Automatização e Controlo de uma Estacão de Tratamento de Águas Residuais

(1)

Automatiza¸c˜

ao e Controlo

de uma Esta¸c˜

ao de Tratamento

de ´

Aguas Residuais

Por

Jo˜ao Pedro Lopes de Ara´

ujo

Orientador: Doutor Jos´e Boaventura Ribeiro da Cunha

Co-orientador: Doutor Jos´e Paulo Barroso de Moura Oliveira

Disserta¸c˜ao submetida `a

UNIVERSIDADE DE TR ´AS-OS-MONTES E ALTO DOURO para obten¸c˜ao do grau de

MESTRE

em Engenharia Electrot´ecnica e de Computadores, de acordo com o disposto no DR – I s´erie–A, Decreto-Lei n.o

74/2006 de 24 de Mar¸co e no Regulamento de Estudos P´os-Graduados da UTAD

DR, 2.a

s´erie – Delibera¸c˜ao n.o

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Automatiza¸c˜

ao e Controlo

de uma Esta¸c˜

ao de Tratamento

de ´

Aguas Residuais

Por

Jo˜ao Pedro Lopes de Ara´

ujo

Orientador: Doutor Jos´e Boaventura Ribeiro da Cunha

Co-orientador: Doutor Jos´e Paulo Barroso de Moura Oliveira

Disserta¸c˜ao submetida `a

UNIVERSIDADE DE TR ´AS-OS-MONTES E ALTO DOURO para obten¸c˜ao do grau de

MESTRE

em Engenharia Electrot´ecnica e de Computadores, de acordo com o disposto no DR – I s´erie–A, Decreto-Lei n.o

74/2006 de 24 de Mar¸co e no Regulamento de Estudos P´os-Graduados da UTAD

DR, 2.a

s´erie – Delibera¸c˜ao n.o

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Orienta¸c˜ao Cient´ıfica :

Doutor Jos´e Boaventura Ribeiro da Cunha

Professor Auxiliar com Agrega¸c˜ao do

Departamento de Engenharias – Escola de Ciˆencias e Tecnologia Universidade de Tr´as-os-Montes e Alto Douro

Doutor Jos´e Paulo Barroso de Moura Oliveira

Professor Auxiliar com Agrega¸c˜ao do

Departamento de Engenharias – Escola de Ciˆencias e Tecnologia Universidade de Tr´as-os-Montes e Alto Douro

(6)

(7)

“O sucesso ´e ir de fracasso em fracasso sem perder entusiasmo”

Winston Churchill (1874 – 1965)

“O esp´ırito acad´emico prevalece...para sempre”

Jo˜ao Ara´ujo (1983 – ...)

Dedico a, meus pais, irm˜a e av´os

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Automatiza¸c˜ao e Controlo

de uma Esta¸c˜ao de Tratamento

de ´

Aguas Residuais

Jo˜ao Pedro Lopes de Ara´ujo

Submetido na Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro para o preenchimento dos requisitos parciais à obten¸cão do grau de

Mestre em Engenharia Electrot´ecnica e de Computadores

Resumo — Sendo o tratamento de águas residuais um tema muito importante no âmbito da saúde publica, existe a necessidade de conceber vários processos de tratamento de efluentes. No final do seu processamento o efluente tratado terá que obedecer a requisitos de qualidade qu´ımicos e biológicos para a sua descarga no meio ambiente. A aplica¸cão das tecnologias neste âmbito é de extrema importância, uma vez que é poss´ıvel tornar o sistema mais autónomo, monitorizar processos, e controla-los de forma eficiente e acess´ıvel para o utilizador. Assim, neste tipo de sistemas terá que ser utilizado um elemento central de controlo, e vários elementos auxiliares, nomeadamente vários tipos de sensores. Também terá que se usar uma interface que permita ao utilizador comunicar com o sistema de controlo de forma a poder manipular e ajustar determinados parâmetros que influenciam os processos de tratamento.

A presente disserta¸cão apresenta a automatiza¸cão, controlo e monitoriza¸cão de uma Esta¸cão de Tratamento de Águas Residuais (ETAR). Para esse efeito utilizou-se um Controlador Lógico Programável (PLC), com várias expansões, uma Consola de Interface Gráfica (CIF), e vários sensores. Este projecto foi implementado numa ETAR de uma empresa de processamento de castanhas, chamada SORTEGEL. A realiza¸cão de vários testes de funcionamento no local provou ser um excelente método de automatiza¸cão, controlo e monitoriza¸cão dos vários processos de tratamento de efluentes.

Palavras Chave: Esta¸cão de tratamento de Águas Residuais, Consola de Interface Gráfica, Controlador Lógico Programável, Sensor, Automa¸cão, Efluentes.

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(11)

Automation and Control of

a Wastewater Treatment Plant

Jo˜ao Pedro Lopes de Ara´ujo

Submitted to the University of Tr´as-os-Montes and Alto Douro in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Science in Electrical Engineering and Computers

Abstract — Wastewater treatment is a subject of major importance in the context of public health, and so there is a need to improve and develop various processes of wastewater treatment. At the end of the process, it must meet certain chemical and biological parameters for it’s discharge into the environment. The application of technology in this context is extremely important, since it’s possible to make the system more autonomous, monitor the process, and control it, in an efficient and accessible way to the user. Thus, in such systems must be used a control center, and various auxiliary elements, including various types of sensors. Also, an interface that allows to communicate with the control system is required, so it can manipulate and adjust certain parameters that influence the treatment process.

This dissertation presents the automation, control and monitoring of a Wastewater Treatment Plant. With this aim, it was used a Programmable Logic Controller, with several expansions, a Graphical Interface Console, and various sensors. This project was implemented in a WWTP of a company that processes chestnuts, called SORTEGEL. The operation and tests made on site proved to be an excellent method of automation, control and monitoring system for the effluent treatment processes. Key Words: Wastewater Treatment Plant, Grafic Interface Console, Programmable Logic Controller, Sensor, Automation, Effluents.

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(13)

Agradecimentos

Os meus agradecimentos ao Magn´ıfico Reitor da Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro, Professor Doutor Carlos Alberto Sequeira, por proporcionar aos alunos desta institui¸cão uma forma¸cão de excelente qualidade.

Ao Professor Doutor José Boaventura Ribeiro da Cunha, Professor Auxiliar com Agrega¸cão do Departamento de Engenharias – Escola de Ciências e Tecnologia da Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro, orientador deste trabalho, pela sua motiva¸cão, pelas suas sugestões, conselhos, ideias inovadoras e orienta¸cões.

Ao Professor Doutor José Paulo Barroso de Moura Oliveira, Professor Auxiliar com Agrega¸cão do Departamento de Engenharias – Escola de Ciências e Tecnologia da Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro, na qualidade de co-orientador, pelas suas observa¸cões, conselhos e orienta¸cões.

Ao Professor Doutor Salviano Filipe Silva Pinto Soares, Director da Licenciatura e do Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores da Universidade de Trás-os-Montes, por proporcionar aos alunos destes cursos um ensino de excelência, preparando-os para o mercado de trabalho com uma forma¸cão de grande qualidade. A todos os meus professores e auxiliares, não por proporcionar excelentes métodos de ensino/aprendizagem, mas também pelo seus conselhos e apoio que me deram ao longo da minha vida académica.

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ajudas, contribui¸c˜oes e conselhos.

A todos os meus “amiguinhos” e “amiguinhas” pelos os momentos, aventuras, por fazerem parte da minha vida,... e por tudo.

A todo o pessoal da R6 pelo conv´ıvio, companheirismo, e aventuras.

Aos seguran¸cas da R6, Amaral e Chico, pela sua paciˆencia em alguns momentos. Aos SASUTAD pelo apoio e alojamento ao longo da minha vida acad´emica.

A todos os meus colegas da Licenciatura e do Mestrado em Engenharia Electrot´ec-nica e de Computadores da Universidade de Tr´as-os-Montes e Alto Douro pela sua amizade e simpatia.

A todos, muito obrigado!

UTAD, Jo˜ao Pedro Lopes de Ara´ujo

Vila Real, 16 de Setembro de 2010

(15)

´Indice geral

Resumo ix

Abstract xi

Agradecimentos xiii

´Indice de tabelas xix

´Indice de figuras xxi

Gloss´ario, acr´onimos e abreviaturas xxv

1 Introdu¸c˜ao 1

1.1 Motiva¸cão e objectivos . . . 1 1.2 Organiza¸cão da disserta¸cão . . . 2

2 Estado da arte 3

2.1 Enquadramento geral . . . 3 2.2 Aplica¸c˜oes das ETAR . . . 4 2.3 Processos de tratamento . . . 5

(16)

3.1 Objectivo do tratamento . . . 15

3.2 Estrutura da ETAR-Sortegel . . . 18

3.3 Perspectiva geral do sistema . . . 22

3.4 Equipamentos de actua¸c˜ao e controlo . . . 23

3.4.1 Sensores de n´ıvel anal´ogicos . . . 23

3.4.2 Sensor de fluxo . . . 26

3.4.3 Sensor de pH . . . 30

3.4.4 Controlador L´ogico Program´avel (PLC) . . . 31

3.4.5 Consola de Interface Gr´afica (CIF) . . . 39

3.4.6 Bombas e motores . . . 41

4 Automa¸c˜ao da ETAR 43 4.1 Descri¸c˜ao do sistema a controlar . . . 43

4.1.1 Tamisagem, reservat´orio de efluente tamisado, bombas doseado-ras de nutrientes e de NaOh . . . 44

4.1.2 Lagoas, arejamento, bombas doseadoras de coagulante . . . . 48

4.1.3 Desidrata¸c˜ao das lamas . . . 51

4.1.4 Reservat´orio de efluente decantado, reservat´orio de efluente tratado, filtragem . . . 52

4.2 Interface do sistema com o utilizador . . . 53

4.2.1 Protocolo de comunica¸c˜ao entre PLC e CIF . . . 57

5 Implementa¸cão dos Controladores Lógicos dos Processos de Trata-mento utilizando Diagramas de Contactos 61 5.1 Reservatório de efluente tamisado (RET) . . . 63

5.2 Sa´ıdas do aut´omato . . . 66

5.3 Sinaliza¸c˜ao de funcionamento . . . 67

5.4 Alarmes e avarias . . . 68 xvi

(17)

5.5 Lagoas . . . 70

5.6 Ciclos de arejamento, agitadores, electrov´alvulas . . . 72

5.7 Desidrata¸c˜ao das lamas . . . 73

5.8 Contagem do tempo de funcionamento dos equipamentos . . . 76

5.9 C´alculo de volume dos reservat´orios e lagoas . . . 77

6 Resultados e Conclusões 83 Referências bibliográficas 87 A Instru¸cões usadas no PLC 91 A.0.1 Addition . . . 94

A.0.2 Subtraction . . . 94

A.0.3 Multiply . . . 94

A.0.4 Divide . . . 94

(18)

(19)

´Indice de tabelas

2.1 Algumas aplica¸c˜oes das ´aguas residuais tratadas . . . 5

2.2 Poluentes associados mais comuns e alguns parâmetros f´ısico-qu´ımicos nalgumas áreas de aplica¸cão das ETAR . . . 6

3.1 Valores dos parˆametros f´ısico-qu´ımicos referentes `as amostras do eflu-ente produzido (Fevereiro de 2007 ) . . . 17

3.2 Caracter´ısticas do sensor MAC3 PRE52B1A4M10000 . . . 25

3.3 Caracter´ısticas do sensor MAC3 PRE52B1A4M10000 (cont.) . . . 25

3.4 Caracter´ısticas do transmissor do sensor de fluxo . . . 29

3.5 Caracter´ısticas do transmissor do sensor de pH . . . 31

3.6 Legenda da figura 3.16 . . . 34

3.7 Configura¸c˜ao das palavras digitais das entradas digitais do PLC . . . 36

3.8 Configura¸c˜ao das palavras digitais das sa´ıdas digitais do PLC . . . . 37

3.9 Configura¸c˜ao da expans˜ao de 32 entradas digitais . . . 37

3.10 Configura¸c˜ao da expans˜ao de 16 entradas digitais . . . 37

3.11 Configura¸cão da expansão de entradas analógicas de corrente . . . 38

3.14 Caracter´ısticas estruturais e de visualiza¸c˜ao da CIF . . . 40

3.12 Caracter´ıstica el´ectricas da CIF . . . 41 xix

(20)

fun¸cão das alturas reais . . . 45 5.1 Valores obtidos do volume do RED pela sua fórmula geral . . . 79 5.2 Valores obtidos do volume do RED pela sua fórmula geral . . . 81 6.1 Análise do efluente após decanta¸cão primária a 7 de Novembro de 2009 83 6.2 Caracter´ısticas do efluente após decanta¸cão primária, a 13 de

Novem-bro de 2009 . . . 84 6.3 Caracter´ısticas do efluente na descarga da ETAR, a 13 de Novembro

de 2009 . . . 84 6.4 Resultados da an´alise do efluente a 30 de Dezembro de 2009 . . . 84

(21)

´Indice de figuras

2.1 Localiza¸cão do processo biológico no tratamento de águas residuais . 12

3.1 Etapas de tratamento do efluente . . . 18

3.2 Tamisador montado para remover os s´olidos de maior dimens˜ao . . . 19

3.3 Vista da entrada do po¸co de homogeneiza¸c˜ao do caudal . . . 20

3.4 Representa¸c˜ao dos processos 3,4,5 do tratamento do efluente . . . 21

3.5 Filtros usados no processo de filtragem no tratamento do efluente . . 21

3.6 Descarga do efluente para o meio ambiente . . . 21

3.7 Equipamento de desidrata¸cão e extraçcão das lamas, DRAIMAD . . . 22

3.8 Plano de concep¸c˜ao da ETAR . . . 24

3.9 Sensor de n´ıvel anal´ogico com sa´ıda de corrente MAC3 . . . 25

3.10 Liga¸c˜oes do sensor anal´ogico de corrente . . . 25

3.11 Transmissor do sensor de fluxo SIEMENS MAG5000 . . . 26

3.12 Liga¸c˜oes do transmissor do sensor de fluxo . . . 28

3.13 Exemplo de instala¸c˜ao de um sensor de pH . . . 30

3.14 Diagrama de blocos de um PLC . . . 32

3.15 PLC Allen Bradley, Micrologix 1500 LRP Series B . . . 33

3.16 Composi¸c˜ao do PLC Micrologix 1500 . . . 33 xxi

(22)

3.20 CIF Pro-face AGP 3600T . . . 39 3.21 Disposi¸cão das portas da CIF (vista de trás) . . . 40 4.1 Divisão dos processos a controlar na ETAR . . . 44 4.2 Primeira etapa de processamento do efluente . . . 45 4.3 Fluxograma da primeira etapa de automatiza¸cão do sistema . . . 47 4.4 Segunda etapa de processamento do efluente . . . 48 4.5 Fluxograma da segunda etapa, parte funcional das bombas e arejadores 50 4.6 Etapa de desidrata¸cão de lamas . . . 51 4.7 Etapa final do processo de tratamento do efluente . . . 53 4.8 CIF Pro-face AGP 3600T . . . 54 4.9 Parâmetros de bombas e electroválvulas . . . 54 4.10 Inser¸cão de parâmetros no sistema . . . 55 4.11 Ciclos de arejamento das lagoas . . . 56 4.12 Écran de inser¸cão de parâmetros da lagoa 1 . . . 57 4.13 Camadas do modelo de referência OSI . . . 58 4.14 Transmissão de dados para comunica¸cão ponto-a-ponto . . . 59 5.1 Exemplo de programa¸cão em linguagem Ladder . . . 61 5.2 Excerto da fun¸cão principal do programa . . . 62 5.3 N´ıveis do reservatório de efluente tamisado . . . 63 5.4 Controlo do n´ıvel de paragem do RET . . . 64 5.5 Alternância das bombas PM101A e PM101B . . . 65 5.6 Alternância das bombas PM101A e PM101B (cont.) . . . 66 5.7 Condi¸cões de actua¸cão da bomba PM101A . . . 67 5.8 Verifica¸cão de sinaliza¸cão de funcionamento da bomba PM101A . . . 68 5.9 Mecanismo de indica¸cão de avaria da bomba PM101A . . . 69 5.10 Exemplo de avaria de n´ıvel máximo no RET . . . 69 5.11 Exemplo de avaria do sensor do RET. . . 70

(23)

5.12 N´ıveis a controlar nas lagoas . . . 71 5.13 Seleçcão de duas lagoas no sistema . . . 71 5.14 Aquisi¸cão de dados para cálculo de tempo de aerobiose . . . 72 5.15 Configura¸cão do módulo RTC no PLC . . . 74 5.16 Programa¸cão do in´ıcio de desidrata¸cão de lamas . . . 74 5.17 Inibi¸cão das electroválvulas EV1A e EV2A . . . 75 5.18 Inibi¸cão das electroválvulas EV1A e EV2A (cont.) . . . 75 5.19 Contagem de horas da bomba PM101A . . . 76 5.20 Dimensões do RET . . . 77 5.21 Forma geométrica das lagoas 1 e 2 . . . 78 5.22 Forma geométrica do RED . . . 79 5.23 Regressão polinomial para cálculo de volume de efluente do RED . . 80 5.24 Forma geométrica do RETR . . . 81 6.1 Recep¸cão do efluente na ETAR . . . 85 6.2 Descarga do efluente da ETAR . . . 85

(24)

(25)

Gloss´

ario, acr´

onimos e

abreviaturas

Gloss´

ario de termos

Aerobiose — Processo biológico com a presen¸ca de oxigénio. Consiste em afectar várias reaçcões biológicas através da actua¸cão de microrganismos que exigem oxigénio, para remover componentes indesejáveis no tratamento de efluentes.

Anaerobiose — Processo biológico com total ausência de oxigénio. Afecta vários microrganismos e bactérias que originam reaçcões biológicas que pode fornecer energia a vários componentes no tratamento de efluentes.

Azoto — Elemento qu´ımico com o s´ımbolo N, número atómico 7 e número de massa 14. Ocorre como um gás inerente, não-metal, incolor e ins´ıpido. O excesso deste elemento qu´ımico provoca diminui¸cão da qualidade das águas.

(26)

matéria orgânica através de processos biológicos.

Carência Qu´ımica de Oxigénio (CQO) — Parâmetro de medi¸cão de quanti-dade de matéria orgânica suscept´ıvel de ser oxidada por meios qu´ımicos que existam numa amostra qu´ımica, expressa em mg O2/litro.

Fósforo — Elemento qu´ımico com o s´ımbolo P, número atómico 15 e número de massa 31. É um sólido na temperatura ambiente, não-metal, oxidando-se em contacto com o oxigénio e a atmosfera. O excesso deste qu´ımico provoca a contamina¸cão das águas.

pH — Medida de indica¸cão se uma solu¸cão é ácida (pH<7, a 25◦_{C), neutra (pH=7,}

a 25◦_{C), ou b´asica/alcalina (pH>7, a 25}◦_C).

Sólidos Suspensos Totais (SST) — Parâmetro de medi¸cão da qualidade da água, medido através de filtros de fibra de vidro que mede os sólidos suspensos, nor-malmente por litro de água. Esta unidade é expressa em mg/litro.

Lista de acr´

onimos

Sigla Expans˜ao

AA101A Motor com h´elice acoplada 1 da lagoa 1 AA101B Motor com h´elice acoplada 2 da lagoa 1

(27)

Sigla Expans˜ao

AA102A Motor com hélice acoplada 1 da lagoa 2 AA102B Motor com hélice acoplada 2 da lagoa 2 AS101A Soprador de oxigénio 1 da lagoa

AS101B Soprador de oxigénio 2 da lagoa 1 AS102A Soprador de oxigénio 1 da lagoa 2 AS102B Soprador de oxigénio 2 da lagoa 2

AC Alternating Current (corrente alternada)

DC Direct Current (corrente cont´ınua)

CBO Carˆencia bioqu´ımica de oxig´enio

CBO5 Carˆencia bioqu´ımica de oxig´enio (5 dias)

CIF Consola de interface gr´afica

COT Carbono orgˆanico total

CPU Central Processing Unit (Unidade Central de Processamento)

DES Descarga electroest´atica

EV1 Electroválvula de extraçcão de lamas provenientes da lagoa 1 EV1A Electroválvula de recircula¸cão de lamas para a lagoa 1 EV2 Electroválvula de extraçcão de lamas provenientes da lagoa 2 EV2A Electroválvula de recircula¸cão de lamas para a lagoa 2 EV3 Electroválvula de extraçcão de lamas provenientes da lagoa 1

e lagoa 2

E/S Entrada/Sa´ıda

ETAR Esta¸c˜ao de tratamento de ´aguas residuais

HMI Human Machine Interface

LED Light emissor diode (D´ıodo emissor de luz)

PC Personal computer (Computador pessoal)

PM101A Bomba hidropneum´atica no

1 do RET PM101B Bomba hidropneum´atica no

2 do RET

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RET Reservatório de Efluente Tamisado RED Reservatório de Efluente Decantado RETR Reservatório de Efluente Tratado

RTC Rel´ogio em tempo real

ST S´olidos totais

Lista de abreviaturas

Abreviatura Significado(s)

e.g. por exemplo

et al. e outros (autores)

etc. etecetera, outros

i.e. isto ´e, por conseguinte

vid. veja-se, ver

vs. versus, por compara¸c˜ao com

n.a. n˜ao aplic´avel

e.o. entre outros

(29)

1

Introdu¸c˜

ao

Os sistemas de automa¸cão e controlo têm grande aplica¸cão na área da indústria, para regular os processos de produ¸cão tendo em conta as variáveis que os influenciam. Uma das aplica¸cões deste tipo de sistemas é a do tratamento de efluentes, seja a sua proveniência pública ou da indústria.

Esta disserta¸cão descreve o desenvolvimento e a implementa¸cão de um sistema de controlo, automatiza¸cão e monitoriza¸cão para uma esta¸cão de tratamento de águas residuais (ETAR), cujo efluente é proveniente de uma fábrica de processamento de castanhas chamada SORTEGEL.

1.1 Motiva¸c˜

ao e objectivos

Tendo em conta os vários processos de tratamento existentes numa ETAR, torna-se necessário que esta seja o mais autónoma poss´ıvel, o operador tenha a possibili-dade de controlar e monitorizar os equipamentos e processos associados de maneira acess´ıvel.

Sendo a Automa¸cão um ramo de bastante aplica¸cão industrial em várias áreas, 1

(30)

consegue-se fazer a implementa¸cão de um sistema que satisfa¸ca as necessidades da ETAR. Isto é, automatizar, controlar e monitorizar os seus processos e equipamentos de modo que o efluente a tratar, no final, obede¸ca as condi¸cões de descarga para o meio ambiente impostas pela lei portuguesa.

Assim, o objectivo global desta disserta¸cão visa a implementa¸cão, teste e a valida¸cão de um sistema de automa¸cão, controlo e monitoriza¸cão de uma ETAR usando um Controlador Lógico Programável (PLC) e uma Consola de Interface Gráfica (CIF).

1.2 Organiza¸c˜

ao da disserta¸c˜

ao

Esta disserta¸cão encontra-se estruturada em seis cap´ıtulos. No presente cap´ıtulo faz-se uma introdu¸cão de enquadramento e apresenta-se a motiva¸cão subjacente à realiza¸cão do trabalho.

No cap´ıtulo do estado da arte apresenta-se a constitui¸cão e funcionamento de uma ETAR, referindo quais os processos de tratamento existentes, e quais os sistema de controlo aplicados aos mesmos. O terceiro cap´ıtulo descreve a ETAR-SORTEGEL em questão, referindo as várias etapas do processo de tratamento, e os equipamentos necessários para se realizar o tratamento, a automa¸cão, o controlo e a monitoriza¸cão dos vários processos. O quarto cap´ıtulo refere como se projectou a automa¸cão de ETAR, referindo como se abordou os diferentes processos de tratamento para se fazer a sincroniza¸cão das várias etapas de tratamento do efluente. O quinto capitulo refere-se à programa¸cão do Controlador Lógico Programável (PLC), dispositivo que faz a automa¸cão do sistema, apresenta-se ainda os cálculos efectuados e as calibra¸cões feitas para optimizar o sistema. O último cap´ıtulo refere-se aos resultados obtidos, tecem-se conclusões acerca do sistema realizado. Por último apresenta-se algumas sugestões para trabalho futuro, visando a expansão e o melhoramento do sistema proposto.

(31)

2

Estado da arte

Este cap´ıtulo inicia-se com uma apresenta¸cão geral das ETAR, as suas áreas de apli-ca¸cão, os elementos poluentes dos efluentes e os seus respectivos processos f´ısicos, qu´ımicos e biológicos de tratamento. De seguida, são apresentadas várias tecnolo-gias aplicadas no tratamento de águas residuais, fazendo referência a vários artigos cient´ıficos de trabalhos realizados neste âmbito.

2.1 Enquadramento geral

Todos os seres vivos à face da Terra, nas suas diversas actividades, produzem res´ıduos que são devolvidos à Natureza. Se a quantidade destes for excessiva, ou seja, se excedem a capacidade de regenera¸cão e auto-depura¸cão, originam-se desequil´ıbrios no nosso ecossistema, prejudicando a saúde na própria natureza e do ser humano. Este facto leva a que este tema seja alvo de sérias preocupa¸cões à escala mundial, nomeadamente referenciadas na Conferência das Na¸cões Unidas, realizada no Rio de Janeiro em 1992, e no Tratado de Quioto em 2003 (Pires, 2007).

O tratamento de águas residuais tornou-se um tema muito actual e cr´ıtico, devido à diminui¸cão dos recursos de água doce. Nesse intuito criaram-se regulamentos de

(32)

descarga das águas tratadas para evitar contamina¸cões na saúde pública. Os eflu-entes residuais não tratados contêm altos n´ıveis de matéria orgânica e numerosos microrganismos patogénicos, tal como nutrientes, compostos tóxicos, bactérias, en-tre outros, provocando assim riscos de saúde e ambientais. Deve-se então afastar esse efluente de onde é gerado e proceder ao seu tratamento adequado antes de ser descarregado. Pode-se dizer então que, o objectivo deste tratamento é proteger o meio ambiente, tendo em conta questões como a saúde pública, ambientais e aspectos socioeconómicos (Nations, 2003).

2.2 Aplica¸c˜

oes das ETAR

As aplica¸cões das ETAR abrangem vários sectores da nossa sociedade, principal-mente na área da indústria, uma vez que qualquer empresa cuja produ¸cão necessite de água para criar o seu produto final irá ter águas residuais para tratar. Na área pública, utilizam-se as ETAR no tratamento das águas pluviais e de saneamento antes de efectuar a descarga para o meio ambiente. A tabela 2.1 apresenta algumas das aplica¸cões do tratamento de águas residuais.

Para se fazer estes tratamentos, terá que se conceber infra-estruturas que permitam que a água seja de novo reutilizável para diversos fins. Estas infra-estruturas, des-ignadas por ETAR, são esta¸cões que se destinam ao tratamento de águas residuais, domésticas ou industriais, sendo estas de extrema importância para o nosso ecossis– tema. As águas tratadas podem-se destinar a serem reutilizadas, ou devolvidas aos rios, oceanos, ou lagos. Existem dois tipos de reutiliza¸cão:

• Reutiliza¸cão indirecta, em que a água tratada será lan¸cada num ciclo hidrológico, que será utilizada para capta¸cões de água e/ou produ¸cão de água para consumo humano;

• Reutiliza¸cão directa, em que a água será utilizada para diversas situa¸cões, sem ser para consumo humano (Pereira, 2009);

(33)

Tabela 2.1 – Algumas aplica¸c˜oes das ´aguas residuais tratadas (Pereira, 2009).

Rega Agr´ıcola (culturas, viveiros)

Paisag´ıstica (parques, campos de golfe, jardins, etc.)

Abastecimento industrial Arrefecimento, caldeiras, constru¸c˜ao pesada

Recarga de Aqu´ıferos Refor¸co de volume de ´aguas subter-rˆaneas

Controlo de intrus˜ao salina

Usos urbanos Lavagem de ruas, limpeza de colectores, proteçcão contra incêndios

Actividades recreativas Lagos, lagoas, aumento de caudal de ribeiros, pesca

2.3 Processos de tratamento

Para se fazer o tratamento de água residual será necessário ter conhecimento de quais são os elementos poluentes que contém para, posteriormente, eliminá-los. Esses elementos podem variar significativamente de acordo com os processos que lhes dão origem. A tabela 2.2 representa os elementos mais comuns dos efluentes a tratar, em rela¸cão a algumas proveniências, bem como alguns parâmetros f´ısico-qu´ımicos que contribuem para a polui¸cão (Drinan, 2001).

Existem v´arios processos que podem ser usados para efectuar o tratamento dos elementos poluentes do efluente a tratar. Estes s˜ao amplamente classificados como:

• Processos f´ısicos; • Processos qu´ımicos; • Processos biol´ogicos;

(34)

Tabela 2.2– Poluentes associados mais comuns e alguns parâmetros f´ısico-qu´ımicos nalgu-mas áreas de aplica¸cão das ETAR (Drinan, 2001).

Proveniˆencia Poluentes associados mais comuns e alguns

parˆametros f´ısico-qu´ımicos

Campos de cereais Turbidez, fósforo, nitratos, sólidos totais Colheita florestal Turbidez, temperatura, sólidos totais

Pastagens Bact´erias fecais, turbidez, f´osforo

Descarga industrial Temperatura, condutividade, sólidos totais, toxinas, pH Explora¸cão mineira pH, alcalinidade, sólidos totais dissolvidos

Fossas sépticas Bactérias fecais, nitratos, fósforo, condutividade, tem-peratura

Esta¸cões de tratamento de esgoto Oxigénio dissolvido e BDO, turbidez, condutividade, fósforo, nitratos, bactérias fecais, temperatura, sólidos totais, pH

Constru¸cão Turbidez, temperatura, oxigénio dissolvido e BDO, sóli-dos totais, toxinas

Res´ıduos urbanos Turbidez, f´osforo, nitratos, temperatura, condutividade, oxig´enio dissolvido, BDO

aplicadas for¸cas f´ısicas para remover elementos contaminantes. Actualmente, eles formam a base da maioria dos sistemas de fluxo de processo para tratamento de ´aguas residuais. Nos processos f´ısicos podem ser aplicados os seguintes m´etodos:

• Triagem: consiste em remover os sólidos brutos do efluente para proteger os equipamentos do sistema de tratamento, evitar interferências com os outros processos e prevenir que a matéria flutuante circule na decanta¸cão primária; • Fragmenta¸cão: é usado para pulverizar os materiais flutuantes no efluente a

tratar, sendo estes instalados onde a sua manipula¸cão é impraticável;

• Equaliza¸cão de fluxo: é uma técnica utilizada para melhorar a eficiência dos processos avan¸cados de tratamento de águas residuais, nivelando parâmetros

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de opera¸c˜ao como fluxo do efluente, n´ıveis de polui¸c˜ao e temperatura ao longo do tempo;

• Sedimenta¸cão: é uma unidade amplamente usada em tratamento de águas residuais, que permite a remo¸cão de part´ıculas em suspensão após a decanta¸cão primária, ciclo biológico na decanta¸cão de lamas, e o fluxo de produtos qu´ımi-cos no processo de coagula¸cão;

• Flutua¸cão: é usada para remover part´ıculas l´ıquidas ou sólidas através da introdu¸cão de gases finos, normalmente bolhas de ar. Estas, ou aderem aos elementos l´ıquidos, ou ficam presas na estrutura das part´ıculas sólidas, aumen– tando a pressão entre as part´ıculas combinadas e as bolhas de ar;

• Filtra¸cão média de grânulos: o efluente a ser tratado passa por um leito fil-trante composto por material granular (areia, antracite, etc.) com ou sem aditivos qu´ımicos;

Os processos qu´ımicos são utilizados no tratamento de águas residuais para provocar algum tipo de mudan¸ca por meio de reaçcões qu´ımicas. Estes são sempre usados em conjunto com processos f´ısicos e processos biológicos. Em geral, os processos qu´ımicos têm uma inerente desvantagem em rela¸cão aos processos f´ısicos, na medida em que estes são processos aditivos. Ou seja, normalmente existe um aumento l´ıquido dos constituintes dissolvidos do efluente a tratar. Isso pode ser um factor significativo se este é para ser reutilizado. Nestes processos os métodos de aplica¸cão podem consistir em:

• Precipita¸cão qu´ımica: a precipita¸cão qu´ımica de águas residuais brutas pro-move a flocula¸cão de sólidos finos em flocos mais facilmente sedimentáveis, aumentado assim a eficiência dos sólidos em suspensão, EBO5 e a remo¸cão de fósforo em rela¸cão à sedimenta¸cão sem coagula¸cão;

• Absor¸cão com carbono activo: é um processo de remover substâncias solúveis numa solu¸cão num meio adequado. No tratamento de águas residuais, a ab-sor¸cão com carbono activo, normalmente segue o tratamento biológico normal,

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e visa eliminar uma parte da restante mat´eria orgˆanica dissolvida;

• Desinfeçcão: refere-se à destrui¸cão de microrganismos causadores de doen¸cas. Este processo é de grande importância no tratamento de águas residuais devido à natureza das mesmas;

• Descloragem: remove res´ıduos livres ou combinados de cloro em efluentes clo-rados antes da sua reutiliza¸c˜ao ou descarga em ´aguas receptoras;

• Outras aplica¸cões qu´ımicas: existem outros processos qu´ımicos para o trata-mento de águas residuais que ajudam a regular certos parâmetros como a redu¸cão do pH, remo¸cão de areias, etc;

Os processos biológicos são utilizados para converter a matéria orgânica final, di-vidida e dissolvida nas águas residuais em sólidos orgânicos e inorgânicos sedimen-táveis. Nestes processos, os microrganismos, especialmente as bactérias, convertem o coloidal e a matéria orgânica carbonácea dissolvida em diversos gases e no tecido celular, que é então removido em tanques de sedimenta¸cão. Os processos biológicos são normalmente utilizados em conjunto com os processos f´ısicos e qu´ımicos, com o objectivo principal de reduzir o teor de matéria orgânica (medida como CBO, COT e COD) e os teores de nutrientes (nomeadamente, azoto e fósforo) das águas residuais.

Os processos biol´ogicos usados para o tratamento de ´aguas residuais, podem-se clas-sificar em cinco grandes tipos (Nations, 2003):

• Processos aeróbios: Nos processos de tratamento aeróbio os organismos usam elementos livres de oxigénio elementar e matéria orgânica, juntamente com nutrientes (azoto, fósforo) e tra¸cos de metais (ferro, etc.) para produzir or-ganismos mais estáveis para dissolver os sólidos em suspensão, e dióxido de carbono (Spellman, 2003);

• Processos anóxicos: no processo de tratamento anóxico (sem oxigénio), os microrganismos usam o oxigénio fixado em compostos de nitrato como fonte

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de energia. O processo produz mais organismos e elimina o nitrogénio da água residual, convertendo-o para o gás nitrogénio que é libertado para o ar (Spellman, 2003);

• Processos anaeróbicos: O processo de tratamento anaeróbio consiste em duas etapas. Ocorre completamente na ausência de oxigénio, e produz um produto utilizável: o gás metano. Na primeira etapa do processo, os microrganis-mos usam a matéria orgânica como alimento para a produ¸cão de organismicrorganis-mos mais ácidos voláteis (orgânicos), dióxido de carbono, sulfureto de hidrogénio, outros gases e alguns sólidos estáveis. Na segunda etapa, os microrganismos anaeróbios usam os ácidos voláteis como fonte de alimento. O processo pro-duz mais organismos, sólidos estáveis e gás metano que pode ser usado para fornecer energia a vários componentes do sistema de tratamento;

• Processos combinados: Estes consistem na combina¸cão da aplica¸cão dos pro-cessos biológicos referidos anteriormente;

• Processos de lagoas: Aqui usam-se lagoas para se efectuar o processo biol´ogico. Nestas, pode-se usar os processos referidos anteriormente, sendo aplicados de uma forma sequencial, ou usar apenas um deles, dependendo do tipo de trata-mento;

Os métodos a aplicar nas etapas de processamento biológico de tratamento de águas residuais são:

• Processo de lodos activos: é um sistema aeróbio de fluxo cont´ınuo, contendo uma massa de microrganismos activos que são capazes de estabilizar a matéria orgânica. O processo consiste no fornecimento de água residual clarificada, após a decanta¸cão primária num tanque de arejamento, onde é misturado com uma massa activa de microrganismos, principalmente bactérias e protozoários, que degradam a matéria orgânica em dióxido de carbono, água, novas células e outros produtos de uso final;

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• Lagoa arejada: é um tanque em que águas residuais são tratadas, quer por um fluxo cont´ınuo ou através de reciclagem de sólidos. A microbiologia envolvida neste processo é semelhante à do processo de lodos activos. No entanto, as diferen¸cas surgem porque a grande área de superf´ıcie de uma lagoa pode provo-car mais efeitos na temperatura, comparativamente aos que normalmente são encontrados em processos convencionais de lodo activo. As águas residuais são oxigenadas pela superf´ıcie ou por uma turbina de arejamento difuso;

• Filtros biológicos: são os filtros mais comuns encontrados no tratamento aeróbio de crescimento ligado, um processo de tratamento biológico usado para a re-mo¸cão de matéria orgânica das águas residuais. É constitu´ıdo por um leito num meio altamente permeável aos quais os organismos estão ligados, for-mando uma camada de lodo biológico, através do qual as águas residuais são filtradas. O meio filtrante é geralmente constitu´ıdo por pedra ou material de plástico. O material orgânico presente nas águas residuais é degradado por absor¸cão na camada de lodo biológico. Na parte externa desta camada, o mate-rial orgânico é degradado por microrganismos aeróbios. Como estes crescem, a espessura da camada de lodo aumenta, e o oxigénio é esgotado antes de ter penetrado toda a camada de lodo na sua profundidade. Um ambiente anaeróbio é assim estabelecido perto da superf´ıcie do meio filtrante. Conforme aumenta a espessura da camada de lodo, a matéria orgânica é degradada antes de chegar aos microrganismos perto da superf´ıcie do meio. Esses microrganis-mos, que são privados de sua fonte externa de alimenta¸cão orgânica, morrem e são lavados pelo l´ıquido que flui;

• Contactos rotativos biológicos: este é um processo biológico de crescimento ligado que consiste numa ou mais bacias hidrográficas, nas quais são mon-tadas discos, com pouco espa¸camento entre si, em condutas horizontais que lentamente giram através das águas residuais. Os discos estão parcialmente submersos na água residual, de modo a que se forme uma camada de bactérias na sua superf´ıcie. Como os discos giram, as bactérias são expostas alternada-mente às águas residuais, das quais absorvem matéria orgânica e oxigénio.

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O movimento de rota¸cão também permite que as bactérias em excesso sejam eliminadas da superf´ıcie dos discos e mantém em suspensão os sólidos biológi-cos;

• Estabiliza¸cão da lagoa: é uma estrutura relativamente rasa de águas residuais, contida num recipiente térreo, usando um processo biológico completamente misturado sem retorno de sólidos. A mistura pode ser natural (vento, calor ou fermenta¸cão) ou induzida (mecânica ou arejamento difuso). As lagoas de estabiliza¸cão são geralmente classificadas, em fun¸cão da natureza da actividade biológica que ocorre nas mesmas como: aeróbia, anaeróbica, ou aeróbia – anaeróbia;

• Digestão anaeróbia de mistura completa: É um processo que ocorre num re-actor hermético. Introduz-se lodo de forma cont´ınua ou intermitente, e que é mantido no reactor por per´ıodos variáveis de tempo. Após a retirada do reactor, seja cont´ınua ou intermitente, o lodo estabilizado tem um reduzido teor de matéria orgânica e de organismos patogénicos, e não é putresc´ıvel. Os dois tipos mais utilizados de digestores anaeróbios são: taxa padrão e de alta taxa. Na taxa padrão, o processo de digestão e o conteúdo do digestor são nor-malmente sem aquecimento e sem misturas, sendo mantidos por um per´ıodo que varia de 30 a 60 dias. No processo de digestão de alta taxa, o conteúdo do digestor é aquecido e misturado completamente e são mantidos, geralmente, por um per´ıodo de 15 dias ou menos;

• Remo¸cão de nutrientes biológicos: Nitrogénio e fósforo são os principais nu-trientes que importa controlar nas descargas de águas residuais. O nitrogénio e o fósforo podem acelerar a eutrofiza¸cão de lagos e reservatórios, e estimu-lar o crescimento de algas e plantas aquáticas enraizadas em riachos rasos. Concentra¸cões significativas de nitrogénio podem ter outros efeitos adversos: a deple¸cão de oxigénio dissolvido em águas receptoras, toxicidade para a vida aquática, impacto negativo sobre a eficiência de desinfeçcão do cloro, a cri-a¸cão de um perigo para a saúde pública, tornando as águas residuais menos adequadas para reutiliza¸cão (Nations, 2003);

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A aplica¸cão dos processos biológicos, e as suas respectivas adi¸cões de produtos es-tão na fase seguinte ao tratamento primário, e antes do tratamento secundário, como mostra a figura 2.1. O tratamento primário corresponde à remo¸cão de sólidos maiores, decanta¸cões primárias, equaliza¸cão de fluxo de efluente, inser¸cão de pro-dutos qu´ımicos, entre outras. O tratamento secundário corresponde a decanta¸cões secundárias, filtragens, aditivos qu´ımicos, entre outras.

Figura 2.1– Localiza¸cão do processo biológico no tratamento de águas residuais.

2.4 Automatiza¸c˜

ao, controlo e monitoriza¸c˜

ao de

processos

No que se refere à automa¸cão, ao controlo e à monitoriza¸cão dos vários processos que constituem as ETAR existem várias solu¸cões tecnológicas que empregam diversos tipos de tecnologias e de algoritmos.

A lógica difusa é uma das técnicas aplicadas neste âmbito, nomeadamente na mod-eliza¸cão de processos de decomposi¸cão nas águas residuais. Este consiste numa degrada¸cão bioqu´ımica de materiais orgânicos. Aplicando estas ferramentas a uma decomposi¸cão controlada de micróbios aeróbios podem-se obter melhores produtos que são utilizados como condicionadores de solo ou fertilizantes orgânicos. Sendo este processo muito dependente da temperatura, o modelo difuso aplicado a este sistema permite modelar o sistema, descrevendo o regime dos processos, os seus consequentes modelos lineares de varia¸cão de temperatura nos ciclos de arejamento em fun¸cão do tempo, minimizando os erros do próprio modelo difuso (Giusti and Marsili-Libelli, 2010).

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modelos de tratamento de águas residuais, uma vez que estes contêm vários parâme– tros que podem ser ajustados em várias aplica¸cões de tratamentos de águas residuais. Com base nos modelos de simula¸cão difusos são, geralmente, empregues três modelos estat´ısticos:

• Encontrar condi¸c˜oes iniciais pr´oprias;

• Análise de identificabilidade: permite encontrar um subconjunto de parâmet-ros de identifica¸cão do controlador difuso;

• Algoritmos de minimiza¸cão: para afinar o subconjunto de parâmetros de iden-tifica¸cão do controlador difuso (Ruano et al., 2010);

Outra das técnicas utilizadas consiste na aplica¸cão de algoritmos baseados em redes neuronais. Estes são usados para extrair padrões qualitativos dos sinais obtidos pelos elementos do sistema. Esses padrões mostram a evolu¸cão do sistema e como estes reagem no processamento do efluente. Isto permite uma aquisi¸cão on-line de parâmetros relevantes do sistema, entre eles o pH, e compará-los com um modelo predefinido de um sistema de tratamento, permitindo acompanhar a evolu¸cão do sistema (Luccarini et al., 2010).

Outro método aplicado nestes sistemas é a análise do sistema de controlo do trata-mento de águas residuais através de modelos de incerteza. Estes permitem fazer uma análise de multi-critérios de parâmetros do tratamento de águas residuais, prevendo o funcionamento do sistema com base na simula¸cão dos modelos dos processos. Neste método, o sistema faz a previsão se o tratamento está a ser eficaz ou não (Benedetti et al., 2010). Outro tipo de modelos baseados na previsão de parâmetros são designados por sensores de software, que oferecem uma alternativa em rela¸cão aos sensores reais. Este combina a informa¸cão entre variáveis de valores lidos de outros sensores reais, e a sua previsão, ajustando parâmetros do sistema. A maior vantagem neste tipo de aplica¸cões está relacionada com os custos mais reduzidos de sensores, uma vez que não será necessário adquirir um sensor para medir um

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determinado parâmetro espec´ıfico, e também na manuten¸cão do sistema (Cecil and Kozlowska, 2010).

Foram também projectados sistemas de monitoriza¸cão em tempo-real nos tratamen-tos de águas residuais que são baseados na leitura dos parâmetros relevantes dos efluentes. Nestes casos, sempre que qualquer parâmetro esteja fora dos valores nor-mais, o sistema permite ao utilizador visualizar essa situa¸cão em tempo real, através do recurso a aplica¸cões de hardware e software adequadas (Szafnicki et al., 1998). Ao longo dos anos as ETAR tornaram-se mais eficientes e mais automatizadas no seu processo de tratamento. Isso deve-se, não só ao melhoramento dos processos f´ısico-qu´ımicos e biológicos envolvidos, mas também aos sistemas de controlo aplicados aos mesmos. No entanto, é dif´ıcil fazer uma normaliza¸cão neste tipo de sistemas. Uma vez que cada ETAR pode ter processos de tratamento diferentes, o método de controlo terá que ser estudado para cada caso, tendo em conta os aspectos de autonomia e de eficiência do sistema. Será necessário um estudo intensivo dos pro-cessos, analisando qual será a solu¸cão mais adequada a implementar, prevendo-se as cargas e os cenários de opera¸cões esperados.

Contudo, não se consegue prever todas as situa¸cões de opera¸cão quando se está a idealizar e a conceber o sistema. Por vezes surgem modos de opera¸cão inesperados quando o sistema está em funcionamento, e deste modo o sistema terá que ser capaz de ajustar-se. Esta é uma das razões pelo qual é dif´ıcil conceber um modelo normalizado de controlo para este tipo de sistemas.

(43)

3

A esta¸c˜

ao de tratamento de

´

aguas residuais da SORTEGEL

Este cap´ıtulo apresenta a estrutura da ETAR–SORTEGEL, referindo os parâmetros a atingir de modo que o efluente esteja tratado, uma perspectiva geral dos seus processos de tratamento e os equipamentos e sensores utilizados para realizar a sua automatiza¸cão, controlo e monitoriza¸cão.

3.1 Objectivo do tratamento

A ETAR faz tratamento do efluente, proveniente do processo de tratamento de cas-tanhas da fábrica SORTEGEL. Após o tratamento é efectuada a descarga para o meio ambiente, mais concretamente numa ribeira chamada ”Ribeira de Sortes”situada a cerca de 200 m a Este, do local de implanta¸cão da ETAR.

De modo a fazer o tratamento das águas residuais do efluente é necessário ter em conta os limites estipulados pela legisla¸cão no que diz respeito às descargas de águas residuais. Para o caso em questão, os parâmetros ambientais mais relevantes a cumprir para a descarga deste efluente, constam do decreto-lei no

236/98 (Min-ist´erio do Ambiente, 1998), sendo:

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• pH – 6 a 9 (Escala Sorënsen); • ST – n.a. • SST ≤ 60 mg/l; • Gorduras e óleos ≤ 15 mg/l; • CBO5 (20 o C) ≤ 40 mg/l O2; • CQO ≤ 150 mg/l O2; • Detergentes ≤ 2,0 mg/l; • Fósforo ≤ 10,0 mg/l; • Azoto total ≤ 15,0 mg/l;

A água que é usada na fábrica para processamento dos frutos é proveniente de três capta¸cões subterrâneas que estão situadas no per´ımetro das instala¸cões da fábrica. São realizadas diversas opera¸cões de lavagem de matéria-prima (castanhas e outros frutos), o que corresponde, em média a 75% do efluente a tratar que é produzido. Os restantes 25% são provenientes da de opera¸cões de higieniza¸cão e de limpeza dos equipamentos e das instala¸cões.

Tendo em conta o histórico do funcionamento da fábrica e da evolu¸cão de produ¸cão que é prevista, os volumes máximos do efluente produzido variam sazonalmente, sendo:

• Setembro a Fevereiro - 300m3

/dia; • Mar¸co a Agosto - 80m3/dia;

Durante o processamento dos produtos da fábrica, responsável pela produ¸cão do efluente a tratar, foram retiradas amostras, que representam as caracter´ısticas e

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Tabela 3.1 – Valores dos parˆametros f´ısico-qu´ımicos referentes `as amostras do efluente produzido (Fevereiro de 2007 ).

Origem do efluente Efluente bruto (mistura)

Per´ıodo de amostragem FEV 2007

pH (Escala Sor¨ensen) 4,2 – 4,7

CQO (mg/l O2) 3000 – 4500

CBO5 (mg/l O2) 1400 – 1485

SST (mg/l) 600 – 1800

S´olidos totais (mg/l) 3900

´Indice de biodegrabilidade (CBO5)/SST 0,4 – 0,6

varia¸cões do efluente produzido. Valores estes que, na descarga, terão de estar de acordo com a legisla¸cão em vigor. Estas amostras estão representadas na tabela 3.1. Com base nestes valores, a ETAR e os sistemas de automa¸cão a implementar deverão cumprir com os seguintes objectivos:

• Respeitar os requisitos legais de descarga; • Fácil adapta¸cão à opera¸cão em regime sazonal;

• Fácil adapta¸cão às oscila¸cões de produ¸cão de actividade;

• Adapta¸cão do consumo energético em fun¸cão das varia¸cões de carga e de cau-dal;

• Necessidade de redu¸c˜ao do teor de Azoto; • Reduzida manuten¸c˜ao;

• Reduzida afecta¸c˜ao de ´area;

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3.2 Estrutura da ETAR-Sortegel

De modo à ETAR cumprir os requisitos referidos, a sua estrutura base deverá ter os processos representados na figura 3.1, por forma a realizar-se o ciclo biológico de tratamento. Assim, o sistema de controlo a usar deverá sincronizar as diferentes etapas de opera¸cão, tendo em conta os equipamentos instalados em cada uma das fases de processamento das águas residuais.

Figura 3.1– Etapas de tratamento do efluente.

Cada processo representado na figura 3.1 tem uma finalidade relevante para o trata-mento biológico da água residual. Estes processos, que terão de ser regulados pelo sistema de automa¸cão e controlo, são apresentados de seguida.

1. Tamisagem (Remo¸cão preliminar da matéria em suspensão)

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numa tamisagem a 0,5 mm onde são retirados, ao efluente a tratar, sólidos em suspensão de maiores dimensões para evitar a danifica¸cão dos equipamentos usados nas etapas de processamento seguintes. A figura 3.2 ilustra a estrutura de tamisa¸cão montada.

Figura 3.2 – Tamisador montado para remover os s´olidos de maior dimens˜ao.

2. Homogeneiza¸c˜ao e equaliza¸c˜ao do caudal

O efluente proveniente da etapa anterior ser´a recebido num po¸co de bombagem, com uma capacidade de armazenamento de 150 m3

. Esta opera¸cão permite a homogeneiza¸cão do efluente e, por bombagem, uma equaliza¸cão do caudal para a etapa seguinte. A figura 3.3 mostra a parte de entrada do po¸co, com os indicadores de pressão das bombas.

3. Decanta¸c˜ao Prim´aria

O efluente é aduzido num decantador com um tempo de reten¸cão hidráulica de cerca de uma hora. Esta opera¸cão permite separar os sólidos de maior massa e dimensão para posterior processamento. A partir deste órgão, são alimen-tadas duas lagoas de opera¸cão sequencial, em regimes c´ıclicos de aerobiose / anaerobiose. Este processo está representado na figura 3.4, com o número 3. 4. Processo biológico (lamas em suspensão em ciclos de aerobiose /

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Figura 3.3 – Vista da entrada do po¸co de homogeneiza¸c˜ao do caudal.

O processo biológico será efectuado em duas lagoas impermeabilizadas. Es-tas são dotadas de equipamentos auto – flutuantes, destinados à manuten¸cão em suspensão e ao fornecimento de ar à massa biológica, mantendo-a em crescimento permanente, em ciclos de aerobiose/anaerobiose. Esta op¸cão per-mite concomitantemente com a oxida¸cão biologicamente mediada da matéria orgânica, a obten¸cão de ciclos de nitrifica¸cão/desnetrifica¸cão visando a redu¸cão do teor final de Azoto total. Para a maximiza¸cão de flexibilidade do sistema, tendo em conta as varia¸cões de carga e caudal do efluente, permite-se a oper-a¸cão das duas lagoas em paralelo ou de apenas uma delas em funcionamento. Este processo está representado na figura 3.4, com o número 4.

5. Decanta¸c˜ao secund´aria

Das lagoas anteriormente descritas o efluente é conduzido para um decantador, onde se processa a separa¸cão das lamas biológicas e o efluente a ser descar-regado. O processo biológico é realimentado com estas lamas através de duas linhas de recircula¸cão. O controlo da carga biológica pretendida é efectuado através de extraçcões controladas de lamas, a serem desidratadas e estabi-lizadas. Este processo está representado na figura 3.4, com o número 5. 6. Filtra¸cão

Antes de se proceder à descarga do efluente, para complementa¸cão do processo de remo¸cão de lamas do efluente, usam-se filtros de antracite com a finalidade de remover sólidos mais finos. A figura 3.5 mostra os filtros usados.

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Figura 3.4 – Representa¸c˜ao dos processos 3,4,5 do tratamento do efluente.

Figura 3.5– Filtros usados no processo de filtragem no tratamento do efluente.

Figura 3.6 – Descarga do efluente para o meio ambiente.

7. Descarga do efluente

Aqui, o efluente tratado é descarregado para o exterior. Se os filtros estiverem em funcionamento, uma vez que esta opera¸cão é opcional, este efluente pode ser usado para lavagem dos mesmos. A figura 3.6 mostra a descarga do efluente tratado para uma conduta que o conduz a um ribeiro.

8. Sistema de desidrata¸c˜ao de lamas biol´ogicas

Para desidrata¸cão das lamas produzidas no sistema biológico, está instalado um sistema de desidrata¸cão de lamas por compressão hidráulica, de funciona-mento semi-automático, que permite a extraçcão das mesmas. A figura 3.7

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Figura 3.7– Equipamento de desidrata¸cão e extraçcão das lamas, DRAIMAD.

mostra esse equipamento, chamado DRAIMAD.

3.3 Perspectiva geral do sistema

A ETAR-Sortegel foi implementada de modo a conjugar todos os processos acima referidos de modo estruturado. Para se ter uma perspectiva de como a ETAR está implementada na realidade, o esquema na figura 3.8 representa como o efluente circula, desde a sua chegada até ao fim do seu tratamento, passando por todos os processos de tratamento, referidos na seçcão 3.2.

Como se pode ver na figura 3.8, existem elementos que são adicionados ao efluente, nomeadamente logo a seguir à sedimenta¸cão primária, nas lagoas e no circuito de extraçcão de lamas. No primeiro caso os elementos adicionados são:

• Nutrientes: Trata-se de uma solu¸cão concentrada de sais de Azoto e de Fós-foro, doseada à entrada do processo biológico. O efluente bruto tem uma defi-ciência nestes nutrientes relativamente à quantidade total de carbono biode-gradável. Dado que o processo é, em grande parte, fundamentado na assimi-la¸cão metabó–

lica da matéria orgânica pela biomassa residente nas lagoas, é necessário asse-gurar que a metaboliza¸cão não é limitada pela falta desses nutrientes essenci-ais. O doseamento será ajustado em fun¸cão dos resultados obtidos do controlo laboratorial do processo;

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• Solu¸cão aquosa de NaOH: Esta solu¸cão concentrada destina-se a corrigir o valor do pH da água residual, que é bastante ácida (com valores compreendidos na gama de 4 a 5);

Nas lagoas, as solu¸cões de coagulantes orgânicos destinam-se à optimiza¸cão da de-canta¸cão das lamas. Nos decantadores secundários são separadas as lamas biológicas e os sólidos inorgânicos em suspensão do efluente submetido ao tratamento biológico. O doseamento do coagulante qu´ımico promove a agrega¸cão dos flocos biológicos e das part´ıculas, acelerando a sua velocidade de decanta¸cão e facilitando a clarifica¸cão do efluente tratado.

Na fase de separa¸cão das lamas, realizada na decanta¸cão secundária, parte destas são devolvidas aos seus processos biológicos. Outra parte, obriga à sua extraçcão e desidrata¸cão regular, uma vez que a sua biomassa está em permanente crescimento. Para facilitar a desidrata¸cão, é doseado um pol´ımero que, simultaneamente, promove a sua aglutina¸cão e impede a sua colmata¸cão, facilitando a sa´ıda do ar e da água.

3.4 Equipamentos de actua¸c˜

ao e controlo

Para se poder controlar este sistema, será relevante conhecer os equipamentos en-volvidos no processo, nomeadamente os equipamentos de controlo, de monitoriza¸cão e de actua¸cão que estão instalados e/ou que terão de ser instalados.

3.4.1 Sensores de n´ıvel anal´

ogicos

A ETAR tem instalado vários sensores para medida de grandezas relevantes a medir e/ou controlar, como sejam, fluxos, n´ıveis, pH, entre outras. Neste caso particular, os sensores de n´ıvel utilizados em todos os reservatórios e lagoas são sensores analógicos de pressão da marca MAC3, de referência PRE52B1A4M10000, com sa´ıda analógica de corrente entre os valores de 4mA – 20mA. Este sensor é mostrado na figura 3.9, e tem as caracter´ısticas técnicas representadas nas tabelas 3.2 e 3.3 (MAC3).

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Tabela 3.2– Caracter´ısticas do sensor MAC3 PRE52B1A4M10000 (MAC3).

Press˜ao m´ ax-ima (Atm)

Tecnologias Corpo Tipo de liga¸cão Tipo de cabo Alimenta¸cão (VCC) Sa´ıda (mA) Sensor MAC3 10 Cerâmica Peizo -resistivo Inox 316 1/4”GAS UNI ISO228 CL.BØ13 PVC 9 – 30 4 –20

Tabela 3.3– Caracter´ısticas do sensor MAC3 PRE52B1A4M10000 (cont.) (MAC3).

Gama (m) Índice de proteçcão Dimensões (mm) Peso (gr) Temperatura de opera¸cão (◦_C) Precisão Estabilidade 0 – 10 IP 68 (max 2 bar) 80 x 30 145 (sem cabo) 0 - 50 _{±1,5% fs} (sem cali-bra¸cão) 0,3% fs/ano

Figura 3.9– Sensor de n´ıvel anal´ogico com sa´ıda de corrente MAC3.

Figura 3.10– Liga¸c˜oes do sensor anal´ogico de corrente.

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No presente caso, existem vários sensores deste tipo nos vários reservatórios e lagoas. Cada um deles é ligado a um PLC, que vai permitir controlar o n´ıvel do efluente nos vários sistemas de armazenamento mediante o accionamento de vários equipamentos associados, bombas e electroválvulas. A figura 3.10 representa as liga¸cões do sensor, em que apresenta a sua alimenta¸cão e respectiva sa´ıda analógica de corrente. Este sistema é adequado para ser lido pelo PLC que tem instalado uma placa de expansão com entradas analógicas de corrente, sendo a resistência Rx opcional se pretender obter uma sa´ıda analógica em tensão.

3.4.2 Sensor de fluxo

O sensor de fluxo montado na ETAR destina-se a medir o caudal de efluente após o seu tratamento. Para além do sensor de medi¸cão, existe também um transmissor e um indicador do caudal no momento de descarga, como ilustra a figura 3.11. Este sensor-transmissor é da marca SIEMENS, com a referência MAG5000.

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Os transmissores são baseados em microprocessadores com um display alfanumérico em várias l´ınguas. O princ´ıpio de medi¸cão de fluxo é baseada na lei de Faraday da indu¸cão eletromagnética. As bobines magnéticas são montadas diametralmente no tubo de medi¸cão que geram um campo electromagnético através de impulsos. O l´ıquido ao fluir através deste campo electromagnético induz uma tensão. Os trans-missores avaliam os sinais dos sensores electromagnéticos associados, convertem-nos em sinais adequados, neste caso 4 a 20mA (SIEMENS, 2002).

As liga¸cões eléctricas das entradas e sa´ıdas deste transmissor estão ilustradas na figura 3.12.

Para além da visualiza¸cão da leitura do fluxo de efluente a partir do display do transmissor, este possui vários tipos de entradas e sa´ıdas, como se pode ver na figura 3.12. Estas existem para o utilizador ter a possibilidade de a partir de um elemento de controlo, por exemplo um PLC, controlar e aceder a algumas fun¸cões deste transmissor, ou usar as suas sa´ıdas para actuar algum elemento. O sensor de fluxo instalado possui duas liga¸cões: o cabo do eléctrodo e o cabo da bobine que estão instalados na estrutura onde circula o efluente. As caracter´ısticas técnicas estão descritas na tabela 3.4 (SIEMENS, 2002).

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Tabela 3.4– Caracter´ısticas do transmissor do sensor de fluxo (SIEMENS, 2002)

Modo de opera¸cão Principio de medi¸cão Campo electromagnético com impluso constante Entrada Entrada Digital 11...30V DC, Ri = 4, 4KΩ

Tempo de activa¸c˜ao 50ms

Corrente IDC11V = 2, 5mA, IDC30V =

7mA

Sa´ıda Corrente de sa´ıda

Sa´ıda anal´ogica 0...20mA ou 4...20mA, Alarme

Resistˆencia <800Ω

Constante de tempo 0,1...30s, ajustavel Sa´ıda digital

Frequˆencia 0...10KHz, 50% duty cycle

Impulso (activo) _{DC 24V, 30mA, 1HΩ ≤}

Ri ≤ 10KΩ

Protec¸c˜ao contra curto-circuitos

Impulso (passivo) DC 3...30V, max. 110mA, 200Ω ≤ Ri ≤ 10KΩ

Sa´ıdas a rel´e

Constante de tempo Igual `a sa´ıda de corrente

Carga 42V AC/2, 24V DC/1A

Caudal m´aximo 20m3

/hora

Alimenta¸c˜ao 115...230V AC: 17VA

24V AC:9VA, IN = 380mA, IST = 8A(30ms) 12V DC:11W, IN = 920mA, IST = 2A(250ms)

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3.4.3 Sensor de pH

Este sensor tem como objectivo fazer uma leitura de pH do efluente de modo a poder corrigir-se a sua acidez que é elevada. Este equipamento não está de momento instalado na ETAR, estado prevista a sua instala¸cão no sistema no futuro próximo. Tendo em conta o elemento de controlo utilizado no sistema, um exemplo muito viável para a integra¸cão deste tipo de leitor terá de ser um elemento que forne¸ca uma sa´ıda, em tensão ou em corrente analógica. Sendo assim, um exemplo deste tipo de leitor da Hanna Instruments de referência HI931700.

A instala¸cão deste tipo de sensores terá que ser junto com uma bomba recirculadora, para o efluente atravessar o leitor de pH e voltar ao local inicial. Neste existe um eléctrodo imerso no efluente que gera valores de tensão que posteriormente são convertidos em valores de pH (Instruments, 2003).

A figura 3.13 ilustra como se pode fazer esta instala¸c˜ao.

Figura 3.13 – Exemplo de instala¸c˜ao de um sensor de pH (Instruments, 2003).

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Tabela 3.5– Caracter´ısticas do transmissor do sensor de pH (Instruments, 2003).

Gama 0,00 a 14,00pH

Resolu¸c˜ao 0,01pH

Precis˜ao ± 0,02pH

Desvio t´ıpico EMC _{± 0,02pH}

Sa´ıda 0...20mA ou 4...20mA

Rel´e Set Point Isolado, 2A, m´ax 240V

Alimenta¸c˜ao _{115 ± 10% ou 230 ± 10% VAC, 50/60Hz} ou 15-24VDC

3.4.4 Controlador L´

ogico Program´

avel (PLC)

Um Controlador Lógico Programável permite o controlo de máquinas e de processos. Estes usam uma memória programável que contém instru¸cões e fun¸cões espec´ıficas de controlo, tais como ligar/desligar, temporiza¸cão, contadores, sequências, aritméticas e manipula¸cão de dados. A sua constitui¸cão base está representada na figura 3.14. O PLC recebe os sinais do seu módulo de entrada e a unidade central de proces-samento (CPU) processa os dados em fun¸cão do programa residente em memória que o utilizador implementou. Seguidamente, o PLC vai actuar sobre as sa´ıdas que estão ligadas aos dispositivos que se pretendem actuar (Petzurella, 2004).

O PLC utilizado para a automatiza¸c˜ao da ETAR-Sortegel ´e da marca Allen Bradley, modelo Micrologix 1500 LRP Series B, representado na figura 3.15.

Este autómato é composto por uma unidade base, que contém uma fonte de al-imenta¸cão, circuitos de entrada e de sa´ıda, e um processador. A alimenta¸cão é de 120/240V AC, com entradas digitais a 24V DC, e sa´ıdas a relés de 24V DC, havendo a possibilidade de utilizar módulos de expansão. A figura 3.16 representa a sua composi¸cão geral, e a tabela 3.6 a respectiva legenda.

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Figura 3.14 – Diagrama de blocos de um PLC.

qual a sua interven¸c˜ao no sistema.

Uma vez que será necessária uma comunica¸cão entre o PLC e a consola de interface gráfica (CIF), terá de usar-se outra porta de comunica¸cão. A porta na caracter´ıs-tica 5, figura 3.16, destina-se apenas para transferência de dados, monitoriza¸cão, e controlo remoto a partir do PC. Assim, para esta liga¸cão usa-se outra porta do tipo RS232, de comunica¸cão com a CIF. Essa porta está ilustrada na figura 3.17 (Automation, 2009).

Este PLC possui, na sua configura¸cão base, 12 entradas e 12 sa´ıdas que são in-suficientes para se realizar a automatiza¸cão de todos os processos que ocorrem na ETAR. Assim,torna-se necessário aumentar o número de entradas e de sa´ıdas ligadas ao autómato.

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Figura 3.15 – PLC Allen Bradley, Micrologix 1500 LRP Series B.

Figura 3.16 – Composi¸c˜ao do PLC Micrologix 1500 (Automation, 2009).

das ao PLC, ligando-as à interface de expansão descrita na tabela 3.6. Este PLC pode ter até 16 módulos de expansão de entradas e/ou sa´ıdas, tendo que se colocar no final da expansão um elemento terminador. A figura 3.18 ilustra como se coloca uma expansão no PLC e a figura 3.19 representa o acoplamento do terminador no final da expansão (Automation, 2009).

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Tabela 3.6– Legenda da figura 3.16.

Caracter´ıstica Descri¸c˜ao Caracter´ıstica Descri¸c˜ao

1 Blocos de termi-nais remov´ıveis 7 Módulo de memória/RTC opcional 2 Interface para expansão de E/S, Barreira de DES remov´ıvel 8 Bateria de sub-stitui¸cão 3 LED’s de sinal-iza¸cão de en-tradas 9 Bateria 4 LED’s de sinal-iza¸cão de sa´ıdas

10 Portas dos

ter-minais e etique-tas 5 Porta de comu-nica¸c˜ao 11 Ferramenta de acesso a dados (opcional)

6 LED de status 12 Modo de

fun-cionamento

Figura 3.17 – Porta de comunica¸c˜ao RS232 para liga¸c˜ao com a CIF.

• 1 expansão de 32 entradas digitais a relés de 24V DC, de referência 1769-IQ32; • 1 expansão de 16 entradas digitais a relés de 10/30V DC, de referência 1769IQ16;

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Figura 3.18 – Coloca¸c˜ao da expans˜ao no PLC (Automation, 2009).

Figura 3.19 – Coloca¸c˜ao do terminador no final da expans˜ao (Automation, 2009).

• 2 expansões de 4 entradas analógicas de corrente de 4mA a 20mA; • 2 expansões de 16 sa´ıdas digitais a relés de 24V DC;

Nas expansões de entradas analógicas ligaram-se os sensores analógicos de corrente de medi¸cão dos reservatórios e lagoas. Nas restantes entradas digitais foram ligados vários actuadores, como bóias de n´ıvel, contactores, relés, filtros. As sa´ıdas analóg-icas de corrente foram ligadas a variadores de velocidade, de modo a controlar a rota¸cão de motores. As sa´ıdas digitais foram ligadas a actuadores como contactores, relés que posteriormente actuam em bombas, electrovalvulas, e. o.

Todas as expansões colocadas têm a op¸cão de a sua alimenta¸cão ser a partir do barramento de alimenta¸cão do PLC, ou através de fonte externa. Isto existe porque

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ao colocar demasiadas expansões, a alimenta¸cão pelo PLC pode não ser o suficiente para alimentar todas as cargas. No presente caso utilizou-se uma fonte externa para as cartas de expansão de entradas e sa´ıdas digitais.

A configura¸cão das entradas e sa´ıdas do PLC é realizada por software de acordo a combina¸cão de bits correspondentes às mesmas. Por exemplo, no caso das entradas e sa´ıdas digitais inclu´ıdas no PLC, as palavras correspondentes às suas entradas e sa´ı-das são de 12 bits, respectivamente, como mostram as tabelas 3.7 e 3.8 (Automation, 2009).

Tabela 3.7– Configura¸c˜ao das palavras digitais das entradas digitais do PLC.

Posi¸c˜ao dos Bits

Palavra Digital 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

0 x x x x r r r r r r r r r r r r

1 x x x x x x x x x x x x x x x x

Na tabela 3.8, os elementos da palavra assinalados como ”r”, são aqueles que estão referenciados como as sa´ıdas reais do PLC, pela sua ordem crescente. Ou seja, a posi¸cão do bit 0, na palavra 0, corresponde à primeira entrada do PLC; a posi¸cão do bit 1, na palavra 0, corresponde à segunda entrada do PLC, e assim sucessivamente. Os restantes elementos referenciados como ”x”na tabela 3.8, correspondem a bits internos do PLC que podem ser utilizados como auxiliares na sua programa¸cão. As sa´ıdas digitais do PLC têm exactamente a mesma lógica que as suas entradas, logo a sua configura¸cão é exactamente igual.

Nas expansões colocadas, de entradas e sa´ıdas digitais, a sua configura¸cão é feita de modo análogo, com a excep¸cão de que não existem bits internos como foi visto anteriormente. Assim, todos os bits correspondentes na sua configura¸cão correspon-dem, obrigatoriamente, a uma entrada ou a uma sa´ıda. A configura¸cão da expansão

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Tabela 3.8– Configura¸c˜ao das palavras digitais das sa´ıdas digitais do PLC.

Palavra Digital 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

0 x x x x r r r r r r r r r r r r

colocada de 32 entradas digitais, est´a representada na tabela 3.9 (Automation, 1999).

Tabela 3.9 – Configura¸c˜ao da expans˜ao de 32 entradas digitais (Automation, 1999).

Palavra Digital 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

0 r r r r r r r r r r r r r r r r

Este tipo de configura¸cão é o mesmo para todas as expansões de entradas e sa´ıdas digitais, com a excep¸cão do caso das expansões de 16 entradas digitais e 16 sa´ıdas digitais. Neste caso, em vez de existirem duas palavras de 16 bits, existe apenas uma. Como exemplo, a tabela 3.10 representa a configura¸cão da expansão de 16 sa´ıdas digitais (Automation, 1999).

Tabela 3.10– Configura¸c˜ao da expans˜ao de 16 entradas digitais (Automation, 1999).

Palavra Digital 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0