AUTOMAÇÃO DO SISTEMA DE FILTRAGEM E PESAGEM DE RESINA AUTOMATION OF THE RESIN FILTRATION AND WEIGHING SYSTEM
José Odair Scheidt Junior; Fábio Junio Alves Batista; Rosa Cristina Hoffmann, Patrícia Ribeiro Rhoden Barcellos, Sabrina Passoni Maravieski
Centro de Ensino Superior dos Campos Gerais – CESCAGE - Curso de Engenharia Elétrica – Ponta Grossa - PR – Brasil.
Resumo: Com o atual cenário econômico, faz-se necessário, para o setor industrial
especificamente, uma melhor gestão de custos, visando obter o maior lucro possível e evitar desperdícios. Baseado nestes objetivos, destacam-se alguns: evitar desperdício de materiais, segurança e reclamação dos clientes. Este trabalho como objetivo apresentar um sistema de automação num setor bem sensível de uma indústria fabricante de resinas, esse setor são os de filtragem e pesagem, que apresentava vários problemas, como excesso de resina nos tambores que vão para o cliente, derramamento de resina, causando perdas e a falta de resina para os clientes, ocasionando reclamações e até mesmo possibilidade de perdas dos mesmos. Com esse sistema de automação, o processo sai da mão do operador e vai para o controlador lógico programável. Todo o material usado a empresa já possuía, sendo assim, não se fez necessário nenhum investimento.
Palavras-chave: Automação. Clientes. Resina.
Abstract: With the current economic scenario, it is necessary, for the industrial sector
specifically, better management of costs, in order to obtain the highest possible profit and avoid wastage. Based on these objectives, we highlight some of them: avoiding material waste, safety and customer complaints. This work aims to present a system of automation in a very sensitive sector of a resin manufacturing industry, this sector are the filtration and weighing, which presented several problems, such as excess resin in the drums going to the customer, resin spillage, causing losses and the lack of resin for the clients, causing complaints and even possibility of losses of the same ones. With this automation system, the process leaves the operator's hand and goes to the programmable logic controller. All the material used the company already had, and thus, no investment was necessary.
Keywords: Automation. Resin. Clients. INTRODUÇÃO
O setor industrial teve até a poucos anos um dos melhores momentos de sua história na qual a produção estava a todo vapor devido ao grande consumo interno e as exportações em grande escala. Nos dias atuais, esse cenário mudou devido à instabilidade política vivida no país, que ocasionou uma forte desconfiança do setor produtivo e consequentemente gerou uma crise econômica sem precedentes.
Dessa forma, o setor produtivo vive um período desafiador, para sobreviver neste cenário de crise, são necessárias várias atitudes emergenciais do setor
industrial, por exemplo, incremento na produção do produto final, e assim vender mais para o mercado interno e também mercado externo, outra forma é a redução de custos para aumentar os lucros.
Um outro fator a ser observado e de extrema importância é manter a fidelidade dos clientes, garantindo a sua satisfação com o produto.
Para a indústria química, mais especificamente na fabricação de resinas, a regra citada acima também se aplica, manter os clientes tanto regionais como globais se tornou algo indispensável para a sobrevivência de uma indústria. A resina líquida é um componente indispensável para a produção de vários produtos, como tintas (grafiato e textura), tinta automotiva, revestimento interno de latas de refrigerantes e cerveja. A resina sólida é fundamental na fabricação de produtos emborrachados como pneus.
O processo de fabricação de resina é extremamente rigoroso e perigoso, devido a inserção de vários tipos de solvente, formaldeído e metanol. Alguns desses aditivos são extremamente inflamáveis e tóxicos.
O projeto de automação do sistema de filtragem e pesagem da resina visa a eliminação dos erros de pesagem e padronização dos pesos dos tambores de resina, garantindo assim a satisfação do cliente.
A empresa Allnex Química possuía um sistema de filtragem e pesagem de resina manual. Nesse processo o operador abre a válvula manual do diluidor e envia resina por gravidade até o filtro, usando outra válvula manual, abre ar comprimido (1), conforme apresenta a Figura 01. Após isso a linha se pressuriza e a resina vai para o filtro (3), e posteriormente para o envase. Através de outra válvula manual (4), é realizada uma pesagem da resina pronta em tambores, a massa dos tambores depende exclusivamente do feeling dos operadores, que visualizam a massa através do módulo da balança (2). Para pressurizar a linha de resina da entrada do filtro é usada uma bomba pneumática (6) conforme apresenta a Figura 2.
Figura 01 – Visão frontal do sistema de filtragem e pesagem
Figura 02 – Visão geral do sistema de filtragem e pesagem de resina
Fonte: Autoria própria
Com esse processo todo manual os erros são inevitáveis, um dos exemplos a ser citado é o transbordo de resina que ocasiona perda e sujeira na balança (5) como mostra a Figura 02, a falta de resina é um dos motivos de reclamação dos clientes. Outro problema é relacionado é a segurança, pois o operador pode abrir a válvula de envase (4) na Figura 01, nos tambores com a linha pressurizada, podendo atingir o rosto do operador. Na Figura 02 podemos ver a plataforma da balança que será feita a medição da massa do tambor com resina.
A automação desse sistema visa eliminar o erro por fator humano, pois a pesagem será independente do operador.
Figura 03 – Organograma da fabricação de resina
Para fabricação de resina, usa-se diversas matérias primas, dependendo da resina, é utilizada pet moído, breu, óleo de soja, glicerina ou melamina em pó. Depois dosa-se no tanque de adição água quente e solventes, como butanol, acrilado de etila, toluol, para cada receita da resina.
Do tanque de adição os solventes vão para o reator, onde ocorre a reação química através de aquecimento do reator por vapor. Com a resina já feita, é coletada uma amostra e enviada para testes em laboratório para aprovação. Caso seja reprovada, a resina vai para o diluidor, onde é feita correção através da adição de solventes, aquecimento e resfriamento. Se for aprovada, a resina é resfriada no reator vai para o diluidor e posteriormente para a filtragem e envase em tambores.
A automação foi realizada nos dois últimos elementos do organograma, ou seja, envolve diretamente o produto acabado.
Para uma indústria crescer nos âmbitos ambientais, social e econômico, a automação do processo é um gigantesco avanço nesse sentido (FIGUEIREDO,
2010).
REVISÃO DE LITERATURA
A automação é um caminho inevitável para as indústrias, pois a indústria que a realiza na sua planta sempre avança em produtividade, segurança e qualidade. O número de vantagens é muito maior que as desvantagens, entre as vantagens estão a padronização e qualidade do produto final, a dispensa de vários funcionários para a realização do mesmo serviço e o aumento da segurança das operações, pois não é realizada por pessoas. As desvantagens são poucas, podemos citar: preço dos equipamentos e a necessidade de uma equipe técnica qualificada.
O maior objetivo da automação industrial é a coleta de dados através de sensores e transmissores. Com as informações do processo é possível que sejam feitas correções no processo em andamento diminuindo assim perdas (SOUZA, 2005).
Automação é todo processo que é automático, ou seja, não depende de atuação constante de um operador. Apresenta altos índices de confiabilidade e precisão pois várias ciências estão diretamente envolvidas, como mecânica, hidráulica, pneumática (BUCCIOLI; ZORZAL; KIRNER, 2006).
Controle automático de processo é essencial para a indústria, principalmente para controlar as principais variáveis (temperatura, pressão, vazão, nível). Nos dias de hoje é extremamente importante que os engenheiros conheçam a teoria e a prática de controle de processo automático (OGATA, 2010).
Nas indústrias, existem dois principais tipos de controle, malha aberta e malha fechada:
- Malha aberta: é o tipo de controle em que não existe sinal de realimentação de dados, ou seja, não existe nenhum sensor para indicar se a atuação da saída do controle surtiu efeito (OGATA, 2010).
- Malha fechada: ao contrário do controle de malha aberta, esse tipo de controle possui realimentação, então o controle sempre recebe a informação e verifica se o controle realizado foi bem-sucedido (OGATA, 2010).
Controlador Lógico Programável (CLP) é um controlador que executa funções que foram programadas por uma pessoa através de um software específico. Possui um hardware que realiza as operações físicas no processo.
Para ser um controlador lógico programável deve-se possuir as seguintes características: executar uma rotina cíclica da programação em funcionamento, sua programação deve ser de uma linguagem baseada em esquema elétrico e seu uso deve ser para ambiente de indústria (SILVEIRA; SANTOS, 2002).
O CLP ControlLogix é o mais poderoso da empresa Allen-Bradley®, e encontra-se ilustrado na Figura 4, possui programação de lógica em ladder e também recursos de edição online, não necessitando parar o processo para alterações no programa. Ele tem um sofisticado sistema de diagnóstico de erro, sendo fácil a identificação de erros de hardware e de programação (ALLENBRADLEY, 2017).
Figura 04 – ControlLogix
Fonte: Autoria própria
São interfaces que interligam os dispositivos de campo com o controlador lógico programável, neles encontram-se as entradas e saídas tanto digitais quanto analógicas (PETRUZELLA, 2014):
- Sinal digital: basicamente apresenta somente dois estados lógicos, ligado ou desligado. É usado para partidas de motores, válvulas ON-OFF para saídas, sensores e fim de curso para entradas.
- Sinal analógico: enquanto o sinal digital apresenta somente dois valores, o sinal analógico apresenta infinitos números. Os mais usados são 4 a 20 mA (mili ampère) e 0 a 10 Vcc (tensão de corrente contínua). É utilizado para alimentar e envio de sinal de sensores, transmissores e válvulas proporcionais para um determinado controlador.
A linguagem é baseada em esquemas elétricos e símbolos. Através destes o programador faz o intertravamento do processo através dos cartões de entradas e saídas (ROSÁRIO, 2005). Conforme Figura 05.
Figura 05 – Programação em ladder
Fonte: Autoria própria
Para sistemas de automação, faz-se necessário o uso de cabos especiais para evitar ruídos e interferências externas, como campo magnético e campo elétrico gerado por corrente e tensão de outros equipamentos. Esse cabo possui uma malha de aterramento que envolve o cabo, essa malha é conectada no fio terra do painel para descarregar possíveis correntes (PRYSMIAN, 2018). Como mostra a Figura 06.
Figura 06 – Cabo de sinal
Fonte: Autoria própria
O sistema supervisório faz o monitoramento e gerenciamento do processo industrial, e através dele os operadores podem realizar o controle e monitorar o processo automatizado em tempo real pelo computador (ROSÁRIO, 2005).
O modelo supervisório Elipse E3 é uma plataforma de monitoramento e supervisão de processos da empresa Elipse Software®. Por ser uma marca nacional, possui maior facilidade em resoluções de problemas técnicos. Entre suas principais qualidades está a ampla comunicação com CLP’s e configuração simples (ELIPSE SOFTWARE, 2017).
Para a comunicação do supervisório com o CLP é necessário usar um protocolo de comunicação, o mais usado é o OPC (OLE for Process Control), essa tecnologia garante a comunicação entre softwares e hardwares, essa troca de informações é de extrema importância pois nela são feitas leituras de variáveis em tempo real (ARAÚJO; BRITO; SILVA, 2017).
As balanças industriais basicamente medem a massa de determinado produto ou objeto, antigamente elas possuíam braços mecânicos que ficavam em equilíbrio quando se colocava um objeto de massa desconhecida em um braço e outra de massa conhecida equivalente ao outro.
Hoje as balanças são eletrônicas, os braços mecânicos foram trocados por células de carga, que servem como transdutores. Ela mede a intensidade da compressão nela aplicada e envia um sinal proporcional para um módulo indicador (SCHNEIDER, 2012).
O modelo de balança a ser usado é 3100C da empresa Alfa Instrumentos®. Possui várias qualidades, entre elas, balança bastante robusta, módulo com display de fácil visualização, saída analógica configurável em 4 a 20 mA e possui opcional de caixa à prova de explosão para áreas classificadas (ALFA INSTRUMENTOS, 2013).
A caixa a prova de explosão é utilizada para acomodar o módulo da balança, por se tratar de uma área classificada, é necessário o seu uso. O modelo usado é 4502, que dispõem de 4 (quatro) botões para comando remoto no módulo, sem precisar abrir a caixa para acessar os seus parâmetros (ALFA INSTRUMENTOS, 2017). A Figura 07 mostra uma caixa a prova de explosão.
Figura 07 – Caixa a prova de explosão
Fonte: Autoria própria
Válvulas pneumáticas são dispositivos de saída que controlam diretamente o processo e possuem atuadores pneumáticos que são acionados por ar comprimido, que são gerados por compressores (LAMB, 2015). A válvula ON-OFF, ilustrada na Figura 6, possui dois estados lógicos, ABERTA e FECHADA. O modelo usado é válvula esfera tripartida de 1” inox, conforme é mostrada na Figura 08.
Figura 08 – Válvula pneumática
Fonte: Autoria própria
As válvulas direcionais têm a função principal de estabelecer um sentido para o fluxo, controlar a vazão e bloquear o ar comprimido para que ele realize determinada tarefa. (PARKER, 2007).
Cada válvula direcional possui algumas características: o número de vias, número de posições e tipo de acionamento. O número de vias é determinado pela quantidade de vias que a válvula pode passar: conexão de entrada de ar comprimido, conexão de utilização e escape. O número de posições é a quantidade de manobras que a válvula pode executar, como demostra a Figura 09.
Figura 09 – Esquema válvula 5/2 vias
Fonte: PARKER (2007)
O modelo usado no trabalho é a série VM10 da Norgren, 5 vias, duas posições e com acionamento por solenóide, conforme a Figura 10. Se trata de uma ilha de válvulas, ou seja, um conjunto de válvulas direcionais (NORGREN, 2006).
Figura 10 – Ilha de válvulas 5/2 vias
Fonte: NORGREN (2006)
Solenóide é um meio de acionamento elétrico que, quando ela é energizada, cria-se um campo magnético e esse campo desloca o induzido, liberando o piloto para realizar a manobra na válvula direcional (PARKER, 2007).
MATERIAL E MÉTODOS
O principal objetivo da ciência é checar veracidade sobre algum assunto. E para se alcançar essa verdade são usados vários métodos científicos, entre eles destacam-se o método dedutivo e o método indutivo (GIL, 2002).
O método dedutivo caracteriza-se pela racionalidade, onde as respostas a questões são puramente baseadas no conhecimento (GIL, 2002).
O método indutivo baseia-se na experiência, ou seja, é observado algum acontecimento e através disso procura-se uma explicação (GIL, 2002).
Os métodos que foram usados neste trabalho é o método dedutivo e método indutivo.
O método caracteriza-se pelo estudo aprofundado de um ou de vários assuntos. Através dele é estabelecido hipóteses, teorias e explicar variáveis (GIL, 2002).
O estudo de caso foi realizado através do levantamento de dados como reclamações de clientes por falta de resina, perdas financeiras por excesso de resina nos tambores, quantidade de solvente usado na limpeza da balança, número de acidentes no local.
Com base no estudo feito para automação, foi instalada uma válvula esfera com acionamento pneumático na entrada de ar comprimido que aciona a bomba pneumática de filtragem da resina. Outra válvula esfera com acionamento pneumático foi instalada na entrada do envase do tambor.
Como a balança dispõem de saída analógica 4 a 20 mA, foi passado um cabo de sinal 2 x 1 mm com malha de aterramento até o cartão de entrada analógica do CLP. Através do sinal, foi implementada uma lógica de programação em ladder para fazer a sequência de abertura da válvula de envase, conforme mostra a Figura 11.
Figura 11 – Lógica de programação
Fonte: Autoria própria
Após isso, abrirá a válvula de ar comprimido da bomba pneumática que envia resina para o filtro que começará a encher o tambor. Como o tambor deve ser envasado com 200 kg de resina, quando a balança indicar 198 kg, realizado teste para chegar a este valor, a válvula de ar comprimido se fechará e o restante da resina na linha chegará aos 200 kg. Após isso a válvula de envase irá fechar.
Para iniciar o processo foi instalado um botão não retentivo ao lado da balança, para o operador responsável colocar o tambor sobre a balança e começar o processo.
Para o acompanhamento dos operadores de sala de controle sobre o processo, foi implementada uma tela no supervisório. Nessa tela o operador de sala pode atuar em manual nas válvulas caso algum problema ocorra. Na Figura 12 podemos visualizar a tela.
Figura 12 – Tela do supervisório
Fonte: Autoria própria
Após o sistema de filtragem e pesagem dos tambores de resina implantados, foi feito um comparativo dos dados antes e depois.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Qualidade é o maior problema de uma empresa, pois clientes insatisfeitos são sinônimos de risco de prejuízo. No ano de 2017 houve 3 reclamações de clientes referente a falta de resina nos tambores. Após a automação do sistema, não ocorreram mais reclamações dos clientes referentes a quantidade de resina.
Em 2017, houve um acidente envolvendo um operador no momento do envase da resina em tambor. A bomba pneumática que alimenta o filtro estava ligada, pressurizando a linha, a válvula de envase estava fechada. Não cumprindo o procedimento de operação, o operador abriu a válvula, saindo resina quente pressurizada no tambor, a qual espirrou no seu rosto. Não houve danos graves devido ao uso correto dos óculos de segurança.
Com a automação, o operador não controla a sequência de abertura das válvulas, impossibilitando a abertura da válvula com a linha pressurizada. Com o novo sistema, não ocorreram mais acidentes nem falhas operacionais.
Com o sistema operando em automático, foram reduzidos também a quantidade de solvente utilizados na limpeza das balanças e redondezas. Como o transbordo era constante, as balanças eram sempre sujas de resina. Após a automação, foi reduzido o consumo para este fim em 30%, economia de R$ 3.000,00 mensais. Usado como base R$ 50,00 o litro de Água Raz. Gráfico mostrado na Figura 13.
Figura 13 – Solventes para limpeza
Fonte: Setor de Produção Allnex
Mais uma vantagem relacionada a automação foi a quantidade de resina derramada por transbordo do tambor. Em média eram perdidos 120 litros de resina mensais, agora foram perdidos apenas 10 litros por falha operacional, foi colocado um tambor menor que o especificado. Economia mensal de R$ 22.000,00. Usado como base R$ 200,00 o litro de resina, conforme Figura 14.
Figura 14 – Transbordo de Resina
Fonte: Setor de Produção Allnex
Outra vantagem que a automação do sistema de filtragem e pesagem trouxe a empresa foi relacionado ao tempo, como o operador não precisa mais ficar cuidando do nível do tambor, ele pode realizar limpeza na área, troca de filtros em outros reatores e retirada de amostras de resina para análise em laboratório. O tempo de envase da resina é de dez minutos.
CONSIDERAÇÕES FINAIS
Após verificar todo o processo de filtragem e pesagem de resina, viu-se que a automação de todo o sistema seria a melhor opção para resolver o problema de reclamação dos clientes sobre a falta de padronização das massas dos tambores.
Todos os equipamentos utilizados na empresa já estavam disponibilizados, sendo eles: a balança com plataforma para 500 kg, cabo de sinal analógico com
shield, válvulas esferas com acionamento pneumático, botoeira não retentiva e controlador lógico programável (CLP). A mão de obra utilizada na parte de infraestrutura foi utilizada pela empresa ALT, terceirizada que presta serviço para a Allnex. A ligação física, pneumática e elétrica, foi feita pelo autor do trabalho, assim como a parte de criação da lógica no controlador lógico programável, tela e comandos no supervisório.
O sistema de automação do sistema de filtragem e pesagem mostrou-se muito eficiente e seguro, cumprindo todos os objetivos específicos do trabalho, todos os quesitos apresentaram considerável melhoria.
A automação de processos mostra-se uma tendência mundial para a melhoria de qualidade e padronização de produtos acabados, tornando assim as empresas mais competitivas no mercado.
REFERÊNCIAS
ALFA INSTRUMENTOS. Indicadores de Pesagem Linha 3100C: manual. São Paulo-SP, 2013. 26 p.
ALFA INSTRUMENTOS. Caixa a Prova de Explosão mod. 4502: manual. São Paulo-SP, 2017. 1 p.
ALLEN-BRADLEY. ControlLogix System: catálogo. Milwaukee-WI USA, 2017. 36 p. ARAÚJO, A. C; BRITO, A. L. F; SILVA, S. K. Desenvolvimento de Sistemas de Treinamento Operacional para Processos Químicos. artigo – Universidade Federal de Campina Grande, Campina Grande-PB, 2017. 3 p.
BUCCIOLI, A. A. B; ZORZAL, E. R; KIRNER, C. Usando Realidade Virtual e Aumentada na Visualização da Simulação de Sistemas de Automação Industrial. artigo – Centro Universitário Adventista de São Paulo; Universidade Metodista de Piracicaba, São Paulo; Piracicaba-SP, 2006. 4 p.
ELIPSE SOFTWARE. Manual do Usuário do E3: manual. Porto Alegre-RS, 2013. 512 p.
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GIL, A. C. Como Elaborar Projetos de Pesquisa. 4ª ed. São Paulo-SP: Atlas, 2002. 176 p.
LAMB, F. Automação Industrial na Prática. Porto Alegre-RS: AMGH, 2015. 360 p. NORGREN. Catálogo Compacto. catálogo. São Paulo-SP, 2013. 164 p.
OGATA, K. Engenharia de Controle Moderno. 5ª ed. São Paulo-SP: Prentice Hall, 2010. 809 p.
PARKER. Tecnologia Pneumática Industrial. manual. Jacareí-SP, 2007. 195 p. PETRUZELLA, F. D. Controladores Lógicos Programáveis. 4ª ed. Porto AlegreRS: AMGH, 2014. 416 p.
PRYSMIAN. Cabos de Instrumentação. catálogo. São Paulo-SP, 2018. 4 p.
ROSÁRIO, J. M. Princípios da Mecatrônica. 1ª ed. São Paulo-SP: Prentice-Hall, 2005. 356 p.
SCHNEIDER, C. L. Desenvolvimento de um Sistema de Pesagem na Expedição a Granel. monografia – Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul, Panambi-RS, 2012. 29 p.
SILVEIRA, P. R; SANTOS, W. E. Automação e Controle Discreto. 8ª ed. São Paulo-SP: Érica, 2002. 227 p.
SOUZA, R. B. Uma Arquitetura para Sistemas Surpevisórios Industriais e sua Aplicação em Processos de Elevação Artificial de Petróleo, dissertação de mestrado – Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal-RN, 2005. 53 p.
AUTORIA
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Nome completo: José Odair Scheidt Junior; Fábio Junio Alves Batista; Rosa Cristina Hoffmann, Patrícia Ribeiro Rhoden Barcellos, Sabrina Passoni Maravieski
Filiação institucional: Faculdades Integradas dos Campos Gerais - CESCAGE
Departamento: Engenharia Elétrica
