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 15 AULA 2 Estudo de Caso 1 Sistema automático de alimentação de biomassa em um gaseificador para processos industriais Solução avançada 1 INTRODUÇÃO Nas próximas seções será dado seguimento à automação do sistema de alimentação automático de um gaseificador de biomassa propondo novos acionamentos e funcionalidades para o alimentador em uma dita solução avançada de automação 2 SOLUÇÃO AVANÇADA Como solução avançada um Controlador Lógico Programável CLP foi implementado para automação promovendo novas funcionalidades e maior autonomia uma vez que as lógicas por contato são realizadas por um microprocessador e não por contatores sujeitos à desgaste e falhas mecânicas As novas funcionalidades introduzidas foram i acionamentos também por temporizadores proporcionando um funcionamento mais estável e confiável o que é importante ao se pensar em usar o gaseificador como fonte contínua de energia elétrica ii substituição dos sensores barreira para leitura de nível no reator por uma célula de carga uma vez que o CLP é capaz de fazer leitura de sinais analógicos eg 0 a 5 V tornando o nível do reator uma variável contínua ao invés de discreta iii uma interface homemmáquina possibilitando o acompanhamento em tempo real da planta leitura do histórico de geração de energia leitura de alarmes entre outras funções O CLP utilizado para realizar a automação foi o PLC300 da WEG montado em uma caixa hermética conforme mostra a Figura 1 16 Figura 1 Quadro de comando do sistema de automação 1 21 Realização da automação Para a solução avançada a análise será feita sobre os mesmos tópicos centrais propostos na Seção 22 da Aula 1 que são 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 211 Verificação do nível de biomassa dentro do silo de armazenagem e do reator A leitura do nível dentro do silo de armazenagem segue sendo executada da mesma forma por meio de sensores barreira sendo modificado apenas a leitura de biomassa dentro do reator Uma célula de carga modelo ICS do tipo beam da IWM com capacidade de carga de 1 uma tonelada foi instalada na base do reator conforme pode ser visto nas Figuras 2 e 3 Figura 2 Célula de carga utilizada Figura 3 Montagem da célula de carga abaixo do reator 1 17 Para realizar a calibração da célula de carga instalada o reator foi esvaziado completamente e posteriormente adicionouse biomassa até o reator atingir o nível máximo Durante as inserções de biomassa os sinais analógicos de saída entregues pela célula de carga foram anotados sendo utilizados por fim para o levantamento de uma curva de calibração para a célula de carga convertendo o sinal eletrônico de saída do sensor em quilogramas A curva obtida está ilustrada na Figura 4 Figura 4 Curva de calibração para a célula de carga 1 De posse da curva de calibração essa pôde ser inserida no CLP utilizando blocos matemáticos permitindoo converter a tensão analógica lida em seus terminais para uma leitura de biomassa em quilos Em sequência foram definidos como nível mínimo e máximo do reator os valores 10 e 34 kg de biomassa sendo o nível mínimo obtido de forma a não esvaziar o reator completamente e o nível máximo obedecendo às limitações físicas do reator BLOCOS MATEMÁTICOS E BLOCOS COMPARADORES É muito comum CLPs serem utilizados para a automação de sistemas que contenham o princípio de funcionamento da planta dos atuadores ou dos sensores descritos por alguma equação de 1ª ou 2ª ordem Assim tornase interessante que o dispositivo seja capaz de realizar algumas operações matemáticas básicas como acionar uma saída quando a leitura de um sensor analógico for maior ou igual que um certo limite apresentar em um display o valor de uma leitura com algum fator de escala seja para ajuste de unidades de medida ou offset dos dados ou até combinar dois sinais utilizando soma e multiplicação para implementação das curvas do processo na memória do CLP Para proporcionar essa capacidade de combinar dados numéricos com lógicas de comando a maioria dos CLPs tem os chamados blocos matemáticos e blocos comparadores Esses blocos poderão manipular os dados presentes na memória do CLP eg leituras de variáveis analógicas valor atual da contagem de contadores e temporizadores valores de setpoint desejados inseridos por teclado numérico e entregar tanto sinais digitais como analógicos dependendo do bloco utilizado 18 Cada fabricante de CLP irá dispor de pacotes particulares de blocos matemáticos e comparadores Nas Figuras 5 e 6 estão apresentados os blocos matemáticos e comparadores mais comumente encontrados nos CLPs do mercado Figura 5 Blocos matemáticos comumente encontrados em CLPs 2 Figura 6 Blocos comparadores normalmente encontrados em CLPs 3 O funcionamento desses blocos acontece da seguinte forma tomando como exemplo o bloco comparador Less Than menor que ou apresentado separadamente na Figura 7 repare que as siglas dentro do bloco se referem a como é realizada a comparação em que 19 EN ativa o bloco realizando a comparação se o estado do sinal que chega em EN for alto IN1 e IN2 são os dois sinais a se comparar IN1 IN2 é a operação de comparação que se deseja executar ENO verifica se há algum erro de sintaxe ou erro eventual entregando sinal alto se a operação matemática foi realizada corretamente Q é o sinal de saída que pode ser digital alto e baixo quando a comparação é verdadeira ou falsa ou analógico resultado de uma operação matemática como soma multiplicação etc Os demais blocos apresentados nas Figuras 5 e 6 têm simbologia semelhante ao explicado anteriormente realizando apenas diferentes operações Por fim é importante frisar que o número de entradas para os blocos INx pode variar para um número maior do que de duas e que essas entradas não são necessariamente externas podendo ser também valores presentes na memória interna do CLP oriundas inclusive de outras operações matemáticas Figura 7 Bloco Less Than menor que ou 212 Acionamento da correia transportadora e aberturafechamento do reator Não houve alterações nos sensores e atuadores utilizados para o acionamento da correia transportadora ou porta do reator 213 Implementação da automação Conforme mencionado na Seção 2 uma ação de temporização foi adicionada ao sistema utilizando temporizadores do tipo com atraso na ligação TON fazendo com que o sistema de alimentação não seja acionado somente quando o nível de biomassa no reator alcançar o nível mínimo mas também a cada 60 minutos Dessa forma a alimentação não é realizada apenas em nível crítico ocorrendo mesmo que haja falha no sensoriamento de nível aumentando a autonomia do gaseificador Os diversos sensores e relés para acionamento das cargas foram ligados às entradas e saídas do CLP e este foi programado utilizando a linguagem ladder As entradas e saídas utilizadas são semelhantes às apresentadas na abordagem simplificada havendo alterações somente em relação aos 20 sensores barreira de fim de curso no reator entradas digitais DI9 e DI10 que foram substituídos pela célula de carga sensor analógico AI1 Uma vez que a alimentação do gaseificador não pode ser realizada de forma contínua pois isso acarretaria na porta do reator estar constantemente aberta causando perda de calor escapamento dos gases e o não funcionamento do gaseificador este será realimentado quando atingir o nível definido como mínimo até que alcance o nível máximo 10 e 34 kg respectivamente Para isso blocos comparadores serão utilizados para gerar os sinais nível do reator baixo e alto contatos auxiliares N01 e N02 A lógica com comparadores utilizada para gerar os sinais de nível do reator baixo e alto é exibida na Figura 9 No CLP utilizado os blocos MD AS e G se referem aos blocos multiplicaçãodivisão adiçãosubtração e comparação respectivamente Figura 9 Utilização de blocos matemáticos e comparadores para gerar o sinal de biomassa em quilogramas 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 girar para destravar 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 21 AI1 Sensor analógico célula de carga Indica em quilogramas a biomassa presente no reator N01 Memória interna CLP Indica nível baixo de biomassa no reator N02 Memória interna CLP 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 Aciona o motor para abrir o reator DO3 Relé de estado sólido 24V Aciona o motor para fechar o reator As Tabelas 1 e 2 trazem as entradas e saídas utilizadas na automação É possível acessar o diagrama em ladder pelo PVANET por meio do arquivo Ladder correia transportadoracli Para fazer a leitura desse arquivo é necessário instalar o software Clic02 edit endereço para download em 4 A Figura 8 apresenta a lógica em ladder utilizada Por fim é interessante notar que a linguagem ladder é bastante semelhante à utilizada em comandos elétricos com a modificação de dispor as saídas na horizontal ao invés de na vertical Figura 8 Diagrama em ladder para a automação avançada 22 214 Interface HomemMáquina IHM Além da vantagem de concentrar as variáveis envolvidas e a lógica de comando do processo em um único dispositivo o CLP utilizado possibilita também a troca de informações com um microcomputador por meio de protocolos de rede Assim todas as informações do alimentador de biomassa puderam ser lidas e manipuladas por um programa SCADA para criação de uma interface homemmáquina Esse sistema supervisório foi criado utilizando o software Elipse SCADA e sua tela principal para o acompanhamento do processo pode ser vista na Figura 9 Nessa tela é possível perceber as diversas funcionalidades de uma IHM sendo capaz de exibir para o operador todo o estado atual da planta eg que saídas estão acionadas qual o nível no reator e no armazenador de biomassa histórico de alarmes e mal funcionamentos bem como permite realizar acionamentos de ligadesliga nas cargas e verificar o histórico de funcionamento no gaseificador Como exemplo a Figura 10 exibe um histórico de kg de biomassa x tempo no gaseificador acompanhando o processo durante uma recarga automática Figura 9 Página principal do sistema supervisório 1 23 Figura 10 Histórico de recarga registrado pelo sistema supervisório 1 24 3 REFERÊNCIAS 1 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 2 Inst Tools PLC Math instructions Disponível em https instrumentationtoolscomplcmathinstructions Acesso 16 de abril de 2019 3 Inst Tools PLC Data Comparison Instructions Disponível em https instrumentationtoolscomplcdatacomparisoninstructions Acesso 16 de abril de 2019 4 WEG Software Clic 02 edit Disponível em httpsstaticwegnet mediasdownloadcenterh5ah5dWEGsoftwaredeprogramacaodoclic 02clicedit33softwareportuguesbrzip Acesso em 31 de março de 2019