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UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO
ESCOLA DE MINAS
COLEGIADO DO CURSO DE ENGENHARIA DE
CONTROLE E AUTOMAÇÃO - CECAU
Rafael Silva Paolini
Desenvolvimento de um sistema de controle e
supervisão para uma indústria de fertilizantes
MONOGRAFIA DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE
CONTROLE E AUTOMAÇÃO
Ouro Preto
2014
Rafael Silva Paolini
Desenvolvimento de um sistema de controle e
supervisão para uma indústria de fertilizantes
Monografia apresentada ao Curso de
Engenharia de Controle e Automação
da Universidade Federal de Ouro
Preto como parte dos requisitos para
a obtenção de Grau em Engenheiro
de Controle e Automação
Orientadora: Professora Luciana Gomes Castanheira
OURO PRETO
ESCOLA DE MINAS – UFOP
2014
Fonte de catalogação: [email protected]
P211d Paolini, Rafael Silva.
Desenvolvimento de um sistema de controle e supervisão para uma
indústria de fertilizantes [manuscrito] / Rafael Silva Paolini. – 2014.
56f. : il., color., tab.
Orientador: Prof. Luciana Gomes Castanheira.
. Monografia (Graduação) – Universidade Federal de Ouro
Preto. Escola de Minas. Colegiado do Curso de Engenharia de Controle
e Automação e Técnicas fundamentais.
Área de concentração: Engenharia de Controle e Automação.
1. Automação industrial. 2. Controle automático. 3. Fertilizantes.
4. Projetos. I. Universidade Federal de Ouro Preto. II. Título.
CDU: 681.5
RESUMO
Atualmente os sistemas de controle e supervisão são amplamente aplicados em diversos
setores, como em indústrias, agricultura e aeronaves. Neste trabalho é abordado o
desenvolvimento de um sistema de controle e supervisão para uma planta de produção
de ácido sulfúrico de uma indústria de fertilizantes. O trabalho descreve o
desenvolvimento do sistema, detalhando o hardware e software utilizados no sistema de
controle e de supervisão. São apresentados os instrumentos, equipamentos e malhas de
controle utilizados no projeto. O desenvolvimento do trabalho é dividido em quatro
etapas. São elas: análise do sistema, configuração de hardware, desenvolvimento do
sistema supervisório e elaboração do software. No final do trabalho, os resultados
também são apresentados. O projeto envolve o conhecimento de várias áreas do curso
de Engenharia de Controle e Automação tais como instrumentação, eletrônica digital,
informática industrial e controle.
Palavras-chave: projeto, automação, controle de processo industrial, PCS 7 e
fertilizante.
ABSTRACT
Currently the control and supervisory systems are widely applied in many industries
such as industries, agriculture and aircrafts. This paper discusses the development of a
control and supervisory system for a sulfuric acid production plant of fertilizer industry.
The paper describes the development of the system, detailing the hardware and software
used in the control and supervision system. The instruments, equipment and control
loops used in the project are also presented. The development of the work is divided
into four stages. They are: system analysis, hardware configuration, development of the
supervisory system and development of the software. In the end of the paper, the results
are also presented. The project involves the knowledge of many areas of the Control
and Automation Engineering course such as instrumentation, digital electronics,
industrial computing and control.
Keywords: design, automation, process control, PCS 7 and fertilizer.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Esquema de produção do SSP. ........................................................................ 12
Figura 2: SSP granulado. ................................................................................................ 13
Figura 3: Indústria de fertilizantes fosfatados. ............................................................... 14
Figura 4: Planta de beneficiamento. ............................................................................... 15
Figura 5: Planta de ácido sulfúrico. ................................................................................ 15
Figura 6: Planta de acidulação. ....................................................................................... 16
Figura 7: Planta de granulação. ...................................................................................... 17
Figura 8: Controle por realimentação. ............................................................................ 19
Figura 9: Sistema de controle em malha fechada com um controlador.......................... 20
Figura 10: SIMATIC S7-400. ......................................................................................... 22
Figura 11: Simbologia típica para um diagrama PI&D detalhado. ................................ 23
Figura 12: SIMATIC HMI TP 1200 Comfort. ............................................................... 25
Figura 13: Centro de comando de motores (CCM). ....................................................... 25
Figura 14: Arquitetura do sistema de automação. .......................................................... 29
Figura 15: Configuração do hardware. .......................................................................... 33
Figura 16: Elaboração do simbólico para saídas digitais. .............................................. 34
Figura 17: Formato de apresentação das telas. ............................................................... 36
Figura 18: Janela de motores. ......................................................................................... 38
Figura 19: Bloco de programação PID. .......................................................................... 39
Figura 20: Lógica dos equipamentos no CFC. ............................................................... 41
Figura 21: Interface de programação utilizando blocos CFC. ........................................ 42
Figura 22: Intertravamento típico. .................................................................................. 43
Figura 23: Fusão e filtração de enxofre. ......................................................................... 44
Figura 24: Tanque de enxofre filtrado. ........................................................................... 45
Figura 25: Estocagem de ácido sulfúrico. ...................................................................... 46
Figura 26: Economizadores. ........................................................................................... 47
Figura 27: Circuito de gás. ............................................................................................. 48
Figura 28: Desmineralização. ......................................................................................... 49
Figura 29: Sistema de desmineralização. ....................................................................... 50
Figura 30: Sistema de desmineralização. ....................................................................... 51
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Instrumentos analógicos. ................................................................................ 30
Tabela 2: Instrumentos digitais....................................................................................... 31
Tabela 3: Malhas de controle.......................................................................................... 31
Tabela 4: Equipamentos. ................................................................................................ 31
Tabela 5: Endereçamento rede Profibus-DP. ................................................................. 34
Tabela 6: Padrão de cores dos motores. ......................................................................... 37
Tabela 7: Padrão de cores das válvulas. ......................................................................... 37
Tabela 8: Padrão de cores dos alarmes. .......................................................................... 38
Tabela 9: Entrada do bloco controle. .............................................................................. 40
Tabela 10: Saída do bloco controle. ............................................................................... 40
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ......................................................................................................... 10
1.1 OBJETIVO ........................................................................................................... 10
1.2 JUSTIFICATIVA ................................................................................................. 10
1.3 METODOLOGIA ................................................................................................. 11
1.4 ESTRUTURA DO TRABALHO ......................................................................... 11
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ................................................................................. 12
2.1 DEFINICAO DE FERTILIZANTE ..................................................................... 12
2.2 SUPERFOSTATO SIMPLES - SINGLE SUPER PHOSPHATE (SSP) .............. 12
2.3 MOTIVAÇÃO PARA A PRODUÇÃO DO SSP NO BRASIL ........................... 13
2.4 INDÚSTRIA DE FERTILIZANTES FOSFATADOS ........................................ 14
2.4.1 ETAPAS DO PROCESSO PRODUTIVO DA INDÚSTRIA DE
FERTILIZANTES FOSFATADOS ....................................................................... 14
2.5 CONTROLE DE PROCESSOS INDUSTRIAIS ................................................. 17
2.5.1 CONTROLE MANUAL ............................................................................... 18
2.5.2 CONTROLE POR REALIMENTAÇÃO (FEEDBACK) .............................. 18
2.5.3 CONTROLADORES PID ............................................................................. 19
2.6 SISTEMA DE CONTROLE UTILIZADO NO PROJETO ................................. 20
2.6.1 SISTEMAS HÍBRIDOS ................................................................................ 20
2.6.2 PROCESS CONTROL SYSTEM – SIMATIC PCS7...................................... 20
2.6.3 SOFTWARES UTILIZADOS NO SISTEMA DE CONTROLE ................... 21
2.6.4 HARDWARE UTILIZADO NO SISTEMA DE CONTROLE ...................... 21
2.7 SISTEMA DE SUPERVISÃO UTILIZADO NO PROJETO .............................. 22
2.7.1 DIAGRAMA P&ID ....................................................................................... 22
2.7.2 TELAS GRÁFICAS ...................................................................................... 23
2.7.3 SOFTWARES UTILIZADOS NO SISTEMA DE SUPERVISÃO ............... 23
2.7.4 HARDWARES UTILIZADOS NO SISTEMA DE SUPERVISÃO .............. 24
2.7.4.1 Monitores da sala de controle ................................................................. 24
2.7.4.2 Interface homem-máquina (IHM) .......................................................... 24
2.8 CENTRO DE COMANDO DE MOTORES (CCM) ........................................... 25
2.8.1 EQUIPAMENTOS DE ACIONAMENTO DO CAMPO PERTENCENTE
AOS CCM´s ........................................................................................................... 26
2.8.1.1 Relé Inteligente SRW - 01 ...................................................................... 26
2.8.1.2 Inversor CFW – 11 ................................................................................. 26
2.8.1.3 Soft-Starter SSW-06 ............................................................................... 26
2.8.1.4 Relé de proteção SIPROTEC ................................................................. 27
2.8.1.5 Multimedidor SENTRON PAC-3200 .................................................... 27
3 DESENVOLVIMENTO ............................................................................................ 27
3.1 NÍVEIS DE AUTOMAÇÃO DO SISTEMA ....................................................... 27
3.2 ARQUITETURA GERAL DO SISTEMA........................................................... 28
3.3 PLANTA DE ÁCIDO SULFÚRICO ................................................................... 30
3.3.1 ANÁLISE DO SISTEMA ............................................................................. 30
3.3.2 CONFIGURAÇÃO DE HARDWARE ........................................................... 32
3.3.3 DESENVOLVIMENTO DO SISTEMA SUPERVISÓRIO ......................... 35
3.3.3.1 Telas ....................................................................................................... 35
3.3.3.2 Esquema de cores ................................................................................... 37
3.3.3.3 Faceplates ............................................................................................... 38
3.3.4 ELABORAÇÃO DO SOFTWARE ................................................................ 39
3.3.4.1 Lógica dos equipamentos ....................................................................... 40
4 RESULTADOS .......................................................................................................... 44
5 CONCLUSÃO ............................................................................................................ 52
REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS ....................................................................... 53
10
1 INTRODUÇÃO
O trabalho foi desenvolvido na empresa Solution Engenharia de Automação Ltda
durante o período de estágio curricular. A Solution é uma empresa que está a mais de 14
anos no mercado de automação atuando principalmente no setor de mineração.
Atualmente, as indústrias precisam de confiabilidade, flexibilidade e economia dentro
de seu sistema produtivo. Por isso, a automação, incluindo sistemas de controle e
supervisão, precisa estar inserida em qualquer planta industrial (SALAZAR, 2006). Na
indústria de fertilizante não é diferente, sendo a automação um elemento fundamental
no sistema produtivo.
Este trabalho de monografia descreve o desenvolvimento de um sistema de controle e
supervisão para uma indústria de fertlizante utlizando uma plataforma híbrida da
Siemens. O desevolvimento deste trabalho envolveu conhecimentos de informática
industrial, sistema de controle, sistemas supervisórios, instrumentação insdustrial, redes
de comunicação e conhecimentos na área de mineração.
1.1 OBJETIVO
O trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de um sistema de controle e
supervisão para uma indústria de fertilizantes, focando principamlente a planta de
produção de ácido sulfúrico.
1.2 JUSTIFICATIVA
A automação é substancial para processos industriais. Para o setor de fertilizantes não é
diferente pois, ao implantar um sistema de automação, obtemos: redução de custos na
produção, eficiência, segurança, etc. Dessa forma, a automação contribui para o
desenvolvimento do setor de fertilizantes no cenário nacional.
11
1.3 METODOLOGIA
Para o desenvolvimento do trabalho, a seguinte metodologia foi adotada:
a) Elaboração da análise do sistema. Levantamento dos instrumentos analógicos e
digitais, equipamentos e malhas de controle. Planilhas foram desenvolvidas no excel.
b) Configuração do hardware do sistema.
c) Desenvolvimento do sistema supervisório.
d) Elaboração do software. Programação de intertravamentos e lógicas de controle.
Os seguintes materiais foram utilizados para o desenvolvimento do trabalho:
Para o hardware: Controlador Lógico Programável (CLP) – SIMATIC S7400 ,
Remotas e Interface Homem-Máquina (IHM) do fabricante Siemens.
Para o software: Process Control System – SIMATIC PCS7 Versão 8.0, SIMATIC
WinCC e WinCCConfort.
1.4 ESTRUTURA DO TRABALHO
No primeiro capítulo apresenta-se uma breve contextualização do trabalho além do
objetivo, da justificativa e da metodologia. No segundo capítulo apresenta-se uma
revisão bibliográfica sobre fertilizante, especificamente da produção de fertilizante do
tipo SSP (Single Super Phosphate), controle de processos e sistemas de supervisão. No
capítulo seguinte, o desenvolvimento do sistema de controle e supervisão é detalhado.
Logo depois, os resultados do projeto são apresentados e, por fim, no último capítulo, é
feita uma conclusão sobre o trabalho.
12
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 DEFINICAO DE FERTILIZANTE
De acordo com a LEI N º 6.894, DE 16 DE DEZEMBRO DE 1980, Art. 3º, considera-
se fertilizante, a substância mineral ou orgânica, natural ou sintética, fornecedora de um
ou mais nutrientes vegetais.
2.2 SUPERFOSTATO SIMPLES - SINGLE SUPER PHOSPHATE (SSP)
Existem vários tipos de fertilizantes. Neste trabalho, é apresentado o sistema de controle
e surpevisão para uma indústria que produz fertilizante do tipo fosfatado,
especificamente o Superfosfato Simples - Single Super Phosphate (SSP).
Na Figura 1 apresenta-se o esquema de produção do SSP.
Figura 1: Esquema de produção do SSP.
Fonte: MBAC FERTILIZER CORP., 2014.
As etapas do processo produtivo para produção do SSP mostrados na figura 1 são
detalhadas adiante.
13
Na figura 2 apresenta-se o SSP granulado.
Figura 2: SSP granulado.
Fonte: MBAC FERTILIZER CORP., 2014.
2.3 MOTIVAÇÃO PARA A PRODUÇÃO DO SSP NO BRASIL
A fabricação do Superfostfato Simples (SSP) é fundamental para o sucesso contínuo do
Brasil como potência agrícola. O SSP é o fertiizante mais utilizado na região do cerrado
brasileiro. O fertilizante é simples de ser produzido, basicamente reagindo rocha
fosfática altamente concentrada com ácido sulfúrico. A presença de fosfato (P) e
enxofre (S) no SSP são importantes para locais onde ambos nutrientes são escassos. O
fertilizante é muito importante no tratamento de solos deficientes em enxofre assim
como no aumento de produtividade das plantações. No cerrado e em outras partes do
mundo onde culturas requerem mais enxofre e fosfato como oleaginosas, cana de açucar
e frutas, o SSP é um fertilizante essencial (MBAC FERTILIZER CORP., 2014).
O SSP é o fertilizante mais aplicado no Brasil com aproximadamente 5.8 milhões de
toneladas consumidas em 2013 (MBAC FERTILIZER CORP., 2014)
14
2.4 INDÚSTRIA DE FERTILIZANTES FOSFATADOS
Uma indústria de fertilizante fosfatado basicamente possui a mineração e um complexo
industrial composto por uma planta de beneficimento, planta de produção de ácido
sulfúrico (H2SO4), planta de acidulação e uma planta de granulação (MBAC
FERTILIZR CORP., 2014). Na Figura 3, apresenta-se as partes que compoem uma
indústria de fertilizantes.
Figura 3: Indústria de fertilizantes fosfatados.
Fonte: MBAC FERTILIZR CORP., 2014.
2.4.1 ETAPAS DO PROCESSO PRODUTIVO DA INDÚSTRIA DE
FERTILIZANTES FOSFATADOS
O processo produtivo da indústria de fertilizantes fosfatados compreende as seguintes
etapas:
Beneficimento: conjunto de operações ou etapas do processo de produção, a partir do
beneficiamento de rocha fosfática e até a obtenção do concentrado fosfático seco –
transferências, cominuições, classificações e secagem (CONAMA, 2011).
15
Na figura 4, apresenta-se uma planta de beneficiamento.
Figura 4: Planta de beneficiamento.
Fonte: MBAC FERTILIZER CORP., 2014.
Ácido sulfúrico: planta de produção de ácido sulfúrico a partir do enxofre.
Na figura 5, apresenta-se uma planta de ácido sulfúrico.
Figura 5: Planta de ácido sulfúrico.
Fonte: MBAC FERTILIZER CORP., 2014.
16
Acidulação: reação entre o concentrado fosfático e um ácido, usualmente sulfúrico ou
fosfórico, que tem como objetivo solubilizar o fósforo contido no concentrado para
torná-lo assimilável pelas plantas (CONAMA, 2011).
Na figura 6, apresenta-se uma planta de acidulação.
Figura 6: Planta de acidulação.
Fonte: MBAC FERTILIZER CORP., 2014.
Granulação: processo de aglomeração de partículas onde, mediante a ação de rolamento
em tambores ou pratos rotativos, são produzidos fertilizantes em forma de grânulos que,
em sequência, são submetidos à secagem, classificação e resfriamento (CONAMA,
2011).
17
Na figura 7, apresenta-se uma planta de granulação.
Figura 7: Planta de granulação.
Fonte: MBAC FERTILIZER CORP., 2014.
.
2.5 CONTROLE DE PROCESSOS INDUSTRIAIS
Segundo Dorf (2013), o controle de um processo industrial (manufatura, produção e
assim por diante) por meios automáticos em vez de manuais é frequentemente chamado
de automação. A automação é predominante na indústria química, de geração de
energia, de papel, automobilística, metalúrgica, entre outras. O conceito de automação é
fundamental para nossa sociedade industrial.
Para Bega et al (2006), controlar um processo industrial significa, basicamente, manter
os valores das variáveis do processo dentro de uma faixa aceitável para sua operação
conveniente; mais ainda, buscar dentro de cada faixa o valor ótimo para cada variável
denominado valor desejado ou set-point.
Segundo BEGA et al (2006), três termos são fundamentais, os quais estão ligados a
qualquer processo:
a) variável controlada: é a condição que se deseja manter em determinado nível, ou seja,
a variável envolvida no processo tal como nível, vazão, pressão, temperatura e etc;
18
b) valor desejado (set point): é o valor de referência para cada variável, que se deseja
manter;
c) variável manipulada: é normalmente a vazão de um fluido cuja alteração influencia a
variável controlada.
2.5.1 CONTROLE MANUAL
O controle manual é aquele efetuado pelo operador humano (BEGA et al, 2006).
2.5.2 CONTROLE POR REALIMENTAÇÃO (FEEDBACK)
O controle por realimentação utiliza o desvio do valor da variável controlada em relação
ao valor desejado (erro) para efetuar a ação corretiva (BEGA et al, 2006).
Sensores são instalados para medir as variáveis controladas. Estes valores são
transmitidos ao hardware de controle, que efetua a comparação automática com os
valores desejados e calcula, com base no erro, os valores dos sinais que devem ser
enviados para ajustarem as variáveis manipuladas e, consequentemente, a ação dos
elementos finais de controle (normalmente válvulas de controle com atuadores
pneumáticos) (BEGA et al, 2006).
O controle por realimentação é o mais comum e o mais utilizado na prática.
19
Na figura 8 apresenta-se um controle por realimentação (feedback).
Figura 8: Controle por realimentação.
Fonte: BEGA et al, 2006.
No bloco função de controle por realimentação, algum algoritmo de controle é
implementado. De acordo com Dorf (2013), existem vários algoritmos de controle
disponíveis, mas o mais usado é o Proporcional- Integral-Derivativo (PID).
2.5.3 CONTROLADORES PID
Segundo Dorf (2013), uma forma de controlador amplamente utilizado em controle de
processos industriais é o controlador Proporcional- Integral-Derivativo (PID). Este
controlador tem a seguinte função de transferência:
Gc(s) = Kp + Ki/s + Kd s (1)
A equação para sáida no domínio do tempo é:
u(t) = Kpe(t) + Ki∫e(t)dt + Kdde(t)/dt (2)
onde e(t) é o erro gerado pela comparação entre o valor desejado (set point) e o valor
medido pelo transmissor.
20
O controlador PID contém um termo proporcional, um termo integral e um termo
derivativo representados por Kp, Ki e Kd, respectivamente (DORF, 2013). Na figura 9
apresenta-se um sistema de controle em malha fechada com um controlador.
Figura 9: Sistema de controle em malha fechada com um controlador.
Fonte: DORF, 2013.
2.6 SISTEMA DE CONTROLE UTILIZADO NO PROJETO
2.6.1 SISTEMAS HÍBRIDOS
De acodo com BEGA et al (2006), "sistemas híbridos" são tendências atuais de sistemas
que fazem indistintamente as funções de Controlador Lógico Programável (CLP) e de
Sistema Digital de Controle Distribuido (SDCD).
2.6.2 PROCESS CONTROL SYSTEM – SIMATIC PCS7
O sistema de controle implantado no projeto foi baseado na plataforma híbrida
SIMATIC PCS7 da Siemens.
O SIMATIC PCS7 é o sistema de controle de processo utilizado no conceito de
automação totalmente integrada (totally integrated automation) da Siemens. Ele pode
ser usado desde em laboratórios até em grandes plantas industriais. O PCS7 pode ser
aplicado em indústrias de processo de todos os tipos (SIEMENS, 2014b).
21
2.6.3 SOFTWARES UTILIZADOS NO SISTEMA DE CONTROLE
Segue abaixo a descrição dos softwares que foram utilizados no projeto.
Simatic Manager – O SIMATIC Manager gerencia todos os dados que pertencem a um
projeto de automação. Ele fornece um ponto de entrada comum para todas as
ferramentas SIMATIC (SIEMENS, 2014c). Todos os aspectos do projeto são
gerenciados, arquivados e documentados no Simatic Manager. A partir do Simatic
Manager é possível executar todas as ferramentas para configuração do sistema.
Hardware Configuration – HW Config – A ferramenta configuração de hardware é
usada para configurar e parametrizar o hardware utilizado para o projeto de automação
(SIEMENS, 2014c).
Software Programação – Continuous Function Chart (CFC) – O CFC permite
requisitos técnico-lógico a serem transformados em programas de automação
executáveis com mínimo esforço. Para fazer isso, os blocos predefinidos devem
simplesmente ser ligados uns aos outros e, em seguida parametrizados. Experiência em
programação extensa não é necessária (SIEMENS, 2014d). É uma ferramenta gráfica
para soluções tecnológicas, através da qual as malhas de controle do processo, bem
como os intertravamentos, são configurados.
2.6.4 HARDWARE UTILIZADO NO SISTEMA DE CONTROLE
O Controlador Lógico Programável utilizado no projeto foi o SIMATIC S7-400.
O S7-400 é adequado especialmente para tarefas que exigem uso intensivo de dados na
indústria de processo. O controlador possui alta velocidade de processamento e tempos
de resposta determinísticos que garantem tempos curtos de ciclo da máquina em
máquinas de alta velocidade na indústria de manufatura. Ele é usado preferencialmente
para coordenar plantas industriais de grande porte. Isso é garantido pelo alto poder de
comunicação e interfaces que o sistema possui (SIEMENS, 2014a).
22
Na figura 10 apresenta-se o SIMATIC S7 – 400.
Figura 10: SIMATIC S7-400.
Fonte: SIEMENS, 2014a.
2.7 SISTEMA DE SUPERVISÃO UTILIZADO NO PROJETO
Um sistema de supervisão é uma ferramenta de software que permite monitorar e
controlar partes ou todo um processo industrial. Através dele que é realizado os
comandos de acionamento dos equipamentos pelos operadores através da sala de
controle, leitura das variáveis físicas do processo e verificação de alarmes. Ele é
composto por um conjunto de telas que representam o processo (SMAR, 2011).
2.7.1 DIAGRAMA P&ID
Um diagrama P&ID (piping and instrumentation diagram/drawing) é definido como
um fluxograma ou um conjunto de símbolos padrão que mostra a interligação do
equipamento de processo e a instrumentação utilizada para controlar o processo. Na
indústria de processo, um conjunto padrão de símbolos é usado para preparar os
desenhos de processos. Os símbolos de instrumentos utilizados nestes desenhos são
geralmente baseados na International Society of Automation (ISA) Standard S5.1.
(IAMECHATRONICS, 2014).
Segue, na figura 11, um exemplo de um diagrama P&ID:
23
Figura 11: Simbologia típica para um diagrama PI&D detalhado.
Fonte: BEGA et al, 2006.
2.7.2 TELAS GRÁFICAS
As telas gráficas usam uma combinação de linhas, símbolos, desenhos de equipamentos
e inscrições alfanuméricas para representar um processo de forma semelhante a um
diamagrama P&ID simplifiacdo, para passar ao operador informações acerca do
processo ou de parte deste. Os caracteres servem para reproduzir palavras, tags, valores
de variáveis de processo e outros parâmetros variados (BEGA et al, 2006).
As telas gráficas do sistema de supervisão foram desenvolvidas a partir dos diagramas
P&ID.
2.7.3 SOFTWARES UTILIZADOS NO SISTEMA DE SUPERVISÃO
SIMATIC WinCC: o software se estabeleceu como um padrão da indústria na área de
visualização do processo, não importa se você olhar para ele como um sistema SCADA
24
(Supervisory Control and Data Acquisition) autônomo ou o componente de Interface
Homem-Máquina do SIMATIC PCS 7 (SIEMENS, 2014e). O SIMATIC WinCC foi
utilizado no projeto para o desenvolvimento dos sistemas supervisórios instalados nas
estações de operação e engenharia localizados na sala de controle.
SIMATIC WinCC Confort V11: o software oferece objetos prontos para serem
usados, faceplates reutilizáveis e ferramentas inteligentes. Além disso, permite a
implementação de projetos em várias línguas (SIEMENS, 2014f). O SIMATIC WinCC
Confort V11 foi utilizado no projeto para o desenvolvimento do sistema das IHM´s
SIMATIC HMI TP1200 Comfort .
2.7.4 HARDWARES UTILIZADOS NO SISTEMA DE SUPERVISÃO
2.7.4.1 Monitores da sala de controle
Microcomputadores com finalidade de criar interface homem-máquina através de telas
gráficas em monitores de vídeo. Todos os monitores da sala de controle possuem a
mesma freqüência. A resolução é de 1.280 x 1.024 pixels em um monitor de 19
polegadas.
2.7.4.2 Interface homem-máquina (IHM)
A IHM é um equipamento de fundamental importância na automação, pois é através
dela que o operador pode interagir com a máquina ou processo. Em poucas palavras,
uma IHM é um hardware industrial composto normalmente por uma tela de cristal
líquido e um conjunto de teclas para navegação ou inserção de dados que se utiliza de
um software proprietário para a sua programação (MECATRÔNICA ATUAL, 2002).
A IHM utilizada no projeto é a SIMATIC HMI TP1200 Comfort Modelo 6AV2124-
0MC01-0AX0 fabricado pela Siemens.
25
Na figura 12 apresenta-se a SIMATIC HMI TP1200.
Figura 12: SIMATIC HMI TP 1200 Comfort.
Fonte: SIEMENS, 2014f.
2.8 CENTRO DE COMANDO DE MOTORES (CCM)
São sistemas que consistem de cubículos metálicos simplificados ou blindados, isolados
a ar, que comandam motores e equipamentos elétricos. Possuem aplicações em diversas
áreas como: subestação de concessionárias, proteção e seccionamento principais de
fábricas e instalações industriais, estações de bombeamento, sistemas ferroviários,
usinas térmicas e hidrelétricas de geração de energia (WEG, 2014a).
Na figura 13 apresenta-se um CCM.
Figura 13: Centro de comando de motores (CCM).
Fonte: WEG, 2014a.
26
2.8.1 EQUIPAMENTOS DE ACIONAMENTO DO CAMPO PERTENCENTE AOS
CCM´s
A rede Profibus-DP (Decentralized Peripherals) é utilizada no projeto para realizar a
comunicação dos equipamentos de acionamento do campo pertencente aos CCMs de
cada área com os CLPs correspondentes. Os equipamentos que estão inseridos na rede
profibus DP fornecem um pacote de dados na rede para o CLP realizar a leitura e escrita
desses dispositivos.
Abaixo são apresentados os equipamentos utilizados no projeto.
2.8.1.1 Relé Inteligente SRW - 01
O relé SRW01 é um sistema de gerenciamento de motores elétricos de baixa tensão que
conta com tecnologia de ponta e capacidade de comunicação em rede. Por ser modular,
as funcionalidades do relé podem ser estendidas, tornando-o um produto versátil e
preparado para diversas aplicações.
O SRW01 possui um design modular que permite a expansão de funcionalidades do relé
(WEG, 2014b).
2.8.1.2 Inversor CFW – 11
O inversor de frequência CFW-11 é um produto de alta performance que permite o
controle de velocidade e torque de motores de indução trifásicos (WEG, 2012).
2.8.1.3 Soft-Starter SSW-06
Soft-Starter são chaves de partida estática, destinadas à aceleração, desaceleração e
proteção de motores de indução trifásicos. O controle da tensão aplicada ao motor,
mediante o ajuste do ângulo de disparo dos tiristores, permite obter partidas e paradas
suaves. Com o ajuste adequado das variáveis, o torque produzido é ajustado à
27
necessidade da carga, garantindo, desta forma, que a corrente solicitada seja a mínima
necessária para a partida (WEG, 2014c).
2.8.1.4 Relé de proteção SIPROTEC
O relé SIPROTEC tem a função de proteção e medição das redes de médias tensões. Ele
protege contra sobrecorrentes, sobretensões, subtensões além de funções de controle
como religamento automático. Possui as funções de proteção, controle, medição e
funções de automação em um único dispositivo. Ele é o padrão da indústria para a
tecnologia de proteção digital em diversos campos de aplicação (SIEMENS, 2014g).
2.8.1.5 Multimedidor SENTRON PAC-3200
O SENTRON PAC3200 é um multímetro que permite visualizar todos os parâmetros de
rede relevantes para a distribuição de energia em baixa tensão. Tem capacidade para
efetuar medições em correntes mono, bi e trifásicas (SIEMENS, 2007).
3 DESENVOLVIMENTO
Neste capítulo é descrito o sistema de controle e supervisão desenvolvido no projeto,
com foco na planta de produção de ácido sulfúrico.
3.1 NÍVEIS DE AUTOMAÇÃO DO SISTEMA
O sistema de supervisão e controle para a planta de produção de Fertilizantes está
baseado em uma arquitetura de controle distribuído, com operação centralizada,
utilizando a ferramenta PCS 7 da Siemens para realizar configuração e gerenciamento
de todo o sistema. Ela é composta por três níveis:
28
Nível 0: é composto por instrumentos de campo e válvulas de controle operando em
rede de comunicação Hart.
Níve 1: é composto por controladores lógicos programáveis (CLP´s), interligados em
rede de comunicação e seus cartões de redes (Hart, Profibus-DP) para aquisição de
dados.
Nível 2: é composto de estações de operação e supervisão baseadas em
microcomputadores com finalidade de criar interface homem-máquina através de telas
gráficas em monitores, permitindo assim uma operação totalmente remota e
centralizada.
3.2 ARQUITETURA GERAL DO SISTEMA
O sistema completo é composto pela configuração de automação de CLP´s para controle
da planta para as áreas do beneficiamento, captação de água recuperada, captação de
água bruta, britagem, planta química e planta de ácido sulfúrico. A interligação dos
sinais de campo é dada através de contatos físico (120 Vca para os sinais digitais e
4~20mA+HART para sinais analógicos) e redes de dispositivos Profibus-DP para relés,
inversores e soft-starters. Para a supervisão e a operação, existem quatro estações de
operação em configuração cliente–servidor redundante, dois servidores redundantes e
uma estação de engenharia, todas localizadas na sala de controle. Além destas, o sistema
possui três IHM´s nas seguintes áreas de processo: captação de água recuperada,
captação de água bruta e britagem (Solution Engenharia de Automação, 2012).
29
Segue abaixo, na figura 14, a arquitetura completa do sistema de automação da planta
de uma indústria de fertilizantes.
Figura 14: Arquitetura do sistema de automação.
Fonte: Solution Engenharia de Automação, 2012.
A arquitetura considera a utilização de dois segmentos de rede Profibus-DP em cada
Central Prossesing Unit (CPU) do CLP, sendo uma para atender as unidades remotas e
outra para atender o centro de conmando de motores (CCM´s).
As IHM´s são interligadas ao sistema de controle através de rede de comunicação
padrão Ethernet.
30
3.3 PLANTA DE ÁCIDO SULFÚRICO
Como dito anteriormente, o objetivo específico deste trabalho é o desenvolvimento do
sistema de controle e supervisão da planta de ácido sulfúrico para uma indústria de
fertilizantes. Para o desenvolvimento desse sistema, o trabalho foi divido em,
basicamente, quatro etapas. São elas: análise do sistema, configuração de hardware,
desenvolvimento do sistema supervisório e elaboração do software.
3.3.1 ANÁLISE DO SISTEMA
Nesta etapa do trabalho, foi feito um levantamento de todos os instrumentos analógicos
(transmissores, válvulas de controle, etc) e digitais (chaves de posição, válvulas, etc),
equipamentos (motores, bombas, correias, etc) e malhas de controle que estão presentes
no sistema.
Planilhas contendo todos os instrumentos, equipamentos e malhas de controle foram
criadas no excel com o objetivo de manter todas as informações documentadas e
organizadas durante o projeto.
Segue abaixo, nas tabelas 1 a 4, uma parte das planilhas contendo, respectivamente, os
instrumentos analógico, instrumentos digitais, malhas de controle e equipamentos.
Tabela 1: Instrumentos analógicos.
31
Tabela 2: Instrumentos digitais.
Tabela 3: Malhas de controle.
Tabela 4: Equipamentos.
O símbolo para cada instrumento, equipamento e malha de controle são denominados
tags. Tag é um código, cuja finalidade é a de identificar equipamentos, instrumentos ou
malhas de controle, de modo que, ao olhar o tag, é possível saber qual é a planta e a
área que se encontram dentro do processo.
O tag utilizado para identificar o CLP, que representa a qual CPU do sistema o
instrumento, equipamento ou malha de controle está associado, contém a sigla da área.
Nesse caso, o tag sempre foi o 5010-CP-001, no qual os números “5010” representam a
planta de ácido sulfúrico.
32
Para cada equipamento, instrumento e malha de controle foi feito uma descrição com o
objetivo de facilitar a localização dos mesmos dentro de cada área. Além disso, os
endereços físicos associados ao CLP também foram inclusos na análise do sistema. Esse
endereçamento na etapa de análie do sistema facilitará o desenvolvimento da
configuragção de hardware do sistema que será apresentado adiante.
Há uma observação para os equipamentos (Relés, Inversores, Soft-Starter) e remotas do
sistema. Esses tiveram em suas descrições a indicação do nó ou posição na rede
Profibus-DP em que se encontram, também com o objetivo de facilitar a configuração
do hardware do sistema.
3.3.2 CONFIGURAÇÃO DE HARDWARE
Nessa etapa do projeto, foi desenvolvida a configuração de hardware do sistema.
A configuração de hardware é uma lista do hardware necessário para atender a todas as
malhas e funções de controle e aquisição de dados necessários e sua instalação (BEGA
et al, 2006).
O software HW Config, dentro do SIMATIC Manager, possui uma biblioteca grande de
equipamentos (Relés, Inversores, Soft-Starter, Multimedidores), CPU´s, remotas,
cartões de Input/Output (I/O), entre outros, ou seja, tudo que é necessário para que o
hardware do sistema seja configurado.
A CPU utilizada no projeto foi a CPU 417- 4. Duas saídas de rede Profibus-DP foram
utilizadas no projeto, uma para remotas (ET 200M – IM153-2) e outra para os
equipamentos do CCM (Relés, Inversores, Soft-Starter e Multimedidores).
A forma de configuração é simples. Basta localizar o dispositivo na bibioteca e arrastar
para a área de configuração.
33
Na figura 15 apresenta-se a interface de configuração de hardware do software HW
Config.
Figura 15: Configuração do hardware.
Fonte: SIEMENS, 2004.
Para cada remota, foram configurados sua fonte de alimentação, cartão de entrada
digital, saída digital, entrada analógica e saída analógica.
Para cada cartão, foram desenvolvidos os “simbólicos” para cada endereço físico. Dessa
forma, na hora de programar o sistema, fica mais fácil referenciar o instrumento,
equipamento ou malha de controle pelo símbolo do que pelo endereço físico.
A elaboração do “simbólico” fica simples, uma vez tendo feito a análise do sistema.
Na figura 16 a elaboração do simbólico para o cartão de saída digital DO8xDC24V/2A
é apresentado.
34
Figura 16: Elaboração do simbólico para saídas digitais.
Fonte: SIEMENS, 2004.
Para os cartões de entrada digital, entrada analógica e saída analógica a elaboração do
“simbólico” segue o mesmo esquema.
Já os equipamentos foram endereçados na rede Profibu-DP de acordo com uma faixa
ajustada para cada grupo de equipamentos e esse grupo está de acordo com os
equipamentos da rede. A tabela 5 apresenta a faixa de memória do CLP para cada grupo
de equipamentos.
Tabela 5: Endereçamento rede Profibus-DP.
Fonte: Solution Engenharia de Automação, 2012.
A forma de configuração dos equipamentos segue a mesma lógica. Basta localizar o
equipamento na bibioteca e arrastar para a área de configuração.
35
Cada equipamento tem um endereço único na rede Profibus-DP. Esse endereço é
definido pelo nó da rede. Para configurar os equipamentos na rede, é importante seguir
os nós e a faxa de memória do CLP definidos no projeto.
Para os equipamentos (relés, inversores e soft-starter) também foram criados os
simbólicos seguindo o mesmo esquema dos instrumentos mostrado na figura 16.
3.3.3 DESENVOLVIMENTO DO SISTEMA SUPERVISÓRIO
Nesta etapa do projeto, foi desenvolvido o sistema supervisório.
3.3.3.1 Telas
As telas foram desenvolvidas obedecendo a uma estrutura hierarquizada onde, a partir
da tela principal, abrem-se as demais telas secundárias. As telas de cada circuito
representam o fluxograma do processo, onde são indicados os valores das variáveis de
processo, controladores PID, status dos equipamentos, etc.
O formato padrão para as telas consistem em três partes:
- Barramento de Navegação Superior;
- Barramento de Navegação Inferior;
- Tela Sinótica.
36
Na figura 17 apresenta-se o formato padrão de apresentação das telas.
Figura 17: Formato de apresentação das telas.
Fonte: Solution Engenharia de Automação
O desenvolvimento das telas sinóticas foram feitos a partir dos diagrams PI&D
fornecidos pelo projeto básico de engenharia. As telas foram desenvolvidas no software
WinCC da Siemens. Para a planta de ácido sulfúrico, foram desenvolvidas sete telas
sinóticas. São elas: fusão e filtração de enxofre, tanque de enxofre filtrado, estocagem
de ácido sulfúrco, economizadores, circuito de gás, desmineralização e sistema de
desmineralização. Cada tela representa uma área da planta de produção de ácido
sulfúrico.
Uma base de dados foi criada relacionando os tags do sistema de supervisão com os
seus respectivos tags do sistema de controle. Este processo foi realizado para poder
indicar ao operador, por exemplo, o real estado dos equipamentos, as indicações de
leituras de instrumentos vindas do campo, alarmes, etc. No sistema PCS 7 a base de
dados do sistema supervisório é idêntica a base de dados do CLP pois ela foi gerada de
forma automática.
37
3.3.3.2 Esquema de cores
A seguinte lista de cores apresentada nas tabelas 6, 7 e 8 foi utilizada para representar o
estado dos equipamentos na configuração do sistema de supervisão:
Tabela 6: Padrão de cores dos motores.
Fonte: Solution Engenharia de Automação.
Tabela 7: Padrão de cores das válvulas.
Fonte: Solution Engenharia de Automação.
38
Tabela 8: Padrão de cores dos alarmes.
Fonte: Solution Engenharia de Automação.
3.3.3.3 Faceplates
Faceplates são as janelas típicas de cada equipamento nas quais se encontram todas as
informações específicas desse equipamento para que seja possível realizar sua operação
e diagnóstico.
Os faceplates representam os seguintes equipamentos: janelas dos motores, janelas das
válvulas, janelas das variáveis analógicas e janelas dos controladores PID. Na figura 18
apresenta-se o faceplace para os motores.
Figura 18: Janela de motores.
Fonte: Solution Engenharia de Automação, 2012.
Para os demais equipamentos, os faceplates seguem o mesmo perfil, porém com
características específicas de cada equipamento.
39
3.3.4 ELABORAÇÃO DO SOFTWARE
Nesta etapa do projeto, foi elaborado o software do sistema de controle.
Através dos Continuous Function Chart (CFC´s) , foram configuradas todas as lógicas
de programação dos equipamentos e grandezas analógicas presentes no campo.
Para o desenvolvimento desse projeto, foram utilizados os blocos PID, motor, válvula e
analógica da biblioteca Siemens.
A seguir, na figura 19, é apresentado o bloco de programação do PID e as tabelas 9 e 10
explicam as entradas e saídas do bloco.
Figura 19: Bloco de programação PID.
Fonte: Solution Engenharia de Automação, 2012.
40
Tabela 9: Entrada do bloco controle.
Fonte: Solution Engenharia de Automação.
Tabela 10: Saída do bloco controle.
Fonte: Solution Engenharia de Automação.
Para os demais equipamentos (motor, válvula e grandeza analógica), o bloco de
programação CFC segue o mesmo esquema, porém com características específicas de
cada equipamento.
3.3.4.1 Lógica dos equipamentos
Na plataforma de programação do PCS7, cada equipamento (motor, válvula, correia,
etc) é representado por um CFC. Dentro do mesmo, foi desenvolvida toda sua lógica
típica, contemplando as seguintes informações:
- Acionamento típico;
- Intertravamentos (proteção, permissão e processo);
- Interface com dispositivo de acionamento (relé, inversor e outros);
- Variáveis Analógicas (corrente).
41
- Interface com I/O (Input/Output) externos (liga e desliga local).
Essas informações estão divididas dentro de cada CFC da seguinte forma:
A plataforma possui seis quadros para divisão da programação dentro do CFC e cada
quadro é responsável por uma parte da programação, de modo a deixar mais fácil o
entendimento e a programação.
Na figura 20 apresenta-se a lógica dos equipamentos no CFC.
Figura 20: Lógica dos equipamentos no CFC.
Fonte: Solution Engenharia de Automação.
- Acionamento típico – contempla o bloco de acionamento do equipamento de acordo
com o endereço físico do mesmo.
Ex: Partida direta, Partida Reversa, Inversor e Soft Starter.
42
- Intertravamentos – esse quadro é responsável por todos os intertravamentos atuantes
no equipamento.
- Interface com dispositivo de acionamento – nesse quadro tem-se a divisão de todas as
entradas e saídas pertencentes ao dispositivo eletrônico de acionamento do
equipamento.
- Variáveis analógicas – esse quadro deverá contemplar todas as informações analógicas
do equipamento.
- I/O externos – são entradas e saídas que estão relacionadas ao equipamento, mas a
informação é fornecida por I/O´s via remota de campo.
EX: Liga e Desliga local.
Na figura 21 apresenta-se a interface de programação utilizando blocos CFC.
Figura 21: Interface de programação utilizando blocos CFC.
Fonte: SIEMENS, 2014d
43
A programação utilizando CFC não é complexa. Basta arrastar o bloco que é necessário
utilizar (equipamentos, portas analógicas, etc) da biblioteca para a área de programação.
É uma forma de programação gráfica na qual os blocos precisam ser ligados e
parametrizados.
A partir de diagramas lógicos, todos os intertravamentos do sistema foram
programados. Os diagrams lógicos foram fornecidos por uma empresa que realiza o
projeto básico de engenharia. Eles utilizam informaçãoes espefícas do processo e são
extremamente importantes para a segurança do mesmo. Na figura 22 abaixo, um
exemplo típico de intertravamento desenvolvido no projeto é apresentado.
Figura 22: Intertravamento típico.
Esse intertravamento ocorre na área de fusão e filtração do enxofre na planta de ácido
sulfúrico. Nesse caso, se o nível do tanque 5005-TK-002 for menor que um determinado
nível estabelecido pelo projeto, a bomba 5005-PP-002 é desligada pelo sistema.
A programação para os outros equipamentos (correias, motores, aquecedores, malhas de
controle, válvulas, etc) são implementados de forma semelhante à descrita acima.
44
4 RESULTADOS
Após todo o sistema ter sido configurado, os equipamentos, instrumentos e as malhas
de controle devidamente programados, foram importados para suas respectivas telas do
sistema supervisório e posicionados corretamente. Como resultado, a planta de ácido
sulfúrico gerou áreas que são apresentadas nas figuras 23 a 30.
Fusão e Filtração de Enxofre:
Figura 23: Fusão e filtração de enxofre.
Nesta área, o enxofre é fundido e posteriormente passa por dois filtros para que as
impurezas sejam retiradas. Os equipamentos podem ser operados e seus estados
visualizados de forma remota. Além disso, os instrumentos permitem a visualização das
variáveis do processo em tempo real.
45
Tanque de Enxofre Filtrado:
Figura 24: Tanque de enxofre filtrado.
Esta área representa o tanque de enxofre filtrado. Aqui também os equipamentos podem
ser operados e seus estados visualizados de forma remota. Além disso, os instrumentos
permitem a visualização das variáveis do processo em tempo real.
46
Estocagem de Ácido Sulfúrico:
Figura 25: Estocagem de ácido sulfúrico.
Esta área representa o tanque de estocagem de ácido sulfúrico. Aqui, as quatro bombas
podem ser monitoradas e operadas da sala de controle. Além disso, o nível do tanque
pode ser monitorado.
47
Economizadores:
Figura 26: Economizadores.
Esta área representa os economizadores e caldeira de recuperação de calor e
superaquecedor. Aqui, diversos transmissores monitoram as condições de temperatura
no desaerador 5025-DS-001 e nível no vaso 5010-VA-001 o que garante segurança para
o funcionamento do sistema.
48
Circuito de Gás:
Figura 27: Circuito de gás.
Esta área representa o circuito de gás contendo a torre de secagem e o queimador de
enxofre. Aqui também os equipamentos podem ser operados e seus estados visualizados
de forma remota. Além disso, os instrumentos permitem a visualização das variáveis do
processo em tempo real.
49
Desmineralização:
Figura 28: Desmineralização.
Esta área representa o sistema de demineralização da água. As sete bombas desta área
podem ser operadas da sala de conrole e o nível dos tanques monitorados através dos
transmissores de nível.
50
Sistema de desmineralização:
Figura 29: Sistema de desmineralização.
Esta área também representa o sistema de demineralização da água. As diversas bombas
desta área podem ser operadas da sala de conrole e o nível do tantque 5025-TK-001 é
monitorado através do transmissores de nível.
51
Sistema de desmineralização:
Figura 30: Sistema de desmineralização.
Esta área também representa o sistema de demineralização da água. As três bombas
desta área também podem ser operadas da sala de conrole.
52
5 CONCLUSÃO
O desenvolvimento do sistema de controle e supervisão para uma indústria de grande
porte como a indústria de produção de fertilizantes apresentada no trabalho envolveu
bastante tempo pois foram muitos parâmetros para serem programados e configurados.
A plataforma híbrida de controle de processos PCS 7 da Siemens mostrou-se uma
ferramenta eficiente para o desenvolvimento do sistema, possibilitando um projeto
conciso do sistema de controle e supervisão da planta de produção de ácido sulfúrico.
Por ser uma plantaforma híbrida, foi possível trabalhar no desenvolvimento do sistema
de controle de forma paralela com o sistema de supervisão, o que otimizou o tempo de
desenvolvimento. A integração e comunicação desses dois sistemas ocorreu de forma
eficaz no PCS7.
53
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