Automação e Controle em uma MicroCervejaria

7/31/2019 Automao e Controle em uma MicroCervejaria

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Automao e Controle em uma Micro

Cervejaria Artesanal

Anita Maria da Rocha Fernandes

[email protected]

UNIVALI

Tiago Alexandre Franzen

UNIVALI

Resumo:Visando o j em expanso mercado de produo de cervejas especiais, este projeto mostra a

aplicao de um sistema embarcado para a automao de uma micro cervejaria para produo de cerveja

artesanal. Para levar a feito, foram utilizadas linguagens de programao padronizadas pela parte trs da

norma IEC 61131, que define formas textuais e grficas, internacionalmente aceitas e difundidas dentro

do meio de automao e controle. Estas linguagens so utilizadas para a programao de controladores

lgicos programveis (CLPs) de diversos fabricantes. A comunicao com o meio externo foi feita por

meio de uma Interface Homem Mquina (IHM), que se comunica com o controlador atravs de uma rede

ethernet, utilizando o protocolo MODBUS. Da mesma forma que as linguagens de programao

envolvidas, este protocolo padronizado e largamente utilizado no meio industrial, alm de apresentar

caractersticas robustas enquanto simples. Foram exploradas algumas alternativas, tanto de hardware

quanto de software, compatveis com os padres acima adotados, procurando mostrar a adaptabilidade da

soluo. A proposta que, depois de embarcado em um controlador lgico programvel, o sistema

pudesse prover uma soluo de automao, controle e superviso que fosse vivel, verstil e efetiva.

Palavras Chave: Sistemas embarcados - CLPs - MODBUS - Cervejaria artesanal -


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1. INTRODUODados histricos mostram que o consumo de cerveja em mbito mundial acompanha

uma curva crescente. Quando comparado com outras bebidas alcolicas, este crescimento fica

ainda mais evidenciado. Este crescimento impactado pelo aumento do consumo em pasescomo Brasil, Rssia e China (COLEN & SWINNEN, 2010). Nos pases da Europa, oconsumo mostra-se estvel, mas quando comparado proporcionalmente de forma per capita, o mais elevado do mundo. Novamente, Brasil, China e Rssia tem um consumo (per capita)definido por uma curva crescente (COLEN & SWINNEN, 2010).

O consumo de cerveja no Brasil esta em franca expanso e acompanhando estatendncia, est o consumo de cervejas tipo Gourmet. Cervejas tipo Gourmet so maiselaboradas e tem um valor agregado maior. So destinadas a atender paladares exigentes ebuscam suprir padres de satisfao mais refinados. So, portanto, consumidas por umpblico mais seleto. Geralmente importadas. estas cervejas provm, na sua grande maioria, depases como Blgica e Alemanha (EUROMONITOR INTERNACIONAL, 2011).

No Brasil, o mercado das cervejas artesanais corresponde a pouco mais de 2% do total,mas sua taxa de crescimento trs vezes maior que a mdia do total, correspondendo a 8%,enquanto o mercado de cervejas de consumo em larga escala cresce entre 2,5% e 5%(EUROMONITOR INTERNACIONAL, 2011). Portanto, produzir este tipo de cerveja noBrasil promissor.

O passo inicial na produo de cerveja artesanal esbarra em dificuldades (controle detempos e temperaturas de processo) que, em um contexto de automao e controle industrialso extremamente fceis de serem absorvidas. Porm, o desenvolvimento de sistemasdedicados de controle se torna dispendioso ou ineficaz, dependendo da abordagem. Em suma,o custo de um controlador programvel que abranja todo o processo pode s e tornar invivel,ultrapassando facilmente a casa dos mil reais, enquanto um controlador simples detemperatura, que custa algumas dezenas de reais, no resolve todo o problema.

Dentro deste contexto, este artigo apresenta uma soluo baseada em sistemasembarcados (SILVEIRA & SANTOS, 2001). Ou seja, prover hardware e software capazes deresolver uma determinada tarefa de forma dedicada. Tais sistemas podem ser executados emuma grande variedade de controladores, de diferentes fabricantes e sob as mais variadasconfiguraes.

A soluo aqui apresentada, de baixo custo e visa suprir de forma completa ocontrole e superviso das variveis de processo envolvidas, alm de nortear os cervejeirosartesanais durante todo o processo de produo.

2. O PROCESSO DE FABRICAO DA CERVEJATradicionalmente, se define cerveja como toda bebida fermentada a partir de cereais.

Entretanto, por fora de lei no Brasil, entende-se cerveja como uma bebida obtida pelafermentao alcolica do mostro cervejeiro, oriundo este, do malte de cevada e gua potvel,por ao da levedura, com adio de lpulo. A lei em questo a Lei Federal no. 8.918/94,regulamentada pelo Decreto 2.314/97 (ACERVA PAULISTA, 2011).

Segundo Venturini (2010), pode-se classificar as cervejas quanto ao seu tipo defermentao. Sendo assim, as cervejas so divididas em ALES e LAGERS.

ALES: so produzidas por leveduras que agem no topo do mostro (top-fermented),lquido denso e aucarado resultante do cozimento dos maltes e cereais, durante afermentao, e que trabalham a temperaturas mais elevadas (de 18C a 25C). Segundo


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VIII SEGeT Simpsio de Excelncia em Gesto e Tecnologia 2011 2

Venturini (2010), via de regra, os aromas das ALES so mais intensos , variados esaborosos do que os obtidos em cervejas similares de baixa fermentao, sendo que atemperatura mais elevada durante a fermentao propicia a formao de alcoissuperiores e steres. A temperatura ideal para serem servidas as ALES varia entre 7 C

e 12 C, ou seja, temperaturas mais altas que as LARGES. LARGES: especialmente no Brasil, respondem quase pela totalidade do consumo de

cervejas, erroneamente confundidas com as cervejas do tipo Pilsen, originrias dePilsen na Repblica Checa, que nada mais so do que um tipo de LARGES. Socervejas produzidas por leveduras que afundam no mosto durante a fermentao(botton fermented), e que trabalham a temperaturas mais baixas que as ALES, entre 8C e 14 C. Normalmente so mais refrescantes e leves, com aromas mais suasves elimpos. LARGES so maturadas a baixas temperaturas, 0o C/1 C. por vrios meses, edesenvolvem um aroma mdio de lpulo.

Para Beckhauser (1984), uma produo artesanal de cerveja pode ser dividida, de

forma resumida, em dez passos bsicos: elaborao da receita; moagem do malte; brasagem;filtragem; fervura; resfriamento; aerao e inoculao do fermento; fermentao; maturao; eengarrafamento.

na Elaborao, segundo Beckhauser (1984), que se estabelece os tempos etemperaturas das etapas de produo. A Moagem do malte tem por funo quebrar todos osgros para que seu contedo fique exposto. J na Brasagem, segundo Beckhauser (1984),deve-se aquecer a gua a determinadas temperaturas que favorecem a alterao de enzimas,que transformam a mistura de gua com malte modo. O controle da temperatura nesta etapa crtico, uma vez que temperaturas acima de 74 C acarretam na desativao das enzimas econsequentemente, comprometimento do rendimento e at do processo.

Na Filtragem, o mostro filtrado por meio de um fundo falso ou sistema de peneiras.Depois de filtrado, segundo Beckhauser (1984), o lquido fervido. Na Fervura acontece aadio do lpulo, eu confere caractersticas como amargor e aroma cerveja. Novamente, ostempos so crticos, uma vez que definem o quo amarga ou aromatizada a cerveja vai ficar.Uma vez fervido, o lquido passa pelo Resfriamento, para que o fermento possa seradicionado sem que as bactrias sejam afetadas por temperaturas superiores a 26 C. Oresfriamento deve ser rpido e eficaz.

Em seguida, o lquido deve ser aerado para que ento o fermento possa ser finalmenteadicionado. Na Fermentao, ao lquido, depois de resfriado, adicionado o fermento. Amistura fica reservada por um perodo mdio de sete dias. Este tempo pode variar bastante de

acordo com o tipo de fermento utilizado e a densidade inicial do lquido (BECKHAUSER,1984).

Na Maturao, o lquido separado do fermento, que neste ponto est decantado nofundo do fermentador. O recipiente de maturao acondicionado geralmente sob baixastemperaturas, prximas a 0oC, por um perodo mdio de dez dias. Para Beckhauser (1984),passado o perodo de maturao, a cerveja esta pronta e pode ser engarrafada. Em algunscasos, por facilidade, o engarrafamento feito logo aps a fermentao, e o processo dematurao ocorre dentro da prpria garrafa.

Considerando as etapas apresentadas, verifica-se que, a qualidade da cerveja estadiretamente ligada ao controle das temperaturas e do tempo.


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3. O SISTEMA DESENVOLVIDONesta seo ser a apresentada a concepo do sistema de superviso e controle

desenvolvido para uma micro cervejaria artesanal. A evoluo da seo mostra como asoluo foi ganhando sua forma final e quais as consideraes foram levadas em conta na sua

construo.O sistema desenvolvido capaz de prover o controle dos tempos e temperaturas do

processo. Alm disso, o sistema permite que o processo como um todo seja direcionado,mesmo que uma determinada etapa no tenha viabilidade de ser controlada ou monitorada.

O software envolvido na soluo foi documentado utilizando a Norma IEC 61131 parafacilitar e flexibilizar futuras implementaes, alm de abstrair a descrio fsica, arquiteturale comportamental do sistema (IEC, 2003; BONIFATTI, 1997). A Figura 1 apresenta o fluxode dados do sistema.

Figura 1. Fluxo dos dados no sistema

3.1. ESCOPO DO SISTEMA DESENVOLVIDOO sistema desenvolvido apresenta as seguintes funcionalidades:

Do incio ao fim do processo, o sistema fornece informaes sobre o ponto em que seencontra, dentro da sequncia de produo da cerveja.

Todos os eventos importantes que necessitam de interveno, tem sua ocorrnciaindicada por meio de uma sada de sinalizao, e para o sistema de superviso. O sistema fornece sada de acionamento para o moedor do malte. Essa sada pode ser

acionada por meio de uma entrada digital ou pelo sistema de superviso e controle.

O sistema controla a sada dedicada de acendimento da chama, de acordo com a lgicade controle. O sistema tambm monitora se a chama est ou no acesa.

O sistema controla a abertura e fechamento da vlvula de gs de acordo com a lgicade controle e mecanismo de segurana (sensor da chama).

Todas as variveis de tempo e de temperatura inerentes ao processo de fabricao sopassveis de parametrizao, por meio do sistema de superviso e controle. Variveisadicionais como histereses de medio e controle so igualmente parametrizveis.


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O sistema executa a lgica de controle de acordo com os tempos e temperaturasestabelecidos.

Todas as variveis que interessam para a monitorao (tempos, temperaturas eeventos) bem como as variveis de parmetro so disponibilizadas e/ou recebidas dosistema de superviso e controle.

A interface de superviso e controle tem acesso a todas as variveis e parmetros deprocesso do CLP.

O software executado no CLP foi escrito utilizando as linguagens padronizadas pelaNorma IEC 61131 (FONSECA, SEIXAS FILHO & BOTURA FILHO, 2008), com ambientede desenvolvimento TwinCAT, da fabricante Beckhoff. O software de controle roda em umservidor MODBUS, fornecendo uma interface ao cliente MODBUS, no caso, o sistema desuperviso e controle. A interface de superviso e controle (supervisrio) um cliente(mestre) MODBUS (MODBUS, 2011), viabilizando o acesso s variveis de processo.

3.2. O AMBIENTE DE DESENVOLVIMENTO UTILIZADOPara realizar a programao dos softwares aplicativos, foi utilizada a ferramenta

disponibilizada pelo fabricante do controlador lgico programvel (CLP), o softwareTwinCAT da fabricante alem Beckhoff. Essa ferramenta um ambiente de desenvolvimentoque implementa as funcionalidades padronizadas pela Norma 61131 (JOHN &TIEGELKAMP, 2001), norma internacional para programao de controladores aplicada aautomao de processos industriais, que tem como um dos principais objetivos tornar osoftware do controlador modular, reutilizvel e portvel.

O TwinCAT baseado no CoDeSys, que o principal sistema de desenvolvimentopara automao no padro normatizado pela 61131. O CoDeSys utilizado pela grandemaioria das fabricantes de controladores como base de suas interfaces de desenvolvimento.Isso faz com que as caractersticas de vrios ambientes de desenvolvimento, de diversosfabricantes, sejam bastante semelhantes.

A ferramenta permite que sejam configurados trs tipos de unidades de organizaode programas (POU): as funes, os blocos de Funo e os Programas. O modelo deorganizao do software, conforme caractersticas apresentadas na norma, pode ser visto naFigura 2.


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Figura 2. Modelo de estrutura de um software IEC 61131

As funes so trechos de cdigo que executam uma determinada rotina e produzemuma nica sada em funo dos dados de entrada. Uma funo no possui memria interna, de

modo que a sua execuo, com os mesmos parmetros de entrada, sempre gera o mesmoresultado. Uma funo no precisa ser instanciada, ela pode ser invocada na declarao deoutra POU.

Os blocos de funo tem funcionalidade semelhante s funes, entretanto podemmanipular uma varivel de entrada e sada e podem produzir mais de uma varivel de sada.Os blocos de funo podem ser instanciados quantas vezes for necessrio, permitindo areutilizao dos cdigos implementados. Alm disso, um bloco de funo possui memria dedados, de modo que todos os valores de variveis internas so mantidas entre duas execuesconsecutiva do bloco (PATTERSON & HENNESSY, 1997).

J os programas so os cdigos que contm a inteligncia da aplicao, utilizam as

diversas funes e blocos de funo, tanto programados pelo usurio quanto encontrados embibliotecas, para executar lgicas complexas a fim de produzir o resultado de controleesperado. Uma facilidade apresentada pela ferramenta que ela permite que as funes,blocos de funes e programas sejam programados em qualquer uma das linguagenspadronizadas pela Norma 61131 3. Ela ainda permite que um mesmo aplicativo possa terprogramas em uma linguagem, funes em outra e blocos de funes em outra, sem nenhumprejuzo de integrao entre os mesmos, isto , no h necessidade de converso para algumalinguagem especfica antes de compilar.

Isso possibilita o uso da linguagem mais adequada para o cdigo que se estimplementando, com o SFC para cdigos seqenciais, FBD para intertravamentos e malhas de

controle, ST para funes de alta complexidade (LEWIS, 1998).Alm de permitir a programao multi-linguagem, a ferramenta permite a execuo de

at 4 tarefas, que mais um requisito para os novos CLPs apresentando na Norma IEC 61131


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3. Dessa forma, o mecanismo de execuo do programa do CLP passa a ser orientado atarefas, sendo essas peridicas ou por interrupo (preemptivas com prioridades), quebrando oparadigma do ciclo tradicional de leitura, execuo e atualizao das sadas.

Outra funo importante desempenhada por essa ferramenta o uso de interfacesamigveis de configurao e parametrizao dos dispositivos de entrada e sada do CLP;como os cartes de entrada e sada digitais e analgicas e os cartes de interface ethernet.Alm, disso, a ferramenta possibilita um mtodo gil de mapeamento das varveis de entradae sada do programa com os mdulos de aquisio de entrada e sada (SILVEIRA &SANTOS, 2001).

Alm do ambiente de programao, essa ferramenta ainda possui um sistema de runtimes que transforma um computador em um CLP, para efeito de desenvolvimento parasimular um CLP, permitindo que seja feito o downloaddos programas, o processo de debugdo cdigo e os testes de comunicao sem a necessidade do hardware final (THOMAZINE &ALBUQUERQUE, 2005).

3.3. PROCESSOFazem parte do escopo principal da automao a brasagem, a filtragem, a fervura e o

resfriamento. nestas etapas que se faz necessrio um controle de tempos e temperaturas. Asdemais etapas (Elaborao, Moagem, Aerao e Inoculao do Fermento, Fermentao,Maturao e Engarrafamento) so mais simples e so apenas direcionadas por diagramas nosistema de superviso.

Na Figura 3 apresentada uma curva tpica de temperaturas no tempo, com faixascomuns maioria das receitas de cerveja artesanal.

Figura 3. Curva tpica de temperaturas de uma cerveja artesanal

De forma sucinta, essa parte dos processo pode ser assim descrita: inicialmente ocorre

o aquecimento da gua, que geralmente esta na temperatura ambiente (ponto 1 da Figura 3). Omalte adicionado (ponto 2 da Figura 3) e a temperatura deve se manter constante durantetoda a durao da brasagem. A temperatura elevada respeitando uma curva de aquecimento,


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at a temperatura em que ocorre a desativao enzimtica (ponto 3 da Figura 3). O mosto ento filtrado e por conseqncia ocorre uma queda da temperatura, que neste ponto norequer controle. Aps filtrado, o mosto deve ser aquecido at iniciar a fervura (ponto 4 daFigura 3). Durante esta etapa, alguns tempos so controlados para indicar a colocao do (s)

lpul (s). Terminado o tempo de fervura, o mosto deve ser resfriado at atingir umatemperatura mnima, que permita a inoculao do fermento (ponto 5 da Figura 3).

Os eventos nestas etapas do processo podem ser vistos na Figura 4. Estes eventosesto destacados por serem crticos e/ou necessitarem de interveno.

Figura 4. Eventos na produo de cerveja artesanal.

3.4. CONTROLEO sistema de controle executa a lgica em uma mquina de estados, onde cada estado

corresponde a uma das etapas da produo apresentadas nas figuras 3 e 4.

CASE Etapa OFAQUECIMENTO_AGUA:

..............

BRASAGEM:

..............

DESATIVACAO_ENZIMATICA:

..............

FILTRAGEM:

..............

FERVURA:

..............

RESFRIAMENTO:

..............

ELSE

........

END_ELSE


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Dentro de cada etapa da mquina de estado, o controle de temperatura e tempo feitode acordo com o que foi parametrizado, e os eventos so indicados de acordo com suaocorrncia. O fluxo dos dados ocorre conforme exemplificado na Figura 1.

Devido grande inrcia de temperatura inerente ao processo, o controle detemperatura no necessita de maior elaborao. Um controle do tipo on-off simples osuficiente para manter a temperatura dentro do esperado, conforme dados coletados e exibidosna Figura 5. O hardware envolvido apresentado na Figura 6.

Figura 5. Grfico de temperatura do processo.

Figura 6. Hardware do sistema de controle de temperatura.Uma lgica de segurana aplicada para evitar que a vlvula de gs fique aberta caso

o sensor de chama no detecte a presena efetiva da mesma. Este monitoramento feitodurante o acendimento e todo o restante do processo. Esta lgica est implementada em LD(Ladder Display), conforme mostra a Figura 7.


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Figura 7. Lgica de acionamento da chama.

3.5. INTERFACE DE ENTRADA E SADAO sistema dispe das seguintes entradas e sadas: Entradas digitais (acionar moedor,

iniciar processo, parar processo, sensor de chama); Sadas Digitais (moedor, ignitor, vlvulade gs, evento, alarme); Entradas analgicas (Sonda de temperatura).

Para o tratamento das entradas e sadas foram criados blocos de funo quedesempenhassem as funes desejadas, de modo que pudessem ser instanciados para todas asentradas e sadas do sistema, buscando o mximo reaproveitamento do cdigo. Foi criado umbloco de funo para entradas digitais, outro para entradas analgicas e outro para sadasdigitais, cada um com as funcionalidades correspondentes. As seguintes funcionalidadesforam implementadas:

Filtro anti-trepidao ou deboucing, isto , uma mudana de estado de uma variveldigital somente ser vlida no software se o seu novo valor permanecer ativo por umtempo mnimo. Este tempo mnimo definido por uma constante.

Verificao de consistncia de rede, de modo que a varivel s atualize para um novovalor se no houver qualquer tipo de erro na rede MODBUS.

Para o tratamento das sadas digitais foram implementadas as seguintesfuncionalidades:

Tempo de atuao mnimo, garantindo que a sada ficar acionada por um tempo queseja suficiente para que o atuador perceba o comando.

Inibio de comando por varivel permissvel, isto , independentemente da lgica deatuao da sada estiver ativa, o comando s ir a campo se o permissvel estiversetado. Esta varivel permissvel tem carter de segurana.


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Para o tratamento das entradas analgicas, foram implementadas as seguintesfuncionalidades:

Ajuste de escala, com transformao para valor de engenharia e limitao de faixa demedio da grandeza.

Ajuste de transduo do elemento sensor do tipo ganho-offset, permitindo que a curvade linearidade seja ajustada atravs de um fator multiplicador e um fator somador.

Banda morta de medio, de modo que o valor da entrada analgica s seja atualizadose a variao da entrada, em relao ao seu valor atual no software, for maior que umadeterminada histerese.

Filtro de mdia mvel para a eliminao de rudos de medio.Especificamente para a entrada de medio de temperatura, o filtro de banda morta

no est sendo utilizado, e o filtro de mdia mvel sim. A entrada no necessitou de ajustes de

ganho e offset, permanecendo em 1 e 0 respectivamente.

3.6. HARDWAREO CLP utilizado foi o modelo CX9000 da Beckhoff, com processador modelo IXP420

da Intel de 533 MHz.

Adicionalmente, o sistema composto pelos seguintes mdulos de Entrada e Sada:

Mdulo EL2408 com oito entradas digitais de 24V; Mdulo EL1408 com oito sadas digitais a rel; e Mdulo EL3102 com duas entradas analgicas de 0 10V.

Uma fonte chaveada, de 24V e 05A utilizada para alimentar o sistema.

3.7. SUPERVISRIOA soluo implementa um cliente (mestre) MODBUS. Para tal foram desenvolvidas

duas solues, com o objetivo de exemplificar a flexibilidade de comunicao com o mundoexterno do sistema.

A primeira soluo foi desenvolvida no mySCADA da SPEL e roda na plataforma iOSda Apple, destinada a dispositivos mveis (Figura 8).


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Figura 8. Tela do supervisrio em mySCADA.

Conforme apresentado na Figura 8, o supervisrio apresenta a interface aos parmetrosdo processo, e exibe o valor das variveis pertinentes, como tempos e temperaturas. Todos osdados so enviados e recebidos do CLP via protocolo MODBUS.

A segunda soluo foi desenvolvida no software xVision da empresa ReivaxAutomao e Controle. Como o xVision capaz de rodar um cliente MODBUS, acomunicao foi feita da mesma forma ao exemplo anterior, apenas com uma interface grficadiferente. Outra diferena a plataforma de destino, que no caso do xVision o MicrosoftWindows.

3.8. SIMULAOAo sistema de controle foi adicionado um modo de simulao. Basicamente, a lgica

de simulao, quando habilitada, desconecta as entradas fsicas e passa a controlar e receberos retornos de um processo virtual.

Foram implementadas as lgicas que correspondem ao processo controlado,possibilitando que o sistema opere de modo similar ao real.

A simulao tem propsito de demonstrao do sistema, mas principalmente tildurante a validao dos diversos aspectos que a lgica de controle deve englobar.

4. CONCLUSESEste artigo apresentou a descrio geral de um sistema de automao e controle para

uma micro cervejaria artesanal, de forma a possibilitar que a produo de cerveja artesanalpossa ser efetuada sob um conjunto procedimentos automatizados.

O uso de ferramentas de desenvolvimento que estejam em conformidade com o padrodefinido pela norma IEC 61131-3 possibilitou a obteno de uma soluo portvel eamplamente compatvel com diferentes tipos de hardware e plataformas.


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A escolha de um controlador lgico programvel da Beckhoff se mostrou positiva,uma vez que viabilizou um controle de processo de forma verstil e efetiva.

A implementao do protocolo MODBUS abriu as possibilidades de comunicaocom o mundo exterior. O servidor MODBUS faz parte do sistema embarcado e permite queuma variedade de aplicaes estabelea comunicao com o sistema de controle, para efetuarsua monitorao e parametrizao. As solues de supervisrio apresentadas ratificam essafacilidade, uma vez que demonstram que diferentes aplicaes, em diferentes plataformas,podem interagir via MODBUS com o CLP.

A lgica de simulao, atrelada ao programa de controle, validou diversas etapas dasquais o sistema deveria ser capaz de controlar. Ao final, o modo simulado acabou servindo deforma bastante interessante como ferramenta de demonstrao de toda a soluo.

Todas as escolhas e mtodos promovem facilidades para trabalhos futuros de expansodo sistema de controle, dentre as quais, uma IHM local (anexa ao controlador embarcado)seria de grande valia.

Quanto ao processo de produo, houve um ganho visvel em agilidade, confiabilidadee repetibilidade. A automao de etapas onde a menor variao pode influenciar o produto,possibilitou a obteno de lotes de cerveja muito prximos uns dos outros, fazendo com que aqualidade varie sempre para melhor.

5. REFERNCIAS

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