Implementação de técnicas de controle em um forno convencional adaptado ao processo de torra de malte

Abstract

O crescimento na área das pequenas cervejarias e a ideia da produção de cerveja como hobby (homebrewing) vem crescendo cada vez mais desde a década de 1980. Com o aumento e as mudanças no consumo e na produção de cervejas artesanais, a inovação tecnológica e a automação de processos tornam-se fatores importantes para a redução de custos e aumento de produtividade. Dentre os componentes de uma cerveja está seu malte, fundamental para a fermentação alcoólica, além de aderir aromas e sabores singulares para a cerveja conforme o tipo de malte. Durante o processo de malteação da cevada, ocorre a germinação controlada dos grãos, a fim de que as enzimas necessárias para a quebra dos amidos se desenvolvam. A etapa final do processo de malteação envolve a secagem dos grãos, que são submetidos por diferentes períodos de tempo a temperaturas específicas para cada tipo de malte, conforme a receita que o cervejeiro deseja utilizar. Sendo a temperatura ao longo do processo de malteação um parâmetro de grande relevância, surge a necessidade de se estabelecer uma estratégia de controle para assegurar a qualidade final do malte e da cerveja como um todo. Dada sua simplicidade, os controladores PID (proporcional integral derivativo) são utilizados por grande parte da indústria oferecendo maior desempenho em diversas áreas da tecnologia. Contudo, dado o fato dos controladores PID serem controladores lineares, existem casos onde eles acabam não atingindo um desempenho ideal, com fatores como a faixa de variação de parâmetros e o tempo de operação impactando negativamente na performance do controlador. Para solucionar as imperfeições dos controladores clássicos, bem como elevar cada vez mais o desempenho de uma planta controlada, foram desenvolvidas ao longo dos anos diversas técnicas de controle. Dentre estas estratégias de controle, o presente trabalho busca analisar e comparar o desempenho do controlador PID com o controlador por Lógica Fuzzy. Utilizando um forno convencional adaptado ao processo de secagem de malte, foram implementadas estas duas técnicas para o controle de temperatura, destacando a eficiência de cada controlador para aplicação em planta real. Utilizou-se o software LabVIEW (National Instruments) como plataforma de controle e sistema supervisório, tornando possível ao usuário definir qual estratégia de controle e quais parâmetros utilizar para determinado tipo de malte em uma mesma interface. A partir da análise dos ensaios realizados, pode-se confirmar que ambas as técnicas de controle analisadas, PID e Fuzzy, atenderam aos requisitos mínimos que se esperam de um controlador de temperatura para o processo de torra de grãos. O controlador Fuzzy se destacou por apresentar menores valores de sobressinal e menor oscilação de temperatura, quando em regime permanente.

The growth in small brewer industry and the idea of brewing as a hobby (homebrewing) has been increasing more and more since the 1980s. The increase and the change of how people consume and produce beers, make technological innovation and process automation become important factors in reducing costs and increasing productivity. Among their components, the malt is essential for alcoholic fermentation, besides adjoining aromas and unique flavors for beer according to different types of malt. In the barley malting process, occurs the controlled grain germination, so that the enzymes necessary for the breaking of the starches to develop. The final stage for the malting process involves kilning the grains, which are submitted for different periods of time to specific temperatures in each type of malt, according to brewer’s recipe and preferences. Since the temperature during on malting process is a parameter of great relevance, becomes important to establish a control strategy that ensures the malt quality. Being a simple solution, PID controllers are used by great part of the industry to bring high performance in many areas of technology. However, given the fact that PID controllers are linear controllers, there are cases where they end up not achieving optimal performance, with factors such as the range of parameters variation and the operating time negatively impacting the controller performance. In order to solve those classic controllers’ imperfections, as well as to increase more and more the performance of a controlled plant, several control techniques have been developed over the years. Among these control strategies, the present work analyzed and compared the performance of the PID controller with the Fuzzy Logic Controller. Using a conventional oven adapted to the malt kilning process, these two techniques were implemented for temperature control, highlighting the efficiency of each controller for real application. LabVIEW software (National Instruments) was used as a control platform and supervisory system, making possible for the user to define which control strategy and which parameters can be used in the same interface. From the analysis of the performed tests, it can be confirmed that both the control techniques, PID and Fuzzy, have met the minimum requirements that are expected from a temperature controller for the grain roasting process. The Fuzzy controller was characterized by lower values of overshoot and lower temperature oscillation, when in steady state.