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FENG ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO Implementação de Projetos de Automação Automação Semestre 02/2014 Engenharia de Controle e Automação

APRESENTACAO - Aula 07 Projeto de Automacao

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Implementação de Projetos de Automação Automação Semestre 02/2014

Engenharia de Controle e Automação

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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.

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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.

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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.

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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

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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

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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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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:

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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.

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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.

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Documentos Necessários no Projeto de Automação

Diagramas de causa e efeito

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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.

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Projeto do Programa Ladder de Automação

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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.

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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).

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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.

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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.

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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

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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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