aula 2

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FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO

Implementação de Projetos de Automação

Automação Semestre 01/2014

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Introdução

 Na implementação do projeto de automação, o usuário define todas as seqüências operacionais (tarefas) que deseja ser implementada.

 Estas seqüências decorrem de receitas de produção e de produção de sistemas, estabelecidas por especialistas no processo, por fabricantes dos equipamentos ou pela experiência própria do usuário.

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Descrição das Plantas Industriais

 Fluxogramas e Diagramas de Processo

 Diagramas de Blocos

 Diagrama do Fluxo do Processo

 Diagrama de Tubulação e Instrumentação P&ID (Piping & Instrument

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Descrição das Plantas Industriais



Fluxogramas e Diagramas de Processo

 O projetista deve transmitir de forma eficiente e segura o conteúdo técnico dos processos industriais a serem automatizados.

 Há várias formas de representação gráfica de sistemas dinâmicos que se assemelham aos esquemas dos circuitos eletrônicos.

 Estes esquemas, por meio de símbolos padronizados, mostram a relação funcional entre os seus diversos componentes.

 Com isto o engenheiro pode entender e restaurar as condições operacionais de um sistema que lhe é apresentado para a automação.

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Descrição das Plantas Industriais



Fluxogramas e Diagramas de Processo

 Para representar os processos industriais temos:

 Diagramas de Blocos;

 Diagramas de Fluxo do Processo;

 Diagramas de Tubulação e Instrumentação

 Os três diagramas são meios de comunicação complementares, mas o P&ID ou P&I é indispensável para a comunicação entre os diferentes especialistas que colaboram nos processos industriais e com os

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Descrição das Plantas Industriais



Diagramas de Blocos

 Neste diagrama as várias operações das seqüências de processamento são mostradas em blocos retangulares, interligados por flechas que

indicam a seqüência de trabalho.

 Este diagrama evidencia somente a seqüência das etapas do processo principal, mas não mostra os tipos de equipamentos detalhados.

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Descrição das Plantas Industriais



Diagramas de Blocos

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Descrição das Plantas Industriais



Diagrama do Fluxo do Processo

 São constituídos por:

 Fluxograma Índice de Processo  Diagrama de Fluxo de Processo

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Descrição das Plantas Industriais



Diagrama do Fluxo do Processo

 Fluxograma Índice de Processo

 Contém todas as informações iniciais do processo produtivo;

 Designação, utilidades e interligação dos equipamentos principais;  Pontos de origem e destino das matérias-primas, produtos,

subprodutos e efluentes;

 Critérios e base de cálculos para o projeto da planta industrial.

 Representam uma poderosa ferramenta para análises comparativas

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Descrição das Plantas Industriais



Diagrama do Fluxo do Processo

 Fluxograma Índice de Processo  Informações:

 Vazões nominais dos materiais;  Ciclo operacional;

 Número de horas operacionais por ano;

 Especificações de produtos, subprodutos e matérias-primas;

 Consumo por unidade de produção de matérias-primas, subprodutos e utilidades;

 Balanço e consumo de energia;

 Reações envolvidas e taxa de conversão, pureza, catalisadores etc;  Impacto no meio ambiente, com identificação e quantidade de efluentes.

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Descrição das Plantas Industriais



Diagrama do Fluxo do Processo

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Descrição das Plantas Industriais



Diagrama do Fluxo do Processo

 Diagrama de Fluxo de Processo

 Tem por objetivo em mostrar os principais equipamentos através de

símbolos de uso comum, normatizados ou especiais.

 Tanto o Fluxograma Índice como o Fluxograma de Processo devem

mostrar as operações do processo industrial do início ao fim, e

devem incluir todos os equipamentos principais e as tubulações de interligação dos mesmos.

 Exemplo a seguir:

 Processo de secagem a vapor, onde os fluxos de matéria-prima chegam à esquerda, com origem e destino assinalados; O-xx indica tanque; T-yy indica trocador de calor; P-zz bomba e MX reator etc.

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Descrição das Plantas Industriais



Diagrama do Fluxo do Processo

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Descrição das Plantas Industriais



Diagrama de Tubulação e Instrumentação P&ID (Piping &

Instrument Diagram)

 Este diagrama permite mostrar uma fotografia completa do processo

pois os desenhos de equipamentos, tubulações e instrumentos possuem riqueza de detalhes.

 Um P&ID deve mostar:

 Todos os equipamentos, dispositivos de alívio de pressão, indicadores de níveis, tubulações, caminho do produto, itens que afetam a funcionalidade do processo, tipos de conexões, instrumentos de medições, todas as malhas de instrumentos críticos, sistemas de purga,...

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Descrição das Plantas Industriais

 Diagrama de Tubulação e Instrumentação P&ID (Piping &

Instrument Diagram)

 Exemplo: Coluna de destilação.

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Descrição das

Plantas Industriais

 Diagrama de Tubulação e

Instrumentação P&ID (Piping &

Instrument Diagram)

 Os símbolos de P&ID devem ser

padronizados. Estes são símbolos conforme norma ANSI/ISA:

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Documentos Necessários no

Projeto de Automação

 A relação de documentos descritos abaixo são fundamentais para compor a documentação de um projeto de Automação Industrial.

 Listas de Instrumentos e de entrada/saída no Controlador;

 Especificação da operação automática (Descritivo de funcionamento);  Diagrama de controle lógico;

 Diagramas de causa e efeito;  Diagramas de controle dinâmico;

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Documentos Necessários no Projeto

de Automação

 Listas de Instrumentos e de entrada/saída no CLP

Esta lista contém todos os instrumentos indicando o seu nome (tag) e a sua função relacionando com as entradas e saídas tanto digitais como

analógicas no CLP.

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Documentos Necessários no Projeto

de Automação

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Documentos Necessários no Projeto

de Automação

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Documentos Necessários no Projeto

de Automação

 Especificação da operação do sistema

 Trata-se de uma especificação redacional, descrevendo todas as

situações e as ações conseqüentes que são desejadas.

 Estabelece o seqüenciamento e a lógica requisitados pela engenharia do

processo em questão, visando sua segurança e eficiência:

 Procedimentos de partida  Operações em batelada  Intertravamentos

 Esquemas de controle e de parada de plantas etc...

A partir dessa especificação são elaborados os diagramas de controle lógico e de controle dinâmico, em harmonia com os P&ID´s.

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Documentos Necessários no Projeto

de Automação

 Especificação da operação de um sistema

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Documentos Necessários no Projeto

de Automação

 Diagrama de Controle Lógico

 Quando há um número limitado de funções lógicas é utilizado em

conjunto com esquemas de controle dinâmico, estas funções podem ser incluídas no diagrama de blocos.

 Da mesma forma, quando algumas funções de controle dinâmico são

utilizadas junto com esquemas de seqüenciamento elas podem ser mostradas no diagrama lógico.

 Os diagramas lógicos das partidas e paradas das plantas precisam

especificar como as operações devem ocorrer em condições normais e de emergência.

 Existem símbolos padronizados para estes diagramas lógicos.  Estudar o caso 7.3 página 192

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Documentos Necessários no Projeto

de Automação

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Documentos Necessários no Projeto

de Automação

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Documentos Necessários no Projeto

de Automação

 Diagramas de causa e efeito

 Mesmo que tenhamos um P&ID de engenharia elaborado da forma mais

completa possível, ele não pode incorporar toda a lógica do controle e dos Intertravamentos necessários.

 Por isso ele costuma ser resumido nas Matrizes de Causa e Efeito, que

fornecem para cada situação particular do processo o status desejado das válvulas, bombas etc.

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Documentos Necessários no Projeto

de Automação

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Documentos Necessários no Projeto

de Automação

 Diagramas de Controle Dinâmico

 São normalmente elaborados a partir dos Fluxogramas de Processo

(PFDs), pela adição da instrumentação, de válvulas de controle e de blocos de cálculo.

 São destinados a mostrar o relacionamento entre o processo e o

controle no mesmo desenho.

 Não devem ser sobrecarregados com informações típicas dos outros

instrumentos. Os símbolos de identificações devem utilizar os mesmos símbolos dos DFPs e P&IDs.

 A mesma informação pode estar no formato de diagramas de blocos,

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Documentos Necessários no Projeto

de Automação

 Entradas e saídas do bloco devem ser especificadas, com a saída de um

bloco sendo a entrada de outro, até que tenhamos a saída do último com o sinal que irá para o elemento final de controle.

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Documentos Necessários no Projeto

de Automação

 Blocos de cálculo são utilizados para mostrar o método de

implementação dos esquemas de controle e aparecem com o símbolo de um retângulo, onde é inserido texto com indicação da função

matemática a ser executada.

 Blocos de cálculo podem ser controlados por:  Ação proporcional, integral e derivativa;

 Funções de lead-lag e dead-time;  Função razão;

 Função seletor de máxima/mínima.

 Blocos de intertravamento são os que definem uma ação, como partida,

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Projeto do Programa Ladder de

Automação

 Abordagem Estruturada da Lógica de Controle

 Existem algumas recomendações para a fase do projeto de automação em que se elabora o

programa do Controlador Industrial, visando não só realizar uma receita operacional definida mas também facilitar a partida real (start-up), a manutenção e qualquer aperfeiçoamento futuro.

 A palavra chave é estruturação, significando:

 1-Decomposição em tarefas (task), programas (programs) e sub-rotinas (subroutines) no

controlador e estrutura de dados nos sistemas de MES (Manufacturing Executing System);

 2-Segregação da lógica entre o controlador e os dispositivos inteligentes;  3-Regras de Segurança em cada subprograma;

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Projeto do Programa Ladder de

Automação

 Abordagem Estruturada

 1-Decomposição em subprogramas

 1.1-Os subprogramas devem ser facilmente associáveis a etapas do processo automatizadas ou a grupos significativos de equipamentos. Um bom critério é o de agrupar equipamentos, sensores e atuadores que devam ser, na manutenção industrial, ligados e desligados simultaneamente.  1.2-Caso: Onde se deve adicionar a linha do reator B? No subprograma de A ou no de B?

No A fica a linha de solicita a transferência (leitura), porque são seus sensores que indicam a prontidão para a transferência;

No B fica a linha que comanda a ação de transferência, porque são seus sensores e seus intertravamentos que indicam o momento adequado.

 1.3-Temporizadores e Contadores: sua reiniciação (reset) deve ser feita no passo anterior àquele em que serão utilizados.

 1.4-A organização dos subprogramas em sistemas deve valer-se da forma de uma máquina de estados, como um Grafcet ou SFC: os subprogramas são os “passos”; as transições de um “passo” a outro ficam, naturalmente, sujeitas às condições lógicas o projeto.

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Projeto do Programa Ladder de

Automação

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Projeto do Programa Ladder de

Automação

 Abordagem Estruturada

 2-Regra de Segurança:

 É imprescindível que em cada subprograma haja instruções para o caso de ocorrerem defeitos em componentes ou falhas na evolução; o sistema deve ser então reconduzido ao “passo” inicial ou conduzido a um “passo” específico de tratamento de falhas.

 3-Rotina de cópia de variáveis:

 Deve executar o escalonamento de todas as variáveis de engenharia para

variáveis do controlador, ou vice-versa. Esse cuidado facilita muito as simulações e os testes, assim como eventuais alterações de programa.

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Projeto do Programa Ladder de

Automação

 Abordagem Estruturada – estudo de caso

 Um dos objetivos da automação é o elevado grau de flexibilidade de

rotas (soluções) inclusive devido à emergências.

 Na próxima figura aparecem os equipamentos acionados para

estabelecimento da rota silo 1 a secador 1.

 O exemplo possui um processo físico de 6 silos de material úmido, com

válvulas de saída individuais. Do ponto de vista virtual (programa), cada silo possui associados bits exclusivos que indicam sua seleção, como B3:0/0 ... 5. Os silos também se encontram subordinados aos sistemas principais do processo, que são o têxtil e o industrial (caracterizados por tipos de grânulos).

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Projeto do Programa Ladder de

Automação

 Foi elaborado um programa ladder (sub-rotina) para cada silo.

Especificamente o do silo K33_1_AT9 é mostrado também na próxima figura, com os seguintes estados:

 Passo 1 - Prontos os equipamentos auxiliares do silo, aguarda a seleção do silo pelo supervisório;

 Passo 2 - Aciona equipamentos auxiliares e válvulas referentes ao silo;  Passo 3 - Descarrega o silo;

 Passo 4 - Estado seguro, após condições de anormalidade serem detalhadas.  Além dos passos há também, no mesmo arquivo de programa, outras

linhas que são sempre lidas e executadas, como por exemplo, linhas que tangem à segurança do processo.

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Projeto do Programa Ladder de

Automação

 Passo 1 - Prontos os

equipamentos auxiliares do silo, aguarda a seleção do silo pelo supervisório;

 Passo 2 - Aciona

equipamentos auxiliares e válvulas referentes ao silo;  Passo 3 - Descarrega o silo;  Passo 4 - Estado seguro,

após condições de anormalidade serem detalhadas.

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Projeto do Programa Ladder de

Automação

 Verificação de Programas

 Esta é uma importante fase de todo projeto de automação, seja em

Ladder, seja em SFC, seja em ST ou em Function Block.

 Na figura abaixo estão representados os sinais de interface entre o

programa aplicativo do PLC e a planta industrial. Na montagem do

programa de automação o projetista visa que o PLC execute operações lógicas e/ou seqüenciais, concebidas para produzir o que o usuário

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Projeto do Programa Ladder de

Automação

Sistema de eventos discretos Programa do PLC

PLC

Planta Industrial

Sistema a eventos discretos Atuadores Interfaces Sensores Interfaces Si Ei Comandos Externos Estado Inicial

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Projeto do Programa Ladder de

Automação

 Para verificar que um dado programa irá cumprir o desempenho

desejado, devemos aplicar todas as combinações e seqüências de

entradas E; e constatando que o programa responde com os resultados desejados Sj.

 Especialmente em processos mais complexos, há o perigo de se

omitirem algumas combinações que de fato ocorrerão. Outro problema é a ocorrência de certas inversões na ordem dos eventos.

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Projeto do Programa Ladder de

Automação

 Uma boa solução para aumentar a visibilidade, a segurança e a

facilidade da verificação é montar um segundo programa que simule a planta, isto é, que reproduza as relações de causa e efeito inerentes aos fenômenos da planta.

 Programa Ladder de automação: Ei  Sj

 Programa de simulação da planta no computador: E’i  S’i  Interconexões: E’j = Sj e S’i = Ei

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Projeto do Programa Ladder de

Automação

 A figura abaixo mostra o sistema de simulação completo, que pode ser

executado no computador utilizado para a programação Ladder,

fechando uma malha formada pelo programa aplicativo de automação e pelo programa de simulação da planta, com as interconexões. Note que o programa adicionado para simular a planta representa uma

realimentação (feedback) em trono do programa de automação. Programa do PLC

PLC

Programa Simulador do Processo

Sj = E’j Ei = S’i Comandos Externos Estado Inicial

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