TCC - Corrigido-Paulo - Universidade de São Paulo
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1. o da altura 3 3 2 Transmissor de press o absoluto Este transmissor muito importante para o experimento pois com os dados enviados deste equipamento para o CLP realiza o controle a fim de obter uma press o ideal no interior da caldeira tamb m podendo ter seguran a de que a press o n o atinja valores fora dos permitidos dentro do padr o do projeto evitando assim acidentes O princ pio de funcionamento desse sensor capacitivo igual ao mostrado para o transmissor de press o diferencial LD303 A nica diferen a entre estes dois equipamentos que em um dos lados da c lula capacitiva citada no item 3 3 1 conectada uma c mara de v cuo que se torna a refer ncia de zero absoluto O equipamento usado do fabricante Endress Hauser modelo PMC 731 e pode ser visualizado na figura 13 3 Figura 13 Transmissor de Press o Absoluta 5 3 3 3 Transmissor de Temperatura O TT303 ilustrado na figura 14 o transmissor de temperatura aplicado ao experimento e tem como fun o a interpreta o dos sinais anal gicos provenientes dos Termopares ou RTDs termo resist ncias Sua opera o aceita geradores de sinal de mV com valores numa faixa de entrada de 50 a 500 mV e resist ncia entre 0 a 2000 Ohms respectivamente 23 Figura 14 Transmissor de Temperatura TT303 4 No caso deste projeto ser usado com um sensor termopar e este conectado ao transmissor de temperatura no terminal indicado2. cabo de sinal digital ainda interessante focar o detalhe que a uni o dos blocos PC LC e TC constituem o CLP para este sistema no qual se realiza toda a l gica de controle e acionamentos de abertura das v lvulas entrada e sa da assim como abertura e fechamento do contator de modo a manter o funcionamento da caldeira dentro dos crit rios estabelecidos no projeto sendo descritos no item 2 3 2 2 Diagrama da Rede O diagrama de rede uma ferramenta importante para o projeto de um controle autom tico pois depois de definidas as quantidades de transmissores e sensores utilizados no projeto pode se ent o visualizar com clareza as redes de comunica es existentes de acordo com os equipamentos escolhidos tamb m podendo realizar uma pr analise do diagrama de rede realizando assim poss veis trocas de transmissores para facilitar a comunica o dos dados Esta facilidade pode ser notada neste projeto pois foram utilizados apenas transmissores com o protocolo Profibus PA A figura 2 representa os tipos de comunica o assim como os n veis hier rquicos da automa o deste projeto iniciando pelos transmissores e chegando ao CLP CARTAO PROFIBUS DP CONEXAO SERIAL PROFIBUS DP TERMINADOR PROFIBUS PA DE LINHA ACOPLADOR LINK PA DP Figura 2 Diagrama de rede do Projeto 2 3 L gica de Controle do CLP Para o funcionamento do CLP necess ria a presen a de um programa que define a l gica do c
3. equipamentos come aram a mostrar uma versatilidade e praticidade muito maior que os pain is antigos apesar de no in cio serem r sticos na sua estrutura de programa o Com seu aprimoramento constante foram realizadas mudan as significativas como a variedade de tipos de entradas e sa das o aumento da velocidade de processamento a inclus o de blocos l gicos complexos para tratamento das informa es e principalmente o modo de programa o e a interface com o usu rio que foram sendo cada vez mais aceitos nos setores industriais 3 2 2 Princ pio de Funcionamento A atua o de um controlador pode ser representada graficamente como um fluxo de informa es entre m dulos com fun es distintas Na figura 10 um m dulo de monitora o obt m uma informa o proveniente do processo e envia ao controlador este procedimento pode conter v rias etapas O controlador recebe esta informa o toma decis es e comunica a um elemento final a a o a ser tomada que por sua vez interfere em alguma condi o de processo a fim de control lo corretamente seguindo o programa do usu rio O princ pio de funcionamento do CLP segue uma rotina de varredura do programa para a atualiza o das entradas e ajustes na sa da como pode ser visualizado na representa o simplificada da figura 10 18 Processo Figura 10 Sistema de Controle 3 As subse es seguintes listam a sequ ncia de funcionamento de um CLP 3 2 2 1 I
4. tricos de Vapor de gua H uma vasta aplica o de caldeiras el tricas de vapor de gua nos diversos setores industriais Aqui est o alguns setores que o utilizam em seu processo produtivo e Ind stria t xtil e Industria do fumo e Industria de papel e celulose e Industria qu mica e farmac utica e Industria de refrigerantes e Industria metal rgica e Industria automobilistica e Hospitais e Centrais nucleares e Industria aliment cia e Industria vin cola sucos de frutas cervejarias e Industria de conservas chocolates e Industria de pl stico borracha e Apoio a sistemas que utilizam energia solar para aquecimento de gua e Calefa o entre outros 17 3 2 INTRODUGAO AO SISTEMA DE CONTROLE 3 2 1 Hist rico dos CLP s O Controlador L gico Program vel CLP foi criado praticamente dentro da ind stria automobil stica americana especificamente na Hydronic Division da General Motors em 1968 devido a grande dificuldade de mudar a l gica de controle nos pain is de comando a cada altera o na linha de montagem Tais mudan as implicavam em altos gastos de tempo e dinheiro Sob a lideran a do engenheiro Richard Morley foi preparada uma especifica o que refletia as necessidades de muitos usu rios de circuitos reles n o s da ind stria automobil stica como de toda a ind stria manufatureira 3 Foi devido a esta necessidade de mercado que foram criados os CLP s pois estes
5. 22 Figura 14 Transmissor de Temperatura TT 303 2 c ceccsceceeeeeeee sense eee sense eee sense eee eeeeeeeeeeeeeeeeeenebees 23 Figura 15 Conex o COMO termopar araztera araiarraren arar 23 Figura 16 Termopal AE 24 Figura 17 Contator Weg KAE EAO EEA EEA A E EE dat yee oe ees 24 Figura PRA Sa aA 25 Figura 9 Valvulava SOISNOING AAE 25 Figura 20 Valvula de seguran a ateta Ta Ea eG oe oo 26 Figura 21 CLP Master K 1205 da AA 26 LISTA DE TABELAS Tabela 1 Classifica o das Caldeiras rss 14 vi SUMARIO RESUMO ak GANE AE EEA AEk aa eda iii ASe EAEE iv 1 INTRODU O AEA 1 1 1 gla 2 2 A zapel IE eugi aT 3 21 Diagrama GU gues EAEE 3 22 Diagrama da RAG AAE 5 2 3 Logicade Controle do ga BEE 6 2 3 1 Controle da Press o ssa ada sea OARS 6 2 3 2 eela ie za de NINE a atada assess api teed a SU A a aa themed 7 2 3 9 Controle da lemperatura sas dba ES SS ees 8 2 3 4 IntertiavameMO ssa ese A RA toe Eta AR a Rd nd a 9 2 4 Procedimentos de Montagem rrura 10 2 4 1 Montagem da Caldeira akarra aa aiak ebake 10 3 EQUIPAMENTOS ESOP TW VAR aa rea eth nahn akreko 13 Ol EU ETE ex sss ia aea atakia a 13 3 1 1 Classifica o das Caldeiras Segundo suas DITSTSOOS ra 14 3 1 2 Tipos de Caldeiras El tricas de Vapor de AGS a 15 3 1 3 Aplica es dos Geradores El tricos de Vapor de AGU 16 3 2 INTRODU O AO SISTEMA DE CON ROLE a 17 3 2 1 IEOS Ko OAO BSE 17 3 2 2 Princ pio de FUNCIONAMENTO AAA 17 3 2 3 Capacidade de aea e
6. na figura 15 FONTE DE ALIMENTA O E COMUNICA O TERMINAIS DA REDE FIELDBUS TERMINAIS JS TERRA TERMINAIS TERMINAIS DE DO S SENSORIES COMUNICA O AUXILIAR Figura 15 Conex o com o termopar 6 Abaixo tem se algumas caracter sticas do TT303 6 e Exatid o de 0 02 e Lineariza o de RTDs e Termopares embutidos e Ajuste local de zero e span e Calibra o remota via HHT ou via PC e Indica o digital alfanum rica e Isola o de sinal e Profibus PA e Auto diagn stico e Entrada universal aceita v rios termopares RTDs mV e Ohm e Corrente de consumo de 12 mA e Integra o ao Simatic PDM 24 3 3 4 Termopar Os termopares como pode ser visto na figura 16 sao elementos sensores de temperatura largamente empregados na industria principalmente por oferecerem robustez baixo custo e opera o em uma grande faixa de temperaturas Tais sensores baseiam se no efeito termoel trico descoberto por Thomas Seebeck em 1821 no qual um par de condutores de ligas distintas soldado as suas extremidades Sendo uma chamada junta quente ou junta de medi o que fica acoplada no ponto onde desejamos medir ou controlar a temperatura A outra extremidade chamada junta fria ou junta de refer ncia ligada ao instrumento A diferen a de temperatura entre estas extremidades gera uma determinada tens o 7 q Figura 16 Termopar 3 3 5 Contator O contator uma chave de norma
7. o destas v lvulas que ap s a entrada de gua no bulbo o aquecimento gere uma press o maior que a da gua proveniente do sistema de abastecimento local sendo assim v lvula anti retorno da entrada do bulbo se fecha deixando a press o interna do mesmo subir Quando a press o interna do bulbo for maior que a press o interna da caldeira a v lvula anti retorno presente entre o bulbo e a caldeira permitir a passagem de gua e isto acontecer at que a press o da caldeira volte a ser maior que a press o no bulbo Sendo assim foi determinado o fluxo da gua conforme indicado na figura 7 11 Figura 7 Diagrama de fluxo da caldeira Para a realiza o dos experimentos com maior facilidade e seguran a foi necess ria a fixa o desta caldeira numa base met lica assim como a montagem de todo o isolamento da caldeira com um revestimento de Lexan um pol mero de alta resist ncia a choques mec nicos Na figura 8 segue a fotos da caldeira sem nenhum equipamento acoplado e na figura 9 o a caldeira j enclausurada Figura 9 Caldeira enclausurada 12 13 3 EQUIPAMENTOS E SOFTWARE Este cap tulo aborda a descri o dos equipamentos e softwares para o melhor entendimento das decis es tomadas ao longo do projeto A caldeira por ser o equipamento que se deseja controlar instalando se toda a malha de controle por meio de transmissores e equipamentos de intertravamento e seguran a teve inicialmente um estudo
8. sobre a M0051 que uma mem ria interna do CLP que esta na ultima linha da figura 3 desligando a resist ncia Essa mem ria ainda ser utilizada em outros trechos do programa como no item 2 3 2 A figura 3 o trecho de l gica em ladder desenvolvido a fim de exercer a fun o de controlador de press o SAIDAS P0041 VALVULA DE SA DA P0040 ACIONAMENTO DA RESIST NCIA MEM RIA D0001 PRESS O ABSOLUTA E M0051 MEMORIA INTERNA lt D0001 00010 RST P0041 gt D0001 00020 SET P0041 gt D0001 00025 SET M0051 M0051 RST P0040 Figura 3 L gica Ladder para press o 2 3 2 Controle de N vel Utilizando o mesmo esquema criado para o controle de press o desenvolveu se o controle de n vel no entanto com as devidas modifica es como a mem ria que agora D0002 ou seja a entrada do medidor de press o diferencial previamente trabalhada para indicar o n vel correto da gua no interior da caldeira Assim tem se novamente um conjunto de comparadores sendo que estes atuam diretamente na v lvula de entrada da caldeira O primeiro deles energiza a fun o set P0042 ao detectar um n vel de coluna de gua inferior a 35 mm abrindo a v lvula de entrada o segundo comparador inserido ao programa a fim de garantir que caso n o exista gua a resist ncia n o permane a ligado o que a danificaria portanto aciona a fun o set M0051 quando o n vel de gua for inferior a 25mm A terceira linha desliga na v lvula de entra
9. PAULO HENRIQUE TOLEDO DE OLIVEIRA E SOUZA ESTUDO E DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA INTELIGENTE DE CONTROLE DE UMA PLANTA PILOTO Trabalho de Conclusao de Curso apresentado a Escola de Engenharia de Sao Carlos da Universidade de Sao Paulo Curso de Engenharia El trica com nfase em Sistemas de Energia e Automa o ORIENTADOR Prof Dr Dennis Brand o S o Carlos 2007 il AGRADECIMENTOS Agrade o a minha fam lia pelo apoio durante o todo curso aos amigos com os quais estive durante a maior parte dos cinco anos de gradua o e tamb m gostaria de agradecer queles que participaram diretamente da elabora o do meu projeto de conclus o de curso Professor Doutor Dennis Brand o idealizador do projeto T cnico do Laborat rio de Eletr nica Embarcada Jaime Marini Junior auxiliou no entendimento e montagem do CPL T cnico de Manuten o Rui Bertho auxiliou na montagem do equipamento Graduando Gustavo de Oliveira de Souza Santos cooperador no projeto Graduando Herivelto Cordeiro dos Santos auxiliou na configura o da rede profibus Graduando Andr Farah Sabe respons vel pela estrutura de Lexan iii RESUMO Este projeto consiste no desenvolvimento de um sistema de controle autom tico que tem sua base em um programa de CLP Controlador L gico Program vel que foi desenvolvido em l gica ladder IEC 61131 3 com a fun o de atuar sobre uma planta deixando a est vel e segura Tal sistema de controle atua so
10. RITIVO DE EQUIPAMENTOS 3 3 1 Sensor de press o diferencial Com o uso desta ferramenta poss vel saber com exatid o o n vel de gua dentro da caldeira muito importante para o controle do sistema evitando assim que esta fique vazia e danifique a resist ncia ou fique cheia o que pode gerar um aumento excessivo da press o O dispositivo utilizado no experimento do fabricante Smar modelo LD 303 conforme ilustrado na figura 11 Figura 11 Sensor de Press o Diferencial LD303 4 Segue abaixo os dados fornecidos pelo fabricante 4 e Exatidao de 0 04 e Faixa de opera o 0 a 40 MPa 0 a 5800 psi e Press o est tica de at 52 MPa 7500 psi e Parametriza o e calibra o remota e Lineariza o para tanque e Indica o digital alfanum rica e Unidade do usu rio configur vel e Ajuste local configur vel e Protocolo de comunica o PROFIBUS PA e Corrente de consumo de 12mA e Integra o ao Simatic PDM A figura 12 mostra o esquema da c lula capacitiva O funcionamento do LD303 utiliza a 21 medi o de press o por leitura capacitiva e realizado da seguinte forma 1 Diafragma Sensor 1 l bd Diafragma Isolador 2 Fluido de Enchimento 3 H Cer mica We d k Superficie Metalizada 4 Figura 12 Esquema interno do Sensor 4 Vidro A o No centro da c lula est o diafragma sensor 1 Este diafragma flexiona se em fun o da diferen a de press es apl
11. a e um sinal de contato aberto para um n vel abaixo do estipulado pela haste maior 10 2 4 Procedimentos de Montagem Para iniciar as pr ticas laboratoriais houveram v rias etapas pois o equipamento n o estava montado e n o havia nenhum espa o f sico reservado e devidamente seguro para receber os testes Com esta situa o foi necess ria aloca o do equipamento no laborat rio de automa o e juntamente com isso foi verificada a real necessidade de isolar o equipamento do contato humano pois a caldeira em ocasi es de falha ou mesmo em press es nominais oferece risco de queimaduras ou at explos es e esta uma preocupa o que deve ser avaliada em qualquer circunst ncia tanto num laborat rio quanto no ch o de f brica Partindo dessas como as premissas para o in cio do trabalho os processos realizados s o descritos nas subse es seguintes 2 4 1 Montagem da Caldeira Para a montagem foi necess rio obter um conhecimento do funcionamento de uma caldeira de pequeno porte conhecendo o fluxo da gua e do vapor no interior desta caldeira em particular Um ponto bastante intrigante do projeto a entrada de gua em um vaso com press o sem que seja utilizado uma bomba de press o A solu o encontrada para esta caldeira foi a utiliza o de duas v lvulas anti retorno que s o instaladas antes da entrada de gua no bulbo e outra entre a sa da de gua no bulbo e a entrada de gua na caldeira A fun
12. a entrada de corrente Os contra eletrodos s o montados solidamente fixados ao casco da caldeira A corrente el trica passa atrav s da gua na parte inferior da caldeira entre o eletrodo e o contra eletrodo aquecendo a gua e produzindo vapor que sobe S o supridas em baixa e em alta tens o possuem elevado rendimento t rmico podendo produzir elevadas vaz es de vapor Operam com press es que variam de 5 a 20 kgf cm2 1 Caldeiras El tricas tipo Jato de gua A gua colocada na parte inferior do corpo da caldeira injetada por uma bomba de circula o interna at a parte superior da mesma na qual est o montados aspersores de gua Os diversos jatos de gua formados pelos aspersores fluem por gravidade contra os eletrodos criando diversos caminhos para a passagem de corrente el trica Os tr s eletrodos ou tr s grupos de eletrodos correspondentes a cada fase s o dispostos verticalmente em c rculo rodeando a parte superior da caldeira na parede da qual est o montados os conjuntos de injetores 16 As press es de trabalho variam de 5 a 30 kgf cm2 Facilidade de controle desde 0 a 100 de carga uma vez que os primeiros jatos liberados sao os da parte superior do coletor central com uma boa press o est tica O tempo de partida a frio muito curto n o necessitando pr aquecimento de gua 1 Essas caldeiras possuem v rias aplica es e o item 3 1 3 descreve algumas 3 1 3 Aplica es dos Geradores El
13. a evolu o resultado da melhora da tecnologia de fabrica o e Ado o de solda nos engates jun es etc e Uso de paredes estreitas formada por tubos soldados 15 e Redu o do di metro interno dos tubos e Integra o do recuperador de calor e Automa o dos processos de fabrica o Para a gera o de vapor existem caldeiras de v rios tipos que ser o brevemente definidas no item 3 1 2 3 1 2 Tipos de Caldeiras El tricas de Vapor de gua S o tr s os tipos fundamentais de geradores el tricos para gera o de vapor de gua abaixo seguem suas caracter sticas principais Caldeiras El tricas tipo Resist ncia S o caldeiras nas quais o calor dissipado por efeito Joule das resist ncias imersas aquecendo a gua S o ideais para unidades de pequeno porte onde baixa a necessidade de vapor em m dia 3 500 kg h Quanto a press o de trabalho pode variar at 20 kgf cm2 O rendimento do gerador el trico de vapor muito elevado em uma faixa de 95 a 99 5 O controle de carga nos geradores el tricos de vapor resist ncia feito por sensores de press o produ o de vapor e de temperatura aquecimento de gua quando estas tiverem pequena capacidade 1 Caldeiras El tricas tipo Eletrodo Submerso S o constitu das basicamente por tr s eletrodos adequadamente dispostos um por fase montados verticalmente e suportados na parte superior da caldeira por meio de buchas isolantes n
14. amento baseado na aplica o da for a de uma mola contra um mbolo no interior da caldeira caso a press o interna seja maior que a for a da mola ocorre a vaz o for ada de vapor da gua Figura 20 V lvula de seguran a 3 3 10 Controlador L gico Program vel o equipamento que recolhe todos os dados e realiza toda a l gica de controle de acordo com os requisitos do projeto constitu do de hardware e software O hardware constitu do de um bloco nico sua estrutura comporta uma fonte interna entradas e sa das digitais e comunica o modbus O software utilizado para o M ster K o KGL WE A figura 21 mostra o modelo citado A escolha do CLP usado foi baseada em considera es sobre a facilidade na utiliza o do software e sua comunica o que se realiza sob o protocolo de comunica o industrial PROFIBUS PA conectando o cart o extra O modelo do cart o de comunica o G7L PBEA Profibus I F module Slave tamb m da empresa LG e se conecta diretamente ao base CLP Figura 21 CLP Master K 120S da LG 27T 4 CONCLUS O Para a implementa o de um projeto de controle de uma caldeira ou qualquer outra aplica o como um todo deve ser feito uma s rie de estudos iniciais sobre a o controle a ser aplicada para isso sendo requerido de in cio um diagrama de rede e um diagrama de controle Assim podendo se definir os tipos de sensores atuadores e transmissores para obter um projeto oti
15. assim um controle eficaz seguro e r pido em rela o ao antigo sistema 2 METODOLOGIA Neste capitulo ser apresentada a realiza o do projeto explicando a confec o do diagrama el trico do processo de controle da caldeira resistiva no item 2 1 o diagrama de rede utilizado para a aquisi o e envio de dados que ser explicado no item 2 2 o desenvolvimento da l gica de controle e inter travamentos do projeto explanados nos itens 2 3 al m de descrever alguns procedimentos para a montagem da caldeira na bancada de testes e seu enclausuramento em um recipiente de prote o no item 2 5 2 1 Diagrama El trico Nos processos de automa o industrial para se obter uma boa vis o do mesmo como um todo inicia se o projeto com a elabora o de um diagrama el trico Este procedimento ajuda a identificar os dispositivos de campo requeridos e tamb m deixa claro quais os pontos que necessitam maior aten o para a seguran a da opera o A partir do desenho tamb m poss vel determinar quantos aparelhos anal gicos ou discretos ter o no processo Para a confec o do diagrama foi necess rio um estudo detalhado da norma internacional ANSI ISA S5 1 1992 para que a nomenclatura utilizada mantenha o padr o de qualquer projeto em automa o de escala industrial O resultado deste estudo o diagrama mostrado na figura 1 Se ee q ga ee ee ee e q err rr rz Bib zn ETE SE a Contator Figura 1 Diagrama
16. bem detalhado de suas caracter sticas tipos e aplica es e ser o descritas no item 3 1 O CLP o equipamento que executa o efetivo controle das vari veis do processo conforme explicado no item 2 3 portanto realizou se um estudo mais detalhado de seu princ pio de funcionamento e algumas caracter sticas apontadas no item 3 2 a fim de que dentre todos os seus par metros e aplica es fosse escolhido um que atendesse quilo que a planta necessita Assim torna se necess rias um esclarecimento dos equipamentos utilizados contendo as especifica es de fabrica o e princ pios de funcionamento de acordo com a import ncia de cada um no processo esses ser o descritos no item 3 3 3 1 Caldeiras A gera o de vapor feita pelo aquecimento de gua contida em um recipiente fechado caldeira que ao atingir o estado de vapor direcionada e controlada atrav s de v lvulas e canaliza es para os devidos fins de utiliza o 1 Caldeira um recipiente met lico cuja fun o a produ o de vapor atrav s do aquecimento da gua As caldeiras em geral s o empregadas para alimentar m quinas t rmicas autoclaves para esteriliza o de materiais diversos cozimento de alimentos atrav s do vapor ou calefa o ambiental 1 As caracter sticas das caldeiras s o 1 e Pot ncia t rmica espec fica kcal kg e M xima press o operativa bar e Temperatura e press o do fluido e Superf cie aquecida usada pa
17. bre uma caldeira de pequeno porte que antes era utilizada em uma m quina de caf industrial visando um controle mais preciso e eficiente no entanto como determina se em quest o de seguran a fora reelaborado o sistema de inter travamento eletro mec nico em caso de falha do sistema el trico outro ponto bastante interessante do projeto Ainda em respeito a seguran a dos usu rios foi desenvolvida uma estrutura destinada a enclausurar a caldeira visando mant la isolada durante os testes garantindo assim que o escape indevido de vapor ou disparo de uma v lvula de seguran a possa ferir algu m Garante se tamb m que durante a elabora o da l gica do CLP buscou se um inter travamento el trico e espera se que esse seja mais r pido na atua o e mais simples de ser modificado em caso de necessidade em rela o ao eletro mec nico Palavras Chave Sistemas de Automa o Prote o Operacional Inter travamento Profibus L gica Ladder Caldeira ABSTRACT This project is the development of an automatic control system that has it base in a program of PLC Programmable Logic Controller which was developed in ladder logic IEC 61131 3 with the function of acting on a plant leaving it stable and secure This control system operates on a small boiler that before was used in a industrial coffee machine aiming very precise control and efficient however determines in a concerned security was rethought the system o
18. da de gua assim que o LD303 indicar um nivel superior a 150mm garantindo a estabilidade do sistema Ainda nessa parte foi adicionada a l gica a entrada de detec o de n vel alto de gua inibindo a a o do primeiro comparador e assim deixando livre para que o controle possa desligar a entrada de gua Tal trecho da l gica mostrado na figura 4 SAIDAS P0042 VALVULA DE ENTRADA P0040 ACIONAMENTO DA RESIST NCIA MEM RIA D0002 COLUNA DE GUA AFERIDA POR PRESS O DIFERENCIAL E M0051 MEMORIA INTERNA ENTRADA Pl NIVEL ALTO DE GUA DETECTADO PELA HASTE P0001 lt D0002 00035 SET P0042 lt D0002 00025 SET M0051 gt D0002 00150 RST P0042 Figura 4 L gica ladder de controle de nivel 2 3 3 Controle da temperatura Com a utiliza o de uma entrada digital que indica a temperatura vinda do TT303 e armazenada na mem ria D0003 utilizou se novamente tr s comparadores para que fosse desenvolvido um sistema de acionamento da resist ncia on off que funciona da seguinte maneira Enquanto o segundo comparador n o identificar uma temperatura maior que 105 graus Celsius n o energizar a linha em que foi colocado e assim o primeiro comparador manter a fun o set P0040 e portanto a resist ncia ligada Ao passo que o segundo comparador atuar o primeiro comparador ser desabilitado pela mem ria M0050 e a terceira linha ser habilitada pela mem ria M0052 ainda teremos a fun o rst P0040 desligando a resist ncia E
19. el trico do projeto A figura 1 mostra o diagrama el trico com todos os equipamentos utilizados para o controle autom tico onde ser o aplicados e ainda o tipo de conex o que estabelecem com os controladores e caldeira Ser o explicados abaixo os s mbolos utilizados no diagrama Sendo Os s mbolos TT transmissor de temperatura e TC controlador de temperatura Com esse conjunto torna se poss vel monitora o e controle da temperatura da planta pois o bloco de controle atua tamb m sobre o contator como demonstrado com as linhas de conex o el trica Os s mbolos LC controle de n vel e PDT transmissor de press o diferencial que juntos com a v lvula de entrada e as duas hastes de n vel m ximo e m nimo formam o conjunto que monitora e controla o n vel de gua dentro da caldeira servindo tamb m para o inter travamento proposto na l gica ladder presente no item 2 3 1 Por fim os s mbolos PC controlador de press o e PT transmissor de press o que fazem a monitora o e controle sob a v lvula de sa da como mostra o diagrama da figura 1 mantendo a caldeira dentro dos par metros estipulados por quest o de seguran a para os usu rios Para simplificar o entendimento do diagrama apresenta se ent o a defini o vinda da norma ANSI ISA S5 1 1992 que as linhas com tr s barras paralelas sobre a mesma significa que um cabo de energia el trica e que as linhas com barras paralelas e uma cruzando as significa
20. f electro inter locking in the eventual mechanical failure of the electrical system it is another very interesting point of the project In respect to safety of users was developed a structure to isolate the boiler to maintain it alone during the tests thus ensuring that the undue exhaust steam or firing of a safety valve can injure someone Also ensures that during the drafting of the logic of CLP sought to guarantee of inter locking electric and it is hoped that this is the fastest and with simple action to be modified in case of need for the electro mechanical Keywords Automation Systems Protection Operational Inter locking Profibus Logic Ladder Boiler LISTA DE FIGURAS Figura HA Diagrama eletrico do projeto AAA 4 Figura 2 Diagrama de rede do BOISEN ia ate ia wa teeta wre 6 Figuras Logica Ladder para pressao EA 7 Figura 4 L gica ladder de controle de n vel resatuaren arara 8 Figura 5 Logica ladder de controle da temperatura rara 9 Figura 6 Liga es indicador de n vel e carca a nas duas situa es de seguran a 9 Figura 7 Diagrama de fluxo da caldeira rra 11 Figura 8 Caldeira sem equipamentos acoplados rrua 11 Figura 9 eia Uga EEE gla 12 Figura 10 Sistema de Controle uaren aaa eaen 18 Figura 11 Sensor de Press o Diferencial LD303 rss 20 Figura 12 Esquema interno do Sensor rra 21 Figura 13 Transmissor de Press o Absoluta urarena aaa eio
21. icadas ao lado direito e esquerdo da c lula Essas press es s o aplicadas diretamente aos diafragmas isoladores 2 os quais fornecem resist ncia contra corros o provocada por fluidos de processos A press o diretamente transmitida ao diafragma sensor atrav s do fluido de enchimento 3 provocando a sua deflex o O diafragma sensor um eletrodo m vel As duas superf cies metalizadas 4 s o eletrodos fixos A deflex o do diafragma sensor percebida atrav s da varia o da capacit ncia entre os dois eletrodos fixos e o m vel Mede se a diferen a da press o entre dois pontos um localizado na parte lateral superior da caldeira onde ser verificado a press o do vapor de gua no interior da mesma e o outro localizado lateralmente no n vel mais baixo onde a press o aferida ser a press o do vapor de gua somada a press o que a coluna de gua exerce neste ponto Portanto subtraindo se a press o da parte inferior pela press o na parte superior poss vel obter qual a press o exercida pela coluna de gua Segundo a equa o da est tica dos fluidos a diferen a de press o tem rela o com a altura da coluna do flu do no caso a coluna de gua como pode se verificar na equa o 1 Ap pi P2 ug Ah 1 Onde Ap Varia o da press o p Press o na parte inferior p gt Press o na parte superior u e Massa espec fica do flu do 22 g Acelera o da gravidade Ah Varia
22. iza o do estado das sa das O CLP escreve o valor contido na Mem ria das Sa das atualizando as interfaces ou m dulos de sa da Este processo repetido ininterruptamente iniciando se ent o um novo ciclo de varredura 3 2 3 Capacidade de um CLP Podemos ressaltar que com a populariza o dos micros controladores e a redu o dos custos de desenvolvimento e produ o houve uma avalanche no mercado de CLP s os quais podem se dividir em 3 Nano e Micro C L P s S o CLP s de pouca capacidade de E S m ximo 16 Entradas e 16 Sa das normalmente digitais composto de um m dulo visando baixo custo por m com reduzida capacidade de mem ria 3 CLP s de M dio Porte S o CLP s com uma capacidade de Entrada e Sa da de at 256 pontos digitais e anal gicas que s o formados por um m dulo b sico expans vel Costumam permitir at 2048 passos de mem ria que podem ser interna ou externa 3 CLP s de Grande Porte Os CLP s de grande porte se caracterizam por uma constru o modular constitu da por uma Fonte de alimenta o CPU principal CPU s auxiliares CPU s Dedicadas M dulos de E S digitais e Anal gicos M dulos de E S especializados M dulos de Redes Locais ou Remotas entre outros que s o agrupados de acordo com a necessidade e complexidade da automa o Permitem a utiliza o de at 4096 pontos de E S S o montados em um rack que permite um cabeamento estruturado 3 20 3 3 DESC
23. ka sins elas hina arie 19 3 3 DESCRITIVO DE EQUIPAMENTOS rra 20 3 3 1 Sensor de press o GTSrGnGia ra 20 3 3 2 Transmissor de press o absoluto rrua 22 3 3 3 Transmissor de plaia gag 22 See elaia ei ea 24 Sos OROKO eea aketa 24 3 3 6 Indicadores de AAZ 24 3 3 7 SSO Srl EAE 25 3 3 8 V lvula de entrada de gua ZG 25 3 3 9 V lv la de Seguran a ennonn annaa aa yaaa a tarda 25 3 3 10 Controlador L gico Program vel anseia prepara halen ateitdierabatiaitelnelsdinwae 26 A CONCLUS O fps aaa aA a da aig a 27 5 REFER NCIAS BIBLIOGRAFICAS ra 28 1 INTRODU O O projeto realizado para a automatiza o da caldeira antes utilizada em uma maquina de caf expresso teve varias etapas para sua implementa o pois a caldeira encontrava se sem uso h alguns anos Sendo assim houve inicialmente a etapa estudo de caldeiras para um entendimento maior do processo de gera o de vapor grandezas de valores nominais descritas no item 1 2 para se ter uma no o da seguran a necess ria na aplica o Foi realizado tamb m um estudo pr vio dos controladores l gicos program veis CLP para uma boa utiliza o das l gicas de controle Ap s estes estudos realizou se a escolha dos equipamentos que seriam utilizados para aferi o das grandezas f sicas requeridas para o controle e que proporcionassem um seguran a na opera o dos testes na m quina seguindo alguns crit rios para suas escolhas Os crit rios baseiam se em utilizar os inst
24. lmente aberta que pode ser fechada por um sinal de tens o neste caso 220V O equipamento em quest o do fabricante WEG e pode trabalhar com uma tens o de at 380V aceitando uma corrente de at 16A O modelo utilizado pode ser visualizado na figura 17 Figura 17 Contator Weg 3 3 6 Indicadores de n vel 25 Esta caldeira tem em sua estrutura dois indicadores de nivel que sao duas hastes metalicas de cobre com 20 cm de comprimento cuja funcionalidade indicar apenas os estados cheio e vazio e seu uso foi melhor explicado na parte de inter travamentos anal gicos no item 2 3 4 3 3 7 Pressostato Ser instalado na caldeira o pressostato ilustrado na figura 18 Esse equipamento possui terminais com contatos normalmente aberto e normalmente fechado A mudan a destes estados ocorre de acordo com a press o estabelecida no pr prio aparelho por ajuste manual Figura 18 Pressostato 3 3 8 V lvula de entrada de gua e sa da Tal equipamento uma v lvula a solen ide que quando energizada com uma tens o de 220V excita a bobina movimentando um mbolo interno esse libera a passagem de gua na entrada e vapor na sa da A figura 19 mostra o modelo utilizado Figura 19 V lvula a solen ide 3 3 9 V lvula de Seguran a 26 Equipamento de seguran a utilizado para a sa da de vapor da caldeira caso a press o exceda os valores permitidos no experimento e podendo ser vista na figura 20 Seu funcion
25. mizado em v rios aspectos como custo facilidade de comunica o e manuten o No entanto deve se ressaltar a grande vantagem da utiliza o de componentes de alta tecnologia em rela o ao sistema anterior meramente eletro mec nico uma vez que este proporcionou um controle bastante fino e pass vel de novas altera es que podem gerar outros trabalhos como esse sugere se a partir do transmissor de temperatura com alta sensibilidade e precis o que o sistema receba um controle por chave tiristorizada a fim de que a temperatura seja est vel durante todo o ciclo de utiliza o Como ressalva do projeto deixa se a observa o de que todas as partes pass veis de falha de qualquer tipo devem ser constantemente conferidas permitindo assim que sejam realizados quaisquer procedimentos tanto nos equipamentos quanto na l gica aplicada no controle sem que a seguran a das m quinas e principalmente das pessoas envolvidas com o experimento seja esquecida Sendo necess ria a montagem de um revestimento da caldeira com um material que pudesse resistir choques mec nicos 28 5 REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS 1 Altafini C R Disciplina de m quinas t rmicas In Universidade de Caxias do Sul Apostila sobre caldeiras Caxias do Sul 2002 p 1 36 2 Pera H Geradores de Vapor de gua Dispon vel em lt http www em pucrs br sergio fluidotermica Cap06 Geradores de Vapor PDF gt Acesso em 02 ago 2007 3 Antonelli P L In
26. nicializa o No momento em que ligado o CLP o mesmo executa uma s rie de opera es pr programadas gravadas em seu Programa Monitor 2 e Verifica o funcionamento eletr nico da CPU mem rias e circuitos auxiliares e Verifica a configura o interna e compara com os circuitos instalados e Verifica o estado das chaves principais RUN STOP e Desativa todas as sa das e Verifica a exist ncia de um programa de usu rio e Emite um aviso de erro caso algum dos itens acima falhe 3 2 2 2 Verifica o do estado das entradas O CLP l os estados de cada uma das entradas verificando se alguma foi acionada O processo de leitura recebe o nome de Ciclo de Varredura Scan 3 2 2 3 Transfer ncia para a mem ria Ap s o Ciclo de Varredura o CLP armazena os resultados obtidos em uma regi o de memoria chamada de Memoria Imagem das Entradas e Sa das Ela recebe esse nome por ser um espelho do estado das entradas e sa das Essa memoria ser consultada pelo CLP no decorrer do processamento do programa do usu rio para o controle do processo 19 3 2 2 4 Compara o com o programa do usuario O CLP ao executar o programa do usu rio primeiramente consultando a Mem ria Imagem das Entradas atualiza o estado da Mem ria Imagem das Sa das de acordo com as instru es definidas pelo usu rio em seu programa monitorando as vari veis para que n o estejam fora dos padr es definidos anteriormente 3 2 2 5 Atual
27. ontrole usado no experimento Esta l gica possui v rios tipos de linguagens poss veis para sua programa o Uma das linguagens de programa o de CLP s mais usadas o diagrama de contatos ou linguagem ladder Ser o descritos abaixo os principais passos da l gica com seus devidos coment rios e objetivos 2 3 1 Controle da press o Atrav s de tr s comparadores faremos o controle da press o da caldeira O primeiro deles controla um n vel baixo de press o portanto assim que o PMC 731 indicar atrav s da mem ria D0001 um n vel de press o abaixo de 1 bar essa linha da l gica torna se energizada fazendo com que a fun o rst P0041 seja acionada e assim a v lvula de sa da fecha salientando que P0041 uma sa da f sica do CLP que atua na v lvula de controle de vaz o da caldeira O segundo comparador para um n vel alto e quando a press o estiver maior ou igual a 2 bar esta linha estar energizada acionando a fun o set P0041 que abre a v lvula de sa da liberando vapor E o terceiro um n vel de emerg ncia fazendo a resist ncia desarmar assim que a memoria D0001 indicar um valor acima de 2 5 bar seguindo o mesmo padr o de funcionamento dos outros dois comparadores no entanto com uma fun o voltada pra um inter travamento em caso de falha no sistema de abertura da v lvula de sa da como por exemplo um rompimento do cabo de controle ou um defeito na v lvula a solen ide Ainda faz se necess rio a explana o
28. ra radia o e convec o m2 e Carga de calor por unidade de volume no tempo kcal hm3 A pot ncia t rmica pode ser definida a partir das diferentes condi es de carga e Carga reduzida 14 e Carga normal e Maxima carga continua e Carga maxima Al m destas caracter sticas pode se classificar as caldeiras segundo suas dimens es conforme ser visto no item 3 1 1 3 1 1 Classifica o das Caldeiras Segundo suas Dimens es As caldeiras podem ser classificadas em 3 categorias b sicas de acordo com a pot ncia e press o e tamb m de acordo com a dimens o da superf cie aquecida Tabela 1 Classifica o de caldeiras 1 pequenas grandes monobloco pr fabricadas fabricadas Caracter sticas pr fabricadas adapt veis a para casos transport veis condi es espec ficos especiais Press o 20 bar 100 bar 365 bar Temperatura 450 C 920 C 655 C 3 1 1 1 Evolu o das Caldeiras Pequenas e M dias A demanda de novas caldeiras nos ltimos anos provocou um aumento do desenvolvimento tecnol gico no projeto e nos processos de sua fabrica o A evolu o responde entre outros fatores pela automatiza o dos processos de fabrica o Estas evolu es podem ser resumidas como 2 e Aumento da pot ncia t rmica de cada unidade e Aumento da press o e temperatura de trabalho e Aumento do rendimento e Aumento da flexibilidade da carga e Redu o das dimens es Est
29. rumentos e estrutura dispon veis no laborat rio de automa o industrial como os equipamentos destinados intertravamentos eletromec nicos que garantem o aumento do n vel de seguran a tanto dos equipamentos quanto dos operadore E ainda buscou se escolher transmissores que fossem facilmente comunic veis a partir das redes existentes no laborat rio Ap s estas escolhas fez se ent o o diagrama esquem tico do controle e o diagrama de rede utilizado no projeto para uma boa visualiza o do projeto como um todo e dos pontos nos quais a l gica deveria atuar Durante todas estas etapas fez se necess rio a montagem da estrutura de blindagem e conex es da caldeira 1 1 Objetivos O objetivo deste trabalho desenvolver um sistema de controle autom tico a ser implantado em uma planta com alto risco de explos o Tal planta onde o sistema atuar era uma caldeira de m quina de caf expresso e as precau es quanto ao risco de explos o s o justificadas pela press o interna de trabalho do equipamento A automatiza o desta planta visa uma supera o do sistema de controle eletro mec nico o qual atuava antes na planta e agora ser remodelado e utilizado como um dos n veis de inter travamento do projeto Almeja se ainda o desenvolvimento de um projeto em l gica Ladder que ser transferido ao CLP controlador l gico program vel e por fim coletar dados do sistema e atuar com base nesse dados sobre a planta completando
30. sta somente ser religada quando a temperatura atingir um valor inferior a 90 graus Nesse momento a memoria M0050 novamente ir liberar a primeira linha fazendo com que a resist ncia seja novamente ligada A repeti o deste ciclo recebe o nome de controle on off e o trecho em que foi desenvolvida a l gica ladder esta na figura 5 SAIDAS P0040 ACIONAMENTO DA RESIST NCIA MEM RIA D0003 CTEMPERATURA AFERIDA PELO TT303 M0050 e M0052 MEMORIA INTERNA ENTRADA PO NIVEL BAIXO DE GUA DETECTADO PELA HASTE m0050 P0000 F lt D0003 00105 SET P0040 gt D0003 00105 RST P0040 SET M0050 SET M0052 M0052 lt D0003 00090 RST M0050 Figura 5 L gica ladder de controle da temperatura 2 3 4 Inter travamento e Digital O inter travamento digital esta contido no programa e foi demonstrado durante este sub item em que discutiu se a l gica ladder do controle da caldeira e Anal gico As entradas do CLP P0000 e P0001 travas de seguran a para o programa atuam na v lvula de entrada e na resist ncia atrav s da l gica do CLP Portanto formam inter travamento nas linhas da l gica ladder seu funcionamento e demonstrado na figura 6 Figura 6 Liga es indicador de n vel e carca a nas duas situa es de seguran a Conectadas as entradas do CLP e trabalhadas de forma adequada dentro da l gica utiliza se o sinal de contato fechado para a haste menor indicando que a gua chegou ao limite dentro da caldeir
31. trodu o aos Controladores L gicos Programaveis Descrito em lt http www ejm com br download Introducao 20CLP pdf gt Acesso em 10 jul 2007 4 Manual dos Procedimentos de instala o opera o e manuten o Cat logo da Empresa SMAR Dispon vel em lt http nww smar com PDFs Manuals GERAL PAMP pdf gt Acesso em 25 jul 2007 5 Cat logo PMC71 Empresa Endress Hauser 2007 Apresenta os dados de fabrica o do PMC 71 Disponivel em lt http container endress com ProductContainerGUI root PMC7 1 amp contry br amp lang en amp SChome http www br endress com eh http www de endress com gt Acesso em 25 jul 2007 6 Site da Empresa Smar 2007 Apresenta funcionalidades do produto Process View Disponivel em lt http www smar com products process_view asp gt Acesso em 25 jul 2007 7 KRAKECHE L ZWIRTES M FISTAROL A TIBOLLA V Sensores de Temperatura Dispon vel em lt http nermes ucs br ccet demc vjbrusam inst temp2 pdf gt Acesso em 27 set 2007
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