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FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
Implementação de Projetos de Automação Automação Semestre 02/2014
Engenharia de Controle e Automação
FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
Introdução
Na implementação do projeto de automação, o usuário define todas as
seqüências operacionais (tarefas) que deseja ser implementada.
Estas seqüências decorrem de receitas de produção e de produção de
sistemas, estabelecidas por especialistas no processo, por fabricantes
dos equipamentos ou pela experiência própria do usuário.
FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
Descrição das Plantas Industriais
Fluxogramas e Diagramas de Processo
O projetista deve transmitir de forma eficiente e segura o conteúdo técnico dos
processos industriais a serem automatizados.
Há várias formas de representação gráfica de sistemas dinâmicos que se
assemelham aos esquemas dos circuitos eletrônicos.
Estes esquemas, por meio de símbolos padronizados, mostram a relação
funcional entre os seus diversos componentes.
Com isto o engenheiro pode entender e restaurar as condições operacionais de
um sistema que lhe é apresentado para a automação.
FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
Descrição das Plantas Industriais
Fluxogramas e Diagramas de Processo
Para representar os processos industriais temos:
Diagramas de Blocos; Diagramas de Fluxo do Processo; Diagramas de Tubulação e Instrumentação
Os três diagramas são meios de comunicação complementares, mas o
P&ID ou P&I é indispensável para a comunicação entre os diferentes
especialistas que colaboram nos processos contínuos industriais e com
os engenheiros de automação.
FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
Descrição das Plantas Industriais
Diagramas de Blocos
Neste diagrama as várias operações das seqüências de processamento
são mostradas em blocos retangulares, interligados por flechas que
indicam a seqüência de trabalho.
Este diagrama evidencia somente a seqüência das etapas do processo
principal, mas não mostra os tipos de equipamentos detalhados.
Exemplo: processo de tratamento de minério de ouro.
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Descrição das Plantas Industriais
Diagramas de Blocos
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Descrição das Plantas Industriais
Diagrama do Fluxo do Processo
São constituídos por:
Fluxograma Índice de Processo
Diagrama de Fluxo de Processo
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Descrição das Plantas Industriais
Diagrama do Fluxo do Processo Fluxograma Índice de Processo:
Contém todas as informações iniciais do processo produtivo; Designação, utilidades e interligação dos equipamentos principais; Pontos de origem e destino das matérias-primas, produtos,
subprodutos e efluentes; Critérios e base de cálculos para o projeto da planta industrial.
Representam uma poderosa ferramenta para análises comparativas
de tecnologias de processo.
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Descrição das Plantas Industriais
Diagrama do Fluxo do Processo Fluxograma Índice de Processo: Informações:
Vazões nominais dos materiais;
Ciclo operacional;
Número de horas operacionais por ano;
Especificações de produtos, subprodutos e matérias-primas;
Consumo por unidade de produção de matérias-primas, subprodutos e
utilidades;
Balanço e consumo de energia;
Reações envolvidas e taxa de conversão, pureza, catalisadores etc;
Impacto no meio ambiente, com identificação e quantidade de efluentes.
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Descrição das Plantas Industriais
Diagrama do Fluxo do Processo Fluxograma Índice de Processo
FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
Descrição das Plantas Industriais
Diagrama do Fluxo do Processo Diagrama de Fluxo de Processo
Tem por objetivo em mostrar os principais equipamentos através de
símbolos de uso comum, normatizados ou especiais. Tanto o Fluxograma Índice como o Fluxograma de Processo devem
mostrar as operações do processo industrial do início ao fim, e devem incluir todos os equipamentos principais e as tubulações de interligação dos mesmos.
Exemplo a seguir: Processo de secagem a vapor, onde os fluxos de matéria-prima chegam à
esquerda, com origem e destino assinalados; O-xx indica tanque; T-yy indica
trocador de calor; P-zz bomba e MX reator etc.
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Descrição das Plantas Industriais
Diagrama do Fluxo do Processo Diagrama de Fluxo de Processo
FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
Descrição das Plantas Industriais
Diagrama de Tubulação e Instrumentação P&ID (Piping & Instrument Diagram)
Este diagrama permite mostrar uma fotografia completa do processo
pois os desenhos de equipamentos, tubulações e instrumentos possuem riqueza de detalhes.
Um P&ID deve mostar: Todos os equipamentos, dispositivos de alívio de pressão, indicadores de
níveis, tubulações, caminho do produto, itens que afetam a funcionalidade do
processo, tipos de conexões, instrumentos de medições, todas as malhas de
instrumentos críticos, sistemas de purga,...
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Descrição das Plantas Industriais
Diagrama de Tubulação e
Instrumentação P&ID (Piping &
Instrument Diagram)
Exemplo: Coluna de
destilação.
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Descrição das Plantas Industriais
Diagrama de Tubulação e
Instrumentação P&ID (Piping &
Instrument Diagram)
Os símbolos de P&ID devem ser
padronizados. Estes são símbolos
conforme norma ANSI/ISA:
FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
Documentos Necessários no Projeto de Automação
A relação de documentos descritos abaixo são fundamentais para compor a
documentação de um projeto de Automação Industrial.
Listas de Instrumentos e de entrada/saída no Controlador;
Especificação da operação automática (Descritivo de funcionamento);
Diagrama de controle lógico;
Diagramas de controle dinâmico;
Diagramas de causa e efeito;
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Documentos Necessários no Projeto de Automação
Listas de Instrumentos e de entrada/saída no CLP
Esta lista contém todos os instrumentos indicando o seu nome (tag) e a
sua função relacionando com as entradas e saídas tanto digitais como
analógicas no CLP.
A seguir seguem dois modelos de listas.
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Documentos Necessários no Projeto de Automação
Listas de Instrumentos e de entrada/saída no Controlador
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Documentos Necessários no Projeto de Automação
Listas de Instrumentos e de entrada/saída no Controlador
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Documentos Necessários no Projeto de Automação
Especificação da operação (funcionamento) do sistema
Trata-se de uma especificação redacional, descrevendo todas as situações e as ações conseqüentes que são desejadas.
Estabelece o seqüenciamento e a lógica requisitados pela engenharia do processo em questão, visando sua segurança e eficiência: Procedimentos de partida
Operações em batelada
Intertravamentos
Esquemas de controle e de parada de plantas etc...
A partir dessa especificação são elaborados os diagramas de controle
lógico e de controle dinâmico, em harmonia com os P&ID´s.
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Documentos Necessários no Projeto de Automação
Especificação da operação de um sistema
Um esquema gráfico do equipamento pode ser anexado.
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Documentos Necessários no Projeto de Automação
Diagrama de Controle Lógico
Quando há um número limitado de funções lógicas é utilizado em conjunto com esquemas de controle dinâmico, estas funções podem ser incluídas no diagrama de blocos.
Da mesma forma, quando algumas funções de controle dinâmico são utilizadas junto com esquemas de seqüenciamento elas podem ser mostradas no diagrama lógico.
Os diagramas lógicos das partidas e paradas das plantas precisam especificar como as operações devem ocorrer em condições normais e de emergência.
Existem símbolos padronizados para estes diagramas lógicos. Estudar o caso 7.3 página 192
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Documentos Necessários no Projeto de Automação
Diagrama de Controle Lógico
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Documentos Necessários no Projeto de Automação
Diagrama de Controle Lógico – página 204
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Documentos Necessários no Projeto de Automação
Diagramas de Controle Dinâmico
São normalmente elaborados a partir dos Fluxogramas de Processo (PFDs), pela adição da instrumentação, de válvulas de controle e de blocos de cálculo.
São destinados a mostrar o relacionamento entre o processo e o controle no mesmo desenho.
Não devem ser sobrecarregados com informações típicas dos outros instrumentos. Os símbolos de identificações devem utilizar os mesmos símbolos dos DFPs e P&IDs.
A mesma informação pode estar no formato de diagramas de blocos, explicando as malhas de controle dos P&IDs.
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Documentos Necessários no Projeto de Automação
Diagramas de Controle Dinâmico
Entradas e saídas do bloco devem ser especificadas, com a saída de um bloco sendo a entrada de outro, até que tenhamos a saída do último com o sinal que irá para o elemento final de controle.
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Documentos Necessários no Projeto de Automação
Diagramas de Controle Dinâmico
Blocos de cálculo são utilizados para mostrar o método de implementação dos esquemas de controle e aparecem com o símbolo de um retângulo, onde é inserido texto com indicação da função matemática a ser executada.
Blocos de cálculo podem ser controlados por:
Ação proporcional, integral e derivativa;
Funções de lead-lag e dead-time;
Função razão;
Função seletor de máxima/mínima.
Blocos de intertravamento são os que definem uma ação, como partida,
parada, abertura, fechamento, etc.
FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
Documentos Necessários no Projeto de Automação
Diagramas de causa e efeito
Mesmo que tenhamos um P&ID de engenharia elaborado da forma mais completa possível, ele não pode incorporar toda a lógica do controle e dos Intertravamentos necessários.
Por isso ele costuma ser resumido nas Matrizes de Causa e Efeito, que fornecem para cada situação particular do processo o status desejado das válvulas, bombas etc.
A seguir segue um exemplo parcial.
FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
Documentos Necessários no Projeto de Automação
Diagramas de causa e efeito
FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
Projeto do Programa Ladder de Automação
Abordagem Estruturada da Lógica de Controle
Existem algumas recomendações para a fase do projeto de automação em que se elabora o
programa do Controlador Industrial, visando não só realizar uma receita operacional definida mas
também facilitar a partida real (start-up), a manutenção e qualquer aperfeiçoamento futuro.
A palavra chave é estruturação, significando:
1-Decomposição em tarefas (task), programas (programs) e sub-rotinas (subroutines) no
controlador e estrutura de dados nos sistemas de MES (Manufacturing Executing System);
2-Segregação da lógica entre o controlador e os dispositivos inteligentes;
3-Regras de Segurança em cada subprograma;
4-Uma rotina de cópia das variáveis de entrada e saída, para variáveis internas.
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Projeto do Programa Ladder de Automação
Abordagem Estruturada
1-Decomposição em subprogramas
1.1-Os subprogramas devem ser facilmente associáveis a etapas do processo automatizadas ou
a grupos significativos de equipamentos. Um bom critério é o de agrupar equipamentos, sensores
e atuadores que devam ser, na manutenção industrial, ligados e desligados simultaneamente.
1.2-Caso: Onde se deve adicionar a linha do reator B? No subprograma de A ou no de B?
No A fica a linha de solicita a transferência (leitura), porque são seus sensores que indicam a prontidão para a transferência;
No B fica a linha que comanda a ação de transferência, porque são seus sensores e seus intertravamentos que indicam o momento adequado.
1.3-Temporizadores e Contadores: sua reiniciação (reset) deve ser feita no passo anterior àquele
em que serão utilizados.
1.4-A organização dos subprogramas em sistemas deve valer-se da forma de uma máquina de
estados, como um Grafcet ou SFC: os subprogramas são os “passos”; as transições de um
“passo” a outro ficam, naturalmente, sujeitas às condições lógicas o projeto.
FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
Projeto do Programa Ladder de Automação
FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
Projeto do Programa Ladder de Automação
Abordagem Estruturada
2-Regra de Segurança: É imprescindível que em cada subprograma haja instruções para o caso de
ocorrerem defeitos em componentes ou falhas na evolução; o sistema deve ser
então reconduzido ao “passo” inicial ou conduzido a um “passo” específico de
tratamento de falhas.
3-Rotina de cópia de variáveis:
Deve executar o escalonamento de todas as variáveis de engenharia para
variáveis do controlador, ou vice-versa. Esse cuidado facilita muito as simulações
e os testes, assim como eventuais alterações de programa.
FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
Projeto do Programa Ladder de Automação
Abordagem Estruturada – estudo de caso
Um dos objetivos da automação é o elevado grau de flexibilidade de rotas (soluções) inclusive devido à emergências.
Na próxima figura aparecem os equipamentos acionados para estabelecimento da rota silo 1 a secador 1.
O exemplo possui um processo físico de 6 silos de material úmido, com válvulas de saída individuais. Do ponto de vista virtual (programa), cada silo possui associados bits exclusivos que indicam sua seleção, como B3:0/0 ... 5. Os silos também se encontram subordinados aos sistemas principais do processo, que são o têxtil e o industrial (caracterizados por tipos de grânulos).
FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
Projeto do Programa Ladder de Automação
Abordagem Estruturada – estudo de caso
Foi elaborado um programa ladder (sub-rotina) para cada silo. Especificamente o do silo K33_1_AT9 é mostrado também na próxima figura, com os seguintes estados: Passo 1 - Prontos os equipamentos auxiliares do silo, aguarda a seleção do silo
pelo supervisório;
Passo 2 - Aciona equipamentos auxiliares e válvulas referentes ao silo;
Passo 3 - Descarrega o silo;
Passo 4 - Estado seguro, após condições de anormalidade serem detalhadas.
Além dos passos há também, no mesmo arquivo de programa, outras
linhas que são sempre lidas e executadas, como por exemplo, linhas que tangem à segurança do processo.
FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
Projeto do Programa Ladder de Automação
Abordagem Estruturada –
estudo de caso
Passo 1 - Prontos os
equipamentos auxiliares do
silo, aguarda a seleção do
silo pelo supervisório;
Passo 2 - Aciona
equipamentos auxiliares e
válvulas referentes ao silo;
Passo 3 - Descarrega o silo;
Passo 4 - Estado seguro,
após condições de
anormalidade serem
detalhadas.
FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
Projeto do Programa Ladder de Automação
Verificação de Programas
Esta é uma importante fase de todo projeto de automação, seja em Ladder, seja em SFC, seja em ST ou em Function Block.
Na figura abaixo estão representados os sinais de interface entre o programa aplicativo do Controlador Industrial e a planta industrial. Na montagem do programa de automação o projetista visa que o Controlador Industrial execute operações lógicas e/ou seqüenciais, concebidas para produzir o que o usuário define como processo automático (uma receita).
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Projeto do Programa Ladder de Automação
Verificação de Programas
Sistema de eventos discretos
Programa do PAC/PLC
PAC/PLC
Planta Industrial
Sistema a eventos discretos
Atuadores
Interfaces
Sensores
Interfaces
Si
Ei
Comandos Externos
Estado Inicial
FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
Projeto do Programa Ladder de Automação
Verificação de Programas
Para verificar que um dado programa irá cumprir o desempenho desejado, devemos aplicar todas as combinações e seqüências de entradas E; e constatando que o programa responde com os resultados desejados Sj.
Especialmente em processos mais complexos, há o perigo de se omitirem algumas combinações que de fato ocorrerão. Outro problema é a ocorrência de certas inversões na ordem dos eventos.
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Projeto do Programa Ladder de Automação
Verificação de Programas
Uma boa solução para aumentar a visibilidade, a segurança e a facilidade da verificação é montar um segundo programa que simule a planta, isto é, que reproduza as relações de causa e efeito inerentes aos fenômenos da planta. Programa Ladder de automação: Ei Sj
Programa de simulação da planta no computador: E’i S’i
Interconexões: E’j = Sj e S’i = Ei
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Projeto do Programa Ladder de Automação
Verificação de Programas
A figura abaixo mostra o sistema de simulação completo, que pode ser executado no computador utilizado para a programação Ladder, fechando uma malha formada pelo programa aplicativo de automação e pelo programa de simulação da planta, com as interconexões. Note que o programa adicionado para simular a planta representa uma realimentação (feedback) em trono do programa de automação.
Programa do PLC
PLC
PLC
Programa Simulador do Processo
Sj
=
E’j
Ei
=
S’i
Comandos Externos
Estado Inicial
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Perguntas?