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 5 AULA 1 Estudo de Caso 1 Sistema automático de alimentação de biomassa em um gaseificador para processos industriais Solução simplificada 1 INTRODUÇÃO Este curso tem como objetivo apresentar desenvolver e discutir problemas práticos de controle e automação para processos agrícolas e industriais Dessa forma são aplicadas as ideias e temas discutidos nos módulos básico intermediário e avançado dessa pósgraduação Para isso serão realizados estudos de caso envolvendo processos agrícolas e industriais que irão familiarizar o estudante com os desafios e soluções ao aplicar o conhecimento científico em campo Serão expostas duas abordagens para cada um dos problemas práticos uma básica e com rasa investigação na física do processo utilizando sensores e atuadores com funcionamento simples para tratar o sinal de controle do sistema e outra abordagem mais aprofundada utilizando instrumentos modernos para gerar a ação de controle e aplicar os conceitos de controle clássico modelagem e sistemas inteligentes 2 SISTEMA AUTOMÁTICO DE ALIMENTAÇÃO DE BIOMASSA EM UM GASEIFICADOR PARA PROCESSOS INDUSTRIAIS O primeiro objeto de estudo que vamos utilizar é a automatização da alimentação de biomassa em um gaseificador Explicando de forma sucinta gaseificadores de biomassa são conversores termoquímicos capazes de transformar biomassa eg carvão madeira rejeitos combustíveis em gás combustível geralmente H2 e CO hidrogênio e monóxido de carbono A Figura 1 apresenta o esquema de um gaseificador de biomassa 6 Figura 1 Partes e processos de um gaseificador de biomassa 1 O processo de transformação ocorre em cinco etapas distintas secagem pirólise combustão craqueamento e redução Entretanto para o propósito desta disciplina é apenas importante dizer que a biomassa entra no gaseificador pelo funil de biomassa sofre oxidação parcial reação à alta temperatura geralmente de 800 a 1000C com entrada controlada de oxigênio para não haver combustão têm os gases oriundos dessa oxidação levados a um filtro para remoção do particulado suspenso e por fim obtémse o gás de síntese H2 e CO que pode ser usado tanto para gerar calor mover um gerador eletromecânico ou ser transformado e armazenado como combustíveis gasosos ou líquidos Como vantagens os gaseificadores apresentam i a independência dos combustíveis fósseis diversificando a matriz energética ii a possibilidade de fornecer energia elétrica em pequenas comunidades ou em propriedades agroindustriais isoladas iii a conversão de rejeitos em energia limpa oferecendo ganhos econômicos e ambientais Ademais todas essas vantagens são potencializadas com a adição de tecnologia e automação ao processo promovendo otimização de recursos e 7 aumento de produtividade Assim um sistema automático para o abastecimento de biomassa se faz necessário evitando interrupções no processo de gaseificação e por consequência no de geração de energia a Processo a ser automatizado O texto daqui em diante acompanha a elaboração de um sistema automático de alimentação de biomassa conforme proposto em 2 no trabalho intitulado Sistema automático de alimentação de biomassa em um gaseificador de fluxo concorrente além dos trabalhos 3 4 Para isso construiuse um sistema mecânico de transporte e armazenamento da biomassa conforme apresentado na Figura 2 composto de um silo de armazenagem uma correia transportadora com calha Figura 3 e uma porta para abertura e fechamento do gaseificador Figura 4 O funcionamento pretendido com o sistema é claro alimentar o gaseificador de forma contínua não sendo necessária a interrupção do processo para realimentar o reator Conforme apontado na Seção 1 duas soluções de automação serão apresentadas uma simplificada Aula 1 e outra avançada Aula 2 É importante frisar que essas soluções podem diferir das apresentadas em 2 em acordo com o que é relevante para este curso Figura 2 Esquema geral do sistema mecânico desenvolvido 2 Figura 3 Correia transportadora 2 8 Figura 4 Sistema de abertura e fechamento do gaseificador 2 3 SOLUÇÃO SIMPLIFICADA As soluções de automação para a alimentação do gaseificador em questão se dividem em três tópicos centrais a verificação do nível de biomassa dentro do silo de armazenagem e do reator b acionamento da correia transportadora e c abertura e fechamento do reator Dessa forma sensores de presença foram instalados no silo de armazenagem e no reator a fim de verificar o volume de biomassa disponível para reabastecimento e geração de energia Em adição motores foram acoplados à correia transportadora e porta do reator tornando possível o acionamento elétrico de ambos A solução simplificada proposta consiste em permitir que o operador manipule o sistema de alimentação de biomassa em dois modos operacionais manual e automático No modo manual o operador poderá acionar as saídas do sistema eg porta do reator correia transportadora por meio de botões e chaves em um painel de comandos elétricos Já no modo automático o operador com uma chave irá dar início ao processo e este irá se desenrolar de forma automática podendo o operador por segurança sobrepor os processos automáticos utilizando botões e chaves No modo automático o sistema deverá medir os níveis de biomassa no silo de armazenagem e no reator de forma que quando o nível no reator estiver mínimo e houver biomassa suficiente no silo de armazenagem a porta do reator será aberta e com isso a correia transportadora seja acionada 4 REALIZAÇÃO DA AUTOMAÇÃO 41 Verificação do nível de biomassa dentro do silo de armazenagem e do reator A instrumentação do silo de armazenagem foi realizada com dois pares de sensores óticos de barreira Figura 5 modelo METALTEX M18 instalados em duas alturas diferentes do silo baixo e alto Esses sensores funcionam como um par emissorreceptor de luz fazendo com que assim que haja biomassa entre eles o feixe de luz é interrompido gerando a mudança no sinal digital entregue pelo sensor Figura 6 A instalação no silo desses dois pares de sensores pode ser vista na Figura 7 já uma vista interna do silo de armazenagem é exibida na Figura 8 9 Figura 5 Sensor ótico de barreira 2 Figura 6 Funcionamento dos sensores barreira 2 Figura 7 Instrumentação do silo de armazenagem 2 10 Figura 8 Vista interna do silo de armazenagem 2 Apesar de diferir do proposto em 2 será adotado também sensores do tipo barreira para medição do nível dentro do reator gerando sinais discretos baixo e alto para o nível de biomassa dentro do reator 42 Acionamento da correia transportadora Para o funcionamento da correia transportadora um motor de 1 CV foi utilizado acoplado a uma caixa de redução de velocidade gerando a força motriz necessária para levar a biomassa do silo de armazenamento até o reator Um contator foi utilizado para realizar o acionamento elétrico do motor A Figura 9 traz os componentes utilizados para o acionamento elétrico da correia transportadora Já a Figura 10 exibe a biomassa sendo transportada pela correia até o reator Figura 9 Componentes de tração e movimento da correia transportadora 2 11 Figura 10 Correia transportadora levando biomassa ao reator 2 43 Abertura e fechamento do reator A recarga do reator é feita pela porta que corre em sua parte superior utilizando um fuso de rosca acoplado a um motor monofásico para realizar a abertura e o fechamento da porta Chaves de fim de curso foram instaladas de forma a detectar a abertura e fechamento completo do reator O sistema pode ser visto nas Figuras 4 e 11 e as chaves de fim de curso na Figura 12 Figura 11 Vista lateral e superior do sistema de abertura e fechamento do reator 2 12 Figura 12 Chaves fim de curso do tipo normalmente aberta 44 IMPLEMENTAÇÃO DA AUTOMAÇÃO De posse dos sistemas foi possível construir o painel de acionamentos e comandos elétricos responsável por realizar a automação para alimentação do gaseificador seguindo a solução apresentada na Seção 22 As Tabelas 1 e 2 apresentam um resumo das variáveis de entrada e saída presentes no sistema bem como os dispositivos elétricos que são utilizados para gerar o sinal de comando Cada uma das entradas quando em estado ligado entrega um sinal elétrico de 24V chaveando os contatores de comando para realizar as automações A Figura 13 mostra o diagrama de comandos elétricos utilizado para executar essas automações sendo esse diagrama construído utilizando o software CADe SIMU para mais informações consultar a disciplina ELT 548 Controladores Lógico Programáveis Em adição acessando o arquivo Comandoelétricocorreiatransportadoracad no PVANET o estudante poderá acompanhar e testar em tempo real a solução apresentada TABELA 1 RESUMO DAS ENTRADAS UTILIZADAS Entradas Dispositivo elétrico Descrição do funcionamento DI1 Chave gangorra Executa o modo automático chave ligada ou modo manual chave desligada DI2 Chave gangorra Aciona a correia transportadora manualmente DI3 Botoeira Abrefecha a porta do reator manualmente DI4 Botão de Retenção Figura 14 Desliga todo o sistema ação de emergência DI5 Chave fim de curso NA Indica que a porta do reator está aberta DI6 Chave fim de curso NA Indica que a porta do reator está fechada DI7 Sensor de barreira Indica nível baixo de biomassa no silo DI8 Sensor de barreira Indica nível alto de biomassa no silo DI9 Sensor de barreira Indica nível baixo de biomassa no reator DI10 Sensor de barreira Indica nível alto de biomassa no reator TABELA 2 RESUMO DAS SAÍDAS UTILIZADAS Saídas Dispositivo elétrico Descrição do funcionamento DO1 Contator 24V Aciona o motor da correia transportadora DO2 Relé de estado sólido 24V Figura 15 Aciona o motor para abrir o reator DO3 Relé de estado sólido 24V Aciona o motor para fechar o reator 13 Figura 13 Diagrama de comandos elétricos realizado no software CADe SIMU Note que todos os sensores estão no diagrama como chaves de retenção para facilitar a experiência de quem for testar a simulação BOTÕES DE RETENÇÃO Os botões de retenção para emergência têm contato normalmente fechado NF que muda de estado ao ser pressionado travando na posição normalmente aberto NA por segurança Assim que é corrigida a condição de emergência e se deseja retomar o processo fazse o destravamento do botão e retorno para NF girando o seu topo Figura 14 Botões de retenção utilizados para emergência 14 RELÉS DE ESTADO SÓLIDO Os relés de estado sólido são acionados exatamente da mesma forma que relés comuns alterando de seu estado inicial assim que uma tensão é aplicada em seus terminais por exemplo indo de normalmente aberto para normalmente fechado A diferença nos relés de estado sólido é o princípio de funcionamento utilizado Diferentemente dos convencionais que utilizam força magnética e partes metálicas móveis os relés de estado sólido utilizam material semicondutor e chaveamento semelhantes a transistores Como vantagens relés de estado sólido apresentam chaveamento muito mais rápido e sem o desgaste das partes móveis chaveamento silencioso sem possível faiscamento e não são sensíveis a campos magnéticos externos ou choquevibração mecânica A Figura 15 traz uma montagem convencional de um relé de estado sólido Figura 15 Relé de estado sólido 5REFERÊNCIAS 1 ALL POWER LABS How Gasification Works Disponível em httpwww allpowerlabscomgasificationexplained Acesso em 31 de março de 2019 2 RESENDE MO Sistema automático de alimentação de biomassa em um gaseificador de fluxo concorrente Dissertação Mestrado em Engenharia Agrícola Universidade Federal de Viçosa Minas Gerais 2016 3 BARBOSA RC MARTINS MA DALÓLIO FS RESENDE MO SILVA JN VANEGAS JDB AUTOMATIC CONTROL OF PRIMARY AIR IN BIOMASS GASIFICATION EXPERIMENTAL STUDY 13th International Conference on Energy for a Clean Environment 2017 São Miguel Azores Anais 13th International Conference on Energy for a Clean Environment 2017 4 RESENDE MO BARBOSA RC DALOLIO FS MARTINS MA SILVA JN AUTOMATIC BIOMASS FEEDING FOR A DOWNDRAFT GASIFIER 13th International Conference on Energy for a Clean Environment 2017 São Miguel Azores Anais da 13th International Conference on Energy for a Clean Environment 2017