Sistemas de Automação Agrícola e Industrial

1 Daniel KhéDe DouraDo Villa SISTEMAS DE AUTOMAÇÃO AGRÍCOLA E INDUSTRIAL AGRÍCOLA E INDUSTRIAL 2 Autor Daniel Khéde Dourado Villa Layout Taiane Souza Editoração Eletrônica Adriana Freitas Edição de conteúdo e CopyDesk João Batista Mota Diretora Silvane Guimarães Silva Gomes Campus Universitário 36570000 ViçosaMG Telefone 31 3899 2858 Fax 31 3899 3352 Universidade Federal de Viçosa Reitora Nilda de Fátima Ferreira Soares ViceReitor João Carlos Cardoso Galvão 3 Significado dos ícones da apostila Para facilitar o seu estudo e a compreensão imediata do conteúdo apresenta do ao longo de todas as apostilas você vai encontrar essas pequenas figuras ao lado do texto Elas têm o objetivo de chamar a sua atenção para determinados trechos do conteúdo com uma função específica como apresentamos a seguir Textodestaque são definições conceitos ou afirmações importantes às quais você deve estar atento Glossário Informações pertinentes ao texto para situálo melhor sobre determinado autor entidade fato ou época que você pode desconhecer SAIBA MAIS Se você quiser complementar ou aprofundar o conteúdo apresentado na apostila tem a opção de links na internet onde pode obter vídeos sites ou artigos relacionados ao tema Quando vir este ícone você deve refletir sobre os aspectos apontados relacionandoos com a sua prática profissional e cotidiana Ì a Ñ Õ AULA 4 38 AULA 4 Estudo de Caso 2 Automação de um sistema condicionador de ar aplicado a processos de secagem e armazenagem de produtos agrícolas Solução avançada 1 INTRODUÇÃO Nas próximas seções será dado seguimento a automação do condicionador de ar aplicado a processos de secagem e armazenagem Serão propostos novos acionamentos e funcionalidades para o condicionador em uma dita solução avançada de automação 2 SOLUÇÃO AVANÇADA Como solução avançada uma malha para o controle da velocidade do ar de saída foi adicionada ao sistema bem como novas funcionalidades para o controle de temperatura e umidade relativa Para temperatura um laço de comando agora verifica se a temperatura do ar está muito elevada e se estiver o sistema de resfriamento de água da piscina é acionado Para umidade relativa um sensor adicional verifica a temperatura da água da piscina desligando o sistema de resfriamento caso haja risco de a água congelar Adicionalmente uma interface homemmáquina foi implementada exibindo o comportamento das variáveis de secagem ao longo do tempo 21 Malha de controle da temperatura A malha de temperatura funciona de forma similar à apresentada na Figura 10 da Aula 3 sendo acrescida a rotina de acionar o sistema de resfriamento da água da piscina caso a temperatura do ar de saída do condicionador esteja 10C acima do valor desejado Note que ao percorrer a zona de névoa da câmara II é esperado que o ar chegue à câmara III com temperatura muito próxima à da água da piscina Assim justificase a ação de resfriar a água com finalidade de reduzir a temperatura do ar de secagem Ademais o valor 39 limite superior de 10C foi escolhido arbitrariamente evitando que essa ação gere maiores distúrbios na ação do controlador PI de temperatura 22 MALHA DE CONTROLE DA UMIDADE RELATIVA De forma análoga ao controle de temperatura a malha de umidade relativa também opera conforme apresentado na Figura 11 da Aula 3 com o acréscimo de um sensor modelo SB41 da Full Gauge Controls para medir a temperatura da água da piscina nas câmaras I e II Figura 1 Figura 1 Sensor de temperatura SB41 da Full Gauge Controls Como a redução da umidade relativa é realizada com o resfriamento da água da piscina há o risco de resfriamento excessivo e a água congelar Assim caso a temperatura esteja abaixo de 5C o sistema de resfriamento é desligado por 5 minutos O sensor foi instalado com sua ponta de prova imersa na água da piscina e teve seus contatos de saída instalados no CLP entregando um sinal analógico de tensão com conversão para temperatura seguindo a mesma equação do sensor SB56 T ºC 8936 2225 x tensão V 23 Malha de controle da velocidade do ar Com o intuito de operar a velocidade do ar também sob regime de malha fechada um sensor do tipo anemômetro de pás foi construído a partir de um cooler comercial para processadores domésticos Como esses coolers têm tacômetros por sensor hall para medir o número de rotações por minuto RPM que as hélices estão girando foi realizada uma adaptação para fazer com que o giro das hélices seja provocado pelo ar de secagem e não pelo motor DC existente no equipamento Dessa forma os sinais digitais do tacômetro um sinal alto para cada giro completo das hélices foram lidos pelo CLP realizando a contagem de pulsos por minuto utilizando um bloco contador Para calibrar a equivalência entre a quantidade de pulsos por minuto e metros por segundo de velocidade do ar foi utilizado um anemômetro de fio quente modelo FMA 900 da Omega A instalação do cooler no duto de saída como sensor de velocidade do ar de secagem pode ser vista na Figura 2 enquanto o anemômetro de fio quente usado para calibração e a curva de calibração estão expostos na Figura 3 Figura 2 Sensor de velocidade do ar instalado no duto de saída do ar 40 Figura 3 Anemômetro de fio quente FMA 900 da Omega esq e curva de calibração obtida dir convertendo velocidade do ar em RPM Por meio de blocos matemáticos a equivalência de RPM x velocidade de ar pôde ser inserida no CLP VelArms 098 00015 x RPM e um inversor de frequência modelo 15L23A da Delta foi utilizado para aumentarreduzir a frequência de trabalho entregue ao motor do exaustor aumentando reduzindo sua rotação Uma malha PI foi empregada para fazer o ajuste entre o valor desejado e atual da velocidade do ar conforme mostrado na Figura 4 A comunicação entre o CLP e o inversor foi realizada utilizando o protocolo de comunicação MODBUS implementada conforme consta no manual de ambos produtos Figura 4 Malha de controle da velocidade do ar 24 Implementação da automação Realizados todos os sistemas referentes ao controle das variáveis de temperatura umidade relativa e velocidade do ar de secagem um painel completo de ligação foi elaborado contendo os elementos de proteção e acionamento necessários para a automação eg disjuntores motor relés térmicos contatores disjuntores vistos na Figura 5 Uma vez que sensores adicionais foram instalados na solução avançada a Tabela 1 apresenta as entradas atualizadas utilizadas na automação do condicionador 41 Figura 5 Painel de ligação e comandos elétricos utilizado TABELA 1 RESUMO DAS ENTRADAS UTILIZADAS Entradas Dispositivo elétrico Descrição do funcionamento I01 Botoeira Liga e desliga o sistema I02 Botão de retenção girar para destravar Desliga todo o sistema emergência A01 Sensor analógico de temperatura Indica a temperatura do ar de saída A02 Sensor analógico de umidade relativa Indica a umidade relativa do ar de saída A03 Sensor analógico de temperatura Indica a temperatura da água da piscina Com a finalidade de agrupar toda a lógica de acionamento para as diversas cargas automatizadas do condicionador um fluxograma de funcionamento foi elaborado facilitando a compreensão do estudante a respeito da atuação das cargas em função dos diferentes estados que o ar de secagem possa se encontrar O fluxograma é apresentado na Figura 6 42 Figura 6 Fluxograma de funcionamento para o condicionador automatizado 43 Note neste fluxograma que lógicas de segurança foram implementadas no código do CLP interrompendo o processo caso haja mal funcionamento dos componentes do sistema O processo se encerra então i no caso de falha de acionamento de alguma carga situação verificada pelos contatos auxiliares dos contatores ii no caso de interrupção do fluxo de ar ou falha no sensor de velocidade observados pela leitura nula do sinal do sensor e iii se o sistema não for capaz de obter os valores desejados do ar de secagem em um dado intervalo de tempo Além dessas um sistema nobreak foi instalado para evitar que o processo seja interrompido por pequenas quedas de energia 25 INTERFACE HOMEMMÁQUINA IHM Uma interface homemmáquina atuando como sistema supervisório foi implementada mostrando ao operador os valores desejados e os valores atuais das variáveis de secagem possibilitando o monitoramento do desempenho do secador A interface foi criada utilizando o software Elipse SCADA e sua tela de monitoramento a única que um operador sem privilégios de administrador pode acessar está exibida na Figura 7 Figura 7 Tela de monitoramento do sistema supervisório Note que essa tela apresenta ao operador o estado atual das variáveis de secagem assim como o comportamento das variáveis PID e PWM que atuam na malha de temperatura do condicionador além das variáveis RPM e Frequência que atuam na malha de velocidade para controlar o exaustor 26 Limites de funcionamento preestabelecidos Com a finalidade de validar a automação do condicionador de ar diversos valores desejados foram testados mas foram selecionados dois deles para demonstração Na Figura 8 é possível visualizar a evolução temporal do ar de secagem para os seguintes valores desejados 44 Setpoint 1 Temperatura 70C UR 5 Velocidade do ar 25 ms Setpoint 2 Temperatura 55C UR 55 Velocidade do ar 32 ms Figura 8 Evolução temporal das variáveis de secagem para dois valores desejados Assim o condicionador automatizado foi capaz de alcançar os valores desejados dentro do tempo estipulado máximo de 120 minutos ver fluxograma No entanto em função da potência e dimensão dos elementos trocadores de calor existem limites que esse condicionador pode operar Controlando isoladamente cada uma das variáveis de secagem os limites operacionais encontrados para o equipamento são Temperatura 30º a 70C 25C Umidade Relativa 5 a 55 5 Velocidade do ar 16 a 32 ms 01 ms Com o objetivo de encontrar os limites operacionais ao manipular de forma simultânea as variáveis de secagem utilizouse o procedimento de manter uma das variáveis fixada em um limite inferior ou superior e ir variando as demais Os resultados obtidos após a realização de diversos ensaios estão expostos nas Figuras 9 10 e 11 apresentando as regiões controláveis do condicionador para três diferentes velocidades do ar Figura 9 Região de controle para velocidade de 16 ms 45 Figura 10 Região de controle para velocidade de 24 ms Figura 11 Região de controle para velocidade de 32 ms Nas Figuras 9 10 e 11 é possível notar que a região de controle reduz ao aumentar a velocidade do ar o que é esperado uma vez que maior velocidade do ar significa maior exigência dos elementos trocadores de calor