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UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ
DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETRÔNICA
CURSO DE TECNOLOGIA EM ELETRÔNICA
GRAZIELE DE OLIVEIRA SILVA
JOELMA APARECIDA BATISTA
LUÍS HENRIQUE FONTANA
AUTOMATIZAÇÃO DE UMA ESTAÇÃO DE
TRATAMENTO DE EFLUENTES
TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO
CURITIBA
GRAZIELE DE OLIVEIRA SILVA
JOELMA APARECIDA BATISTA
LUÍS HENRIQUE FONTANA
AUTOMATIZAÇÃO DE UMA ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE
EFLUENTES
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à disciplina Trabalho de Diplomação, como requisito parcial para obtenção de grau de Tecnólogo no Curso de Tecnologia em Eletrônica, Modalidade Automação de Processos Industriais, da Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Orientadora: Profa. Simone Massulini Acosta.
CURITIBA
GRAZIELE DE OLIVEIRA SILVA
JOELMA APARECIDA BATISTA
LUÍS HENRIQUE FONTANA
AUTOMATIZAÇÃO DE UMA ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE
EFLUENTES
Esta monografia foi julgada e aprovada como requisito parcial para a obtenção do título de Tecnólogo em Eletrônica, Modalidade Automação de Processos Industriais pela Universidade Tecnológica Federal do Paraná.
Curitiba, 08 de abril de 2008.
_____________________________
Profa. MSc. Simone Massulini Acosta Coordenadora de curso Departamento Acadêmico de Eletrônica
_____________________________
Profa. Dra. Denise Elizabeth Hey David Responsável pelo Trabalho de Conclusão de Curso Departamento Acadêmico de Eletrônica
BANCA EXAMINADORA
______________________________
Prof. Esp. Luíz Carlos de Oliveira
______________________________
Profa. MSc. Simone Massulini Acosta Orientadora
_____________________________
Prof. MSc. Valmir de Oliveira
RESUMO
FONTANA, Luís Henrique; GOMES, Graziele Oliveira Silva; BATISTA, Joelma
Aparecida. Automatização de uma estação de tratamento de efluentes. 2008. Monografia
(Graduação). Curso de Tecnologia em Eletrônica, Modalidade Automação de Processos
Industriais, UTFPR, Curitiba.
A presente proposta refere-se a construção de uma bancada simplificada, baseada em
um sistema real, que simula o funcionamento dos principais pontos que serão automatizados
na estação de tratamento de efluentes da empresa Volvo do Brasil Veículos Ltda. Hoje, o
processo possui algumas etapas que são realizadas manualmente.
Através da utilização de um controlador lógico programável (CLP), um sistema de
supervisão, sensores e um protocolo para a transmissão de dados, será possível a operação da
planta da estação e a detecção de eventuais falhas do sistema.
Desta forma, espera-se obter bons resultados em âmbito tecnológico, social e
financeiro para a empresa, caso futuramente sejam implantadas estas mudanças.
Palavras-chave: Automação, CLP, Sistema Supervisório, Monitoramento e Controle.
SUMÁRIO
RESUMO ..................................................................................................................................
ABSTRACT ..............................................................................................................................
- AGRADECIMENTOS .............................................................................................................
- RESUMO ..................................................................................................................................
- ABSTRACT ..............................................................................................................................
- SUMÁRIO ................................................................................................................................
- LISTA DE FIGURAS ..............................................................................................................
- LISTA DE TABELAS ..........................................................................................................
- 1 INTRODUÇÃO ......................................................................................................
- 1.1 PROBLEMA ............................................................................................................
- 1.2 OBJETIVOS.............................................................................................................
- 1.2.1 Objetivo Geral ..........................................................................................................
- 1.2.2 Objetivos Específicos ...............................................................................................
- 1.3 JUSTIFICATIVA .....................................................................................................
- 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA .........................................................................
- 2.1 AUTOMAÇÃO ........................................................................................................
- 2.2 CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL ....................................................
- 2.2.1 Definição ..................................................................................................................
- 2.2.2 Princípio de Funcionamento.....................................................................................
- 2.2.3 Arquitetura Básica do CLP.......................................................................................
- 2.2.3.1 CPU ..........................................................................................................................
- 2.2.3.2 Módulos de Entrada e Saída (I/O) ............................................................................
- 2.2.3.3 Fonte de Alimentação...............................................................................................
- 2.2.4 Linguagem de Programação .....................................................................................
- 2.2.5 Recursos dos CLP’s..................................................................................................
- 2.2.6 Características Gerais do CLP Moeller ....................................................................
- 2.2.7 Software de Programação .........................................................................................
- 2.3 SISTEMAS SUPERVISÓRIOS ...............................................................................
- 2.3.1 Componentes Físicos de um Sistema de Supervisão................................................
- 2.3.2 Componentes Lógicos de um Sistema SCADA .......................................................
- 2.3.3 Definição de Variáveis .............................................................................................
- 2.3.4 Supervisório Wizcon 9.1 ..........................................................................................
- 2.3.5 Modos de Comunicação ...........................................................................................
- 2.4 SENSORES ..............................................................................................................
- 2.4.1 Introdução.................................................................................................................
- 2.4.2 Sensor Ultra-Sônico..................................................................................................
- 2.4.3 Sensor Capacitivo .....................................................................................................
- 2.4.4 Sensor de pH.............................................................................................................
- 2.5 VÁLVULA DE CONTROLE ..................................................................................
- 2.5.1 Componentes de uma Válvula de Controle ..............................................................
- 2.5.1.1 Atuador .....................................................................................................................
- 2.5.1.2 Corpo ........................................................................................................................
- 2.5.2 Válvula de Controle Tipo Diafragma .......................................................................
- 2.6 BOMBAS .................................................................................................................
- 2.6.1 Bombas Centrífugas .................................................................................................
- 2.6.1.1 Funcionamento .........................................................................................................
- 3 ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE EFLUENTES DA VOLVO ....................
- 3.1 TRATAMENTO DA ÁGUA NÃO OLEOSA.........................................................
- 3.2 TRATAMENTO DA ÁGUA OLEOSA...................................................................
- 4 CONFECÇÃO DA BANCADA .............................................................................
- 4.1 ESTRUTURA DA BANCADA SIMPLIFICADA ..................................................
- 4.1.1 Etapas de Construção................................................................................................
- 4.2 PROGRAMA DE SUPERVISÃO ...........................................................................
- 4.2.1 Definição dos Objetos na Tela .................................................................................
- 4.2.2 Definição dos Textos e Displays ..............................................................................
- 4.2.3 Declaração de Tags ...................................................................................................
- 4.2.4 Definição dos Botões de Navegação ........................................................................
- 4.2.5 Animação..................................................................................................................
- 4.2.6 Definição dos Comandos dos Botões .......................................................................
- 4.2.7 Criação dos Gráficos ................................................................................................
- 4.2.8 Criação do Histórico.................................................................................................
- 4.2.9 Criação do Alarme....................................................................................................
- 4.3 DESENVOLVIMENTO DO PROGRAMA DO CLP .............................................
- 4.3.1 Criação do Programa ................................................................................................
- 4.3.2 Comunicação entre CLP e Supervisório...................................................................
- 5 RESULTADOS FINAIS ........................................................................................
- 5.1 TESTE DA TELA DE ACIONAMENTO MANUAL ............................................
- 5.2 TESTE DA TELA DE ACIONAMENTO AUTOMÁTICO ...................................
- 5.3 TESTE DA TELA PRINCIPAL...............................................................................
- 5.4 TESTE DA CORREÇÃO DO VALOR DE pH.......................................................
- 5.5 OBTENÇÃO DO GRÁFICO DE pH.......................................................................
- 5.6 OBTENÇÃO DO GRÁFICO DE VAZÃO..............................................................
- 5.7 OBTENÇÃO DO HISTÓRICO ...............................................................................
- 5.8 OBTENÇÃO DOS ALARMES ...............................................................................
- 5.9 DIFICULDADES ENCONTRADAS ......................................................................
- 6 CONCLUSÃO .........................................................................................................
- 6.1 DESENVOLVIMENTOS FUTUROS .....................................................................
- REFERÊNCIAS .....................................................................................................................
- APÊNDICE A .........................................................................................................................
- APÊNDICE B .......................................................................................................................
- Figura 1: Aplicação genérica do CLP....................................................................................... LISTA DE FIGURAS
- Figura 2: Ciclo de varredura ou scan ........................................................................................
- Figura 3: Estrutura básica da CPU ...........................................................................................
- Figura 4: Estrutura básica do sistema de memória ...................................................................
- Figura 5: Exemplo de programação em linguagem de Lista de Instruções..............................
- Figura 6: Exemplo de programação em linguagem de Texto Estruturado ...............................
- Figura 7: Exemplo de programação em linguagem Ladder .....................................................
- Figura 8: Exemplo de programação em linguagem de Diagrama de Blocos de Função..........
- Figura 9: Exemplo de estruturação de programa SFC..............................................................
- Figura 10: CLP Moeller PS4-201-MM1 ..................................................................................
- Figura 11: Ambiente de programação do software Sucosoft S40 ............................................
- Figura 12: Sistema de supervisão e controle ............................................................................
- Figura 13: Tela desenvolvida no Wizcon.................................................................................
- Figura 14: Transmissor Ultra-Sônico .......................................................................................
- Figura 15: Transmissor Ultra-Sônico .......................................................................................
- Figura 16: Sensor Capacitivo ...................................................................................................
- Figura 17: Sensor de pH ...........................................................................................................
- Figura 18: Válvula em uma malha de controle ........................................................................
- Figura 19: Válvula de controle .................................................................................................
- Figura 20: Atuador tipo mola e diafragma de ação direta ........................................................
- Figura 21: Atuador tipo mola e diafragma de ação inversa......................................................
- Figura 22: Válvula tipo diafragma............................................................................................
- Figura 23: Bomba horizontal....................................................................................................
- Figura 24: Bomba vertical ........................................................................................................
- Figura 25: Bomba centrífuga....................................................................................................
- Figura 26: Diagrama Esquemático da Estação de Tratamento de Efluentes Central ...............
- Figura 27: Vista frontal da bancada..........................................................................................
- Figura 28: Vista posterior da bancada ......................................................................................
- Figura 29: Leds da vista frontal da bancada .............................................................................
- Figura 30: Layout da vista frontal da bancada..........................................................................
- Figura 31: Layout da vista posterior da bancada ......................................................................
- Figura 32: Tela principal do sistema de supervisão .................................................................
- Figura 33: Parte do desenho da tela principal...........................................................................
- Figura 34: Definição de textos e displays ................................................................................
- Figura 35: Declaração de Tags .................................................................................................
- Figura 36: Lista das Tags .........................................................................................................
- Figura 37: Botão de Navegação ...............................................................................................
- Figura 38: Definição da macro .................................................................................................
- Figura 39: Janela de parâmetros ...............................................................................................
- Figura 40: Ação dos parâmetros...............................................................................................
- Figura 41: Janela de animações ................................................................................................
- Figura 42: Definição de comandos de botões...........................................................................
- Figura 43: Configurações dos gráficos.....................................................................................
- Figura 44: Mostra os limites criados para o gráfico de pH ......................................................
- Figura 45: Mostra a criação do Histórico .................................................................................
- Figura 46: Criação do Alarme ..................................................................................................
- Figura 47: Acionamento das memórias auxiliares ...................................................................
- Figura 48: Acionamento da bomba B1.....................................................................................
- Figura 49: Reset da bomba B1..................................................................................................
- Figura 50: Status da bomba B1 ................................................................................................
- Figura 51: Acionamento da Válvula V1...................................................................................
- Figura 52: Acionamento do pH baixo ......................................................................................
- Figura 53: Acionamento do pH normal....................................................................................
- Figura 54: Acionamento do pH alto .........................................................................................
- Figura 55: Conversão das variáveis analógicas........................................................................
- Figura 56: Driver de comunicação ...........................................................................................
- Figura 57: Tela de acionamento manual...................................................................................
- Figura 58: Leds da bancada simuladora ...................................................................................
- Figura 59: Tela de acionamento automático.............................................................................
- Figura 60: Leds da bancada simuladora ...................................................................................
- Figura 61: Mensagem operação automática .............................................................................
- Figura 62: Mensagem operação manual...................................................................................
- Figura 63: pH ácido ..................................................................................................................
- Figura 64: pH desejado.............................................................................................................
- Figura 65: pH básico ................................................................................................................
- Figura 66: Potenciômetro do CLP e display de pH ..................................................................
- Figura 67: Gráfico de pH.........................................................................................................
- Figura 68: Potenciômetro do CLP e display de vazão..............................................................
- Figura 69: Gráfico de vazão .....................................................................................................
- Figura 70: Tela de histórico......................................................................................................
- Figura 71: Representação dos alarmes .....................................................................................
- Figura 72: Tela de alarme do aerador 1....................................................................................
- Tabela 1: Características Técnicas do CLP Moeller ................................................................ LISTA DE TABELAS
- Tabela 2: Fatores Capacitivos...................................................................................................
- Tabela 3: Identificação dos leds da bancada ............................................................................
- Tabela 4: Mensagens de Alarmes.............................................................................................
tratamento de efluentes da Volvo do Brasil Veículos Ltda, que se encontra parcialmente
automatizada. Hoje, todo o comando da estação de tratamento de efluentes é feito por um
Controlador Lógico Programável (CLP) e uma Interface Homem Máquina (IHM), onde se
encontram os sistemas de acionamento das bombas de todo o processo e a regulação dos
valores de pH, sendo estes coletados manualmente em planilhas para a realização da dosagem
dos produtos químicos.
A idéia principal do projeto é unir estes pontos, através da utilização de um sistema
supervisório que controlará e monitorará toda a planta, gerando histórico e gráfico dos valores
de vazão e pH nos vários pontos do processo, onde se encontram os sensores. Neste sistema
supervisório, também estarão contidos os alarmes do sistema que se comunicarão via rede, à
central de manutenção e a portaria da fábrica.
Como a empresa não implantará as sugestões de mudanças imediatamente, será
desenvolvida uma bancada simplificada, baseada no sistema real, para a visualização da
solução proposta.
1.1 PROBLEMA ............................................................................................................
3 ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE EFLUENTES DA VOLVO ....................
automatizada. Algumas importantes etapas inerentes ao processo são realizadas manualmente,
tais como: obtenção do valor de pH e vazão da água. Estes dados são anotados em planilhas
por um funcionário da empresa, que precisa se locomover em períodos pré-determinados aos
locais onde estão situados os sensores de, vazão e pH. Os acionamentos e desligamentos das
bombas, agitadores e aeradores, são realizados através de uma IHM situada em um local
distante do departamento responsável pela estação de tratamento.
Todos estes procedimentos são inseguros e imprecisos pois estão sujeitos a falha
humana, que pode ocasionar danos ao meio-ambiente e prejuízos financeiros para a empresa.
Outro fator relevante é que, no sistema atual, existe a necessidade de um maior número de
funcionários atuando no setor, além de requerer um longo intervalo de tempo para a
Figura 12: Sistema de supervisão e controle ............................................................................
1.2 OBJETIVOS.............................................................................................................
1.2.1 Objetivo Geral ..........................................................................................................
Realizar uma proposta para a automatização da estação de tratamento de efluentes da
Volvo, com a finalidade de tornar o processo mais eficiente e confiável. Devido à
impossibilidade de implantar a proposta imediatamente, será desenvolvida uma bancada
simplificada que represente parte da estação de tratamento de efluentes real, onde serão
instalados os principais equipamentos necessários ao desenvolvimento da proposta.
1.2.2 Objetivos Específicos ...............................................................................................
Construir a bancada simplificada, representando parte da estação de tratamento de efluentes da Volvo; Efetuar a programação do CLP; Efetuar a programação do sistema supervisório; Realizar a comunicação entre o CLP e o sistema supervisório; Realizar testes na bancada montada;
1.3 JUSTIFICATIVA .....................................................................................................
Este projeto, abrange um tema de suma importância atualmente: o tratamento de
efluentes. Através da automatização da estação de tratamento de efluentes da Volvo, este
processo se tornará mais eficiente, trazendo vantagens para a empresa.
O objetivo principal do projeto é permitir a operação, o controle e o monitoramento da
planta da estação de tratamento de efluentes e detectar eventuais falhas do sistema de forma
fácil e eficiente. As ações efetivas que englobam todo o processo de monitoramento da
estação não podem ser pontuais e desorganizadas. Elas precisam estar integradas à própria
cultura organizacional, como processos que antecipem e impeçam quadros de risco e sanções
legais e, sobretudo, melhorem o desempenho e os resultados da organização.
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA .........................................................................
2.1 AUTOMAÇÃO ........................................................................................................
A palavra automation foi inventada pelo marketing da indústria de equipamentos da
década de 1960. O neologismo, sem dúvida sonoro, buscava enfatizar a participação do
computador no controle automático industrial.
Hoje, se entende por automação qualquer sistema, apoiado em computadores que
substitua o trabalho humano e que vise soluções rápidas e econômicas para atingir os
complexos objetivos das indústrias e dos serviços.
A automação implica a implantação de sistemas interligados e assistidos por redes de
comunicação, compreendendo sistemas supervisórios e interfaces homem-máquina que
possam auxiliar os operadores no exercício de supervisão e análise dos problemas que
porventura venham a ocorrer. A vantagem de utilizar sistemas que envolvam diretamente a
informatização é a possibilidade de expansão, utilizando recursos de fácil acesso. Sem eles, as
plantas industriais podem apresentar vários problemas com um número elevados de alarmes
simultâneos, vindo a dificultar a atuação do operador.
A automação na indústria decorre de necessidades tais como: maiores níveis de
qualidade de conformação e de flexibilidade, menores custos de trabalho, menores perdas
materiais e menores custos de capital; maior controle das informações relativas ao processo,
maior qualidade das informações e melhor planejamento e controle da produção (MORAES;
CASTRUCCI, 2003).
2.2 CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL ....................................................
2.2.1 Definição ..................................................................................................................
O Controlador Lógico Programável (CLP) ou Progammable Logic Controller (PLC),
pode ser definido como um equipamento de controle industrial microprocessado, capaz de
armazenar instruções para a implementação de funções de controle (seqüência lógica,
temporização e contagem, por exemplo), além de realizar operações lógicas e aritméticas,
manipulação de dados e comunicação em rede. Geralmente as famílias de Controladores
Lógicos Programáveis são definidas pela capacidade de processamento de um determinado
número de pontos de entradas e/ou saídas (E/S) (GEORGINI, 2002).
Os CLP’s tem capacidade de comunicação de dados via canais seriais e USB. Com
isto, podem ser supervisionados por computadores formando sistemas de controle integrados.
Softwares de supervisão controlam redes de controladores lógicos programáveis. A Figura 1
apresenta uma aplicação genérica do CLP.
Dispositivos de entrada: Trandutores, Sensores, Chaves.
CLP
Dispositivos de Saída: Amplificadores, Sinalizadores, Atuadores.
Sistema Automatizado
Figura 1: Aplicação genérica do CLP Fonte: Georgini, 2002
O CLP foi criado em 1968 para substituir os relés dos circuitos lógicos seqüenciais ou
combinacionais para o controle industrial. A Divisão Hydramatic da General Motors
determinou os critérios para o projeto do CLP, sendo sua invenção atribuída a Richard (Dick)
Morley. A função original do CLP era a substituição dos grandes gabinetes de lógica de relés
por um equipamento menor, mais confiável, flexível em relação à programação e robusto, ou
seja, precisava resistir aos ambientes industriais agressivos e deveria apresentar uma boa
confiabilidade operacional, característica em que os grandes sistemas de relé da época
deixavam a desejar.
A primeira aplicação de um CLP foi na linha de fabricação de automóveis da General
Motors, em um jiga de testes para cablagem (chicotes) de automóveis. O CLP deveria ser
facilmente reprogramado, usando uma linguagem conhecida pelas pessoas da engenharia e da
manutenção elétrica. O programa era refeito anualmente, tendo em vista que novos modelos
de automóveis eram introduzidos todo ano (BEGA, 2003).
Uma vez gravados os dados das entradas na respectiva memória imagem, inicia-se a execução do programa de acordo com as instruções definidas pelo usuário. Durante o processamento do programa, o CLP armazena os dados na memória imagem das saídas. Por fim, o CLP transfere esses dados para as saídas físicas. Desta forma, o ciclo termina e a varredura é reiniciada.
Figura 2: Ciclo de varredura ou scan Fonte: Atos, 2006
2.2.3 Arquitetura Básica do CLP.......................................................................................
O hardware de um CLP é constituído basicamente de: CPU ( Central Processing Unit – Unidade Central de Processamento): Compreende o processador (microprocessador ou processador dedicado), o sistema de memória (ROM E RAM) e os circuitos auxiliares de controle; Circuitos/Módulos de I/O ( Input/Output – Entrada/Saída): Podem ser discretos (sinais digitais de 12VDC, 110VAC, contatos normalmente abertos, contatos normalmente fechados) ou analógicos (sinais analógicos 4-20mA, 0-10VDC, termopar); Fonte de Alimentação : Responsável pela tensão de alimentação fornecida à CPU e aos circuitos/módulos de I/O.
2.2.3.1 CPU ..........................................................................................................................
Segundo Silveira (1999), a CPU é considerada o “cérebro” do sistema, pois controla
todas as ações do CLP. Através do Programa de Execução (desenvolvido pelo fabricante) o
processador interage todo o tempo com o Sistema de Memória. Ele acessa os dispositivos de
entrada, executa a lógica conforme o programa armazenado em sua memória e aciona os
dispositivos de saída. A Figura 3 representa a estrutura básica da CPU.
Figura 3: Estrutura básica da CPU Fonte: Georgini, 2002
O processador é o dispositivo que determina o desenvolvimento tecnológico de um
CLP, ele pode ser desde um controlador convencional (8051, 80286, 80386) até um
processador DSP ( Digital Signal Processor ). Os processadores atuais são dotados de alta
capacidade computacional. Há CPU’s que possuem processamento paralelo, no qual dois ou
mais processadores executam o Programa de Aplicação (desenvolvido pelo usuário). O
processador gerencia todo o sistema, controla os barramentos de endereços, de dados e de
controle, independente de sua tecnologia (GEORGINI, 2002).
O Sistema de Memória da CPU, Figura 4, é dividido em: Memória do Sistema de
Operação (Programa de Execução e Rascunho do Sistema) e Memória de Aplicação
(Programa de Aplicação e Tabela de Dados).
