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AUTOMAÇÃO EM PROCESSOS INDUSTRIAIS
AUTOMATION IN INDUSTRIAL PROCESS
JOÃO PAULO MOREIRA 1
ADILSON MASSA 2
Resumo: No processo de fabricação de açúcar de uma empresa alimentícia, existem várias etapas, onde o cozimento a vácuo é o responsável pela sequência de concentração do xarope, nessa etapa o caldo entra em forma de xarope e sai na forma de massa cozida, todo esse processo é controlador por válvulas manuais onde os operadores ficam responsável por controlar todo o processo do início ao fim. Havia o problema instabilidade do cozimento, baixo rendimento e desperdício de tempo e material. O monitoramento e controle de todas as variáveis que integram esse processo é a forma de assegurar e garantir que todo o processo trabalhe dentro todos os parâmetros aceitáveis, assim aumentando a produtividade, qualidade e segurança. Com o intuito de resolver esses problemas na fase de cozimento, este estudo demostra a alternativa de automação de todo o processo de cozimento. No final desse estudo serão apresentados todos os resultados obtidos com a aplicação da automação no cozedor.
Palavras-chave: Processo, Controle, Monitoramento, Automação.
Abstract: In the sugar manufacturing process of a food company, there are several steps, where vacuum cooking is responsible for the syrup concentration sequence, in this step the broth enters in the form of syrup and comes out in the form of cooked dough, all this process is controlled by manual valves where operators are responsible for controlling the entire process from start to finish. There was the problem of cooking instability, low yield and wasted time and material. The monitoring and control of all variables that make up this process is the way to ensure and ensure that the entire process works within all acceptable parameters, thus increasing productivity, quality and safety. In order to solve these problems in the cooking phase, this study demonstrates the alternative of automation of the entire cooking process. At the end of this study, all results obtained with the application of automation in the cooker will be presented.
Keywords: Process, Control, Monitoring, Automation.
1 Graduando do curso de Engenharia Elétrica da Universidade de Araraquara – UNIARA. E-mail: jpmoreiramoreira@gmail.com
2 Professor Especialista do curso de Engenharia Elétrica da Universidade de Araraquara – UNIARA. E-mail: adilsonmassa12@gmail.com
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INTRODUÇÃO
A automação industrial é uma área da engenharia que cada vez mais vem sendo aperfeiçoada, com novas tecnologias que podem ser aplicados em qualquer processo industrial, essa rápida evolução tecnológica, produção em grande escala de equipamentos e instrumentos aliados á sensível redução do custo de implantação, tornaram factíveis e essenciais à operação coordenada dos processos industriais.
A utilização dessas novas tecnologias para monitoração e controle de processos industriais tem sido fatores determinantes para que os processos industriais se tornem mais eficientes, com maior qualidade e segurança, menor custo, a fim de garantir maior competitividade no mercado cada vez mais exigente. Apesar dos grandes avanços tecnológicos na área de automação, ainda em pleno seculo XXI, ainda existem varios processos manuais, onde os mesmos são operados manualmente, ou seja, ficam dependente de operadores, assim não garantido seu rendimento máximo.
No processo de cozimento de açúcar de uma empresa alimentícia Nova Europa – SP apresentava muita oscilação na qualidade do produto, variação no tempo de cozimento do açúcar e baixo rendimento, com o intuito de melhoria contínua do processo, foi verificado que a medição e controle dessas nesse processo, são fundamentais para que o processo de cozimento trabalhe dentros de parâmentros aceítaveis, dentre as variáveis a concentração, ou °brix que é bem mais utilizada em empresa alimentícia, é a variável mais difícil de medir e controlar nesse processo, essa variável está diretamente ligada na cor do açúcar, ou seja, na qualidade final do açúcar. É através da cor que é determinado o seu valor comercial, onde essa empresa alimentícia trabalha com padrões de qualidade para produzir um açúcar da cor mais baixa possível, tendo como comercialização uma cor icumsa de 50 ~ 250, sendo que quanto mais baixo esse índice, mais claro, ou mais branco, é o açúcar. À medida que esse índice aumenta, o açúcar vai adquirindo uma coloração mais escura e perdendo seu valor comercial.
O objetivo desse trabalho é demonstrar a viabilidade de se aplicar técnicas de controle, automação e instrumentação em todo o processo de cozimento do açúcar.
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REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
1.1 Automação Industrial
A automação industrial é a aplicação de tecnologias para a realização de tarefas e atividades de controle de mecanismos verificam seu próprio
funcionamento, assim efetuando medições e corrigindo os automaticamente, sem a interferência do homem. Ela é responsável por integrar as áreas da eletrônica, mecânica e informatica.
A automação industrial teve seu salto evolutivo nos últimos 50 anos, graças ao desenvolvimento da eletrônica que originou o aparecimento da informática e logo após a automação, ela é fundamental para a modernização dos processos
industriais.
Ela tem como objetivo criar mecanismos que seja capaz de produzir o melhor produto com o menor custo, alem de apresentar varias outras vantagem como:
• Aumento de produtividade, qualidade e reduzindo custos de produção. • Melhorando as condições de trabalho, assim aumentando a segurança.
• Realizar operações que para o homem seria complexa ou até mesmo impossível de se controlar manualmente.
• Simplificar de modo geral operação e manutenção para que o operador não precise manusear o produto ou processo.
1.2 Tipos de Controle e Processo Industriais
Todo processo é composto por uma sequência de atividades ou etapas pré-definidas com o objetivo de atingir um determinado resultado final. Surgem na manufatura de um produto em grande escala, quando há a necessidade de controlar certas variáveis dos processos dentro seus parâmetros operacionais desejados. O controle de processo é responsável pela melhoria contínua, padronização, redução de falhas e automatização dos processos. Eles são classificados em controle manual, controle em malha aberta, controle em malha fechada e controle on/off.
4 1.2.1 Controle Manual
O controle manual esta ligado diretamente a uma interação humana para se alcançar um determinado resultado ou produto. Esse tipo de controle ainda existe em equipamentos antigos e empresas artesanais ou de pequeno porte.
1.2.2 Controle em Malha Aberta
O controle em malha aberta (Feedforward) pode ou não ser instrumentada, porem a saída do processo não tem ação no controle. Ou seja, não existe realimentação, dessa forma a entrada (input) é ajustada ou escolhida de acordo com a observação ou experiencia de forma que a saída (output) ao menos é comparada ou medida em relação a entrada.
1.2.3 Controle em Malha Fechada
O controle em malha fechada (feedback) é totalmente instrumentado e até automatizada em certas circunstancias, usualmente é uma forma de controle mais empregada nos dias de hoje, sua principal característica é a realimentação, onde a saída é medida e compara com a entrada, ou seja, é gerando um sinal de erro, desse modo o controlador tende a elimina-lo.
Fonte: Própria Figura 01 – Controle em Malha Aberta
5 1.2.4 Controle On / Off
O controle on-off é o tipo mais simples e o mais barato em relação em relação ao demais tipos de controle, dessa forma além de ser utilizado em controle industriais, é também utilizado em controles residenciais. A ação desse tipo de controle on-off ou liga–desliga, resulta em apenas dois tipos de saída, sendo o de ligado e o de desligado, aberto ou fechado (0% ou 100%).
1.3 Dispositivos de Automação
1.3.1 CLP_Controlador Lógico Programado
Figura 03 – Controle On / Off Figura 02 – Controle em Malha Fechada
Fonte: Própria
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O CPL é um equipamento eletrônico responsável por processar uma lógica programada pelo usuário de acordo com sua necessidade, podemos dizer que ele é o epicentro de toda automação. Ele opera fazendo a varredura de redes industriais tais como: ethernet, profinet, profibus, Devicenet, modbus, dentre varias outras, coletando sinais de variáveis físicas de remotas ou canais de entrada, realizando o processamento dessas variáveis em relação ao que foi programado, assim gerando sinais de saídas para os controles.
Os CPL’s vivem em constante evolução tecnologicas, a fim de possibilitar a implementação da indústria 4.0 e garantindo a segurança cibernética.
1.3.2 Remotas de Automação
Remotas são conhecidas por alocar dispositivos em painéis elétricos. Onde recebem todos os sinais de máquinas, equipamentos e seus componentes, como sensores, transdutores para o CLPs. E também transmitem os sinais de saídas do CLP para atuadores e válvulas. As remotas são utilizadas para que um único CLP possa comandar varias maquinas e equipamentos, com o intuito de redução de custo, simplificação e praticidade na automação. São compostas normalmente por fonte de alimentação, cartão de comunicação de rede, cartão de entradas / saídas analógicas e cartão de entradas / saídas digitais.
Figura 04 – PACSystems RSTi-EP CPE115
7 1.3.3 Transmissores
Transmissores são instrumentos que de uma forma geral tem a finalidade de converter sinais físicos em sinais elétricos, seja ele analógico ou digital. Os transmissores são essenciais na implementação de qualquer tipo de sistema de automação, pois ele é responsável pela leitura das variáveis em maquinas, equipamentos e processo industriais, tais como: pressão, temperatura, umidade, nível, vazão, velocidade, pH, condutividade, deslocamento, concentração, etc.
Os transimissores são compostos em diversos modelos de acordo com a aplicação e instalação, os principais : manómetrico, diferencial, flangeado, absoluto.
1.3.4 Válvulas de Controle
As válvulas de controle de uma forma geral são responsáveis por transformarem um sinal elétrico em força mecânica. Ela é constituída de corpo que é a válvula (globo, esfera, borboleta, etc), atuador(elétrico e pneumático) e
Figura 05 – Remota VersaMax Emerson
Fonte: www.emerson.com
Figura 06 – Transmissor Manométrico e Diferencial Foxboro
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acionamento (elétrico e pneumático).
Ela pode operar de forma on / off (abrindo e fechando) ou da forma modulante, que abre proporcionalmente de acordo com o sinal recebido, são usadas em quase todas maquinas, equipamentos e processos industriais, operam com diferentes tipos materiais como: Minérios, líquidos, vapores, gases, fluidos viscosos, etc.
1.4 Cozimento do Açúcar
O cozimento é umas das ultimas etapas na fabricação do açúcar, o cozedor a vácuo é o responsável por essa etapa, onde ele da sequência de concentração do Xarope, assim eliminando a água presente no xarope. Nesse equipamento o caldo entra na forma de Xarope e sai na forma de Massa Cozida (alta viscosidade). Inicia-se o surgimento dos cristais de sacarose (açúcar). É um processo sobe vácuo, por evaporação e à baixa temperatura.
Figura 07 – Válvula de Controle – Válvula On / Off - Válvula Manual
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METODOLOGIAO presente estudo trata-se de uma pesquisa de campo comparativa que segundo FACHIN (2001) esse método comparativo consiste em investigar coisas ou fatos e explicá-los segundo suas semelhanças e suas diferenças. Permite a análise de dados concretos e a dedução de semelhanças e divergências de elementos constantes, abstratos e gerais, propiciando investigações de caráter indireto.
O estudo foi desenvolvido na empresa Usina Santa Fé, localizada na cidade de Nova Europa – São Paulo. Empresa que atua no setor sucroalcooleiro desde 1925, e que teve um grande avanço nos anos de 2016/2017 que passo a moer 4 milhões de toneladas safra, gerando mais de 2500 empregos diretos e indiretos.
O equipamento que será feita a comparação é cozedor a vácuo de 800HL, que é responsável por dar sequência na concentração do xarope, onde ele elimina a
Fonte: Própria
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água presente no xarope, assim formando a massa cozida. È um processo que trabalha com pressão negativa (vácuo) e baixa temperatura.
• 1HL(Hectolitro) = 1000 Litros, totalizando um total por batelada de 80.000 Litros. Sera comparado dois equipamentos de mesmo modelo “cozedor a vácuo de 800HL”, porém um continuara a opera de forma manualmente, e no outro cozedor sera implantado um sistema de automação. Mas o funcionamento e operação dos dois cozedor seguem do mesmo princípio, ou seja, independente de um ser manual e o outro automático, eles devem seguir a sequência de cozimento que é padrão para cozedores tipo batelada de massa “A”.
2.1 Cozedor a Vácuo Manual
Na operação do cozedor a vácuo em manual, apesar dessa operação parece ser mais simples na verdade não é, pois o operador fica responsável por interagir do inicio ao final do processo, ou seja, ele opera levando em consideração seu conhecimento e experiência. Dessa forma ele fica responsável por operar 15 válvulas manuais, onde ele regula cada válvula de acordo com a etapa da sequência de cozimento, isso acontece de varias formas diferentes, pois cada turno tem seu operador totalizando o total de três operadores por dia. Além de processo cansativo e em algumas ocasiões fica exposto a condições climáticas, ergonômicas e físicas. Na figura (10) abaixo é mostrado processo de um fluxograma de instalação básica de um cozedor de operação manual.
Figura 09 – Sequência de Cozimento Cozedor a Vácuo
11 2.2 Cozedor a Vácuo Automatico
Na automação do cozedor, primeiramente foi necessário o conhecimento do funcionamento manualmente do cozedor, assim acompanhando seu funcionamento em todas suas etapas de cozimento do açúcar e tirando quaisquer duvida em relação ao funcionamento com os operadores, após foram levantado as principais variáveis nesse processo afim de elaborar o fluxograma de automação com todos os pontos a serem medidos e controlados.
• Nível no cozedor – Esse controle é feito através da medição indireta do nível no interior do cozedor, utiliza-se um transmissor de pressão tipo diferencial flangeado, com principio de medição por coluna hidrostática da massa, esse sinal é enviado ao controlador que controla a abertura das válvulas de alimentação.
• Pressão no corpo do cozedor – Esse controle é feito através da medição direta do vazio(vácuo) no interior do cozedor, utiliza-se um transmissor de
Fonte: Própria
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pressão tipo diferencial, esse sinal é enviado ao controlador.
• Pressão da Calandra – Esse controle é feito através da medição direta do vapor na calandra do cozedor, utiliza-se um transmissor tipo manométrica, esse sinal é enviado ao controlador que atua diretamente na válvula de alimentação do vapor, assim controlando a pressão do vapor na calandra do cozedor.
• Temperatura de massa do cozedor – Esse controle é feito normalmente através da medição com Pt100 e um conversor de sinal, esse sinal é enviado ao controlador que atua na abertura da válvula de água do multijato, esse controle tem ligação a malha de controle do vazio.
• Concentração da Massa do cozedor – Nesse controle mediremos o Brix° até o ponto de saturação, esse é o principal e mais difícil de todas as variáveis, essa medição é feita através de uma sonda, que utiliza o principio de medição por micro-ondas, onde faz a leitura do Brix° da massa e envia ao controlador, esse controle é inter-relacionado com o nível do cozedor que responsável pela alimentação do cozedor.
Após a descrição de todas as malhas de controle e etapas de cozimento foi possível a elaboração do ladder(programa responsável por todas as rotinas de trabalho das etapas de cozimento).
Na operação em automático o clp que é responsável por executar o ladder que é altamente complexo, cujo a finalidade é a mesclagem dos controles contínuos, interfaceando as rotinas de operação e trabalho. No controle do cozedor são diversas variáveis a serem medidas e controladas, onde esses variáveis trabalham inter-relacionadas entre si, dentre eles os principais controle são: nível do cozedor, concentração da massa no cozedor, temperatura do corpo do cozedor, pressão do corpo do cozedor e pressão do vapor na calandra.
Como a figura(11) fluxograma de automação mostra logo abaixo, o sistema de automação de um cozedor além de ser altamente complexo, ele envolve a mesclagem de controles contínuos com discretos, porem o interfaceamento do sistema de automação com a operação se torna muito fácil, intuitiva e prático, pois todas esses controles são efetuado via supervisório, onde o operador é capaz de monitorar e operar todo o processo de cozimento remotamente de uma sala do COI(centro de operações integradas).
13 Figura 11 –Ffluxograma de Automação do Cozedor 800HL
14 CONSIDERAÇÕES FINAIS
Primeiramente a automação possibilitou uma maior comodidade para os operadores, uma vez que ele tem todas as informações do processo ficam online diretamente no supervisório, assim podendo realizar qualquer comando que haja necessidade, sem nenhuma intervenção humana, assim minimizando qualquer risco que os operadores estavam sujeitos. Também ele gerou vários benefícios tais como: maior qualidade, maior produção, uniformidade e principalmente redução no tempo de cozimento.
O investimento total para a instalação do sistema de automação de todo o cozedor foi de R$ 492.000,00. Abaixo a tabela mostra os detalhes de equipamentos e preços.
EQUIPAMENTOS PREÇO R$
PLC / VERSA MAX - PAINEL COMPLETO 110.000,00
SISTEMA SUPERVISÓRIO 45.000,00
SONDA DE CONCENTRAÇÃO 45.000,00
EQUIPAMENTOS ELETRÔNICOS 20.000,00
TRANSMISSORES - FOXBORO 22.000,00
VÁLVULAS AUTOMATICAS - ON /OFF 130.000,00
MATERIAL INSTRUMENTAÇÃO / ELÉTRICA 60.000,00
MÃO DE OBRA 60.000,00
TOTAL DE INVESTIMENTO 492.000,00
Como visto, inicialmente achou-se que o valor era muito alto, após a comparação dos resultados dos cozedores individuais, verificou-se que o cozedor em automático teve uma redução considerável no tempo de cozimento.
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Como o gráfico da figura (12) mostra além da redução do tempo, houve ainda uma grande melhora no padrão de cozimento, ou seja, os ciclos de cozimento se mantiveram mais estável como da pra perceber no gráfico verde. Como mostra o gráfico o tempo médio de um cozedor sem manual é de aproximadamente 105,5 minutos, enquanto que o automático ficou com media de 90,2 minutos, então obtivemos um ganho de 15,3 minutos a menos por ciclos.
• Números de ciclos cozedor automático em 24 horas = 15,96 ciclos / dia. • Números de ciclos cozedor manual em 24 horas = 13,64 ciclos / dia. • A automação resultou em um ganho de = 2,32 ciclos / dia.
A capacidade de produção de um cozedor de 800HL varia muito pois ele esta relacionado na capacidade de moagem da planta, qualidade da cana de açúcar, aproveitamento no processo de fabricação e outros, mas de um modo geral esse equipamento é capaz de produzir até 1000 sacas de açúcar de 50Kg por ciclo.
Figura 12 – Comparação entre tempo de Cozimento entre cozedores
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Levando em consideração uma produção 40% da sua capacidade, que é um valor mínimo de produção por ciclo (400 sacas de açúcar) e o ganho 2,32 ciclos, (2,32 x 400 = 928) tivemos um ganho de aproximadamente de 928 sacas a mais por dia no cozedor automático.
Utilizando a média de preço de 2019 do Indicador CEPEA/ESALQ do açúcar cristal foi de R$ 65,46 a saca de 50 kg, então temos 928 sacas x R$65,46 = R$60.746,88 de lucro dia em relação ao cozedor sem automação, pegando o valor gasto na automação de R$ 492.000,00 e dividindo pelo lucro dia gerado R$ 60.746,88 temos 8,07. Esse é o numero em dias que a automação vai se pagar, ou seja, em menos de 9 dias a automação ja se pagou e o investimeto é revertido em lucro.
Essa aplicação do sistema de automação no cozedor gerou um ganho consideravel a empresa e com um retorno de investimento muito rapido.
Esse estudo tinha como objetivo comprovar a viabilidade da implantação de tecnicas de controle, instrumentação e automação no processo de cozimento do açúcar, desse modo comprovou-se pelos os resultados obtidos que é totalmente viavel a automatização do processo de cozimento. Com a automatização do processo de cozimento o ganho vem tanto em caráter de maior produção e qualidade, quanto na eliminação de um posto onde o operador ficava exposto a condições climaticas e ergonomicas.
Fonte: Própria
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Ao final concluimos que a implantação de um sistema de automação bem elaborada e planejada pode ser a chave para que as empresas possam crescer de forma eficiente e otimizada.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFIAS
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