Controladores, tratamento de sinais e programação aplicados à piscicultura

Abstract

In this article is presented the development of closed loop control techniques that optimize the fish production in closed environment, by controlling the water temperature. It is possible to see that plenty of rudimentary techniques are still used in this area, which involves a lot of money, R$ 2.02 billions in revenue just in 2013, according to IBGE. There is, in this project, the process automation using microcontrollers, sensors and actuators. With the system’s mathematics models, that will provide enough data about the water temperature, digital controllers are calculated and programmed on the microcontroller used throughout the project, boosting the fish’s growth and reproduction. Resumo. Neste artigo é apresentado o desenvolvimento de técnicas de controle em malha fechada, visando a otimização da produção de peixes em cativeiro por meio do controle de temperatura da água onde eles estão situados. Vê-se que muitas técnicas rudimentares são aplicadas em tal meio, que circula grandes quantias de dinheiro, 2,02 bilhões apenas em 2013, de acordo com o IBGE. No projeto em questão, tem-se automação do processo por meio de microcontroladores, sensores e atuadores. Com a modelagem dos sistemas fı́sicos que descrevem a dinâmica da temperatura da água, compensadores digitais são calculados e, então programados no microcontrolador utilizado ao longo do projeto, potencializando o crescimento e reprodução dos peixes. 1. Introdução A automação está presente em diversos segmentos, sendo possı́vel verificar sua utilização em grande escala na agricultura. De acordo com [A. Alvarenga 2014], através de sensores, atuadores e algoritmos computacionais, consegue-se aumento na prosperidade de cultivos, além de possibilitar economia de água, visto que, no Brasil, cerca de 72% desse recurso é usado para tal finalidade [C. Cremasco 2015]. Atualmente, vê-se que vários projetos sobre tanques voltados para a piscicultura são estudados, como pode ser visto em [A. Cardoso 2016] e [M. Mallasen 2012]. Isso pode ser explicado pela necessidade de otimizar a produção de peixes, buscando seu crescimento e reprodução máximos em um tempo mı́nimo. Há diversos estudos acerca do controle de temperatura da água em ambientes fechados, o que pode impactar diversas áreas, como em técnicas de reversão sexual dos peixes. Para maiores detalhes, veja [A. Correia 2006]. Quando se deseja controlar um sistema, uma das formas mais eficazes é colocá-lo em malha fechada com um compensador. Tendo um controlador projetado de forma adequada, garante-se estabilidade, robustez a variação de parâmetros do modelo do sistema e atenuação do efeito de ruı́dos [R. Dorf 2009]. Os controladores PID são constituı́dos de três ações: proporcional, integral e derivativa, sendo que as três em conjunto garantem caracterı́sticas de regime transitório e estacionário desejadas [Ogata 2010]. Na agricultura, tal estratégia é muito utilizada para controlar a temperatura de ambientes fechados, evitando variações climáticas muito acentuadas [O. Santos 2017]. Neste artigo, propõe-se um sistema de tanques voltados para piscicultura que, a partir de controladores PID’s, consiga levar a temperatura da água para 28◦C, ideal para as tilápias [Abrunhosa 2011], que, de acordo com [M. Bandeira 2017], é a espécie mais produzida no paı́s. Para tanto, trata-se, ao longo do texto, sobre a modelagem matemática dos tanques, projeto de compensadores discretos no tempo para os mesmos e sobre os melhores atuadores e sensores para a construção de um protótipo onde os estudos podem ser testados e validados. 2. Trabalhos Relacionados Recentemente, verifica-se uma grande evolução no desenvolvimento de aplicativos que auxiliam no monitoramento dos ambientes aquáticos, onde técnicas de controle são aplicadas. Por meio de softwares, é possı́vel identificar e analisar se as grandezas estão com grau de controle satisfatório ou se alguma ação corretiva deve ser tomada. De acordo com [G1 ], a tecnologia vem ganhando cada vez mais espaço entre os piscicultores, pois “em vez de percorrer os tanques com pranchetas na mão, os tratadores agora levam tablets ”e “programas de computador e aplicativos ajudam no planejamento da criação ”. Dentre as empresas que inserem tecnologia na aquicultura, é possı́vel destacar a Aquiculture Production Technology Ltd. Ela atua em 30 paı́ses de 5 continentes e realiza todas as etapas de projeto, como controle de temperatura, pH, quantidade de amônia, claridade da água, etc. Em relação aos novos estudos sobre inserção tecnológica no meio da piscicultura, os mais relevantes estão sendo realizados na Europa e América do Norte. Este último, realizado no Canadá, planeja integrar as áreas de aquicultura, agricultura e energia renovável, sendo necessárias tecnologias vindas da Alemanha, Canadá e Israel. 3. Desenvolvimento Os peixes são animais pecilotérmicos [P. Rebouças 2014], logo sua temperatura corporal varia de acordo com o ambiente em que estão submetidos, o que pode acarretar diversas consequências indesejadas em seu cultivo. De acordo com [A. Ostrensky 1998] “quando a temperatura da água varia, todo metabolismo do peixe é afetado. Em temperaturas mais altas, os peixes de clima quente comem mais, ficam mais ágeis, crescem mais; quando a temperatura cai, os peixes deixam de comer e diminuem bastante seu ritmo biológico ”. Dentre as diversas variáveis que influenciam na qualidade da água e impactam no desenvolvimento dos peixes além da temperatura, é possı́vel citar: pH, oxigênio dissolvido, amônia, transparência da água, etc.[Kubitza 2011]. O funcionamento do sistema de tanques proposto segue a seguinte metodologia: tem-se água separada em três reservatórios distintos, em que no primeiro a água é controlada a 35◦C, no segundo a 28◦C e no terceiro, o fluido está na temperatura ambiente. A água que possui maior quantidade de calor (setas vermelhas) é bombeada sempre na parte inferior da planta, favorecendo as trocas de calor por convecção devido à sua densidade inferior [S. Vilar 2010], conforme Figura 1. Já as setas azuis representam a água com menor quantidade de calor, possuindo maior densidade. Caso o tanque 2 (local onde os peixes são posicionados) necessite adquirir calor, o mesmo recebe água do primeiro reservatório; caso necessite diminuir sua temperatura, recebe água do tanque 3. Figura 1. metodologia de circulação da água Para realizar a medição de temperatura, usa-se o sensor DS18B20, que trabalha de -55◦C a 125◦C, possui resolução de 0,25◦C e um tempo de conversão de temperatura de 187,5 milissegundos (dados obtidos a partir do datasheet do produto). Já para possibilitar que os tanques forneçam água um para o outro, são usadas 4 bombas do modelo Brushless DC Pump, que possuem tensão de trabalho de 12 V e corrente nominal de 0,35 A; suas vazões máximas são de 60 ml por segundo. Para acionálas, utiliza-se o módulo de ponte H-L298N, visto que o mesmo consegue alimentá-las com valores de 0V a 12V, de acordo com tensão aplicada em uma de suas entradas. O princı́pio usado para controlar a vazão de saı́da das bombas é o PWM, em que a entrada da ponte H recebe 0V ou 5V com determinada largura de pulso, possibilitando que em sua saı́da tenha o valor correspondente com a mesma largura de pulso, porém com sinais de 0V ou 12V. Variando o perı́odo em que o sinal de saı́da do microcontrolador está em nı́vel lógico alto, tem-se uma faixa de tensão recebida pelas bombas (de 0V a 12 V), a partir de um sinal digital [N.Tomazio 2017]. O atuador presente no tanque 1 é uma resistência elétrica, que possui potência de 4000 W e tensão nominal de 220 V. Para seu acionamento, foi utilizado um relé de estado sólido do tipo SSR-25, que pode chavear tensões entre 24 e 380 V AC, sendo acionado apenas por 3 V DC. 3.1. Modelagens Para o tanque 1, tem-se o seguinte cenário: a resistência elétrica cede determinada quantidade de calor por unidade de tempo (J/s), sendo que tal grandeza é absorvida pela água ou perdida por convecção entre as paredes do tanque e o meio, que se encontra em uma temperatura mais baixa, situação representada pela Equação 1. Destaca-se que os tanques são de vidro, material que possui baixa condutividade térmica, reduzindo as perdas de calor. Pres = Q̇absorvido + Q̇convecçao (1) onde Pres representa a potência da resistência (Watts), Q̇absorvido o calor absorvido pela água por segundo (J/s) e Q̇convecçao o calor perdido por convecção para o meio (J/s). Da Equação (1), pode-se chegar a Equação (2). Pres = m1.C. δT δt + har.A.(Tp − Tf ) (2) onde m1 representa a massa de água presente no tanque 1 (Kg), har o coeficiente de convecção do ar (5-30 W m2.K ), A é a área total do tanque (m), Tp a temperatura da superfı́cie de vidro (◦C ou K), Tf a temperatura ambiente (◦C ou K) e C o calor especı́fico da água (J/Kg.◦C); Aplicando a Transformada de Laplace na Equação (2), tem-se a Equação (3): T (s) Pres = 1 har.A m1.C har.A s+ 1 (3) O processo de obtenção das equações que descrevem a dinâmica do tanque 2 se dá de forma similar à vista acima. Conforme já citado, a energia absorvida pela água nesse recipiente advém da água aquecida pela resistência elétrica, Equação (4). Q̇q = Q̇2 + Q̇conveccao2 (4) onde Q̇q representa a quantidade de calor cedida pela água quente por segundo (J/s), Q̇2 a quantidade de calor absorvida pela água do tanque 2 por segundo (J/s) e Q̇conveccao2 é a quantidade de calor perdida pelo tanque 2 por convecção para o meio (J/s). Da Equação (4) pode-se inferir a Equação (5): Q̇q = m2.C. δT δt + har.A2.(Tp2 − Tf ) (5) onde m2 é a massa de água presente no tanque 2 (Kg), A2 representa a área da região de contato entre água e ar (m) e Tp2 é a temperatura da água presente no tanque 2 (◦C ou K); Aplicando a Transformada de Laplace na Equação (5), tem-se a seguinte função de transferência: T (s) Q̇q = 1 har.A2 m2.C har.A2. s+ 1 (6) Conforme pode ser verificado nas Equações (3) e (6), a modelagem dos tanques está em função das variáveis que influenciam no processo. Esse procedimento