificar a viabilidade do projeto.

A relevância do trabalho é que por se tratar de um sistema complexo, com

muitas condições e variações de cenários, ao se atentar à segurança, busca-se

proteger os usuários, funcionários e a estrutura da ponte.

Para a construção do protótipo foi utilizado um microcontrolador PIC 18f4550

e desenvolvido um programa em linguagem C, relês, sensores de fim de curso,

motoredutor de vidro automotivo para realizar os movimentos de subida e descida

da ponte.

2. DESENVOLVIMENTO

2.1 Revisão Bibliográfica

As pontes levadiças foram criadas no século V d.C., nos castelos medievais

europeus, as quais foram evoluindo ao longo dos séculos. Em tempos medievais, a

finalidade principal da ponte levadiça estava na defesa de castelos e fortalezas

construídos no interior de paredes, pois existiam fossos como proteção, e a ponte

levadiça era o único objeto que permitia a entrada ou não. Hoje, é utilizada sobre

corpos d’água para permitir a locomoção de veículos terrestres, do mesmo modo

que se eleva para possibilitar a passagem de embarcações. Apesar dessa mudança

na finalidade, a física existente não mudou (drawbridgesmechanics).

Nas figuras 1 e 2, exemplos de utilização da ponte levadiça na Idade Média.

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Figura 1 – Ponte levadiça em castelos medievais

Fonte – Dreamstime.

Figura 2 - Ponte levadiça Idade Média

Fonte - Flickr (2008)

2.2 Ponte levadiça no Brasil

O Brasil possui um potencial hidroviário considerável, que mediante

alterações, como construção de eclusas e pontes levadiças, poderia contribuir para

dinamizar o transporte de cargas, com reduções de custos e eficácia na operação.

No Brasil, existe a ponte rodoviária Getúlio Vargas, em Porto Alegre/RS,

sobre o rio Guaíba, a qual possibilita o acesso de embarcações ao porto de Porto

Alegre, trazendo inúmeros benefícios para toda a região. Possui um vão livre entre

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pilares de 58m, uma altura máxima entre a água e a altura total das torres de 43m e

um peso de 400 toneladas da parte móvel, conforme figura 3 (lealevalerosa, 2010).

Figura 3 – Ponte Getúlio Vargas

Fonte - Clicrbs (2010)

A segunda é a ponte ferroviária São Gonçalo, em Pelotas/RS, construída

sobre o canal São Gonçalo, está sob concessão da ALL, conforme a figura 4

(hidroviasinteriores, 2010).

Figura 4 – Ponte São Gonçalo

Fonte - Hidroviasinteriores (2010)

2.3 Pontes levadiças no mundo

Ao redor do mundo existem vários países que investem e muito na construção

e desenvolvimento de pontes levadiças, visando sempre a rapidez e eficiência nos

transportes, como também a redução nos custos. Os principais são Estados Unidos,

França, Inglaterra, Holanda, Canadá, etc, conforme figuras 5 e 6.

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Figura 5 - Estados Unidos

Fonte - Youtube (2013)

Figura 6 - França

Fonte – Eiffage (2015)

2.4 Referencial teórico

Para o desenvolvimento desse projeto, foi necessário o aprofundamento

teórico sobre alguns itens relacionados à área da mecatrônica industrial para

orientar o projeto de pesquisa.

2.4.1 Motoredutor de velocidade

Normalmente os motores de um modo geral trabalham em altas rotações a

fim de manter seu pleno funcionamento, sua refrigeração e uma plena geração de

energia e os motoredutores são mecanismos mecânicos responsáveis em

redirecionar estas altas rotações de entrada para algum outro mecanismo que exija

menores rotações e alto torque, são construídos em diversos formatos, tamanhos,

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relação de redução, dependendo das necessidades de sua utilização, são

conhecidos também por caixa de engrenagem ou caixa de mudança. Oferecem uma

grande segurança e confiabilidade no sistema, permitindo também que mesmo

motores de tamanhos menores possam transmitir um elevado torque de saída em

um sistema, permitindo um menor consumo de energia e um investimento inicial

mais baixo (ehow).

São amplamente utilizados pela indústria de um modo geral como caixa de

mudança de um veículo, em máquinas operatrizes como tornos, na tração de

grandes cilindros que exigem baixas rotações e alto torque de trabalho como em

usinas sucroalcooleiras ou de produção de celulose, indústrias de massas e

biscoitos, em guindastes, escadas rolantes, esteiras transportadoras, extrusoras,

moinhos ou como no caso do utilizado no projeto, onde um pequeno motor elétrico é

acoplado a um motoredutor de coroa e rosca sem fim fornecendo uma baixa rotação

e alto torque.

Os principais modelos utilizados são os de coroa e rosca sem fim, de

engrenagens helicoidais e planetárias (abcm).

Nem sempre as unidades geradoras (motores elétricos) podem ser acopladas

diretamente em alguns equipamentos como bombas, ventiladores, elevadores,

robôs, escadas rolantes, guindastes entre outras, porém a grande maioria dos

processos existe a necessidade de se modificar algumas características como

velocidade, rotação ou torque e essa é a principal finalidade pela qual os

motoredutores foram desenvolvidos. O que há de mais importante em um

motoredutor são as engrenagens, pois é através da diferença de diâmetro entre elas

que se consegue a redução da rotação e o aumento do torque. Sua carcaça pode

ser fabricada com aço de baixo carbono, ferro fundido ou alumínio, podendo ser

bipartida ou apenas com abertura nas tampas dos mancais. Em alguns casos, ele é

tratado termicamente para alívio das tensões de solda ou fundição. (ANDRADE,

[2014]).

Como os motoredutores funcionam com atrito constante entre os dentes das

engrenagens, que são seus principais componentes e por isso devem ser

construídas com aços especiais para suportarem desgaste, altas temperaturas e

pressão, por sofrerem grandes esforços, é necessário que trabalhem em banho de

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óleo para minimizar o desgaste, como também ter cuidados com os eixos,

rolamentos e retentores (essel).

Para Andrade ([2014], p. 3), motoredutor é um conjunto de eixos com

engrenagens ou somente com uma coroa com uma rosca sem fim, que reduz a

rotação de entrada e aumenta o torque de saída do sistema.

Foi utilizado no projeto um motoredutor automotivo para vidro elétrico de 12v

de coroa e rosca sem fim, muito utilizado em experimentos e protótipos escolares.

Conforme Catálogo de motores elétricos Bosch (2009-2010, p. A8) possuem

um alto torque, baixa rotação, alta durabilidade, silencioso e de baixo custo, indicado

na figura 7.

Figura 7 – Motoredutor automotivo de 12v.

Fonte – Docslide catalogo motores bosch (2009-2010)

2.4.2 PIC

O PIC é um componente eletrônico pertencente à classe dos

microcontroladores programáveis de arquitetura Harvard e conjunto reduzido de

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instruções (RISC). Em síntese, é um microcomputador completo, consistindo de uma

memória RAM, memória não volátil EEPROM, memória de programa, controladores

de E/S digital e analógica (opcional) em torno de uma CPU com um conjunto

reduzido de instruções, dentro de um único chip.

De acordo com Catalisa (2006, p.172), os microcontroladores são

considerados os cérebros dentro de sistemas automatizados, por possuírem uma

memória interna, possibilitam ser gravadas atividades a serem executadas, através

de linguagens de programação.

Segundo Miyadaira (2011, p. 21), “os microcontroladores são pequenos

dispositivos dotados de “inteligência”, basicamente constituídos de CPU (Unidade

central de processamento), memória e periféricos.”.

O PIC pode ser programado para executar diversas tarefas, como controlar

um dispositivo eletromecânico, realizar medições, exibir informações em um display,

ou simplesmente piscar luzes. A simplicidade, disponibilidade e o baixo custo são os

principais atrativos do PIC.

A programação pode ser feita em um PC com ferramentas disponíveis

gratuitamente em Assembler ou C, mas requer o uso de um dispositivo programador

para transferir o código do programa para dentro do PIC.

Dados do PIC 18f4550.

- Chip: PIC18F4550

- Pinos: 40

- Memória de Programa (Flash): 32Kb

- Memória de Dados (RAM): 2Kb

- Memória EEPROM: 256 bytes

- Frequência de Operação: até 48Mhz

- Portas I/O: 35; portas A/D: 13 (10-bit)

- Comparadores analógicos: 2

- Ampla faixa de tensão de Operação: 4,0V à 5,5V

- 20 tipos de interrupções

- Arquitetura RISC (set de instruções reduzidas)

- Porta Paralela: 8 bits

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- Timers: 1 (8-bits), 3 (16-bits)

- WDT (WatchDogTimer)

- Porta de Comunicação USB 2.0

- Comunicação UART, USART, SPI, I2C. (MIYADAIRA, 2011)

Pinagem e kit do PIC 18f4550, conforme figuras 8 e 9.

Figura 8 – Pinagem do PIC 18f4550

Fonte - Rekeshmondal (2013)

Figura 9 – Kit de desenvolvimento PIC 18f4550.

Fonte - Embarcados (2015)

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2.4.3 Sensores

Para Thomazini e Albuquerque (2010, p. 17)

Sensores são dispositivos sensíveis a alguma forma de energia do ambiente que pode ser luminosa, térmica, cinética, relacionando informações sobre uma grandeza que precisa ser medida, como: pressão, velocidade, corrente, aceleração, posição, etc.

Conforme Ribeiro (2005), os sensores podem ser utilizados nas mais diversas

áreas como automação industrial: fim de curso, nível de tanques, temperatura de

fornos e caldeiras; automação automotiva: nível de óleo, temperatura da água, ar

condicionado; automação residencial: sensor de presença, alarmes, temperatura e

umidade.

Existem sensores industriais dos mais variados tipos, onde os mais usuais

são os mecânicos, magnéticos, indutivos, capacitivos, ópticos, ultra-sônicos, de

pressão, laser, de uma forma geral são amplamente utilizados em toda área da

automação industrial na leitura de variáveis, que são transmitidas através da

variação de tensão ou corrente através de cabos, redes wireless ou em locais que

existem altas interferências por ruído utiliza-se a fibra ótica.

São muito vantajosos, pois realizam leituras com extrema rapidez e precisão

deixando um processo muito mais dinâmico e seguro, mesmo em ambientes

extremos, não precisam estar em contato com a peça ou material a ser sensorizado

como no caso de substâncias perigosas ou alimentos, também em algumas

situações substituem a mão de obra operacional eliminando falhas humanas ou

retirando trabalhadores de ambientes agressivos.

Uma das partes mais importantes dos sensores são os transdutores que tem

a função de transformar um tipo de energia em outro, normalmente transformam

uma grandeza de entrada em uma grandeza elétrica, pois assim são possíveis

serem processadas por circuitos eletroeletrônicos. (FONSECA, 2006)

Segundo Viana (2011, p. 274), fornecem informações sobre o processo,

correspondendo às entradas do sistema de controle. Indicam variáveis físicas, como

pressão e temperatura, ou simples estados, como uma chave de fim de curso.

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Neste projeto, como na maioria dos processos industriais que são

automatizados, é necessário controlar e manter constantes variáveis utilizadas e por

isso é que os sensores são muito utilizados, estaremos utilizando sensores

eletromecânicos fim de curso que controlarão a altura máxima na subida e altura

mínima na descida da ponte, também serão utilizados sensores para realizar a

leitura e contagem de veículos no início e no final da ponte e através destes dados o

PIC saberá se há ou não veículos sobre a ponte.

A principal finalidade do sensor de fim de curso, conforme figura 10, é a

detecção de deslocamento máximo de um atuador em um processo industrial,

evitando colisões ou sobrecarga no sistema elétrico. (WENDLING, 2010)

Figura 10 – Sensor fim de curso

Fonte - Mercadolivre (2016)

2.5 Metodologia do projeto

A metodologia utilizada é o desenvolvimento experimental de um protótipo

ligado às áreas da mecatrônica.

Segundo Rosário (2005, p. 4), “mecatrônica pode ser entendida como a

integração sinérgica da engenharia mecânica com a eletrônica e o controle por

computador no projeto e na manufatura de produtos e processos.”

3. CONSTRUÇÃO DO PROJETO

3.1 Projeto

O Projeto foi elaborado construindo um protótipo de uma ponte levadiça de

elevação vertical controlada por um sistema mecatrônico.

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3.2 Construção da estrutura

Foram utilizados na construção da estrutura vários componentes como

porcas, arruelas e parafusos, barras roscadas M 6 mm e M 10 mm, tubo quadrado

de aço SAE 1020 40x40mm, acoplamento fixo, roldanas de poliacetal para tração

dos cordões, polias de poliacetal para condução e deslizamento dos cordões,

cordões de algodão de 2,5mm, abraçadeiras para cabo de aço, sarrafos de

madeiras de 50x20mm, placa de MDF, tampão de borracha.

Foram executados vários processos de fabricação como corte, furação,

roscamento, montagem e fixação por parafusos e barras roscadas, arruelas e

porcas, preparação e pintura da superfície dos metais, usinagem das roldanas e

polias de poliacetal, usinagem e roscamento do acoplamento.

Foram feitos testes em bancada na faculdade para ajustes e certificar o pleno

funcionamento de todo o equipamento, conforme figura 11.

Figura 11 – PPM 4º Semestre

Fonte – Os autores

3.3 Construção da eletrônica

Foram utilizados uma caixa de MDF para fixação dos botões, chave de

segurança e leds de controle, fonte de 12 v para o motoredutor, relês de 5 e 12 volts,

fiação, sinal luminoso para interromper ou liberar o trânsito, sensores de fim de

curso para a subida e descida da ponte, sensores para contagem de veículos na

entrada e saída da ponte, sensores sob a ponte monitorando o transito hidroviário,

será utilizado microcontrolador PIC 18f4550 controlado por um programa

desenvolvido em linguagem C, conforme figuras 12 e 13.

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Figura 12 – Painel de comando

Fonte – Os autores

Figura 13 – Comando eletroeletrônico

Fonte – Os autores

Iniciamos o projeto utilizando um CLP da Festo, fornecido pela Fatec, e um

programa desenvolvido em linguagem Statement List, no entanto, como o CLP

pertence à Fatec, enfrentamos dificuldades para realizar os testes e ajustes

necessários para o bom funcionamento do protótipo, mesmo assim apresentamos o

PPM do 4º Semestre utilizando o CLP. Decidimos então, por facilitar os teste e

ajustes mesmo fora da Fatec, substituir por um microcontrolador PIC 18f4550 e

desenvolvemos um programa em linguagem C para controlar todo o processo, com

isso nos proporcionou realizar as melhorias necessárias.

Para Braga (2014) “Projetos, que até a poucos anos eram elaborados com

base em uma grande quantidade de componentes eletrônicos, hoje são elaborados

com base em microcontroladores, pois podem ser programados para isso”.

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3.4 Funcionamento do protótipo

Ao detectar que uma embarcação está aguardando a elevação da plataforma,

o operador acionará um botão para iniciar o sistema, que por sua vez interromperá o

trânsito com um sinal luminoso acendendo lâmpadas vermelhas, após isso, através

de sensores, conforme figura 14, verificará a contagem de veículos que entraram e

que saíram da ponte e somente quando não houver veículos, é que o sistema

iniciará a elevação da plataforma. No momento em que o mesmo acionar o sensor

fim de curso superior interromperá a subida.

Figura 14 – Sensor de contagem de veículos.

Fonte – Os autores.

Após a embarcação ter passado sob a ponte e estar a uma distância segura,

o operador acionará o sistema de descida da plataforma, que cessará quando o

mesmo acionar o sensor fim de curso localizado na parte inferior da estrutura,

conforme figura 15, com a ponte novamente no nível da rodovia, o sistema liberará o

trânsito ascendendo lâmpadas verdes e o fluxo rodoviário voltará a fluir novamente.

Figura 15 – Sensor fim de curso da plataforma.

Fonte – Os autores

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Durante os movimentos de subida ou descida da ponte, surgindo alguma

necessidade, poderemos acionar o botão de emergência que interromperá os

movimentos, através dos controles manuais executaremos os movimentos

desejados.

Quando a ponte estiver elevada, sensores estarão monitorando a passagem

de embarcações, conforme figura 16, caso acionada descida com os sensores

acusando a presença de embarcações, a plataforma mantem-se estática, até o

mesmo ser desacionado, caso a ponte estiver em movimento de descida e algum

dos sensores de embarcações for acionado será interrompida a descida e subirá

novamente.

Figura 16 – Sensor de monitoramento de embarcações.

Fonte – Os autores

Estaremos utilizando no sistema uma chave de segurança para habilitar os

controles manuais, como no caso de manutenções da estrutura, podendo também

ser acionado em situações de emergência.

4. CONSIDERAÇÕES FINAIS

O foco principal de projeto é desenvolver e implementar um sistema

mecatrônico que possa controlar uma ponte levadiça, com o máximo de segurança,

utilizando-se vários mecanismos de monitoramento, controle e interrupção dos

fluxos, buscando tornar a ponte mais segura, a fim de preservar vidas, estrutura e

meio ambiente.

Foi montada um protótipo de uma ponte levadiça, baseando-se na ponte

Getúlio Vargas em Porto Alegre/RS, após os testes e análises, foi constatado que a

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ponte se tornou mais segura, superando as expectativas iniciais, sendo capaz de

evitar acidentes, como os ocorridos em várias situações, em pontes levadiças.

REFERÊNCIAS

ANDRADE, Dr. Alan Sulato. Elementos orgânicos de máquinas II redutores.

Universidade Federal do Paraná, Curso de Engenharia Industrial Madeireira, [2014]. ABCM. Redutores de Velocidade Aplicando Corretamente. Disponível em:

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LEALEVALEROSA. Porto Alegre antigo – o maior presente. Disponível em:

<http://lealevalerosa.blogspot.com.br/2010/05/ryo-guayba.html>. Acesso em: 24 set. 2016.

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MIYADAIRA, Alberto Noboru. Microcontroladores PIC 18 aprenda e programe em linguagem C. 2. ed. São Paulo: Érica Ltda, 2011.

NEVES, C. Os dez maiores desafios da automação industrial: as perspectivas para o futuro. II Congresso de Pesquisa e Inovação da Rede Norte Nordeste de

Educação Tecnológica. João Pessoa PB, 2007. RIBEIRO, Marco Antônio. Automação industrial. Bahia: Tek Treinamento &

Consultoria Ltda, 1999. ROSÁRIO, João Maurício. Princípios de mecatrônica. São Paulo: Pearson, 2005.

THOMAZINI, Daniel; ALBUQUERQUE, Pedro Urbano Braga de. Sensores industriais: fundamentos e aplicações. 7.ed. São Paulo: Érica, 2010.

VIANA, Maria Leonor Reis. Mecânica automação. São Paulo: Fundação Padre

Anchieta v.4, 2011. WENDLING, Prof. Marcelo. Sensores. Unesp Campos Guaratinguetá, 2010.