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UNIVERSIDADE CATÓLICA DOM BOSCO
Curso de Engenharia Mecatrônica
Anibal Caetano Montanari Junior
Geancarlo Sgorla
AUTOMAÇÃO DE PROCESSO INDUSTRIAL
PRODUÇÃO DE BIODIESEL
CAMPO GRANDE
2008
UNIVERSIDADE CATÓLICA DOM BOSCO
Curso de Engenharia Mecatrônica
Anibal Caetano Montanari Junior
Geancarlo Sgorla
AUTOMAÇÃO DE PROCESSO INDUSTRIAL
PRODUÇÃO DE BIODIESEL
Monografia de trabalho de conclusão de curso
submetido como requisito parcial para obtenção do
grau de Engenheiro Mecatrônico
CAMPO GRANDE
2008
DEDICATÓRIA
Aos nossos pais que sempre nos
apoiaram na busca dos nossos objetivos e
nos deram exemplos de luta e perseverança
para a conquista da vitória.
AGRADECIMENTOS
A Deus, pelo dom da vida e sabedoria!
A minha mãe Terezinha que com seu carinho, força, e dedicação sempre me
mostrou que o melhor caminho é aquele que nos traz e nos permite semear
felicidade e esperança.
Ao meu pai Anibal, que com hombridade e muito esforço me guiou sempre
que precisei.
A minha família, avós, irmã, tios, primos, todos que de alguma forma
contribuíram, com sorrisos e alegrias.
A Aliny, que com amor e dedicação me ajudou a concretizar este sonho.
Ao orientador Jenner Luis Puia Ferreira pela compreensão e orientação
dedicada a esta pesquisa.
Aos professores Edson e Thiago que além de orientar no decorrer desse
desenvolvimento, se tornaram grandes amigos.
Ao Senhor Antônio Carlos Montanari, que nos cedeu o protótipo de uma
usina para realização desse projeto.
Aos amigos que conheci nesse período de formação, pessoas que sempre
quero ter ao meu lado.
Obrigado a todos pela amizade!
Anibal C. M. Junior
A Deus, por estar sempre ao meu lado, me ajudando a superar os desafios da
vida.
Aos meus pais, que com muito carinho e compreensão não mediram esforços
para que eu chegasse até essa etapa da minha vida.
Ao professor e orientador Jenner Luis Puia Ferreira, que nos ajudou a
amadurecer os nossos conhecimentos, e nos levou a conclusão desta monografia.
Ao Sr. Antonio Carlos Montanari, que através de seus conhecimentos, e
parceria, possibilitou o sucesso deste projeto.
A todos amigos e pessoas que conheci nesses 5 anos, que de alguma forma
contribuíram para mina formação.
Aos meus amigos Bráulio Hiroshi e Rodrigo Conceição, por estarem sempre
ao meu lado nesses 5 anos dividindo as angustias das provas e as alegrias das
comemorações.
A todos, muito obrigado.
Geancarlo Sgorla
RESUMO
Na tentativa de diminuir os danos causados pelo efeito estufa, a humanidade
tem criado novos métodos de geração de energia através de combustíveis de fontes
renováveis. A utilização de óleos vegetais como combustível se iniciou em 1890 pelo
alemão Rudolf Diesel, quando utilizou óleo de amendoim em um motor a
compressão. Com o passar dos anos percebeu-se que a utilização de óleos vegetais
ou animais diminuíam a vida útil do motor e reduziam o seu rendimento. Através de
estudos concluiu-se que as causas dos problemas gerados em motores a
compressão pela utilização de óleos em geral, se dava pela presença de glicerina,
mono e diglicerídeos. Com a criação do processo denominado transesterificação, a
remoção desses elementos se tornou possível, assemelhando as características do
chamado biodiesel em relação ao diesel derivado de petróleo. Atualmente a
produção de biodiesel é feita de forma manual, sendo mais lenta e possuindo menor
qualidade que o sistema automatizado. O objetivo deste projeto é criar um projeto de
automação para uma Mini – Usina de biodiesel, utilizando a modelagem por Redes
de Petri para contenção de erros e redundâncias. O processo é controlado por um
Controlador Lógico Programável, tendo como variáveis de entradas sensores de
nível, temperatura e cor, e variáveis de saída, bombas, válvulas solenóides, e moto
– redutores. O projeto também dispõe da lógica de programação em linguagem
ladder. Entrevistas em profundidade, levantamento documental, definição do CLP e
sua linguagem de programação foram alguns dos métodos utilizados na elaboração
desse projeto.
Palavras - chave: Automação. Biodiesel. Óleos. Transesterificação.
ABSTRACT
In an attempt to reduce the damage caused by the greenhouse effect,
humanity has created new methods of generating energy through renewable sources
of fuel. The use of vegetable oil as fuel began in 1890 by German Rudolf Diesel,
when used peanut oil in an engine compression. Over the years realized that the use
of vegetable oil or animal undermined the life of the engine and reduced its yield.
Through studies concluded that the causes of the problems generated in the
compression engines for the use of oils in general, it was the presence of glycerin,
monoglycerides and diglycerides in its composition. With the creation of the process
called transesterification, the removal of these elements became possible,
resembling the characteristics of the so-called biodiesel in relation to diesel derived
from petroleum. Currently the production of biodiesel is made in a manual, being
slower and having less quality than the automated system. The objective of this
project is to create a project for automation of a Mini - Mill of biodiesel, using the
modeling by Petri nets to contain errors and redundancies. The process is controlled
by a Programmable Logic Controller, with a variable input level sensors, temperature
and color, and variable output, pumps, solenoid valves, and gear motors. The project
also has the logic programming language ladder. In-depth interviews, survey
documents, and the definition of the PLC and its programming language, were some
of the methods used in preparing this project.
Keywords: Automation. Biodiesel. Oils. Transesterification.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1.1 - Gráfico de tendência de ocupação de Mão de obra (SILVEIRA, 1999). .. 2
Figura. 4.1 – Processo de alcoólise (MEHER, 2004). ................................................. 9
Figura. 4.2 – Processo de alcoólise (MEHER, 2004). ............................................... 10
Figura 4.3 - Processo de Produção do Biodiesel (PARENTE, 2003). ....................... 12
Figura 4.4 - Controle lógico seqüencial (PRUDENTE, 2007). ................................... 13
Figura 4.5 – Níveis da arquitetura de automação (MORAES, 2007). ........................ 14
Figura 4.6 – Representação Redes de Petri (CHIOLA, 1993) ................................... 16
Figura 4.7 - Pré-set e pós-set (MORAES, 2007). ...................................................... 17
Figura 4.8 – Estrutura básica de um PLC (SILVEIRA, 2003). ................................... 18
Figura 4.9 - Programação em linguagem ladder (PEREIRA, 2006). ......................... 21
Figura 4.10 – Fluxograma de Operação de um CLP (GEORGINI, 2007). ................. 22
Figura 4.11 - Instruções de bit de I/O (PEREIRA, 2006). .......................................... 24
Figura 4.12 – Lógica em linguagem ladder (SILVEIRA, 1999). ................................. 25
Figura 4.13 – Chave de nível / Bóia Magnética (NIVETEC, 2008). ........................... 29
Figura 6.1 - Modelagem Redes de Petri da mini – usina. .......................................... 41
Figura A.1 - Planta Mini - Usina IN. ........................................................................... 49
Figura B.1 - Planta Mini - Usina Modificada OUT. ..................................................... 50
Figura C.1 – Diagrama lógico 1/3. ............................................................................. 51
Figura C.2 – Diagrama lógico 2/3. ............................................................................. 52
Figura C.3 – Diagrama lógico 3/3. ............................................................................. 53
Figura D.1 - Esquema de montagem dos elementos de automação. ........................ 54
Figura AN.1 – Quadro de comando - externa............................................................ 55
Figura AN.2 – Quadro de comando - interna............................................................. 56
Figura AN.3 – Mini-usina de biodiesel. ...................................................................... 57
Figura AN.4 – Comparação entre usinas de biodiesel. ............................................. 58
SUMÁRIO
1. Introdução .................................................................................................. 1
1.1. Revolução industrial ............................................................................ 1
1.2. Histórico do biodiesel .......................................................................... 3
2. Contextualização ....................................................................................... 4
3. Objetivos .................................................................................................... 7
4. Fundamentação Teórica ............................................................................ 8
4.1. Transesterificação – Produção de Biodiesel........................................ 8
4.2. Arquitetura de automação ................................................................. 12
4.3. Redes de Petri ................................................................................... 15
4.4. Controlador Lógico Programável ....................................................... 17
4.4.1. Principio de funcionamento ..................................................... 18
4.4.2. A CPU ..................................................................................... 19
4.5. Linguagem de programação .............................................................. 20
4.6. Sensoreamento ................................................................................. 26
4.6.1. Termoresistências ................................................................... 26
4.6.2. Sensores de nível ................................................................... 28
4.6.3. Sensor de cor .......................................................................... 30
5. Metodologia ............................................................................................. 31
6. Análise ..................................................................................................... 33
6.1. Do processo de produção de biodiesel ............................................. 33
6.1.1. Elementos da arquitetura de automação ................................ 36
7. Conclusão ................................................................................................ 43
REFERÊNCIA .................................................................................................. 45
APÊNDICE ....................................................................................................... 49
ANEXOS .......................................................................................................... 55
1
1. Introdução
Neste capítulo introdutório serão abordados alguns aspectos que
caracterizam e justificam o trabalho realizado. Inicialmente, será tratado o
histórico e a evolução da automação a partir da revolução industrial, seguido
pelo histórico do biodiesel. Esses tópicos são apresentados para que se tenha
um entendimento mais preciso da importância da automação industrial, voltada
às usinas de biodiesel de pequeno e grande porte.
1.1. Revolução industrial
A Revolução industrial teve início na Inglaterra, em meados do século
XVIII estabelecendo assim o início da automação. A Inglaterra além de possuir
na época grande reserva de carvão mineral, principal fonte de energia utilizada
para mover máquinas e locomotivas a vapor, possuía ainda reservas de ferro,
sendo favorecida neste aspecto (CAPELLI, 2006).
O mesmo autor afirma que essa revolução trouxe como principal
característica a introdução de máquinas simples, que facilitavam e substituíam
o trabalho do homem. As máquinas evoluíram rapidamente, dando início na
Inglaterra, à era industrial.
Silveira (1999) classifica os setores de atividades em três grandes
categorias: primárias (atividade do tipo agrícola), secundárias (atividades
industriais) e terciárias (prestação de serviço, como o ensino, as artes,
consultorias, corte e costura, entre outros).
2
A atividade terciária iniciou seu crescimento a partir do século XIX,
paralelamente a queda da agricultura, tendo ainda, como tendência atual o seu
crescimento. Na Figura 1.1 demonstra-se a ocupação de mão-de-obra do ano
de 1700 ao ano 2000 (SILVEIRA, 1999).
Figura 1.1 - Gráfico de tendência de ocupação de Mão de obra (SILVEIRA, 1999).
Silveira (1999) afirma ainda que o século XVIII foi marcado por avanços
tecnológicos, principalmente no setor de transportes, com o invento das
locomotivas, e os trens a vapor. Com a grande demanda de produtos devido ao
aumento da população nas cidades, a indústria da época teve que criar
métodos de produção mais eficazes. As máquinas foram sendo aperfeiçoadas,
com o objetivo de maior produção, e redução de custos.
Aos poucos a indústria evoluiu, e a implantação de sistemas
automáticos foi necessária, primeiramente comandada pelos painéis relés, e
após o fim da década de 60 com os Controladores Lógicos Programáveis
(CLPs) (CAPELLI, 2006).
3
1.2. Histórico do biodiesel
A utilização de óleos vegetais como combustível é remota. O alemão
Rudolf Diesel, em 1890 utilizou o óleo de amendoim demonstrando um motor
com ignição por compressão.
Na década de 1910, Rudolf Diesel o já milionário inventor, foi um
visionário fazendo a seguinte afirmação:
"O motor a diesel
pode ser alimentado por óleos vegetais e ajudará no desenvolvimento agrário dos países que vierem a utilizá-lo...O uso de óleos vegetais como combustível pode parecer insignificante hoje em dia. Mas com o tempo (estes óleos) tornar-se-ão tão importantes quanto o petróleo e o carvão são atualmente" (GUNSTONE, 1997)”.
Atualmente, as mudanças climáticas associadas à liberação de gases
da queima de combustíveis fósseis, o alto preço internacional do petróleo e a
preocupação com o desenvolvimento sustentável começam a retomar a
intenção original de Diesel do emprego de óleos vegetais aos motores movidos
a óleo mineral (SCHUCHARDT et al, 2001).
Na primeira e segunda guerra mundial, óleos vegetais foram utilizados
como combustível de emergência. No início do século XX foi verificado que a
utilização direta de óleos vegetais em substituição ao óleo diesel causa
problemas aos motores (MA & HANNA, 1999).
Esses problemas poderiam ser resolvidos através da modificação dos
óleos vegetais por transesterificação. Um processo que realiza a separação da
glicerina do óleo, sendo assim, problemas como obstrução de canais e má
combustão seria solucionado (RANESES et. al, 1999).
4
2. Contextualização
Com a busca da preservação da natureza, e a meta cada vez maior, da
redução da emissão dos gases poluentes, os combustíveis fósseis estão sendo
cada vez menos utilizados, substituídos por combustíveis alternativos para a
produção de energia (CASTRO, 2007).
Cerca de 40% de toda a energia consumida no mundo provém do
petróleo, do carvão e do gás natural. Essas fontes são limitadas e com
previsão de esgotamento no futuro, portanto, a busca por fontes alternativas de
energia é de suma importância. Neste contexto, os óleos vegetais aparecem
como uma alternativa para substituição ao óleo diesel em motores de ignição
por compressão, sendo o seu uso testado já em fins do século XIX, produzindo
resultados satisfatórios no próprio motor diesel (QUÍMICA NOVA, 2005).
Esta possibilidade de emprego de combustíveis de origem agrícola em
motores do ciclo diesel é bastante atrativa tendo em vista o aspecto ambiental,
por ser uma fonte renovável de energia e pelo fato do seu desenvolvimento
permitir a redução da dependência de importação de petróleo (QUÍMICA
NOVA, 2005).
O Brasil apresenta o maior potencial em apresentar alternativas viáveis
para substituir os combustíveis derivados de petróleo com fontes renováveis,
antes que o aquecimento do planeta afete a economia e a crescente escassez
da fonte de combustível fóssil, leve a aumentos ainda maiores de preço
(CASTRO, 2007).
5
A substituição total ou parcial de combustíveis de origem fóssil, sempre
teve um claro apelo ambiental, pois é de domínio público que as emissões
derivadas de seu uso geram um aumento na concentração atmosférica dos
gases causadores do efeito estufa, chuva ácida e redução da camada de
ozônio (MOTHÉ, 2005 et. al).
A energia renovável é uma das formas de preservação do meio
ambiente, sendo esta em sua maioria proveniente da energia hidrodinâmica e
de biomassa, como o álcool, por exemplo, já consolidado em muitos lugares do
mundo, produzido em sua maioria com a utilização da cana de açúcar, e o
biodiesel mais atual, produzido através de óleos vegetais ou até mesmo animal
(FURLANETTI, 2007).
Segundo Furlanetti (2007) o biodiesel é um combustível biodegradável
derivado de fontes renováveis, que pode ser obtido por diferentes processos
como craqueamento, esterificação ou pela transesterificação, definida como
sendo etapa de conversão do óleo ou gordura, em ésteres metílicos ou etílicos
de ácidos graxos, que constituem o Biodiesel.
Atualmente frigoríficos utilizam o sebo gerado pelo cozimento de seus
subprodutos nos digestores para produção de biodiesel. O sebo bovino é a
matéria-prima mais barata dentre as disponíveis atualmente para a produção
de biodiesel no Brasil (BIODIESELBR, 2006).
Um dos motivos é o preço. Enquanto a mamona custa R$ 3.000 por
tonelada, o preço do sebo bovino é da ordem de R$ 1.120 por tonelada no
mercado, de acordo com dados da empresa Aboissa Óleos Vegetais. Esse
biodiesel além de utilizado em sua própria frota, para escoamento de produto, o
6
sobressalente é vendido para distribuidoras de combustíveis (REVISTA
BIODIESEL, 2008)
Cada vez mais os biocombustíveis estão sendo inseridos de forma a
amenizar a emissão de gases poluentes. Nesta tentativa, o biodiesel tem se
destacado mais que os outros biocombustíveis, pois esse permite que haja um
ciclo fechado da emissão de CO2, o qual é absorvido quando a planta cresce,
e liberado durante sua queima, já o diesel por ser um combustível fóssil possui
maior emissão de gases poluentes, sendo o mais utilizado atualmente
(MICHELETTO, 2006).
Sua competitividade se da pela comercialização de seus co-produtos os
quais são gerados durante o processo de produção, tais como a glicerina,
adubo e ração protéica vegetal (REVISTA BIODIESEL, 2008).
Usinas de biodiesel têm sido instaladas no Brasil, porém o seu
processo de produção é ainda feito de forma manual. A automação desse
processo traz a melhoria, obtende um biodiesel de melhor qualidade,
aumentando a produção pela diminuição do tempo de processo.
Para que haja uma significativa diminuição da poluição proveniente da
queima de combustíveis fósseis, o consumo do biocombustível deve aumentar.
Para suprir esse aumento há duas soluções: aumentar o número de usinas, ou
automatizar as já existentes, como mostra o anexo AN.4. Este trabalho
pretende desenvolver a automação de uma Mini – Usina de biodiesel, anexo
AN.3, que consiste em melhorar a qualidade do produto, diminuindo prejuízos
relacionados a erros e desperdício, durante a separação do produto final.
7
3. Objetivos
O objetivo deste trabalho é desenvolver um projeto de automação para
controle de produção em Mini - Usina de biodiesel, com o auxilio de conceitos
de engenharia, como Redes de Petri, CLP e linguagem Ladder, sensores e
atuadores.
Para que o objetivo principal possa ser alcançado, três objetivos
específicos foram relacionados a seguir:
• Caracterizar o processo de produção de biodiesel
• Descrever os elementos que compõem a arquitetura de automação
• Estruturar a lógica de controle
8
4. Fundamentação Teórica
Será descrito neste capítulo a fundamentação teórica necessária para
a automação de uma Mini - Usina de biodiesel, tendo como base os conceitos
de arquitetura de automação e caracterização do processo junto a essa
arquitetura, modelagem por Redes de Petri, definições de CLP e
sensoreamento.
O processo de transesterificação também será brevemente comentado,
já que o objetivo das usinas é realizar tal fenômeno de forma rápida e eficaz.
4.1. Transesterificação – Produção de Biodiesel
Para formar o biocombustível necessita – se de uma biomassa, a qual
é a matéria prima vegetal que se desenvolve pela transformação da energia
solar, através do processo de fotossíntese.
O conceito de biodiesel ainda é discutido, o Ministério da Ciência e
Tecnologia definiu o conceito de biodiesel como sendo combustível obtido a
partir de misturas, em diferentes proporções, de diesel e ésteres de óleos
vegetais.
Para Meirelles (2003), o biodiesel é o éster alquílico de ácidos graxos,
obtidos da reação de transesterificação de qualquer triglicerídeo (óleo vegetal
ou animal) com álcool de cadeia curta (metanol ou etanol).
A National Biodiesel Board dos Estados Unidos considera o biodiesel
um éster monoalquílico que pode ser obtido a partir de óleos vegetais ou
9
gordura animal e cuja utilização está associada à substituição de combustíveis
fósseis em motores de ignição por compressão.
A transesterificação é a maneira mais utilizada para a obtenção do
biodiesel, que consiste no processo de separação da glicerina do óleo vegetal.
A remoção da glicerina reduz a viscosidade do óleo. Os ésteres produzidos
pela reação de transesterificação têm características físico-químicas
semelhantes às do óleo diesel mineral (BIODIESELBR, 2006).
A transesterificação consiste na reação química de um óleo vegetal
com um álcool na presença de um catalisador. Como resultado, obtém – se o
éster (biodiesel), metílico ou etílico conforme o álcool utilizado, e a glicerina
(MEIRELLES, 2003).
Quando o processo de transesterificação é composto por um éster
original reagindo com o um álcool esta reação é denominada alcoólise, como
mostra a Figura 4.1 (MEHER, 2004).
Figura. 4.1 – Processo de alcoólise (MEHER, 2004).
Esta reação é reversível, e prossegue misturando os reagentes.
Utilizando – se um catalisador junto à reação, é possível além de acelerar o
processo de transesterificação, aumentar o seu rendimento. Este catalisador
pode ser ácido ou básico, sendo comumente utilizado hidróxido de sódio
10
(NaOH) conhecida comercialmente como soda cáustica (SCHUCHARDT,
1998).
Utilizando-se óleos vegetais no processo de transesterificação, um
triglicerídeo reage com um álcool na presença de uma base, produzindo ao
final do processo uma mistura de ésteres de ácidos graxos e glicerol (MEHER,
2004). A Figura 4.2 demonstra o processo.
Figura. 4.2 – Processo de alcoólise (MEHER, 2004).
O processo geral da transesterificação é uma seqüencia de três etapas
de reações consecutivas, formando intermediariamente mono e
diacilglicerídeos (MEHER, 2004).
As etapas do processo de produção do biodiesel são descritos abaixo
com base no trabalho de Expedito José de Sá Parente, pioneiro na pesquisa no
Brasil.
O processo de produção de biodiesel consta das seguintes etapas:
preparação da matéria-prima, reação de transesterificação, separação de
fases, recuperação e desidratação do álcool, destilação da glicerina e
purificação do biodiesel.
11
As matérias primas para a produção do biodiesel são: óleos vegetais,
gordura animal, óleos e gorduras residuais. Óleos vegetais e gorduras são
compostos de triglicerídeos, ésteres de glicerol e ácidos graxos.
Conforme Schuchardt (1998), utilizando – se uma proporção de 3:1
mols de álcool por triglicerídeo a transesterificação é considerada completa. O
agente trasesterificante (álcool) é utilizado em excesso para além de aumentar
o rendimento, permitir a separação do glicerol formado.
Na separação de matéria prima busca – se a melhor taxa de conversão
de reação de transesterificação, reduzindo a acidez e a umidade. A
recuperação do álcool contida na glicerina ocorre através do processo de
evaporação para eliminação de constituintes voláteis, que por sua vez podem
ser recuperados por liquefação.
Na purificação dos ésteres os mesmos são lavados por centrifugação e
desumidificados posteriormente para finalmente obter o biodiesel. A destilação
da glicerina ocorre à vácuo, onde elimina – se as impurezas transformando - os
em um produto líquido e transparente. Na figura 4.3 pode-se observar com
maior clareza todo o processo descrito acima.
12
Figura 4.3 - Processo de Produção do Biodiesel (PARENTE, 2003).
4.2. Arquitetura de automação
A automação no meio produtivo tem por objetivo facilitar os processos,
utilizando componentes básicos, como sensores, controladores e atuadores. O
sistema automatizado visa sua otimização, aumentando a velocidade da
produção, precisão e qualidade, sendo aliada a esses itens, a diminuição de
custos (PRUDENTE, 2007).
13
Há dois tipos de controle em automação: controle lógico e dinâmico. O
controle dinâmico utiliza medidas das saídas do sistema a fim de melhorar o
seu desempenho operacional, através de realimentação. Já o controle lógico, o
qual caracteriza o processo de produção, tema dessa monografia, utiliza redes
lógicas seqüenciais, com memória, temporizadores, entradas e saídas de
sinais, como demonstra a Figura 4.4, a seguir (PRUDENTE, 2007).
Figura 4.4 - Controle lógico seqüencial (PRUDENTE, 2007).
A automação industrial exige que várias funções sejam executadas ao
mesmo tempo, como leitura de entradas, atuação no processo e comunicação
entre controladores e PC juntamente a sistemas supervisórios, sendo assim,
estas funções são divididas em vários níveis nos quais ainda estão inclusos, os
setores de desenvolvimento de projetos, e gerência. Alguns autores utilizam
como forma representativa desses níveis, uma pirâmide, como mostrada na
Figura 4.5. (MORAES, 2007).
14
Figura 4.5 – Níveis da arquitetura de automação (MORAES, 2007).
Nível 1 – Esse nível representa os transdutores, atuadores, e sensores
os quais estão ligados diretamente ao meio físico na captura de dados
discretos ou analógicos.
Nível 2 – Nível onde se encontram os controladores do processo, os
CLPs, FPGAs, microcontroladores, etc. Unidades pensantes que são
programados de acordo com as necessidades de automação.
Nível 3 – Nível onde se encontram os sistemas supervisórios,
responsáveis pelas coletas de dados, armazenamento dos dados coletados e
IHM, o qual é importante para que o usuário possa monitorar a todo instante o
processo, e identificar eventuais erros não reconhecidos pelo controlador.
Nível 4 – Nível responsável pelo planejamento, programação dos
controladores e logística de suprimentos. Visualizam dados obtidos e
armazenados em banco de dados, podendo assim elaborar melhoras de
15
automação e possivelmente um aumento de produtividade e qualidade do
produto.
Nível 5 – Nível responsável pelo gerenciamento de toda indústria, onde
se encontram softwares de gerenciamento financeiro e setor de vendas.
4.3. Redes de Petri
As Redes de Petri possuem grande destaque na engenharia por ser
uma técnica de especificação de sistemas que possibilita representação gráfica
e por possuir mecanismos de análise poderosos. Estas têm como principal
característica ser graficamente expressiva, sendo de fácil utilização e
compreensão (MORAES, 2007).
Moraes (2007) afirma que Carl A. Petri foi o criador do método de
estudo dos sistemas dinâmicos a eventos discretos, em sua tese de doutorado.
As Redes de Petri atuais não são as mesmas originalmente criadas na década
de 60, foram padronizadas após os trabalhos de Holt e Commoner em 1970.
Em qualquer projeto de automação inclusive nos de automação
industrial, é de extrema importância que haja modelagem previa do processo
para contenção de erros e otimização. Sem esta modelagem muitas vezes o
processo já automatizado, não corresponde ao comportamento esperado,
desperdiçando assim tempo e dinheiro (MARSAN et. al, 1984).
Redes de Petri é uma técnica de especificação de sistemas que
possibilita representação matemática as quais pode - se definir por meios de
conjuntos, funções e também por grafos (AALST, 1998).
16
Uma Rede de Petri é um grafo, que possuem transições e posições. Os
arcos partem das transições para as posições e vice-versa, determinando o
sentido do processo. Junto aos arcos são associados números, os quais
correspondem ao seu peso. Segue abaixo os desenhos representativos
utilizados em modelagem por Redes de Petri (Método dos Grafos) (Figura 4.6).
Figura 4.6 – Representação Redes de Petri (CHIOLA, 1993)
Os conceitos de pré-set e pós-set são fundamentais no entendimento e
estudo das Redes de Petri. Definição:
Pré-sets – O pré-set de t é o conjunto das posições em P a partir das
quais existe arco para a transição t.
Pós-sets – O pós-set de t é o conjunto das posições em P para as
quais existe arco oriundo da transição t. Na Figura 4.7 demonstram-se
exemplos representativos de pré e pós-set.
17
Figura 4.7 - Pré-set e pós-set (MORAES, 2007).
4.4. Controlador Lógico Programável
Segundo Georgini (2000), os CLPs começaram a ser desenvolvidos no
fim da década de 60, devido à dificuldade que se tinha na época em criar linhas
de produção, ou até mesmo alterá-las, sendo assim o desenvolvimento destas
demandavam longo tempo de projeto.
Com o objetivo de facilitar a ampliação do processo de automação
industrial, foram desenvolvidos controladores automáticos podendo ser
programados em PC, substituindo assim os painéis de relés e possibilitando,
portanto maior facilidade na automação e criação de linhas de produção.
(SILVEIRA, 1999)
O mesmo autor afirma que o grande diferencial dos CLPs em relação
aos painéis de relés é a reutilização, em caso de troca de linha de produção,
podendo ser moldado ao sistema requerido, já os painéis de relés eram
substituídos por outros, causando assim maior demanda de tempo de projeto,
na troca da linha de produção.
18
A partir dos CLPs, o processo de automação industrial teve mudança
expressiva exercida pela sua utilização, possuindo como principais
características, alta confiabilidade, menores dimensões, fácil manutenção e
programação, podendo ser programado em linguagem de alto nível (MORAES,
2007).
4.4.1. Principio de funcionamento
O CLP pode ser definido como um dispositivo de estado sólido, com
memória programável e processador, constituindo uma CPU.
Através da entrada de sinais elétricos a CPU toma decisões seguindo a
lógica de programação determinada pelo usuário, emitindo sinais elétricos em
sua saída, sendo possível portanto o controle de um processo. A Figura 4.8
compreende o digrama de blocos simplificado de um CLP, (SILVEIRA, 2003).
Figura 4.8 – Estrutura básica de um PLC (SILVEIRA, 2003).
As variáveis de entrada do CLP são emitidas por sensores, os quais
coletam as informações do processo e se comunicam com o CLP por meio de
sinais elétricos, podendo estes ser de natureza discreta (digital) ou numérica
19
(analógica). Esses sensores podem ser do tipo indutivo, mecânico, fotoelétrico,
entre outros (NATALE, 2004).
4.4.2. A CPU
Segundo Silveira (2003) a sigla CPU tem por significado Unidade
Central de Processamento, podendo ser considerada como uma “unidade
pensante”, controlando todas as ações de saída do CLP, para determinadas
entradas de dados.
Como mencionado anteriormente a CPU é constituída por um
processador, memórias e barramento. As memórias são duas, RAM e Flash
podendo ser também EPROM ou E2PROM. É na memória RAM em que as
funções são executadas, e na Flash que o programa é armazenado. (NATALE,
2004).
O processador é responsável pelo gerenciamento de todo o sistema,
controlando os barramentos de endereços, de dados e de controle. Interpreta e
executa todos os comandos do programa de aplicação e controla a
comunicação com dispositivos externos (CAPELLI, 2006)
A CPU faz a leitura dos barramentos de entrada por meio dos Módulos
de I/O. Os status dos barramentos de entrada são gravados na memória RAM,
e executados pelo Programa de Aplicação, o qual é desenvolvido pelo usuário.
Após essa execução, a CPU atualiza os status dos dispositivos de saída do
CLP (GEORGINI, 2007).
20
Os processadores nos CLPs são classificados quanto ao tamanho da
informação que podem processar, esses podem ser de 8, 16 ou 32 bits
(CAPELLI, 2006).
Processadores com maior clock possuem maior velocidade de
processamento, porém a velocidade não é apenas determinada por seu clock,
como também pelo tamanho da informação a ser executada. Portanto para que
haja alta velocidade no processamento de funções, os processadores
dependem do clock, e do tamanho da informação a processar (Silveira, 2003).
Segundo Georgini (2007) a CPU possui um sistema de memória, o qual
é composto pela Memória do Sistema de Operação (Firmware e Rascunho do
Sistema) e Memória de Aplicação.
A memória do sistema de operação compõe o Programa de Execução
desenvolvido pelo fabricante, conhecido como Firmware. Este programa é
responsável por definir como o sistema deve operar e também pela execução
do Programa de Aplicação desenvolvido pelo usuário. Por ser de alto nível, o
Programa de Aplicação é convertido pelo programa de execução para que
possa ser executado pela CPU (GEORGINI, 2007).
4.5. Linguagem de programação
A linguagem de programação ladder é a mais utilizada atualmente, isso
se deve a longa tradição dos engenheiros projetistas de quadros de comando
elétrico. Essa é uma linguagem gráfica baseada nos antigos diagramas
elétricos dos painéis de relés. Por ser uma representação lógica, o diagrama
21
ladder trabalha apenas com símbolos, e não considera nenhum parâmetro
elétrico ligado a tensão ou a corrente (MORAES & CASTRUCCI, 2007).
Conforme Oliveira (1993) a programação em ladder inicia-se a partir de
duas linhas verticais, as quais são chamadas de barras de alimentação ou
linhas mestres. As linhas horizontais contêm as casualidades, e devem possuir
pelo menos um elemento a ser controlado, portanto deve possuir um conjunto
de contatos para seu controle. Na Figura 4.9 representa-se um modelo de
programação em ladder.
Figura 4.9 - Programação em linguagem ladder (PEREIRA, 2006).
As instruções da linguagem ladder são divididas em dois grandes
grupos, os das entradas e os das saídas. As variáveis de entrada são testadas
a todo instante, enquanto as saídas do CLP executam funções seguindo a
lógica de entrada (PEREIRA, 2006).
22
A CPU do controlador executa a varredura do programa do usuário
começando pela primeira linha e primeira coluna, indo até o seu fim, essa
varredura é denominada SCAN. Caso o estado das variáveis de entrada seja
alterado durante o SCAN, serão detectados pela CPU apenas as linhas
seguintes, sendo as linhas anteriores detectadas somente no próximo SCAN
como é mostrado na Figura 4.10 (GEORGINI, 2007).
Figura 4.10 – Fluxograma de Operação de um CLP (GEORGINI, 2007).
23
Para Moraes & Castrucci (2007) as instruções básicas da maioria dos
CLPs podem ser agrupadas em sete categorias:
• Lógica de relé ou instrução de bit;
• Temporização e contagem;
• Aritmética;
• Manipulação de dados;
• Controle de fluxo;
• Transferência de dados;
• Avançada;
Segundo Moraes & Castrucci (2007) durante a execução do programa
de aplicação, o estado de um bit de uma instrução de entrada, referente a um
determinado endereço é analisado, alterando o estado do bit de uma instrução
de saída, seguindo a lógica da programação. Na Figura 4.11 são mostradas as
principais instruções de bit de entrada e saída em linguagem ladder.
24
Figura 4.11 - Instruções de bit de I/O (PEREIRA, 2006).
A lógica matemática ou simbólica visa superar as dificuldades e
ambigüidades de qualquer língua, devido a sua natureza vaga e equívoca das
palavras utilizadas, portanto, confuso o suficiente que poderia atrapalhar o rigor
lógico do raciocínio. Para evitar essas dificuldades, criou-se uma linguagem
lógica artificial (PEREIRA, 2006).
25
A lógica binária possui apenas dois valores que são representados por
0 e 1. Através desses dois símbolos pode-se construir uma base numérica
binária. A partir desses conceitos foram criadas as portas lógicas, que são
circuitos utilizados para combinar níveis lógicos digitais de formas específicas,
como demonstrado na figura 4.12.
Figura 4.12 – Lógica em linguagem ladder (SILVEIRA, 1999).
Para Capelli (2006), sensores são dispositivos utilizados na aquisição
de dados de um meio físico para o controle de um processo, através de sinais
26
elétricos, podendo estar associados à tensão ou à corrente. Esses sinais na
automação são enviados para controladores micro processados, com objetivo
de tratamento do sinal e tomada de decisões.
Capelli também afirma que a automação tem por objetivo executar
determinadas funções, a eventos do processo e para a consecução de tal
objetivo pode-se utilizar sensores discretos, que são dispositivos de detecção,
ou seja, trabalham apenas com nível lógico 0 e 1, detectando ou não um
evento ocorrido.
Para que o processo de produção de biodiesel seja automatizado, assim
como qualquer outra linha de produção, é necessária a aquisição de dados do
meio físico do processo, sendo esses: nível de reservatórios, temperatura dos
tanques de armazenamento e reatores, e cores dos líquidos para posterior
separação das misturas.
4.6. Sensoreamento
Neste tópico serão abordados, os sensores que serão utilizados na
aquisição de dados do meio físico, para posterior atuação no processo, sendo
eles, sensor de temperatura termoresistivo PT100, sensores de nível tipo chave
magnética e sensor de cor.
4.6.1. Termoresistências
Para a obtenção do biodiesel é necessário além dos compostos
químicos, níveis de temperatura adequada durante a reação química no reator.
Os níveis de temperatura serão coletados a todo instante por
27
termoresistências, controlando assim a faixa de temperatura ideal para o
processo.
A temperatura de um corpo é sua capacidade de transferir calor a
outro, ou ainda a capacidade de medição de efeitos desse fenômeno físico.
Para medir temperatura segundo os autores Sighieri & Nishinari (1973),
algumas dificuldades podem ser encontradas, pois a coleta dos dados pode ser
facilmente interferida por fatores externos. Medidas de outras variáveis, tais
como pressão, vazão e nível, são realizados instantaneamente, já para
temperatura, atrasos na resposta de sinais podem intervir na medição, sendo
assim o fator tempo deve ser analisado.
A medição de temperatura pode ser realizada por sistema físico ou
elétrico. Corpos que estão sofrendo variações térmicas podem dilatar ou até
mesmo contrair. Com base nesses acontecimentos existem três sistemas
físicos para medição, tais como, variação de volume, pressão e dilatação linear
do instrumento e cinco sistemas elétricos, termopares, termômetros de
resistência, termistores, termômetros de radiação e termômetros ópticos
(SIGHIERI & NISHINARI, 1973).
Os termômetros de resistência possuem no interior de seu bulbo,
bobinas enroladas de forma helicoidal, dentro ou em volta de armações
isolantes, podendo suportar a temperatura para qual foi projetada (SIGHIERI &
NISHINARI, 1973).
As termoresistências se baseiam no princípio de variação da
resistência ôhmica em função da temperatura. Sua resistência aumenta com a
elevação da temperatura sendo assim possível sua medição em forma de
resistência elétrica, calibrado para ser lido em graus (SOISSON, 2002).
28
Segundo Soisson (2002) é desejável que haja a maior variação de
resistência possível por grau de temperatura, obtendo assim maior
sensibilidade na medição.
Os metais escolhidos para a construção dos termômetros resistivos
são sempre os de alta linearidade. Geralmente encontra-se a linearidade de
resistência com a temperatura requerida, em metais puros. Esses materiais
possuem alto grau de linearidade na faixa de temperatura para qual foi
projetado.
“Metais usados como sensores RTD (Resistance Temperature Detectors), na sua respectiva faixa linear, se reduz a:
onde α é o coeficiente de temperatura da resistência (CTR), calculada do valor medido da resistência, para duas referencias de temperatura (Ex: 0˚C e 100˚C):
α é muitas vezes denominado como relação de sensitividade e depende da referencia de temperatura.” (Pallas & Areny, 2001).
4.6.2. Sensores de nível
O processo de produção de bicombustível utiliza sensores de nível em
determinadas etapas, como por exemplo, no reator, tanques de
armazenamento, caixas d’água entre outros os quais serão listados na análise.
Existem várias maneiras de medir nível de reservatórios, os sensores
de nível podem ser do tipo capacitivo, óptico, magnético, ultra-sônico, pá
rotativa, entre outros. Vários fatores devem ser analisados para a escolha do
sensor a ser utilizado, porém o fator determinante é o tipo de líquido (FRADEN,
2003).
29
Os sensores de nível empregados nesse projeto são do tipo Chave de
Nível – Bóia Magnética. Esse é um instrumento utilizado na detecção e controle
de nível em tanques ou reservatórios onde são armazenados materiais líquidos
como água, produtos químicos (agressivos ou não), óleos, entre outros
(NIVETEC, 2008).
Seu funcionamento baseia-se no movimento de uma bóia em
torno de uma haste onde estão definidos os respectivos pontos de atuação.
Quando a bóia atinge cada um desses pontos, a saída correspondente (contato
elétrico) é acionada. A chave permite a definição de até 5 pontos de atuação
que podem ser usados para funções de alarme ou controle (NIVETEC, 2008).
Como mostra a Figura 4.13.
Figura 4.13 – Chave de nível / Bóia Magnética (NIVETEC, 2008).
As partes molhadas (em contato direto com o processo) são fabricadas
em diferentes materiais como Aço Inox ou Polipropileno.
Possui fácil instalação, manuseio, funcionamento que não requer alimentação
elétrica, além de não ser afetado por determinadas características do processo
30
como presença de espuma, gases/vapores, mistura de líquidos ou variações de
constantes dielétricas ou condutividade (NIVETEC, 2008).
4.6.3. Sensor de cor
Sensor de cor será utilizado na separação do produto final, identificando
o ponto de separação glicerina-biodiesel do processo, tornando assim mais
eficaz o processo de separação deste produto, sendo então direcionado aos
seus respectivos reservatórios.
A cor pode ser um importante fator na automação. Seja na identificação,
classificação, checagem ou avaliação de um produto. O sensor de cor é capaz
de detectar uma cor em um processo de forma rápida e precisa, seja sob luz
intensa, objetos opacos ou transparentes (FESTO, 2008).
Os sensores de cor funcionam pelo método especial das três cores. Eles
emitem luz (vermelha, azul, verde) sobre os objetos a serem inspecionados,
calculam as coordenadas de cromaticidade da radiação refletida e compara-as
com os valores de referência dos três estímulos previamente armazenados. Se
os valores dos três estímulos estiverem dentro da faixa de tolerância
determinada, é ativada uma saída de chaveamento (SICK, 2008).
Os sensores de cor podem detectar tanto as cores de objetos opacos
através de suas reflexões (luz incidente) como as de materiais transparentes
em luz transmitida, por onde é utilizado um refletor. O sensor pode perceber as
cores de objetos muito brilhantes como sendo acromáticas na luz incidente.
Este problema pode ser resolvido inclinando-se o sensor (SICK, 2008).
31
5. Metodologia
Para a automação da mini-usina em questão, diversos parâmetros devem
ser analisados. Por ser um equipamento projetado para operar de modo
manual, ou seja, além de válvulas, tem-se o manuseio de um quadro de
comando, conforme anexo AN.1 e AN.2. Adaptações serão feitas para que se
possam instalar os equipamentos necessários para a automação.
Primeiramente foi feito uma entrevista em profundidade, com o projetista da
mini-usina, Sr. Antônio Carlos Montanari, caracterizando dessa forma as
modificações estruturais necessárias para sua automação.
Foi feito um levantamento documental da mini-usina, como manuais de
instrução dos elementos utilizados, com suas características técnicas. Estudo
dos elementos que caracterizam a arquitetura de automação, sendo eles sinais
de entrada e saída do controlador lógico programável, assim como os
elementos de aquisição de dados e atuadores do processo.
Levando em conta esses parâmetros, a etapa seguinte consistiu na
caracterização do CLP a ser utilizado no controle do sistema, bem como
elementos de interface entre sensores - CLP e CLP - atuadores
Foi definido a linguagem de programação e algoritmo a ser
implementado, com o desenvolvimento desse via Redes de Petri, para
posterior programação do controlador, evitando assim erros seqüenciais e
ambigüidade na programação.
32
Como última etapa desenvolveu-se um esquema de montagem dos
elementos de automação (apêndice D), com todos os elementos sensoriais,
atuadores e controladores, para posterior simulação e teste.
33
6. Análise
A partir dos objetivos específicos pode-se analisar o desenvolvimento
desse trabalho, confrontando-o com a teoria ao mesmo tempo em que se
estrutura o resultado a ser apresentado em seguida.
6.1. Do processo de produção de biodiesel
No processo de produção de biodiesel utilizando uma Mini-Usina ACM
BIO, há algumas alterações em relação ao descrito no tópico 4.1, por se tratar
de um combustível novo e ainda estar sob pesquisa, não foi definido o método
mais adequado para sua produção.
A mini usina apresenta algumas diferenças das propostas por Parente
(2003). Sendo composta pelos seguintes equipamentos: tanque reator,
recuperador de glicerol, reservatório de água, tanque para mistura de
catalisador com álcool (metóxido) e condensador de álcool com reservatório.
Os tanques considerados de armazenamento são os que retêm os
produtos finais e as matérias primas utilizadas no processo, tais tanques são
denominados: reservatório de biodiesel, glicerina, óleo cru, água, metanol e
metilato, onde serão controlados entradas, saídas e níveis.
A produção do biodiesel começa com a elaboração do metóxido,
seguindo as proporções adequadas para a quantidade de combustível que se
deseja produzir. Especificamente para esta Mini-Usina, a quantidade de
metóxido e óleo cru são sempre fixos, produzindo sempre a mesma quantidade
por batelada.
34
O metilato é primeiramente inserido, e logo após, o metanol, até que
cada um atinja o seu respectivo nível, funcionando como um dosador. Essa
mistura é agitada por um período pré - definido para que haja homogeneidade.
Por se tratar de uma usina de pequeno porte, o reator além de efetuar
seu papel normal no processo, efetua ainda outras duas funções, sendo estas:
tanque de decantação e tanque de lavagem do biodiesel. Assim é possível
economizar espaço, tornando-a portátil.
Antes do início da transesterificação, o óleo cru já no reator, deve ser
secado, por essa razão deve ser primeiramente inserido. A secagem consiste
na elevação da temperatura para retirada de eventual umidade, a qual
prejudica a qualidade do biodiesel.
Durante esta etapa o óleo deve ser agitado, para garantir a mesma
temperatura em todos os pontos. A umidade evaporada deve ser evacuada,
neste caso realizado através de sucção.
Após esse procedimento, o óleo está aquecido, devendo ser resfriado
para que o processo continue. Caso isso não ocorra, o metanol presente no
metóxido é evaporado, fazendo com que a reação de transesterificação não
aconteça. O resfriamento do óleo é feito pela circulação de água em uma
serpentina interna ao tanque reator, a qual retorna ao seu reservatório.
Conforme a água resfria o óleo, ocorre ganho de calor. Com o passar
do tempo a troca térmica perde a eficiência, chegando a um ponto de equilíbrio
de temperatura. Prevendo esse fenômeno físico, o controle da temperatura é
um fator importante para o resfriamento do óleo, devendo ser controlada.
35
Com o início do processo de transesterificação, o metóxido produzido
anteriormente deve ser inserido no reator. A proporção entre metóxido e óleo
cru é de extrema exatidão, portanto todo o metóxido produzido deve ser
transportado, inclusive o residual dos encanamentos. Com a mistura no reator,
a mesma deve ser agitada, e mantida aquecida por certo período, já detalhado
em tópicos anteriores.
Após o processo de transesterificação, a mistura permanece em
repouso até que a separação entre os componentes seja visível, requerendo
um determinado período, que não varia de uma reação para outra. A
decantação é necessária para que todo o glicerol juntamente aos monos e
diglicerídeos sejam totalmente separados do biodiesel.
Com o termino da decantação, biodiesel e glicerol são separados e
direcionados aos seus respectivos tanques. O glicerol permanece no fundo do
tanque, por possuir densidade maior que o biodiesel, portanto é
necessariamente direcionada primeiramente ao tanque recuperador de glicerol,
transferida apenas por diferença de pressão.
Durante a transesterificação, grande parte de metanol não é utilizado,
permanecendo no biodiesel e glicerol em alta concentração. O aquecimento de
ambos evapora o metanol excedente, efetuando-se assim o processo de
secagem. Nesta etapa o controle da temperatura, tempo de aquecimento e
sucção do metanol deve ser realizado.
O metanol evaporado é succionado e canalizado até o condensador
trocando calor e condensando-se, podendo ser reutilizado em um novo
processo. Efetuado a secagem, a glicerina é escoada sendo armazenada em
um reservatório externo a Mini - Usina.
36
O biodiesel resultante do processo, ainda não pode ser utilizado, por
possuir material residual, devendo ser purificado com inserção de água. Os
líquidos então são agitados por período pré-determinado até que haja
homogeneidade. Passado esse período a mistura deve ser separada, sendo
anteriormente decantada. Esse processo deve se repetir por outras três vezes,
podendo então garantir um biodiesel de alta qualidade.
Livre de impurezas o biodiesel é então aquecido para que a umidade
decorrente da adição de água não interfira em sua qualidade. Alguns
parâmetros devem ser analisados nesta etapa, já que envolve o aquecimento
do biodiesel e evaporação da água em período determinado.
6.1.1. Elementos da arquitetura de automação
Para que a Mini-Usina em questão possa ser automatizada, alguns
dados deverão ser coletados do meio físico por meio do sensoreamento, para
que através de um controlador, as devidas decisões sejam tomadas.
Seguindo as etapas seguintes, junto à lógica de automação e as plantas
apresentadas no apêndice A e B, é possível ter total entendimento do
processo. Antes que se inicie a produção de biodiesel, o metóxido deve ser
elaborado, e as proporções entre catalisador e metanol devem ser respeitadas.
O tanque de metóxido terá um sensor de nível, com dois pontos de atuação,
um para demarcar o nível de metilato e outro para o nível de metanol.
O ponto de atuação do sensor que demarcará o nível de metilato será
fixado na posição cujo volume é a quantidade de catalisador necessária para a
produção de metóxido. O ponto de atuação do álcool demarcará o volume
37
necessário de metanol para que haja a proporção exigida entre catalisador e
metanol. Esta proporção será fixa, sendo da ordem de 300 ml de metilato de
sódio (70% Metanol + 30% Soda cáustica) para 15L de metanol sendo também
proporcional a quantidade de biodiesel a ser produzida (75L) (PERMEAR,
2008).
Depois de bombeada as determinadas proporções um agitador acionado
por um moto-redutor garantirá a homogeneidade da mistura, a qual deverá
permanecer em movimento por 10 minutos.
Para que se possa iniciar o processo de transesterificação o óleo cru
deve ser bombeado para o reator, havendo comutação de válvulas referentes a
esse processo, como demonstra a imagem, do apêndice B. Óleo cru então é
secado, para eliminação de eventual umidade.
Por essa razão deve ser inserido antes do metóxido. A secagem
consiste na elevação da temperatura a 120°C através de uma resistência
elétrica, sendo controlado pelo CLP juntamente a um PT100, mantendo – se
constante por um período de 40 minutos.
Durante esta etapa um agitador acoplado a um motoredutor e uma
bomba de vácuo são acionados, para garantir a mesma temperatura em todos
os pontos de óleo e succionar todo o vapor de água, eliminando – a durante
sua secagem.
Ainda nesta etapa a temperatura do óleo deve ser reduzida à 58°C, para
que metanol composto no metóxido não entre em ebulição quando for
misturado ao óleo cru. O seu resfriamento será feito pelo acionamento de uma
bomba d’água e a comutação de válvulas, de tal que forma que a serpentina
38
interna ao tanque reator seja abastecida, havendo circulação e retornando ao
seu reservatório, facilitando a troca térmica e resfriando-se em menor tempo.
A temperatura do reservatório de água também deverá ser controlada,
pois no decorrer do resfriamento, a água adquire calor. Para que este
resfriamento seja eficiente, a água que circula na serpentina não deve
ultrapassar a marca dos 45°C.
No momento em que temperatura atingir 45°C, haverá comutação entre
válvulas, permitindo que a água do reservatório geral seja bombeada para o
reservatório de água da Mini - Usina, trocando calor entre si e voltando ao
reservatório maior pelo uso de um ladrão. Para se iniciar o processo de
transesterificação, todo o metóxido produzido anteriormente deve ser inserido
no reator.
Por se tratar de proporções exatas, todo o metóxido deve ser
transportado. Com a utilização de bombas para o seu transporte, grande parte
da dose produzida ficaria nas tubulações, não sendo totalmente utilizada, e
conseqüentemente produziria biodiesel de má qualidade.
Portanto excepcionalmente o metóxido, será transportado por meio da
inserção de ar comprimido em seu reservatório, o qual é hermético, havendo o
aumento da pressão interna, sendo inteiramente deslocado, até mesmo o
excedente das tubulações.
O produto permanece no reator por um período de 30 min, a uma
temperatura de 58 ºC, sendo agitado por uma hélice acionada por um
motoredutor.
39
Sua temperatura é mantida constante, utilizando-se uma resistência
elétrica, onde sua variação será coletada a partir de um sensor termoresistivo
PT100, instalada ao corpo do tanque, e sinal enviado ao CLP.
Após o processo de transesterificação, a resistência elétrica é desligada
e a mistura permanece em repouso por um período de 45 minutos, para que
toda a glicerina juntamente aos monos e diglicerídeos seja totalmente separada
do biodiesel.
Terminada a decantação, os produtos são separados e direcionados aos
seus respectivos tanques. O glicerol por ser mais denso permanece no fundo
do tanque, sendo assim é direcionada ao tanque recuperador de glicerol com a
comutação de válvulas, transferida apenas por diferença de pressão.
Para esta finalidade um sensor de cor, irá detectar a transição entre o
glicerol e o biodiesel, enviando este sinal ao CLP, o qual irá atuar no processo
comutando as válvulas necessárias para esse fim.
Para garantir a qualidade do biodiesel e também por questões
econômicas, o metanol deve ser recuperado. Biodiesel e glicerol são aquecidos
por uma resistência elétrica, efetuando-se assim o processo de secagem. A
temperatura desta etapa deve ser mantida a 70°C por 2 horas. O controle da
temperatura será feito por meio de sensores PT100 sendo também controladas
pelo CLP.
O metanol é evaporado e succionado pela bomba de vácuo, canalizado
até o condensador, onde troca calor em uma serpentina imersa em água
corrente a temperatura ambiente, bombeada a partir da caixa d’água,
40
ocorrendo assim troca de calor, condensando-se, podendo ser reutilizado em
um novo processo.
Efetuado a secagem, apenas a glicerina é escoada e armazenada em
um reservatório externo a Mini - Usina. O biodiesel já seco deve ser lavado por
três vezes para a retirada de impurezas como, por exemplo, sólidos em
suspensão. Utilizando – se o sensor de nível magnético instalado ao tanque, a
quantidade a ser inserida deve atingir o nível máximo do reator em N4, os
líquidos então são agitados por uma hélice acoplada a um motor elétrico
durante 20 minutos, havendo homogeneidade.
Concluída esta etapa a nova mistura é decantada. A separação nesta
etapa também utiliza o sensor de cor. Sabendo que a resposta do sensor de
cor para o código fonte é “1” quando detecta biodiesel, e “0” quando não o
detecta, o seu escoamento é iniciado, sendo bloqueado somente com resposta
igual a “1” pelo fechamento da válvula 12.
Juntamente com a água, as impurezas são removidas e descartadas.
Essa etapa é repetida por mais três vezes, garantindo 99,9% de pureza. Nesta
etapa o biodiesel deve passar pelo processo de secagem, para eliminar
umidade. Novamente o biodiesel é aquecido a 120 °C, temperatura esta,
controlada a pelo CLP aliado ao PT100 do reator. Terminada esta fase o
biodiesel já esta pronto para ser utilizado e pode ser bombeado ao seu tanque
de armazenamento.
Com base nos conceitos de modelagem por Redes de Petri, uma
prévia representação do processo mencionado pode ser demonstrada de forma
lógica na figura 6.1.
41
Figura 6.1 - Modelagem Redes de Petri da mini – usina.
O código desenvolvido utilizou ferramentas básicas da linguagem
Ladder, como as funções set/reset, uso de memórias internas para o
armazenamento de valores de entradas, timer, contador e subrotinas
As funções de set/reset foram empregadas para o acionamento e
desativação de saídas, sabendo que o software não permite duplicação de
bobinas, sendo utilizado em muitos casos apenas para solucionar esse
problema.
O uso de memórias internas se deu pela necessidade de armazenar
valores das entradas em determinados etapas do código correspondente ao
42
processo, sabendo que todas as entradas mudam o estado com o seu
decorrer, e são novamente utilizadas em outros pontos do código/processo.
Algumas etapas da produção do biodiesel requerem certo tempo para
que sejam concluídas. O CLP em questão dispõe do uso de timer, podendo ser
utilizado para solução deste tipo de problema como, por exemplo, tempo da
transesterificação, recuperação do glicerol entre outros.
Como descrito anteriormente neste mesmo tópico, o biodiesel depois de
pronto ainda deve passar pelo processo de lavagem para a retirada de
impurezas. Esse processo consiste em lavar o biodiesel por três vezes para
garantir a sua pureza.
A situação descrita é um exemplo da utilização das funções de contador
e sub-rotina. Para este caso em especifico, uma memória é setada chamando
uma sub-rotina. Após de efetuar três vezes a lavagem o contador reseta esta
memória retornado ao código principal.
De acordo com o descrito na analise e as plantas desenvolvidas foi
possível desenvolver e projetar a automação da Mini-Usina de forma plausível.
43
7. Conclusão
A caracterização do processo produtivo do biodiesel sugere que, por se
tratar de um combustível obtido a partir de diferentes tipos de óleos, tal como
aquele utilizado em cozinhas industriais, sua viabilidade pode ser atrativa em
face de tal diversidade de matéria-prima.
A flexibilidade da utilização de vários tipos de matéria – prima em sua
produção é mais um fator que torna o biodiesel um combustível de alta
competitividade no mercado, tendo em vista ainda a comercialização de seus
co – produtos, como a glicerina, adubo e ração protéica vegetal.
A entrevista em profundidade possibilitou a elaboração de um
descritivo detalhado do processo, essencial na elaboração de um croqui, assim
como a realização da visita ao local de utilização de uma mini-usina.
A facilidade em encontrar matéria prima e sua grande oferta no
mercado faz com que os custos em sua produção diminuam cada vez mais,
havendo grande crescimento neste setor com instalações de novas usinas e
investimentos em estudos para o desenvolvimento de novas tecnologias para
sua produção.
A análise documental permitiu a caracterização dos elementos da
arquitetura de automação e a identificação dos sinais de entrada e saída bem
como seu tipo de sinal (analógico/digital), tensão e corrente nominal. Nessa
etapa a análise dos dados técnicos mostrou-se uma importante fonte de
informações, auxiliando o detalhamento dos principais elementos.
44
Adquirido conhecimentos suficientes sobre o ciclo de funcionamento de
todo o processo produtivo, pode-se caracterizar e modelar o sistema funcional,
com Redes de Petri, definindo a lógica de automação, e conseqüentemente
contribuindo para o desenvolvimento da lógica de programação em ladder.
A lógica de automação anexa a esse trabalho (apêndice C) foi
desenvolvida a partir da arquitetura de automação e do entendimento da
dinâmica do processo de produção de biodiesel.
Com as especificações dispostas na análise, pode-se definir os
componentes da arquitetura de automação adequados, os quais dão
funcionalidade autônoma para Mini-Usina, tais como: sensores, atuadores e
controlador.
A elaboração do programa desenvolvido em linguagem Ladder através
do software XG5000 facilitou o desenvolvimento do código por permitir
simulação em estado off-line e por possuir boa interface. Esses itens auxiliaram
no entendimento do código fonte no decorrer da simulação tendo em vista a
dificuldade de se encontrar softwares de programação em Ladder que
permitam simulação.
Desta forma o projeto de automação da Mini – Usina em questão foi
desenvolvido, não sendo possível a implementação devido aos altos custos
dos equipamentos e a falta de patrocinador.
45
REFERÊNCIA
[1] AALST, W. M. P. van der. The Aplication of petri nets to workflow
management. The Journal of Circuits, Systems and Computers, 1998.
[2] CAPELLI, Alexandre, 2006; Automação industrial: Controle do
movimento e processos contínuos /Alexandre Capelli. – São Paulo: Érica,
2006.
[3] CHIOLA, G., MARSAN M. A., CONTE, G. Generalized Stochastic Petri
Nets: A Definition at the Net Level and Its Implications. IEEE Transactions
on Software Engineering, vol. 19, n. 2, p. 89-106, 1993.
[4] CONCEIÇÃO, M. M. et al.; Rheological Behavior of Castor Oil
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49
APÊNDICE
APÊNDICE A – Planta Mini – Usina IN
Figura A.1 - Planta Mini - Usina IN.
50
APÊNDICE B – Planta Mini – Usina OUT
Figura B.1 - Planta Mini - Usina Modificada OUT.
51
APÊNDICE C – Diagrama Lógico
Figura C.1 – Diagrama lógico 1/3.
52
Figura C.2 – Diagrama lógico 2/3.
53
Figura C.3 – Diagrama lógico 3/3.
54
APÊNDICE D - Esquema de montagem dos elementos de automação.
Figura D.1 - Esquema de montagem dos elementos de automação.
55
ANEXOS
ANEXO 1 – QUADRO DE COMANDO - EXTERNA.
Figura AN.1 – Quadro de comando - externa.
56
ANEXO 2 – QUADRO DE COMANDO - INTERNA.
Figura AN.2 – Quadro de comando - interna.
57
ANEXO 3 – MINI-USINA DE BIODIESEL.
Figura AN.3 – Mini-usina de biodiesel.
58
ANEXO 4 – COMPARAÇÃO ENTRE USINAS DE BIODIESEL.
Figura AN.4 – Comparação entre usinas de biodiesel.
